内燃机汽车合理发电方式分析

石瑞东

摘要：随着我国科学技术的不断创新，在汽车领域也得到了很大的帮助，在汽车发电领域，现有的电励磁交流发电机早已经无法满足现阶段汽车的用电需求。因此为了满足现代高科技的不断发展，智能化汽车越来越需要效率更高的发电机，保障内燃机汽车可以在足够的电量支持下平稳运行，为人们的生活带来便利，服务于人民。本文主要探讨了汽车发电机的各种类型以及相关原理，并对电励磁、永磁励磁和混合励磁爪极发电机进行分析对比，通过控制变量法将这三种电机的结构尺寸都控制在相同的标准上，然后通过数据对比来探讨内燃机汽车合理发电方式，并对汽车行业的未来发展趋势进行了预测分析。

关键词：内燃机;汽车发电;爪极发电机;混合励磁;功率密度

0  引言

随着社会的进步，科技的发展，汽车行业在我国已经取得了很好地成效，汽车已经被广泛的应用到了人们的生活当中，为人们的生活提供了很大的便利性。随着人们生活质量的提高，汽车的销量也在逐年增加，人们对于汽车的性能要求也越来越高，其中备受人们关注的就是汽车的续航能力，也就是供电能力。汽车的发电机是供应汽车设备的主要电源，它不光需要为设备提供电能，还需要为电电池充电。但是随着科技的不断进步，汽车上的电子产品越来越多，人们的研究方向也从供电需求变成了体积小、重量轻、噪音低等多方面的要求，这就直接导致了对于发电机的要求也变得很高。

1  汽车用发电机的类型和特点

发电机作为汽车供电系统关键部件之一，其本身的作用就是维持汽车的正常运作以及汽车内部电子产品的正常使用，比如空调、音箱、暖风等[1]。在汽车行业最开始的时候，汽车内部所使用的发电机都是直流供电，后来随着汽车行业的不断发展才逐渐变成交流发电。在当今社会中市面上的车辆使用的基本都是电励磁爪极交流发电机，这种发电机在结构上与直流发电机较为类似但是也存在着些许不同，具体表现为电励磁爪极交流发电机取消了换向器，这一结构上的设置让交流发电机的性能得到了很大的提高。同时因为取消了换向器，使得电励磁爪极交流发电机在容量上也比以往的发电机容量小，质量也就变得更轻，结构较为简单，这也是电励磁爪极交流发电机被广泛使用的主要原因之一。

永磁爪极发电机的组成也是在其他发电机的基础上进行改装而实现的，在永磁爪极发电机中，主要使用了永磁铁代替了电励磁爪极发电机中的励磁绕组，通过这一个简单的更换实现了发电机的不同性能。在永磁爪极发电机中，永磁铁会在工作的过程中产生气隙磁场，所以永磁爪极发电机在电励磁爪极发电机原有的性能上还具有功率因素较大的特点[2]。但是永磁爪极发电机也存在着一些缺点，在永磁爪极发电机内部的励磁无法进行调节，感应电动势会随着电机在工作过程中的转速提高而升高，进而导致永磁爪极发电机输出的电压十分不稳定，影响发电机的正常工作，进而影响汽车在使用过程中的精准变频、变速等功能，正因为如此，汽车生产厂家更愿意选择电励磁爪极发电机作为汽车发电机。

随着科学技术的不断发展，越来越多的汽车发电机的专业人才对发电机进行了研究，专家表明可以用电励磁绕组引入永磁爪极发电机，从而构成混合励磁爪极发电机，让二者的优点结合在一起并消除缺点，并尝试将此发电机应用在汽车之上。从理论和实践的研究表明，混合励磁爪极发电机相比于永磁爪极发电机而言，减少了永磁体的用量，同时还可以通过改变励磁电流改变气隙磁场，从而实现宽转速范围的调压和调速工作，让整个发电机的控制变得更加灵活[3]。

