汽车发电机和起动机详解

(4)盖和电刷总成 交流发电机的前后端盖均由铝合金压铸或用砂模铸造而成，这 是因为铝合金为非导磁性材料，可减少漏磁并具有轻便、散热性能 良好的优点。为提高轴承孔的机械强度，增加其耐磨性，在发电机 端盖的轴承孔内镶有钢套。
电刷总成由两只电刷、电刷弹簧和电刷架组成，如图4-8所示。 两只电刷装在电刷架的孔内，借电刷弹簧的压力与滑环保持接触， 用于给发电机转子绕组提供磁场电流。电刷架由酚醛玻璃纤维塑料 模压而成或用玻璃纤维增强尼龙制成，安装在发电机的后端盖上。 目前国产交流发电机的电刷架有两种结构，一种电刷架可直接从发 电机的外部拆装，因此，拆装维修方便；另一种则不能直接从发电 机外部进行拆装，如需更换电刷，还需将发电机拆开，故这种结构 将逐渐被淘汰。
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根据电工学原理，交流发电机在星形联结时，任意两个输出端 的输出电压(称线电压U)、输出电流(称为线电流IL)与每相绕组的相 电压UP、相电流IP，的关系为 UL= up 式中，UL——定子绕组输出的线电压 UP——每相绕组的相电压 IL=IP 式中，IL——定子绕组输出的线电流 IP——每相绕组的相电流 在交流发电机中，一般通过整流 器将交流电整流为直流电，供给汽车 电气系统使用。关于整流原理将在本 书第五章讲解，本节不做介绍。
学习目标
1．了解发电机的基本工作原理 2．掌握汽车交流发电机的构造和工作原理 3．掌握汽车交流发电机的型号命名方法 4．了解汽车交流发电机的工作特性
学习要求
应知：汽车交流发电机的基本工作原理，工作特性 应会：汽车交流发电机的拆解，各结构部件的辨识。掌握汽车交流发电机 型号含义。
一、发电机的基本工作原理
1．电磁感应定律 如果在导线和磁场之间存在相对运动，导线中就会产生电流， 这种现象称为电磁感应。产生的电流数值受以下因素影响： (1)导线和磁场运动的相对速度。 (2)磁场的强度。 (3)穿过磁场的导线数量。 操作：如图4-1所示，将多股导线穿过U形磁铁中心(磁场最强的 地方)，手持磁铁在导线附近快 速移动，观察微安表的指针摆动 情况。当指针摆动不明显时，可 增加导线股数或加快磁铁移动速 度。 提示：当导线垂直切割磁感 线运动时，产生的电流最大；当 导线平行于磁感线运动时，不产 生电流。
式中， Em——每相电动势的最大值 EФ——每相电动势的有效值 ω——电角速度(ω=2πf) 发电机每相绕组中所产生的电动势的有效值为 EФ=4.44KFNФ 式中，K——绕组系数(交流发电机采用整距集中绕组时K=1) F——感应电动势的频率(Hz)，F=Pn／60(P为磁极对数， n为转速以r/min为单位) N——每相绕组的匝数 Ф——每极磁通(Wb) 由公式可知，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，转子转速越高，则绕组内感应电动势也越高。
工作原理如下： 当磁场与导线平行时，导线没有切割磁感线，如图4—2(a)，导线内不 产生电流。 磁场顺时针旋转90。，磁场与导线呈直角，如图4—2(b)，磁场转到这 一点，在N、S极处导线切割的磁感线最多，导线产生的电流为正的最大值。 电流方向是从上部导线流出，下部导线流入。 磁场再继续旋转90。，磁场反方向再次与导线平行，如图4—2(c)，导 线不切割磁感线，导线内不产生电流。 磁场再继续旋转90。，磁场方向上下颠倒，如图4—2(d)，在N、S极处 导线切割的磁感线最多，导线产生的电流为负 的最大值。电流方向是从上部 导线流入，下部导线流出。 磁场转完一圈，返回到与导线平行的位置， 导线内电流为零。 上述讨论的是几个极限位置，在这几个位 置之间过渡时，导线中的电流数值是随着导线 与磁场的相对角度连续变化的。这样磁场旋转 一圈，导线内就产生了一个连续变化、具有几 个特征值的正弦波形(如图4-3所示)。
