顧秋麟

（浙江大東吳汽車電機(jī)股份有限公司，湖州 313000）

1 前言

汽車交流發(fā)電機(jī)將發(fā)動機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，是傳統(tǒng)燃油汽車電力系統(tǒng)的核心。隨著車輛傳感器、執(zhí)行器數(shù)量的逐漸增加，控制器的功耗越來越大[1]，對汽車交流發(fā)電機(jī)的制造和性能要求逐漸提高。

根據(jù)對車輛工況特征的分析，不同地域、不同車輛的高速行駛時間占比均較小[2]，僅提高發(fā)電機(jī)的額定功率未必能滿足車輛的供電需求；增大發(fā)電機(jī)的體量，使不同轉(zhuǎn)速下輸出功率均有所提升，又會使發(fā)電機(jī)體積過大造成更多的問題。

車用發(fā)電機(jī)對體積與質(zhì)量的要求較為嚴(yán)格，提高發(fā)電機(jī)單位質(zhì)量的輸出功率、提高低速工況下的輸出功率和發(fā)電機(jī)的額定功率，是汽車發(fā)電機(jī)行業(yè)一直在研究的課題。本文根據(jù)現(xiàn)有成熟產(chǎn)品的參數(shù)，分析發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)，研究定子總成電樞繞組參數(shù)對發(fā)電機(jī)輸出特性的影響，并設(shè)計試驗(yàn)樣機(jī)測試發(fā)電機(jī)實(shí)際性能，與理論分析結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證發(fā)電機(jī)定子總成電樞繞組參數(shù)對輸出功率的影響。

2 汽車交流發(fā)電機(jī)及其定子總成

2.1 交流發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

汽車交流發(fā)電機(jī)主要為鳥嘴形爪極發(fā)電機(jī)，如圖1所示，其主要部件包括皮帶輪、前蓋總成、轉(zhuǎn)子總成、定子總成、后蓋、調(diào)節(jié)器總成、整流橋總成、防護(hù)罩[3]。

圖1 汽車交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)爆炸圖

2.2 定子總成結(jié)構(gòu)

2.2.1 定子總成基本外形

定子總成的基本參數(shù)包括外形尺寸和線圈繞組的接線方式、嵌線方式、線徑匝數(shù)[4]。定子總成的主要外形尺寸如圖2所示。

圖2 定子總成主要尺寸示意

2.2.2 定子鐵芯

定子鐵芯是汽車交流發(fā)電機(jī)勵磁回路和固定定子線圈繞組的重要部件，為向轉(zhuǎn)子總成磁場提供勵磁回路，通常使用磁導(dǎo)率較高的硅鋼片疊壓而成，以減小鐵芯中產(chǎn)生的電磁渦流，有助于提高發(fā)電機(jī)的性能。定子線圈繞組的線圈嵌在其內(nèi)開口的槽中。鐵芯的內(nèi)徑、外徑、高度、材料、電樞齒的截面結(jié)構(gòu)都會對磁場產(chǎn)生影響，從而改變繞組中的感應(yīng)電勢。但內(nèi)徑、外徑和高度受限于發(fā)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，電樞齒又需考慮與爪極的極弧系數(shù)、齒槽轉(zhuǎn)矩，一般不進(jìn)行更改。

2.2.3 電樞線圈繞組

目前常見的發(fā)電機(jī)定子線圈繞組為三相和六相，接線方式有星形和三角形接法，均輸出三相交流電。在三相繞組制造過程中，每相繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的頻率相同、幅值相等、相位互差120°。六相繞組的相位差要求為60°，其他要求與三相繞組相同。發(fā)電機(jī)工作時，感應(yīng)電動勢從線圈繞組中產(chǎn)生并傳遞到整流橋。繞組由漆包線根據(jù)要求波繞或疊繞嵌入鐵芯的電樞齒中，其匝數(shù)、相數(shù)和接線方式會對電性能產(chǎn)生影響，在圖2 中主要尺寸不變的情況下，這些參數(shù)便于更改與試驗(yàn)。

