石瑞東

摘要：隨著我國科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新，在汽車領(lǐng)域也得到了很大的幫助，在汽車發(fā)電領(lǐng)域，現(xiàn)有的電勵磁交流發(fā)電機早已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段汽車的用電需求。因此為了滿足現(xiàn)代高科技的不斷發(fā)展，智能化汽車越來越需要效率更高的發(fā)電機，保障內(nèi)燃機汽車可以在足夠的電量支持下平穩(wěn)運行，為人們的生活帶來便利，服務(wù)于人民。本文主要探討了汽車發(fā)電機的各種類型以及相關(guān)原理，并對電勵磁、永磁勵磁和混合勵磁爪極發(fā)電機進行分析對比，通過控制變量法將這三種電機的結(jié)構(gòu)尺寸都控制在相同的標準上，然后通過數(shù)據(jù)對比來探討內(nèi)燃機汽車合理發(fā)電方式，并對汽車行業(yè)的未來發(fā)展趨勢進行了預測分析。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機;汽車發(fā)電;爪極發(fā)電機;混合勵磁;功率密度

0? 引言

隨著社會的進步，科技的發(fā)展，汽車行業(yè)在我國已經(jīng)取得了很好地成效，汽車已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了人們的生活當中，為人們的生活提供了很大的便利性。隨著人們生活質(zhì)量的提高，汽車的銷量也在逐年增加，人們對于汽車的性能要求也越來越高，其中備受人們關(guān)注的就是汽車的續(xù)航能力，也就是供電能力。汽車的發(fā)電機是供應(yīng)汽車設(shè)備的主要電源，它不光需要為設(shè)備提供電能，還需要為電電池充電。但是隨著科技的不斷進步，汽車上的電子產(chǎn)品越來越多，人們的研究方向也從供電需求變成了體積小、重量輕、噪音低等多方面的要求，這就直接導致了對于發(fā)電機的要求也變得很高。

1? 汽車用發(fā)電機的類型和特點

發(fā)電機作為汽車供電系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一，其本身的作用就是維持汽車的正常運作以及汽車內(nèi)部電子產(chǎn)品的正常使用，比如空調(diào)、音箱、暖風等[1]。在汽車行業(yè)最開始的時候，汽車內(nèi)部所使用的發(fā)電機都是直流供電，后來隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展才逐漸變成交流發(fā)電。在當今社會中市面上的車輛使用的基本都是電勵磁爪極交流發(fā)電機，這種發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上與直流發(fā)電機較為類似但是也存在著些許不同，具體表現(xiàn)為電勵磁爪極交流發(fā)電機取消了換向器，這一結(jié)構(gòu)上的設(shè)置讓交流發(fā)電機的性能得到了很大的提高。同時因為取消了換向器，使得電勵磁爪極交流發(fā)電機在容量上也比以往的發(fā)電機容量小，質(zhì)量也就變得更輕，結(jié)構(gòu)較為簡單，這也是電勵磁爪極交流發(fā)電機被廣泛使用的主要原因之一。

永磁爪極發(fā)電機的組成也是在其他發(fā)電機的基礎(chǔ)上進行改裝而實現(xiàn)的，在永磁爪極發(fā)電機中，主要使用了永磁鐵代替了電勵磁爪極發(fā)電機中的勵磁繞組，通過這一個簡單的更換實現(xiàn)了發(fā)電機的不同性能。在永磁爪極發(fā)電機中，永磁鐵會在工作的過程中產(chǎn)生氣隙磁場，所以永磁爪極發(fā)電機在電勵磁爪極發(fā)電機原有的性能上還具有功率因素較大的特點[2]。但是永磁爪極發(fā)電機也存在著一些缺點，在永磁爪極發(fā)電機內(nèi)部的勵磁無法進行調(diào)節(jié)，感應(yīng)電動勢會隨著電機在工作過程中的轉(zhuǎn)速提高而升高，進而導致永磁爪極發(fā)電機輸出的電壓十分不穩(wěn)定，影響發(fā)電機的正常工作，進而影響汽車在使用過程中的精準變頻、變速等功能，正因為如此，汽車生產(chǎn)廠家更愿意選擇電勵磁爪極發(fā)電機作為汽車發(fā)電機。

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的汽車發(fā)電機的專業(yè)人才對發(fā)電機進行了研究，專家表明可以用電勵磁繞組引入永磁爪極發(fā)電機，從而構(gòu)成混合勵磁爪極發(fā)電機，讓二者的優(yōu)點結(jié)合在一起并消除缺點，并嘗試將此發(fā)電機應(yīng)用在汽車之上。從理論和實踐的研究表明，混合勵磁爪極發(fā)電機相比于永磁爪極發(fā)電機而言，減少了永磁體的用量，同時還可以通過改變勵磁電流改變氣隙磁場，從而實現(xiàn)寬轉(zhuǎn)速范圍的調(diào)壓和調(diào)速工作，讓整個發(fā)電機的控制變得更加靈活[3]。

