车用交流发电机的发电原理及整流过程

2023-08-26 理论教育版权反馈

【摘要】：交流发电机是汽车的主要电源，它与发电机调节器互相配合工作，任务是对除起动机以外的所有用电设备供电，并向蓄电池充电。汽车用交流发电机是随着半导体整流技术的出现而发展起来的，目前主要有硅整流交流发电机、感应子式交流发电机等几种，其中以硅整流交流发电机应用最为普遍，已基本取代了传统的直流发电机。

交流发电机是汽车的主要电源，它与发电机调节器互相配合工作，任务是对除起动机以外的所有用电设备供电，并向蓄电池充电。发电机有交流发电机和直流发电机两种。

很长时期以来，汽车上采用的是换向式直流发电机。汽车用交流发电机是随着半导体整流技术的出现而发展起来的，目前主要有硅整流交流发电机、感应子式交流发电机等几种，其中以硅整流交流发电机应用最为普遍，已基本取代了传统的直流发电机。

1.交流发电机的结构

汽车用交流发电机，多采用三相同步交流发电机，由6只二极管构成三相桥式全波整流器。各国生产的交流发电机都大同小异，主要由定子、转子、电刷、整流二极管、前后端盖、风扇及带轮等组成。有的还将调节器与发电机装在一起，如图4-1所示为JF132型交流发电机的结构示意图。

图4-1 JF132型交流发电机的结构示意图

1—后端盖 2—电刷架 3—电刷 4—电刷弹簧压盖 5—硅二极管 6—散热板 7—转子 8—定子总成 9—前端盖 10—风扇 11—带轮

（1）转子

交流发电机的转子是发电机的磁场部分，它主要由两块爪极、磁场绕组、集电环及轴等组成，如图4-2所示。

图4-2 交流发电机转子

1—集电环 2—转子轴 3—爪极 4—磁轭 5—磁场绕组

两块爪极被安装在转轴上，且内腔装有磁轭，其上绕有磁场绕组。绕组两端的引线分别焊在与轴绝缘的两个集电环上。两个电刷装在与端盖绝缘的电刷架内，通过弹簧力使其与集电环保持接触。

当发电机工作时，两电刷与直流电源连通，可为磁场绕组提供定向电流并产生轴向磁通。使两块爪极被分别磁化为N极和S极，从而形成犬牙交错的磁极对并沿圆周方向均匀分布。磁极对数为4～7对。

国产发电机大多采用6对磁极。爪极凸缘的外形像鸟嘴，这种形状可以使定子感应的交流电动势近似于正弦波形。转子每转一周，定子的每相电路上就能产生周波个数等于磁极对数的交流电动势。

（2）定子

定子是产生和输出交流电的部件，又叫电枢，由定子铁心和定子绕组组成。

定子铁心由相互绝缘的内圆带槽的环状硅钢片叠成。定子槽内置有三相对称绕组，三相绕组大多数采用形（星形）联结，也有用形联结的。

为使三相绕组中产生大小相等、相位差120°（电角度）的对称电动势，三相绕组的绕法应遵循以下原则。

1）每相绕组的线圈个数、每个线圈的匝数和每个线圈的节距都必须完全相等。

以JF11型发电机为例，磁极对数为6对，定子总槽数为36槽，每相绕组占有的槽数为36/3=12槽，并且采用单层集中绕法，即每个槽内放置一个有效边（1个线圈2个有效边，分别放在2个定子槽内）。因此，每相绕组都由6个线圈串联而成，每个线圈有13匝，则每相绕组共有6×13匝=78匝。

