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 ExcitationCombination 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。
三、混合励磁爪极发电机的发展现状：
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。
待续...
来源：汽车发电机技术
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