第二章 汽车电器设备与构造

第二章交流发电机及调节器概述交流发电机的工作原理交流发电机的结构交流发电机的工作特性交流发电机的电压调节器交流发电机与调节器使用与维护学习目标了解交流发电机的功用、分类；掌握发电机的结构、工作原理及检测维修方法；了解汽车充电系的组成、电路及检测维修方法；熟悉调节器的工作原理；了解调节器的检测方法从1960年开始，美国、日本开始使用交流发电机。汽车上的交流发电机是一个三相同步交流发电机，它是利用硅二极管将三相交流电整流为直流电。也称为硅整流交流发电机。交流发电机的优点：●体积小、重量轻、结构简单、维修方便、使用寿命长。●发动机低速时充电性能好●配用的调节器结构简单、对无线电干扰小●能节省大量铜材第一节概述一、发电机的功用(1)发电用多槽带把发动机的旋转传输到皮带轮，转动电磁化的转子，在定子线圈中产生交流电流。(2)整流因为定子线圈中产生的电是交流电，它不能用于车辆上安装的直流电器装置，所以利用整流器将交流电变为直流电。(3)调节电压利用调节器调节发电机的电压，在发电机转速或负载发生变化时也能保持电压稳定。发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时（怠速以上），向所有用电设备（起动机除外）供电，同时向蓄电池充电。(见图)二、发电机的分类汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机。由于交流发电机在许多方面优于直流发电机，直流发电机已被淘汰。目前汽车采用三相交流发电机，内部带有二极管整流电路，将交流电整流为直流电，所以汽车交流发电机输出的是直流电。交流发电机必须配装电压调节器，电压调节器对发电机的输出电压进行控制，使其保持基本恒定，以满足汽车用电器的需求。交流发电机按照不同的分类方法分为以下几类：1.按结总体结构分普通交流发电机(使用时需要配装电压调节器的发电机)例JF132（EQ140用）整体式交流发电机(发电机和调节器制成一个整体的发电机)例别克轿车的发动机上装配的是CS型发电机带泵交流发电机(和汽车制动系统用真空助力泵安装在一起的发电机)例JFZB292发电机。无刷交流发电机(不需要电刷的发电机)例JFW1913永磁交流发电机(磁极为永磁铁制成的发电机)普通式整体式真空泵式2.按整流器结构分四类六管交流发电机例JF1522（东风汽车用）八管交流发电机例JFZ1542（天津夏利汽车用）九管交流发电机例（日本日立、三凌、马自达汽车用）十一管交流发电机例JFZ1913Z（奥迪、桑塔纳汽车用）3.按磁场绕组搭铁形式两分类内搭铁型交流发电机磁场绕组的一端（负极）直接搭铁（和壳体相联）外搭铁型交流发电机磁场绕组的一端（负极）接入调节器，通过调节器后再搭铁。三、交流发电机的型号根据中华人民共和国汽车行业标准QC/T73-93《汽车电器设备产品型号编制方法》的规定，汽车交流发电机型号组成如下：汽车交流发电机型号由产品代号、电压等级代号、电流等级代号、设计序号、变型代号五部分组成。1.产品代号产品代号用中文字母表示，例：JF——普通交流发电机JFZ——整体式（调节器内置）交流发电机JFB——带泵的交流发电机JFW——无刷交流发电机2.电压等级代号电压等级代号用一位阿拉伯数字表示，1表示12V系统2表示24V系统6表示6V系统电流等级代号用一位阿拉伯数字表示，如下表电流等级123456789电流≤1920-2930-3940-4950-5960-6970-7980-89≥90发电机输出电流分类3.电流等级代号4.设计序号和变型代号设计序号按产品设计先后序号，用阿拉伯数字表示；变型代号，交流发电机以调整臂的位置作为变形代号。从驱动端看，Y-右边，Z-左边。举例：JFZ1913ZJFZ整体式交流发电机1-电压等级为12V9-输出电流≥90A13-第13次设计Z-调整臂位于左边第二节交流发电机的构造交流发电机由转子、定子、电刷与滑环机构、三相桥式整流器、轴承、风扇和前后端盖等组成。一、转子转子由爪极（每个爪极有６个鸟嘴形磁极）、转子绕组、滑环和转轴等组成。