汽车用混合励磁爪极发电机

摘要：传统的电励磁汽车爪极发电机效率低、低速性能差、输出能力不足，难以满足现代汽车电器的供电需求。为了提高爪极发电机的效率，改善它低速的性能，本文讨论一种混合励磁结构的汽车爪极发电机。这种汽车发电机结合了电励磁爪极发电机和永磁发电机的优点，不仅能实现电机气隙磁场的连续调节，还提高了它的功率输出能力和效率。

一、目的和意义

随着汽车技术的日益进步，汽车上的用电设备越来越多，比如:空调、电视、照明系统、收音机等等。用电设备的增加，使得汽车所需的电量也大大的增加。而目前汽车上使用的交流发电机功率一般都不高，低速性能较差，因此为了满足车上用电设备的需求，开发出一种低速性能好、高功率的新型汽车发电机就成为了当务之急。

目前所有的汽车均采用交流发电机，交流发电机按照磁场绕组搭铁方式分为内搭铁型交流发电机和外搭铁交流发电机;按照电机是否带有电刷分为有刷和无刷发电机;按照发电机是否带有调节器分为整体式发电机和非整体式发电机;按照不同的励磁方式又可以分为电励磁发电机、永磁式发电机以及混合式励磁发电机。

发电机是汽车汽车的主要电源，它的主要功能是在发动机正常运转时(怠速以上)，向车上其它的用电设备进行供电，同时为蓄电池充电。汽车发电机是汽车电源系统的主要部件，随着汽车工业的发展而发展，它经历了从直流发电机到交流发电机到无刷交流发电机发展过程。很长时间以来汽车上使用的发电机是换向式直流发电机，它的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，通过换向器以及电枢的换向作用，使得从电刷端引出的交变电动势变为直流电动势。因为存在碳刷、换向器的原因，换向的过程中会产生火花，因此碳刷和换向器极易磨损，所以它的保养周期也较短。基于它体积较大，效率不高、故障率高等缺点，所以目前汽车上大多采用硅整流交流发电机或者永磁发电机取代了直流发电机，硅整流交流发电机采用半导体整流器代替了机械式的换向器整流器，大大地提高了发电机的性能。但由于传统工艺、材料及结构设计等方面的问题，硅整流交流发电机同样存在诸多问题:输出特性差、运行不稳定、维护周期短等。伴随着人们生活水平的进步，社会的汽车拥有量也在不断的增加，传统的汽车发电机己经不能满足人们的需求，目前汽车上使用的硅整流交流发电机大多为有刷结构，因此影响了发电机的使用寿命，其运行也不可靠。并且在由于城市的交通状况，造成了汽车行驶的速度并不高，那么这就会造成发电机的输出电压和输出功率达不到额定值，这样，发电机就既不能够为蓄电池充电，也不能够为车上的其它用电设备进行供电，此时汽车上所需的电能就只能完全由蓄电池来提供，这样的情况就会造成蓄电池的充、放电次数增加，大大地缩短了蓄电池的使用寿命。

上世纪八十年代随着稀土永磁材料的出现，永磁发电机也应用在汽车上。它转子主要由永磁材料组成，实现了无碳刷、无滑环的无刷结构，增加了它的可靠性，永磁体形状较为简单，磁性能好、磁化均匀，利用率高，由于没有励磁绕组和碳刷，也就减少了励磁绕组和电刷的摩擦损耗，提高了效率，还具有体积小、重量轻、比功率大、怠速性能好等优点[fly。但是永磁发电机也有其局限性，因为永磁发电机的磁场由永磁体产生，电压的调节比较困难，因而制约着它的应用和发展。

本文讨论混合励磁励磁结构的爪极发电机，它是针对汽车内部空间有限，在不增加其体积的前提下增加功率而研制。混合励磁爪极发电机结合了永磁发电机和电励磁发电机的优点，它既具有硅整流发电机良好的调压特性，又具有永磁发电机高效率、高可靠性的优点。

二、混合励磁电机的发展现状

“混合励磁”的思想早在1985年由美国人提出，混合励磁是指电机内部同时存在着永磁磁势源和电励磁磁势源，由二者相互作用，共同实现电磁能量的转换。混合励磁电机的出现最大限度地继承了永磁电机高效率的优点，同时克服了气隙磁场难以调节以及控制成本较高的缺陷。经过近三十年来国内外学者的努力，混合励磁电机己从基础研究、应用基础研究转入到工业应用的阶段，日本的学者提出了一种感应极永磁电机(Consequent Pole Permanent Machine)结构。该结构电机定子铁心被定子环形直流励磁绕组一份为二，两部分铁心由外部的用于轴向导磁的机壳实现机械和磁的联接，该结构的电机可以很方便地实现励磁电流的双向调节控制;

