內燃機汽車合理發電方式分析

石瑞東

摘要：隨著我國科學技術的不斷創新，在汽車領域也得到了很大的幫助，在汽車發電領域，現有的電勵磁交流發電機早已經無法滿足現階段汽車的用電需求。因此為了滿足現代高科技的不斷發展，智能化汽車越來越需要效率更高的發電機，保障內燃機汽車可以在足夠的電量支持下平穩運行，為人們的生活帶來便利，服務于人民。本文主要探討了汽車發電機的各種類型以及相關原理，并對電勵磁、永磁勵磁和混合勵磁爪極發電機進行分析對比，通過控制變量法將這三種電機的結構尺寸都控制在相同的標準上，然后通過數據對比來探討內燃機汽車合理發電方式，并對汽車行業的未來發展趨勢進行了預測分析。

關鍵詞：內燃機;汽車發電;爪極發電機;混合勵磁;功率密度

0? 引言

隨著社會的進步，科技的發展，汽車行業在我國已經取得了很好地成效，汽車已經被廣泛的應用到了人們的生活當中，為人們的生活提供了很大的便利性。隨著人們生活質量的提高，汽車的銷量也在逐年增加，人們對于汽車的性能要求也越來越高，其中備受人們關注的就是汽車的續航能力，也就是供電能力。汽車的發電機是供應汽車設備的主要電源，它不光需要為設備提供電能，還需要為電電池充電。但是隨著科技的不斷進步，汽車上的電子產品越來越多，人們的研究方向也從供電需求變成了體積小、重量輕、噪音低等多方面的要求，這就直接導致了對于發電機的要求也變得很高。

1? 汽車用發電機的類型和特點

發電機作為汽車供電系統關鍵部件之一，其本身的作用就是維持汽車的正常運作以及汽車內部電子產品的正常使用，比如空調、音箱、暖風等[1]。在汽車行業最開始的時候，汽車內部所使用的發電機都是直流供電，后來隨著汽車行業的不斷發展才逐漸變成交流發電。在當今社會中市面上的車輛使用的基本都是電勵磁爪極交流發電機，這種發電機在結構上與直流發電機較為類似但是也存在著些許不同，具體表現為電勵磁爪極交流發電機取消了換向器，這一結構上的設置讓交流發電機的性能得到了很大的提高。同時因為取消了換向器，使得電勵磁爪極交流發電機在容量上也比以往的發電機容量小，質量也就變得更輕，結構較為簡單，這也是電勵磁爪極交流發電機被廣泛使用的主要原因之一。

永磁爪極發電機的組成也是在其他發電機的基礎上進行改裝而實現的，在永磁爪極發電機中，主要使用了永磁鐵代替了電勵磁爪極發電機中的勵磁繞組，通過這一個簡單的更換實現了發電機的不同性能。在永磁爪極發電機中，永磁鐵會在工作的過程中產生氣隙磁場，所以永磁爪極發電機在電勵磁爪極發電機原有的性能上還具有功率因素較大的特點[2]。但是永磁爪極發電機也存在著一些缺點，在永磁爪極發電機內部的勵磁無法進行調節，感應電動勢會隨著電機在工作過程中的轉速提高而升高，進而導致永磁爪極發電機輸出的電壓十分不穩定，影響發電機的正常工作，進而影響汽車在使用過程中的精準變頻、變速等功能，正因為如此，汽車生產廠家更愿意選擇電勵磁爪極發電機作為汽車發電機。

隨著科學技術的不斷發展，越來越多的汽車發電機的專業人才對發電機進行了研究，專家表明可以用電勵磁繞組引入永磁爪極發電機，從而構成混合勵磁爪極發電機，讓二者的優點結合在一起并消除缺點，并嘗試將此發電機應用在汽車之上。從理論和實踐的研究表明，混合勵磁爪極發電機相比于永磁爪極發電機而言，減少了永磁體的用量，同時還可以通過改變勵磁電流改變氣隙磁場，從而實現寬轉速范圍的調壓和調速工作，讓整個發電機的控制變得更加靈活[3]。

