设备管理_交流发电机知识讲座

第二章交流发电机 1 了解交流发电机的功用 分类 2 掌握发电机的结构 工作原理及检测维修方法 3 掌握汽车充电系的组成 电路及检测维修方法 4 了解调节器的工作原理5 掌握调节器的检测方法 学习目标 发电机是汽车的主要电源 见图 功用 在发动机正常运转时 怠速以上 向所有用电设备 起动机除外 供电 同时向蓄电池充电 如图所示 一 汽车发电机的功用 1 交流发电机的分类 1 按照调节器是否单独安装 分为两类 调节器单独安装 普通硅整流发电机 调节器安装在发电机内部 整体式硅整流发电机 2 按照总体结构 分为五类 a 普通交流发电机 使用时需要配装电压调节器的发电机 例JF132 EQ140用 b 整体式交流发电机 发电机和调节器制成一个整体的发电机 例别克轿车的发动机上装配的是CS型发电机 包括CS 121 CS 130和CS 144三种不同的型号 如图c 带泵交流发电机 和汽车制动系统用真空助力泵安装在一起的发电机 例JFZB292发电机 d 无刷交流发电机 不需要电刷的发电机 例JFW1913e 永磁交流发电机 磁极为永磁铁制成的发电机 1整体式交流发电机2带泵式交流发电机3无刷时交流发电机 1 2 3 3 按整流器结构分四类 1 六管交流发电机例JF1522 东风汽车用 2 八管交流发电机例JFZ1542 天津夏利汽车用 3 九管交流发电机例 日本日立 三凌 马自达汽车用 4 十一管交流发电机例JFZ1913Z 奥迪 桑塔纳汽车用 4 按磁场绕组搭铁形式两分类 1 内搭铁型交流发电机磁场绕组的一端 负极 直接搭铁 和壳体相联 2 外搭铁型交流发电机磁场绕组的一端 负极 接入调节器 通过调节器后再搭铁 三 交流发电机的型号 根据中华人民共和国汽车行业标准QC T73 93 汽车电器设备产品型号编制方法 的规定 汽车交流发电机型号组成如下 1 产品代号产品代号用中文字母表示 例 JF 普通交流发电机JFZ 整体式 调节器内置 交流发电机JFB 带泵的交流发电机JFW 无刷交流发电机2 电压等级代号电压等级代号用一位阿拉伯数字表示 例 1表示12V系统 2表示24V系统 6表示6V系统3 电流等级代号电流等级代号也用一位阿拉伯数字表示 其含义如下表所示 表2 1电流等级代号4 设计序号设计序号用1 2位阿拉伯数字表示 表示产品设计的先后顺序 5 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 调整臂在左边用 表示 调整臂在右端用 表示 调整臂在中间不加标记 注 进口发电机不符合上述标准 举例 JFZB292含义是电压等级为24V 输出电流大于90A 第二代设计 调整臂位于中间的整体带泵式交流发电机 第二节交流发电机的工作原理 一 交流发电原理二 整流原理 一 交流发电原理 交流发电机的发电原理如图2 2所示 1 在发电机内部有一个由发动机带动转子 旋转磁场 2 磁场外有一个定子绕组 绕组有3组线圈 3相绕组 3相绕组彼此相隔120度3 当转子旋转时 旋转的磁场使固定的电枢绕组切割磁力线 或者说使电枢绕组中通过的磁通量发生变化 而产生电动势 1 定子3相绕组感生电动势的大小为 其中 Em 每相电动势的最大值 电角速度f 交流电动势的频率 为转速的函数 p 磁极对数n 发电机转速 r min E 每相电动势的有效值 2 定子每相电动势的有效值K 绕组系数 和发电机定子绕组的绕线方法有关 N 每项匝数 匝 每极磁通 Wb Ce 电机结构常数 3 交流电动势波形由此可见 交流电动势的幅值是发电机转速的函数 因此 当转速n变化时 三相电动势的波形为变频率 变幅值的交流波形 4 定子三相绕组的接法定子三相绕组的接法有两种 1 