交流发电机的工作原理

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；掌握汽车充电系的组成、电路及检测维修方法；了解调节器的工作原理；掌握调节器的检测方法学习方法本章介绍了汽车用交流发电机及调节器结构、工作原理、充电系电路及检测维修方法，通过对学习内容的阅读有了感性认识后，再通过自学参考资料加深对学习内容的理解，然后进入实践课堂观看（或去到实验室）亲手对实物的拆装、检测、试验操作技能的训练，以便进一步掌握其结构、工作原理和检测维修方法。第一节概述一、发电机的功用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2-1)一、发电机的功用二、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，目前所有汽车均采用交流发电机，交流发电机按照不同的分类方法分为以下几类：1.按结总体结构分五类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)发电机插图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：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系统第二节交流发电机工作原理交流发电原理整流原理交流发电机发电原理图一、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。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。定子三相绕组的接法定子三相绕组的接法有两种星形接法三角形接法二、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。2.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=2.34UΦ3．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2-4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）的一半中性点电压中性点作用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。第三节交流发电机的结构交流发电机一般由转子、定子、整流器、端盖四部分组成。JF132型交流发电机组件图见图交流发电机的结构交流发电机的结构交流发电机的电路一、转子转子的功用是产生旋转磁场。转子由爪极、磁轭、磁场绕组、集电环、转子轴组成，见图。转子结构图转子转子轴上压装着两块爪极，两块爪极各有六个鸟嘴形磁极,爪极空腔内装有磁场绕组(转子线圈)和磁轭。集电环由两个彼此绝缘的铜环组成，集电环压装在转子轴上并与轴绝缘，两个集电环分别与磁场绕组的两端相连。交流发电机磁路交流发电机的磁路为：磁轭→N极→转子与定子之间的气隙→定子→定子与转子间的气隙→S极→磁轭。转子产生旋转磁场当两集电环通入直流电时（通过电刷），磁场绕组中就有电流通过，并产生轴向磁通，使爪极一块被磁化为N极，另一块被磁化为S极，从而形成六对相互交错的磁极。当转子转动时，就形成了旋转的磁场。二、定子定子的功用是产生交流电。定子由定子铁心和定子绕组成。见图定子定子铁心由内圈带槽的硅钢片叠成，定子绕组的导线就嵌放在铁心的槽中。定子绕组有三相，三相绕组采用星形接法或三角形（大功率）接法，都能产生三相交流电。三相绕组的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。定子绕组1.每个线圈的两个有效边之间的距离应和一个磁极占据的空间距离相等。2.每相绕组相邻线圈始边之间的距离应和一对磁极占据的距离相等或成倍数。3.三相绕组的始边应相互间隔2π+120o电角度（一对磁极占有的空间为360o电角度）JF13交流发电机三相绕组绕制结构参数如下：磁极对数p6对；定子槽数z36槽定子绕组相数3相；每个线圈匝数N13匝绕组联结方法Y型联结发电机定子展开图三、整流器交流发电机整流器的作用是将定子绕组的三相交流电变为直流电6管交流发电机的整流器是由6只硅整流二极管组成三相全波桥式整流电路6只整流管分别压装（或焊装）在两块板上。整流器电路汽车用硅整流二极管特点工作电流大，正向平均电流50A，浪涌电流600A；反向电压高，反向重复峰值电压270V，反向不重复峰值电压300V；只有一根引线见图。并且有的二极管引线是正极，有的二极管引线是负极，引出线为正极的管子叫正极管，引出线为负极的管子叫负极管，所以说整流二极管有正二极管和负二极管之分。汽车用二极管结构整流管的安装将正极管安装在一块铝制散热板上，称为正整流板；将负极管安装另一块铝制散热板上，称为负整流板，也可用发电机后盖代替负整流板。见图。二极管安装示意图整流管的安装在正整流板上有一个输出接线柱B（发电机的输出端）。负整流板上直接搭铁。负整流板上一定和壳体相联接。整流板的形状各异，有马蹄形、长方形、半圆形等见图整流管的安装四、端盖端盖一般分两部分（前端盖和后端盖），起固定转子、定子、整流器和电刷组件的作用。端盖一般用铝合金铸造，一是可有效的防止漏磁，二是铝合金散热性能好。后端盖上装有电刷组件，有电刷、电刷架和电刷弹簧组成。电刷的作用是将电源通过集电环引入磁场绕组。电刷架电刷架五、磁场绕组的内搭铁型和外搭铁内搭铁型发电机：磁场绕组负电刷直接搭铁的发电机（和壳体直接相连）。外搭铁型发电机：磁场绕组的两只电刷都和壳体绝缘的发电机。外搭铁型发电机的磁场绕组负极（负电刷）接调节器，通过后再搭铁。磁场绕组的内搭铁型和外搭铁六、8管交流发电机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。中性点二极管提高发电机功率的原理交流发电机中性点电压为三次谐波，随着发电机转速的提高，中性点三次谐波电压也升高。中性点二极管提高发电机功率的原理当中性点电压瞬时值高于三相绕组的最高值时，中性点正极管导通对外输出电流；电流回路为：中性点→中性点正极管→负载→某一负极管→定子绕组→中性点。当中性点电压瞬时值低于三相绕组的最低值时，中性点负极管导通对外输出电流；电流回路：中性点→定子绕组→某一正极管→负载→中性点负极管→中性点。七、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。9管交流发电机其中6只大功率整流二极管组成三相全波桥式整流电路，对外负载供电3只小功率管二极管与三只大功率负极管也组成三相全波桥式整流电路专门为发电机磁场供电。所以称3只小功率管为励磁二极管。八、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。九、无刷交流发电机由于没有电刷和集电环，所以不会因为电刷和集电环的磨损和接触不良造成激磁不稳定或发电机不发电等故障；同时工作时无火花，也减小了无线电干扰。无刷交流发电机分为爪极式、激磁机式和永磁式三种。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。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。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。内搭铁交流发电机励磁电路外搭铁交流发电机励磁电路充电指示灯的作用在某些充电系电路中，接有充电指示灯，其作用是：指示发电机是否有故障；警告驾驶员停车后关断点火开关。电流表的作用？6管交流发电机电源系电路九管交流发电机电源系电路九管交流发电机电源系电路在发动机起动期间，发电机电压(为0)UD+＜蓄电池电压时，整流二极管截止，发电机不能对外输出，由蓄电池供给磁场电流。路径：蓄电池+→点火开关→充电指示灯→调节器→磁场绕组→搭铁→蓄电池-。充电指示灯亮九管交流发电机电源系电路当发动机转速升高到怠速及其以上时，发电机应能正常发电并对外输出，此时，