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摘要：随着汽车越来越向电子化方向发展，车上的用电设备明显增加，市场对发电机性能及效率的要求也明显提高。影响发电机效率的因素有很多，如发电机定子转子的损耗、整流桥二极管的损耗、定子的槽满率和定子转子的气隙等。优化效率的方案都需要通过复杂的计算来进行，那是否能够通过其他方法有效地解决这个问题呢？本文将通过有限元分析2款发电机内部磁通密度的分布情况和试验数据的结果，来说明改变磁通密度对发电机效率是有影响的[1]。
关键词：发电机效率;磁通密度;台架试验验证
中图分类号：U463.63 1 文献标识码：A
1发电机结构及原理
目前乘用车使用的发电机类型主要为极爪式发电机（图1）。该种类型发电机主要由以下部件组成：定子装配（产生电流）、转子装配（提供电机磁场）、整流桥装配（将交流电转为直流电）、调节器装配（用于调节输出电压）、皮带轮、前盖、后盖和保护罩盖[2]。
发电机是给汽车电气设备负载提供电流，并给蓄电池充电的发电装置。汽车上有前照灯、雾灯、电热线、空调及各种马达等用电设备，发电机给这些车辆电气负载提供电流，并给车辆上的蓄电池充电。
发电机分为2大部分：一部分是由调节器和转子组成的励磁回路;另一部分是由定子及整流桥组成的感应回路。励磁回路的作用是通过调节器给予转子励磁电流，使转子自身产生磁场，通过皮带轮的带动，使转子进行旋转，产生旋转的磁场。而感应回路中，定子被动切割转子形成的旋转磁场，定子出现交变电流，然后传递给整流桥，将交变电流转化为直流电，供应车上的用电设备，并为蓄电池进行充电[3]。
2有限元分析发电机的磁通密度
每个发电机制造商均使用不同的外形结构来设计转子和定子位置。所以，很难通过理论计算和分析，来确定发电机磁通密度的分布情况。因此，需要建立有限元模型，比较优化前后的变化[4]。
有限元分析步骤如下：根据原方案和优化方案，通过UG软件进行实体建模，并将数模导入到磁场分析软件中（图2）;根据图纸和优化方案的定义，将对应材料赋予数模相应的零件;绘制网格，由于发电机主要核心部件（转子和定子）均为回转体，所以在分析磁场情况时，仅需要选取±30°范围的部分定子和转子作为分析对象即可[5];运行分析软件，得到磁通密度的矢量分布图（图3）。
通过比较相同外形的转子，在增加永磁体前后的漏磁分布（图3左图为增加永磁体前、右图为增加永磁体后）的情况。左图中，颜色由浅至深，转子处的漏磁由高至低。对比增加永磁体后的右图，可以发现漏磁相较于左图，明显降低。
3发电机效率试验
效率试验台架由以下几部分组成，分别为可控制温度的环境箱、固定平台、发电机安装支架、拖动电机及皮带、扭矩输入轴、电流输入装置、B 连接线、接地线、温度传感器、热电偶、转速传感器、数据采集器和蓄电池等[6]。
台架搭建步骤：在台架平台上安装发电机和支架;将试制完成的发电机按照装备位置安装到支架上;用皮带连接发电机皮带轮及拖动电机带轮;在皮带轮处贴上反光贴纸（用于转速传感器上的红外反射）;标定各传感器并安装到相应位置（如在温度传感器安装、皮带轮反光贴纸前安装转速传感器等）;连接蓄电池正极与B 端，蓄电池负极连接发电机接地端;连接调节器与蓄电池。
发电机效率试验步骤：设定试验台架环境箱工作温度为25℃，启动试验台架并开始发电机预热，设定发电机转速为1800 r/min，设置预热时间为20 min，數据采集时间为10 min。在数据采集过程中共采集30组数据（15组最大扭矩、15组最小扭矩及扭矩对应得恒定电流和电压）;再分别设定发电机的转速为3000 r/min、6000 r/min及10000 r/min。根据试验步骤进行试验，并采集相应的试验数据，得到试验结果如表1所示。
4结束语
通过对比有限元分析结果，增加永磁体后，发电机转子表面磁通密度分布比增加永磁体前更均匀，并且更小。通过对比试验结果数据，增加永磁体后，发电机的效率明显提升。所以，同等外形尺寸的发电机，在改善转子的磁通密度分布后，发电机效率会有改善，说明改变磁通密度对发电机效率是有影响的[7]。
【参考文献】
[1]胡明义.汽车交流发电机结构原理与检修[M].北京：北京理工大学出版社，2001.
[2]王群京，倪有源，李国丽.爪极电机的结构、理论及应用[M].河北：中国科学技术大学出版社，2006.
[3]王群京，倪有源，朱卫国，等.新型汽车用爪极发电机系统效率计算[J].系统仿真学报，2006，18（6）：1609 1611.
[4]王子昂.基于效率提升的车用发电机电磁参数优化与试验验证[D].上海交通大学硕士论文，2014.
[5]鲍晓华，王群京，倪有源，等.爪极发电机建模及参数优化设计[J].中国电机工程学报，2006，26（21）：138 142.
