汽车发电机定子设计分析

汽车发电机定子设计分析
摘要:普通汽车发电机大多采用爪极式三相同步交流发电机，目前，交流发电机无论是在结构设计、原材料使用，还是加工工艺和理论计算等各个方面都取得了很大程度的改进。

结合具体的生产工艺对发电机定子设计进行探讨。

0 、引言
随着国内外汽车市场的发展和汽车技术的不断进步，人们对汽车的使用性能也越来越关注，汽车上的用电设备和电子控制装置也相应地增加。

一方面，发电机作为汽车的主要电源，在汽车正常运转时为所有的用电设备供电。

另一方面，它还要向车上的蓄电池充电，发电机的功率随着车上用电设备的增加而增加。

常见的汽车发电机可以分为交流发电机与直流发电机，而交流发电机因在许多方面都具有明显的优势而成为主流。

为了提高发动机的驱动转矩，发动机的主要部件与交流发电机相连接的支架一般都在发动机的主部件上，因此，要求发电机体积小，防震性能好，同时有较大的输出功率，交流发电机的热阻小，以便于抵御发动机室的不停升温。

爪极式交流发电机由于制造工艺简单、生产成本较小而得到广泛应用。

1 、汽车发电机定子的工作原理及组成结构
每个厂家生产的汽车发电机定子几乎都具有相同的结构，一般由定子线圈、定子铁芯、槽楔和槽绝缘等构成。

其中，定子是发电机静止的部分，它的作用主要是产生旋转磁场，为转子产生交流电提供条件。

汽车发电机的定子结构主要由定子铁芯、定子线圈、槽楔和槽绝缘组成。

1. 1 定子铁芯
定子铁芯是构成汽车发电机的主要部件，其作用是提供发电机励磁回路和固定定子绕组，这样的定子铁芯一般采用导磁率较高、热损耗较小、内圈带槽的硅钢片叠压而成，定子绕组的导线就镶嵌在定子
铁芯的槽中。

1. 2 定子线圈
定子线圈是通过发电机转子旋转产生磁场，在定子上发生切割磁力线的动作以产生交变的电流，最后传递给整流桥。

它一般有三相，表面包裹足长的高温漆包线，常见的三相线圈一般采用星形接法或者大功率(三角形接法)，这两种接法都能够产生三相交流电。

三相线圈必须按照一定的规则去绕制，以获得相等的频率和相等的幅值以及相位互差120°的三相电动势。

1. 3 槽楔
槽楔一般由环氧树脂层压板裁定制作而成，它的作用就是封住槽口，压紧绝缘线圈以及绝缘纸，防止线圈绕组松脱。

1. 4 槽绝缘
槽绝缘一般采用聚酯薄膜绝缘复合箔制成，它的形状类似于定子槽楔，这样的槽绝缘纸片一般厚度为 0． 18 ～ 0． 25 mm。

槽绝缘的作用就是保护线圈绕组，也可以作为附加的电绝缘层看待，对于发电机的整体绝缘性能有一定的影响。

2 、铁芯电子采用带状材料
传统发电机的定子铁芯采用冲压成形的加工方法，这种加工工艺的原材料使用率仅有30%左右，常常造成很大的资源浪费。

新型带状加工工艺是将原材料加工成一些带状的薄片，自动卷绕成形之后再利用叠压和焊接工艺完成定子铁芯的加工制作。

这种新型的加工方法将原材料使用率提升至90%，而且更加便于实现铁芯加工生产过程的自动化。

我国安徽省的华鼎汽车零部件制造有限公司在制造汽车发电机的一系列产品中，采用了上述的工艺生产出来的定子铁芯，不仅节约了大量的原材料，而且降低了生产成本。

而且这些产品都具有较高的加工工艺和生产质量，得到了配套厂江淮汽车的认可。

卷绕加工的工艺过程:首先，将高速冲床冲制的齿形带状料从卷绕装置的动压盘与定压盘之间送入;之后，依靠凸轮顶出的驱动销带动，通过成型的预制板的作用卷曲成形;最后，驱动销越过凸轮自动退回，
带料由导出口导出，当卷绕的圈数增至产品要求时，自动切断带料完成整个加工过程。

