高效率的交流发电机

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所有交流发电机的工作都基于同一个基本原理，亦即当一磁场对一导线进行“切割”时所发生的现象，反之亦然。如果移动导线或磁场，在导线上就会产生一个感应电流；而变动一下，将导线通入电流，那在导线四周也会建立起一个磁场。至于能产生多大的电流则取决于以下几点。
    首先是磁场的强度问题。工程技术人员采用了一个叫做磁通的术语来描述脑海里所想象的磁场模样。磁力线从一个磁极出来，又绕了一个弯从另一个磁极进去，就像天气图上表示风力强弱的等压线一样，磁场越强，磁力线就越多越密集。当导线经过一强磁场，众多的磁力线“切割”导线，从而产生感应电势。
   既然可以用多条磁力线“切割”导线，那同样也可用多根导线同时来经过磁场，将导线制成多匣线圈就会增大感应电势及总电流。一个典型的交流发电机的定子绕组，有3个线圈互成120°间隔开来。当转子旋转时，由转子产生的磁场“切割”线圈，便会产生3个脉冲电压，时间上相互间隔120°相位。若要获得波动小的电流，最好转子每转一圈能产生更多的脉冲电压，因为这表示电压的平均值更高。
   另外一个增大交流发电机输出的途径便是增加磁体数量。一个典型的Lundell爪极式转子，正中是一个线圈，两旁各有6或7个磁极。爪极上的指齿啮合在一起，这样彼此相隔的每个爪形磁极便与线圈的不同端相连。当电流通过线圈，就会产生一个由爪极导引着环绕线圈的磁场。如果绕着转子数一数，就会发现共有12或14对南北磁极，而每一个磁极均代表着又一个磁体，所产生的磁通将对定子绕组进行“切割”。
    时间因素也是很重要的。进行“切割”的时候，磁力线或导线运动得越快，输出的电势就越高。因此应认真选取交流发电机和谐波平衡器的滑轮尺寸，使交流发电机以两至三倍于发动机转速的速度旋转，这样做可以确保在发动机空转时交流发电机也能保持不错的性能。
    正如先前提到的，当电流通过一根导线时会产生一个磁场，而磁场的强度与电流的大小成比例。通过检测电池电压及调节通过转子的电流大小，电压调节器就可以控制交流发电机的输出。故增减转子上的电流都会改变到电磁体与定子线圈互相作用的强弱关系，而Lundell爪极式转子的一大优势就是只要一截断通往磁场或转子线圈的电流，输出(电压)便会归零。
    事实上，交流发电机受到一些性能上的限制，因许多实际因素，交流发电机的最大输出被限制在200A电流或3000W功率左右。虽然这看起来电流似乎很大，但只要你瞧瞧今天的汽车，就会明白确实需要更大的电流，尤其在空转的时候。
    前面曾说过，磁极运转越快，产生的感应电流就越大。与此相反的一面，发动机空转或汽车低速行驶时，发电机的输出最低。不巧的是，这时恰恰可能对电流有最大需求。举个例子来说明：不妨假想你在一个雪夜里准备将一辆现代化的汽车停放。这时发动机在空转工况附近工作，灯光、空气压缩机及后背防雾器都打开了，风挡雨刷也在工作，但仍需要有更多的动力来供给电子动力转向系统。由于发电机输出的所有可用功率都被占用着，剩下唯一能为动力转向系统提供动力的来源就只有蓄电池本身了。而当驾驶员将发动机熄火时，蓄电池就会被欠压充电，这却是不希望发生的，因为蓄电池长期充电不足，工作寿命会缩短。
    现在的交流发电机设计都存在着效率不很高的问题，一个典型Lundell爪极式转子发电机效率只有大约50%。这意味着要用大约6000W的功率来驱动交流发电机，而输出只有200A电流(3000W的功率)。糟糕的是，损耗的功率就会转化成热量积聚在发电机里，加上发动机舱温度原本就很高，所以一定要将热量散发掉。

