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汽车电工新手入门教程(上)
来源:本站整理  作者:佚名  2014-03-22 10:43:12



    第四章 交流发电机
    第一节 交流发电机构造
    一、交流发电机功能

    现代汽车电源系统由蓄电池、交流发电机和调节器三部分组成。交流发电机是汽车的主要电源,其功用是:当发动机在怠速转速以上运转时,向除起动机以外的用电设备供电,同时还向蓄电池充电。
    交流发电机于1960年开始在汽车上应用,率先在汽车上采用交流发电机的是美国克莱斯勒(Chrysler)汽车公司和日本尼桑(Nissan)汽车公司。由于交流发电机与直流发电机相比,具有体积小、质量轻、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、产生的无线电干扰信号弱、能节省大量铜材等优点,因此在汽车中被普遍采用。到20世纪末,直流发电机已被淘汰。
    二、交流发电机分类
    自1886年1月29日(发明专利批准日)德国工程师奔驰(Benz)发明汽车以来,汽车上采用的发电机分为直流发电机和交流发电机两类。直流发电机是经换向器换向,输出为直流电的发电机;交流发电机是用二极管整流,输出为直流电的发电机。由于采用硅二极管整流,因此也称为硅整流发电机。
    汽车用交流发电机可按总体结构、整流器结构和搭铁型式进行分类。
   (一)按总体结构分类
    1.普通交流发电机
    普通交流发电机,即无特殊装置,也无特殊功能和特点的汽车交流发电机称为普通交流发电机。如东风EQ 1090型载货汽车用JF 132N型交流发电机。
    2.整体式交流发电机
    整体式交流发电机,即内装电子调节器的交流发电机。如一汽捷达、上海桑塔纳轿车用JFZ1913Z型14V90A发电机和南京依维柯(IVECO)汽车用JFZ1912Z型14V85A、JFZ1714Z型14V45A交流发电机。‘
    3.无刷交流发电机
    无刷交流发电机,即没有电刷和集电环结构的交流发电机。如东风EQ2102型越野汽车用JFW2621型28V45A整体式发电机和福建仙游电机总厂生产的JFW1913型14V90A发电机。
    4.带泵交流发电机
    带泵交流发电机,即带真空制动助力泵的交流发电机。如仙游电机厂生产的JFB1712型交流发电机。
    5.永磁交流发电机
    永磁交流发电机,即转子磁极采用永磁材料制成的交流发电机。
   (二)按整流器结构分类
    1. 6管交流发电机
    6管交流发电机,即整流器由6只整流二极管组成三相桥式全波整流电路的交流发电机。如解放CA1091型载货汽车用JF1522A、JF1518、 JF1526型14V55A交流发电机和天津华利TJ1010型微型客车用JF1326型14V35A型交流发电机。
    2. 8管交流发电机
  8管交流发电机,即整流器总成由8只二极管组成的交流发电机。
    3. 9管交流发电机
    9管交流发电机,即整流器总成由9只二极管组成的交流发电机。如斯太尔(Steyr)汽车用JFZ2518A型28V27A交流发电机和长风集团猎豹(Pajero)汽车4G64型发动机用14V75A交流发电机。
    4. 11管交流发电机
    11管交流发电机,即整流器总成由11只二极管组成的交流发电机。如东风EQ2102型越野汽车用JFW2621型28V45A整体式发电机和一汽捷达、上海桑塔纳轿车用JFZ1913Z型14V90A发电机。
   (三)按磁场绕组搭铁型式分类
    1.内搭铁型交流发电机
    内搭铁型交流发电机,即发电机磁场绕组的一端与发电机壳体连接的交流发电机。如东风EQ 1090型载货汽车用JF 132N型交流发电机。
    2.外搭铁型交流发电机
    外搭铁型交流发电机,即磁场绕组的一端经调节器后搭铁的交流发电机。如解放CA1091型载货汽车用JF 1522A型交流发电机。
    三、普通交流发电机的结构
    交流发电机在汽车上使用已有40多年,虽然局部结构有所改进,但其基本结构都是由转子、定子、整流器、电刷组件和传动散热装置五部分组成。东风EQ 1090(EQ 140)型载货汽车所用JF 132N型交流发电机的零部件组成如图4-1所示。

