第一章 汽车电源系统交流发电机简介

第一章汽车电源系统交流发电机简介

1.1 汽车发电机的功用

发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时，向所有用电设备（启动机除外）供电，同时给蓄电池充电。

汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机的性能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。

1.2 汽车发电机的主要组成

普通交流发电机一般由转子、定子、整流器、前后端盖、风扇、带轮等组成。

1.2.1 发电机转子

转子的功用是产生磁场。

转子由爪极、磁轭、励磁绕组、滑环、转子轴等组成，如图1、2所示。

图1交流发电机的转子总成

图2交流发电机转子分解图

1-滑环 2-转子轴 3-爪极 4-磁轭 5-励磁绕组

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。

当给两滑环通入直流电时，励磁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（或八对）相互交错的磁极。如图2所示，转子转动时，就形成了旋转的磁场。

1.2.2 发电机定子

定子的功用是产生交流电。

定子安装在转子的外面，和发电机的前后端盖固定在一起，当转子在其内部转动时，引起定子绕组中磁通的变化，定子绕组中就产生交变的感应电动势。

定子由定子铁心和定子绕组（线圈）组成，如图3所示。

图3 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

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3a、b所示，都能产生三相交流电。

1.2.3 发电机整流器

整流器的功用是将定子绕组的三相交流电变为直流电。

整流器由整流板和整流二极管组成，6管交流发电机的整流器是由6只硅整

流二极管分别压装（或焊装）在相互绝缘的两块板上组成的，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。6只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，3只正极管装在同一块板上，称为正极板；引出电极为负极的称为负极管，3只负极管安装在负极板上，也可直接安装在后盖上。如图4所示。

图4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

2.2 发电机电压调节器

2.2.1 电压调节器作用

由于交流发电机的转子是由发动机通过皮带驱动旋转的，且发动机和交流发电机的速比为 1.7～3，因此交流发电机转子的转速变化范围非常大，这样将引起发电机的输出电压发生较大变化，无法满足汽车用电设备的工作要求。为了满足用电设备恒定电压的要求，交流发电机必须配用电压调节器才能工作。

电压调节器是把发电机输出电压控制在规定范围内的装置，其功用是在发电机转速变化时，自动控制发电机电压保持恒定，使其不因发电机转速高时电压过高烧坏用电器和导致蓄电池过充电；也不会因发电机转速低而电压不足导致用电器工作失常。

2.2.2 电子电压调节器工作原理

随着电子技术的发展，目前交流发电机几乎全部采用电子调节器。其优点是：电压调节精度高，且不产生火花，还具有重量轻、体积小、寿命长、可靠性高、电波干扰小等优点。电子调节器有晶体管调节器和集成电路调节器两种。

外搭铁型电子调节器的工作原理:

(1)基本电路如图5

图5电子电压调节器基本电路

(2)工作原理：

①点火开关SW刚接通时，发动机不转，发电机不发电，蓄电池电压加在分压器R1、R2上，此时因UR1 较低不能使稳压管VS的反向击穿，VT1截止，VT1截止使得VT2导通，发电机磁场电路接通，此时由蓄电池供给磁场电流。随着发动机的启动，发电机转速升高，发电机他励发电，电压上升。

②当发电机电压升高到大于蓄电池电压时，发电机自励发电并开始对外蓄电池充电，如果此时发电机输出电压UB<调节器调节上限UB2，VT1继续截止，VT2继续导通，但此时的磁场电流由发电机供给，发电机电压随转速升高迅速升高。

③当发电机电压升高到等于调节上限UB2时，调节器对电压的调节开始。此时VS导通，VT1导通，VT2截止，发电机磁场电路被切断，由于磁场被断路，磁通下降，发电机输出电压下降。

④当发电机电压下降到等于调节下限UB1时，VS截止，VT1截止，VT2重新导通，磁场电路重新被接通，发电机电压上升。周而复始，发电机输出电压UB被控制在一定范围内，这就是外搭铁型电子调节器的工作原理。