星形接法IL I IL 线电流I 相电流 2 三角形接法中0UL U 二 整流原理交流发电机定子的三相绕组中 感应产生的是交流电 是靠六只二极管组成的三相桥式整流电路变为直流电的 二极管具有单项导电性 当给二极管加上正向电压时 二极管导通 当给二极管加上反向电压时 二极管截止 二极管的导通原则如下 1 二极管的导通原则当三只二极管负极端相连时 正极端电位最高者导通 当三只二极管正极端相连时 负极端电位最低者导通 2 整流过程分析 1 整流时二极管导通条件 对于三个正极管子 D1 D3 D5正极和定子绕组始端相联 在某瞬时 电压最高一相的正极管导通 对于三个负极管子 D2 D4 D6负极和定子绕组始端相联 在某瞬时 电压最低一相的负极管导通 但同时导通的管子总是两个 正 负管子各一个 2 整流过程看一下下面的动画 动画1 三相桥式整流电路中二极管的依次循环导通 使得负载RL两端得到一个比较平稳的脉动直流电压 如图2 2所示 3 发电机输出的直流电压平均值为 U 1 35UL 2 34U 流经每只二极管的电流 ID IL 3 有的发电机具有中性点接线柱 如图2 4 是从三相绕组的中性点引出来的 标记为 N 输出电压为UN 称为中性点电压图2 4带中心抽头的交流发电机中性点电压的瞬时值是一个三次谐波电压 中性点电压的平均值为发电机输出电压 平均值 的一半 即 UN UB 2带有中性点接线柱的发电机可用中性点电压来控制各种用途的继电器 有的发电机没有中性点接线柱 但是也把中性点电压充分的利用了 如夏利 桑塔纳发电机 这些发电机在中性点处接上两只整流二极管 和三相绕组的六只整流二极管一道输出 可提高发电机功率 其工作原理见本章第三节 3 中性点电压 第三节交流发电机的构造 一 6管交流发电机的结构交流发电机一般由转子 定子 整流器 端盖四部份 JF132型交流发电机组件图见图2 5aJF132型交流发电机结构图见图2 5bJF132型交流发电机结构图见图2 5c 图2 5aJF132型交流发电机组件图 2 5bJF132型交流发电机结构图 1 转子转子的功用是产生旋转磁场 转子由爪极 磁轭 磁场绕组 集电环 转子轴组成 见图2 6 转子轴上压装着两块爪极 两块爪极各有六个鸟嘴形磁极 爪极空腔内装有磁场绕组 转子线圈 和磁轭 集电环由两个彼此绝缘的铜环组成 集电环压装在转子轴上并与轴绝缘 两个集电环分别与磁场绕组的两端相连 当两集电环通入直流电时 通过电刷 磁场绕组中就有电流通过 并产生轴向磁通 使爪极一块被磁化为N极 另一块被磁化为S极 从而形成六对相互交错的磁极 当转子转动时 就形成了旋转的磁场 交流发电机的磁路为 磁轭 N极 转子与定子之间的气隙 定子 定子与转子间的气隙 S极 磁轭 见图2 7 定子的功用是产生交流电 定子由定子铁心和定子绕组成 见图2 8A定子铁心由内圈带槽的硅钢片叠成 定子绕组的导线就嵌放在铁心的槽中 定子绕组有三相 三相绕组采用星形接法或三角形 大功率 接法 都能产生三相交流电 三相绕组的必须按一定要求绕制 才能使之获得频率相同 幅值相等 相位互差120 的三相电动势 1 每个线圈的两个有效边之间的距离应和一个磁极占据的空间距离相等 2 每相绕组相邻线圈始边之间的距离应和一对磁极占据的距离相等或成倍数 3 三相绕组的始边应相互间隔2 120o电角度 一对磁极占有的空间为360o电角度 定子 例 国产JF13系列交流发电机三相绕组绕制见图2 8B结构参数如下 磁极对数p6对定子槽数z36槽定子绕组相数m3相每个线圈匝数N13匝绕组联结方法Y型联结在国产JF13系列交流发电机中 一对磁极占6个槽的空间位置 每槽60o电角度 一个磁极占3个槽的空间位置 所以每个线圈两条有效边的位置间隔是3个槽 