   (一)转子
    汽车交流发电机为三相同步交流发电机。转子由两块爪极、磁场绕组、铁芯和集电环组成,如图4-2所示。

    爪极有两块,每块爪极上制有6个鸟嘴形磁极。两块爪极压装在转子轴上,爪极间的空腔内装有铁芯,铁芯压装在转子轴上,磁场绕组绕在铁芯上。
    集电环由彼此绝缘的两个铜环组成。集电环压装在转子轴的一端并与转子轴绝缘。磁场绕组的两端分别焊接在两个集电环上。两个铜环分别与发电机后端盖上的两个电刷相接触。当两个电刷与直流电源接通时,磁场绕组中便有电流流过,产生轴向磁通,使一块爪极磁化为北极(即N极),另一块爪极磁化为南极(即S极),从而形成六对相互交错的磁极。
   (二)定子
    定子由定子铁芯与定子绕组组成,如图4-3所示。定子铁芯由内圆带槽的环状硅钢片叠压而成。定子绕组为三相绕组,并按一定规律对称安放在定子铁芯槽内。

    三相绕组的连接方法有星形连接(简称Y连接)和三角形连接(简称△连接)两种,如图4-4所示。

    当采用Y连接时,三相绕组的三个末端X、Y、Z连接在一起,称为中性点,三个始端U、V、W作为交流发电机的输出端,如图4-4(a)所示。当采用△连接时,三相绕组一相绕组的始端与另一相绕组末端连接,共有3个接点,这3个接点即为交流发电机的输出端,如图4-4所示。汽车交流发电机的三相绕组大多数都采用丫连接,只有部分大功率发电机采用△连接。
    绕制三相绕组的要求是:为了使三相绕组产生频率相同、幅值相等、相位互差120°电角度的三相对称电动势,在绕制三相绕组时,应合理确定绕组的安放位置。
   (三)整流器
    交流发电机整流器的作用是将三相定子绕组产生的交流电变换为直流电。整流器一般由6只硅整流二极管和安装整流管的散热板组成。
    汽车交流发电机用整流二极管的特点是工作电流大、反向电压高。根据汽车专业标准QC/T 422-1999 《ZQ型硅整流元件》规定:ZQ50型二极管的正向平均电流为50A、浪涌电流为600A、反向重复峰值电压为270V、反向不重复峰值电压为300V。
    汽车交流发电机用硅整流二极管的内部结构和工作原理与一般工业用硅整流二极管基本相同,但其外形结构却与一般二极管不同,如图4-5所示。
    图4-5(a)所示二极管(简称a型)是将二极管的外壳用焊锡焊到金属散热板上;图4-5(b)所示二极管(简称b型)是将二极管的整流结(即PN结)直接烧结在金属散热板上;图4-5(c)所示二极管(简称c型)是将二极管做成扁圆形,既可焊在金属散热板上,也可夹在两块金属板之间使用;图4-5(d)所示二极管(简称d型)是将二极管压装在金属散热板上的孔中使用。在这4种类型的二极管中,b, d两种型式应用最广。20世纪80年代以后,工业发达国家采用b型结构的小型二极管日趋增多,到20世纪90年代,日本生产的交流发电机,全都采用了b型结构。

    汽车交流发电机用整流二极管有正极管与负极管之分。一只普通交流发电机具有3只正极管和3只负极管。引出电极为二极管正极的称为正极管,其上标有红色标记;引出电极为二极管负极的称为负极管,其上标有绿色或黑色标记。
    安装整流二极管的铝质散热板称为整流板。现代汽车交流发电机的整流器多数都有两块整流板。安装3只正极管的整流板称为正整流板;安装3只负极管的整流板称为负整流板,如图4-6所示。有的交流发电机只有正整流板而没有负整流板,3只负极管直接压装在发电机的后端盖上,即后端盖相当于负整流板。由于不便维修,因此此种结构已被淘汰。

    存下整流板上制有一个螺孔,称为输出端子安装孔,螺栓由此从后端盖引出,作为发电机的输出端子,该端子为发电机的正极,标记为“B”、 “A”或“+”。
    整流器总成的形状各异,有长方形(如JF132系列交流发电机)、马蹄形、半圆形(如解放CA1091型载货汽车用JF 1522A型交流发电机)和圆形(如丰田Toyota、皇冠Crown牌MS 122型轿车用交流发电机)等,图4-7所示为JF 1522A型交流发电机的整流器总成。

