汽车发电机与起动机工作原理

汽车发电机/起动机的工作原理学习目标1．了解发电机的基本工作原理2．掌握汽车交流发电机的构造和工作原理3．掌握汽车交流发电机的型号命名方法4．了解汽车交流发电机的工作特性学习要求应知：汽车交流发电机的基本工作原理，工作特性应会：汽车交流发电机的拆解，各结构部件的辨识。掌握汽车交流发电机型号含义。第一节交流发电机一、发电机的基本工作原理1．电磁感应定律如果在导线和磁场之间存在相对运动，导线中就会产生电流，这种现象称为电磁感应。产生的电流数值受以下因素影响：(1)导线和磁场运动的相对速度。(2)磁场的强度。(3)穿过磁场的导线数量。操作：如图4-1所示，将多股导线穿过U形磁铁中心(磁场最强的地方)，手持磁铁在导线附近快速移动，观察微安表的指针摆动情况。当指针摆动不明显时，可增加导线股数或加快磁铁移动速度。提示：当导线垂直切割磁感线运动时，产生的电流最大；当导线平行于磁感线运动时，不产生电流。2．发电机基本工作原理利用电磁感应现象，就可以制成发电机。图4—2说明了发电机的基本工作原理。如图4-2所示，发电机一般由提供磁场的转子和由导线组成的定子组成。转子(磁场)在定子(导线)中的不断转动，使得磁场与导线相对运动，产生电流。由于磁场与导线的位置不断变化，所以产生的电流也是不断变化的。工作原理如下：当磁场与导线平行时，导线没有切割磁感线，如图4—2(a)，导线内不产生电流。磁场顺时针旋转90。，磁场与导线呈直角，如图4—2(b)，磁场转到这一点，在N、S极处导线切割的磁感线最多，导线产生的电流为正的最大值。电流方向是从上部导线流出，下部导线流入。磁场再继续旋转90。，磁场反方向再次与导线平行，如图4—2(c)，导线不切割磁感线，导线内不产生电流。磁场再继续旋转90。，磁场方向上下颠倒，如图4—2(d)，在N、S极处导线切割的磁感线最多，导线产生的电流为负的最大值。电流方向是从上部导线流入，下部导线流出。磁场转完一圈，返回到与导线平行的位置，导线内电流为零。上述讨论的是几个极限位置，在这几个位置之间过渡时，导线中的电流数值是随着导线与磁场的相对角度连续变化的。这样磁场旋转一圈，导线内就产生了一个连续变化、具有几个特征值的正弦波形(如图4-3所示)。磁场旋转一圈，单匝导线上产生的正弦波为单相电流。如果在转子周围每相隔120。就布置一匝导线，磁场每旋转一圈，在三匝导线中就会产生三相电流。这样的发电机就称为三相交流发电机，汽车上的发电机都是三相交流发电机。二、汽车交流发电机的基本构造目前国内外生产的汽车交流发电机，其结构基本相同，多是由三相同步交流发电机和六只硅二极管构成的三相桥式全波整流器所组成。现在汽车上的交流发电机多以有刷交流发电机为主。如图4-4所示为桑塔纳轿车装用的JFZl813Z型交流发电机的结构图。JFZl813Z型交流发电机为带电压调节器的整体式交流发电机。它主要由转子、定子、前后端盖、风扇、整流器、元件板等组成。1．JFZl813Z型交流发电机各部件结构(1)转子转子的作用是产生磁场，转子由铁心、励磁绕组(又称磁场绕组)、爪极和滑环组成。爪极有两块，每块上有六个鸟嘴形磁极，两块爪极安装在转子轴上，爪极间的空腔内装有转子铁心和励磁绕组。励磁绕组绕在铁心上，铁心压装在两块之间的转子轴上。滑环由互相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。励磁绕组的两端分别从内侧爪极上的两个小孔中引出，其中一端焊接在滑环的内侧铜环上，另一端则穿过内侧铜环上的小孔并焊接在外侧铜环上，两个铜环分别与发电机的两个电刷接触。当两个电刷与直流电源接通时，励磁绕组中便有电流通过，并产生轴向磁通，使一块爪极磁化为N极，另一块爪极磁化为S极，从而形成六对相互交错的磁极。(2)定子定子的作用是产生感应电动势，它由定子铁心和定子绕组组成，结构如图4—5所示。定子铁心一般由相互绝缘且内圆带槽的环状硅钢片叠成，定子绕组为三相对称绕组，安装在定子铁心的槽内。