每相绕组相邻线圈始边之间的距离6个槽 三相绕组的始边的相互间隔可以是2个槽 8个槽 14个槽等 三 整流器交流发电机整流器的作用是将定子绕组的三相交流电变为直流电 6管交流发电机的整流器是由6只硅整流二极管组成三相全波桥式整流电路 6只整流管分别压装 或焊装 在两块板上 1 汽车用硅整流二极管特点 1 工作电流大 正向平均电流50A 浪涌电流600A 2 反向电压高 反向重复峰值电压270V 反向不重复峰值电压300V 3 只有一根引线见图2 9 并且有的二极管引线是正极 有的二极管引线是负极 引出线为正极的管子叫正极管 引出线为负极的管子叫负极管 所以说整流二极管有正二极管和负二极管之分 2 整流管的安装将正极管安装在一块铝制散热板上 称为正整流板 将负极管安装另一块铝制散热板上 称为负整流板 也可用发电机后盖代替负整流板 见图2 10 在正整流板上有一个输出接线柱B 发电机的输出端 负整流板上直接搭铁 负整流板上一定和壳体相联接 整流板的形状各异 有马蹄形 长方形 半圆形等见图2 11 4 端盖端盖一般分两部分 前端盖和后端盖 起固定转子 定子 整流器和电刷组件的作用 端盖一般用铝合金铸造 一是可有效的防止漏磁 二是铝合金散热性能好 后端盖上装有电刷组件 有电刷 电刷架和电刷弹簧组成 电刷的作用是将电源通过集电环引入磁场绕组 见图2 12 磁场绕组 两只电刷 和发电机的联接不同 使发电机分为内搭铁型和外搭铁型两种1 内搭铁型发电机 磁场绕组负电刷直接搭铁的发电机 和壳体直接相连 见图2 13a2 外搭铁型发电机 磁场绕组的两只电刷都和壳体绝缘的发电机 见图2 13b外搭铁型发电机的磁场绕组负极 负电刷 接调节器 通过后再搭铁 5 带轮和风扇 第四节交流发电机工作特性 一 交流发电机的励磁二 交流发电机的工作特性 一 交流发电机的励磁除了永磁式交流发电机不需要励磁以外 其他形式的交流发电机都需要励磁 因为它们的磁场都是电磁场 也就是说必须给磁场绕组通电才会有磁场产生 将电源引入到磁场绕组使之产生磁场称为励磁 交流发电机励磁方式有自励和他励两种 1 他励在发动机起动期间 需要蓄电池供给发电机磁场电流生磁使发电机发电 这种供给磁场电流的方式称为他励发电 2 自励随着转速的提高 发电机的电动势逐渐升高并能对外输出 一般在发动机怠速时发电机就能对外供电了 当发电机能对外供电时 就可以把自身发的电供给磁场绕组生磁发电 这种供给磁场电流的方式称为自励 由于在发动机转速低时交流发电机不能自励发电 所以低速时采取他励发电 当发动机达到正常怠速转速时 发电机的输出电压一般高出蓄电池电压1 2V以便对蓄电池充电 此时 由发电机自励发电 交流发电机的励磁电路如图2 24 3 利用充电指示灯监视发电机的工作情况 1 充电指示灯的作用如图2 25所示 在某些充电系电路中 接有充电指示灯 其作用是 指示发电机是否有故障 警告驾驶员停车后关断点火开关 2 充电指示灯的工作情况如下 在发动机起动期间 发电机电压UD 蓄电池电压时 整流二极管截止 发电机不能对外输出 由蓄电池供给磁场电流 路径为 蓄电池 点火开关 充电指示灯 调节器 磁场绕组 搭铁 蓄电池 充电指示灯亮当发动机转速升高到怠速及其以上时 发电机应能正常发电并对外输出 此时 发电机电压 蓄电池电压 发电机自励 UB UD 充电指示灯两端压降为零 灯熄灭 若没有熄灭 说明发电机有故障或充电指示灯电路有搭铁充电指示灯不仅可指示发电机的工作情况 而且可在发动机停车后发亮 因发电机不再发电 蓄电池电压 UD 提醒司机及时关闭点火开关 二 交流发电机的工作特性交流发电机的工作特点是转速变化范围大 对于一般汽油发动机来说 其转速变化约为1 8 柴油机约为1 5 因此分析汽车用交流发电机的特性必须以转速的变化为基础 