    目前,整流器总成大多数都装于交流发电机后端盖的外侧,在整流器总成外面再加装一个用薄铝板或薄铁板冲压而成的防护盖。这与整流器总成装于交流发电机后端盖内侧相比,具有两大优点:①便于散热冷却;②便于维修。

   (四)端盖与电刷组件
    交流发电机的前、后端盖均用铝合金压铸或用砂模铸造而成,采用铝合金材料的主要目的是减少漏磁。因为铝合金为非导磁材料,且具有质量小、散热性能好等优点。
    在后端盖上装有电刷组件。电刷组件由电刷、电刷架和电刷弹簧组成,如图4-8所示。

    电刷用铜粉和石墨粉模压而成;电刷架用酚醛玻璃纤维塑料模压而成。电刷安装在电刷架的孔内,借弹簧张力使电刷与集电环保持良好接触。
    电刷组件的安装型式有外装式和内装式两种。图4-8所示为外装式结构,其电刷的拆装和更换在电机外部即可进行,拆装检修十分方便,因此交流发电机普遍采用。内装式电刷组件的电刷拆装是在电机内部进行,由于拆装不便,己很少采用。
    每只交流发电机有两只电刷,每只电刷都有一根引线直接引到发电机后端盖的接线端子或后端盖上。
    交流发电机的搭铁型式有内搭铁型和外搭铁型之分,如图4-9所示。

    磁场绕组的一端经集电环和电刷在发电机端盖上搭铁的发电机称为内搭铁型交流发电机,如图4-9(a)所示,东风EQ 1090型载货汽车用JF 132N型交流发电机即为内搭铁型交流发电机;磁场绕组的两端均与端盖绝缘,其中一端经调节器后搭铁的发电机称为外搭铁型交流发电机,如图4-9(b)所示。解放CA1091型载货汽车用JF 1522A型交流发电机即为外搭铁型交流发电机。

   (五)传动散热装置
    交流发电机前端盖之前装有驱动带轮,由发动机通过驱动带带动驱动带轮旋转,转子随驱动带轮一同转动。
    交流发电机的通风散热依靠风扇来完成。风扇用铝合金板或钢板冲压而成。发电机有1-2个风扇,其安装形式如下:
    对于只有一个风扇的发电机,其风扇均装在前端盖与驱动带轮之间;对于有两个风扇的发电机,其风扇的安装形式有两种情况:
   (1)一个风扇安装在前端盖与驱动带轮之间,另一个风扇安装在后端盖与转子爪极之间。如北京切诺基(BJ2021型)吉普车用交流发电机。
   (2)在前、后端盖内的转子爪极两侧各安装一个风扇。如丰田MS 122型轿车用ID12V55A交流发电机。
    在前、后端盖上制有通风口,当风扇与驱动带轮一起转动时,空气便从进风口流入,经发电机内部再从出风口流出,由此便将内部热量带出,达到散热的目的。
    四、交流发电机型号
    根据QC/T 73-1993《汽车电器设备产品型号编制方法》规定,汽车交流发电机的型号组成如图4-10所示。

    1.产品代号
    交流发电机的产品代号为JF、JFZ、JFB、JFW四种,分别表示交流发电机、整体式交流发电机、带泵交流发电机和无刷交流发电机(字母J、F、Z、B和W分别为“交”、“发”、“整”、“泵”和“无”字的汉语拼音第一个大写字母)。
    2.电压等级代号和电流等级代号
交流发电机型号的电压等级代号分别用1位阿拉伯数字表示,其含义分别见表4-1。

    交流发电机型号的电流等级代号分别用1位阿拉伯数字表示,其含义分别见表4-2。

    3.设计序号
    按产品设计先后顺序,用1~2位阿拉伯数字表示。
    4.变形代号
    交流发电机以调整臂位置作为变形代号。从驱动端看,在中间不加标记;在右边时用Y表示;在左边时用Z表示。
    【例4-1】 JF 152:表示电压等级为12V、电流等级为大于50~59A,第二次设计的普通交流发电机。
    【例4-2】桑塔纳、奥迪100型轿车用JFZ1913Z型交流发电机,其电压等级为12V,电流等级为大于90A、第14次设计,调整臂在左边的整体式交流发电机。

