汽车交流发电机的结构与功能

2023-08-27 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，汽车上一般采用三相同步交流发电机，它是利用硅二极管将其定子绕组中所感应的三相交流电整流为直流电的，因此也称为硅整流交流发电机。硅整流发电机低速时不能发电，因此不能及时向蓄电池供给电流。整流器的作用是将定子绕组产生的三相交流电转变成直流电输出，并阻止蓄电池的电流向发电机倒流。

发电机作为汽车运行中的主要电源，担负着向起动系统之外所有用电设备供电和向蓄电池充电的任务。目前，汽车上一般采用三相同步交流发电机，它是利用硅二极管将其定子绕组中所感应的三相交流电整流为直流电的，因此也称为硅整流交流发电机。

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1-7　交流发电机的发电原理

1.交流发电机的工作原理

交流发电机由定子、转子及整流器等组成。发电机三相定子绕组按一定规律分布在发电机的定子槽中，彼此相差120°；转子是产生旋转磁场的部件。发电机发电的工作原理如图1-9所示。

当转子旋转时，磁场交替地在定子铁芯中间穿过，形成一个旋转的磁场，它与固定不动的三相定子绕组之间产生相对运动，在三相定子绕组中产生了三相交流电动势，各电动势的频率相同、幅值相等、相位角相差120°。转子磁极呈马嘴形，可使三相定子绕组感应的电动势近似于正弦曲线的形状，如图1-10所示。

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图1-9　发电机发电的工作原理

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图1-10　发电机输出电压波形

2.交流发电机的整流原理

交流发电机定子的三相绕组中感应产生的是交流电，而汽车上使用的是直流电。将交流电变为直流电是通过6 只二极管组成的三相桥式整流电路完成的，如图1-11所示。

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图1-11　三相桥式整流电路及电压波形

二极管具有单向导电性，当给二极管加上正向电压时，二极管导通；当给二极管加上反向电压时，二极管截止。在三相桥式整流电路中，VD1、VD3、VD5的负极连在一起，在某一瞬间，正极电位最高的二极管导通。同样，VD2、VD4、VD6的正极连在一起，在某一瞬间，负极电位最低的二极管导通。但同时导通的二极管总是两个，即正、负二极管各一个。

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1-8　交流电发电机整流原理

3.交流发电机的励磁方式

当硅二极管的正向电压小于其死区电压（约0.6 V）时，二极管呈现较大电阻而不能导通，加上硅整流发电机磁极尺寸小，保留的剩磁很弱，所以硅整流发电机在低速时，仅靠剩磁产生的电动势（小于0.6 V）不能使二极管导通，发电机也就不能自励（即励磁电流由发电机自己供给）发电。

硅整流发电机低速时不能发电，因此不能及时向蓄电池供给电流。为了克服这一缺点，在发电机低速运转、电压低于蓄电池电压时，采用他励方式，由蓄电池提供励磁电流。此时，发电机具有较强的磁场，输出电压迅速提高，从而实现低速便可向蓄电池充电的要求。

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图1-12　硅整流发电机的励磁电路

图1-12所示为硅整流发电机的励磁电路。当点火开关S 接通时，蓄电池通过调节器向发电机励磁绕组提供励磁电流，发电机他励发电，输出电压随发电机转速升高而升高。当发电机输出电压略高于蓄电池电压时，发电机向蓄电池充电，同时励磁电流由发电机自己提供，发电机由他励发电转为自励发电。

4.交流发电机的结构

普通交流发电机一般由转子、定子、整流器、前后端盖、风扇和带轮等组成。图1-13所示为JF132 型6 管普通交流发电机解体图。

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图1-13　JF132 型6 管普通交流发电机解体图

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

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1-9　汽车发电机整件认识

（1）转子。

转子的功用是产生磁场。它主要由爪极、磁轭、励磁绕组、滑环、转子轴等组成，如图1-14和图1-15所示。

转子轴上压装着两块爪极，爪极被加工成鸟嘴形状，爪极空腔内装有励磁绕组和磁轭。

滑环由两个彼此绝缘的铜环组成，压装在转子轴上并与轴绝缘，两个滑环分别与励磁绕组的两端相连。两个电刷装在与端盖绝缘的电刷架内，通过弹簧力使其与滑环保持接触。

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图1-14　交流发电机的转子总成

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图1-15　交流发电机的转子总成分解图

1—滑环；2—转子轴；3—爪极；4—磁轭；5—励磁绕组

发电机工作时，两电刷与直流电源连通，通过两滑环为励磁绕组通入直流电，励磁绕组中有电流通过即产生轴向磁通，使爪极中一块被磁化为N 极，另一块被磁化为S 极，从而形成6 对（或8 对）相互交错的磁极。当转子转动时，就形成了旋转的磁场。

