《汽车发电机原理培训资料.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车发电机原理培训资料.ppt（52页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、汽车发电机结构与原理,演讲人：张亮,目 录,1、发电机的基本概念2、发电机的结构3、发电机的原理4、发电机的特性5、电压调节器原理6、交流发电机与调节器的使用注意事项 7、结束语,1 发电机的基本概念1.1 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。,1.2 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：,1.2.1 按总体结构分五类（1）普通交流发电机(使用时需要配
2、装电压调节器的发电机)例JF132（EQ140用）（2）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)（3）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)（4）无刷交流发电机(不需要电刷的发电机)（5）永磁交流发电机(磁极为永磁铁制成的发电机),1.2.2 按整流器结构分四类（1）六管交流发电机 例JF1522（东风汽车用）（2）八管交流发电机 例JFZ1542（天津夏利汽车用）（3）九管交流发电机 例（日本日立、三凌、马自达汽车用）（4）十一管交流发电机 例JFZ1913Z（奥迪、桑塔纳汽车用）1.2.3 按磁场绕组搭铁形式两分类（1）内搭铁型交流发电机 磁场绕组的一
3、端（负极）直接搭铁（和壳体相联）（2）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。,2 交流发电机的结构,整体式交流发电机主要由定子、转子、电刷、整流器、前后端盖、风扇及带轮等组成。,2.1 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、转子轴组成见下图。,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。交流发电机的磁路 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
4、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。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，见下图。,2.2 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组成，见下图。,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。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
5、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2+120o电角度（一对磁极占有的空间为360o,定子绕组展开图,2.3 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。2.3.1 汽车用硅整流二极管特点（1）工作电流大，正向平均电流50A，浪涌电流600A；（2）反向电压高，反向重复峰值电压270V，反向不重复峰值电压300V；（3）只有一根引线。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
6、管，所以说整流二极管有正二极管和负二极管之分。,2.3.2 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。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。,2.4 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，见图。,
7、磁场绕组（两只电刷）和发电机的联接不同，使发电机分为内搭铁型和外搭铁型两种。1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）。2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。,9管交流发电机（日系车应用较多）。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。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