2.3 定子總成電樞繞組參數(shù)

定子總成的不同接線方式如圖3所示，星形接法還可在中性點(diǎn)增加一根導(dǎo)線，并在整流橋中多并聯(lián)一組二極管，以提高發(fā)電機(jī)高速狀態(tài)下的輸出功率。

圖3 定子總成星形和三角形接線示意

2.3.1 星形連接

空載時，定子繞組的相電勢EYA為：

式中：EYA為星形連接時的相電勢，n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，Ce=(4K∮K0W∮∮P)/60 為系數(shù)，K∮為發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)，K0為繞組系數(shù)，W∮為每項繞組的匝數(shù)，∮為空氣間隙的磁通，P為轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)。

線電勢EYB為：

接入負(fù)載時，星形接法的等效電路如圖4所示，其中Ro為發(fā)電機(jī)的等效內(nèi)阻，Rb為等效負(fù)載電阻。則相電流IYA為：

圖4 等效電路

式中：Xd=2πfL=Cxn為考慮漏感和電樞反應(yīng)的電抗，f為頻率，Cx=2πLPx/60為系數(shù)，L為定子繞組電感，Px為爪極對數(shù)。

接入負(fù)載時，線電流IYB為：

2.3.2 三角形接法

三角形接線時，空載條件下定子繞組的線電動勢EΔB與相電動勢EΔA相等：

接入負(fù)載時，定子繞組線電流IΔB為：

式中：IΔA為定子繞組三角形連接時的相電流。

高轉(zhuǎn)速條件下，有：

2.3.3 等效電路轉(zhuǎn)換

以星形接法作為參考，對式（2）與式（6）進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生14 V電壓時，有：

式中：nY0、nΔ0分別為定子繞組星形連接和三角形連接時發(fā)電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速。

由此可得，相同參數(shù)條件下，星形接法空載轉(zhuǎn)速是三角形接法的倍。再由式（5）與式（8）比較可得：

中紀(jì)委人士在剖析謝暉案時深刻指出，特權(quán)思想在謝暉的腦子里根深蒂固，在他看來，自己是單位一把手，就應(yīng)該說了算、定了辦。他專橫跋扈、剛愎自用，把黨的事業(yè)變成了個人“事業(yè)”，搞獨(dú)立王國。把違背程序個人決斷當(dāng)作敢作敢當(dāng)、有魄力的表現(xiàn)；把大包大攬、輕率表態(tài)看成是有能力的象征。什么制度、程序，什么監(jiān)督、制約，在他眼里全都是擺設(shè)。他最終由“破紀(jì)”走向“違法”。

式中：IYBmax、IΔBmax分別為定子繞組星形連接和三角形連接時的最大輸出電流。

由此可得，相同參數(shù)下，星形接法的最大輸出電流是三角形接法最大輸出電流的倍[5]。

綜上，要使三角形接法的輸出功率與星形接法的輸出功率相等，需要將三角形接法的定子總成的匝數(shù)增加到倍。

為提高發(fā)電機(jī)的輸出功率，通過計算得出三角形接法的等效電路匝數(shù)，在此基礎(chǔ)上，減少三角形接法定子總成的匝數(shù)，并增大線徑，可在槽滿率保持不變的情況下提高高速工況下的發(fā)電量。

2.3.4 星形接法增加中性點(diǎn)

在星形接法基礎(chǔ)上增加中性點(diǎn)，是一種提高發(fā)電機(jī)高速狀態(tài)下輸出功率的常用方法，可使發(fā)電機(jī)輸出功率提高10%～15%[6]。

2.3.5 三相與六相電樞繞組

三相電樞繞組使用3組二極管進(jìn)行整流，利用二極管的單向?qū)ㄐ詫@組中的交流電波進(jìn)行整流，繼而輸出帶紋波特性的直流電。理論上，二極管的正向?qū)娮铻?，但實(shí)際上二極管存在管壓降，可將電路中的二極管視為非線性電阻，如圖5所示。