（2）定子。

定子的功用是产生和输出交流电。它安装在转子的外面，与发电机的前后端盖固定在一起，当转子在其内部转动时，引起定子绕组中的磁通变化，定子绕组中就产生交变的感应电动势。

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1-10　定子绕组连接

定子由定子铁芯和定子绕组（线圈）组成，如图1-16所示。

定子铁芯由内圈带槽、互相绝缘的硅钢片叠成。

定子绕组有三组线圈，它们对称地嵌放在定子铁芯的槽中。三相绕组的连接有星形接法和三角形接法两种，如图1-16（a）和图1-16（b）所示。一般硅整流发电机均采用星形连接，即每相绕组的首端分别与整流器的硅二极管相接；每相绕组的尾端接在一起，形成中性点（N）。

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图1-16　交流发电机定子总成及连接方式

（a）定子绕组星形连接；（b）定子绕组三角形连接

（3）整流器。

整流器的作用是将定子绕组产生的三相交流电转变成直流电输出，并阻止蓄电池的电流向发电机倒流。整流器由整流板和整流二极管组成，如图1-17所示。整流二极管分为正极管和负极管两种，引出电极为正极的称为正极管，引出电极为负极的称为负极管。

整流二极管分别压装（或焊装）在相互绝缘的两块板上，3 只正极管安装在其中的一块板上，称为正极板（带有输出端螺栓）；3 只负极管安装在另一块板上，称为负极板。负极板和发电机外壳直接相连（搭铁），也可以将发电机的后盖直接作为负极板。

（4）端盖及电刷组件。

端盖分两部分，即前端盖和后端盖，起支撑转子、定子、整流器和电刷组件的作用。一般用非导磁性材料铝合金铸造，一是可有效地防止漏磁，二是散热性能好。汽车上使用的发电机的前、后端盖上通常设有通风口。当传动带轮和风扇一起旋转时，空气高速流经发电机内部进行冷却。后端盖上装有电刷组件。

电刷组件由电刷、电刷架和电刷弹簧组成，如图1-18所示。

电刷的作用是将电源通过滑环引入励磁绕组，如图1-19所示。两个电刷分别装在电刷架的孔内，借助弹簧压力与滑环保持接触。

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图1-17　交流发电机整流二极管安装示意图

（a）焊接式；（b）电路图；（c）压装式
1—正整流板；2—负整流板

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图1-18　电刷组件

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图1-19　电刷与滑环原理

根据电刷和外电路的连接形式不同，发电机分为内搭铁型和外搭铁型两种，如图1-20所示。

①内搭铁型交流发电机：励磁绕组的一端经搭铁电刷（E）引出后与后端盖直接相连（直接搭铁）的发电机，如图1-20（a）所示。

②外搭铁型交流发电机：励磁绕组的两端（F1 和F2）均与端盖绝缘的发电机，如图1-20（b）所示。

（5）传动带轮及风扇。

交流发电机的前端装有带轮和风扇，由发动机通过传动带驱动发电机的转子轴和风扇一起旋转。

带轮通常用铸铁或铝合金制成，分单槽和双槽两种，利用半圆键装在风扇外侧的主轴上，再用弹簧垫片和螺母紧固。发动机工作时通过皮带带动带轮转动，并传给发电机。

发电机工作时，定子绕组和励磁绕组中都会有热量产生，若温度过高会烧坏导线的绝缘，导致发电机不能正常工作，因此为发电机进行散热是必需的。为了提高发电机的散热能力，在发电机中装有风扇。