3 、定子绕组自动嵌线技术
由于汽车上的用电设备不断增加，同步发电机的输出电流也不断增加，电子绕组的绕线直径也需要相应地加粗。

传统的人工嵌线将无法满足这样大电流的需求，也无法保证批量生产以及生产出来的产品质量。

爪极式交流发电机目前主要有电励磁以及混合励磁两种工艺结构，发电机的主磁路由转子磁轭、气隙、爪极、定子齿和定子轭等构成。

当转子开始运转时，转子磁场就会形成一种旋转磁场，它可以不断切割定子绕组，这样绕组中就会感应出相应的交流电势，产生交流电流以供发电。

当发电机带有较大负载时，绕组中产生的电流又感应出电枢磁场，能够对转子磁场产生影响。

在爪极式发电机的构成要素中，定子绕组的结构对发电机的体积与整体性能都影响深远。

大功率的汽车交流发电机具有低电压和大电流的特点，为了减小发电机的体积，在最初设计定子绕组时，应该考虑采取合适的办法提高槽的利用率，减小端部的焊接空间，尽量减小电阻以及改善发电机的热阻。

现阶段，大多数企业通过不断地摸索，采用定子绕组自动嵌线技术，这项技术定子绕组的绕线与推入式嵌线相组合，完全可以克服上述的缺点与不足。

一些企业制造了这样的机器，最大程度上弥补了以上两种绕线工艺的不足，拥有嵌线快速、质量较高的优势，但同时需要较大的资金投入。

其突出优势在于:①绕线与嵌线相统一。

②绕线的端部较短，较其他类型的绕线工艺更加节约铜线。

③工作效率有了较大提高，一般为人工绕线或者嵌线的十倍。

④可以满足小批量的多种品类产品生产。

在目前铜价飞涨的市场行情下，仅此一项深入挖掘的技术就能使每台发电机节约成本3 元，同时也使发电机产品在国外市场更加具有竞争力。

4 、定子导线的绝缘设计
发电机定子的绕组绝缘结构设计对电机的整体性能以及合理性起着十分重要的作用，这将在一定程度上影响电机的容量系数、槽满率、工作效率以及设备可靠性。

在各个发电机制造厂设计定子绕组绝缘结构时，大多投入了较多的人力和物力去研究开发更加先进、合理与可靠的绝缘结构。

多年来，我国的电机绝缘结构研究主要集中在主绝缘材料和防晕材料及其结构的研究上，而对导线绝缘材料及其结构的研究投入较少。

随着发电机绝缘设计工作的深入研究，线圈的绝缘性能也在导线结构、工艺水平、产品质量等方面受到越来越多的限制。

由于电机旋转过程中励磁绕组会出现交变的旋转磁场，发电机定子内部不同的位置上的绕组也将感应出不同强度的电势，同时在同一槽中处于不同位置的电磁线也将感应出不同的电势，
两种电势绝大部分时间都不会呈现相同的强度，这两组相邻的电磁线之间就会出现电势差。

电势差的产生为线圈内部电流产热提供条件，相当部分的电能将通过导线的热阻转化为热能扩散掉，这一部分的电能不仅没能够为汽车发电机提供有效的利用率，而且还为汽车发电机零部件提早老化带来隐患。

为了尽量消除发电机定子电磁线之间的这种电位差，减少定子线圈内部涡流发热带走的电能损耗，对定子线圈的部分导线采用换位方式进行处理是企业十分明智的选择。

5 、结语
定子是汽车发电机的一个关键部件，定子线圈的合理设计以及成熟的制作工艺对定子绕组的质量有重大的影响。

只有充分了解定子绕组的制作工艺规范，才能尽量减少发电机本身的热能损耗。

通过采用日渐成熟的汽车发电机定子绝缘设计，能够降低发电机运行过程中不必要的升温，尽可能降低汽车发电机的损耗，提高发电机的使用效率，从而达到延长汽车使用寿命的目的。