8、以称3只小功率管为励磁二极管。9管交流发电机电路见图,3 交流发电机的原理,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。,（1）定子3相绕组感生电动势的大小为：,其中：E m-每相电动势的最大值；-电角速度；p-磁极对数 f-交流电动势的频率（为转速的函数）；n-发电机转速（r/min）E-每相电动势的有效值,（2）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
9、）-每极磁通（Wb）Ce-电机结构常数,(3)交流电动势波形 由图可见,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。,(4)定子三相绕组的接法,星形接法 三角形接法,3.1 交流发电机的整流原理,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。二极管具有单向导电性,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,3.1.1 二极管的导通原则如下: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；,3.1.2 整流过
10、程分析:（1）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。,（2）发电机输出的直流电压平均值为：U=1.35UL=2.34U 流经每只二极管的电流 ID=IL/3。3.1.3 中性点电压 有的发电机具有中性点接线柱，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。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，即：
11、UN=UB/2 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。,3.2 交流发电机的励磁原理 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了，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
12、给磁场电流的方式称为自励。,由于在发动机转速低时交流发电机不能自励发电，所以低速时采取他励发电，当发动机达到正常怠速转速时，发电机的输出电压一般高出蓄电池电压12V以便对蓄电池充电，此时，由发电机自励发电。交流发电机的励磁电路如图,3.3 利用充电指示灯监视发电机的工作情况（1）充电指示灯的作用 如图所示，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。,（2）充电指示灯的工作情况如下：在发动机起动期间，发电机电压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。路径为：蓄电池+点火开关充电指示灯调节器磁场绕组搭铁蓄
13、电池-。充电指示灯亮 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，发电机电压蓄电池电压，发电机自励。UB=UD+，充电指示灯两端压降为零，灯熄灭,若没有熄灭,说明发电机有故障或充电指示灯电路有搭铁 充电指示灯不仅可指示发电机的工作情况，而且可在发动机停车后发亮（因发电机不再发电，蓄电池电压 UD+），提醒司机及时关闭点火开关；,4 交流发电机的特性,4.1 输出特性 输出特性也称为负载特性或输出电流特性，是指当交流发电机保持输出电压一定时（对12V系列的交流发电机规定为14V），发电机的输出电流与转速之间的关系。,（1）空载转速n1发电机转速小于一定值n1时，对外输出
14、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。(3)额定转速n2 额定电流IA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70%左右。空载转速与额定转速是测试交流发电机性能的重要依据。,举例说明 以S11发电机的输出特
15、性图为例，来说明发电机的性能。,（1）发电机怠速下的发电情况 从图中的曲线变化看出，曲线一直处于上升状态，斜率由大变小，直至趋于平滑。发电机处于怠速状态时，转速处于一个并不宽的范围，.这一段的斜率越大（电流变化越大），说明发电机的怠速性能越好。因为在低速状态下发电机能基本满足整车用电器在一个较大范围内电能的需求，对电能的供需能够较好的匹配。（2）为什么曲线最后趋于平滑？这主要是因为发电机在转动时产生的感抗，转速越大，感抗越大。当转速达到一定值时，由于阻抗的增加，内部压降增大，发电机的电流不再增加。所以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。这