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图1-20　交流发电机类型

（a）内搭铁型交流发电机；（b）外搭铁型交流发电机

风扇一般用1.5 mm 厚的钢板冲制或用铝合金压铸而成，并用半圆键装在前端盖外侧的转轴上。

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1-11　交流发电机的部件组成

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1-12　汽车电器交流发电机拆装（1）

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1-13　汽车电器交流发电机拆装（2）

5.交流发电机的类型

（1）按总体结构分类。

车用交流发电机按总体结构可分为：普通交流发电机、整体式交流发电机、带泵的交流发电机、无刷交流发电机和永磁交流发电机。

①普通交流发电机。

普通交流发电机既无特殊装置，也无特殊功能特点，使用时需要配装电压调节器。如东风EQ1090 型载货汽车选用的JF132 型交流发电机及解放CA1091 型载货汽车选用的JF1552A型交流发电机均属于普通交流发电机。

②整体式交流发电机。

整体式交流发电机是发电机和调节器制成一个整体的发电机，如一汽奥迪A4、桑塔纳LX 轿车选用的JFZ1813Z 型交流发电机。

③带泵的交流发电机。

带泵的交流发电机是发电机与汽车制动系统用真空助力泵安装在一起。发电机的转子轴伸出后端盖，轴上的外花键与真空泵转子的内花键相连接，驱动真空泵与发电机转子同步旋转，叶片与壳体间的容积发生变化，将空气从进气口吸入并从排气口送出，即可将汽车制动系统中的真空筒抽成真空，为制动系统的真空增压器提供真空源。真空泵主要用于没有真空源的柴油机。

④无刷交流发电机。

发电机的电刷和滑环相互运动，会造成两者之间的磨损和脏污，使电刷、滑环的尺寸减小，两者之间的接触不良，发电机的励磁电流将减小或不稳定，由此引起发电机发电量减少或不发电；两者之间会产生电火花，从而形成无线电干扰。

无刷式交流发电机取消了电刷，励磁电流得到稳定，发电机的故障率大大降低。

⑤永磁交流发电机。

永磁交流发电机与普通交流发电机的不同之处是转子部分以永磁铁产生旋转磁场，不仅去掉了滑环和电刷，而且不需要磁场绕组和爪极，结构简单，使用寿命长。

由于转子为永磁结构，产生的旋转磁场强度不变且是不可调的，因此，不能采用调节励磁电流的方式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配合的方法，使发电机输出电压不随转速大幅度变化而变化。

永磁交流发电机的优点是：体积小、质量轻、结构简单、维护方便、使用寿命长、冷却效果好、传动比大，发动机低速时发电机充电性能好，无励磁损耗，效率可提高10%以上。

（2）按整流器的二极管数量分类。

车用交流发电机的整流器分别设置有6 个二极管、8 个二极管、9 个二极管和11 个二极管。

①6 管交流发电机。

6 管交流发电机的6 个二极管用于组成桥式整流器，将发电机定子绕组产生的三相交流电转变成直流电，如JF132 型、JF1552A 型交流发电机。

②8 管交流发电机。

8 管交流发电机的整流器由8 个硅二极管组成。其中6 个硅二极管组成三相全波整流电路，另外2 个二极管接在发电机的中性点与“＋”（输出端）和“-”（搭铁）之间，如图1-21所示。

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图1-21　具有中性点二极管的整流电路

将中性点电压和三相绕组并联输出，实践证明这样可使发电机功率提高10%～15%。

交流发电机的中性点电压为发电机输出电压的一半，这是相对发电机输出电压的平均值而言的。实际上中性点电压的瞬时值是一个三次谐波，其波峰有时可能大于三相绕组的最高值，此时，中性点正极管VD7导通，其他三个正极管截止，由VD7 供给外电路高电压；同理，波谷也可能小于三相绕组的最低值，此时，中性点负极管VD8导通，参与对外输出，由此提高了发电机的对外输出能力，提高了发电机的输出功率。

③9 管交流发电机。

图1-22所示为日立公司生产的LR160-708 型整体式外搭铁型9 管交流发电机电路。该发电机除了有6 个硅二极管进行全波整流外，还有3 个功率较小的二极管，专门用来供给发电机励磁电流，所以又称励磁二极管。

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