改变磁通密度对于汽车发电机效率的影响

汪晓明

（同济大学 200092)

1 发电机结构及原理

目前乘用车使用的发电机类型主要为极爪式发电机（图1）。该种类型发电机主要由以下部件组成：定子装配（产生电流）、转子装配（提供电机磁场）、整流桥装配（将交流电转为直流电）、调节器装配（用于调节输出电压）、皮带轮、前盖、后盖和保护罩盖[2]。

发电机是给汽车电气设备负载提供电流，并给蓄电池充电的发电装置。汽车上有前照灯、雾灯、电热线、空调及各种马达等用电设备，发电机给这些车辆电气负载提供电流，并给车辆上的蓄电池充电。

发电机分为2大部分：一部分是由调节器和转子组成的励磁回路；另一部分是由定子及整流桥组成的感应回路。励磁回路的作用是通过调节器给予转子励磁电流，使转子自身产生磁场，通过皮带轮的带动，使转子进行旋转，产生旋转的磁场。而感应回路中，定子被动切割转子形成的旋转磁场，定子出现交变电流，然后传递给整流桥，将交变电流转化为直流电，供应车上的用电设备，并为蓄电池进行充电[3]。

2 有限元分析发电机的磁通密度

每个发电机制造商均使用不同的外形结构来设计转子和定子位置。所以，很难通过理论计算和分析，来确定发电机磁通密度的分布情况。因此，需要建立有限元模型，比较优化前后的变化[4]。

有限元分析步骤如下：根据原方案和优化方案，通过UG软件进行实体建模，并将数模导入到磁场分析软件中（图2）；根据图纸和优化方案的定义，将对应材料赋予数模相应的零件；绘制网格，由于发电机主要核心部件（转子和定子）均为回转体，所以在分析磁场情况时，仅需要选取±30º范围的部分定子和转子作为分析对象即可[5]；运行分析软件，得到磁通密度的矢量分布图（图3）。

通过比较相同外形的转子，在增加永磁体前后的漏磁分布（图3左图为增加永磁体前、右图为增加永磁体后）的情况。左图中，颜色由浅至深，转子处的漏磁由高至低。对比增加永磁体后的右图，可以发现漏磁相较于左图，明显降低。

图2 有限元分析建模

图3 转子增加永磁体前后磁通密度分布情况

3 发电机效率试验

效率试验台架由以下几部分组成，分别为可控制温度的环境箱、固定平台、发电机安装支架、拖动电机及皮带、扭矩输入轴、电流输入装置、B+连接线、接地线、温度传感器、热电偶、转速传感器、数据采集器和蓄电池等[6]。

表1 转子增加永磁体前后效率试验结果

值可以直接影响到小齿轮的摆动量，并且可以根据游隙值的大小比较线性的得到一个正关系。这也有利于在下一步应用计划时，明确对于球轴承的设计以及配合要求。

图4 振动加速度值对比

3.2 摆动量与转向噪声的关系

经过试验确认球轴承游隙值与摆动量的关系后，笔者进行了摆动量与转向噪声的关联试验。试验方法是通过在同一个机械转向机上，换装不同摆动量的小齿轮进行振动加速度的试验（图4）。

根据再次进行的振动加速度试验结果可以看出，小齿轮上配有40 μm球轴承的振动加速度值，在啮合区域明显比配有更小游隙轴承的样件大，并且压块附近的振动值也会受到影响，呈现出一个变大的趋势。

4 球轴承优化与四点接触轴承

4.1 球轴承优化

基于对球轴承的理论分析结果与实际振动加速度试验结果，基本可以得到以下结论：调整轴承游隙可以直接影响小齿轮的摆动量，从而减小机械转向机转向时齿轮齿条啮合撞击产生的振动。

根据以上结论，减小球轴承游隙可以在一定程度上起到优化转向噪声的效果，但另一方面，过小的游隙也可能导致一些异常磨损以及发热的情况。因此如何把游隙控制在一个合理的区间范围内，也是需要研究并验证的一个重要课题。

4.2 四点接触轴承

由于四点接触轴承与深沟球轴承结构上的不同，导致四点接触轴承在径向游隙上要比深沟球轴承小的多，载荷也更高。这些特性使得四点接触轴承与小齿轮配合后的摆动量会非常小，同时又不会出现深沟球轴承的异常磨损与发热现象。从技术上说，是更好的选择，建议优先选用四点接触轴承。

5 结束语

经过完整的理论分析并结合可靠的试验结果，通过优化球轴承游隙来抑制小齿轮摆动量，可以有效减小撞击产生的振动，达到降低转向噪声，优化产品NVH的目的。