爪极式交流发电机：高效能源解决方案

1.电能储存器

为供给汽车电气系统电能，采用交流发电机。由于爪极式交流发电机结构可靠、生产成本低，在汽车领域都采用它（5.7-7）。它具有与指极同步交流发电机相似的特性。

爪极式交流发电机具有带三相绕组的、金属薄片叠成的定子。通过旋转磁场，在绕组中感应出三相交流电。为向蓄电池充电，需要直流电。发电机通过整流器与汽车电气系统相连。交流电通过桥式二极管整流器整流，对反向电流截止。这样，电流只能从发电机流向蓄电池，以免蓄电池通过发电机放电（图5.7-8）。

图5.7-7 爪极式交流发电机

1—壳体 2—定子 3—转子 4—带有电刷保持架的电场调节器 5—集流环 6—整流器 7—风扇

图5.7-8 桥式整流电路

爪极式交流发电机与通常的同步交流发电机的区别仅在于转子结构。它有两个极板，极板的弯曲指极像爪极那样相互插入。通过同心放在极板间的直流绕组励磁极系。这种转子的结构型式的优点是结构简单、坚实。励磁绕组大多随转子一起旋转并通过集流环和电刷得到励磁电流。

还有无集流环的特殊结构的转子。在定子对面的励磁绕组不动时只有爪极转动。但在励磁回路中需要较大的空气间隙。励磁绕组不旋转的发电机要比励磁绕组旋转的发电机较大、较重。通过两极板的交替指极，转子在发电机的空气间隙中建立交变电场。

2.发电机功率和效率性能

在等输出电压时发电机功率和效率取决于励磁电流大小和发电机转速高低。通常用输出电流（输出功率）随转速的变化来表示发电机性能。最大输出功率受最大励磁电流的限制。输出功率随发电机温度上升而下降，因为励磁绕组与温度有关。在等汽车电气系电压（励磁电压，如乘用车为14V，商用车为28V）时最大励磁电流由于高温时励磁的电阻增加而下降。

在低转速时发电机的感应电压要小于电气系统的电压，所以没有电流经桥式整流器流入电气系统。如果发电机在零瓦（功率）转速n₀时达到蓄电池电压，发电机开始输出功率。在高转速时发电机在接近它的短路点工作，电流达到最大值而不能再增加，输出功率达到最大值（图5.7-9）。

图5.7-9 K1型和N1型发电机特性场

由发电机生产的电气系统用的电能还伴随着功率损失。在空气冷却的发电机中主要的功率损失是定子绕组中的铜损失、机械损失和不可忽略的铁损失。铁损失是由于在交流负载的铁定子传输路径的损失和由于发电机爪极表面的高次谐波现象的损失。

机械损失（主要为摩擦损失和冷却风扇消耗的功率）和铁损失随发电机转速增高而急剧增加。事实是发电机在高转速时效率急剧下降（图5.7-10）。铜损失和整流器损失只与负载电流和输出功率有关，而与转速无关。

在最近10年，由于减小这些损失使发电机效率约提高9%，相应的功率密度约从0.9W/cm³提高到1.4W/cm³。进一步开发绕组技术（定子的铜充填系数）以及有关汽车类型的功率情况表示在图5.7-11上。(www.xing528.com)

图5.7-12是当前的发电机、它的性能以及用户的使用情况实例。

图5.7-10 交流发电机的功率分配

P₁—吸收功率 P₂—输出功率 V_{Cu Ständ.}—定子中的铜损失 V_Fe+Zus.—铁和附加损失 V_Dioden—整流器损失 V_{Cu Feld}—励磁损失 V_mech—机械损失

图5.7-11 在发电机相当的外部尺寸时增加定子中的铜充填系数可提高发电机功率

图5.7-12 当前爪极式发电机实例与用户使用情况

3.调压器

电压调节的任务是在发电机转速急剧变化和负载急剧波动时保持电气系统的电压在不变的水平。

在爪极式发电机上的调压器将励磁电流作为调节参数。目前采用的调压器为两点式调压器。它在设定电压周围的公差带范围调节。如果发电机电压超过公差带上限值，调压器切断励磁回路。励磁电流通过空载二极管流动，并随着励磁回路的励磁时间常数增大而减小。如果发电机电压低于公差带下限值，调压器接通，且励磁绕组与发电机端子相连，励磁电流增大。这样，根据电气系统负载状况励磁电流绕期望的平均值摆动。

电压调节只在发电机部分负载下工作。如果电气系统负载超过发电机可能的最大输出功率，则电气系统电压就会降到公差带以下，特别是在低发电机转速时会发生这种状况。这样使发电机输出功率急剧减少，所以在大负载时还要从蓄电池中取出部分功率（电能）。

为保持在低温时有好的蓄电池充电性能，在低温工作时要提高设定电压。反之，为减少蓄电池过放电，在高温工作时要降低设定电压。所以，为电气系统设定的设定电压要随工作温度而变。根据电气系统要求，可以按用电需要改变调压器特性线梯度（斜率）。为在汽车断油惯性行驶时提高发电机负载，并将尽可能多的电能输给蓄电池，可采用调压器的梯度调节。这种调节方式已在电混合动力汽车上采用，以将汽车动能转换为电能，还可减少CO₂排放。为能根据发动机负荷调节发电机转矩，现代发电机的工作状况信息与发动机管理通过总线相连。现今发电机的调压器、调节机构和空载二极管组合在一个壳体中（图5.7-13）。过电压保护

电气系统的过电压会伤害与它相连的各用电器件（仪器、装置）和发电机部件，为此要限制出现最大的电压值。在有蓄电池的电气系统工作时，蓄电池可以部分地阻止过电压。但在大多情况下，在紧急工作时没有要求连接蓄电池。在充满电的蓄电池上也不允许提高电气系统电压。因为蓄电池不再具有吸收电能的能力。过电压是由各种原因造成的，最主要的原因是“负载急卸”。如果高功率用电装置从电气系统中“撤走”和大功率用电器件突然切断，则电气系统电压上升，而发电机还没有调节在新的负载上。发电机调压器只能随励磁回路的励磁时间常数调节（数量级为100ms）。多余的发电机功率必须由蓄电池吸收，并使电压升高。在这个励磁时间常数内要有效地将电气系统电压限制在最大值内。在12/14V电气系统发电机上，桥式整流器一般都装有齐纳二极管。齐纳二极管的电压是这样选定的，在电压约28V时齐纳二极管反向导通，这样可有效地限制电气系统中的最大过电压。这一措施可有效地保护整个电气系统而不会出现强大的过电压。在较高额定电压的电气系统中就无法使用齐纳二极管。当前开发的发电机可在保持它的空间结构不变条件下，通过可编程调压器在14V和42V工作。这样可选择14V/3kW和42V/8kW功率的发电机，以供如高功率用电器件使用。

图5.7-13 带电子调压器的发电机电路图

1—控制电路 2—功率级 3—空载二极管