英国的学者Chalmers研究提出了混合励磁组合转子电机(Hybrid Excitation Combination Rotor Machine。该电机定子为一般交流电机定子，转子由各向异性轴向叠片转子和表贴式永磁转子构成。

日本学者Naoe Nobuyuki, Fukami Tadashi等研究了永磁一电励磁并列转子结构的混合励磁同步电机，直流励磁绕组安装在转子上，励磁电流由电刷引入，因而该结构电机可靠性不高，不能在较恶劣工况下工作。

美国威斯康星大学的T.A.Lipo提出了一种混合励磁双凸极电机的结构。该结构是在永磁式双凸极电机的基础上演变而来，它不仅有永磁还有电励磁绕组，可以方便地控制励磁电流的方向和大小，以实现气隙磁场的调节。

法国学者Amara Y, Vido L等对混合励磁同步电机的串、并联磁势进行了研究，并提出了包括铜耗、铁耗的计算电机效率的通用模型。

混合励磁发电机不仅继承了永磁电机的优点，还具有电励磁发电机气隙磁场平滑可调的优点，作为发电机，可以获得较宽的调压范围[[14]。国内对于混合励磁爪极发电机的研究起步比较晚，上海电机学院的赵朝会、张达等针对传统的电励磁爪极发电机效率低、永磁发电机磁场难以调节的问题探讨了一种串联式的混合励磁爪极发电机结构，并利用三维有限元的分析方法对电机进行了仿真，确定了该种结构的发电机的极对数及磁钢厚度，并研究了此种电机的空载特性、外特性极调节特性。

山东理工大学的王亚林提出一种爪极式电励磁和带极靴径向永磁组合励磁的混合励磁发电机结构。并通过对磁钢截面积、径向磁化长度、气隙、绕组匝数等对发电机交轴电枢反应电抗、直轴电枢反应电抗、漏抗极发电机输出特性的影响，对电机进行了优化。

合肥工业大学的王群京等人提出了一种新型的混合励磁爪极发电机结构，通过磁网络法计算得到了该电机的负载特性，并在磁场计算的基础上，由电路分析计算了电机的各种损耗得到了混合励磁爪极发电机系统的效率。

张玉春、杨成峰提出了一种在传统的电励磁爪极发电机极间和表面镶嵌永磁体的新结构混合励磁无刷爪极发电机，并通过三维有限元分析模型计算了不同励磁电流时气隙及铁心中的磁场分布;并在文献中研究了一种并联磁路非对称交错的混合励磁爪极发电机，并制作了一台2kW样机，并对样机进行了调磁性能的分析。

近年来随着新能源汽车的高速发展，传统的爪极电励磁发电机己经不能满足混合动力汽车的供电要求.上海大学的李维亚、黄苏融设计了一种并联式的混合励磁爪极皮带式起动发电机，该电机采用混合励磁的结构，通过在爪极极间添加永磁体来减小漏磁，提高电机的输出性能和效率，并采用磁路法和三维有限元法分析了该种电机的机构和原理，通过仿真分析得出电机可以在宽速度变化范围内输出恒定的电压并向蓄电池进行充电。实验结果和三维有限元仿真结果一致。

汽车用混合励磁爪极发电机兼具电励磁爪极发电机和永磁发电机的优点，它不但可以实现磁场大小的调节，还改善了它的输出特性和效率。

作为汽车主电源的汽车发电机，它的主要功能是在发动机正常转速范围以内的时候，向汽车上的所有用电设备(除起动机外)进行供电，并且同时为蓄电池充电。爪极发电机是因为其爪极结构而被称为爪极发电机，如下图2. 1所示。爪

极发电机机构极弧系数高，因其爪极的结构可以减小转子的半径，缩小整个电机的体积，降低电机的质量。因此爪极发电机可以广泛应用于对电机所占空间和质量有较高要求的车载发电系统

从电磁效果上分析，爪极转子做成直爪的效果会更好，即上下等宽，这样转子出磁通的面积就会更大，并且不易饱和，但实际上爪极做成了上窄下宽的鸟嘴状，如上图2. 1所示，主要有下面三个原因:

1)考虑到爪极发电机的高速时的安全性，为保证机械应力;

2)爪极转子使得爪极的每一个截面上的磁通密度都均匀相等，保证了爪极发电机的磁阻和磁动势最小;

