由于爪极的特殊结构,爪极发电机的磁场和温度场具有明显的三维特性,需要三维计算方法求解发电机性能参数。近年来随着数值计算技术的发展,关于大型发电机的转子、定子等的温度场数值计算研究较多,但对汽车爪极发电机的转子、定子等的温度场数值计算研究几乎是空白。本论文在漏磁和温度场的计算的基础上,优化设计了几种爪极发电机,并已产业化,其思路是:首先对汽车爪极发电机进行初步设计,并通过漏磁计算,优化定子外径、定子铁心有效长度、定子槽半径、定子内径、转子外径、转子铁心内径和爪极根部厚度等参数,在温度场计算后,再优化励磁架、定子、转子、爪极等,最终得到优化的产品,并对产品进行工业生产测试,安徽省产品质量监督检验研究院检测和用户试用表明:产品优于原配套汽车发电机。论文的具体内容概括如下:(1)以提高交流发电机比功(W/Kg)为目标,确定了汽车用爪极发电机系列设计中的额定工作转速、主要尺寸、结构,并推导出励磁架的直径比有0.618最佳值,此研究对汽车用爪极发电机的初步设计和优化设计有一定的意义。(2)分析爪极发电机的结构参数对爪极发电机漏磁系数的影响,用三维磁矢位有限元方法计算了500W、750W爪极发电机在不同参数的空载漏磁系数,这些参数包括定子外径、定子铁心有效长度、定子槽半径、定子内径、转子外径、转子铁心内径和爪极根部厚度。计算结果为设计方案提供了合理性的参数。(3)分析基于有限体积法的计算流体动力学的基本思想,介绍了优缺点及其求解过程,根据此理论,提出汽车发电机内温度场数值模拟计算过程所需的控制方程、通用控制方程,描述了中心差分等离散格式、流场计算算法、离散方程组的求解方法等,为后续发电机温度场数字模拟奠定基础。(4)采用上述理论,以14V/500W发电机为例,建立3-D物理模型和数学模型,考虑到励磁绕组的铜耗、爪极的涡流影响,计算额定负载工况下的爪极、转轴等温度场的分布。(5)再以14V/500W发电机为例,建立3-D物理模型和数学模型,计及定子各向异性、定子铁芯与绕组耦合条件,并考虑到励磁绕组的铜耗、定子铁损耗、涡流场的影响,铁芯及绕组等体积处理,计算额定负载工况下的定子温度场的分布;(6)通过对整个14V/500W (JFWB15C3-B型)发电机的网格剖分,计算出额定负载工况下的整机的三维温度场,各关键零部件的温度分布与实测的结果比对,验证了所建的物理模型和数学模型的正确性。在理论分析、计算结果的指导下,对几种优化的汽车发电机进行了产业化工作。论文最后阐述了汽车发电机的发展趋势。