什么是爪极发电机？结构简单、成本低廉、效率高、稳定性好发电机

#长文创作激励计划# 爪极发电机是一种特殊的发电机，它在汽车行业中有着广泛的应用。爪极发电机因其结构简单、成本低廉而被广泛应用于汽车、拖拉机、航空、通讯等许多领域。

爪极发电机的结构和工作原理 。爪极发电机的主要特点是其独特的磁极形状，因其转子励磁的磁极使用的是爪状磁极，因此得名“爪极发电机”。爪极发电机是一种多极发电机，定子铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，在铁芯内均匀分布着多个槽，用来嵌放定子线圈。转子的磁极采用爪极结构，这是装在轴上的一个爪极，有多个极。在爪极内，装有产生磁场的磁轭与励磁线圈，在转子轴上有向励磁线圈供电的滑环。转轴上再装上另一个爪极，使两个爪极的磁极交错排列。当励磁线圈通电后，磁轭产生的磁场将沿爪极走动。爪极发电机的磁极采用爪状结构，可以更好地集中和引导磁力线。

爪极发电机的工作原理基于电磁感应原理。当励磁绕组通电时，产生磁场，这个磁场通过爪状磁极在气隙中形成。转子旋转时，爪状磁极在定子绕组中产生交变磁场，从而在定子绕组中感应出电动势。这个过程与传统的同步发电机类似，但爪极发电机的磁场分布更为复杂，因此，具有更高的效率和更好的输出特性。

爪极发电机的定子线圈组成三相绕组，能够产生三相交流电。转子则采用爪极结构，每个爪极上有若干个磁极，这些磁极可以是励磁线圈产生的磁场，也可以是永久磁铁产生的磁场。

爪极发电机的励磁方式有两种：他励和自励。在他励方式下，转子绕组由蓄电池供电产生磁场；而在自励方式下，待发电机旋转起来，输出电压高于蓄电池电压时，发电机向磁场绕组供电，励磁方式由他励变为自励。

当爪极发电机的转子旋转时，定子绕组中的磁力线会被切割，从而在绕组中感应出三相交流电动势。这种交流电动势可以通过整流器转换为直流电，供给车辆的用电设备。

爪极发电机特点与优势

1、高效率：由于磁场分布更加均匀，爪极发电机的效率较高。

2、稳定性好：爪极设计使得磁场在气隙中的分布更加均匀，从而提高了输出稳定性，使得输出电压更加稳定。

3、结构紧凑：爪极发电机的结构设计使得其体积较小，重量较轻，适合在空间有限的应用场合使用。

4、低噪音：由于磁场分布均匀，爪极发电机运行时的噪音较低。

5、爪极发电机制造简单、成本低廉，在小型发电场合得到了广泛应用。

当然，对爪极发电机进行优化设计，提高其效率和性能的空间仍然很大。

爪极发电机的优化设计。为了进一步提高爪极发电机的效率和输出特性，专家们通过对发电机的爪极进行了优化设计，并提出了混合励磁的新方案，减少电机的漏磁，间接达到提高电机效率，制造了更高效率汽车用爪极发电机。这种发电机适用于汽车、拖拉机等需要发电机的场合。

爪极发电机应用 。爪极发电机由于其结构的简单、制造成本的低廉以及结构的可靠性，使其广泛地应用于各个领域。尤其是在汽车发电机、小型风力发电机中得到了广泛应用。它们通常作为汽车上的交流发电机，通过硅整流器将产生的交流电转换为直流电。此外，高效汽车用爪极发电机还可以适用于离网型户用小型风光互补发电系统。

爪极发电机还广泛应用于各种工业、商业和军事领域，特别是在需要高效、稳定电源的场合。例如：工业自动化系统：用于为各种自动化设备提供稳定的电源。通信设备：用于为通信基站、数据中心等提供可靠的电力供应。航空航天：用于飞机、卫星等航空航天设备的电源系统。电动汽车：用于电动汽车的充电系统和动力系统。

未来的发展。 随着科技的进步，爪极发电机的设计和技术也在不断发展。未来的发展趋势包括：智能化：结合现代控制技术和传感器技术，实现智能监控和管理。高效化：通过优化设计和采用新材料，进一步提高发电效率。小型化：在保持高性能的同时，进一步减小体积和重量。

总之，爪极发电机以其高效、稳定、紧凑的特点，高效汽车用爪极发电机是一种高性能的发电机，通过优化设计和采用新材料等方式提高了其效率和性能。这种发电机在汽车行业中有着广泛的应用前景，可以满足现代汽车使用性能的要求。随着技术的进步，我们可以期待未来爪极发电机将在更多的场合得到应用，在未来的发展中将继续发挥重要作用。