3)为了在电枢绕组中获得接近正弦波的电压波形。

2.1爪极发电机结构

爪极发电机由于其结构的简单、制造成本的低廉以及结构的可靠性，使其广泛地应用于各个领域。但由于电刷和滑环的存在，使得传统的电励磁爪极发电机输出特性差、效率不高以及噪声大，因而己经不能满足人们对现代汽车使用性能的要求。伴随着社会的发展和进步，车载电子设备以及用电设备的持续增加，如何去提高汽车发电机的运行效率和输出性能成为了汽车爪极发电机的一个重要研究发展方向。爪极发电机的特殊结构使其爪极转子的漏磁通比较复杂，漏磁系数较大，一般可以分为爪极转子内侧和外侧漏磁通两大部分。内侧漏磁通主要有爪极两斜面之间的漏磁通、爪极两侧面之间的漏磁通等;外侧的漏磁通主要有经定子铁心和两爪极外端之间的漏磁通。

众所周知，目前市面上使用的电励磁爪极发电机都存在着效率不高的缺点，一台汽车用硅整流发电机的效率大概只有50%，也就是说当输出为3500W的功率时，就需要大概7000W的功率来驱动发电机。更为糟糕的是，损耗掉的功率将转化为热量积聚发电机内部，并且汽车运行时的内部发动机舱的温度很高，这将影响到发电机的使用寿命。为了使汽车用爪极发电机输出功率更大、效率更高、产生的热量更少，尤其是需要改善其低速下的输出性能。一般可以采用以下几种方法:一是在发电机的四周装上水套，并与发动机冷却系统相连，这样做使得水套降低了发电机的升温或冷却的速度，有利于提高发电机的使用寿命;一种是合理地设计爪极转子的结构，通过改变爪极发电机的结构参数来提高效率，减小漏磁;另一种是采用混合励磁的结构，通过在电机中加入永磁体，达到减少漏磁，增加主磁通的目的。

目前汽车用爪极发电机有以下三种类型[[图2.2-2.4]：

电励磁爪极发电机

永磁爪极发电机

混合励磁爪极发电机

图2.2-2.4别为三种发电机结构示意图，图中黄色物体为永磁体。电励磁爪极发电机和永磁爪极发电机的定子结构基本相同，两者主要区别在转子方面:前者电机转子具有电刷和滑环、直流励磁绕组和爪极;后者是由两个带爪的法兰盘和爪极之间的一个圆环形永磁体组成，圆环形永磁体的充磁方向为轴向充磁，装配时圆环形永磁体被夹在两个法兰盘中间，相互错开，沿圆周均匀分布，使一个法兰盘上的爪极都是N极，另一个法兰盘的爪S极，沿气隙表面正好形成多对极磁场;混合励磁爪极发电机的转子则同时具有电励磁和永磁励磁，两个磁场相互叠加，气隙磁场得以加强，因而可以地显著提高发电机低速时的输出电压。

电励磁爪极发电机是目前使用最广泛的汽车发电机。它在电励磁线圈中通入直流电流从而产生轴向的磁通，依靠法兰盘和爪极磁扼的作用转换为径向磁通，再经过气隙、定子、重新回到转子上面。电励磁爪极发电机通过调节励磁电流控制气隙磁通，用以满足变负载运行时的恒压供电。目前大多的电励磁爪极发电机都采用三相桥式全波整流电路，整流器由六只硅二极管组成。汽车用发电机运行时随着汽车转速的变化而变化，并且车上用电设备均要求恒压供电，所以当发电机的电压过高或者过低时，用电设备不能正常运行，因此一般的汽车用发电机都带有一个电压调节器，它的功能就是在转速变化的情况下，将发电机的输出电压限制在在某一个范围内。

永磁爪极发电机用永磁体励磁代替电励磁，可以省掉电刷和滑环，转子结构得以简化，电机可靠性大大提高，而且无励磁和电刷摩擦损耗，效率提高。然而永磁爪极发电机一旦励磁出现故障，发电机转速较高时电压会急剧上升，存在安全隐患。

针对上述两种电机所存在的问题，采用混合励磁爪极发电机是一个比较好的解决方案。混合励磁爪极发电机相比于传统的电励磁爪极发电机，它通过增加了永磁励磁来提高了气隙磁场，可以较好改善发电机的低速和效率性能;与永磁爪极发电机相比，混合励磁爪极发电机具有电励磁功能，可以提高发电机的电压调节能力。因此，混合励磁爪极发电机克服了电励磁爪极发电机和永磁爪极发电机的各自的主要缺点，同时又集合了这二种电机的优点，可谓扬长避短，是一种极具发展前景的汽车交流发电机。