    那么，怎样使交流发电机效率更高、输出功率更大、产生热量更少呢?另外尤为重要的是在发电机转速相对较低时，输出越大越好。下面便是关于交流发电机的制造商们怎样做到这一点的。
    第一步就是探寻出效率低的原因。只要看一看爪极式转子你就会知道并不值如此大费周折，一根轴、一对爪形磁极、线圈组加上集电环就足以构成整个转子了。问题是这种设计存在漏磁现象，并非所有的磁通都用来“切割”线圈以获得最大的电流输出，其中一些漏了出来，做了无用功。
    一个解决的办法就是采用Hybrid转子。一般的转子爪极间空无一物，而Hybrid转子在爪极间装了一个永久磁铁。磁通从磁铁出来进入瓜极，通过转子心轴及磁铁另一面的爪极回到磁铁。永久磁体填充了爪极间隙后，转子绕组产生的磁通就不会泄漏走了。这就迫使更多的磁通从转子进入定子绕组，从而提高了交流发电机的输出效率。
    这种方案可以将原来的效率在50%的基础上提高20%。这样交流发电机总效率为60%时，只需用5000W的功率，大约为4474W就可以产生与原来同样大的输出，附带的一个好处是必须散发掉的热量还不到1000W。
    发电机改进的第二步必然是在发电机四周装上水套，并与发动机冷却系统相连。这样做很有益处。由于真正起冷却作用的是水套，所以不必硬是要将交流发电机置于进入发动机舱的冷空气流中。而且水套降低了发电机升温或冷却的速度，有利于提高发电机的耐用性。这是因为急剧的温度变化对膨胀与收缩速率不同的材料很不利，而采用水套则消除了这一顾虑。
    水套自然还有其它的优点。例如：Visteon公司在它的资料里声称它的交流发电机可以将近1250W的损耗热量传送给冷却系统，而这股热量最终在车辆的解冻器和加热装置处消耗干净，被用来帮助清洁风挡和加热乘员室。所以，冷却液和发动机能更快地升温变暖，催化变换器就可以更快地点火，这就大大减少了冷起动时的废气排放。
    既然效率提高20%就有这么大的作用，那何不追求更高的效率昵?这正是Ecoair公司开发的新型交流发电机的关键技术所在。Ecoair公司所设计的这种发电机将在今年晚些时候投入生产，主要应用在急救车一类的车辆上，因为在急救车上，闪光灯、车用医疗设备等的工作需要大量电力。Ecoair的基本观念可应用于所有车辆，包括双动力型汽车，并且这种发电机理论上也适用于将于2003年面世的42V电子系统。
    Ecoair公司的发电机，在其中的某个设计中，转子实际上由两个并排装在转子心轴上的独立部分组成，其中之一装上永久磁铁形成12个磁极，而磁铁及周围金属本身就有磁力，并不依赖转子电流；转子组件的另一半是一个绕组线圈，线圈与极靴之间存在一定的装配关系。
    Ecoair交流发电机有三种独立的操作模式。低转速时，转子的永久磁铁部分引起定子中的电流，起动操作时，永久磁铁与绕组线圈都会产生最大磁通，而使发电机产生最大输出。因此电磁铁总带来一些问题，即必要时，你怎样切断电流或减少磁通来降低电力输出?为了解决这一问题，采用第三种模式来操作Ecoair交流发电机，这种模式被称为“补偿”(buck)式，下面便是它的工作原理。
    当输出的电流超过了电子系统的需求时，首先使通过转子线圈部分的电流降低至零。若输出电流仍然过大，转子线圈电流的方向就会被转换。电流反向时，绕组线圈便产生与永久磁铁相反的磁性而相抵消。这样，通过控制极性和转子线圈部分的电流大小，就可能使交流发电机的输出降至零--同样的技术亦应用在一种自动防故障的安全电路中。
    虽然转子采用了两部分的结构形式，且其内部设计错综复杂，但也带来一些意想不到的好处。对于起动电机，复式设计使之获得80%的高效率。这就是说只需3750W或略低于3730W的功率就可取得一个200安培(3000瓦)的输出电流。同时，由于驱动发电机的功率和热损耗都变小的缘故，在一定输出功率下，发电机的外形尺寸可以做得更小，重量可以更轻等等。另外，在传统的交流发电机中，其直径尺寸必须与前后距离相近，而Ecoair的混合式交流发电机可以同老式发电机一样有一个较长的形体。因为考虑到辅助驱动带形成的径向可用空间有限，不可能总是无限地扩大交流发电机的直径尺寸，所以增加其有效长度倒不失为一个增大输出的好办法，还有利于增大驱动带扭矩及发动机容量。
    而这种交流发电机的诱人之处还在于它的燃油经济性，尤其在空转或低速运作时。博世公司由一种经验方法得出交流发电机效率每提高5%，燃油经济性就会提高大约1%。而戴姆勒?克莱斯勒公司做的对比试验表明，Ecoair的交流发电机与传动系的变速箱共同工作在空转工况时，当输入不变而输出功率增加13.4%时，燃油的经济性能提高5.8%。
    交流发电机和充电系统在任何设计问题中的重要性都是不可低估的。若不是因为可用电力受到限制，像电力驱动的水泵、发动机油泵、动力转向装置及刹车等具有省油特征的部件，现在就会出现了。不过，或许只需一个高效率、大功率、输出为42V电压的交流发电机，就正好搭成一座通往彼岸的坚实桥梁。

曾经的军人

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