爪极自动化热锻工艺改造研究

引言

爪极是汽车交流发电机转子总成中的核心零件，其主要作用是将转子中励磁线圈产生的轴向磁场转化为径向磁场，从而使得转子旋转时获得沿空间三维分布的交变磁场，该交变磁场相对定子运动产生交流电，因而汽车发电机爪极也被称作汽车发电机磁极。目前国内外应用最为广泛的是采用多工步热锻+冷精整联合成形的锻造工艺方案，其中多工步热锻是该工艺方案的核心，主要包括镦粗、预锻、终锻、切边四个工步，目前国内的企业主要由人工来实现工步间物料转移和石墨喷涂。为应对日趋激烈的市场竞争及日益上涨的人工成本，越来越多的企业考虑采用自动化方式替代传统人工操作为主的生产线。

工艺方案改进

人工操作热锻工艺

采用人工操作的爪极多工步热锻工艺方案，使用一台热模锻压力机，布置四个工位，由两名工人负责转移工件和喷涂石墨润滑剂，隔工位操作，每分钟能生产9～10件合格的爪极。在预锻成形结束时爪极预锻件的爪部是竖直朝上的，在模具设计时将难成形的爪部型腔设计在上模，而将形状简单易于成形的底部设计在下模，在终锻成形结束时爪极终锻件的爪部是竖直朝下的，工步图如图1所示。

图1 人工操作的爪极热锻工步示意图

该工艺方案的优点是预锻时工件温度高保证了爪部已基本成形，且氧化皮易于从模具型腔掉落，不会造成模具堵塞，生产过程稳定。终锻时工件温度已经降低且爪部的温度低于底部的温度，通过底部的变形来实现局部特征的成形，由于氧化皮很少且爪部结构复杂金属在模具中流动缓慢，不易产生折叠等锻造缺陷。

自动化热锻工艺

在改进的工艺方案中采用自动化装置来替代人工操作，需要考虑预锻到终锻的步骤，工件摆放朝向的问题。人工操作具有灵活性，工件的翻转并不影响整个工艺过程的效率和稳定性，采用自动化装置，无论是步进梁还是机器人，都会额外增加改造的难度和成本。

为了降低自动化改造的难度，提出了如下一种基于步进梁的自动化热锻工艺方案，工步示意图如图2所示。

图2 自动化爪极热锻工步示意图

关键工艺装备

为了实现上述的工艺方案，需要配置相应的工艺装备，主要包括上料装置、中频感应加热炉、料坯分选装置、热模锻压力机、步进梁机构、润滑装置、成形模具等，其中最为关键的是热模锻压力机的选型及步进梁机械手、润滑喷头及成形模具的设计，设计的合理性直接影响爪极自动化热锻工艺的可行性和稳定性。

锻造设备

根据成形工艺中每个工序的成形力，总的成形力，以及不同工位之间的距离等参数选出合适型号的锻造设备，本工艺方案中我们采用的是从俄罗斯引进的TMP-2500热模锻压力机，公称压力2500吨，如图3所示。

图3 2500t热模锻压力机

步进梁

步进梁（图4）是实现工件转移的传输机构，采用5个伺服电机通过PLC程序控制工作，是自动化的核心机构，本工艺方案中主机为韩国采购，夹持工件的机械手需要根据实际工况进行结构设计和优化，属于步进梁中的易损件。

图4 安装在模架上的步进梁机构

成形模具

成形模具包括母模架、子模架和工作模块三部分，由于该工艺方案主要针对爪极产品，母模架安装在设备上不经常更换的部分，采用螺栓固定，无需快速切换。主要工位（指预锻和终锻工位）子模架采用液压螺母快速夹紧的方式，能够实现快速切换，便于安装在子模架内工作模块的更换，能够显著提高工作效率，子模架如图5所示。

图5 爪极自动化热锻子模架

润滑装置

润滑装置主要由润滑剂搅拌箱、喷涂系统和润滑剂回收系统几部分组成，其中喷涂系统中的喷头设计十分关键，需要根据润滑的部位调整喷头的结构形状和孔径大小，典型喷头几何结构如图6所示。

图6 典型喷头几何结构示意图

测试问题与改进措施

测试出现的问题

由于自动化锻造工艺方案和现有人工操作工艺方案的差异性，导致按照人工操作设计的模具结构和工艺参数在爪极自动化锻造中不适用，在进行自动化锻造测试前期，出现了诸多问题，主要包括爪部充不满、爪部出气孔过长、模具寿命低等，导致产品报废率高达15%，几种产品失效形式如图7所示。

