汽車發電機工作原理

整體式交流發電機工作原理、

結構及主要零部件的功能簡介

一、概述

發電機是汽車的主要電源，其功用是在發動機正常運轉時，向除啟動機外的所有用電設備供電，同時給蓄電池充電，汽車用發電機可分為直流發電機和交流發電機，由於交流發電機的性能在許多方面優於直流發電機，直流發電機已被淘汰。目前汽車採用三相交流發電機，內部帶有二極體整流電路，將交流電整流為直流電，所以，汽車交流發電機輸出的是直流電。交流發電機必須配裝電壓調節器，電壓調節器對發電機的輸出電壓進行控制，使其保持基本恆定，以滿足汽車用電器的需求。

二、交流發電機的分類

一、交流發電機的分類

 1.按總體結構分

 （1）普通交流發電機。這種發電機即無特殊裝置，也無特殊功能特點，使用時需要配裝電壓調節器。

 （2）整體式交流發電機，發電機和調節器製成一個整體的發電機。

 （3）帶泵的交流發電機。發電機和汽車制動系統用真空助力泵安裝在一起的發電機。

 （4）無刷交流發電機，不需要電刷的發電機。

 （5）永磁交流發電機，轉子磁極為永磁鐵製成的發電機

我們的產品主要以整體式交流發電機、帶泵交流發電機為主。

2、按輸出電壓分為14V和28V兩大類

3、按發電機的輸出電流分有很多種，我們的產品主要有25A、35A、55A、70A、75A、80A、90A、100A、110A、120A、140A、150A等。

三、交流發電機的型號

根據中華人民共和國汽車行業標準QC/T73-93《汽車電器設備產品型號編制方法》的規定，汽車交流發電機型號組成如下：
1. 產品代號

產品代號用中文字母表示，例：JF——普通交流發電機 JFZ——整體式（內置調節器）交流發電機 JFB——帶泵的交流發電機 JFW——無刷交流發電機

2. 電壓等級代號
　　電壓等級代號用一位阿拉伯數字表示，例：1表示12V系統，2表示 24V系統，6表示6V系統。

3. 變形代號

變形代號現在主要為各生產廠根據自己的情況進行編排，沒有固定的代號。

例：JFZ2972為28V整體式交流發電機

    JFZB1990為14V整體式帶泵交流發電機

四、整體交流發電機的工作原理

1. 工作原理

當外電路通過電刷使勵磁繞組通電時，便產生磁場，使爪極被磁化為N極和S極。當轉子旋轉時，磁通交替地在定子繞組中變化，根據電磁感應原理可知，定子的三相繞組中便產生交變的感應電動勢。這就是交流發電機的發電原理。

由原動機（即發動機）拖動直流勵磁的同步發電機轉子，以轉速n(rpm)旋轉，三相定子繞阻便感應交流電勢。定子繞阻若接入用電負載，電機就有交流電能輸出，經過發電機內部的整流橋將交流電轉換成直流電從輸出端子輸出。

交流發電機分為定子繞組和轉子繞組兩部分，三相定子繞組按照彼此相差120度電角度分布在殼體上，轉子繞組由兩塊極爪組成。當轉子繞組接通直流電時即被勵磁，兩塊極爪形成N極和S極。磁力線由N極出發，透過空氣間隙進入定子鐵心再回到相鄰的S極。轉子一旦旋轉，轉子繞組就會切割磁力線，在定子繞組中產生互差120度電度角的正弦電動勢，即三相交流電，再經由二極體組成的整流元件變為直流電輸出。

當開關閉合後，首先由蓄電池提供電流。電路為：

   蓄電池正極→充電指示燈→調節器觸點→勵磁繞阻→搭鐵→蓄電池負極。此時，充電指示燈由於有電流通過，所以燈會亮。

   但發動機起動後，隨著發電機轉速提高，發電機的端電壓也不斷升高。當發電機的輸出電壓與蓄電池電壓相等時，發電機「B」端和「Ｄ」端的電位相等，此時，充電指示燈由於兩端電位差為零而熄滅。指示發電機已經正常工作，勵磁電流由發電機自己供給。發電機中三相繞阻所產生的三相交流電動勢經二極體整流後，輸出直流電，向負載供電，並向蓄電池充電。