2  爪极发电机的分类及工作原理

无论是哪一种发电机的构造，其本质都是爪极发电机的原理，只不过因为专业设备的添加不同而导致每一种发电机的功能也各不相同。爪极发电机也存在着很多的种类，主要是根据励磁方式的不同而讨论的。详细介绍如下：

2.1 电励磁式爪极发电机的工作原理

在電励磁式爪极发电机中，当发电机内部的两个电刷有电流通过的时候，励磁电流会产生轴向磁通，这就导致着一块爪极将会被磁化为正极，另一块被磁化的负极。这就导致着两块爪极会形成一种交叉的正负极，当转轴进行旋转的过程中，两块爪极也会随着旋转，转子形成的旋转磁场将会对定子中的线圈进行切割处理，在切割的过程中将会产生三相交流电，这种电能会通过硅整流器后转换成直流电，最后在转变成直流电之后将会被储存在蓄电池内，以便后续使用。同时这种工作方式不同于传统的磁场，具有径向和轴向之分，电励磁式爪极发电机所产生的磁场为横向磁场[4]。

2.2 永磁励磁式爪极发电机的工作原理

永磁励磁式爪极发电机和电励磁式发电机的工作原理不同，主要表现在永磁励磁式爪极发电机主要使用永磁体代替了电励磁线圈，所以永磁体就会被夹在两个爪极之间，然后发电原理和电励磁式爪极发电机的工作原理是一样的。

2.3 混合励磁式爪极发电机的工作原理

混合励磁式爪极发电机除了有转子上的励磁电流提供励磁之外，还可以通过永磁体进行提供励磁，让两者在气隙中合成，如果想要调整气隙磁场可以直接通过调整直流励磁来实现[5]。

3  三种爪极发电机综合性能对比分析

在进行分析之前，需要将三种爪极发电机的电学参数和机构尺寸都控制在同一规格之内，保证实验对比的公平性。

3.1 电励磁式和永磁励磁式爪极发电机性能对比

在实验开始之前首先要考虑的是选择一种软件来对三种爪极发电机进行三维建模，为了综合考虑，本文以Ansoft maxwell电磁有限元软件进行测试分析。首先需要通过软件对电励磁式发电机和永磁励磁爪极发电机的功率因素进行分析，并将两种发电机在同一转速下的功率因素进行对比，从而得出结论。通过分析对比发现，电励磁式爪极发电机的最大励磁电流一般都在6A左右，电励磁式发电机的最大励磁电流无论是在哪一种转速下都比永磁励磁式发电机的电流小。由此可以得知如果同一型号的汽车使用相同规模、体积、容量的电机，永磁励磁式发电机一直高于电励磁式爪极发电机。根据正常分析来讲电励磁式爪极发电机的漏磁更加严重，永磁式发电机的情况就比较轻微，这在一定程度上影响了电励磁式发电机的功率因数，导致输出电流不稳定，汽车无法进行相关的专业技术操作。据上文描述，永磁励磁式爪极发电机的励磁是无法调节的，感应电动势将会随着电动机内部的转速加快而变高，在很大程度上也无法满足汽车发动机的工作需求，汽车的发动机质量也得不到很好地保障[6]。

3.2 电励磁式和混合励磁式爪极电机性能对比

同样使用了Ansoft maxwell电磁有限元软件对电励磁式爪极发电机和混合励磁式爪极发电机进行了性能分析，并且建立的相关的三维模型，对两种发电机的输出功率因数和输出功率进行了对比分析。同样需要控制两种发动机的转速问题，通过实验可知励磁电流保持在6A以下时，电励磁式爪极发电机的输出功率因数和输出功率是始终低于混合励磁式爪极发动机的。当电流正好控制在6A时，混合励磁是发电机在工作完成之后产生的功率要比电励磁式爪极发电机产生的功率要多将近2400左右W的功率。这个数据不容忽视，这在一定程度上已经证明了在电动机体积、容量等外界因素相同的时候，因为混合励磁式爪极发电机的励磁磁场是由励磁绕组和永磁体同时进行提供的，同时还会调节直流励磁也就是调节气隙磁场，所以混合励磁式爪极发电机的能量密度会更高。在工作的过程中，混合励磁式爪极发电机可以满足汽车在汽车发动机变频、变速和变负载等多种情况始终保持可以稳定输出电压，对汽车的保护和使用都起到了至关重要的作用[7]。