图7 产品失效图

失效原因分析

经过工程师和现场技术人员对多次测试结果的分析和讨论，爪部充不满和出气孔过长主要原因总结如下：

⑴预锻模具型腔被氧化皮堵塞。

⑵模具型腔润滑不充分和不均匀。

⑶镦坯件放置在预锻模具中的位置与理想位置偏差大。

⑷预锻件和终锻件变形量分配不合理。

模具寿命低主要原因如下：

⑴成形力大导致模具变形。

⑵成形前高温料坯和模具接触时间长导致模具硬度降低。

⑶模具型腔润滑不充分和不均匀导致模具磨损加剧。

解决措施

针对上述问题的解决措施如下：

⑴将镦粗工步的自由镦粗增加定位型腔，即在镦坯下模平面上增加一个圆形凹坑，凹坑直径与预锻下模型腔基本接近，便于镦坯件在预锻型腔的定位准确。

⑵优化润滑剂的浓度、喷涂压力和时间、出气孔位置和大小等参数，充分和均匀润滑模具型腔。

⑶在步进梁上增加吹气装置，在步进梁移动的同时吹扫工件，避免模具型腔内残留氧化皮。

⑷不断改进模具结构设计，降低模具成形力和不同成形工步成形力的偏差值。

⑸调整步进梁的工作参数，减少高温料坯与模具型腔的接触时间。

改进后的产品

通过改善模具飞边结构、调整出气孔方式、以及润滑方式，解决了爪尖成形不饱满、出气孔长等质量问题，开始稳定生产。改进后的实物照片见图8。

图8 改进后的实物照片

结束语

自动化锻造是未来锻造行业发展的必然趋势，经过1年多的探索和改进，我们实现了爪极产品的自动化热锻，生产节拍最快可达每分钟14～15件，班产量平均4800件，模具平均寿命接近手动锻造水平，后期拟通过持续改进增加生产节拍至每分钟16～17件。

作者简介

庄晓伟 ，副总经理，高级工程师，主要从事精密锻件工艺开发和自动化生产线的引进与改造工作。主持完成的汽车发电机精锻爪极获得常州市科技进步二等奖，柴油高压共轨系统精密锻件获得江苏省成果转化项目支持。拥有发明专利4项。

—— 来源：《锻造与冲压》2019年第13期

相关问答

汽车发电机接线柱上N、F、E是什么意思_汽配人问答

[最佳回答]汽车发电机接线柱简介B+(POS/+):正极输出端,接蓄电池正极及车上的用电器(负载),无电瓶电机B+直接接空调。B-(NEG/-):负极输出端,接电瓶负...

发电机的常见故障有哪些，如何诊断与排除?_汽配人问答

[最佳回答]发电机常见故障有:发电机不发电(不充电)、充电电压过高和充电电压过低等。在发动机正常运转时,电流表始终指示放电和充电且指示灯亮,表明...

丶汽车发电机磁爪怎么拆?

转子磁厄一般要用小型压床和配套的专用爪极卡板,才能拆下,拆下转子线圈架,把烧坏的磁场线圈拆除,按相同线径和拆出的漆包线一致(圈数、线径),重新绕制,再...

发电机在哪个位置?

[最佳回答]发电机一般在发动机前面。打开发动机盖往下看就能看到。以下是关于发生器的介绍:1.简介:汽车发电机是汽车的主要电源,其作用是在发动机正常运转的...

发电机为什么转子是线圈?

转子是发电机的磁场部分,主要由转子轴、两块爪极、磁场绕组和集电环等组成。在转子轴的中段轧有纵向滚花,其上压有两块爪极,两块爪极的内腔装有铁芯(称为磁...

发电机电压不稳如何处理_车坛

发电机电压不稳的处理方法有:1、电线接线部份松动。解决办法:检查发电机组各连接部分,并与修理。2、控制屏电压-电流选择开关失效。解决办法:更换发...

发电机在哪个位置_车坛

发电机一般在发动机的前面,打开发动机盖之后向下看就能看到。以下是关于发电机的相关介绍:1、简介:汽车发电机是汽车的主要电源,其功用是在发动机正...

汽车发电机电压13伏正常吗?

[最佳回答]汽车发电机的电压是13伏,发电机电压的正常范围是15.3V-12.8V.汽车发电机的作用:1.发电机是汽车的主要电源,其作用是在发动机正常运转的同时,为...

铲车发电机不发电怎么判断?

不发电的原1、二极管。二极管击穿不起整流作用。解决方法。建议车主尽快到4S店或专业的维修店进行检测维修,必要时更换电机2、电刷。电刷在电刷架内卡死。...

交流发电机的构造及整流方法?

交流发电机一般由转子、定子、整流器、端盖四部分组成。1、转子转子的功用是产生旋转磁场。转子由爪极、磁轭、磁场绕组、集电环、转子轴组成。2、定子定...