1、混合励磁爪极发电机的基本原理及特点
本节以并联式结构的混合励磁爪极发电机为例，简述其基本的运行原理。混合励磁爪极发电机有两个励磁源，一个是励磁绕组，一个是加在转子上的永磁体。
气隙磁场由两者叠加而成，主磁通由励磁绕组产生，该磁路首先是从爪极出发，经过气隙、电枢齿、电枢绕组、定子铁心扼部、相邻的电枢齿、再经过气隙到达爪极S极、通过磁扼，再回到爪极N极，从而形成一条回路。辅助磁通则由永磁体来产生，它从永磁体的N极出发、经爪极N极、气隙、定子齿到达定子扼，再经过定子齿、气隙到达爪极S极，再经过永磁体的S极回到永磁体N极，形成一条辅助回路。永磁体的加入不仅是减少了极间的漏磁，而且还增加了爪极的有效导磁面积，增加了主磁通。
当转子旋转时，励磁绕组中通入直流电流，转子励磁场就会形成了一个旋转磁场，由于定子三相对称绕组被旋转磁场不断切割，在电枢绕组中感应出相应的三相交流电。并且因为三相定子绕组完全对称，在空间上间隔为1200电角度，因此当定子三相绕组被转子旋转切割时，就会在电枢绕组中产生频率相同、幅值相等、相位相差1200电角度的正弦交流电动势。
电励磁和永磁励磁相结合的混合励磁爪极发电机，其兼有了电励磁爪极发电机和永磁式爪极发电机的优点。
1)混合励磁爪极发电机存在两个磁势源，气隙磁场相比于相同结构的电励磁爪极发电机有明显的提高。通过增加永磁体可以较好地改善电机的低速性能和效率。
2)相对于永磁式的爪极发电机，混合励磁爪极发电机解决了其电压不可调节的缺点。电励磁以及永磁体两部分来共同组成了混合励磁爪极发电机的气隙磁场，因此可以通过调节励磁电流来完成电压的调节。
3)通过添加永磁体，混合励磁爪极发电机的励磁绕组的电流必将降低，因此它的励磁损耗也会相应地减小。因为混合励磁爪极发电机拥有两个励磁源共同励磁，气隙磁场中有一部分将由永磁体来提供，那么在功率一定的发电机中，混合励磁爪极发电机的励磁电流一定小于普通的电励磁爪极发电机，因此它的励磁损耗也会大大降低。
2、混合励磁方案选择
混合励磁爪极发电机的方案选择应考虑电机安全与性能、材料与加工成本等方面的要求，具体包括以下三个方面:
· 永磁材料的用量
· 磁体的放置位置
· 采用何种永磁材料
为了便于研究，在研究所现有一台乘用车12V电励磁爪极发电机的基础上构建混合励磁爪极发电机方案，此台12V电励磁爪极发电机的其主要数据见表2.2 。
1)永磁材料用量的确定
永磁材料的用量取决于发电机的安全电压。与永磁爪极发电机一样，混合励磁爪极发电机也存在安全电压问题。为了保证车上其它电器设备的安全，当电机运行于最高转速且电励磁失去调节作用时，混合励磁爪极发电机中的永磁磁通所产生的电压应小于或等于安全电压，据此原则可以计算永磁基波磁通和磁密幅值，进而确定永磁材料的用量。
永磁励磁气隙磁密基波幅值为：
2-1
式中，Umax为安全电压，fmax为发电机最高转速时感应电动势的频率，N为一相串联匝数，kN1为基波绕组系数，Sp为每极爪极面积。
发电机最高转速时感应电动势的频率：
2-2
式中，P为爪极发电机的极对数，nmax、为爪极发电机的最高转速。
对表2.2中的爪极发电机，极对数P=6，最高转速nmax =18000 r/min，由 （2-2）式计算出感应电动势最高频率fmax =1800 Hz。这里取安全电压Umax =15 V，每个爪极面积Sp=333.6 平方毫米，按(2-1)式计算出永磁励磁气隙磁密基波幅值Bδpm1= 0. 07T。也就是说，为了保证发电机在最高转速时的电压不高出15V，混合励磁爪极发电机仅永磁励磁时气隙磁密基波幅值不得高于0.07 T，因此以此来确定混合励爪极发电机永磁材料的用量。否则，当发电机处于最高转速时会有过压的风险，危及车上其它电器设备的安全。
2)磁体的放置位置
混合励磁爪极发电机永磁体可以放置在三种不同的位置，即：
·爪极背面放置永磁体
·爪极斜面之间放置永磁体(以下简称极间放置永磁体)
·电机轴上放置永磁体
混合励磁爪极发电机永磁体三种不同放置位置见图2.72.9黄色部分为永磁体)
爪极背面放置永磁体，磁化方向为径向，混合励磁时气隙磁场较强;基本不改变现有爪极发电机的生产工艺，比较容易实现;可用粘接剂将永磁体粘贴在爪极的背面或者在爪极背面开槽嵌入永磁体，磁体的安全性很好。但磁体安装比较费工时，且需要占用一定的电励磁空间;由于磁体形状较复杂，如果采用烧结钱铁硼永磁材料，材料利用率不高，会增加制造成本。
极间放置永磁体，磁化方向为切向，混合励磁时气隙磁场最强;基本不改变现有爪极发电机的生产工艺，容易实现;可用粘接剂或者开槽将永磁体固定在两个爪极之间，无需占用电励磁空间。但磁体安装比较麻烦;而且由于爪极间空间有限，为了获得更高的气隙磁场，必须采用磁性能较高的永磁材料才能产生所需要的气隙磁场;磁体有一定的安全风险。
轴上放置永磁体，磁化方向为轴向，磁体安装最为简单，节省工时;磁体的安全性也很好;基本不改变现有爪极发电机的生产工艺，比较容易实现。但占用一定的电励磁空间由于电励磁和永磁磁路为并联关系，两者之间存在冲突，即电励磁需要转轴导磁，而永磁则需要转轴隔磁，因此，需要进行爪极发电机转子结构创新;同时需占用一定的电励磁空间。
表2.3给出了混合励磁爪极发电机永磁体三种不同放置位置主要优缺点比较。
3) 永磁材料的选择
在混合励磁爪极发电机中，可以选择的永磁材料有：
· 烧结钱铁硼
· 粘接钱铁硼
· 铁氧体
究竟采用何种永磁材料，不但与电机制造成本有关，还与永磁体的放置位置有关。烧结钱铁硼磁性能高，产生一定磁场所需的磁体体积小;但烧结钱铁硼通常需要线切割加工，因此烧结钱铁硼的材料成本和加工成本都比较高。粘接钱铁硼很容易成形，适合作为爪极背面放置的永磁体磁体;磁体加工成本较低，但体积稍大。铁氧体磁性能一般，成本相对较低，体积较大。
表2.4对三种永磁材料的主要特点进行了比较：