汽車用交流發電機原理及結構

車用交流發電機的原理 

    隨著汽車的不斷普及，電工及電機修理技術人員越來越有必要了解車用發電機的原理及結構。

　　交流發電機主要由用磁性材料製成的、多個南北極交替排列的永磁鐵（稱為轉子）和用矽鑄鐵製成的、繞有多組串聯線圈的電樞線圈（稱為定子）組成。轉子由原動機帶動作切割磁力線轉動，定子中交替排列的磁極在線圈鐵芯中形成交替變化的磁場。轉子旋轉一圈，磁通的方向和大小變換多次，由於磁場的變化作用，在線圈中將產生大小和方向都變化的感應電流，並由定子線圈輸送出電流。

車用交流發電機的結構

　　一、6管交流發電機的結構

　　交流發電機一般由轉子、定子、整流器、端蓋四部分組成。

　　JF132型交流發電機組件圖見圖2-5a

　　

　　JF132型交流發電機結構圖見圖2-5b

　　

　

　　（一）轉子

　　轉子的功用是產生旋轉磁場。

　　轉子由爪極、磁軛、磁場繞組、集電環、轉子軸組成，見圖2-6

 

　　

　　轉子軸上壓裝著兩塊爪極，兩塊爪極各有六個鳥嘴形磁極，爪極空腔內裝有磁場繞組（轉子線圈）和磁軛。集電環由兩個彼此絕緣的銅環組成，集電環壓裝在轉子軸上並與軸絕緣，兩個集電環分別與磁場繞組的兩端相連。

　　當兩集電環通入直流電時（通過電刷），磁場繞組中就有電流通過，並產生軸向磁通，使爪極一塊被磁化為N極，另一塊被磁化為S極，從而形成六對相互交錯的磁極。當轉子轉動時，就形成了旋轉的磁場。

　　交流發電機的磁路為：磁軛→N極→轉子與定子之間的氣隙→定子→定子與轉子間的氣隙→S極→磁軛。見圖2-7。

　　

　　（二）定子

　　定子的功用是產生交流電。定子由定子鐵心和定子繞組成。

　　

　　定子鐵心由內圈帶槽的矽鋼片疊成，定子繞組的導線就嵌放在鐵心的槽中。定子繞組有三相，三相繞組採用星形接法或三角形（大功率）接法，都能產生三相交流電。

　　三相繞組的必須按一定要求繞制，才能使之獲得頻率相同、幅值相等、相位互差120°的三相電動勢。

　　1．每個線圈的兩個有效邊之間的距離應和一個磁極佔據的空間距離相等。

　　2．每相繞組相鄰線圈始邊之間的距離應和一對磁極佔據的距離相等或成倍數。

　　3．三相繞組的始邊應相互間隔2π+120o電角度（一對磁極佔有的空間為360o電角度）

　　例：國產JF13系列交流發電機三相繞組繞制見圖2-8B

　　

　　結構參數如下：

　　磁極對數p6對

　　定子槽數z36槽

　　定子繞組相數m3相

　　每個線圈匝數N13匝

　　繞組聯結方法Y型聯結

　　在國產JF13系列交流發電機中，一對磁極佔6個槽的空間位置（每槽60o電角度），一個磁極佔3個槽的空間位置，所以每個線圈兩條有效邊的位置間隔是3個槽，每相繞組相鄰線圈始邊之間的距離6個槽，三相繞組的始邊的相互間隔可以是2個槽，8個槽，14個槽等。

　　（三）整流器

　　交流發電機整流器的作用是將定子繞組的三相交流電變為直流電，6管交流發電機的整流器是由6隻矽整流二極體組成三相全波橋式整流電路，6隻整流管分別壓裝（或焊裝）在兩塊板上。

　　1．汽車用矽整流二極體特點

　　（1）工作電流大，正向平均電流50A，浪湧電流600A；

　　（2）反向電壓高，反向重複峰值電壓270V，反向不重複峰值電壓300V；

　　（3）只有一根引線見圖2-9。並且有的二極體引線是正極，有的二極體引線是負極，引出線為正極的管子叫正極管，引出線為負極的管子叫負極管，所以說整流二極體有正二極體和負二極體之分。

　　

　　2．整流管的安裝

　　將正極管安裝在一塊鋁製散熱板上，稱為正整流板；將負極管安裝另一塊鋁製散熱板上，稱為負整流板，也可用發電機後蓋代替負整流板。見圖2-10。

　　