圖5 二極管正向特性

二極管由PN 結(jié)和導(dǎo)線封裝而成，其電阻隨電流的變化而變化，文獻(xiàn)[7]使用管壓降更低的二極管將發(fā)電機(jī)的輸出效率提升了6%。因此，二極管的管壓降越低，電阻越小，可將二極管視為電阻，三相繞組視為電源，如圖6所示。

圖6 二極管電阻等效電路

在實(shí)際應(yīng)用中，二極管的管壓降基本保持不變，通過并聯(lián)電路可降低內(nèi)阻，如圖7所示。

圖7 二極管并聯(lián)電路示意

該方法無法充分發(fā)揮二極管的性能，然而，如使用較低額定電流的管芯并聯(lián)，受二極管特性和制造工藝的影響，存在被擊穿的風(fēng)險。圖8 所示為博世0120 系列發(fā)電機(jī)使用的14 管自激磁整流橋，其額定輸出電流為110 A，為保證質(zhì)量，使用14個額定電流為50 A的二極管，在中性點(diǎn)接1組二極管，三相繞組中每相接入并聯(lián)的2組二極管。

圖8 并聯(lián)二極管整流橋

為能使用較低額定電流的二極管，需在三相電樞中的電流通過二極管前將其分流，故使用六相電樞代替三相電樞。如圖9 所示，將2 個三相繞組整流后再并聯(lián)，理論上不會因電流過大擊穿二極管，管芯的增加也降低了內(nèi)阻。

圖9 三相線與六相線接線示意

3 試驗(yàn)方案設(shè)計與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

以GB/T 26672—2011《道路車輛帶調(diào)節(jié)器的交流發(fā)電機(jī)試驗(yàn)方法》[8]中的要求為依據(jù)，試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 試驗(yàn)基本條件

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文試驗(yàn)使用朗迪LDFD-3 型發(fā)電機(jī)性能試驗(yàn)臺，如圖10所示，表2所示為測試臺技術(shù)指標(biāo)。

表2 試驗(yàn)臺技術(shù)指標(biāo)

圖10 朗迪LDFD-3型發(fā)電機(jī)性能試驗(yàn)臺

3.3 試驗(yàn)方案

定子總成對發(fā)電機(jī)的電性能起到至關(guān)重要的作用，鐵芯幾何尺寸改變會牽連整個發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的改變，而電樞繞組的參數(shù)變化幾乎不影響結(jié)構(gòu)，也便于實(shí)現(xiàn)已量產(chǎn)產(chǎn)品的性能優(yōu)化。結(jié)合前文的分析，電樞繞組匝數(shù)、相數(shù)和接線方式會影響發(fā)電機(jī)的輸出特性，為此，設(shè)計試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。為方便后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，分別設(shè)計方案1～方案3 驗(yàn)證定子電樞繞組的匝數(shù)、定子總成的相數(shù)以及3 種不同的接線方式對發(fā)電機(jī)輸出特性的影響，樣機(jī)定子總成參數(shù)如表3 所示。方案3 中，按星形與三角形的等效轉(zhuǎn)換，三角形定子總成應(yīng)使用13 匝導(dǎo)線，為提高輸出功率，調(diào)整為11匝。

表3 樣機(jī)定子總成參數(shù)

受漆包線線徑影響，8 個定子總成導(dǎo)線截面積有所不同，由于圓形漆包線與定子鐵芯線槽內(nèi)幾何尺寸上的差異，嵌入線槽后會形成許多間隙，不同線徑漆包線形成的間隙大小不同，造成導(dǎo)線截面積不同。表3 中8 個試驗(yàn)用樣品定子已達(dá)到規(guī)定線徑的嵌線最高匝數(shù)，槽滿率已達(dá)到最大值。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

為分析在不改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子尺寸的情況下，定子總成中電樞繞組參數(shù)對發(fā)電機(jī)輸出特性及輸出功率的影響，按照QC/T 729—2005《汽車用交流發(fā)電機(jī)技術(shù)條件》[9]開展輸出特性試驗(yàn)，測試模式為恒壓（Constant Voltage，CV），選取不同轉(zhuǎn)速下的電流繪制輸出特性曲線，所測參數(shù)如表4 所示，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表4 測試項目

