汽车电气设备(第2版)_第3章_交流发电机_凌永成_电子课

汽车电气设备沈阳大学凌永成行车记录仪配套教材信息教材名称：汽车电气设备（第2版）教材主编：凌永成教材定价：38RMB出版社：北京大学出版社出版时间/版次：2010年3月第2版国际标准书号（ISBN）：978-7-301-16916-2教材所属系列：21世纪全国高等院校汽车类创新型应用人才培养规划教材第3章交流发电机汽车用发电机有直流发电机（DCgenerator）和交流发电机（ACgenerator）两大类，目前大多采用交流发电机。交流发电机（alternator）与蓄电池协同工作，共同构成汽车电源系统。交流发电机与电压调节器配合工作，其主要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。交流发电机主要由三相同步交流发电机和二极管整流器组成，一般称为硅整流交流发电机，亦简称交流发电机。3.1交流发电机的构造与工作原理3.1.1汽车用交流发电机的分类1.按总体结构分1）普通交流发电机普通交流发电机（图3-1）的应用最为普遍，如东风EQ1090型载货汽车用JF132型交流发电机，解放CA1091型载货汽车用JF1522A型交流发电机等。图3-1普通交流发电机图3-1普通交流发电机2）整体式交流发电机整体式交流发电机(integratealternator)是内装电压调节器的交流发电机，如一汽奥迪、上海桑塔纳等轿车用JFZ1813Z型交流发电机。图3-2整体式交流发电机（匹配KIAPRIDE）图3-3整体式交流发电机（匹配杭发潍柴斯太尔）3）带泵交流发电机带泵交流发电机是带有真空泵的交流发电机，如JFWBZ27型交流发电机等。龙口中宇JFWBZ27带泵交流发电机带泵交流发电机4）无刷交流发电机无刷交流发电机（brush-lessalternator）是无电刷、滑环结构的交流发电机。如福建仙游电机厂生产的JFW14X型交流发电机和山东龙口中宇电机厂生产的JFWBZ27交流发电机。山东龙口中宇电机厂生产的JFWBZ27交流发电机5）永磁交流发电机永磁交流发电机（permanent-magnetalternator）是转子磁极采用永磁材料的交流发电机。图3-6YJFW168永磁交流发电机图3-7添锦牌汽车永磁发电机2.按磁场绕组搭铁方式分1）内搭铁式交流发电机内搭铁（internalearth）式交流发电机磁场绕组的一端与发电机壳相连接，如东风EQ1090车用的JF132型交流发电机。2）外搭铁式交流电发机外搭铁（externalearth）式交流电发机磁场绕组的一端经电压调节器后搭铁，如解放CA1091型车用的JF152D、JF1522A型交流发电机。3.按装用的二极管数量分1）六管交流发电机六管交流发电机的整流器由六只硅二极管组成，这种型式应用最为广泛，如东风EQ1090车用的JF132型、解放CA1091型车用JF1522A、JF152D型交流发电机等。2）八管交流发电机八管交流发电机是指具有两个中性点二极管（neutral-pointdiode）的交流发电机，其整流器总成共有八只二极管，如天津夏利TJ7100、TJ7100U微型轿车所用的JFZ1542型交流发电机。3）九管交流发电机九管交流发电机是指具有三个磁场二极管的交流发电机，其整流器总成共有九只二极管，如北京BJ1022型轻型车用的JFZ14L型交流发电机。4）十一管交流发电机十一管交流发电机是指具有中性点二极管和磁场二极管的交流发电机，其整流器总成共有十一只二极管，如奥迪、桑塔纳轿车用JFZ1813Z、JFZ1913Z型交流发电机。4.按冷却方式分1）风冷式发电机风冷式(air-cooled)发电机按通风方式不同可分为单风扇式和双风扇式。单风扇式是风扇安装在交流发电机的前端，风扇旋转产生的轴向空气流经发电机内部，对定子绕组进行冷却。而双风扇式交流发电机是在转子两端各装有一个风扇，产生的是轴向和径向的两个方向的空气流。