　　在正整流板上有一個輸出接線柱B（發電機的輸出端）。負整流板上直接搭鐵。負整流板上一定和殼體相聯接。整流板的形狀各異，有馬蹄形、長方形、半圓形等見圖2-11

　　

　　（四）端蓋

　　端蓋一般分兩部分（前端蓋和後端蓋），起固定轉子、定子、整流器和電刷組件的作用。端蓋一般用鋁合金鑄造，一是可有效的防止漏磁，二是鋁合金散熱性能好。

　　後端蓋上裝有電刷組件，有電刷、電刷架和電刷彈簧組成。電刷的作用是將電源通過集電環引入磁場繞組。見圖2-12

　　

　　磁場繞組（兩隻電刷）和發電機的聯接不同，使發電機分為內搭鐵型和外搭鐵型兩種

　　1．內搭鐵型發電機：磁場繞組負電刷直接搭鐵的發電機（和殼體直接相連）。見圖2-13a

　　

　　2．外搭鐵型發電機：磁場繞組的兩隻電刷都和殼體絕緣的發電機。見圖2-13b

　　外搭鐵型發電機的磁場繞組負極（負電刷）接調節器，通過後再搭鐵。

　　二、8管交流發電機

　　8管交流發電機（如夏利車用）和6管交流發電機的基本機構是相同的，所不同的是整流器有8隻矽整流二極體，其中6隻組成三相全波橋式整流電路，還有2隻是中性點二極體，1隻正極管接在中性點和正極之間，1隻負極管接在中性點和負極之間。對中性點電壓進行全波整流。（見圖2-14）

　

　

　　試驗表明：加裝中性點二極體的交流發電機在結構不變的情況下可以提高發電機的功率10%～15%。

　　中性點二極體提高發電機功率的原理：

　　交流發電機中性點電壓為三次諧波，隨著發電機轉速的提高，中性點三次諧波電壓也升高。見圖2-15

　　

　　當中性點電壓瞬時值高於三相繞組的最高值時，中性點正極管導通對外輸出電流；電流迴路為：中性點→中性點正極管→負載→某一負極管→定子繞組→中性點。

　　當中性點電壓瞬時值低於三相繞組的最低值時，中性點負極管導通對外輸出電流；電流迴路：中性點→定子繞組→某一正極管→負載→中性點負極管→中性點。由於中性點參與了對外輸出，所以

　　能提高輸出功率。

　　三、9管交流發電機（日車應用較多）9管交流發電機的基本結構和6管交流發電機相同，所不同的是整流器。9管交流發電機的整流器是由6隻大功率整流二極體和3隻小功率勵磁二極體組成的交流發電機。

　　其中6隻大功率整流二極體組成三相全波橋式整流電路，對外負載供電，3隻小功率管二極體與三隻大功率負極管也組成三相全波橋式整流電路專門為發電機磁場供電。所以稱3隻小功率管為勵磁二極體。9管交流發電機電路見圖2-16

　　

　　　　四、11管交流發電機（例如桑塔納車用發電機）如圖2-17

　

　

　　11管交流發電機的整流器由8隻大功率整流二極體（其中2隻中性點二極體）和3隻磁場二極體組成。其它結構和6管交流發電機相同。

　　五、無刷交流發電機

　　由於沒有電刷和集電環，所以不會因為電刷和集電環的磨損和接觸不良造成激磁不穩定或發電機不發電等故障；同時工作時無火花，也減小了無線電幹擾。無刷交流發電機分為爪極式、激磁機式和永磁式三種。

　　（一）爪極式無刷交流發電機見圖2-18

　　

　　1．爪極式無刷交流發電機的結構及工作原理

　　爪極式無刷交流發電機磁場繞組是靜止的，它通過一個磁軛託架固定在後端蓋上，所以，不再需要電刷。

　　兩個爪極中只有一個爪極直接固定在電機轉子軸上，另一爪極則用非導磁聯接環固定在前一爪極上。當轉子旋轉時，一個爪極就帶動另一爪極一起在定子內轉動，當磁場繞組中有直流電通過時，爪極被磁化，，就形成了旋轉磁場。磁路如圖2-18所示

