汽车电气技术(2015)3

1-后端盖 2-滑环 3-电刷 4-电刷弹簧 7-电枢绕组 8-电枢铁心 9-前端盖
5-电刷架 6-磁场绕组 10-风扇 11-带轮
1、交流发电机的构造
汽车用普通交流发电机结构大同小异，基本结构都 是由转子、定子、整流器和端盖四部分组成，整体式交 流发电机的不同点是在基本结构的基础上增加了电压调 节器，且都采用集成电路调节器。 （1）转子
具有中性点接线端子的交流发电机电路
4、交流发电机的特性 （1）输出特性 交流发电机的特性中 以输出特性最为重要。 交流发电机的输出特 性又称负载特性或输出电 流特性。它是指发电机向 负载供电时，保持发电机 输出电压恒定（对12V的发 电机规定为 14V ，对 24V 的 发 电 机 规 定 为 28V) ， 即 Ut=C 时，输出电流 I 与转速 n之间的关系。
汽车电气技术（3）
哈工大网络与电气智能化研究所 刘勇 2015（秋）
六、交流发电机构造、工作原理及特性 汽车的用电设备主要靠发电机供电。同时，当蓄电 池存电不足时，发电机又是蓄电池的充电电源。
1-抗干扰电容器 2-集成电路调节器与电刷组件总成 3-电刷端盖 4-整流器总成
5-转子总成 6-定子总成 7-驱动端盖 8-风扇 9-驱动带轮
电压等级代号 电压等级/V 1 12 2 24 3 — 4 — 5 — 6 6
表2-5 电流等级代号
电流等级代号 电流等级/A 1 ～19 2 ≥20 3 4 5 ≥30～39 ≥40～49 ≥50～59
电流等级代号
电流等级/A
6
7
8
9
≥90
≥60～69 ≥70～79 ≥80～89
（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 用字母表示，交流发电机用调整臂位置 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。
可以计算得到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； UΦ——每相绕组的相电压的有效值。 实际上，车用二极管正向导通时，管压降Ud约为0.20.6V ，所以负载电压的实际值应在上述计算值中减去两 个二极管的管压降。 由上述分析可知，三相桥式整流电路中，每只二极 管在交流电的一个周期内，只有1/3时间处于导通状态， 所以每只二极管的平均电流Id只为负载电流的1/3，即
1-滑环
2-转子轴
3-爪极
4-铁心与磁场绕组
汽车交流发电机的转子是发电机的磁极部分，其功 用是产生磁场。转子由爪极、磁场绕组、铁心和滑环组 成。两块爪极上制有6个鸟嘴形磁极，压装在转子轴上， 爪极间的空腔内装有铁心，铁心压装在转子轴上，磁场 绕组绕在铁心上。 滑环由彼此绝缘的两个铜环组成，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 滑环上，两个滑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 电流流过并产生轴向磁场，被磁化的爪极中一块为N极， 另一块磁化为S极，于是就形成了4-8对相互交错的磁极。 国产交流发电机大多是6对磁极。 将转子爪极设计成鸟嘴形状是为了使磁场呈正弦分 布，有利于电枢绕组产生的感应电动势有较好的正弦波 形。
交流发电机的工作原理
a）汽车交流发电机电路 b）感应电动势输出波形
交流发电机是根据电磁感应原理而产生三相交变电 动势的。发电机的转子为磁极，磁极绕组通过电刷和滑 环引入直流电而产生磁场；发电机的定子为电枢，三相 电枢绕组按一定的规律分布在定子的槽中，彼此相差 120°电角度。 当转子旋转时，产生一个旋转的磁场，使得相对静 止的定子电枢绕组切割磁力线而产生感应电动势。由于 转子磁极铁心制作成鸟嘴形特殊结构，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，因此三相电 枢绕组产生的感应电动势按正弦规律变化。 三相绕组中交流电动势瞬时值的表达式为
交流发电机的搭铁形式
a）内搭铁型交流发电机 b）外搭铁型交流发电机
2、交流发电机的型号
（1）产品代号 用字母表示，如JF、JFZ、JFB、JFW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。
（ 2 ）电压等级代号和电流等级代号 数字表示。
分别用 1 位阿拉伯
联结
交流发电机定子绕组展开图
（3）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个整流二极管和二 极管的散热板组成。 汽车交流发电机用整流二极管有正极管与负极管之 分。一个普通交流发电机具有三只正极管和三只负极管。 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。安装三 只正极管的整流板称为正整流板；安装三只负极管的整 流板称为负整流板。有的交流发电机只有正整流板而没 有负整流板，三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，因此这种结 构已被淘汰。