2.2.3 电子调节器的工作特性

调节器通过三级管VT2的通断控制磁场电流，随着转速的提高，大功率三级管VT2的导通时间减小，截止时间增加，这样可使得磁场电流平均值减小，磁通减小，保持输出电压UB不变。发电机的输出电压UB、磁场电流If（平均值）随转速n的变化关系称为电子调节器的工作特性。从电子调节器的工作特性曲线可以看出，n1为调节器开始工作转速，称为工作下限，随着发电机转速的升高，磁场电流减小。当发电机转速很高时，由于大功率三极管可不导通，磁场电流被

切断，发电机仅靠剩磁发电，所以，电子调节器的工作转速上限很高，调节范围很大。

2.3发电机的工作原理

如图6所示，发电机定子的三相绕组按一定规律分布在发电机的定子槽中，内部有一个转子，转子上安装着爪极和励磁绕组。当外电路通过电刷使励磁绕组通电时，便产生磁场，使爪极被磁化为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应电动势。这就是交流发电机的发电原理。

图6 交流发电机发电原理示意图

1－定子铁心 2－定子绕组 3－转子

4－励磁绕组 5－整流二极管 6－电刷

2.4流发电机的特性

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。

2.4.1 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系列的交流发电机规定为28V），其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7所示为交流发电机的输出特性曲线。

图7 交流发电机的输出特性曲线

由特性曲线I=f（n）可以看出：

（1）空载转速n1 发电机转速小于一定值n1时，对外输出电流为零。当发电机达到额定电压并能对外输出电流时的最小转速为n1，称n1为空载转速。空载转速常用来作为测试发电机性能的参数之一。

（2）最大电流Imax

发电机输出电流能力随转速的升高而增大，但曲越来越平坦，当转速达到一定值时，无论转速增加多少电流都不再增加，即一定结构的发电机输出最大电流Imax有一定限制。由此可见，交流发电机自身具有限制输出电流防止过载的能力，又称为自我保护能力。

交流发电机自我限流的原理如下：

交流发电机定子绕组具有一定的阻抗Z，它由绕组的电阻r及感抗XL两部分组成，即：

式中

R——一相绕组的电阻；

XL——一相绕组的感抗;

XL＝2лfL

式中

L——一相定子绕组的电感；

f——感应电动势的频率；

P——磁极对数。

由于XL 与n成正比，故发电机定子绕组的阻抗Z随发电机的车速升高而增加。高速时，由于R与XL相比可忽略不计，故阻抗Z约等于XL，定子阻抗Z与

转速n成正比，其值较大，产生较大的内压降。另外，定子电流增加时，由于电枢反应的增强，也会使感应电动势下降。两者共同作用的结果，当发电机的转速升高且负载电流达到最大值时，输出电流几乎不随负载电阻的减小或转速的增加而增大。

(3) 额定转速n2 额定电流IA

发电机出厂时，通过试验，规定了空载转速与额定转速，并列人产品说明书。在使用过程中，可通过检测这两个数据来判断发电机性能的好坏。

发电机达到额定电流IA时的转速定为额定转速，图中用n2表示，额定电流一般定为最大输出电流的2／3。

2.4.2空载特性

空载特性是研究发电机在空载运行时，其端电压随转速变化的关系，即I＝0时， U=f（n）的曲线，如图2.8 所示。

图2.8 交流发电机的空载特性曲线

2.4.3外特性

外特性是研究当发电机转速一定时，其端电压与输出电流的关系，即n=常数时，U=f（I）的曲线，如图2.9所示。

图2.9 交流发电机的外特性曲线

从外特性曲线可以看出发电机电压受负载影响的程度：如果发电机在高速运转时，突然失去负载，发电机电压会突然升高，致使发电机及调节器等内部电子元件有被击穿的危险。

由于交流发电机的转子是由发动机通过皮带驱动旋转的，且发动机和交流发电机的速比为1．7～3，因此交流发电机转子的转速变化范围非常大，这样将引起发电机的输出电压发生较大变化，无法满足汽车用电设备的工作要求。为了满足用电设备恒定电压的要求，交流发电机必须配用电压调节器，使其输出电压在发动机所有工况下基本保持恒定。