采用了永磁励磁和电励磁相结合的方式的混合励磁爪极发电机，兼有了永磁发电机和电励磁发电机的优点。混合励磁式的爪极发电机结构，不仅解决了永磁发电机的气隙磁场难以调节的缺点，而且通过对调节励磁绕组上的直流电流，可以实现在转速及负载变化的范围里，满足恒压供电的技术要求。而相对于电励磁爪极发电机，通过添加永磁体可以有效地改善电励磁爪极发电机输出特性差、效率低等不足。

混合励磁爪极发电机一般由定子总成、爪极转子、硅整流器、前后端盖、电刷、风扇及皮带轮等组成。

有刷的混合励磁爪极发电机定子由定子铁心、三相对称的电枢绕组组成，如下图2.5示。定子铁心由内圈带槽的硅钢片叠成，定子片由电工薄钢板冲制而成，定子片两侧涂绝缘漆或者氧化处理以防磁损失。

定子槽内嵌入三相对称的定子绕组，绕组有星型和三角形两种接法，一般采用星型联接。三相绕组线圈的绕法应当遵循以下的原则:

1)每相绕组的线圈个数和每个线圈的匝数完全相等，线圈节距相等;

2)每个线圈的两个有效边应相隔180。电角度;

3)三相绕组首端应相隔120。电角度。

爪极转子主要由两块爪极、励磁绕组、磁扼、永磁体、滑环以及转子轴组成，如下图2. 6.

两块爪极压装在转子轴上，两块爪极的空腔上装有磁扼，励磁绕组套在磁扼上。励磁绕组的两根引出线与铜环相连，其表面光滑平整，以满足转子高速运行的要求。而在爪极爪子上增加永磁体，永磁体和电励磁绕组形成并联磁路。当励磁绕组通电时，励磁电流就会产生轴向的磁通，使得爪极被磁化为相互交错的N,S极。而永磁体被加在两块爪极斜面之间，充磁方向为切向，这样它不仅仅增加了主磁通，还非常有效地减少了爪极之间的漏磁。

硅整流器一般是由多个硅二极管和定子三相绕组连接而成为桥式全波式整流电路。

前后端盖均由钦合金铸造而成，漏磁少、重量轻、散热性能好。在后端盖上装有电刷、电刷架及电刷弹簧等。

3、混合励磁爪极发电机的基本原理及特点

以并联式结构的混合励磁爪极发电机为例，简述其基本的运行原理。混 合励磁爪极发电机有两个励磁源，一个是励磁绕组，一个是加在转子上的永磁体。

气隙磁场由两者叠加而成，主磁通由励磁绕组产生，该磁路首先是从爪极出发，经过气隙、电枢齿、电枢绕组、定子铁心扼部、相邻的电枢齿、再经过气隙到达爪极S极、通过磁扼，再回到爪极N极，从而形成一条回路。辅助磁通则由永磁体来产生，它从永磁体的N极出发、经爪极N极、气隙、定子齿到达定子扼，再经过定子齿、气隙到达爪极S极，再经过永磁体的S极回到永磁体N极，形成一条辅助回路。永磁体的加入不仅是减少了极间的漏磁，而且还增加了爪极的有效导磁面积，增加了主磁通。

当转子旋转时，励磁绕组中通入直流电流，转子励磁场就会形成了一个旋转磁场，由于定子三相对称绕组被旋转磁场不断切割，在电枢绕组中感应出相应的三相交流电。并且因为三相定子绕组完全对称，在空间上间隔为1200电角度，因此当定子三相绕组被转子旋转切割时，就会在电枢绕组中产生频率相同、幅值相等、相位相差1200电角度的正弦交流电动势。

电励磁和永磁励磁相结合的混合励磁爪极发电机，其兼有了电励磁爪极发电机和永磁式爪极发电机的优点。

1)混合励磁爪极发电机存在两个磁势源，气隙磁场相比于相同结构的电励磁爪极发电机有明显的提高。通过增加永磁体可以较好地改善电机的低速性能和效率。

2)相对于永磁式的爪极发电机，混合励磁爪极发电机解决了其电压不可调节的缺点。电励磁以及永磁体两部分来共同组成了混合励磁爪极发电机的气隙磁场，因此可以通过调节励磁电流来完成电压的调节。

3)通过添加永磁体，混合励磁爪极发电机的励磁绕组的电流必将降低，因此它的励磁损耗也会相应地减小。因为混合励磁爪极发电机拥有两个励磁源共同励磁，气隙磁场中有一部分将由永磁体来提供，那么在功率一定的发电机中，混合励磁爪极发电机的励磁电流一定小于普通的电励磁爪极发电机，因此它的励磁损耗也会大大降低。