4  内燃机汽车发电方式的未来预测

汽车已经广泛的应用到了人们的日常生活当中，无论是货物运输还是人们的日常出行都离不开汽车的帮助，在很多时候汽车也成为了家庭经济实力的象征。随着人们物质生活水平的不断提高，对于汽车品质的要求也越来越高，现在和汽车需要具有良好的耗油量、性能以及发电机。随着导航、空调、音响等电子产品被应用到了汽车制造当中后，汽车的供电需求得到了很大的考验和挑战，同时现在人们的出行距离都较为遥远，人们喜欢自驾游去旅行或者进行跨省走访，这就对汽车发电机的发电性能有着较高的需求。现如今我国的发电机水平已经发展的较为成熟但是同其他汽车行业发达的国家而言还具有一定的差距，我国的混合励磁式爪极发电机已经满足了稳定输出电压、可供汽车可持续供电的基础功能。在此基础上，国家以及汽车行业的相关人员会继续研发出更加有效、高功能、适合智能化汽车未来发展的多功能发电机，在保证汽车可平稳运行和乘客生命安全的前提下，为智能化汽车的未来发展做准备[8]。

对于汽车行业来讲，内燃机汽车发电方式的创新无疑是具有创新意义的汽车类型，对于汽车行业来讲有着重要的意义。汽车行业的发展在很大程度上是国家经济实力的体现，以日本为例，虽然日本国土面积较小，但是日本是亚洲最大的汽车制造国家，日本有很多优秀的汽车制造企业。随着我国内燃机汽车发电方式的不断研发，不断进步，未来将会有更多的、更有效的发电方式被开发出来，只要我国一直致力于在这一方面的研究，紧跟时代发展的步伐，我国一定会成为世界上汽车制造行业的强国。汽车内燃机发电方式的改变在未来的发展过程中会越来越符合我国节能减排战略的发展，汽车尾气污染等问题将会得到有效的解决，我国的生态环境将會得到改善，相关的汽车制造企业也会得到很好地发展。

5  结束语

综上所述，随着科学技术和人们生活水平的不断提高，人们对于汽车的质量、性能以及性价比的要求越来越高。正因为如此，传统的发电机早已经不适用于现如今的多功能汽车使用，国家和汽车产业应该更加注重对于发电机的研究与开发。混合励磁式发电机具有电励磁式爪极发电机和永磁励磁式爪极发电机两者的综合优点，可以有效的实现汽车的多功能要求，同时可以保证汽车的稳定性，保证发电机可以正常的工作同时还可以输出稳定电压，这一发电机的研发为汽车行业的未来发展奠定了夯实的基础，符合汽车的未来发展趋势。

参考文献：

[1]金钊，邢立，郭海波，隋鹏超.用于非道路发动机的发电机优化设计[J].柴油机设计与制造，2020，26（01）：31-35.

[2]曾曦.汽车发动机排气余热温差发电技术的研究[J].科学咨询（科技·管理），2020（01）：60-61.

[3]陈琨，刘春梅.汽车电源系统检测仪器实践指导[J].汽车电器，2019（12）：73-74，77.

[4]高吉龙，黄键，金鑫宇，黄棋彬.发动机能量回收与利用的研究[J].农业装备与车辆工程，2019，57（03）：117-120.

[5]内燃机未来或将实现近零排放[J].重型汽车，2018（06）：2.

[6]李赟.混合电动汽车电机起动及发电控制系统[J].汽车实用技术，2018（14）：5-6.

[7]陈坤.纯电动汽车产业政策调整研究[J].上海经济研究，2016（12）：53-60.

[8]张雷，刘志峰，王进京.电动与内燃机汽车的动力系统生命周期环境影响对比分析[J].环境科学学报，2013，33（03）：931-940.