每个线圈的两个有效边之间所间隔的定子槽数叫做线圈节距，相邻两异性磁极中心线之间的槽数称为极距。即

2）三相绕组的起端A、B、C（或末端X、Y、Z）在定子槽内的排列，必须相隔120°电角度。

转子旋转时，磁极的磁场不断和定子中的导体作相对运动，在定子绕组中产生交流电动势。每转过一对磁极，定子导体中的感应电动势就变化一个周期，即360°电角度。每个磁极在定子圆周上占有槽数为36/12=3槽，即180°电角度，所以2个相邻的槽的中分线之间为180°/3=60°电角度。为了使三相绕组各个起端之间相隔120°电角度，即线圈的节距为3，各起端之间的距离则应为2+3n个槽（n=0，1，2，3，…），即2，5，8，11，一个槽均可。如图4-3所示为三相绕组展开图。

图4-3 JF11型交流发电机定子绕组展开图

A、B、C三个首端依次放入1，9，17三个槽内，而末端X、Y、Z则相应地放入34，6，14三个槽内，这时三相绕组之间的电位差为120°电角度。

（3）整流器

交流发电机的整流器大多由6只硅二极管组成。近年来又生产了9管发电机，增加了3个小功率的磁场二极管。如图4-4所示，外壳为正极、中心引线为负极的二极管，称为负极管，管壳底上注有黑色标记；外壳为负极、中心引线为正极的二极管，称为正极管，管壳底上有红色标记。

图4-4 整流板及二极管的安装

a）二极管的安装示意图 b）整流板总成

安装二极管的散热板称为整流板（也称元件板），通常用合金制成，以利散热。现代汽车用交流发电机都有两块整流板，安装三只正极管的整流板（装在外侧）称为正整流板，安装三只负极管的整流板（装在内侧）称为负整流板，两块板绝缘地安装在一起，它与后端盖用尼龙或其他绝缘材料制成的垫片隔开且固定在后端盖上。

安装在正整流板上并与之绝缘的三个接线柱分别固定正、负极管子的引线和来自三相绕组某一相的端头。与正整流板连接在一起的螺栓引至后端盖外部作为发电机的电源输出端，并标记为“B”（“+”、“A”或“电枢”）。

（4）端盖与电刷总成

端盖包括驱动端盖、整流端盖以及安装在其上的轴承、轴承盖等零部件。端盖由铝合金制成。因为铝合金为非导磁材料，可减少漏磁并具有轻便、散热性能良好等优点。为了提高轴承孔的机械强度，增加其耐磨性，在有的发电机端盖的轴承座内镶有钢套。

后端盖装有电刷架。两个电刷分别装在电刷架的孔内，借弹簧压力与集电环保持接触。目前国产交流发电机的电刷架有两种结构形式：一种电刷架可直接从发电机外部进行拆装，见图4-5a；另一种则不能直接在发电机外部进行拆装，见图4-5b，若需要更换电刷，必须将发电机拆开。

图4-5 电刷架的结构

a）能从外部拆装 b）不能从外拆装

交流发电机有内、外搭铁之分，如图4-6所示，故电刷引线的接法也有所不同。

图4-6 交流发电机的搭铁形式

a）内搭铁交流发电机 b）外搭铁交流发电机

对于内搭铁的交流发电机，磁场绕组直接通过交流发电机的外壳搭铁，故其中一根引线接至后端盖上的磁场接线柱“F”（或“磁场”），另一根则直接与发电机外壳上的搭铁接线柱“-”（或“搭铁”）连接。

外搭铁交流发电机的磁场绕组必须通过电压调节器后（交流发电机的外部）再搭铁，故电刷引线必须分别与发电机后端盖“F+”（或“F1”）和“F-”（或“F2”）接线柱相连。