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 输出特性输出特性是指在发电机端电压U不变 对12V系列的交流发电机规定为14V 对24V系列的交流发电机规定为28V 其输出电流与转速之间的关系 即U 常数时 I f n 的函数关系 图2 26所示为交流发电机的输出特性曲线 空载转速 满载转速 由特性曲线I f n 可以看出 1 空载转速n1发电机转速小于一定值n1时 对外输出电流为零 当发电机达到额定电压并能对外输出电流时的最小转速为n1 称n1为空载转速 空载转速常用来作为测试发电机性能的参数之一 2 最大电流Imax发电机输出电流能力随转速的升高而增大 但曲线越来越平坦 当转速达到一定值时 无论转速增加多少电流都不再增加 即一定结构的发电机输出最大电流Imax有一定限制 由此可见 交流发电机自身具有限制输出电流防止过载的能力 又称为自我保护能力 交流发电机自我限流的原理如下 交流发电机定子绕组具有一定的阻抗Z 它由绕组的电阻r及感抗XL两部分组成 即式中R 一相绕组的电阻 XL 一相绕组的感抗 XL 2 fL式中L 一相定子绕组的电感 f 感应电动势的频率 P 磁极对数 注 由于XL与n成正比 故发电机定子绕组的阻抗Z随发电机的车速升高而增加 高速时 由于R与XL相比可忽略不计 故阻抗Z约等于XL 定子阻抗Z与转速n成正比 其值较大 产生较大的内压降 另外 定子电流增加时 由于电枢反应的增强 也会使感应电动势下降 两者共同作用的结果 当发电机的转速升高且负载电流达到最大值时 输出电流几乎不随负载电阻的减小或转速的增加而增大 3 额定转速n2额定电流IA发电机出厂时 通过试验 规定了空载转速与额定转速 并列人产品说明书 在使用过程中 可通过检测这两个数据来判断发电机性能的好坏 发电机达到额定电流IA时的转速定为额定转速 图中用n2表示 额定电流一般定为最大输出电流的2 3 空载转速与额定转速是测试交流发电机性能的重要依据 表2 3为国产交流发电机的主要性能指标见书P36 2 空载特性空载特性是研究发电机在空载运行时 其端电压随转速变化的关系 即I 0时 U f n 的曲线 如图2 27所示 3 外特性外特性是研究当发电机转速一定时 其端电压与输出电流的关系 即n 常数时 U f I 的曲线 如图2 28所示 从外特性曲线可以看出发电机电压受负载影响的程度 如果发电机在高速运转时 突然失去负载 发电机电压会突然升高 致使发电机及调节器等内部电子元件有被击穿的危险 第五节交流发电机的电压调节器 一 电压调节器的分类二 电压调节器的工作原理三 电子调节器的结构和工作原理四 电子调节器的应用实例 一 电压调节器的分类A 按工作原理分 1 触点式电压调节器2 晶体管调节器3 集成电路调节器4 电脑控制调节器电脑控制调节器是现在轿车采用的一种新型调节器 由电负载检测仪测量系统总负载后 向发电机电脑发送信号 然后由发动机电脑控制发电机电压调节器 适时地接通和断开磁场电路 即能可靠地保证电器系统正常工作 使蓄电池充电充足 又能减轻发动机负荷 提高燃料经济性 如上海别克 广州本田等轿车发电机上使用了这种调节器 B 按搭铁型式可分为 内搭铁式和外搭铁式 注意 在使用过程中 对于晶体管调节器 最好使用汽车说明书中指定的调节器 如果采用其他型号替代 除标称电压等规定参数与原调节器相同外 代用调节器必须与原调节器的搭铁形式相同 否则 发电机可能由于励磁电路不通而不能正常工作 对于集成电路调节器 必须是专用的 是不能替代的 二 电压调节器的调压原理 交流发电机的三相绕组产生的相电动势的有效值 E Ce n V Ce为发电机的结构常数 n为转子转速 为转子的磁极磁通 