第2章交流发电机及调节器

1、第2章 交流发电机及调节器 学习目标：通过本章的学习，重点掌握发电机的作用，发电机的结构及发电机的发电原理、整流原理及激磁方法，发电机的工作特性，调节器的作用及各种类型调节器的特点；了解无刷发电机。 发电机的功用 车用交流发电机是汽车的主要电源，它与电压调节器互相配合工作，其主要任务是对除起动机以外的所有用电设备供电，并向汽车上的蓄电池充电。 交流发电机相对直流发电机具有的优点：1、体积小，重量轻；2、发动机低速运转时仍能充电；3、结构简单，维修方便，使用寿命长；4、调节器的结构简单；5、对无线电干扰小；6、蓄电池容量可适当减小；7、可节省大量铜材。 汽车用交流发电机，多采用三相同步交流发电机

2、，由6只二极管构成三相桥式全波整流器。交流发电机主要由定子、转子、滑环、电刷、整流二极管、前后端盖、风扇及皮带轮等组成。2.1 交流发电机的构造JF132型交流发电机的组件图1电刷弹簧压盖；2电刷架；3电刷；4后端盖；5硅二极管；6散热板；7转子；8定子总成；9前端盖；10风扇；11皮带轮JF132型交流发电机的结构1后端盖；2滑环；3电刷；4电刷弹簧；5电刷架；6磁场绕组；7定子绕组；8定子铁心；9前端盖；10风扇；11皮带轮 转子是发电机的磁场部分，由两块爪极，磁场绕组，滑环和轴组成。2.1.1 转子 两块爪极被压装在转轴上，且内腔绕有励磁绕组。绕组两端的引线分别焊在与轴绝缘的两个滑环上。

3、两个电刷装在与端盖绝缘的电刷架内，通过弹簧力使其与滑环保持接触。当发电机工作时，两电刷与直流电源连通，可为磁场绕组提供定向电流并产生轴向磁通。使两块爪极被分别磁化为N极和S极。爪极作成鸟嘴状，使感应电动势近似正弦波。转子每转一周，定子的每相绕组上就能产生周期个数等于磁极对数的交流电动势。 定子总成是产生和输出交流电的部件，又叫电枢，由定子铁心和定子绕组组成，如图所示。 定子铁心由相互绝缘的内圆带槽的环状硅钢片叠成。定子槽内置有三相对称绕组，三相绕组大多数采用“Y”形（星形）连结，也有用“”形连结的。2.1.2 定子 为使三相绕组中产生大小相等、相位差120（电角度）的对称电动势，三相绕组的绕法

4、必须遵循一定的原则： （1） 每相绕组的线圈个数、每个线圈的匝数和每个线圈的节距都必须完全相等。（2） 三相绕组的起端A、B、C（或末端X、Y、Z）在定子槽内的排列，必须相隔120电角度。 交流发电机定子绕组的展开图 交流发电机的整流器大多由6只硅二极管组成。负极管子（引线为负极，壳体为正极，打有黑色标记，外壳压装在后端盖，成为发电机的负极。）正极管子（引线为正极，壳体为负极，打有红色标记，外壳压装在铝质元件板上，元件板与后端盖绝缘，成为发电机的正极。）2.1.3 整流器整流器 前后端盖的作用是支承转子总成并封闭内部构造。它由铝合金制成，具有重量轻、漏磁少、散热性能好等特征。2.1.4 前后端

5、盖前后端盖 电刷是通过滑环给励磁绕组提供电流的元件。电刷装在电刷架内，通过弹簧与滑环紧密接触。 电刷架根据发电机类型的不同，其安装位置也有所不同。有的安装在发电机的后端盖上（外装式，可直接从发电机的外部拆装，因此拆装维修方便），这种结构便于电刷的维护与更换；有的与整流器安装在一起（内装式，不能直接从发电机外部进行拆装，如需更换电刷，需将发电机拆开），维护或更换电刷时，需将发电机后端盖上的防护罩拆下。5）电刷与电刷架5）电刷与电刷架2.2.1 发电原理发电原理 蓄电池向转子绕组供电，绕组中产生磁场，发动机带动转子，使转子产生旋转磁场，磁力线与定子绕组产生相对运动，便产生电动势。2.2 交流发电机

