车用交流发电机概述

兰 镇，徐晓玲

（上海法雷奥汽车电器系统有限公司，上海 201201）

发电机是整车不可分割的组成部分，它在正常工作时，对车内的用电设备供电，并向蓄电池充电，以补充蓄电池在使用中消耗的电能。汽车发电机集高技术、高难度于一身，是保证汽车迅速可靠起动和正常运行至关重要的产品，是体现汽车技术的标志之一［1］。汽车技术的发展日新月异，在节能降噪、减排等方面的要求越来越高，同时新能源技术迅猛发展，纯电动、油电混动、BSG等技术层出不穷。这对发电机的发展既是机会又是挑战，想在竞争的浪潮中立于不败之地，需要的是不断地创新和适应市场的灵活策略。

1 绪论

发电机是发动机前端驱动系统的一部分，通过转子轴和皮带轮形成轮系中的一个转动节点，与曲轴、空调压缩机、水泵等相连 （图1），将发动机的动能转化为电能，给整车电气负载提供电流，并给蓄电池充电。

追溯到上世纪90年代开始上海汽车电器总厂与法国共同投资成立的“上海法雷奥”汽车电器系统有限公司，开始制造具有当时领先水平的双风扇发电机，使中国的汽车发电机与世界水平处在同一起跑线上。直至现在，上海法雷奥仍然是中国发电机技术和市场的领跑者。

随着整车技术日新月异的发展，对发电机的要求也日益增高：首先对于传统的发电机，整车要求更大电量、更智能的控制策略和更可靠的品质；其次在电动化的大趋势下，必须紧跟其步伐，开发适配于微混、中混甚至纯电动车的电机，抢占电动车市场的发电机份额。

图1 发电机在轮系中示意图

2 整车对发电机的关注点

2.1 法雷奥发电机的简单分类

法雷奥的发电机基于结构的不断进化和技术的进步在以下几个方面不断改进和发展。

发电机的类型：早期的JFZ、SG系列电机，体积大、效率低。发展到中坚力量TG、FGN系列电机，其中TG电机采用了灌胶技术，将定子和前端盖粘合，起到减振降噪作用，应用广泛；FGN电机是代表法雷奥成熟技术实力的六相电机，其定子设计为72槽 （图2），整流电路由正负各6只二极管组成，大大提高了电机的发电量和整流效率。与此同时由于六相电机的相位抵消作用，使得FGN的电机噪音远优于三相电机，达到国内的领先水平，同时效率达到70%以上，发电范围、适用的车型更广，深受整车厂欢迎。

法雷奥并没有满足于现有的成熟产品，在电机的广度和深度上也不断扩充：EG电机是近几年开发的高智能电机，采用了独特的Mosfet集成电路板整流，历史性地将传统电机的效率提高到80%以上，使上海法雷奥在国际发电机领域进入一流水准行列。

图2 FGN定子绕嵌线 （72槽）

上海法雷奥在引进国外先进技术的同时，也在努力打破法国的技术垄断。 NRG11、NRG12两个平台是具有代表性的具有自主产权的电机平台。其低成本、小体积的特点更适合国内市场，满足了其排放要求、降低油耗和舒适化驾驶等环保要求。这是发电机国产化的重要的尝试，为平台本身的开发，以及平台向外拓展提供了坚实的基础和强劲的动力。

2.2 整车关注点介绍

发电机制造商作为整车的一级供应商，一切产品和服务都要以整车为中心，各种技术创新必须以整车需求为基础。结合电机在整车上的应用和积累客户的反馈经验，总结了下面几条客户关注的要素并加以介绍。

2.2.1 噪音

噪音问题放在首位，说明噪音在整车中的重要地位，它是乘用车驾驶员的最直观的感受［2］。耳朵对于频率十分敏感，不同相数的电机在对应阶次的噪音是我们研究的对象。发电机噪音由电磁噪音、风噪和机械噪音组成，主要是前两种合成而来。

电磁噪音是发电机感应磁场的旋转，定子漆包线切割磁感线等动作产生的电磁类噪音，是一类比较复杂的噪音，形成示意如图3所示。磁极的形状、厚度，转子轴的刚度、平衡度，定子的压装工艺等均能对其产生影响。

风噪是空气流动产生的噪音，转子和风叶的转动配合发电机壳体和罩盖上的散热窗口，使得发电机在工作的时候内外产生空气流动形成噪音，形成示意如图4所示。影响它的直接因素有风叶、散热窗口的数量和形状，间接因素有转子极爪形状、定子绕嵌线工艺等。

除了上述所提，发电机噪音还包括一些机械噪音，比如轴承转动、碳刷与轴的摩擦产生的噪音等，在风噪和电磁噪音背景下机械噪音经常被忽略处理。所以，确定好阶次后，风噪与电磁噪音组成了发电机的整体噪音，如图5所示。