发电机前端装有带轮，由发动机通过皮带带动。在带轮后面装有风扇，靠风扇的离心作用，给发电机强制通风。前后端盖用3～4个螺栓与定子紧固在一起。

2.交流发电机的工作原理

以线圈形式的导体在磁场中转动时，将产生较大的电动势，从而形成电压和电流。发电机就是根据这个原理，在磁场中转动线圈来产生电能。

当磁铁在线圈中旋转时，将在线圈中产生电动势。这样产生的电流为大小和方向都不断变化的交流电流。线圈中产生的电流和磁铁位置的关系如图4-7所示。

图4-7 三相交流电产生过程

a）三组绕组分布间隔120° b）线圈中产生的电流和磁铁位置 c）三相交流电正弦波形 d）单相交流电正弦波形

最大电流产生在磁铁的S极和N极最靠近线圈时。电流方向随磁铁转动半圈而变化一次。以这种方式形成的正弦波形电流，称为“单相交流电”。图中每360°为一循环。

为了发出足够的电力，一般汽车交流发电机均采用图4-7所示的三相线圈排列。每组线圈A、B、C彼此相隔120°。当磁铁在它们中间旋转时，便在每个线圈中产生交流电流。为了从线圈产生的电动势中引出电流，要使用三个导线，将线圈连接起来。一般有两种连接法，如图4-8所示。

（1）三角形（）联结

采用三角形联结时，三组线圈头尾相接，如图4-8a所示。这种接法使高速时发电量大，低速时发电量小。由于汽车发电机必须在低速下也能保证发出足够的电，所以三角形联结很少使用。（2）星形（）联结

采用这种联结时，只是将三组线圈尾部相接，如图4-8b所示。由于星形联结即使在低速下也能发出足够的电来，所以广泛地用在汽车交流发电机上。

图4-8 交流发电机定子线圈的两种联结

3.整流原理与过程

汽车的电器在工作时需要直流电，蓄电池充电时也要使用直流电。交流发电机发出三相交流电流，若不变成直流电，则汽车的充电系统就不能应用。将交流电变成直流电的过程称作整流。

整流的方法有许多种，但有汽车交流发电机所使用的是一种即简单又有效的二极管整流法。二极管只允许电流按一个方向流动。如图4-9所示，使用了6个二极管，三相交流电流经全波整流变成了直流电流。

图4-9 整流过程

a）整流电流 b）过程

（1）正极管的导通原则

由于三只正极管（VD₁、VD₃、VD₅）的正极分别接在发电机三相绕组的始端（A、B、C）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。

（2）负极管的导通原则

由于三只负极管（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。接着，从每个线圈流到二极管的电流在三个导线处不断改变方向。但是从二极管出来的电流方向将固定不变。从而形成正（+）极和负（-）极。

4.发电机的励磁方式

交流发电机开始发电时，需由蓄电池供给励磁电流。当发电机电压达到蓄电池电压时，即由发电机自己供给励磁电流，也就是由他励转变为自励。其励磁电路如图4-10所示。

图4-10 励磁电路示意图

由于交流发电机转子的爪极剩磁较弱，所以发电机在低速运转时，加在硅二极管上的正向电压也很小。此时二极管的正向电阻较大，较弱的剩磁产生的很小的电动势很难克服二极管的正向电阻，使发电机电压迅速建立起来。这样，发电机低速充电的要求就不能满足。

因此，汽车上发电机必须与蓄电池并联，开始由蓄电池向励磁绕组供电，使发电机电压很快建立起来并转变为自励状态，蓄电池被充电的机会就多一些，有利于蓄电池的使用。

5.国产发动机型号识别

根据中华人民共和国汽车行业标准QC/T73——1993《汽车电气设备产品型号编制方法》的规定，汽车交流发电机的型号组成如下：

1：产品代号

交流发电机的产品代号有JF、JFZ、JFB和JFW共4种，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（字母J、F、Z、B和W分别为交、发、整、泵和无刷的汉语拼音第一个大写字母）。

2和3：电压等级代号和电流等级代号

电压等级代号和电流等级代号分别见表4-1、表4-2。

表4-1 电压等级代号

表4-2 电流等级代号

4：设计序号

按产品设计先后顺序，由1～2位阿拉伯数字组成。

5：变形代号

交流发电机以调整臂位置作为变形代号。从驱动端看，在中间不加标记；在右边用Y表示；在左边用Z表示。

例如：JFZ1913Z（奥迪、桑塔纳汽车用）。

车用交流发电机的发电原理及整流过程

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