在转子绕组中通入一个直流电流时，产生一个磁场。在发动机的带动下转子旋转，在定子绕组中产生一个旋转磁场。1．功用：产生旋转磁场2．组成：1）转子轴2）集电环3）爪极4）磁轭5）磁场绕组转子——产生旋转磁场当励磁绕组有电流通过时，便产生磁场，转子轴上的两个爪极分别被磁化为N极和S极。如图所示当转子旋转时，磁极交替地在定子铁心中穿过，形成一个旋转的磁场，磁力线和定子绕组之间产生相对运动，在三相绕组中产生交流感应电动势。定子是由定子铁心和三相定子绕组组成，固定在前后端盖之间。功用：产生交流（交变）电动势三相定子绕组定子铁心二、定子二、定子定子铁心由内圈带槽、互相绝缘的硅钢片叠成。定子绕组有三组线圈，对称的嵌放在定子铁心的槽中。三相绕组的连接有星形接法和三角形接法两种，如图3－5a、b所示，都能产生三相交流电。三相绕组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。发电机定子绕组由专门人员绕制。三相绕组一般采用三角形（△）和星形（Y）两种接法，定子绕组在转子产生的旋转磁场作用下，感应并输出三相正弦交流电动势。当发电机的转子转动时（由发动机带动），定子中就有感生电动势产生，如果定子与外电路形成回路，就可以对外输出交流电流。整流器是将交流电转换成直流电的一种装置，在车用发电机中，一般采用三相桥式整流电路作整流器。三、整流器整流器由整流板和硅二极管组成整流板有正整流板和负整流板之分整流板由互相绝缘的两块板组成，其中一块为正极板（带有输出端螺栓），另一块为负极板，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。整流管分为：正极管和负极管两种引出电极为正极的为正极管，安装在正极板上；引出电极为负极，称为负极管，安装在负极板上。整流二极管特点1）汽车用整流二极管特点：①工作电流大，正向平均电流50A，浪涌电流600A②反向电压高，反向重复峰值电压270V，反向不重复峰值电压300V③有正极管和负极管之分（画图说明）④只有一个引线端（画图说明）四、端盖、风扇和轴承（一）端盖1．端盖一般用铝合金铸造2．端盖上装有电刷组件，普通发电机中一般有两只电刷3.无刷发电机中没有电刷。电刷的功用•电刷将电源引入到转子的线圈（磁场绕组）中，使内部的电磁铁（磁轭和爪极）产生较强的磁场。前、后端盖（二）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。（1）转子的转动使发电机发电；（2）风扇的转动为发电机散热。风叶第三节交流发电机工作原理由发动机带动发电机转子旋转由电刷给转子通电（励磁）产生磁场（有刷交流发电机，无刷直接通电）由定子产生交变感应电动势由整流器整流为直流电输出一、交流发电原理1.在发电机内部有一个由发动机带动转子（旋转磁场）2.磁场外有一个定子绕组,绕组有3组线圈(3相绕组)，3相绕组彼此相隔120度3.当转子旋转时，旋转的磁场使固定的电枢绕组切割磁力线（或者说使电枢绕组中通过的磁通量发生变化）而产生电动势。当外电路通过电刷使磁场绕组通电时，便产生磁场，使磁极磁化为N极和S极。当转子旋转时，磁通交替地在定子绕组中变化，根据电磁感应原理可知，定子的三相绕组中便产生交变的感生电动势。这就是交流发电机的发电原理。定子3相绕组感生电动势的大小为：其中：Em-每相电动势的最大值ω-电角速度f-交流电动势的频率（为转速的函数）p-磁极对数n-发电机转速（r/min）Eφ-每相电动势的有效值定子每相电动势的有效值K-绕组系数(和发电机定子绕组的绕线方法有关)N-每项匝数（匝）φ-每极磁通（Wb）Ce-电机结构常数由此可见，当交流发电机结构一定时（结构常数不变），相电动势和发电机转速、磁通成正比。交流电动势波形交流电动势的幅值是发电机转速的函数。因此，当转速n变化时，三相电动势的波形为变频率、变幅值的交流波形。二、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是靠六只二极管组成的三相桥式整流电路变为直流电的。