2? 爪極發(fā)電機的分類及工作原理

無論是哪一種發(fā)電機的構(gòu)造，其本質(zhì)都是爪極發(fā)電機的原理，只不過因為專業(yè)設(shè)備的添加不同而導致每一種發(fā)電機的功能也各不相同。爪極發(fā)電機也存在著很多的種類，主要是根據(jù)勵磁方式的不同而討論的。詳細介紹如下：

2.1 電勵磁式爪極發(fā)電機的工作原理

在電勵磁式爪極發(fā)電機中，當發(fā)電機內(nèi)部的兩個電刷有電流通過的時候，勵磁電流會產(chǎn)生軸向磁通，這就導致著一塊爪極將會被磁化為正極，另一塊被磁化的負極。這就導致著兩塊爪極會形成一種交叉的正負極，當轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)的過程中，兩塊爪極也會隨著旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子形成的旋轉(zhuǎn)磁場將會對定子中的線圈進行切割處理，在切割的過程中將會產(chǎn)生三相交流電，這種電能會通過硅整流器后轉(zhuǎn)換成直流電，最后在轉(zhuǎn)變成直流電之后將會被儲存在蓄電池內(nèi)，以便后續(xù)使用。同時這種工作方式不同于傳統(tǒng)的磁場，具有徑向和軸向之分，電勵磁式爪極發(fā)電機所產(chǎn)生的磁場為橫向磁場[4]。

2.2 永磁勵磁式爪極發(fā)電機的工作原理

永磁勵磁式爪極發(fā)電機和電勵磁式發(fā)電機的工作原理不同，主要表現(xiàn)在永磁勵磁式爪極發(fā)電機主要使用永磁體代替了電勵磁線圈，所以永磁體就會被夾在兩個爪極之間，然后發(fā)電原理和電勵磁式爪極發(fā)電機的工作原理是一樣的。

2.3 混合勵磁式爪極發(fā)電機的工作原理

混合勵磁式爪極發(fā)電機除了有轉(zhuǎn)子上的勵磁電流提供勵磁之外，還可以通過永磁體進行提供勵磁，讓兩者在氣隙中合成，如果想要調(diào)整氣隙磁場可以直接通過調(diào)整直流勵磁來實現(xiàn)[5]。

3? 三種爪極發(fā)電機綜合性能對比分析

在進行分析之前，需要將三種爪極發(fā)電機的電學參數(shù)和機構(gòu)尺寸都控制在同一規(guī)格之內(nèi)，保證實驗對比的公平性。

3.1 電勵磁式和永磁勵磁式爪極發(fā)電機性能對比

在實驗開始之前首先要考慮的是選擇一種軟件來對三種爪極發(fā)電機進行三維建模，為了綜合考慮，本文以Ansoft maxwell電磁有限元軟件進行測試分析。首先需要通過軟件對電勵磁式發(fā)電機和永磁勵磁爪極發(fā)電機的功率因素進行分析，并將兩種發(fā)電機在同一轉(zhuǎn)速下的功率因素進行對比，從而得出結(jié)論。通過分析對比發(fā)現(xiàn)，電勵磁式爪極發(fā)電機的最大勵磁電流一般都在6A左右，電勵磁式發(fā)電機的最大勵磁電流無論是在哪一種轉(zhuǎn)速下都比永磁勵磁式發(fā)電機的電流小。由此可以得知如果同一型號的汽車使用相同規(guī)模、體積、容量的電機，永磁勵磁式發(fā)電機一直高于電勵磁式爪極發(fā)電機。根據(jù)正常分析來講電勵磁式爪極發(fā)電機的漏磁更加嚴重，永磁式發(fā)電機的情況就比較輕微，這在一定程度上影響了電勵磁式發(fā)電機的功率因數(shù)，導致輸出電流不穩(wěn)定，汽車無法進行相關(guān)的專業(yè)技術(shù)操作。據(jù)上文描述，永磁勵磁式爪極發(fā)電機的勵磁是無法調(diào)節(jié)的，感應(yīng)電動勢將會隨著電動機內(nèi)部的轉(zhuǎn)速加快而變高，在很大程度上也無法滿足汽車發(fā)動機的工作需求，汽車的發(fā)動機質(zhì)量也得不到很好地保障[6]。

