汽车电气技术（3）,哈工大网络与电气智能化研究所 刘勇 2015（秋）,六、交流发电机构造、工作原理及特性汽车的用电设备主要靠发电机供电。同时，当蓄电池存电不足时，发电机又是蓄电池的充电电源。,1-抗干扰电容器,2-集成电路调节器与电刷组件总成,3-电刷端盖,4-整流器总成,5-转子总成,6-定子总成,7-驱动端盖,8-风扇,9-驱动带轮,11-带轮,1-后端盖,2-滑环,3-电刷,4-电刷弹簧,5-电刷架,6-磁场绕组,7-电枢绕组,8-电枢铁心,9-前端盖,10-风扇,1、交流发电机的构造汽车用普通交流发电机结构大同小异，基本结构都是由转子、定子、整流器和端盖四部分组成，整体式交流发电机的不同点是在基本结构的基础上增加了电压调节器，且都采用集成电路调节器。 （1）转子,1-滑环,2-转子轴,3-爪极,4-铁心与磁场绕组,汽车交流发电机的转子是发电机的磁极部分，其功用是产生磁场。转子由爪极、磁场绕组、铁心和滑环组成。两块爪极上制有6个鸟嘴形磁极，压装在转子轴上，爪极间的空腔内装有铁心，铁心压装在转子轴上，磁场绕组绕在铁心上。滑环由彼此绝缘的两个铜环组成，压装在转子轴的一端并与转子轴绝缘。磁场绕组的两端分别焊接在两个滑环上，两个滑环分别与发电机后端盖上的两个电刷相接触。当两个电刷与直流电源接通时，磁场绕组中便有电流流过并产生轴向磁场，被磁化的爪极中一块为N极，另一块磁化为S极，于是就形成了4-8对相互交错的磁极。国产交流发电机大多是6对磁极。将转子爪极设计成鸟嘴形状是为了使磁场呈正弦分布，有利于电枢绕组产生的感应电动势有较好的正弦波形。,（2）定子定子是发电机的电枢部分，其功用是产生交流电。由定子铁心与对称的三相电枢定子绕组组成。定子铁心由相互绝缘的厚度0.5mm硅钢片叠成环状，环的内圆表面开有线槽，电枢三相绕组按一定规则对称嵌放在槽内。三相绕组的联结方法有Y联结联结两种。当采用Y联结时，三相绕组的3个末端U2、V2、W2联结在一起，称为中性点，3个始端U1、V1、W1作为交流发电机的输出端。当采用联结时，一相绕组的始端与另一相绕组末端联结，共有3个节点，即为交流发电机的输出端。为保证电枢三相绕组产生大小相等、相位差120电角度的对称电动势，三相绕组的绕制应遵循下列原则：每相绕组的线圈个数和每个线圈的匝数应完全相等。每个线圈的节距必须相同。三相绕组的始端在定子槽内的排列必须相隔120电角度。,交流发电机定子绕组展开图,Y联结,联结,（3）整流器交流发电机整流器的作用是将三相定子绕组产生的交流电变换为直流电。整流器一般由6个整流二极管和二极管的散热板组成。汽车交流发电机用整流二极管有正极管与负极管之分。一个普通交流发电机具有三只正极管和三只负极管。引出电极为二极管正极的称为正极管，其上标有红色标记；引出电极为二极管负极的称为负极管，其上标有绿色或黑色标记。安装整流二极管的铝质散热板称为整流板。安装三只正极管的整流板称为正整流板；安装三只负极管的整流板称为负整流板。有的交流发电机只有正整流板而没有负整流板，三只负极管直接压装在发电机的后端盖上，即后端盖相当于负整流板。由于不便维修，因此这种结构已被淘汰。,整流器总成的结构,硅二极管的外形及符号结构,a）正极管,b）负极管,二极管安装接线示意图,（4）端盖与电刷组件交流发电机的前、后端盖均用铝合金压铸而成，铝合金为非导磁材料，可减少漏磁。并具有质量轻、散热性能好等优点。在后端盖内装有电刷组件，电刷组件由电刷、电刷架和电刷弹簧组成。电刷用铜粉和石墨粉模压而成，电刷架用酚醛玻璃纤维塑料模压而成。电刷安装在电刷架的孔内，借弹簧张力使电刷与转子轴上的滑环保持良好接触。每个交流发电机有两只电刷，每只电刷都有一根引线直接引到发电机后端盖的接线端子上或后端盖上。电刷架有两种形式，一种是外装式，从发电机的外部拆下电刷弹簧盖板即可拆下电刷，拆装检修十分方便，因此，交流发电机普遍采用。另一种是内装式，需拆开发电机后才能拆下电刷，由于拆装不便已很少采用。