汽车发电机工作原理

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交流发电机的结构
一、6管交流发电机的结构

　　交流发电机一般由转子、定子、整流器、端盖四部分组成。
　　JF132型交流发电机组件图见图2-5a
　　
　　
　　JF132型交流发电机结构图见图2-5b

　　JF132型交流发电机结构图见图2-5c
　　


　　（一）转子

　　转子的功用是产生旋转磁场。
　　转子由爪极、磁轭、磁场绕组、集电环、转子轴组成，见图2-6。


　　转子轴上压装着两块爪极，两块爪极各有六个鸟嘴形磁极,爪极空腔内装有磁场绕组 (转子线圈)和磁轭。
　　集电环由两个彼此绝缘的铜环组成，集电环压装在转子轴上并与轴绝缘，两个集电环分别与磁场绕组的两端相连。

　　当两集电环通入直流电时（通过电刷），磁场绕组中就有电流通过，并产生轴向磁通，使爪极一块被磁化为N极，另一块被磁化为S极，从而形成六对相互交错的磁极。当转子转动时，就形成了旋转的磁场。
　　交流发电机的磁路为：磁轭→N极→转子与定子之间的气隙→定子→定子与转子间的气隙→S极→磁轭。见图2-7。


　　（二）定子

　　定子的功用是产生交流电。
　　定子由定子铁心和定子绕组成。见图2-8A


　　定子铁心由内圈带槽的硅钢片叠成，定子绕组的导线就嵌放在铁心的槽中。
　　定子绕组有三相，三相绕组采用星形接法或三角形（大功率）接法，都能产生三相交流电。
　　三相绕组的必须按一定要求绕制,才能使之获得频率相同、幅值相等、相位互差120°的三相电动势。
　　1． 每个线圈的两个有效边之间的距离应和一个磁极占据的空间距离相等。
　　2． 每相绕组相邻线圈始边之间的距离应和一对磁极占据的距离相等或成倍数。
　　3． 三相绕组的始边应相互间隔2π+120o电角度（一对磁极占有的空间为360o电角度）
　　例：国产JF13系列交流发电机三相绕组绕制见图2-8B


　　结构参数如下： 磁极对数p 6对
　　定子槽数z 36槽
　　定子绕组相数m 3相
　　每个线圈匝数N 13匝
　　绕组联结方法 Y型联结
　　在国产JF13系列交流发电机中，一对磁极占6个槽的空间位置（每槽60o电角度），一个磁极占3个槽的空间位置，所以每个线圈两条有效边的位置间隔是3个槽，每相绕组相邻线圈始边之间的距离6个槽，三相绕组的始边的相互间隔可以是2个槽，8个槽，　14个槽等。

　　（三）整流器

　　交流发电机整流器的作用是将定子绕组的三相交流电变为直流电，
　　6管交流发电机的整流器是由6只硅整流二极管组成三相全波桥式整流电路，6只整流管分别压装（或焊装）在两块板上。

　　1．汽车用硅整流二极管特点
　　（1）工作电流大，正向平均电流50A，浪涌电流600A；
　　（2）反向电压高，反向重复峰值电压270V，反向不重复峰值电压300V；
　　（3）只有一根引线见图2-9。并且有的二极管引线是正极，有的二极管引线是负极，引出线为正极的管子叫正极管，引出线为负极的管子叫负极管，所以说整流二极管有正二极管和负二极管之分。



　　2．整流管的安装
　　将正极管安装在一块铝制散热板上，称为正整流板；将负极管安装另一块铝制散热板上，称为负整流板，也可用发电机后盖代替负整流板。见图2-10。


　　在正整流板上有一个输出接线柱B（发电机的输出端）。
　　负整流板上直接搭铁。负整流板上一定和壳体相联接。
　　整流板的形状各异，有马蹄形、长方形、半圆形等见图2-11


　　（四）端盖

　　端盖一般分两部分（前端盖和后端盖），起固定转子、定子、整流器和电刷组件的作用。端盖一般用铝合金铸造，一是可有效的防止漏磁，二是铝合金散热性能好。
　　后端盖上装有电刷组件，有电刷、电刷架和电刷弹簧组成。电刷的作用是将电源通过集电环引入磁场绕组。见图2-12


　　磁场绕组（两只电刷）和发电机的联接不同，使发电机分为内搭铁型和外搭铁型两种
　　1．内搭铁型发电机：磁场绕组负电刷直接搭铁的发电机（和壳体直接相连）。见图2-13a
　　2．外搭铁型发电机：磁场绕组的两只电刷都和壳体绝缘的发电机。见图2-13b

　　外搭铁型发电机的磁场绕组负极（负电刷）接调节器，通过后再搭铁。
　
二、8管交流发电机
8管交流发电机（如夏利车用）和6管交流发电机的基本机构是相同的，所不同的是整流器有8只硅整流二极管，其中6只组成三相全波桥式整流电路，还有2只是中性点二极管，1只正极管接在中性点和正极之间，1只负极管接在中性点和负极之间。对中性点电压进行全波整流。（见图2-14）