2? 爪極發電機的分類及工作原理

無論是哪一種發電機的構造，其本質都是爪極發電機的原理，只不過因為專業設備的添加不同而導致每一種發電機的功能也各不相同。爪極發電機也存在著很多的種類，主要是根據勵磁方式的不同而討論的。詳細介紹如下：

2.1 電勵磁式爪極發電機的工作原理

在電勵磁式爪極發電機中，當發電機內部的兩個電刷有電流通過的時候，勵磁電流會產生軸向磁通，這就導致著一塊爪極將會被磁化為正極，另一塊被磁化的負極。這就導致著兩塊爪極會形成一種交叉的正負極，當轉軸進行旋轉的過程中，兩塊爪極也會隨著旋轉，轉子形成的旋轉磁場將會對定子中的線圈進行切割處理，在切割的過程中將會產生三相交流電，這種電能會通過硅整流器后轉換成直流電，最后在轉變成直流電之后將會被儲存在蓄電池內，以便后續使用。同時這種工作方式不同于傳統的磁場，具有徑向和軸向之分，電勵磁式爪極發電機所產生的磁場為橫向磁場[4]。

2.2 永磁勵磁式爪極發電機的工作原理

永磁勵磁式爪極發電機和電勵磁式發電機的工作原理不同，主要表現在永磁勵磁式爪極發電機主要使用永磁體代替了電勵磁線圈，所以永磁體就會被夾在兩個爪極之間，然后發電原理和電勵磁式爪極發電機的工作原理是一樣的。

2.3 混合勵磁式爪極發電機的工作原理

混合勵磁式爪極發電機除了有轉子上的勵磁電流提供勵磁之外，還可以通過永磁體進行提供勵磁，讓兩者在氣隙中合成，如果想要調整氣隙磁場可以直接通過調整直流勵磁來實現[5]。

3? 三種爪極發電機綜合性能對比分析

在進行分析之前，需要將三種爪極發電機的電學參數和機構尺寸都控制在同一規格之內，保證實驗對比的公平性。

3.1 電勵磁式和永磁勵磁式爪極發電機性能對比

在實驗開始之前首先要考慮的是選擇一種軟件來對三種爪極發電機進行三維建模，為了綜合考慮，本文以Ansoft maxwell電磁有限元軟件進行測試分析。首先需要通過軟件對電勵磁式發電機和永磁勵磁爪極發電機的功率因素進行分析，并將兩種發電機在同一轉速下的功率因素進行對比，從而得出結論。通過分析對比發現，電勵磁式爪極發電機的最大勵磁電流一般都在6A左右，電勵磁式發電機的最大勵磁電流無論是在哪一種轉速下都比永磁勵磁式發電機的電流小。由此可以得知如果同一型號的汽車使用相同規模、體積、容量的電機，永磁勵磁式發電機一直高于電勵磁式爪極發電機。根據正常分析來講電勵磁式爪極發電機的漏磁更加嚴重，永磁式發電機的情況就比較輕微，這在一定程度上影響了電勵磁式發電機的功率因數，導致輸出電流不穩定，汽車無法進行相關的專業技術操作。據上文描述，永磁勵磁式爪極發電機的勵磁是無法調節的，感應電動勢將會隨著電動機內部的轉速加快而變高，在很大程度上也無法滿足汽車發動機的工作需求，汽車的發動機質量也得不到很好地保障[6]。