6、的工作原理 由于磁极呈鸟嘴状，产生的电动势近似正弦波，三相电动势相位相差120。)34sin(2)34sin()32sin(2)32sin(sin2sintEtEetEtEetEtEemCmBmAEm为电动势最大值， E为电动势有效值 2.2.2 整流过程整流过程硅二极管具有单方向导电特性。当二极管处于正向电压时(即二极管正极电位高于负极电位)，管子呈低电阻，处于“导通”状态；加反向电压(正极电位低于负极电位)时，管子呈高电阻，处于“截止”状态。利用硅二极管的这种单向导电性，就可以组成各种形式的整流电路，把交流电变成直流电。整流过程动画演示整流过程动画演示（1）自激 （2）他激A、在不接外电源

7、时，发电机转子中有剩磁，发电机有可能可以利用剩磁自激发电，但是 由于转子剩磁少，感应出的电动势低； 整流器中二极管有约0.6V的门槛电压，在低于门槛电压时，二极管截止，发电机不能向外供电，所以，只有在较高的转速下，才可能自激发电。B、在发电机转子转速较低时，采用他激。C、当转速达到一定值后，发电机产生的电压达到蓄电池的充电电压，发电机利用定子绕组产生的经过整流的直流电供给激磁绕组，自激发电。2.2.3 激磁方法交流发电机的激磁回路1电压调节器 2激磁绕组他激他激 动画演示动画演示自激自激 动画演示动画演示九管交流发电机的原理图1激磁绕组 2激磁二极管 3充电指示灯4调节器 5负载电阻2.3 交

8、流发电机的特性 交流发电机转速变化范围很大，我们要用好交流发电机，就必须了解转速变化时，输出电流、端电压会有什么样的变化。 交流发电机的特性是指输出电流输出电流、端电压端电压与转速转速变化之间的关系。 交流发电机的特性有空载特性、输出特性、外特性等。2.3.1 输出特性 输出特性也称负载特性或输出电流特性，是指当交流发电机保持输出电压一定时，发电机的输出电流与转速之间的关系。 U不变，I与n之间的关系，即 I=f (n) 由输出特性可知： （1）发电机转速较低时，其端电压低于额定电压，此时发电机不向外供电。当发电机空载时电压达到额定电压值的转速n1，称为空载转速。只有当发电机转速高于n1时才可

9、能向外供电，所以n1常用作选择发电机与发动机速比的主要依据。 由输出特性可知： （2）发电机达到额定功率时的转速称为满载转速n2。空载转速和满载转速是交流发电机的主要指标，在产品说明书中均有规定。使用中，只要测得这两个数据，与规定值作比较，便可判断发电机的性能是否良好。 由输出特性可知： （3）当发电机转速达到一定值以后，发电机输出电流就不再随转速的升高和负载电阻的减小而增大，这时的电流值称为发电机的最大输出电流或限流值。这个性能表明，交流发电机具有自动限制电流的自我保护能力。交流发电机的最大输出电流约为额定电流的15倍。交流发电机能自动限流的原因：（1）定子绕组阻抗 转速即f ，使得XL ,

10、Z ,内阻压降 ，端电压 （2）定子电流，电枢反应增强，感应电动势 2X L22fLXrZL其中 当定子绕组流过三相对称的电流时，将产生电枢(定子)磁场。电枢磁场对主磁场（转子）必将产生影响，这种影响就叫电枢反应。 2.3.2 空载特性 空载特性是指无负荷时，发电机端电压与转速的变化规律。即I0时，Uf(n) 的函数关系。 随着转速的升高，端电压上升较快。由他激转入自激发电，即能向蓄电池进行补充充电。交流发电机低速充电性能好。空载特性是判定交流发电机充电性能是否良好的重要依据。 2.3.3 外特性 外特性是指发电机转速保持一定时，发电机的端电压与输出电流的关系。 n一定时，U与I的关系，即U=