16、就是发电机能够自己限制电流，具有自我保护的特点。,（3）为什么发电机在达到1000r/min左右后才能对外输出电流？从发电机的结构可知，发电机由定子输出3相交流电流。由于汽车的用电器所使用的是直流电，所以需要经过整流。那么发电机的电压必须大于整流二极管的压降以及阻抗后才能对外输出电能。（4）发电机冷态试验与热态试验的区别？冷态试验：把发电机安装到台架上，要求在30S的时间内完成。冷态试验为模拟发动机刚开始工作时，发电机的输出特性。热态试验：把发电机安装到台架上，要求在发电机温升稳定后测试，一般需要半个小时，并且待输出电流稳定后进行测试。热态试验为模拟发动机工作一段时间后，发电机的输出特性。下图
17、是S11发电机冷态输出特性曲线与热态输出特性曲线的对比。,从下图可知，在同一转速下，冷态输出的电流大于热态输出的电流。也就是说：如要输出同一电流值，热态需要的转速比冷态时的大。,上面的表格是根据发电机冷态和热态曲线列出的，从表中可以看出2点信息。1 发动机开始从启动到工作一段时间后，发电机在同转速下所输出的电流会减少10A左右。也就是说，当汽车启动时，发电机开始时输出功率大。随着工作时间增长，发电机的内部温升较大，同时又由于发电机靠近发动机，使得发电机内部温度可以达到100度以上。因此内阻也随之升高，在同转速下，发电机处于热态的输出功率将会降低。,2 转速越大，冷态与热态的差值越大。说明发电机
18、在热态下，转速越高，输出效率越低。对于性能好的发电机，其内阻不会随温度变化的太大。冷态与热态的输出曲线接近，同转速下的输出电流值相差不大。为了提高发电机在热态时，特别是高转速下的效率，发电机上加装了散热风扇，与转子轴固定在一起，采用风冷却的方式对发电机散热。由于风扇与转子固定在一起。转速越高，风扇转动越快，空气流动越快。为了更好的对发电机散热，目前出现了水冷却的发电机。但不管采取怎样的冷却方式，目的都是为了提高发电机的效率，从而达到节省燃油的目的。,4.2 空载特性 空载特性是指无负荷时，发电机端电压与转速的变化规律。,从曲线可以看出，随着转速的升高，端电压上升较快。由他励转入自励发电时，即能
19、向蓄电池补充充电，这进一步证明了交流发电机具有低速充电性能好的优点。空载特性是判定交流发电机性能是否良好的重要依据。,4.3 外特性 外特性是指发电机转速保持一定时，发电机端电压与输出电流的关系。在经不同恒定转速的试验后，可以绘出一组相似的外特性曲线。,额定电压,从上图可以得到以下几点知识：1 发电机的转速越高，在相同的电压下其输出电流越大或相同电流下其输出电压越高。2 当保持在某一转速下，端电压均随输出电流的增大而相应的下降较快。原因有以下几点：1）发电机的输出电流增加，使得发电机的内阻压降增加，引起端电压下降。2）当端电压下降较多时导致励磁电流减少，引起磁场减弱，从而导致发电机端电压进一步
20、下降。此外发电机的输出电流随负载增加到一定的值时，若再继续增加负载，输出电流不再增加，反而同端电压一起下降。,5 电压调节器的原理,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173，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。,5.1 电压调节器的分类,1交流发电机电压调节器按工作原理可分为：（1）触点式电压调节器 触点式电压调节器应用较早，这种调节器触点振动频率慢，存在机械惯性和电磁惯
21、性，电压调节精度低，触点易产生火花，对无线电干扰大，可靠性差，寿命短，现已被淘汰。,（2）晶体管调节器 随着半导体技术的发展，采用了晶体管调节器。其优点是：三极管的开关频率高，且不产生火花，调节精度高，还具有重量轻、体积小、寿命长、可靠性高、电波干扰小等优点，现广泛应用于东风、解放及多种中低档车型。（3）集成电路调节器 集成电路调节器除具有晶体管调节器的优点外，还具有超小型，安装于发电机的内部（又称内装式调节器），减少了外接线，并且冷却效果得到了改善，现广泛应用于桑塔纳。奥迪等多种轿车车型上。（4）电脑控制调节器 电脑控制调节器是现在轿车采用的一种新型调节器，由电负载检测仪测量系统总负载后，向
22、发电机电脑发送信号，然后由发动机电脑控制发电机电压调节器，适时地接通和断开磁场电路，即能可靠地保证电器系统正常工作，使蓄电池充电充足，又能减轻发动机负荷，提高燃料经济性。如上海别克、广州本田等轿车发电机上使用了这种调节器。,2电子调节器按所匹配的交流发电机搭铁型式可分为：（1）内搭铁型调节器：适合于与内搭铁型交流发电机所匹配的电子调节器称为内搭铁型调节器；（2）外搭铁型调节器：适合于与外搭铁型交流发电机所匹配的电子调节器称为外搭铁型调节器。在使用过程中，对于晶体管调节器，最好使用汽车说明书中指定的调节器，如果采用其他型号替代，除标称电压等规定参数与原调节器相同外，代用调节器必须与原调节器的搭铁