设每只二极管所承受的最高反向电压为UDRM，其值 应为线电压UL的最大值，即 交流发电机直接与用电设备相连时，在用电设备接 通、切断或负荷变动中，均可产生较高的自感电势，这 将直接作用在硅二极管上，所以选择二极管的允许反向 电压时，为了有一定的安全系数，往往高于UDRM计算值 的十几倍到几十倍。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。 当采用Y联结时，三相绕组三个末端的公共接点，称 为中性点，接线端子标记为“ N” 。中性点对发电机外壳 （即搭铁）之间的电压UN，称为中性点电压，中性点电 压的平均值等于交流发电机输出直流电压U的一半。
交流发电机每相绕组中感应产生的电动势有效值为
式中 K——绕组系数，采用整距集中绕组时，K=1； f——感应电动势的频率(Hz)； N——每相绕组的匝数（匝）； Φ——每极磁通(Wb)； Ce——发电机结构常数。 可以看出，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、转子的转速越高，绕组内感应产生 的电动势也就越高。 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。
当定子绕组采用Ｙ联结时
当定子绕组采用△联结时
Ｙ联结
△联结
在交流发电机转速相同的条件下，相电压相同，Y联 结比△联结具有较高的输出电压；当输出线电压相同时， △联结输出电流较大。因此，采用Y联结的交流发电机在 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。所以，大多数车用交流发电机都采用Y联结， 只有少数大功率交流发电机采用△联结。
三相桥式整流电路及电压波形
a）整流电路 b）绕组电压波形 c）整流电压波形
①二极管的导通原则 ◆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，因为正极 电位最高的二极管导通后，就使另两只二极管的负极电 位高于正极而不能导通。 ◆负极管导通原则 因为三只负极管（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，所以三只负极管的导通原则是：在某 一瞬间，负极电位最低者导通，因为该二极管导通后， 就使另两只二极管的正极电位低于负极而不能导通。
硅二极管的外形及符号结构 整流器总成的结构
a）正极管 b）负极管
二极管安装接线示意图
（4）端盖与电刷组件
交流发电机的前、后端盖均用铝合金压铸而成，铝 合金为非导磁材料，可减少漏磁。并具有质量轻、散热 性能好等优点。 在后端盖内装有电刷组件，电刷组件由电刷、电刷 架和电刷弹簧组成。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转子轴上的滑环保持良好 接触。每个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上或后端盖上。 电刷架有两种形式，一种是外装式，从发电机的外部拆 下电刷弹簧盖板即可拆下电刷，拆装检修十分方便，因 此，交流发电机普遍采用。另一种是内装式，需拆开发 电机后才能拆下电刷，由于拆装不便已很少采用。
②整流过程
在 t1-t2 时间间隔内， U 相电位最高， V 相电位最低， 所以二极管 VD1 、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 构成回路。因为二极管的内阻很小，所以U、V两相之间 的线电压都加在负载电阻RL上。 在 t2-t3时间间隔内， U相电位最高，而 W相电位变为 最低，所以二极管 VD1 、 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。 以此类推，六只二极管在一个周期内，以六种不同 组合两两导通依次循环，周而复始，使负载电阻两端得 到一个比较平稳的直流脉动电压U。
（2）整流原理 三相桥式整流电路由6只硅二极管组成。其中，VD1, VD3、VD5的负极（壳体）压装在元件板或正整流板上， 它们的正极分别接在三相定子绕组始端U、V、W，故称 为正极管；另外三只二极管VD2、VD4、VD6的正极（壳 体）压装在后端盖或负整流板上，负极则分别接在三相 绕组始端U、V、W，故称为负极管。
电刷组件
a）外装式 b）内装式
磁场绕组的一端经滑环和电刷，通过与发电机端盖 绝缘的磁场接线柱（标“ F” 或“磁场”）相连接，另一 端通过引线与发电机外壳相接，这种搭铁方式的发电机 称为内搭铁型交流发电机；磁场绕组的两端经滑环和电 刷，通过引线均与绝缘接线柱（标“F+”、“F-”或“F1” 、 “F2”）相连，经调节器搭铁的，称为外搭铁型交流发电 机。大多数汽车均采用外搭铁型交流发电机。 交流发电机前端盖之前装有带轮，由发动机通过风 扇传动带驱动发电机轴旋转。一般在带轮后还装有叶片 式风扇，用铝合金板或钢板冲压或焊接而成。当风扇与 带轮一起转动时，通过前、后端盖上的通风口，空气便 将内部热量带出，达到强制通风散热之目的，这称为外 装式风扇。近年来，为提高发电机的效率、减小发电机 的体积，又出现了内装式风扇，即风扇叶片直接设置在 发电机转子上。