1、混合勵磁爪極發電機的基本原理及特點
本節以並聯式結構的混合勵磁爪極發電機為例，簡述其基本的運行原理。混合勵磁爪極發電機有兩個勵磁源，一個是勵磁繞組，一個是加在轉子上的永磁體。
氣隙磁場由兩者疊加而成，主磁通由勵磁繞組產生，該磁路首先是從爪極出發，經過氣隙、電樞齒、電樞繞組、定子鐵心扼部、相鄰的電樞齒、再經過氣隙到達爪極S極、通過磁扼，再回到爪極N極，從而形成一條迴路。輔助磁通則由永磁體來產生，它從永磁體的N極出發、經爪極N極、氣隙、定子齒到達定子扼，再經過定子齒、氣隙到達爪極S極，再經過永磁體的S極回到永磁體N極，形成一條輔助迴路。永磁體的加入不僅是減少了極間的漏磁，而且還增加了爪極的有效導磁面積，增加了主磁通。
當轉子旋轉時，勵磁繞組中通入直流電流，轉子勵磁場就會形成了一個旋轉磁場，由於定子三相對稱繞組被旋轉磁場不斷切割，在電樞繞組中感應出相應的三相交流電。並且因為三相定子繞組完全對稱，在空間上間隔為1200電角度，因此當定子三相繞組被轉子旋轉切割時，就會在電樞繞組中產生頻率相同、幅值相等、相位相差1200電角度的正弦交流電動勢。
電勵磁和永磁勵磁相結合的混合勵磁爪極發電機，其兼有了電勵磁爪極發電機和永磁式爪極發電機的優點。
1)混合勵磁爪極發電機存在兩個磁勢源，氣隙磁場相比於相同結構的電勵磁爪極發電機有明顯的提高。通過增加永磁體可以較好地改善電機的低速性能和效率。
2)相對於永磁式的爪極發電機，混合勵磁爪極發電機解決了其電壓不可調節的缺點。電勵磁以及永磁體兩部分來共同組成了混合勵磁爪極發電機的氣隙磁場，因此可以通過調節勵磁電流來完成電壓的調節。
3)通過添加永磁體，混合勵磁爪極發電機的勵磁繞組的電流必將降低，因此它的勵磁損耗也會相應地減小。因為混合勵磁爪極發電機擁有兩個勵磁源共同勵磁，氣隙磁場中有一部分將由永磁體來提供，那麼在功率一定的發電機中，混合勵磁爪極發電機的勵磁電流一定小於普通的電勵磁爪極發電機，因此它的勵磁損耗也會大大降低。
2、混合勵磁方案選擇
混合勵磁爪極發電機的方案選擇應考慮電機安全與性能、材料與加工成本等方面的要求，具體包括以下三個方面:
· 永磁材料的用量
· 磁體的放置位置
· 採用何種永磁材料
為了便於研究，在研究所現有一台乘用車12V電勵磁爪極發電機的基礎上構建混合勵磁爪極發電機方案，此台12V電勵磁爪極發電機的其主要數據見表2.2 。
1)永磁材料用量的確定
永磁材料的用量取決於發電機的安全電壓。與永磁爪極發電機一樣，混合勵磁爪極發電機也存在安全電壓問題。為了保證車上其它電器設備的安全，當電機運行於最高轉速且電勵磁失去調節作用時，混合勵磁爪極發電機中的永磁磁通所產生的電壓應小於或等於安全電壓，據此原則可以計算永磁基波磁通和磁密幅值，進而確定永磁材料的用量。
永磁勵磁氣隙磁密基波幅值為：
2-1
式中，Umax為安全電壓，fmax為發電機最高轉速時感應電動勢的頻率，N為一相串聯匝數，kN1為基波繞組係數，Sp為每極爪極面積。
發電機最高轉速時感應電動勢的頻率：
2-2
式中，P為爪極發電機的極對數，nmax、為爪極發電機的最高轉速。
對表2.2中的爪極發電機，極對數P=6，最高轉速nmax =18000 r/min，由 （2-2）式計算出感應電動勢最高頻率fmax =1800 Hz。這裡取安全電壓Umax =15 V，每個爪極面積Sp=333.6 平方毫米，按(2-1)式計算出永磁勵磁氣隙磁密基波幅值Bδpm1= 0. 07T。也就是說，為了保證發電機在最高轉速時的電壓不高出15V，混合勵磁爪極發電機僅永磁勵磁時氣隙磁密基波幅值不得高於0.07 T，因此以此來確定混合勵爪極發電機永磁材料的用量。否則，當發電機處於最高轉速時會有過壓的風險，危及車上其它電器設備的安全。
2)磁體的放置位置
混合勵磁爪極發電機永磁體可以放置在三種不同的位置，即：
·爪極背面放置永磁體
·爪極斜面之間放置永磁體(以下簡稱極間放置永磁體)
·電機軸上放置永磁體
混合勵磁爪極發電機永磁體三種不同放置位置見圖2.72.9黃色部分為永磁體)
爪極背面放置永磁體，磁化方向為徑向，混合勵磁時氣隙磁場較強;基本不改變現有爪極發電機的生產工藝，比較容易實現;可用粘接劑將永磁體粘貼在爪極的背面或者在爪極背面開槽嵌入永磁體，磁體的安全性很好。但磁體安裝比較費工時，且需要占用一定的電勵磁空間;由於磁體形狀較複雜，如果採用燒結錢鐵硼永磁材料，材料利用率不高，會增加製造成本。
極間放置永磁體，磁化方向為切向，混合勵磁時氣隙磁場最強;基本不改變現有爪極發電機的生產工藝，容易實現;可用粘接劑或者開槽將永磁體固定在兩個爪極之間，無需占用電勵磁空間。但磁體安裝比較麻煩;而且由於爪極間空間有限，為了獲得更高的氣隙磁場，必須採用磁性能較高的永磁材料才能產生所需要的氣隙磁場;磁體有一定的安全風險。
軸上放置永磁體，磁化方向為軸向，磁體安裝最為簡單，節省工時;磁體的安全性也很好;基本不改變現有爪極發電機的生產工藝，比較容易實現。但占用一定的電勵磁空間由於電勵磁和永磁磁路為並聯關係，兩者之間存在衝突，即電勵磁需要轉軸導磁，而永磁則需要轉軸隔磁，因此，需要進行爪極發電機轉子結構創新;同時需占用一定的電勵磁空間。
表2.3給出了混合勵磁爪極發電機永磁體三種不同放置位置主要優缺點比較。
3) 永磁材料的選擇
在混合勵磁爪極發電機中，可以選擇的永磁材料有：
· 燒結錢鐵硼
· 粘接錢鐵硼
· 鐵氧體
究竟採用何種永磁材料，不但與電機製造成本有關，還與永磁體的放置位置有關。燒結錢鐵硼磁性能高，產生一定磁場所需的磁體體積小;但燒結錢鐵硼通常需要線切割加工，因此燒結錢鐵硼的材料成本和加工成本都比較高。粘接錢鐵硼很容易成形，適合作為爪極背面放置的永磁體磁體;磁體加工成本較低，但體積稍大。鐵氧體磁性能一般，成本相對較低，體積較大。
表2.4對三種永磁材料的主要特點進行了比較：