　　2.優點

　　（1）結構簡單、維護方便、工作可靠

　　（2）不存在電刷與集電環接觸不良導致的發電不穩或不發電故障。

　　3.缺點

　　（1）爪極間連接工藝困難

　　（2）由於磁路中間隙加大，發電機相同輸出功率下需加大勵磁電流。（二）激磁機式無刷交流發電機見圖2-19

　

　

　　圖2-19為德國波許公司生產的帶有激磁機的無刷交流發電機。它實際上是在一臺爪極式三相交流發電機的基礎上增加了一部專為其激磁的小型矽整流交流發電機，稱為激磁機（圖中4、5、6），激磁機的磁場繞組固定，而三相繞組是轉動的。當發電機轉動時，在激磁機轉子4的三相繞組中感應出三相交流電，在發電機內部經二極體整流後變為直流電，直接供給爪極式三相交流發電機的磁場繞組15激磁發電。

　　這種無刷發電機的優點是磁路中無附加氣隙，因而漏磁少，輸出功率大，但結構複雜。

　　（三）永磁式無刷交流發電機

　　該種發電機與普通發電機不同的是轉子部分——以永久磁鐵作為轉子磁極而產生旋轉磁場，不僅去掉了電刷和滑環，而且不需要磁場繞組和爪極。結構簡單可靠、使用壽命長。轉子常用的永磁材料有鐵氧體、鉻鎳鈷、稀土鈷、釹鐵硼等。

　　由於轉子為永磁結構，所以產生的旋轉磁場強度是不變的、不可調的，因此，不能採用普通交流發電機通過調節器控制磁場電流的辦法來調節發電機的輸出電壓。為解決調壓問題可採用電壓調節器與三相半控橋式整流相配合的辦法，使發電機輸出電壓不隨轉速大幅度變化而變化。

　　圖2-20是永磁發電機電壓控制原理圖。3隻共陽極矽二極體VD1、VD2、VD3與3隻共陰極晶閘管VT1、VT2、VT3組成三相半控橋式整流電路。另外由矽整流二極體VD1～VD6組成三相全波整流電路，為晶閘管控制極提供觸發電壓，與電壓調節器的一個觸點相接，另一個觸點則與晶閘管的控制極相連，電壓調節器的線圈並接在三相半控橋的輸出端，電壓控制原理如下：

　　

　　低速時觸點K閉合，晶閘管控制極獲得正向觸發電壓而導通，當轉速達到一定值時，整流橋可向蓄電池和負載提供全波整流電壓。當整流輸出電壓隨轉速升高而升高到超過額定電壓時，觸點K斷開（因線圈吸力增大），晶閘管因失去正向觸發電壓而截止，因而整流輸出電壓下降。當整流電壓降到一定值時，電壓調節器線圈中電流減小吸力減小而使K閉合，3隻晶閘管重新被觸發導通，又使整流輸出電壓回升。如此反覆，便可使輸出電壓控制在規定範圍內。（觸點式調節器目前已經由電子式或電腦控制的調節器所代替）

　　永磁式交流發電機優點如下：

　　1．體積小、輕、結構簡單、維護方便，使用壽命長。如750W的鈦鐵硼永磁發電機與350W普通交流發電機重量相當。轉子上除軸承外無其他磨損件並開有通風孔，冷卻散熱好，因而壽命可提高兩倍以上。

　　2．由於傳動比大，即發動機轉速低而發電機轉速高，所以發動機低速時發電機充電性能好。

　　3．比功率大，可節約金屬材料。

　　4．無激磁損耗，效率可提高10％以上。

　　5．在電壓控制器中，由於只有控制極約10mA的電流通過觸點，故可降低觸點磨損，電壓調節結構很簡單。

　　6．由於永磁體的磁導率接近空氣的磁導率，使電樞反應磁阻增大，因而感應電勢的非正弦畸變減小，輸出功率增大。

　　六、帶泵交流發電機

　　帶泵交流發電機的發電機與普通交流發電機完全一樣，不同的是轉子軸很長並伸出後端蓋，利用外花鍵與真空泵的轉於內花鍵相連接，驅動真空泵與發電機轉子同步旋轉，給汽車制動系中的真空筒抽真空，為制動系的真空增壓器提供真空源，主要用於沒有真空源的柴油機（汽油機可直接從進氣歧管處取得真空。制動時因節氣門幾乎關閉而在進氣歧管中形成高真空，而柴油機無節氣門）。國產JFB2525型帶泵交流發電機外形如圖2-21所示。