23、形式相同，否则，发电机可能由于励磁电路不通而不能正常工作。对于集成电路调节器，必须是专用的，是不能替代的。,5.2 电压调节器的调压原理,由交流发电机的工作原理我们知道，交流发电机的三相绕组产生的相电动势的有效值 为,其中Ce是为发电机的结构常数，n为转子转速，为转子的磁极磁通，也就是说交流发电机所产生的感应电动势与转子转速和磁极磁通成正比。当转速升高时，E增大，输出端电压UB升高，当转速升高到一定值时（空载转速以上），输出端电压达到极限，要想使发电机的输出电压UB不再随转速的升高而上升，只能通过减小磁通来实现。又磁极磁通与励磁电流If成正比，减小磁通也就是减小励磁电流If。所以，交流发电机调
24、节器的工作原理是：当交流发电机的转速升高时，调节器通过减小发电机的励磁电流If来减小磁通，使发电机的输出电压UB保持不变。触点式电压调节器通过触点开闭，接通和断开磁场电路，来改变磁场电流If大小；晶体管调节器、集成电路调节器等利用大功率三极管的导通和截止，接通和断开磁场电路，来改变磁场电流If大小。,5.3 电子调节器结构与工作原理 电子调节器有多种型式，其电路个不相同，但一般采用整体封装型式，不可拆卸，不能维修，只能整体更换。这里向大家介绍电子调节器的基本电路，实际电路要复杂的多，但工作原理可用基本电路工作原理去理解。1外搭铁型电子调节器的基本电路晶体管调节器又称为电子调节器，如图所示为外搭
25、铁型电子调节器的基本电路：基本电路是由三只电阻R1、R2、R3，两只三极管VT1、VT2，一只稳压二极管VS和一只二极管VD组成。电阻R3既是VT1的分压电阻，又是VT2的负载电阻电阻R1和R2组成一个分压器，分压器R1、R2两端的电压为发电机电压UB。VT2是大功率三极管（NPN型），和发电机的磁场绕组串联，起开关作用，用来接通与切断发电机的励磁电路。,VT1是小功率三极管（NPN型），用来放大控制信号；VD是续流二极管；磁场绕组由接通转为断开状态时（F端为+，B端为），经二极管 VD构成放电回路，防止三极管VT2被击穿损坏。,稳压管VS是感受元件，串联在VT1的基极电路中，并通过VT1的发
26、射结并联于分压电阻R1的两端，以感受发电机的输出电压；UR1电压加在稳压管VS上，R1的阻值是这样确定的,当发电机输出电压UB达到规定的调整值时（如桑塔纳为13514.5V），UR1电压正好等于稳压管VS的反向击穿电压。2外搭铁式电子节器的工作原理（1）点火开关SW接通，发电机电压UB蓄电池电动势时,VT1截止，VT2导通，蓄电池直接供电到磁场绕组。磁场绕组电路为：蓄电池正极磁场绕组调节器接柱三极管VT2调节器接柱搭铁蓄电池负极。发电机电压随转速升高而升高。发电机他励。,(2)发电机电压虽然升高,但如果蓄电池电动势发电机输出电压UB调节上限时,VT1继续截止，VT2继续导通，发电机自励且开始对
27、外供电。磁场绕组电路为：发电机正极磁场绕组调节器接柱三极管VT2调节器搭铁发电机负极。发电机电压随转速升高而继续升高。(3)当发电机电压升高到等于调节上限U2时，调节器开始工作。电阻R1、R2分压，UR1=UVS+Ube1，VS导通，VT1导通，VT2截止，磁场电路被切断，发电机输出电压迅速下降。当发电机电压下降到等于调节下限U1时电阻R1、R2分压减小，当UR1UW+Ube1，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。,发电机电压升到调节上限时，VT2就截止，磁场电路被切断，输出电压下降；降到等于调节下限U1时，磁场电路被接通，发电机电压上升，周而复始，发电机
28、输出电压被控制在一定范围内。配装电子调节器的发电机的输出电压上限U2和下限U1的差值很小，所以发电机的输出电压波动非常小，再加上电容的滤波，所以发电机的输出电压很稳定。内搭铁式电子调节器基本电路见下图。原理与外搭铁式类似,6 交流发电机与调节器的使用注意事项,交流发电机与调节器的结构简单，维护方便，若正确使用，不仅故障少而且寿命长；若使用不当，则会很快损坏。因此在使用和维护中应注意以下几点：1 蓄电池的极性必须是负极搭铁，不能接反。否则，会烧坏发电机或调节器的电子元件；2 发电机与蓄电池之间的连接要牢靠，如突然断开，会产生过电压损坏发电机或调节器的电子元件；3 一旦发现交流发电机或调节器有故障应立即检修，及时排除故障，不应再连续运转；,4 为交流发电机配用调节器时，交流发电机的电压等级必须与调节器电压等级相同，交流发电机的搭铁类型必须与调节器搭铁类型相同，调节器的功率不得小于发电机的功率，否则系统不能正常工作；5 线路连接必须正确，目前各种车型调节器的安装位置及接线方式各不相同，故接线时要特别注意；6 调节器必须受点火开关控制，发电机停止转动时，应将点火开关断开，否则会使发电机的磁场电路一直处于接通状态，不但会烧坏磁场线圈，而且会引起蓄电池亏电；,谢谢各位！,