2.勵磁方式

除了永磁式交流發電機不需要勵磁以外，其他形式的交流發電機都需要勵磁，因為它們的磁場都是電磁場，必須給勵磁繞組通電才會有磁場產生而發電，否則發電機將不能發電。將電流引入到勵磁繞組使之產生磁場稱為勵磁。交流發電機勵磁方式有自勵和他勵兩種。

（1）他勵

在發電機轉速較低時（發動機未達到怠速轉速），自身不能發電，需要蓄電池供給發電機勵磁繞組電流，使勵磁繞組產生磁場來發電。這種由蓄電池供給磁場電流發電的方式稱為他勵發電。

(2)自勵

隨著轉速的提高（一般在發動機達到怠速時），發電機定子繞組的電動勢逐漸升高並能使整流器二極體導通，當發電機的輸出電壓大於蓄電池電壓時，發電機就能對外供電了。當發電機能對外供電時，就可以把自身發的電供給勵磁繞組，這種自身供給磁場電流發電的方式稱為自勵發電。交流發電機勵磁過程是先他勵後自勵。當發動機達到正常怠速轉速時，發電機的輸出電壓一般高出蓄電池電壓1～2V以便對蓄電池充電，此時，由發電機自勵發電。不同汽車的勵磁電路各不相同，但有一個共同特點是，勵磁電路都必須由點火開關控制。

圖為星形接法交流發電機的勵磁電路

五、整體交流發電機的結構

整體式交流發電機一般由定子、轉子、整流橋（橋式整流器）、調節器總成（由電刷組件和調節器組成）、前後端蓋、軸承、風扇、皮帶輪等組成。

交流發電機結構示意圖

     1、轉子

      轉子的功用是產生磁場。轉子由爪極、勵磁繞組、滑環、轉子軸等組成，如圖所示

                      圖為轉子解體示意圖

轉子軸上壓裝著兩塊爪極，爪極被加工成鳥嘴形狀，爪極空腔內裝有勵磁繞組和磁軛。滑環由兩個彼此絕緣的銅環組成，壓裝在轉子軸上並與軸絕緣，兩個滑環分別與勵磁繞組的兩端相連。當給兩滑環通入直流電時，勵磁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（或八對）相互交錯的磁極。當轉子轉動時，就形成了旋轉的磁場。如下圖所示：

1-磁軛  2-磁場繞組  3、4-磁極

5-定子鐵心  6-定子繞組  7-軸  8-漏磁通

2、定子

    定子又稱為電樞。定子的功用是產生交流電。當激磁電流作用於轉子繞組，轉子軸在發動機正時齒輪的帶動下轉動，在定子繞組中產生感應電動勢。

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）

定子三相繞組的接法有兩種

星形接法的特點是線電流等於相電流，且三相

的一端連接在一起。中性點電壓的瞬時值是一個

三次諧波電壓，中性點電壓的平均值為發電機輸出

電壓（平均值）的一半，帶有中性點接線柱的發電

機可用中性點電壓來控制各種用途的繼電器。

（如右圖所示）

三角形接法的特點是線電流等於相電流，且三相連接成一個閉環，無中性點。如圖所示：

定子安裝在轉子的外面，和發電機的前後端蓋固定在一起，當轉子在其內部轉動時，引起定子繞組中磁通的變化，定子繞組中就產生交變的感應電動勢。定子由定子鐵心和定子繞組（線圈）組成。定子鐵心由內圈帶槽、互相絕緣的矽鋼片疊成。定子繞組有三組線圈(3相繞組)，3相繞組彼此相隔120度對稱的嵌放在定子鐵心的槽中。三相繞組的連接有星形接法和三角形接法兩種，都能產生三相交流電。

