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【摘要】 随着汽车行业的迅猛发展，新车型电器用电量不断增大，作为汽车供电系统的主要组成部分，发电机的效率与损耗成为较为突出的一个研究课题。其中尤以温度场的变化，会引起发电机各部件的电磁参数的一系列变化。本文，推到并研究了温度场方程，以期为发电机效率研究提供条件和基础。
【关键词】 发电机；温度场；电磁参数
一、背景介绍
随着汽车产业的发展，驾乘者对车辆的舒适性、安全性及操控性的要求也随之与日俱增。然而，在节能环保的背景趋势下，发电机的能量转化效率开始得到广泛的关注。由于定子、转子及整流桥二极管的热损耗计算均离不开其实际工作温度，为了简化研究工作中繁琐的温度测量，提供有效且合理的温度估算方法，本文将通过对极爪式发电机的结构分析，建立发电机的温度场，并通过实际测量及数据分析，给出各零部件温度的变化特性曲线及特定条件下的温度估算法。
（一）极爪式发电机热源分析
由发电机的结构及工作原理可知，发电机的热源主要来源于三方面：铜损、铁损和机械损耗（可忽略不计）。
1.铜损主要是由于发电机工作时，相应的电流通过定子绕组，转子绕组和整流桥二极管而产生的，即：
其中，N：绕组相数；Is：相电流；Rs：定子绕组相阻值；Iex：励磁电流；Rfd：转子绕组阻值；Rd：二极管阻值。
2.铁损主要是由于发电机在工作过程中，交变磁场通过铁磁材料所产生的损耗。铁损由两部分组成：电涡流损耗和磁滞损耗。根据发电机结构又可分为定子铁损和转子铁损：
其中，f：相对频率；n：发电机转速；Bm：气隙磁密幅值；Kh：分别为磁滞损耗；Kec：电涡流损耗；Ke：漏磁损耗系数；Eeff：有效感应电势；P：极爪对数；q：每爪每相的槽数；N1：单槽导体数；Lfer：定子铁芯高度（即有效切割磁场导体长度）；D：定子铁芯内径；W：转子转速
根据研究，得出
（二）建议温度场公式
对于发电机而言，所产生的能量损耗转化为热量后，通过介质传播，使得各零部件产生不同程度的温升，同时，随着转子的转动，转速越快，空气流速越快。我们引入系数ξab ，下标a代表热源，b代表作用点：s-定子，r-转子，d-二极管，c-进风冷却；
对于单个发电机而言，除了输出电压U、输出电流I、转速n以外，其余各参数都可以固定因此，整理式（7）可得关于U、I、n的方程关系式，将所有固定参数项简化为单一参数表示，得：
只要通过试验采集同一发电机在不同工作状态下的实际零部件温度和电压、电流、转速，将数据带入等式（7）中，建立方程组并求解，即可得到该发电机的温度场公式。
二、温升试验
为了验证等式（8）对零部件温度估算的准确性，现设计温升试验如下：
1.环境温度：25℃，60℃，100℃，115℃；
2.转速点：1500rpm，1800rpm，2000rpm，2500rpm，3000rpm，4000 rpm，5000 rpm，6000rpm，8000rpm，10000rpm；
3.负载：13 A，20A，40A，60A，80A，100A，120A，150A
4.样品：150A发电机，即额定输出为150A
5.测量点：转速n，电压U，电流I，环境温度Tamb，极管温度Td。
经过对发电机的控制进行矩阵测量，得各温度的数据点即拟合曲面如下：
由图可知，无论在室温25摄氏度还是60摄氏度情况下，发电机温度随输出电流的增大而增大，发电机温度随转速的增大而减小。
三、数据分析
（一）求解温度场公式
从试验数据中，选取不同温度点下的六组数据，作为解方程系数的代入值。求得各系数，并带入等式（7）：
[Tb]=（Tamb+0.025I2-556.1U2/n+0.11U2-0.03n+110.5）/（1+0.000096*I2）（8）
（二）温度场公式验证
将温度场试验拟合曲线及温度场公式曲线作对比。
由图可知，温度场公式与实际试验数据拟合出的图线基本一致，验证了温度场公式关于发电机温度与输出电流及转速关系的正确性。
四、总结
本文将通过对极爪式发电机的结构分析，建立发电机的温度场，并通过温度场试验，将所得出的试验数据拟得出温度场公式，并验证在满载情况下，温度场公式的正确性。
参考文献
[1] 杨浩.提高汽车发电机的功率输出研究和新技术动态[J].内蒙古科技与经济，2008，5（9）：67-69.
[2] 周云山，于秀敏.汽车电控系统理论与设计[M].北京：北京理工大学出版社，1997.
