交流发电机的磁特性、频率和磁通密度对铁耗的影响

过去的25～35年间，汽车电气负载增长很快。这主要是安全和信息类负载的大量使用造成的，另外，为提高性能，很多原来由机械驱动的负载也改为电气驱动，这也增大了汽车的电气负载。

在这些负载中，车载娱乐负载耗电很少，照明和带加热后灯是主要负载，消耗约57％的电量，安全性负载的耗电量大概在10％～11％。还有些负载耗电量和速度相关，如电磁节气门控制在怠速时仅耗电275W，在巡航速度时却高达约2kW，如果节气门全开，则能增加到3kW。

电气负载受季节影响也较大，冬季耗电量会增加。干燥的白天和潮湿的晚上相比，耗电量差别也会高达75％。在耗电最大的冬季，负载耗电功率一般不会超过发电机发电能力的65％。

汽车中发电机一般是按照怠速时输出功率和负载功率相等来设计的，这一般会使电机定额偏大。另外，为节约燃油，希望怠速尽可能低，这会导致发电机更大。

发电机的损耗是必须考虑的，它直接影响电机效率进而影响燃油效率。发电机损耗和转速相关，如铁耗和风摩耗随转速增加而增加，而铜耗相对而言比较恒定。另外，损耗上升的特性也很重要，例如风摩耗会随转速逐渐增加，当增加到某一转速时，会急剧快速增加。铜耗不随速度增加，但在运行过程中会随温度升高而增加。

旋转损耗在低速时比铜耗小，高速时比铜耗大，因此高速时产生同样的电量要消耗更多的燃油。

在设计汽车发电机时，应该考虑这些因素，并且应始终贯彻提高效率的理念，即重视发展高效电机，改进各部件的设计方法，明确各自的适用范围和高效使用技术，实现降低损耗的目的。

交流发电机铁耗取决于叠片的磁特性、电频率以及磁通密度大小。为降低铁耗，如果降低磁通密度，则要增大电机体积，如果减小叠片厚度以减小涡流损耗，则会造成叠片易碎，加工困难，如果采用低损耗材料（如Transil315/335），则成本将升高。

传统伦德尔发电机是一种爪极式同步发电机，可产生14V输出电压，主要由安装在电机机架两端轴承上的转子、定子、6个二极管和一个调节器构成。伦德尔发电机输出的交流电整流为直流且由调节器调节为12V^{［13，14］}。转子由安装在电机轴上的磁极和绕组（300匝）构成。转子绕组通过集电环和电刷和外电路相连。转子线圈通电后，磁场建立，从而给一对六齿爪极励磁。

图4-11 伦德尔发电机电路图(www.xing528.com)

发电机定子有三个绕组，可三角形连接或星形连接，其输出三相交流电经6个二极管构成的三相整流桥后变为直流，如图4-11所示。整流二极管一般采用扁平封装形式，安装在散热器上。

调节器在发电机转速达到切入转速（大约1000r/min）后，用于调节其输出电压。和直流发电机一样，交流发电机输出电压随转速线性上升。伦德尔发电机在怠速时输出额定电压，当转速升高时，如不进行电压调节，电压升高至N_alt/N_ci×14V，将产生过电压现象，其中N_ci为发电机切入转速，即1000r/min，也就是说，调节器的功能是把输出电压限制在预定的参考电压值上。调节的方法是根据输出电压大小，以通断方式控制励磁电压^［14］。

交流发电机经过几十年的发展和改进，性能不断提高，在汽车中承担了给蓄电池充电和给其他辅助设备供电的功能。作为汽车电气系统的核心部件，发电机的性能和可靠性要求很高。

伦德尔发电机的爪极结构决定了其风阻损耗较大，转子的高励磁磁动势使转子损耗较大，因此降低了电机整体效率。由于定子绕组数量多，损耗大，因此磁路效率也不高。由于爪极渗透率高，电机输出功率密度小，极面损耗大。另外，爪极结构使得其对气隙磁通变化非常敏感，因此噪声较大^{［13，18］}。

由于发电机转子惯性较大，所以耦合传动带转差也较大。伦德尔发电机虽然是一种非常简单的电机，但设计时对长径比仍有限制。如果电机能始终在一个设定的转速范围内运行，则很多损耗可以避免。这可以通过优化占空比，利用定步长或连续转速调节系统实现。发动机转速低时，将发电机增速，发动机转速高时，将发电机减速，从而使发电机始终在一个预设的转速范围内运行。这样，在电机运行时可以减小大约150W损耗。

汽车上各种器件的尺寸和重量非常重要。对于一个给定输出功率的发电机而言，可以根据车内安装空间选择不同的长径比。这是因为电机的功率和长度及直径的二次方成正比。

一般而言，发电机的长度是有限制的。传统发电机中，绕组端部超出定子长度，虽然这对发电机输出功率没有任何作用，但还是增加了电机的长度。这在对电机长度要求严格的场合是必须考虑的，如有时电机需要装在离合器腔内。在这种情况下，可以考虑没有绕组端部的三角形绕组电机，这种结构和传统电机相比，能减少绕组电阻和绕组压降大约25％。在各种三角形绕组中，等腰三角形可以最大程度地减小电机尺寸。

然而，由于定子槽短，在设计多绕组时，绕组间的连线比原来绕组端部对绕线长度的影响更大，另外，这种绕组也不能产生平面磁场，这些在设计时必需慎重考虑。可以考虑设计三角形或矩形磁极，但三角形时产生磁通的极性是相同的，并且比传统电机的磁通减小一倍。但由于存在补偿因子，所以产生的反电动势幅值不会减小。另外，具有三角形绕组和矩形磁极的电机，其绕组中的反电动势有效值还会更高。

汽车发电机也可以采用电励磁凸极电机，其磁场由励磁绕组建立，最高转速可达到5000r/min。超出该转速后，由于磁极下齿槽力增大，可能导致机械故障。与传统伦德尔发电机相比，效率可提高17％。

还可以采用混合励磁凸极电机，其中磁场由励磁绕组和永磁体共同建立。这种电机设计中，转子上绕组磁极和永磁体磁极必须合理设计，以保证转子质量的合理分布。由于同样受到磁极下齿槽力的限制，其最大转速一般不超过5000r/min。与传统伦德尔发电机相比，效率可提高33％，但由于采用了永磁体，成本偏高。