2）水冷式发电机在高档轿车上，出于降低运行噪音和增强冷却效果的考虑，多采用新型水冷式(water-cooled)发电机。图3-8宝马车配装的水冷式交流发电机3.1.2交流发电机的构造图3-9国产JF系列交流发电机结构图1—电刷；2—弹簧；3—盖板；4—转子总成；5—定子总成；6—定位圈；7—前端盖；8—风扇；9—带轮；10—后端盖图3-10国产JF系列交流发电机解体图1—紧固螺母及弹簧垫圈；2—带轮；3—风扇；4—前轴承油封及护圈；5—组装螺栓；6—前端盖；7—前轴承；8—定子；9—转子；10—“+”（电枢）接柱；11—散热板；12—“—”（搭铁）接柱；13—电刷及压簧；14—电刷架外盖；15—电刷架；16—“F”（磁场）接柱；17—后轴承；18—转轴固定螺母及弹簧垫圈；19—后轴承纸垫及护盖；20—安装臂钢套；21—后端盖；22—后端盖轴承油封及护圈；23—散热板固定螺栓1.转子总成转子总成（rotorassembly）是交流发电机的磁场部分，作用是产生磁场。转子总成主要由两块低碳钢爪形磁极、磁轭、磁场绕组、转子轴和滑环等组成。图3-12交流发电机转子总成1—滑环；2—转子轴；3—磁爪；4—磁轭；5—磁场绕组2.定子总成定子总成（statorassembly）也称电枢，由定子铁心和定子绕组组成，作用是产生三相交变电动势。定子铁心一般由一组相互绝缘且内圆带有嵌线槽的环状硅钢片或低碳钢片叠成，图3-13定子总成实物照片定子槽内嵌有三相对称绕组。绕组是用高强度漆包线在专用模具上绕制的。为了在三相绕组中产生大小相等，频率相同，且相位相差120°的对称电动势，每相绕组的线圈个数及每个线圈的匝数都是完全相同的。三相绕组的连接方法可分为星形连接和三角形连接两种。星形连接是每相绕组的一根线头都接至公共接点，另外三根线头分叉成Y形。图3-14a定子绕组的连接方法（星形连接）所以，星形连接又称Y形连接。星形连接有低速发电性能好的优点，所以目前车用发电机多采用星形连接。三角形连接是三相绕组的首尾线头彼此相接，就像三角形，所以称为三角形连接。三角形连接的优点是发电机内部损失小，在高转速时能产生较大的输出电流，因而主要用在高转速时要求有高输出功率的交流发电机上，如神龙富康轿车等。三角形连接的缺点是低转速时输出电压较低。图3-14b定子绕组的连接方法（三角形连接）3.整流器整流器（rectifier）的作用是把交流发电机产生的三相交流电转变成直流电输出，整流器一般由六只整流二极管和散热板组成。交流发电机用的整流二极管分为正极二极管和负极二极管两种。正极二极管的中心引线为正极，外壳为负极，管壳底部一般有红字标记。图3-15整流器实物照片交流发电机用的整流二极管分为正极二极管和负极二极管两种。正极二极管的中心引线为正极，外壳为负极，管壳底部一般有红字标记。三只正极二极管的外壳压装或者焊接在铝合金散热板的三个孔中，共同组成发电机的正极。由固定散热板的螺栓通至外壳外（元件板与外壳绝缘），作为交流发电机的输出接线柱“B”接线柱（也有标“＋”或“电枢”字样的）。负极二极管的中心引线为负极，外壳为正极，管壳底部一般有黑字标记。三只负极二极管的外壳压装或焊接在另一散热板上（此板与后端盖相接），或者直接压装在后端盖的三个孔中，和发电机的外壳共同组成发电机的负极。（a）二极管安装示意图（b）散热板总成图3-16散热板二极管(压装型大功率二极管)的安装图3-17小功率二极管(励磁二极管及中性点二极管)二极管命名及其符号代表的含义如下：例如ZQ10表示为汽车用整流二极管，额定正向电流为10A。4.前、后端盖端盖（bearingbraket）的作用是支承转子总成并封闭内部构造。交流发电机的前、后端盖均用铝合金铸造而成，其上制有通风口，用以通风散热。前、后端盖上均装有滚珠轴承，用以支承转子总成。后端盖内装有电刷与电刷架，两只电刷装在电刷架中的导孔内，借助弹簧的弹力与滑环保持接触。（a）外装式电刷（b）内装式电刷图3-19电刷及电刷架两个电刷中与发电机外壳绝缘的称为绝缘电刷，其引线接到发电机后端盖外部的接线柱“F”上，成为发电机的磁场接柱。