,电刷组件,a）外装式,b）内装式,磁场绕组的一端经滑环和电刷，通过与发电机端盖绝缘的磁场接线柱（标“F”或“磁场”）相连接，另一端通过引线与发电机外壳相接，这种搭铁方式的发电机称为内搭铁型交流发电机；磁场绕组的两端经滑环和电刷，通过引线均与绝缘接线柱（标“F+”、“F-”或“F1”、“F2”）相连，经调节器搭铁的，称为外搭铁型交流发电机。大多数汽车均采用外搭铁型交流发电机。交流发电机前端盖之前装有带轮，由发动机通过风扇传动带驱动发电机轴旋转。一般在带轮后还装有叶片式风扇，用铝合金板或钢板冲压或焊接而成。当风扇与带轮一起转动时，通过前、后端盖上的通风口，空气便将内部热量带出，达到强制通风散热之目的，这称为外装式风扇。近年来，为提高发电机的效率、减小发电机的体积，又出现了内装式风扇，即风扇叶片直接设置在发电机转子上。,交流发电机的搭铁形式,a）内搭铁型交流发电机,b）外搭铁型交流发电机,2、交流发电机的型号,（1）产品代号 用字母表示，如JF、JFZ、JFB、JFW分别表示交流发电机、整体式交流发电机、带泵交流发电机和无刷交流发电机。,（2）电压等级代号和电流等级代号 分别用1位阿拉伯数字表示。,（3）设计序号 按产品设计先后顺序，用1-2位阿拉伯数字表示。 （4）变形代号 用字母表示，交流发电机用调整臂位置作为变形代号。从驱动端看，在中间不加标记，在右边时用Y表示，在左边时用Z表示。例1：JF153：表示电压等级为12V、电流等级为大于或等于50 -59A，第三次设计的普通交流发电机。例2：桑塔纳、奥迪100型轿车用JFZ1913Z型交流发电机，其电压等级为12V、电流等级为大于或等于90A、第13次设计，调整臂在左边的整体式交流发电机。,3、交流发电机的工作原理汽车用交流发电机是一个三相同步交流发电机，通过三相桥式整流电路将定子绕组所产生的交流感应电流变为直流电流输出，所以也称之为硅整流发电机。 （1）三相交变电动势的产生,交流发电机的工作原理,a）汽车交流发电机电路,b）感应电动势输出波形,交流发电机是根据电磁感应原理而产生三相交变电动势的。发电机的转子为磁极，磁极绕组通过电刷和滑环引入直流电而产生磁场；发电机的定子为电枢，三相电枢绕组按一定的规律分布在定子的槽中，彼此相差120电角度。当转子旋转时，产生一个旋转的磁场，使得相对静止的定子电枢绕组切割磁力线而产生感应电动势。由于转子磁极铁心制作成鸟嘴形特殊结构，可使定子绕组感应产生的交流电动势近似于正弦曲线波形，因此三相电枢绕组产生的感应电动势按正弦规律变化。三相绕组中交流电动势瞬时值的表达式为,交流发电机每相绕组中感应产生的电动势有效值为,式中 K绕组系数，采用整距集中绕组时，K=1；f感应电动势的频率(Hz)；N每相绕组的匝数（匝）；每极磁通(Wb)；Ce发电机结构常数。可以看出，定子绕组内感应电动势的大小与每相绕组串联线圈的匝数以及感应电动势的频率成正比，即定子绕组的匝数越多、转子的转速越高，绕组内感应产生的电动势也就越高。任意两个输出端之间的输出电压称为线电压，输出电流称为线电流，分别用UL、IL表示，每相绕组的相电压和相电流分别用U、I表示。,当定子绕组采用联结时,当定子绕组采用联结时,联结,联结,在交流发电机转速相同的条件下，相电压相同，Y联结比联结具有较高的输出电压；当输出线电压相同时，联结输出电流较大。因此，采用Y联结的交流发电机在发动机转速较低时（如怠速时）便可向蓄电池充电，而采用联结的交流发电机则需较高的发动机转速才能向蓄电池充电。所以，大多数车用交流发电机都采用Y联结，只有少数大功率交流发电机采用联结。 （2）整流原理三相桥式整流电路由6只硅二极管组成。其中，VD1, VD3、VD5的负极（壳体）压装在元件板或正整流板上，它们的正极分别接在三相定子绕组始端U、V、W，故称为正极管；另外三只二极管VD2、VD4、VD6的正极（壳体）压装在后端盖或负整流板上，负极则分别接在三相绕组始端U、V、W，故称为负极管。