1．交流发电机的发电原理 如图4-9所示是交流发电机的工作原理图。发电机的三相定子绕 组按一定规律分布在发电机的定子槽中，互相差120。电角度。交流 发电机的磁路是由转子的N极出发，穿过转子与定子之间很小的气隙 进入定子铁心，最后又经过空气隙回到相邻的S极，并通过磁轭构成 了磁回路。转子磁极的形状，可使定子绕组感应的交流电动势近似 于正弦曲线的波形。 当转子旋转时，由于定子绕组与磁感线有相对的切割运动，所 以在三相绕组中产生频率相同，幅值相等，相位互差120。电角度的 正弦电动势eA、eB和eC。三相绕组中电动势的瞬时值方程式为
转子的作用是产生磁场，转子由铁心、励磁绕组(又称磁场绕组)、爪极 和滑环组成。 爪极有两块，每块上有六个鸟嘴形磁极，两块爪极安装在转子轴上，爪 极间的空腔内装有转子铁心和励磁绕组。励磁绕组绕在铁心上，铁心压装在 两块之间的转子轴上。 滑环由互相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。励磁绕组的两端分别从内侧爪极上的两个小孔中引出，其中一端焊接在 滑环的内侧铜环上，另一端则穿过内侧铜环上的小孔并焊接在外侧铜环上， 两个铜环分别与发电机的两个电刷接触。当两个电刷与直流电源接通时，励 磁绕组中便 有电流通过， 并产生轴向 磁通，使一 块爪极磁化 为N极，另 一块爪极磁 化为S极， 从而形成六 对相互交错 的磁极。
2．发电机基本工作原理 利用电磁感应现象，就可以制成发电机。图4—2说明了发电机 的基本工作原理。
如图4-2所示，发电机一般由提供磁场的转子和由导线组成的定 子组成。转子(磁场)在定子(导线)中的不断转动，使得磁场与导线 相对运动，产生电流。由于磁场与导线的位置不断变化，所以产生 的电流也是不断变化的。
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μ=常数的情况下， 发电机的输出电流与转速之间的关系，即，I=f(n)的函数关系。 图4-10所示的实验电路可用来测量交流发电机的输出特性。
当开关S1、S2闭合时，电动机拖动发电机运转，随着转速的升 高，发电机达到充电电压。这时，断开他励电源开关S2，发电机开 始自励。调节电动机转速，使发电机电压达到额定值，并记录该转 速n1，n1即为空载转速。闭合开关S3，接通负载电路。逐渐调小负 载R，使电流增大，直到达到最大值。同时不断提高转速，保持发电 机的额定电压不变。以适当的电流间隔作测点，记录对应的转速， 一般不小于7点。据此绘制出交流发电机的输出特性曲线，如图4-11 所示。
磁场旋转一圈，单匝导线上产生的正弦波为单相电流。如果在 转子周围每相隔120。就布置一匝导线，磁场每旋转一圈，在三匝导 线中就会产生三相电流。这样的发电机就称为三相交流发电机，汽 车上的发电机都是三相交流发电机。
二、汽车交流发电机的基本构造
目前国内外生产的汽车交流发电机，其结构基本相同，多是由 三相同步交流发电机和六只硅二极管构成的三相桥式全波整流器所 组成。 现在汽车上的交流发电机多以有刷交流发电机为主。如图4-4所 示为桑塔纳轿车装用的JFZl813Z型交流发电机的结构图。JFZl813Z 型交流发电机为带电压调节器的整体式交流发电机。它主要由转 子、定子、前后端盖、风扇、整流器、元件板等组成。 1．JFZl813Z型交流发电机各部件结构 (1)转子
第一部分为产品名称代号。交流发电机产品名称代号为JF；整 体式交流发电机产品名称代号为JFZ；带泵交流发电机产品名称代号 为JFB；无刷交流发电机产品名称代号为JFW。J表示“交”，F表示 “发”，Z表示“整”，B表示“泵”，W表示“无”。 第二部分为分类代号，即电压等级代号，用1位阿拉伯数字表 示，见表4-1。 第三部分为分组代号，即功率等级代号，用1位阿拉伯数字表 示，见表4-2。 第四部分为设计序号，按产品设计先后顺序，以1～2位阿拉伯 数字表示。 第五部分为变型代号，以汉语拼音大写字母A、B、C……表示。