另一个电刷是搭铁的，称为搭铁电刷。搭铁电刷的搭铁方式有两种：引线用螺钉固定在后端盖上（标记为“－”）直接搭铁，即内搭铁；搭铁引线与发电机机壳绝缘，接到后端盖外部的绝缘接线柱上（标记为“F－”）通过调节器搭铁，即外搭铁。5.带轮及风扇（a）单面轴向通风（b）双向轴向进风、径向排风桑塔纳2000轿车的交流发电机图3-20发电机的通风3.1.3交流发电机的工作原理1.发电原理发电机的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°电角度，且匝数相等。三相绕组的末端连在一起，成星形连接。图3-21交流发电机的工作原理图因为定子绕组是由三相绕组组成的，因而在三相绕组中产生频率相同、幅值相等、相位互差120°的交流电动势。E＝CnΦ式中E——每相绕组中电动势的有效值，Ⅴ；C——发电机结构常数；n——发电机转速，r／min；Φ——磁极磁通，Wb。2.整流原理硅整流器是利用二极管的单向导电性，将交流电转变为直流电的。1）六管交流发电机整流电路（a）三相桥式整流电路（b）三相交流电的波形图3-22三相桥式整流电路及电压波形在三相桥式整流电路中，三只正极管和三只负极管都是轮流工作，所以流过每只二极管的平均电流Ip仅为负载电流If的三分之一。有些交流发电机带有中心抽头，它是从三相绕组的中性点引出来的，其接线柱标记为“N”。中性点对发电机外壳（搭铁）之间的电压称为中性点电压，其数值等于发电机输出电压的一半。中性点电压用途很广，常用来控制充电指示灯和各种用途的继电器，如控制空调继电器、磁场继电器等。2）八管交流发电机整流电路试验表明，在不改变交流发电机结构的情况下，在定子绕组的中性点处加装中性点二极管后，发电机输出功率与额定功率相比，可以提高10%～15%，并且转速越高输出功率增加越明显。图3-23八管交流发电机整流电路3）九管交流发电机整流电路在有些交流发电机中，除了有普通交流发电机用来整流的六只二极管外，又多装了三个功率较小的二极管，组成九管交流发电机。三个功率较小的二极管专门用来供给磁场电流，所以又叫磁场二极管。图3-24九管交流发电机充电系统电路4）十一管交流发电机整流电路图3-25十一管交流发电机整流和充电电路上海桑塔纳、一汽奥迪等汽车采用十一管交流发电机，不仅能增大输出功率，还可以用充电指示灯来指示发电机工作状况。3.励磁方式向交流发电机的磁场绕组供电使其产生磁场的过程，称为励磁（excitation，亦称激磁）。交流发电机磁场绕组的励磁方式有两种形式，一种是由蓄电池供电，称为他励（separatelyexcited，亦称他激）；另一种是由发电机自身所发电能供电，称为自励（self–excitation，亦称自激）。当发电机转速很低时，采用他励方式。由于转子磁极的剩磁很弱，在低转速下仅靠剩磁产生的电动势不能使二极管导通，发电机不能自励发电，此时必须由蓄电池供给发电机磁场绕组电流，使发电机具有较强的磁场，以使发电机的电动势迅速提高。当发电机的转速达到一定值后，发电机发电产生的电压达到或超过蓄电池电压，发电机开始向蓄电池充电，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。3.2.1交流发电机的工作特性3.2交流发电机的工作特性与型号1.输出特性交流发电机的输出特性（out-putcharacteristic）也称负载特性或输出电流特性。输出特性是指在发电机保持输出电压一定（即U=const）时，发电机的输出电流与转速之间的关系。一般对标称电压为12Ⅴ的硅整流发电机，其输出电压恒定在14V，对标称电压为24V的发电机，其输出电压恒定在28V。通过试验可以测得一条的输出特性曲线。图3-26交流发电机的输出特性由输出特性可以看出发电机在不同转速下的输出功率情况：（1）发电机只需在较低的空载转速时，就能达到额定输出电压值。表明交流发电机具有低速充电性能好的优点。空载转速值是选择发电机与发动机传动比的主要依据。1n