　　

　　七、汽車雙整流發電機

　　雙整流發電機是一種最新型交流發電機，它大大改善了普通交流發電機低速充電性能和高速最大功率輸出，又不增設比較複雜的控制電路，因此也沒有增加充電系的故障率。

　　1．結構原理

　　如圖2-22所示。在普通交流發電機三相定於繞組基礎上，增加繞組匝數並引出接線頭，增加一套三相橋式整流器。低速時由原繞組和增繞組串聯輸出，而在較高轉速時，僅由原三相繞組輸出。工作中高低速供電電路的變換是自動的，沒有增設任何機電控制裝置，其工作原理分析如下：

　　

　　在低速範圍內，由於發電機轉速低，三相繞組的串聯輸出，提高了發電機的輸出電壓，使發電機低速充電性能大大提高。在高速範圍內，隨著發電機轉速的增大，串接的三相繞組的感抗增大，內壓降增大，再加上電樞反應加強，使輸出電壓下降。這時原三相繞組A、B、C因內壓降較小，產生的感應電流相對較大，確保高速下的功率輸出。

　　2．雙整流發電機的優點有；

　　（1）既降低了發電機的充電轉速，又保證了高速大電流輸出，提高了發電機的有效功率。雙整流發電機比普通發電機最低充電轉速降低了200－300r／min，在低速下發電機即可輸出電流達10A；而額定電壓及額定電流下的轉速不大於2500r／min。

　　（2）結構簡單，工作可靠，只在定子槽中增加繞組匝數，增加一套三相橋式整流。

　　八感應子式交流發電機

　　感應子式交流發電機也是一種無電刷交流發電機，由定子、轉子、整流器和機殼組成。它的轉子是由齒輪狀鋼片鉚成，其上有若於個沿圓周均勻分布的齒形凸極，而沒有磁場繞組。磁場繞組和電樞繞組均安放在定子槽中，如圖2-23所示。

　　

　　當磁場繞組3通人直流電後，在定子鐵心1中產生固定磁場（右上部、左下部為S極；左上部、右下部為N極）。由於轉子4凸齒部分磁通容易通過，磁感應強度最大，從而形成磁極。但轉子的每個凸齒是沒有固定極性的，當它對著定子N極就是S極，對著S就是N極。

　　轉子凸齒在不運動的磁場內旋轉時，當凸齒對著定子凸齒時，磁通量最大，當轉子槽對著走子凸齒時則磁通量最小。因此，轉子旋轉時，定子凸齒內產生脈動磁通，在定子繞組中感應出交變電動勢。將電樞繞組以一定的方式連接起來，並經整流，便可得直流電。

　　感應子式交流發電機中電樞繞組交流電動勢的頻率恆等於Zn/60（Z為轉子齒數，n為轉子轉速），與磁場繞組形成的磁極對數無關，這與同步交流機的本質不同。感應子式無刷交流發電機機質量比功率較低。

　　汽車交流發電機一般安裝在發動機前部的右側或左側。在發動機上的固定方式可以分為單掛腳、雙掛腳、抱持式3種。（在將發電機安裝於其支架上後，借發電機的調整臂將發電機的驅動皮帶張力調整至適當的程度。皮帶不能張的太緊，如太緊會使發電機端蓋及軸承容易損壞；也不能張的太松，如太松會使發電機運轉時皮帶打滑，影響發電機的正常工作。發電機的緊固螺栓應擰得很牢固，防止螺母鬆動。緊固螺栓的直徑必須與發動機曲軸皮帶槽的中心對齊，過大的偏斜容易使皮帶過早磨損，其偏斜度一般要求不超過1mm。）

　　交流發電機的接線方法

　　1）6管交流發電機在沒有中性點抽頭的情況下，它的引出線接線柱有3個：輸出、磁場、搭鐵。

　　輸出端用B表示，也有用A表示的，國外的交流發電機大都用B或D﹢表示；

　　磁場端用F表示，搭鐵端用E表示，也有用D—表示的。

　　2）6管交流發電機有中性點抽頭時，它有4個引出線接線柱，其中除B、F、I之外，發電機三相繞組中性點引出線為N。例如豐田汽車發電機與調節器的接線如圖2—26所示。

　　

　　3）9管發電機在沒有中性點抽頭的情況下，它有4個引出線接線柱，除B、F、E之外，磁場二極體的輸出端為L。