　　试验表明：加装中性点二极管的交流发电机在结构不变的情况下可以提高发电机的功率10%～15%。
　　中性点二极管提高发电机功率的原理：
　　交流发电机中性点电压为三次谐波，，随着发电机转速的提高，中性点三次谐波电压也升高。见图2-15


　　当中性点电压瞬时值高于三相绕组的最高值时，中性点正极管导通对外输出电流；电流回路为：中性点→中性点正极管→负载→某一负极管→定子绕组→中性点。见动画2。
　　当中性点电压瞬时值低于三相绕组的最低值时，中性点负极管导通对外输出电流；电流回路：中性点→定子绕组→某一正极管→负载→中性点负极管→中性点。见动画2
由于中性点参与了对外输出，所以能提高输出功率。
三、9管交流发电机（日车应用较多）
　　9管交流发电机的基本结构和6管交流发电机相同，所不同的是整流器。9管交流发电机的整流器是由6只大功率整流二极管和3只小功率励磁二极管组成的交流发电机。
　　其中6只大功率整流二极管组成三相全波桥式整流电路，对外负载供电
　　3只小功率管二极管与三只大功率负极管也组成三相全波桥式整流电路专门为发电机磁场供电。所以称3只小功率管为励磁二极管。
　　9管交流发电机电路见图2-16


　　充电指示灯的作用在下一节有专门介绍
四、11管交流发电机（例如桑塔纳车用发电机）如图2-17


　　11管交流发电机的整流器由8只大功率整流二极管（其中2只中性点二极管）和3只磁场二极管组成。其它结构和6管交流发电机相同。
五、无刷交流发电机
　　由于没有电刷和集电环，所以不会因为电刷和集电环的磨损和接触不良造成激磁不稳定或发电机不发电等故障；同时工作时无火花，也减小了无线电干扰。
　　无刷交流发电机分为爪极式、激磁机式和永磁式三种。

　　（一）爪极式无刷交流发电机见图2-18


　　1．爪极式无刷交流发电机的结构及工作原理
　　爪极式无刷交流发电机磁场绕组是静止的，它通过一个磁轭托架固定在后端盖上,所以，不再需要电刷。
　　两个爪极中只有一个爪极直接固定在电机转子轴上，另一爪极则用非导磁联接环固定在前一爪极上。当转子旋转时，一个爪极就带动另一爪极一起在定子内转动, 当磁场绕组中有直流电通过时，爪极被磁化, ,就形成了旋转磁场。磁路如图2-18所示

　　2.优点
　　（1）结构简单、维护方便、工作可靠
　　（2）不存在电刷与集电环接触不良导致的发电不稳或不发电故障。

　　3.缺点
　　（1）爪极间连接工艺困难
　　（2）由于磁路中间隙加大，发电机相同输出功率下需加大励磁电流。

　（二）激磁机式无刷交流发电机见图2-19


　　 图2-19为德国波许公司生产的带有激磁机的无刷交流发电机。它实际上是在一台爪极式三相交流发电机的基础上增加了一部专为其激磁的小型硅整流交流发电机，称为激磁机（图中4、5、6），激磁机的磁场绕组固定，而三相绕组是转动的。当发电机转动时，在激磁机转子4的三相绕组中感应出三相交流电，在发电机内部经二极管整流后变为直流电，直接供给爪极式三相交流发电机的磁场绕组15激磁发电。
　　这种无刷发电机的优点是磁路中无附加气隙，因而漏磁少，输出功率大，但结构复杂。
　（三）永磁式无刷交流发电机

　　该种发电机与普通发电机不同的是转子部分——以永久磁铁作为转子磁极而产生旋转磁场，不仅去掉了电刷和滑环，而且不需要磁场绕组和爪极。结构简单可靠、使用寿命长。

　　转子常用的永磁材料有铁氧体、铬镍钴、稀土钴、钕铁硼等。

　　由于转子为永磁结构，所以产生的旋转磁场强度是不变的、不可调的，因此，不能采用普通交流发电机通过调节器控制磁场电流的办法来调节发电机的输出电压。为解决调压问题可采用电压调节器与三相半控桥式整流相配合的办法，使发电机输出电压不随转速大幅度变化而变化。

　　图2-20是永磁发电机电压控制原理图。3只共阳极硅二极管VD1、VD2、VD3与3只共阴极晶闸管VT1、VT2、VT3组成三相半控桥式整流电路。另外由硅整流二极管VD1～VD6组成三相全波整流电路，为晶闸管控制极提供触发电压，与电压调节器的一个触点相接，另一个触点则与晶闸管的控制极相连，电压调节器的线圈并接在三相半控桥的输出端，电压控制原理如下：



