摘要：本文介紹了兩款新型永磁汽車發(fā)電機(jī)，在保持原發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)  。

前言

       汽車使用的發(fā)電機(jī)主要是硅整流發(fā)電機(jī)，通過電勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過勵(lì)磁繞組的電能只有一小部分轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電的磁能，電能利用率

低、消耗量大，轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組易出現(xiàn)燒損、斷線等故障，這就必然增加了汽車維護(hù)成本。硅整流發(fā)電機(jī)有兩種類型，一種是有刷硅整流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)存在電刷滑環(huán)結(jié)構(gòu)，因電刷滑環(huán)容易磨損而大大縮短了發(fā)電機(jī)的壽命，故障率較高；另一種是無(wú)刷硅整流發(fā)電機(jī)，取消了電刷滑環(huán)結(jié)構(gòu)，但它增加了磁路氣隙的長(zhǎng)度，故使發(fā)電機(jī)效率降低，增加了勵(lì)磁電流的消耗。

       目前國(guó)內(nèi)城市的所有公交車輛，普遍采用電勵(lì)磁式硅整流汽車發(fā)電機(jī)。由于城市公交人多車擠，以及眾多的紅綠燈和停靠站，發(fā)電機(jī)一般都處于低速（1000～1200r/m in），甚至怠速（800r/m in）運(yùn)轉(zhuǎn)，而傳統(tǒng)的汽車發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速均較高（2500～3500r/m in及以上），低轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)輸出電壓和輸出

功率均達(dá)不到額定值。這樣，發(fā)電機(jī)既不能為蓄電池充電，也無(wú)力向點(diǎn)火系統(tǒng)和其他用電設(shè)備供電，整個(gè)汽車所需要的電能只能由蓄電池來(lái)提供，導(dǎo)致蓄電池本身頻繁充/放電操作而大幅度縮短使用壽命。

       為解決這個(gè)問題，我們自主研制了兩款新型永磁汽車發(fā)電機(jī)，在保持原發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，由稀土永磁N bFeB勵(lì)磁取代過去的電勵(lì)磁，取消了滑環(huán)碳刷系統(tǒng)，消除了碳足跡及火花等故障點(diǎn)和污染源，節(jié)省了銅線材，減輕了維護(hù)量，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，效率提高。尤其重要的是，新型高效永磁汽車發(fā)電機(jī)零電流轉(zhuǎn)速很低，具有優(yōu)越的低速充電性能。

新型永磁汽車發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.徑向磁通空心轉(zhuǎn)子式永磁發(fā)電機(jī)

       永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通常為實(shí)心結(jié)構(gòu)，如內(nèi)置式永磁型（IPM ），表面永磁型（SPM ）以及鑲嵌式永磁型（ISPM ）等，質(zhì)量較大，比功率（W /kg）相對(duì)較小。要提高比功率必須減輕質(zhì)量，我們研制的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用空心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心由圓環(huán)形硅鋼片疊壓而成，通過壓板和貫穿螺栓上下壓緊。為防止軸向漏磁，在壓板與鐵心端面之間用上下鋁合金片加裝隔磁。壓板的中間圓孔與轉(zhuǎn)軸配合，并焊接固定。鐵心外圓周均勻徑向配置著極性交替相間的永磁鋼（磁極）。為使結(jié)構(gòu)緊湊、工藝簡(jiǎn)單化，磁極與鐵心的尺寸、形狀均經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅磁鋼用量少，磁性能好，而且質(zhì)量減輕，轉(zhuǎn)子與定子之間氣隙均勻，加工安裝簡(jiǎn)單可靠。整個(gè)發(fā)電機(jī)的比功率高，在質(zhì)量相同情況下能輸出更大的功率。

2.切向磁通高氣隙磁密永磁發(fā)電機(jī)

       徑向磁通的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁鋼工作于串聯(lián)狀態(tài)，永磁體僅一側(cè)截面提供發(fā)電機(jī)每極的氣隙磁通。這里所述的切向磁通轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是軸向漏磁小、氣隙磁密

高、輸出功率大的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，包括鐵心、磁極和轉(zhuǎn)軸。鐵心由冷軋硅鋼片沖制疊壓而成，硅鋼片疊壓后，由螺栓貫穿固定。鐵心外圓開有若干個(gè)梯形極槽，極槽內(nèi)嵌置有稀土永磁鋼（N bFeB），磁鋼與極槽采用輕壓配合，梯形槽能防止運(yùn)轉(zhuǎn)中磁鋼因離心力被甩出。鐵心內(nèi)部開有扇形孔，旨在減小軸向漏磁，起到隔磁作用，同時(shí)也減輕了轉(zhuǎn)子質(zhì)量。

       該永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用優(yōu)化的切向配置磁鋼結(jié)構(gòu)，永磁體是并聯(lián)的，有兩個(gè)截面對(duì)氣隙提供每極磁通，故充分發(fā)揮了永磁鋼的磁性能，可提高氣隙磁密，從而可提高輸出功率。

       上述兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁發(fā)電機(jī)，其定子繞組均可采用雙層鏈?zhǔn)嚼@組。在定子鐵心的36個(gè)槽中，分上下兩層嵌放線圈的兩個(gè)有效邊。線圈的一個(gè)有效邊放在某一槽的上層，另一個(gè)有效邊放在相隔槽數(shù) Y =4的下層。雙層繞組的線圈數(shù)目恰好等于定子槽數(shù)36。