    第二节 交流发电机工作原理
    一、发电原理

    交流发电机的磁路如图4-11所示。当点火开关SW接通时,磁场绕组中就有电流流过,流经磁场绕组的电流称为磁场电流。由右手定则可知,磁场电流在转子铁芯中就会产生轴向磁通,磁力线穿过的路径(称为导磁回路或磁路)如图中箭头方向所示,其磁路为铁芯→N极→转子与定子间的气隙→定子→定子与转子间的气隙→S极→铁芯。转子磁极制作成鸟嘴形,可使定子绕组感应产生的交流电动势近似于正弦曲线波形。

    由导磁回路可见,在设计交流发电机时,必须保证转子相邻异性磁极间的气隙大于转子与定子间的气隙,以使磁力线穿过定子铁芯,定子绕组才能切割磁力线而产生感应电动势。
    交流发电机的工作原理如图4-12(a)所示。发电机的三相定子绕组按一定规律分布在定子铁芯槽中,彼此相差120°电角度。

    当转子旋转时,因为定子绕组与磁力线之间会产生相对运动,定子绕组就会切割磁力线,所以在三相绕组中就会感应产生频率相同、幅值相等、相位互差120°电角度的正弦交流电动势eu、ev、eW,波形如图4-12(b)所示。
    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线圈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、转子旋转的速度越高,绕组内感应产生的电动势也就越高。
    因为实际绕组的各个线圈在定子内是沿圆周分布放置,一相绕组中各个线圈内感应电动势的大小和相位有所不同,所以每相绕组感应电动势的有效值要小一些。
    根据电工学原理,交流发电机采用Y连接时,任意两个输出端之间的输出电压称为线电压、输出电流称为线电流,分别用UL、IL表示,每相绕组的相电压和相电流分别用Uφ、Iφ表示,如图4-13(a)所示。

    当交流发电机定子绕组采用三角形连接时,电压与电流之间的关系如图4-13(b)所示。由此可见,在交流发电机相电压相同的情况下(即在相同转速条件下),Y连接比△连接具有较高的输出电压;而当输出线电压相同时,△连接输出电流较大。因此,采用Y连接的交流发电机在发动机转速较低时(如怠速时)便可向蓄电池充电,而采用△联结的交流发电机则需较高的发动机转速才能向蓄电池充电(指在与Y联结具有相同的传动比时)。所以,大多数车用交流发电机都采用Y联结,只有在少数大功率交流发电机上才采用△联结。

    二、整流原理
    交流发电机定子绕组中感应产生的交流电,要靠二极管组成的整流器变换为直流电。可见整流二极管是交流发电机的关键部件。
    二极管具有单向导电特性,即当给二极管加上正向电压(即正极电位高于负极电位)时,二极管导通,呈现低阻状态;当给二极管加上反向电压(即正极电位低于负极电位)时,二极管截止,呈现高阻状态。利用二极管的单向导电特性,便可把交流
电变为直流电。在交流发电机中,6只二极管组成的三相桥式整流电路如图4-14(a)所示,正极接三相绕组始端U、V、W的二极管VD1、VD3、VD5为正极管;负极接三相绕组始端U、V、W的二极管VD2、VD4、VD6为负极管。

   (一)二极管导通原则
    1.正极管导通原则
    因为三只正极管(VD1、VD3、VD5)的正极分别接在发电机三相绕组的始端(U、V、W)上,它们的负极又连接在一起,所以三只正极管的导通原则是:在某一瞬间,正极电位最高者导通。
    2.负极管导通原则
    因为3只负极管(VD2、VD4、VD6)的负极分别接在发电机三相绕组的始端,它们的正极又连接在一起,所以3只负极管的导通原则是:在某一瞬间,负极电位最低者导通。

   (二)整流过程
    根据正负二极管的导通原则,交流发电机整流器的整流过程如下:
    在0到t1时间内,W相电位最高,V相电位最低,所以二极管VD5、VD4获得正向电压而导通。电流从W相出发,经二极管VD5、负载电阻RL、二极管VD4回到V相构成回路。因为二极管的内阻很小,所以W相与V相之间的线电压都加在负载电阻RL上。
    在t1~t2时间内,U相电位最高,V相电位最低,所以二极管VD 1、VD4获得正向电压而导通,电流从U相出发,经二极管VD1、负载电阻RL、二极管VD4回到V相。U、V两相之间的线电压加在负载电阻RL上。
    在t2~t3时间内,U相电位最高,而W相电位变为最低,所以二极管VD 1、VD6获得正向电压而导通。U、W两相之间的线电压加在负载电阻RL上。
    在t3~t4时间内,二极管VD3、VD6导通,V、W相之间的线电压加在负载电阻上。
    6只二极管导通与截止依次循环,周而复始,在负载电阻两端就可得到一个比较平稳的直流脉动电压U,电压波形如图4-14(c)所示,一个周期内有6个纹波。
发电机输出直流电压的平均值为