,三相桥式整流电路及电压波形,a）整流电路,b）绕组电压波形,c）整流电压波形,二极管的导通原则正极管导通原则 因为三只正极管（VD1、VD3、VD5）的正极分别接在发电机三相绕组的始端(U、V、W)上，它们的负极又连接在一起，所以三只正极管的导通原则是：在某一瞬间，正极电位最高者导通，因为正极电位最高的二极管导通后，就使另两只二极管的负极电位高于正极而不能导通。负极管导通原则 因为三只负极管（VD2、VD4、VD6）的负极分别接在发电机三相绕组的始端，它们的正极又连接在一起，所以三只负极管的导通原则是：在某一瞬间，负极电位最低者导通，因为该二极管导通后，就使另两只二极管的正极电位低于负极而不能导通。,整流过程在t1-t2时间间隔内，U相电位最高，V相电位最低，所以二极管VD1、VD4获得正向电压而导通，电流从U相出发，经二极管VD1、负载电阻RL、二极管VD4回到V相构成回路。因为二极管的内阻很小，所以U、V两相之间的线电压都加在负载电阻RL上。在t2-t3时间间隔内，U相电位最高，而W相电位变为最低，所以二极管VD1、VD6获得正向电压而导通。U、W两相之间的线电压加在负载电阻RL上。以此类推，六只二极管在一个周期内，以六种不同组合两两导通依次循环，周而复始，使负载电阻两端得到一个比较平稳的直流脉动电压U。,可以计算得到发电机输出直流电压的平均值为,式中 U输出直流电压平均值；UL定子绕组输出的线电压的有效值；U每相绕组的相电压的有效值。实际上，车用二极管正向导通时，管压降Ud约为0.2-0.6V，所以负载电压的实际值应在上述计算值中减去两个二极管的管压降。由上述分析可知，三相桥式整流电路中，每只二极管在交流电的一个周期内，只有1/3时间处于导通状态，所以每只二极管的平均电流Id只为负载电流的1/3，即,设每只二极管所承受的最高反向电压为UDRM，其值应为线电压UL的最大值，即,交流发电机直接与用电设备相连时，在用电设备接通、切断或负荷变动中，均可产生较高的自感电势，这将直接作用在硅二极管上，所以选择二极管的允许反向电压时，为了有一定的安全系数，往往高于UDRM计算值的十几倍到几十倍。国产交流发电机配用的ZQ型二极管，其最高反向工作电压为300V。当采用Y联结时，三相绕组三个末端的公共接点，称为中性点，接线端子标记为“N”。中性点对发电机外壳（即搭铁）之间的电压UN，称为中性点电压，中性点电压的平均值等于交流发电机输出直流电压U的一半。,具有中性点接线端子的交流发电机电路,中性点电压，通常用于控制各种用途的继电器，如磁场继电器、充电指示继电器等。还利用中性点的输出来提高发电机的输出功率。在Y联结的交流发电机上，在中性点与输出接线柱之间增加两个二极管，称为中性点二极管。在发电机高速运转（2000r/min以上）情况下，可以提高交流发电机的输出功率10% -15%。,4、交流发电机的特性 （1）输出特性交流发电机的特性中以输出特性最为重要。交流发电机的输出特性又称负载特性或输出电流特性。它是指发电机向负载供电时，保持发电机输出电压恒定（对12V的发电机规定为14V，对24V的发电机规定为28V)，即Ut=C时，输出电流I与转速n之间的关系。,JFZ1913Z型交流 发电机的输出特性,由输出特性曲线I= f（n）可以看出：当发电机转速过低时，其端电压低于额定电压，此时发电机不能向外供电；当转速达到空载转速n1时，电压达到额定值；当转速高于空载转速n1时，发电机才有能力向外供电。因此，空载转速n1常作为选择发电机与发动机速比的主要依据。当转速nn1时，发电机输出电流I的变化规律是随转速n升高而逐渐增大；当转速n=n2时，发电机输出额定功率（额定电流IN与额定电压之积），故将转速n2称为满载转速。空载转速和满载转速是交流发电机的主要性能指标，在使用过程中应定期检测这两个参数，与规定值相比较，即可判断发电机的性能是否正常。,