二极管具有单项导电性,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,二极管的导通原则如下:二极管的导通原则当三只二极管负极端相连时，正极端电位最高者导通；当三只二极管正极端相连时，负极端电位最低者导通。整流过程分析整流时二极管导通条件对于三个正极管子（D1、D3、D5正极和定子绕组始端相联），在某瞬时，电压最高一相的正极管导通。对于三个负极管子（D2、D4、D6负极和定子绕组始端相联），在某瞬时，电压最低一相的负极管导通。但同时导通的管子总是两个，正、负管子各一个。整流过程三相桥式整流电路中二极管的依次循环导通,使得负载RL两端得到一个比较平稳的脉动直流电压。发电机输出的直流电压平均值为：U=1.35UL=2.34UΦ中性点电压有的发电机具有中性点接线柱，如图2-4，是从三相绕组的中性点引出来的，标记为“N”。输出电压为UN，称为中性点电压图带中心抽头的交流发电机中性点电压的瞬时值是一个三次谐波电压，中性点电压的平均值为发电机输出电压（平均值）的一半中性点作用带有中性点接线柱的发电机可用中性点电压来控制各种用途的继电器。有的发电机没有中性点接线柱，但是也把中性点电压充分的利用了（如夏利、桑塔纳发电机），这些发电机在中性点处接上两只整流二极管，和三相绕组的六只整流二极管一道输出，可提高发电机功率。三、其他类型发电机特点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8管交流发电机其中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，对中性点电压进行全波整流。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%。之间。9管交流发电机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。11管交流发电机（如桑塔纳车用发电机）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。11管交流发电机11管交流发电机的整流器，相当于9管交流发电机的整流器加2只中性点整流管。由于11管交流发电机既能提高率又使充电指示灯电路简化，因此应用较广。第四节交流发电机工作特性交流发电机的励磁交流发电机的工作特性一、交流发电机的励磁除了永磁式交流发电机不需要励磁以外，其他形式的交流发电机都需要励磁，因为它们的磁场都是电磁场，也就是说必须给磁场绕组通电才会有磁场产生。将电源引入到磁场绕组使之产生磁场称为励磁，交流发电机励磁方式有自励和他励两种。1.他励在发动机起动期间，需要蓄电池供给发电机磁场电流生磁使发电机发电。这种供给磁场电流的方式称为他励发电。2.自励随着转速的提高，发电机的电动势逐渐升高并能对外输出，一般在发动机怠速时发电机就能对外供电当发电机能对外供电时，就可以把自身发的电供给磁场绕组生磁发电，这种供给磁场电流的方式称为自励。二、交流发电机的工作特性交流发电机的工作特点是转速变化范围大，对于一般汽油发动机来说，其转速变化约为1：8，柴油机约为1：5，因此分析汽车用交流发电机的特性必须以转速的变化为基础。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、输出特性输出特性是指在发电机端电压U不变（对12V系列的交流发电机规定为14V，对24V输出电流与转速之间的关系，即U=常数时，I＝f（n）的函数关系。图2.13(1)发电机空载时，电压达到额定值时的转速n1，称为空载转速。n1常用来作为选择发电机与发动机传动比的主要依据。(2)发电机达到额定功率(或电流)时的转速n2，称为满载转速，发电机额定电流一般规定为最大电流的70％一75％。图2.13(3)当转速达到一定值后，发电机的输出电流不再随转速的升高和负载的减小而增大，这时的电流值称为发电机的最大输出电流或限流值。可