定子示意圖

3、整流橋（又叫整流器）

整流橋的功用是將定子繞組的三相交流電變為直流電輸出。整流器由整流板、整流二極體和激磁二極體組成。二極體只允許電流單向通過，所以將其接入交流電路時它能使電路中的電流只按單向流動，即所謂「整流」。整流二極體一種具有單向導電性的半導體器件,能將交流電能轉變為直流電能。將交流電源整流成為直流電流的二極體叫作整流二極體，整流二極體分為正極管和負極管兩種，分別壓裝（或焊裝）在相互絕緣的兩塊板上組成的。正二極體的中心引線為二極體正極，外殼為負極。正二極體的外殼壓裝或焊裝在元件板上，共同組成發電機的正極，由一個與後端蓋絕緣的元件板固定螺栓通至機殼外，成為發電機的B+輸出釘。

4、端蓋及電刷組件

端蓋一般分兩部分（驅動端蓋和電刷端蓋），起支撐轉子、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。電刷端蓋上裝有電刷組件。不帶調節器的電刷組件由電刷、電刷架和電刷彈簧組成，帶調節器的電刷組件由電刷、電刷架、電刷彈簧及調節器組成。電刷的作用是將電源通過滑環引入勵磁繞組。兩個電刷分別裝在電刷架的孔內，藉助彈簧壓力與滑環保持接觸。電刷和滑環的接觸應良好，否則會因為磁場電流過小，導致發電機發電足。

電壓調節器是把發電機輸出電壓控制在規定範圍內的裝置，其功用是在發電機轉速變化時，自動控制發電機電壓保持恆定，使其不因發電機轉速高時電壓過高燒壞用電器和導致蓄電池過充電；也不會因發電機轉速低而電壓不足導致用電器工作失常。

電刷組件示意圖

5．皮帶輪及風扇

交流發電機的前端裝有皮帶輪和風扇，由發動機通過傳動帶驅動發電機的轉子軸和風扇一起旋轉。發電機工作時，定子繞組和勵磁繞組中都會有熱量產生，溫度過高會燒壞導線的絕緣導致發電機不能正常工作，所以為發電機散熱是必須的。發電機的通風散熱是靠風扇來完成，（由鋁合金或鋼板衝壓而成）發電機有1-2個風扇，對於只有一個風扇的發電機，風扇均裝於前端蓋與帶輪之間；對於有兩個風扇的發電機，有的是在轉子爪極兩側各焊裝一個，有的是一個風扇裝於前端蓋與皮帶輪之間，另一個風扇裝在後端蓋與轉子爪極之間

六、汽車交流發電機的性能指標

1．額定電壓

    交流發電機的電壓受電壓調節器控制，一般比較穩定，只是在發動機啟動階段略有變化，正常情況下，發動機達到怠速轉速時，發電機的輸出電壓應能達到一個穩定值，這個電壓值稱為發電機的額定電壓（12V系統的發電機額定電壓為14V，24V系統的發電機額定電壓為28V）。

2．空載轉速

    交流發電機不帶負載，能夠達到額定電壓時的初始轉速值定為空載轉速，空載轉速在發電機出廠時通過試驗確定，列入產品說明書。空載轉速是汽車設計時選擇發動機和發電機速比的主要依據，也是發電機使用過程中性能是否下降的評價指標之一。

3．額定電流和額定轉速

    交流發電機受結構、轉速等條件的限制，對外輸出電流的能力是有限的，為了評價發電機的對外輸出電流能力，把發電機輸出最大電流的2/3定為發電機的額定電流，達到額定電流時的轉速定為額定轉速。發電機出廠時，通過試驗確定額定轉速和額定電流，並列入產品說明書，發電機的額定轉速和額定電流是評價發電機性能的重要指標。