3.2 電勵磁式和混合勵磁式爪極電機性能對比

同樣使用了Ansoft maxwell電磁有限元軟件對電勵磁式爪極發(fā)電機和混合勵磁式爪極發(fā)電機進行了性能分析，并且建立的相關(guān)的三維模型，對兩種發(fā)電機的輸出功率因數(shù)和輸出功率進行了對比分析。同樣需要控制兩種發(fā)動機的轉(zhuǎn)速問題，通過實驗可知勵磁電流保持在6A以下時，電勵磁式爪極發(fā)電機的輸出功率因數(shù)和輸出功率是始終低于混合勵磁式爪極發(fā)動機的。當電流正好控制在6A時，混合勵磁是發(fā)電機在工作完成之后產(chǎn)生的功率要比電勵磁式爪極發(fā)電機產(chǎn)生的功率要多將近2400左右W的功率。這個數(shù)據(jù)不容忽視，這在一定程度上已經(jīng)證明了在電動機體積、容量等外界因素相同的時候，因為混合勵磁式爪極發(fā)電機的勵磁磁場是由勵磁繞組和永磁體同時進行提供的，同時還會調(diào)節(jié)直流勵磁也就是調(diào)節(jié)氣隙磁場，所以混合勵磁式爪極發(fā)電機的能量密度會更高。在工作的過程中，混合勵磁式爪極發(fā)電機可以滿足汽車在汽車發(fā)動機變頻、變速和變負載等多種情況始終保持可以穩(wěn)定輸出電壓，對汽車的保護和使用都起到了至關(guān)重要的作用[7]。

4? 內(nèi)燃機汽車發(fā)電方式的未來預測

汽車已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到了人們的日常生活當中，無論是貨物運輸還是人們的日常出行都離不開汽車的幫助，在很多時候汽車也成為了家庭經(jīng)濟實力的象征。隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，對于汽車品質(zhì)的要求也越來越高，現(xiàn)在和汽車需要具有良好的耗油量、性能以及發(fā)電機。隨著導航、空調(diào)、音響等電子產(chǎn)品被應(yīng)用到了汽車制造當中后，汽車的供電需求得到了很大的考驗和挑戰(zhàn)，同時現(xiàn)在人們的出行距離都較為遙遠，人們喜歡自駕游去旅行或者進行跨省走訪，這就對汽車發(fā)電機的發(fā)電性能有著較高的需求?，F(xiàn)如今我國的發(fā)電機水平已經(jīng)發(fā)展的較為成熟但是同其他汽車行業(yè)發(fā)達的國家而言還具有一定的差距，我國的混合勵磁式爪極發(fā)電機已經(jīng)滿足了穩(wěn)定輸出電壓、可供汽車可持續(xù)供電的基礎(chǔ)功能。在此基礎(chǔ)上，國家以及汽車行業(yè)的相關(guān)人員會繼續(xù)研發(fā)出更加有效、高功能、適合智能化汽車未來發(fā)展的多功能發(fā)電機，在保證汽車可平穩(wěn)運行和乘客生命安全的前提下，為智能化汽車的未來發(fā)展做準備[8]。

對于汽車行業(yè)來講，內(nèi)燃機汽車發(fā)電方式的創(chuàng)新無疑是具有創(chuàng)新意義的汽車類型，對于汽車行業(yè)來講有著重要的意義。汽車行業(yè)的發(fā)展在很大程度上是國家經(jīng)濟實力的體現(xiàn)，以日本為例，雖然日本國土面積較小，但是日本是亞洲最大的汽車制造國家，日本有很多優(yōu)秀的汽車制造企業(yè)。隨著我國內(nèi)燃機汽車發(fā)電方式的不斷研發(fā)，不斷進步，未來將會有更多的、更有效的發(fā)電方式被開發(fā)出來，只要我國一直致力于在這一方面的研究，緊跟時代發(fā)展的步伐，我國一定會成為世界上汽車制造行業(yè)的強國。汽車內(nèi)燃機發(fā)電方式的改變在未來的發(fā)展過程中會越來越符合我國節(jié)能減排戰(zhàn)略的發(fā)展，汽車尾氣污染等問題將會得到有效的解決，我國的生態(tài)環(huán)境將會得到改善，相關(guān)的汽車制造企業(yè)也會得到很好地發(fā)展。

5? 結(jié)束語

綜上所述，隨著科學技術(shù)和人們生活水平的不斷提高，人們對于汽車的質(zhì)量、性能以及性價比的要求越來越高。正因為如此，傳統(tǒng)的發(fā)電機早已經(jīng)不適用于現(xiàn)如今的多功能汽車使用，國家和汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)該更加注重對于發(fā)電機的研究與開發(fā)?；旌蟿畲攀桨l(fā)電機具有電勵磁式爪極發(fā)電機和永磁勵磁式爪極發(fā)電機兩者的綜合優(yōu)點，可以有效的實現(xiàn)汽車的多功能要求，同時可以保證汽車的穩(wěn)定性，保證發(fā)電機可以正常的工作同時還可以輸出穩(wěn)定電壓，這一發(fā)電機的研發(fā)為汽車行業(yè)的未來發(fā)展奠定了夯實的基礎(chǔ)，符合汽車的未來發(fā)展趨勢。

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