图3 电磁噪音形成示意

图4 风噪形成示意

图5 噪音合成示意

2.2.2 尺寸和质量

随着紧凑化和轻量化的发展，整车发动机舱的布置越来越紧凑，驱使发电机朝小型化，轻质化发展。设计和工艺是电机能否实现“瘦身”的关键因素，小型化实质上是提高发电机的单位发电密度，比如改善定子绕嵌线工艺、采用扁铜线增加槽满率、增加转子磁条、提高励磁密度等，然后通过设计的标准化来确保同平台尺寸的一致性。

上海法雷奥的发电机一直朝着更小更优的方向发展，较早风叶外置的JFZ，体形较大的SG平台电机，主要是从满足整车用电量的角度考虑设计。第3代TG电机，通过改进绕嵌线工艺，提高槽满率，并在转子上加以改进，能够在与SG平台相比尺寸变化不大的情况下大大提高发电量。到第4代FGN电机，进行了大量的设计改进和创新，例如增加转子永磁体，增大了发电磁场 （图6）；定子从36槽升级为72槽，使得单位发电量大大增加；整流电路采用了正负各6只二极管，提升了交转直的效率。

通过以上3个因素，FGN电机将质量和尺寸大大减少。在与TG平台电机同样大小和质量的前提下，发电量输出增加了30～50A，在国内处于领先地位。EG平台电机通过其极高的转换效率，使得电机在尺寸适量增加的基础上发电量提升到200A以上，得到了很多高端车型的好评。

2.2.3 性能和效率

图6 “磁条”转子

性能和效率是发电机开发中最基础的要求之一，随着发电机技术的发展，大多数发电机生产商已经基本可以满足大多数整车的用电需求，故性能和效率已经不是整车厂优先考虑的因素，从侧面也反映了国内发电机技术的成熟发展。

法雷奥的各个平台的发电机构成了从90A到250A发电范围的产品网，发电效率也在不断提升，这与电气技术的发展是密不可分的。比如整流电路的不断进化，从普通二极管到雪崩二极管，不但可以提高电流转换效率，又能避免反向高电压冲击。EG平台的Mosfet整流板采用了低损耗二极管将整流电路的压降降低，与普通二极管压降对比如图7所示：将整个发电机的整流效率提升到80%以上。

图7 Mosfet与普通二极管压降对比

以上列举的几个要素为常见的整车关键需求，除此之外，对于发电机的控制策略、温升表现、振动状况、带轮的选择等也是整车匹配发电机时需要考虑的重要问题，将一款合适的发电机匹配到相应的整车上是一个系统性的工作［3］。

3 从传统车到混合动力车

整车技术日新月异的发展对发电机提出了新要求：

随着国家减少燃油排放的政策推进，轻混、中混、电动汽车成为热点，发电机也扮演起了不一样的角色。纯电动车大多采用高压驱动电机提供动力，已经蚕食了传统发电机的一部分市场份额，所以必须在轻中混领域，抓住市场先机。

3.1 BSG领导者

在混和动力汽车的发展过程中，更大的功率要求和电能效率的要求使得我们向高电压的方向发展。但电压越高，成本越高 （图8），48V系统是一种降低成本方法的优化设计，是目前中低压混动起发电机优秀的解决方案。

图8 动力总成成本随电压变化示意图

BSG为48V混动车型应用的皮带传动起发电一体机，工作过程中能够提供持续功率3～15kW、平均功率8kW的输出，通过回收制动能量，提供扭矩助力等方式达到节油减排的效果。基于不同的发动机和车辆，能源存储大小，不同的减速比，燃油经济性可以达到13%～15%。

出于成本、集成和安全方面考虑，中国市场正快速推进48V BSG混动系统，据预测在2022年，48V的BSG将占到73%的轻度混合动力e-machines的应用市场，将有超过 400万辆汽车配备48V混合动力技术。基于10多年的14V BSG（包括集成和分离逆变器）生产经验和超过120万的车辆匹配经验，法雷奥正成为一个48V混动系统BSG领导者。

BSG之后非皮带传动混动方案将被用来进一步加强混动功能并降低油耗，而且法雷奥正研发用于纯电动车的48V动力系统，该方案对于低成本电动车将极具吸引力。在上海技术体验活动中法雷奥将领图、宝骏以及知豆原来的驱动系统换成48V系统作为唯一的驱动源，汽车起步时有明显的起步感、响应很快，在跑道上多次加速、制动时动力依然很灵敏，展示了 其48V动力总成系统对于纯电动城市汽车的意义，也向世界显示了其48V动力系统的巨大潜力。

3.2 展望

在汽车电子架构飞速发展的今天，抓住时代的脉搏，开发出符合市场需求的电机，是发电机制造厂商的重要竞争力所在。作为电机行业的从业者，我们必须保持前瞻的眼光、灵活的头脑和与时俱进的策略，为行业的电气化发展贡献自己的一份力量。