摘要：傳統的電勵磁汽車爪極發電機效率低、低速效能差、輸出能力不足，難以滿足現代汽車電器的供電需求。為了提高爪極發電機的效率，改善它低速的效能，本文討論一種混合勵磁結構的汽車爪極發電機。這種汽車發電機結合了電勵磁爪極發電機和永磁發電機的優點，不僅能實現電機氣隙磁場的連續調節，還提高了它的功率輸出能力和效率。

一、目的和意義

隨著汽車技術的日益進步，汽車上的用電裝置越來越多，比如:空調、電視、照明系統、收音機等等。用電裝置的增加，使得汽車所需的電量也大大的增加。而目前汽車上使用的交流發電機功率一般都不高，低速效能較差，因此為了滿足車上用電裝置的需求，開發出一種低速效能好、高功率的新型汽車發電機就成為了當務之急。

目前所有的汽車均採用交流發電機，交流發電機按照磁場繞組搭鐵方式分為內搭鐵型交流發電機和外搭鐵交流發電機;按照電機是否帶有電刷分為有刷和無刷發電機;按照發電機是否帶有調節器分為整體式發電機和非整體式發電機;按照不同的勵磁方式又可以分為電勵磁發電機、永磁式發電機以及混合式勵磁發電機。

發電機是汽車汽車的主要電源，它的主要功能是在發動機正常運轉時(怠速以上)，向車上其它的用電裝置進行供電，同時為蓄電池充電。汽車發電機是汽車電源系統的主要部件，隨著汽車工業的發展而發展，它經歷了從直流發電機到交流發電機到無刷交流發電機發展過程。

很長時間以來汽車上使用的發電機是換向式直流發電機，它的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢，通過換向器以及電樞的換向作用，使得從電刷端引出的交變電動勢變為直流電動勢。因為存在碳刷、換向器的原因，換向的過程中會產生火花，因此碳刷和換向器極易磨損，所以它的保養週期也較短。基於它體積較大，效率不高、故障率高等缺點，所以目前汽車上大多采用矽整流交流發電機或者永磁發電機取代了直流發電機，矽整流交流發電機採用半導體整流器代替了機械式的換向器整流器，大大地提高了發電機的效能。但由於傳統工藝、材料及結構設計等方面的問題，矽整流交流發電機同樣存在諸多問題:輸出特性差、執行不穩定、維護週期短等。

伴隨著人們生活水平的進步，社會的汽車擁有量也在不斷的增加，傳統的汽車發電機己經不能滿足人們的需求，目前汽車上使用的矽整流交流發電機大多為有刷結構，因此影響了發電機的使用壽命，其執行也不可靠。並且在由於城市的交通狀況，造成了汽車行駛的速度並不高，那麼這就會造成發電機的輸出電壓和輸出功率達不到額定值，這樣，發電機就既不能夠為蓄電池充電，也不能夠為車上的其它用電裝置進行供電，此時汽車上所需的電能就只能完全由蓄電池來提供，這樣的情況就會造成蓄電池的充、放電次數增加，大大地縮短了蓄電池的使用壽命。

上世紀八十年代隨著稀土永磁材料的出現，永磁發電機也應用在汽車上。它轉子主要由永磁材料組成，實現了無碳刷、無滑環的無刷結構，增加了它的可靠性，永磁體形狀較為簡單，磁效能好、磁化均勻，利用率高，由於沒有勵磁繞組和碳刷，也就減少了勵磁繞組和電刷的摩擦損耗，提高了效率，還具有體積小、重量輕、比功率大、怠速效能好等優點[fly。但是永磁發電機也有其侷限性，因為永磁發電機的磁場由永磁體產生，電壓的調節比較困難，因而制約著它的應用和發展。

本文討論混合勵磁勵磁結構的爪極發電機，它是針對汽車內部空間有限，在不增加其體積的前提下增加功率而研製。混合勵磁爪極發電機結合了永磁發電機和電勵磁發電機的優點，它既具有矽整流發電機良好的調壓特性，又具有永磁發電機高效率、高可靠性的優點。

二、混合勵磁電機的發展現狀

“混合勵磁”的思想早在1985年由美國人提出，混合勵磁是指電機內部同時存在著永磁磁勢源和電勵磁磁勢源，由二者相互作用，共同實現電磁能量的轉換。混合勵磁電機的出現最大限度地繼承了永磁電機高效率的優點，同時克服了氣隙磁場難以調節以及控制成本較高的缺陷。