为了获得最大感应电动势，每个线圈的两条有效边应置于相邻的异性磁 极之下，以使其感应电动势能相互叠加，当线圈的节距等于极距时，便可满 足上述要求，则 y1=yp=Z/2×P 此外，每组绕组的6个线圈在转子旋转的每一瞬时，其电气条件应完全 相同，则在任何时刻，该相总电动势都等于串联的6个线圈电动势之和，只 有这样才能获得最大电动势。由于6对磁极沿圆周对称均匀布置，所以，每 相绕组的6个线圈只要沿定子圆周均匀对称布置即可。 (3)整流器 交流发电机整流器的作用是将 发电机定子绕组产生的三相交流电 变换为直流电，一般由6只硅整流 二极管及其散热板所组成，如图 4—6所示。整流二极管的工作电 流大、反向电压高。交流发电机整 流二极管有正极管和负极管之分， 引出线为二极管正极的称为正极 管，引出线为二极管负极的称为负 极管。
例如JFl52型发电机，表示标称电压为12V，额定功率为500W的 交流发电机，第2次设计；JFWl82型发电机，表示标称电压为12V， 额定功率为l000W的无刷交流发电机，第2次设计；JF27C型发电机， 表示称电压为24V，额定功率为750W的交流发电机，第4次变型。
三、汽车交流发电机的基本工作原理
(2)定子 定子的作用是产生感应电动势，它由定子铁心和定子绕组组成， 结构如图4—5所示。定子铁心一般由相互绝缘且内圆带槽的环状硅 钢片叠成，定子绕组为三相对称绕组，安装在定子铁心的槽内。三 相绕组的连接方法采用星形联结，绕组引线端子共有4个。三相绕 组各引一个，中性点引出一个。
为了保证三相定子绕组能够产生频率和幅值相同、相位相差120。的三相交 流电，定子绕组线圈的绕制和定子铁心槽中的嵌入应符合一定规律。 交流发电机转子的磁极对数决定了三相定子绕组线圈的个数和定子铁心 的槽数。转子上每对磁极必须对应均布于定子铁心槽中三相绕组的三个线圈 以产生三相交流电。每个线圈有两个有效边(即嵌入定子槽中用以切割磁感 线产生感应电动势的边)，分别嵌入定子铁心的两个槽中。由于车用发电机 定子绕组均采用单层绕法，即一个定子槽中只放一个有效边，所以，三个线 圈6个有效边共需6个槽。设转子磁极对数为P，则每相绕组共有P个线圈，2P 个有效边，三相绕组有3P个线圈，3×2P个有效边，定子铁心的槽数为 Z=3×2P 式中， Z——定子铁心槽数 P——磁极对数 为使三相电动势大小相等，每相绕组的线圈个数和每个线圈的节距与匝 数都应完全相等。 每个线圈的两个有效边之间所间隔的距离称为线圈节距y1，通常用定子 槽数表示。而相邻异性磁极中心线之间的距离称为极距y。，一般也用定子 槽数表示，为 yp=Z/2×P 式中，Z——定子总槽数 P——磁极对数
2．交流发电机的励磁方式 励磁方式就是产生磁场的方式。当转子通过电流时，转子就会 产生磁场，转子产生的磁场的大小与流过的电流有关，流过转子的 电流被称为励磁电流。交流发电机开始发电时，需由蓄电池供给励 磁电流，此时为他励。当发电机达到蓄电池电压时，即由发电机自 己供给励磁电流，也就是由他励转变为自励。 3．交流发电机的特性 汽车用硅整流交流发电机的工作特点是传动比大，转速变化范 围大。对于一般汽油发动机来说，其转速变化为1：8，柴油机为1： 5。因此汽车用硅整流交流发电机的特性必须以转速的变化为基础进 而分析各有关量的变化。交流发电机的特性有输出特性、空载特性 和外特性，其中以输出特性最为重要。 (1)输出特性 交流发电机的输出特性，又叫负载特性或输出电流特性。
交流发电机有内搭铁和外搭铁之分，两只电刷引线的接法也不同。 为了保证交流发电机在工作时不致因温升过高而损坏，在交流发电 机转子轴上装有风扇；(用钢板冲制而成或铝合金压铸而成)，后端 盖上有进风口，前端盖上有出风口，当转子轴旋转时，风扇也一起 旋转使空气高速流经发电机内部对发电机进行强制冷却。 操作：拆解JFZl813z型交流发电机，辨别各个组成部件，测量 转子绕组和定子绕组。进一步认清汽车交流发电机的结构。 2．交流发电机的型号 根据JBl546-83《汽车电气产品型号编制方法》规定，国产汽车 交流发电机型号主要由下列五大部分绢成，即