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在方案2 的試驗(yàn)過程中，定子總成4 與定子總成5 在2 500 r/min 時的電流紋波峰峰值差異過大，故增加了紋波電流的測試，結(jié)果如表6所示。

表6 方案2紋波電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)A

3.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

方案1輸出特性曲線如圖11所示，可以看出，導(dǎo)線匝數(shù)對發(fā)電機(jī)輸出特性影響較大，匝數(shù)越少，6 000 r/min轉(zhuǎn)速下發(fā)電量越大，與之對應(yīng)的1 500 r/min轉(zhuǎn)速下發(fā)電量越低。額定轉(zhuǎn)速6 000 r/min條件下，9匝相較于11匝的最高輸出功率提升22.7%，1 500 r/min轉(zhuǎn)速條件下，11匝相較于9匝輸出功率提升150%。

圖11 匝數(shù)對輸出特性曲線的影響

方案2 輸出特性曲線如圖12 所示，可以看出，不同相數(shù)條件下，發(fā)電量無明顯變化，各轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)的發(fā)電量并未超過5%的電流增幅，6 000 r/min 額定轉(zhuǎn)速下最高輸出功率也幾乎相等。

圖12 相數(shù)對輸出特性曲線的影響

紋波電流的對比結(jié)果如圖13 所示，定子總成5（六相）在各轉(zhuǎn)速階段的紋波電流幅值均小于定子總成4（三相），隨著轉(zhuǎn)速的提高，優(yōu)勢逐漸降低。

圖13 相數(shù)對紋波電流的影響

方案3 輸出特性曲線如圖14 所示，三角形接法減小匝數(shù)后，在1 500 r/min 轉(zhuǎn)速時發(fā)電量明顯降低，轉(zhuǎn)速高于1 800 r/min 后緩慢回升，在高速條件下明顯超過星形接法和星形接法帶中性點(diǎn)的定子總成。帶中性點(diǎn)的星形接法相較于傳統(tǒng)星形接法，在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min 時輸出性能提升12.4%，符合文獻(xiàn)[6]中增加中性點(diǎn)能提高高速條件下輸出功率的結(jié)論。

圖14 接線方式對輸出特性曲線的影響

4 結(jié)束語

本文通過改變發(fā)電機(jī)定子線圈匝數(shù)、相數(shù)和接線方式分析了定子總成中電樞繞組參數(shù)對發(fā)電機(jī)輸出特性及輸出功率的影響，得到以下結(jié)論：

a.隨著定子線圈繞組匝數(shù)的增加，輸出特性曲線趨于平穩(wěn)，初始發(fā)電轉(zhuǎn)速降低，低速狀態(tài)下輸出功率極大提高，進(jìn)入電流飽和狀態(tài)的轉(zhuǎn)速也隨之降低，同時會使高速條件下的輸出功率有所下降。

b. 相線數(shù)量的增加對發(fā)電機(jī)輸出特性曲線影響有限，但相較于三相，六相的紋波電流在低速條件下明顯降低，隨著轉(zhuǎn)速的升高，優(yōu)勢減小。

c. 三角形接法在低速條件下電流隨轉(zhuǎn)速的提高增長較快，輸出功率提升效果較為明顯，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電流增大幅度逐漸減小，但在初始發(fā)電階段，輸出功率有所下降，而星形接法增加中性點(diǎn)，初始發(fā)電階段至低速階段的輸出功率基本不變，隨著轉(zhuǎn)速的提高，輸出功率逐步提升。

在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)電機(jī)供電不足或供大于求都會帶來不同程度的問題，結(jié)合車況和用電需求配置合適的發(fā)電機(jī)，可有效提升整車性能。在未來產(chǎn)品設(shè)計中，使用較小匝數(shù)的電樞繞組提高額定輸出功率，在低速時若能通過調(diào)節(jié)器提高磁場勵磁線圈的電壓并在轉(zhuǎn)速升高時降低，可同時滿足低速條件下發(fā)電量要求。