式中U----输出直流电压平均值;
      UL----定子绕组输出的线电压的有效值(UL = Uφ);
      Uφ----每相绕组的相电压的有效值。
如考虑二极管正向导通时的电压降Ud,则

式中Ud—每只二极管的管压降(汽车用二极管为0.2~0.6V)。
    当采用三相桥式整流电路整流时,在交流电的每一个周期T内,每只二极管只有1/3个周期的时间导通,所以每只二极管的平均电流Id只为负载电流I的1/3,即

    每只二极管所承受的最高反向电压UDRM为线电压UL的最大值,即

    汽车交流发电机实际选用二极管的最高反向工作电压比上述计算值要高得多,这是因为考虑到汽车电路中由其他电器设备产生的自感电动势可能会作用于交流发电机的二极管,所以反向电压必须要有一定的安全系数。国产交流发电机配用的ZQ型二极管,其最高反向工作电压为300V。
    当交流发电机三相定子绕组采用丫连接时,三相绕组三个末端的公共接点,称为三相绕组的中性点,用N表示。中性点对发电机的搭铁端是有输出电压的,称为中性点电压,它是通过三只负极管整流(即三相半波整流)后得到的直流电压,故该点的平均电压等于交流发电机直流输出电压的一半,即

式中UN----中性点电压;
      U----发电机直流输出电压。
    因此,有些交流发电机(如JF 132N、JF 1522A等)用导线将其引出,电路如图4-15所示,在发电机端盖上的接线端子标记为N。通常用来控制各种用途的继电器,如磁场继电器、充电指示继电器等。

    三、励磁方式
    交流发电机在不接外电源时自己也能自励(即磁场电流由发电机自己供给)发电,但转速很高(试验证明转速升高到8000r/min以上)才能实现自励发电。其自励过程如下:
    在交流发电机的转子磁极中存有一定剩磁,当转子以足够高的速度旋转时,在定子的三相绕组中便会产生感应电动势,经二极管整流后通过电刷和集电环加到磁场绕组上,于是磁场绕组中便有电流流过,使磁场加强,定子绕组产生的感应电动势也进一步升高。电动势升高后又使磁场电流增大,磁场进一步增强,如此相互促进,便使发电机的电动势很快升高。
    交流发电机自励的建压过程只有在发电机转速很高时才能进行。当加在二极管上的正向电压小于其死区电压(约0.6V)时,由于二极管呈现高阻状态而不能导通,加之交流发电机磁极尺寸小,保留剩磁弱,因此在低速时,仅靠剩磁产生的电动势并不能使二极管导通,发电机也就不能自励发电。
    交流发电机低速不能自励发电,也就不能及时给蓄电池充电,这对汽车的正常使用和蓄电池的使用寿命极为不利。为了克服这一缺点,在发电机低速运转、发电机电压低于蓄电池电压时,采用由蓄电池供给磁场电流(即采用他励)的方式,使发电机具有较强的磁场,从而使发电机电压迅速升高。当发电机转速在900r/min左右时,即可向蓄电池充电。交流发电机低速时采用他励方式建立电压,是其低速充电性能好的原因之一。交流发电机低速充电性能好的另一原因是发电机与发动机之间的传动比较大。交流发电机的励磁电路如图4-16所示。

    当点火开关接通时,蓄电池便通过调节器向发电机磁场绕组提供磁场电流,发电机他励发电,输出电压随发电机转速升高而升高。当发电机输出电压略高于蓄电池电压时,磁场电流便由发电机自己提供,发电机由他励发电转为自励发电。
    汽车交流发电机实际励磁方式分为他励和自励两种。当发电机低速运转、其输出电压低于蓄电池电压时,采用他励方式,磁场电流由蓄电池提供;当发电机转速升高到其输出电压略高于蓄电池电压时,采用自励方式,磁场电流由发电机自己提供。

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