也就是说交流发电机所产生的感应电动势与转子转速和磁极磁通成正比 交流发电机调节器的工作原理 当交流发电机的转速升高时 调节器通过减小发电机的励磁电流If来减小磁通 使发电机的输出电压UB保持不变 触点式电压调节器是通过触点开闭 接通和断开磁场电路 来改变磁场电流If大小 晶体管调节器 集成电路调节器等利用大功率三极管的导通和截止 接通和断开磁场电路 来改变磁场电流If大小 晶体管调节器又称为电子调节器 图2 29所示为外搭铁型电子调节器的基本电路 基本电路是由三只电阻R1 R2 R3 两只三极管VT1 VT2 一只稳压二极管VS和一只二极管VD组成 电阻R3既是VT1的分压电阻 又是VT2的负载电阻电阻R1和R2组成一个分压器 分压器R1 R2两端的电压为发电机电压UB R1上得分压为 VT2是大功率三极管 NPN型 和发电机的磁场绕组串联 起开关作用 用来接通与切断发电机的励磁电路 VT1是小功率三极管 NPN型 用来放大控制信号 VD是续流二极管 磁场绕组由接通转为断开状态时 F端为 B端为 经二极管VD构成放电回路 防止三极管VT2被击穿损坏稳压管VS是感受元件 串联在VT1的基极电路中 并通过VT1的发射结并联于分压电阻R1的两端 以感受发电机的输出电压 UR1电压加在稳压管VS上 R1的阻值是这样确定的 当发电机输出电压UB达到规定的调整值时 如桑塔纳为13 5 14 SV UR1电压正好等于稳压管VS的反向击穿电压 2 外搭铁式电子节器的工作原理 1 点火开关SW接通 发电机电压UB 蓄电池电动势时 VT1截止 VT2导通 蓄电池直接供电到磁场绕组 磁场绕组电路为 蓄电池正极 磁场绕组 调节器 接柱 三极管VT2 调节器 接柱 搭铁 蓄电池负极 发电机电压随转速升高而升高 发电机他励 2 发电机电压虽然升高 但如果蓄电池电动势 发电机输出电压UB 调节上限时 VT1继续截止 VT2继续导通 发电机自励且开始对外供电 磁场绕组电路为 发电机正极 磁场绕组 调节器 接柱 三极管VT2 调节器 搭铁 发电机负极 发电机电压随转速升高而继续升高 3 当发电机电压升高到等于调节上限U2时 调节器开始工作 电阻R1 R2分压 UR1 UVS Ube1 VS导通 VT1导通 VT2截止 磁场电路被切断 发电机输出电压迅速下降 当发电机电压下降到等于调节下限U1时电阻R1 R2分压减小 当UR1 UW Ube1 VS截止 VT1截止 VT2重新导通 磁场电路重新被接通 发电机电压上升 发电机电压升到调节上限时 VT2就截止 磁场电路被切断 输出电压下降 降到等于调节下限U1时 磁场电路被接通 发电机电压上升 周而复始 发电机输出电压被控制在一定范围内 配装电子调节器的发电机的输出电压上限U2和下限U1的差值很小 所以发电机的输出电压波动非常小 再加上电容的滤波 所以发电机的输出电压很稳定 内搭铁式电子调节器基本电路见图3 30 原理与外搭铁式类似 四 电子调节器应用实例 1 JFT106型晶体管调节器 1 应用JFT106型调节器属于外搭铁式晶体管调节器 调节电压为13 8 14 6V 可与14V 750W的外搭铁式九管式交流发电机配套 也可与14V 功率小于1000W的外搭铁式六管交流发电机配套 2 外形图2 31aJFT106型晶体管调节器外形图图2 31a为解放CA1092型汽车用JFT106型晶体管调节器外形图 该调节器有 F 和 一 三个接线柱 其中 接线柱与发电机的 Fl 接线柱相接 F 接线柱与发电机的 F2 接线柱相接 一 接线柱搭铁 3 组成与原理2 31b为JFT106型晶体管调节器工作原理图 和图2 33电子调节器的基本电路比较 组成JFT106型晶体管调节器电路的元件要多一些 