[6]杨浩.提高汽车发电机的功率输出研究和新技术动态.内蒙古科技与经济，2008，5（9）：67-69.
[7]李光友.提高汽车发电机系统输出功率和效率的新方法.微特电机，2002，3（4）：16-18.
关键词：发电机效率;磁通密度;台架试验验证
中图分类号：U463.63 1 文献标识码：A
1发电机结构及原理
目前乘用车使用的发电机类型主要为极爪式发电机（图1）。该种类型发电机主要由以下部件组成：定子装配（产生电流）、转子装配（提供电机磁场）、整流桥装配（将交流电转为直流电）、调节器装配（用于调节输出电压）、皮带轮、前盖、后盖和保护罩盖[2]。
发电机是给汽车电气设备负载提供电流，并给蓄电池充电的发电装置。汽车上有前照灯、雾灯、电热线、空调及各种马达等用电设备，发电机给这些车辆电气负载提供电流，并给车辆上的蓄电池充电。
发电机分为2大部分：一部分是由调节器和转子组成的励磁回路;另一部分是由定子及整流桥组成的感应回路。励磁回路的作用是通过调节器给予转子励磁电流，使转子自身产生磁场，通过皮带轮的带动，使转子进行旋转，产生旋转的磁场。而感应回路中，定子被动切割转子形成的旋转磁场，定子出现交变电流，然后传递给整流桥，将交变电流转化为直流电，供应车上的用电设备，并为蓄电池进行充电[3]。
2有限元分析发电机的磁通密度
每个发电机制造商均使用不同的外形结构来设计转子和定子位置。所以，很难通过理论计算和分析，来确定发电机磁通密度的分布情况。因此，需要建立有限元模型，比较优化前后的变化[4]。
有限元分析步骤如下：根据原方案和优化方案，通过UG软件进行实体建模，并将数模导入到磁场分析软件中（图2）;根据图纸和优化方案的定义，将对应材料赋予数模相应的零件;绘制网格，由于发电机主要核心部件（转子和定子）均为回转体，所以在分析磁场情况时，仅需要选取±30°范围的部分定子和转子作为分析对象即可[5];运行分析软件，得到磁通密度的矢量分布图（图3）。
通过比较相同外形的转子，在增加永磁体前后的漏磁分布（图3左图为增加永磁体前、右图为增加永磁体后）的情况。左图中，颜色由浅至深，转子处的漏磁由高至低。对比增加永磁体后的右图，可以发现漏磁相较于左图，明显降低。
3发电机效率试验
效率试验台架由以下几部分组成，分别为可控制温度的环境箱、固定平台、发电机安装支架、拖动电机及皮带、扭矩输入轴、电流输入装置、B 连接线、接地线、温度传感器、热电偶、转速传感器、数据采集器和蓄电池等[6]。
台架搭建步骤：在台架平台上安装发电机和支架;将试制完成的发电机按照装备位置安装到支架上;用皮带连接发电机皮带轮及拖动电机带轮;在皮带轮处贴上反光贴纸（用于转速传感器上的红外反射）;标定各传感器并安装到相应位置（如在温度传感器安装、皮带轮反光贴纸前安装转速传感器等）;连接蓄电池正极与B 端，蓄电池负极连接发电机接地端;连接调节器与蓄电池。
发电机效率试验步骤：设定试验台架环境箱工作温度为25℃，启动试验台架并开始发电机预热，设定发电机转速为1800 r/min，设置预热时间为20 min，數据采集时间为10 min。在数据采集过程中共采集30组数据（15组最大扭矩、15组最小扭矩及扭矩对应得恒定电流和电压）;再分别设定发电机的转速为3000 r/min、6000 r/min及10000 r/min。根据试验步骤进行试验，并采集相应的试验数据，得到试验结果如表1所示。
4结束语
通过对比有限元分析结果，增加永磁体后，发电机转子表面磁通密度分布比增加永磁体前更均匀，并且更小。通过对比试验结果数据，增加永磁体后，发电机的效率明显提升。所以，同等外形尺寸的发电机，在改善转子的磁通密度分布后，发电机效率会有改善，说明改变磁通密度对发电机效率是有影响的[7]。
【参考文献】
[1]胡明义.汽车交流发电机结构原理与检修[M].北京：北京理工大学出版社，2001.
[2]王群京，倪有源，李国丽.爪极电机的结构、理论及应用[M].河北：中国科学技术大学出版社，2006.
[3]王群京，倪有源，朱卫国，等.新型汽车用爪极发电机系统效率计算[J].系统仿真学报，2006，18（6）：1609 1611.
[4]王子昂.基于效率提升的车用发电机电磁参数优化与试验验证[D].上海交通大学硕士论文，2014.
[5]鲍晓华，王群京，倪有源，等.爪极发电机建模及参数优化设计[J].中国电机工程学报，2006，26（21）：138 142.
[6]杨浩.提高汽车发电机的功率输出研究和新技术动态.内蒙古科技与经济，2008，5（9）：67-69.
[7]李光友.提高汽车发电机系统输出功率和效率的新方法.微特电机，2002，3（4）：16-18.