4、混合励磁方案选择

混合励磁爪极发电机的方案选择应考虑电机安全与性能、材料与加工成本等方面的要求，具体包括以下三个方面:

永磁材料的用量

磁体的放置位置

采用何种永磁材料

为了便于研究，在研究所现有一台乘用车12V电励磁爪极发电机的基础上构建混合励磁爪极发电机方案，此台12V电励磁爪极发电机的其主要数据见表2.2

1)永磁材料用量的确定

永磁材料的用量取决于发电机的安全电压。与永磁爪极发电机一样，混合励磁爪极发电机也存在安全电压问题。为了保证车上其它电器设备的安全，当电机运行于最高转速且电励磁失去调节作用时，混合励磁爪极发电机中的永磁磁通所产生的电压应小于或等于安全电压，据此原则可以计算永磁基波磁通和磁密幅值，进而确定永磁材料的用量。

永磁励磁气隙磁密基波幅值为：

式中， Umax为安全电压， fmax为发电机最高转速时感应电动势的频率，N为一相串联匝数， kN1为基波绕组系数， Sp为每极爪极面积。

发电机最高转速时感应电动势的频率：

式中，P为爪极发电机的极对数， nmax、为爪极发电机的最高转速。

对上图中中的爪极发电机，极对数P=6，最高转速 nmax=18000 r/min，由 （2-2）式计算出感应电动势最高频率fmax=1800 Hz。 这里取安全电压 Umax=15 V，每个爪极面积S p=333.6 平方毫米，按上图一式计算出永磁励磁气隙磁密基波幅值 Bδpm1= 0. 07T。 也就是说，为了保证发电机在最高转速时的电压不高出15V，混合励磁爪极发电机仅永磁励磁时气隙磁密基波幅值不得高于0.07 T，因此以此来确定混合励爪极发电机永磁材料的用量。否则，当发电机处于最高转速时会有过压的风险，危及车上其它电器设备的安全。

2)磁体的放置位置

混合励磁爪极发电机永磁体可以放置在三种不同的位置，即

·爪极背面放置永磁体

·爪极斜面之间放置永磁体(以下简称极间放置永磁体)

·电机轴上放置永磁体

混合励磁爪极发电机永磁体三种不同放置位置见图2.72.9黄色部分为永磁体)

爪极背面放置永磁体，磁化方向为径向，混合励磁时气隙磁场较强;基本不改变现有爪极发电机的生产工艺，比较容易实现;可用粘接剂将永磁体粘贴在爪极的背面或者在爪极背面开槽嵌入永磁体，磁体的安全性很好。但磁体安装比较费工时，且需要占用一定的电励磁空间;由于磁体形状较复杂，如果采用烧结钱铁硼永磁材料，材料利用率不高，会增加制造成本。

极间放置永磁体，磁化方向为切向，混合励磁时气隙磁场最强;基本不改变现有爪极发电机的生产工艺，容易实现;可用粘接剂或者开槽将永磁体固定在两个爪极之间，无需占用电励磁空间。但磁体安装比较麻烦;而且由于爪极间空间有限，为了获得更高的气隙磁场，必须采用磁性能较高的永磁材料才能产生所需要的气隙磁场;磁体有一定的安全风险。

轴上放置永磁体，磁化方向为轴向，磁体安装最为简单，节省工时;磁体的安全性也很好;基本不改变现有爪极发电机的生产工艺，比较容易实现。但占用一定的电励磁空间由于电励磁和永磁磁路为并联关系，两者之间存在冲突，即电励磁需要转轴导磁，而永磁则需要转轴隔磁，因此，需要进行爪极发电机转子结构创新;同时需占用一定的电励磁空间。

表2.3给出了混合励磁爪极发电机永磁体三种不同放置位置主要优缺点比较。

3) 永磁材料的选择

在混合励磁爪极发电机中，可以选择的永磁材料有：

烧结钱铁硼

粘接钱铁硼

铁氧体

究竟采用何种永磁材料，不但与电机制造成本有关，还与永磁体的放置位置有关。烧结钱铁硼磁性能高，产生一定磁场所需的磁体体积小;但烧结钱铁硼通常需要线切割加工，因此烧结钱铁硼的材料成本和加工成本都比较高。粘接钱铁硼很容易成形，适合作为爪极背面放置的永磁体磁体;磁体加工成本较低，但体积稍大。铁氧体磁性能一般，成本相对较低，体积较大。

表2.4对三种永磁材料的主要特点进行了比较。