經過近三十年來國內外學者的努力，混合勵磁電機己從基礎研究、應用基礎研究轉入到工業應用的階段，日本的學者提出了一種感應極永磁電機(Consequent Pole Permanent Machine)結構。該結構電機定子鐵心被定子環形直流勵磁繞組一份為二，兩部分鐵心由外部的用於軸嚮導磁的機殼實現機械和磁的聯接，該結構的電機可以很方便地實現勵磁電流的雙向調節控制;

英國的學者Chalmers研究提出了混合勵磁組合轉子電機(Hybrid Excitation

Combination Rotor Machine。該電機定子為一般交流電機定子，轉子由各向異性軸向疊片轉子和表貼式永磁轉子構成。

日本學者Naoe Nobuyuki, Fukami Tadashi等研究了永磁一電勵磁並列轉子結構的混合勵磁同步電機，直流勵磁繞組安裝在轉子上，勵磁電流由電刷引入，因而該結構電機可靠性不高，不能在較惡劣工況下工作。

美國威斯康星大學的T.A.Lipo提出了一種混合勵磁雙凸極電機的結構。該結構是在永磁式雙凸極電機的基礎上演變而來，它不僅有永磁還有電勵磁繞組，可以方便地控制勵磁電流的方向和大小，以實現氣隙磁場的調節。

法國學者Amara Y, Vido L等對混合勵磁同步電機的串、並聯磁勢進行了研究，並提出了包括銅耗、鐵耗的計算電機效率的通用模型。

三、混合勵磁爪極發電機的發展現狀

混合勵磁發電機不僅繼承了永磁電機的優點，還具有電勵磁發電機氣隙磁場平滑可調的優點，作為發電機，可以獲得較寬的調壓範圍[[14]。國內對於混合勵磁爪極發電機的研究起步比較晚，上海電機學院的趙朝會、張達等針對傳統的電勵磁爪極發電機效率低、永磁發電機磁場難以調節的問題探討了一種串聯式的混合勵磁爪極發電機結構，並利用三維有限元的分析方法對電機進行了模擬，確定了該種結構的發電機的極對數及磁鋼厚度，並研究了此種電機的空載特性、外特性極調節特性。

山東理工大學的王亞林提出一種爪極式電勵磁和帶極靴徑向永磁組合勵磁的混合勵磁發電機結構。並通過對磁鋼截面積、徑向磁化長度、氣隙、繞組匝數等對發電機交軸電樞反應電抗、直軸電樞反應電抗、漏抗極發電機輸出特性的影響，對電機進行了優化。

合肥工業大學的王群京等人提出了一種新型的混合勵磁爪極發電機結構，通過磁網路法計算得到了該電機的負載特性，並在磁場計算的基礎上，由電路分析計算了電機的各種損耗得到了混合勵磁爪極發電機系統的效率。

張玉春、楊成峰提出了一種在傳統的電勵磁爪極發電機極間和表面鑲嵌永磁體的新結構混合勵磁無刷爪極發電機，並通過三維有限元分析模型計算了不同勵磁電流時氣隙及鐵心中的磁場分佈;並在文獻中研究了一種並聯磁路非對稱交錯的混合勵磁爪極發電機，並製作了一臺2kW樣機，並對樣機進行了調磁效能的分析。

近年來隨著新能源汽車的高速發展，傳統的爪極電勵磁發電機己經不能滿足混合動力汽車的供電要求.上海大學的李維亞、黃蘇融設計了一種並聯式的混合勵磁爪極皮帶式起動發電機，該電機採用混合勵磁的結構，通過在爪極極間新增永磁體來減小漏磁，提高電機的輸出效能和效率，並採用磁路法和三維有限元法分析了該種電機的機構和原理，通過模擬分析得出電機可以在寬速度變化範圍內輸出恆定的電壓並向蓄電池進行充電。實驗結果和三維有限元模擬結果一致。

汽車用混合勵磁爪極發電機兼具電勵磁爪極發電機和永磁發電機的優點，它不但可以實現磁場大小的調節，還改善了它的輸出特性和效率。