　　低速时触点K闭合，晶闸管控制极获得正向触发电压而导通，当转速达到一定值时，整流桥可向蓄电池和负载提供全波整流电压。当整流输出电压随转速升高而升高到超过额定电压时，触点K断开（因线圈吸力增大），晶闸管因失去正向触发电压而截止，因而整流输出电压下降。当整流电压降到一定值时，电压调节器线圈中电流减小吸力减小而使K闭合，3只晶闸管重新被触发导通，又使整流输出电压回升。如此反复，便可使输出电压控制在规定范围内。（触点式调节器目前已经由电子式或电脑控制的调节器所代替）

　　永磁式交流发电机优点如下：
　　1．体积小、轻、结构简单、维护方便，使用寿命长。如 750W的钛铁硼永磁发电机与350W普通交流发电机重量相当。转子上除轴承外无其他磨损件并开有通风孔，冷却散热好，因而寿命可提高两倍以上。
　　2．由于传动比大，即发动机转速低而发电机转速高，所以发动机低速时发电机充电性能好。
　　3．比功率大，可节约金属材料。
　　4．无激磁损耗，效率可提高10％以上。
　　5．在电压控制器中，由于只有控制极约10mA的电流通过触点，故可降低触点磨损，电压调节结构很简单。
　　6．由于永磁体的磁导率接近空气的磁导率，使电枢反应磁阻增大，因而感应电势的非正弦畸变减小，输出功率增大。
六、带泵交流发电机
　　带泵交流发电机的发电机与普通交流发电机完全一样，不同的是转子轴很长并伸出后端盖，利用外花键与真空泵的转于内花键相连接，驱动真空泵与发电机转子同步旋转，给汽车制动系中的真空筒抽真空，为制动系的真空增压器提供真空源，主要用于没有真空源的柴油机（汽油机可直接从进气歧管处取得真空。制动时因节气门几乎关闭而在进气歧管中形成高真空，而柴油机无节气门）。国产JFB2525型带泵交流发电机外形如图2-21所示。

七、汽车双整流发电机
　　 双整流发电机是一种最新型交流发电机，它大大改善了普通交流发电机低速充电性能和高速最大功率输出，又不增设比较复杂的控制电路，因此也没有增加充电系的故障率。
　　1． 结构原理
　　如图2-22所示。在普通交流发电机三相定于绕组基础上，增加绕组匝数并引出接线头，增加一套三相桥式整流器。低速时由原绕组和增绕组串联输出，而在较高转速时，仅由原三相绕组输出。工作中高低速供电电路的变换是自动的，没有增设任何机电控制装置，其工作原理分析如下：

　　在低速范围内，由于发电机转速低，三相绕组的串联输出，提高了发电机的输出电压，使发电机低速充电性能大大提高。在高速范围内，随着发电机转速的增大，串接的三相绕组的感抗增大，内压降增大，再加上电枢反应加强，使输出电压下降。这时原三相绕组A、B、C因内压降较小，产生的感应电流相对较大，确保高速下的功率输出。

　　2．双整流发电机的优点有；

　　（1）既降低了发电机的充电转速，又保证了高速大电流输出，提高了发电机的有效功率。双整流发电机比普通发电机最低充电转速降低了200－300r／min，在低速下发电机即可输出电流达10A；而额定电压及额定电流下的转速不大于2500r／min。
　　（2）结构简单，工作可靠，只在定子槽中增加绕组匝数，增加一套三相桥式整流。
八 感应子式交流发电机
　　感应子式交流发电机也是一种无电刷交流发电机，由定子、转子、整流器和机壳组成。它的转子是由齿轮状钢片铆成，其上有若于个沿圆周均匀分布的齿形凸极，而没有磁场绕组。磁场绕组和电枢绕组均安放在定子槽中，如图2-23所示。


　　当磁场绕组3通人直流电后，在定子铁心1中产生固定磁场（右上部、左下部为S极；左上部、右下部为N极）。由于转子4凸齿部分磁通容易通过，磁感应强度最大，从而形成磁极。但转子的每个凸齿是没有固定极性的，当它对着定子N极就是S极，对着S就是N极。

　　转子凸齿在不运动的磁场内旋转时，当凸齿对着定子凸齿时，磁通量最大，当转子槽对着走子凸齿时则磁通量最小。因此，转子旋转时，定子凸齿内产生脉动磁通，在定子绕组中感应出交变电动势。将电枢绕组以一定的方式连接起来，并经整流，便可得直流电。

　　感应子式交流发电机中电枢绕组交流电动势的频率恒等于Zn/60（Z为转子齿数，n为转子转速），与磁场绕组形成的磁极对数无关，这与同步交流机的本质不同。
　　感应子式无刷交流发电机机质量比功率较低。

李小路

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