       這一雙層鏈?zhǔn)嚼@組中，為改善電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)的波形（接近正弦波），選用了合適的短距繞組，不僅能提高電動(dòng)機(jī)的電氣性能，而且可節(jié)省電磁線和減小繞組的漏電抗。此外，雙層繞組的所有線圈形狀和尺寸都相同，便于繞制，端部排列整齊，有利于散熱和增加機(jī)械強(qiáng)度。線圈分布緊湊，有效利用率高。對(duì)比相同功率的機(jī)組，質(zhì)量輕、尺寸小、節(jié)省銅線、硅鋼片等，降低了造價(jià)，性價(jià)比高。

新型永磁汽車發(fā)電機(jī)的優(yōu)越性

1.節(jié)能省油

       零電流轉(zhuǎn)速是指發(fā)電機(jī)輸出額定電壓時(shí)的最低轉(zhuǎn)速。這是汽車發(fā)電機(jī)的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，零電流轉(zhuǎn)速優(yōu)，說明汽車發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和工藝先進(jìn)。以鄭州宇通客車的2kW 發(fā)電機(jī)（JFZ276w 4）為例，經(jīng)過實(shí)測(cè)其零電流轉(zhuǎn)速

 n0 =1300r/min，改進(jìn)后的新型永磁發(fā)電機(jī) n 0 則下降到600r/m in。也即在0～1300r/m in轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，原發(fā)電機(jī)雖由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)（帶傳動(dòng)）運(yùn)轉(zhuǎn)，但不能輸出給蓄電池充電的功率，相當(dāng)于做無(wú)用功，浪費(fèi)發(fā)動(dòng)機(jī)在此轉(zhuǎn)速范圍的耗油量。新型電動(dòng)機(jī)在600r/min時(shí)就達(dá)到額定電壓，開始給蓄電池充電，將做無(wú)用功的轉(zhuǎn)速范圍縮短一半以上。600～1300r/m in范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)所消耗的油不再浪費(fèi)，也減小了有害的發(fā)熱量。提前向蓄電池充電和向負(fù)載供電，發(fā)電機(jī)輸出的無(wú)用功變?yōu)橛杏霉?，大幅度?jié)約了汽油和提高了能源的利用效率。

       有的廠家采取減小發(fā)電機(jī)帶輪直徑的方法，來(lái)滿足零電流轉(zhuǎn)速要求。作為發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速和輸入功率是成比例的，也就是說，轉(zhuǎn)速、電壓雖達(dá)到要求，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)上所消耗的汽油也增加了。故此法治標(biāo)不治本，未能根本解決節(jié)油、節(jié)能問題。

2、延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命

       現(xiàn)在汽車上的蓄電池大多數(shù)采用技術(shù)成熟的鉛酸蓄電池。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鉛酸蓄電池完全充/放電循環(huán)壽命為300次左右?；蛲ǔＪ褂们闆r下可用1.5～2年。城市公交車輛因較多行駛在偏低的轉(zhuǎn)速下，以鄭州市公交總公司數(shù)千公交車的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，一般的更換周期為1年。

       發(fā)電機(jī)零電流轉(zhuǎn)速偏高，勢(shì)必導(dǎo)致蓄電池工作強(qiáng)度大。蓄電池的頻繁充/放電或長(zhǎng)時(shí)間為負(fù)載供電，因而導(dǎo)致過度的放電。當(dāng)過度放電到其電壓超過允許

值后，會(huì)使得蓄電池內(nèi)部大量的硫酸鉛被吸附到蓄電池的陰極表面，在陰極形成硫酸鹽化。作為絕緣體的硫酸鉛必然對(duì)蓄電池的充/放電性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在陰極上形成的硫酸鹽越多，蓄電池內(nèi)阻越大，電池的充放電性能就越差，使用壽命必然會(huì)縮短。

       采用新型高效永磁汽車發(fā)電機(jī)，因其零電流轉(zhuǎn)速顯著降低，具有優(yōu)越的低速充電性能，使蓄電池的充放電特性大幅度改善，能確保蓄電池經(jīng)常處于充足電狀態(tài)，有效防止了電池的極板硫化，可確保延長(zhǎng)蓄電池的使用期限，大量節(jié)約了維修費(fèi)用。

3、顯著的經(jīng)濟(jì)效益

       我們開發(fā)的新型高效永磁汽車發(fā)電機(jī)，在原電勵(lì)磁汽車發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上，利用永磁技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使整體結(jié)構(gòu)緊湊堅(jiān)固、質(zhì)量輕；比功率、輸出功率、運(yùn)轉(zhuǎn)效率等各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)均明顯改善，具有優(yōu)越的低速充電性能。

結(jié)語(yǔ)

       此產(chǎn)品保留原來(lái)發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)，僅對(duì)轉(zhuǎn)子的鐵心、磁鋼的形狀尺寸及其配置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。加工工藝簡(jiǎn)單，易于安裝、批量生產(chǎn)，成本低廉。此外，勿需添置昂貴的O EM 設(shè)備，可節(jié)省大量投資。估計(jì)每臺(tái)發(fā)電機(jī)新產(chǎn)品的價(jià)格較原電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)低15% ～20% ，但性能上卻大大超過原發(fā)電機(jī)。如果僅

對(duì)城市公交車發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造，制造新型永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，每臺(tái)轉(zhuǎn)子的造價(jià)可限制在100元以內(nèi)，而公交公司就可避免每年更換一臺(tái)造價(jià)1000多元的蓄電池，每座城市均擁有數(shù)千輛公交車，因此，僅改造這一項(xiàng)節(jié)約的經(jīng)費(fèi)就非常大。