但工作原理是相同的 JFT106型晶体管调节器元件功用说明 VT2 VT3接成复合管 目的是提高放大倍数 其作用与前述基本电路中的VT2相同 VT1 VD3 R5的作用与前述基本电路相同 R6 R7 R8是偏流电阻 R4是正反馈电阻 起提高三极管开关速度 提高三极管寿命的作用 R1 R2 R3组成分压器 R3是调整电阻 C1 C1是降频电容 起降低三极管开关频率 提高三极管寿命的作用 VD1是VS1的温度补偿管 VD2是分压二极管 防止VT2 VT3的误导通 VS2起过压保护作用 限定发电机的输出电压不超出某定值 保护汽车上的用电设备不因瞬时过电压二损坏 2 集成电路调节器集成电路调节器也叫IC调节器 是根据使用要求 将电路中的若干元件集成在同一基片上 制成一个独立的电子芯片 集成电路调节器装于发电机内部 构成整体式交流发电机 发电机外部有2个或3个接线柱 1 集成电路调节器的检测电路集成电路调节器 根据分压器R1 R2检测点位置不同可分为 发电机电压检测电路 和 蓄电池电压检测电路 两种型式 发电机电压检测电路见图3 32a 分压器R1 R2从发电机输出端 D 端 得到电压 稳压管VS上的电压与发电机的输出电压成正比 所以该电路称为发电机电压检测电路 检测点在发电机上 发电机电压检测电路的优点 发电机到检测电路距离近 可不用导线连接 直接接在发电机输出端 连接可靠 不致使检测电路检测不到信号 发电机电压检测电路的缺点 当发电机到蓄电池之间连接电阻大时 蓄电池充电电压会偏低 使蓄电池充电不足 蓄电池电压检测电路图3 32b 分压器R1 R2从蓄电池输出端得到电压 稳压管VS上的电压和蓄电池端电压成正比 所以该电路称为蓄电池电压检测电路 检测点在蓄电池上 蓄电池电压检测电路优点 直接检测蓄电池端电压来控制发电机的输出 可使蓄电池的充电电压有保证 蓄电池电压检测电路的缺点 当蓄电池和发电机之间的连接不可靠时 会使发电机失控 2 集成电路调节器应用举例图2 33a所示为天津夏利轿车发电机使用的集成电路调节器外形图 该发电机为整体式交流发电机 调节器为内装式外搭铁型 该调节器有6个接线端子F P E三个端子用螺钉直接和发电机连接 B端用螺母固定在发电机的输出端子 B 上 IG L两个端子佣金属线引到调节器的外部接线插座上 图2 33b为夏利轿车调节器电路连接图 磁场电流控制 VT2是大功率三极管 和磁场串联 由集成片IC控制VT2的导通和截止 从而控制磁场电路通断 使发电机电压得到控制 充电指示灯 充电指示灯串接在VT1集电极上 VT1导通充电指示灯亮 VT1截止充电指示灯熄灭 在集成片IC中有控制VT1导通和截止的电路 控制信号由p点提供 p点提供的是发电机单相电压的交流信号 其信号幅值大小可反映发电机输出电压高低 当发电机输出电压低于蓄电池电压时 IC中控制电路使VT1导通 充电指示灯亮 当发电机输出电压高于蓄电池电压时 IC中控制电路使VT1截止 充电指示熄灭 3 发动机电脑控制的调节器图2 34为广州本田雅阁轿车直列4缸发动机配用的发电机调节器电路图 发电机整流器为八管 调节器为内装式外搭铁型 由发电机电脑控制 在汽车电路中有一个负载检测仪 检测电路中总电流负载大小 送信号导电脑 调节器C接线端子送发电机电压信号到电脑 电脑根据这两个信号判断磁场电路应该接通还是断开 输出控制信号到FR端子 驱动调节器的控制电路 适时地接通和断开磁场绕组电路 以此控制发电机的输出电压 5 一旦发现交流发电机或调节器有故障应立即检修 及时排除故障 不应再连续运转 6 为交流发电机配用调节器时 交流发电机的电压等级必须与调节器电压等级相同 交流发电机的搭铁类型必须与调节器搭铁类型相同 调节器的功率不得小于发电机的功率 否则系统不能正常工作