三相绕组的连接方法采用星形联结，绕组引线端子共有4个。三相绕组各引一个，中性点引出一个。为了保证三相定子绕组能够产生频率和幅值相同、相位相差120。的三相交流电，定子绕组线圈的绕制和定子铁心槽中的嵌入应符合一定规律。交流发电机转子的磁极对数决定了三相定子绕组线圈的个数和定子铁心的槽数。转子上每对磁极必须对应均布于定子铁心槽中三相绕组的三个线圈以产生三相交流电。每个线圈有两个有效边(即嵌入定子槽中用以切割磁感线产生感应电动势的边)，分别嵌入定子铁心的两个槽中。由于车用发电机定子绕组均采用单层绕法，即一个定子槽中只放一个有效边，所以，三个线圈6个有效边共需6个槽。设转子磁极对数为P，则每相绕组共有P个线圈，2P个有效边，三相绕组有3P个线圈，3×2P个有效边，定子铁心的槽数为Z=3×2P式中，Z——定子铁心槽数P——磁极对数为使三相电动势大小相等，每相绕组的线圈个数和每个线圈的节距与匝数都应完全相等。每个线圈的两个有效边之间所间隔的距离称为线圈节距y1，通常用定子槽数表示。而相邻异性磁极中心线之间的距离称为极距y。，一般也用定子槽数表示，为yp=Z/2×P式中，Z——定子总槽数P——磁极对数为了获得最大感应电动势，每个线圈的两条有效边应置于相邻的异性磁极之下，以使其感应电动势能相互叠加，当线圈的节距等于极距时，便可满足上述要求，则y1=yp=Z/2×P此外，每组绕组的6个线圈在转子旋转的每一瞬时，其电气条件应完全相同，则在任何时刻，该相总电动势都等于串联的6个线圈电动势之和，只有这样才能获得最大电动势。由于6对磁极沿圆周对称均匀布置，所以，每相绕组的6个线圈只要沿定子圆周均匀对称布置即可。(3)整流器交流发电机整流器的作用是将发电机定子绕组产生的三相交流电变换为直流电，一般由6只硅整流二极管及其散热板所组成，如图4—6所示。整流二极管的工作电流大、反向电压高。交流发电机整流二极管有正极管和负极管之分，引出线为二极管正极的称为正极管，引出线为二极管负极的称为负极管。(4)盖和电刷总成交流发电机的前后端盖均由铝合金压铸或用砂模铸造而成，这是因为铝合金为非导磁性材料，可减少漏磁并具有轻便、散热性能良好的优点。为提高轴承孔的机械强度，增加其耐磨性，在发电机端盖的轴承孔内镶有钢套。电刷总成由两只电刷、电刷弹簧和电刷架组成，如图4-8所示。两只电刷装在电刷架的孔内，借电刷弹簧的压力与滑环保持接触，用于给发电机转子绕组提供磁场电流。电刷架由酚醛玻璃纤维塑料模压而成或用玻璃纤维增强尼龙制成，安装在发电机的后端盖上。目前国产交流发电机的电刷架有两种结构，一种电刷架可直接从发电机的外部拆装，因此，拆装维修方便；另一种则不能直接从发电机外部进行拆装，如需更换电刷，还需将发电机拆开，故这种结构将逐渐被淘汰。交流发电机有内搭铁和外搭铁之分，两只电刷引线的接法也不同。为了保证交流发电机在工作时不致因温升过高而损坏，在交流发电机转子轴上装有风扇；(用钢板冲制而成或铝合金压铸而成)，后端盖上有进风口，前端盖上有出风口，当转子轴旋转时，风扇也一起旋转使空气高速流经发电机内部对发电机进行强制冷却。操作：拆解JFZl813z型交流发电机，辨别各个组成部件，测量转子绕组和定子绕组。进一步认清汽车交流发电机的结构。2．交流发电机的型号根据JBl546-83《汽车电气产品型号编制方法》规定，国产汽车交流发电机型号主要由下列五大部分绢成，即第一部分为产品名称代号。交流发电机产品名称代号为JF；整体式交流发电机产品名称代号为JFZ；带泵交流发电机产品名称代号为JFB；无刷交流发电机产品名称代号为JFW。J表示“交”，F表示“发”，Z表示“整”，B表示“泵”，W表示“无”。第二部分为分类代号，即电压等级代号，用1位阿拉伯数字表示，见表4-1。第三部分为分组代号，即功率等级代号，用1位阿拉伯数字表示，见表4-2。第四部分为设计序号，按产品设计先后顺序，以1～2位阿拉伯数字表示。第五部分为变型代号，以汉语拼音大写字母A、B、C……表示。