[3] A.Gimeno， G.Friedrich， Application of the VDA standard for the comparison and losses reduction of high efficiency car alternators， 978-1-4244-1633-2/08/.00：547-553，2008， IEEE
[4] Paul C.Krause， Oleg Wasynczuk， Scott D. Sudhoff， Analysis of electric machinery and drive system 2nd edition， IEEE Press Piscataway， NJ，2002
【关键词】 发电机；温度场；电磁参数
一、背景介绍
随着汽车产业的发展，驾乘者对车辆的舒适性、安全性及操控性的要求也随之与日俱增。然而，在节能环保的背景趋势下，发电机的能量转化效率开始得到广泛的关注。由于定子、转子及整流桥二极管的热损耗计算均离不开其实际工作温度，为了简化研究工作中繁琐的温度测量，提供有效且合理的温度估算方法，本文将通过对极爪式发电机的结构分析，建立发电机的温度场，并通过实际测量及数据分析，给出各零部件温度的变化特性曲线及特定条件下的温度估算法。
（一）极爪式发电机热源分析
由发电机的结构及工作原理可知，发电机的热源主要来源于三方面：铜损、铁损和机械损耗（可忽略不计）。
1.铜损主要是由于发电机工作时，相应的电流通过定子绕组，转子绕组和整流桥二极管而产生的，即：
其中，N：绕组相数；Is：相电流；Rs：定子绕组相阻值；Iex：励磁电流；Rfd：转子绕组阻值；Rd：二极管阻值。
2.铁损主要是由于发电机在工作过程中，交变磁场通过铁磁材料所产生的损耗。铁损由两部分组成：电涡流损耗和磁滞损耗。根据发电机结构又可分为定子铁损和转子铁损：
其中，f：相对频率；n：发电机转速；Bm：气隙磁密幅值；Kh：分别为磁滞损耗；Kec：电涡流损耗；Ke：漏磁损耗系数；Eeff：有效感应电势；P：极爪对数；q：每爪每相的槽数；N1：单槽导体数；Lfer：定子铁芯高度（即有效切割磁场导体长度）；D：定子铁芯内径；W：转子转速
根据研究，得出
（二）建议温度场公式
对于发电机而言，所产生的能量损耗转化为热量后，通过介质传播，使得各零部件产生不同程度的温升，同时，随着转子的转动，转速越快，空气流速越快。我们引入系数ξab ，下标a代表热源，b代表作用点：s-定子，r-转子，d-二极管，c-进风冷却；
对于单个发电机而言，除了输出电压U、输出电流I、转速n以外，其余各参数都可以固定因此，整理式（7）可得关于U、I、n的方程关系式，将所有固定参数项简化为单一参数表示，得：
只要通过试验采集同一发电机在不同工作状态下的实际零部件温度和电压、电流、转速，将数据带入等式（7）中，建立方程组并求解，即可得到该发电机的温度场公式。
二、温升试验
为了验证等式（8）对零部件温度估算的准确性，现设计温升试验如下：
1.环境温度：25℃，60℃，100℃，115℃；
2.转速点：1500rpm，1800rpm，2000rpm，2500rpm，3000rpm，4000 rpm，5000 rpm，6000rpm，8000rpm，10000rpm；
3.负载：13 A，20A，40A，60A，80A，100A，120A，150A
4.样品：150A发电机，即额定输出为150A
5.测量点：转速n，电压U，电流I，环境温度Tamb，极管温度Td。
经过对发电机的控制进行矩阵测量，得各温度的数据点即拟合曲面如下：
由图可知，无论在室温25摄氏度还是60摄氏度情况下，发电机温度随输出电流的增大而增大，发电机温度随转速的增大而减小。
三、数据分析
（一）求解温度场公式
从试验数据中，选取不同温度点下的六组数据，作为解方程系数的代入值。求得各系数，并带入等式（7）：
[Tb]=（Tamb+0.025I2-556.1U2/n+0.11U2-0.03n+110.5）/（1+0.000096*I2）（8）
（二）温度场公式验证
将温度场试验拟合曲线及温度场公式曲线作对比。
由图可知，温度场公式与实际试验数据拟合出的图线基本一致，验证了温度场公式关于发电机温度与输出电流及转速关系的正确性。
四、总结
本文将通过对极爪式发电机的结构分析，建立发电机的温度场，并通过温度场试验，将所得出的试验数据拟得出温度场公式，并验证在满载情况下，温度场公式的正确性。
参考文献
[1] 杨浩.提高汽车发电机的功率输出研究和新技术动态[J].内蒙古科技与经济，2008，5（9）：67-69.
[2] 周云山，于秀敏.汽车电控系统理论与设计[M].北京：北京理工大学出版社，1997.
[3] A.Gimeno， G.Friedrich， Application of the VDA standard for the comparison and losses reduction of high efficiency car alternators， 978-1-4244-1633-2/08/.00：547-553，2008， IEEE
[4] Paul C.Krause， Oleg Wasynczuk， Scott D. Sudhoff， Analysis of electric machinery and drive system 2nd edition， IEEE Press Piscataway， NJ，2002