3.2 電勵磁式和混合勵磁式爪極電機性能對比

同樣使用了Ansoft maxwell電磁有限元軟件對電勵磁式爪極發電機和混合勵磁式爪極發電機進行了性能分析，并且建立的相關的三維模型，對兩種發電機的輸出功率因數和輸出功率進行了對比分析。同樣需要控制兩種發動機的轉速問題，通過實驗可知勵磁電流保持在6A以下時，電勵磁式爪極發電機的輸出功率因數和輸出功率是始終低于混合勵磁式爪極發動機的。當電流正好控制在6A時，混合勵磁是發電機在工作完成之后產生的功率要比電勵磁式爪極發電機產生的功率要多將近2400左右W的功率。這個數據不容忽視，這在一定程度上已經證明了在電動機體積、容量等外界因素相同的時候，因為混合勵磁式爪極發電機的勵磁磁場是由勵磁繞組和永磁體同時進行提供的，同時還會調節直流勵磁也就是調節氣隙磁場，所以混合勵磁式爪極發電機的能量密度會更高。在工作的過程中，混合勵磁式爪極發電機可以滿足汽車在汽車發動機變頻、變速和變負載等多種情況始終保持可以穩定輸出電壓，對汽車的保護和使用都起到了至關重要的作用[7]。

4? 內燃機汽車發電方式的未來預測

汽車已經廣泛的應用到了人們的日常生活當中，無論是貨物運輸還是人們的日常出行都離不開汽車的幫助，在很多時候汽車也成為了家庭經濟實力的象征。隨著人們物質生活水平的不斷提高，對于汽車品質的要求也越來越高，現在和汽車需要具有良好的耗油量、性能以及發電機。隨著導航、空調、音響等電子產品被應用到了汽車制造當中后，汽車的供電需求得到了很大的考驗和挑戰，同時現在人們的出行距離都較為遙遠，人們喜歡自駕游去旅行或者進行跨省走訪，這就對汽車發電機的發電性能有著較高的需求?，F如今我國的發電機水平已經發展的較為成熟但是同其他汽車行業發達的國家而言還具有一定的差距，我國的混合勵磁式爪極發電機已經滿足了穩定輸出電壓、可供汽車可持續供電的基礎功能。在此基礎上，國家以及汽車行業的相關人員會繼續研發出更加有效、高功能、適合智能化汽車未來發展的多功能發電機，在保證汽車可平穩運行和乘客生命安全的前提下，為智能化汽車的未來發展做準備[8]。

對于汽車行業來講，內燃機汽車發電方式的創新無疑是具有創新意義的汽車類型，對于汽車行業來講有著重要的意義。汽車行業的發展在很大程度上是國家經濟實力的體現，以日本為例，雖然日本國土面積較小，但是日本是亞洲最大的汽車制造國家，日本有很多優秀的汽車制造企業。隨著我國內燃機汽車發電方式的不斷研發，不斷進步，未來將會有更多的、更有效的發電方式被開發出來，只要我國一直致力于在這一方面的研究，緊跟時代發展的步伐，我國一定會成為世界上汽車制造行業的強國。汽車內燃機發電方式的改變在未來的發展過程中會越來越符合我國節能減排戰略的發展，汽車尾氣污染等問題將會得到有效的解決，我國的生態環境將會得到改善，相關的汽車制造企業也會得到很好地發展。

5? 結束語

綜上所述，隨著科學技術和人們生活水平的不斷提高，人們對于汽車的質量、性能以及性價比的要求越來越高。正因為如此，傳統的發電機早已經不適用于現如今的多功能汽車使用，國家和汽車產業應該更加注重對于發電機的研究與開發?；旌蟿畲攀桨l電機具有電勵磁式爪極發電機和永磁勵磁式爪極發電機兩者的綜合優點，可以有效的實現汽車的多功能要求，同時可以保證汽車的穩定性，保證發電機可以正常的工作同時還可以輸出穩定電壓，這一發電機的研發為汽車行業的未來發展奠定了夯實的基礎，符合汽車的未來發展趨勢。

參考文獻：

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[8]張雷，劉志峰，王進京.電動與內燃機汽車的動力系統生命周期環境影響對比分析[J].環境科學學報，2013，33（03）：931-940.