例如JFl52型发电机，表示标称电压为12V，额定功率为500W的交流发电机，第2次设计；JFWl82型发电机，表示标称电压为12V，额定功率为l000W的无刷交流发电机，第2次设计；JF27C型发电机，表示称电压为24V，额定功率为750W的交流发电机，第4次变型。三、汽车交流发电机的基本工作原理1．交流发电机的发电原理如图4-9所示是交流发电机的工作原理图。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，互相差120。电角度。交流发电机的磁路是由转子的N极出发，穿过转子与定子之间很小的气隙进入定子铁心，最后又经过空气隙回到相邻的S极，并通过磁轭构成了磁回路。转子磁极的形状，可使定子绕组感应的交流电动势近似于正弦曲线的波形。当转子旋转时，由于定子绕组与磁感线有相对的切割运动，所以在三相绕组中产生频率相同，幅值相等，相位互差120。电角度的正弦电动势eA、eB和eC。三相绕组中电动势的瞬时值方程式为式中，Em——每相电动势的最大值EФ——每相电动势的有效值ω——电角速度(ω=2πf)发电机每相绕组中所产生的电动势的有效值为EФ=4.44KFNФ式中，K——绕组系数(交流发电机采用整距集中绕组时K=1)F——感应电动势的频率(Hz)，F=Pn／60(P为磁极对数，n为转速以r/min为单位)N——每相绕组的匝数Ф——每极磁通(Wb)由公式可知，交流发电机定子绕组内感应电动势的大小与每相绕组串联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，转子转速越高，则绕组内感应电动势也越高。根据电工学原理，交流发电机在星形联结时，任意两个输出端的输出电压(称线电压U)、输出电流(称为线电流IL)与每相绕组的相电压UP、相电流IP，的关系为UL=up式中，UL——定子绕组输出的线电压UP——每相绕组的相电压IL=IP式中，IL——定子绕组输出的线电流IP——每相绕组的相电流在交流发电机中，一般通过整流器将交流电整流为直流电，供给汽车电气系统使用。关于整流原理将在本书第五章讲解，本节不做介绍。2．交流发电机的励磁方式励磁方式就是产生磁场的方式。当转子通过电流时，转子就会产生磁场，转子产生的磁场的大小与流过的电流有关，流过转子的电流被称为励磁电流。交流发电机开始发电时，需由蓄电池供给励磁电流，此时为他励。当发电机达到蓄电池电压时，即由发电机自己供给励磁电流，也就是由他励转变为自励。3．交流发电机的特性汽车用硅整流交流发电机的工作特点是传动比大，转速变化范围大。对于一般汽油发动机来说，其转速变化为1：8，柴油机为1：5。因此汽车用硅整流交流发电机的特性必须以转速的变化为基础进而分析各有关量的变化。交流发电机的特性有输出特性、空载特性和外特性，其中以输出特性最为重要。(1)输出特性交流发电机的输出特性，又叫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μ=常数的情况下，发电机的输出电流与转速之间的关系，即，I=f(n)的函数关系。图4-10所示的实验电路可用来测量交流发电机的输出特性。当开关S1、S2闭合时，电动机拖动发电机运转，随着转速的升高，发电机达到充电电压。这时，断开他励电源开关S2，发电机开始自励。调节电动机转速，使发电机电压达到额定值，并记录该转速n1，n1即为空载转速。闭合开关S3，接通负载电路。逐渐调小负载R，使电流增大，直到达到最大值。同时不断提高转速，保持发电机的额定电压不变。以适当的电流间隔作测点，记录对应的转速，一般不小于7点。据此绘制出交流发电机的输出特性曲线，如图4-11所示。从交流发电机的输出特性曲线I=f(n)可以看出：①发电机的转速甚低时，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，发电机才有能力在额定电压下向外供电。所以空载转速n1常被用作选择发电机与发动机转速比的主要依据。②当转速超过n1时，发电机输出电流I将随着转速n的升高和电