皮帶式啟動馬達發電機設計分析及雛型開發

摘要：本研究針對傳統12V以及未來發展主流之48V車用電氣系統進行比較與探討，爾後完成了一皮帶式啟動馬達發電機的雛型開發過程，此發電機適用於48V車用電氣系統。整個設計開發的流程中包含電機電氣性能的設計、有限元素分析、殼體與散熱機構設計、出圖以及發包試作，並於動力計進行性能測試完成設計驗證與回饋。

Abstract: This study compares and discusses the traditional 12V vehicle electric system and the future 48V system, and the completed prototype development process of a belt-driven starter generator (BSG) which is designed for vehicle electric system. The design and development process includes: electrical performance design, finite element analysis, cooling casing design and manufacture. Finally, BSG performance is tested on dynamometer for design feedback and verification.

關鍵詞：車用電氣系統、皮帶式啟動馬達發電機、有限元素分析

Keywords：Vehicle Electric System, Belt-Driven Starter Generator, Finite Element Analysis

前言
汽車工業乃是國民經濟展的支柱產業，其中汽車發電機的發展經由早期的直流發電機，而後演變至交流有刷發電機，再逐漸轉變為交流無刷式發電機。

皮帶式啟動馬達發電機（belt-driven starter generator, BSG），是一種將傳統純汽油車的發電機取代的系統，藉由皮帶連結可實現煞車回充（regenerative braking）、動力輔助（power-assist）及怠速熄火（start stop）功能，目的為改善引擎油耗、提升低速駕駛反應。BSG之起動扭矩、輔助動力、最高轉速都需滿足引擎端需之需求。BSG之冷卻方式可採用氣冷、引擎水路或引擎油路方式冷卻，確保BSG作動正常，且無過熱狀況發生。

車用皮帶式發電機相關研究
早期車用電力系統是舊式的6V系統，80年代時轉換至12V系統，發電量僅供收音機、冷暖氣鼓風機、頭燈…等小容量設備。近幾年來隨著科技的進步，高級轎車逐漸普及，車上也裝置了更多的高負載電器像是高級音響、液晶電視、電動輔助轉向等，使得車上電氣負載使用量大幅提高。

傳統12 V車用皮帶式發電系統
傳統車輛12 V系統所採用的發電機大部分為爪極式（claw-pole）同步發電機，其轉子結構如圖1。爪極式同步電機的優點為控制簡單且成本較低，其定子繞組與場繞組上的功率損失較高（見圖2），導致發電機的效率較低，較高之效率區大約只有70%左右，但因控制簡單且成本較為低廉，爪極發電機仍是目前最常見的車用電機[3]。