11、f(I) （1）发电机的转速越高，在相同电压下其输出电流越大或相同电流下其输出电压越高。 （2）当保持在某一转速时，端电压均随输出电流的增大而相应下降得较快。 原因： 发电机的输出电流增大，随着电枢反应增强，导致定子绕组中的感应电动势下降，引起端电压的下降。 发电机的输出电流增加，使得发电机内压降增大，引起端电压下降。 当端电压下降较多时导致励磁电流减小，引起磁场减弱，从而导致发电机端电压进一步下降。 电压调节器的功用电压调节器的功用 从交流发电机的空载特性曲线可以看出，随着发电机转速的升高，其端电压上升较快，为了保证用电设备正常工作，防止蓄电池过充电及损坏电子装置，交流发电机必须配用电压调节

12、器，使其在发电机转速变化较大的情况下，输出电压保持稳定。2.4 电压调节器 汽车常用电压调节器的形式： 1、电磁振动式 2、晶体管式 3、集成电路式 2.4.1 电磁振动式调节器电磁振动式调节器 1.双级电磁振动式调节器 (1) 基本线路和工作原理 由交流发电机的工作原理可知，对于某一发电机而言，要实现对其电压的调节，只能通过改变发电机的转速和磁通量的大小来达到目的。而磁通量的大小又是由激磁绕组中电流的大小来决定的，因此，发电机的电压调节一般是通过控制激磁电流的大小来实现的。 电磁振动式电压调节器是利用触点的开闭，使激磁电路中串入或隔除附加电阻R1来调节激磁电流，从而达到调节电压的目的。附加电

13、阻的阻值越大，则电压调节起作用的转速范围就愈宽。 电磁振动式调节器的工作原理电磁振动式调节器的工作原理双级电磁振动式调节器工作原理双级式电压调节器电压调节特性（1）当蓄电池电压高于发电机电压时， K1闭合，蓄电池向励磁绕组供电，回路为：蓄电池正极K1触点励磁绕组。 电磁振动式调节器的工作原理电磁振动式调节器的工作原理双级电磁振动式调节器工作原理双级式电压调节器电压调节特性（2）随着发动机转速的提高，发电机电压高于蓄电池电压并达到第一级调节电压时，流经磁化线圈的电流 产生吸力使K1打开，电阻R1 串入励磁回路，励磁电流减少，发电机电压下降，K1又闭合，如此往复，使n1-n2范围内，保持发电机的输

14、出电压平均值不变。 电磁振动式调节器的工作原理电磁振动式调节器的工作原理双级电磁振动式调节器工作原理双级式电压调节器电压调节特性（3）当发动机的转速进一步升高， n2-n3范围内，发电机的电压继续上升。当流经磁化线圈L中的电流产生的吸力足使K1一直打开，Rl一直串入励磁回路中，励磁电流和端电压都随着发电机转速的升高而升高，低速触点失去调节作用，活动触点处在中间位置，称为失控区。 电磁振动式调节器的工作原理电磁振动式调节器的工作原理双级电磁振动式调节器工作原理双级式电压调节器电压调节特性下一页动画演示下一页动画演示（4）当发动机的转速进一步升高，高于n3时，发电机的电压继续上升。当流经磁化线圈L

15、中的电流产生的吸力足使K2闭合时，将励磁线圈短路，发电机电压迅速下降，K2又打开，励磁回路又串入Rl，如此保持发电机的端电压平均值不变。调节器工作原理调节器工作原理 动画演示动画演示 关于附加电阻关于附加电阻R1的讨论的讨论 由于交流发电机的转速比直流发电机高，所需R1较大，触点打开时、会产生强烈的火花，使触点烧蚀。这是因为触点间火花的大小取决于触点的切断功率。即PK=IKUK=If2R1 触点的切断功率与If2和R1成正比。 If和R1 越大,则火花越强。但要减小切断功率，又不能从减小If或R1着手。因为R1减小，则发电机的工作转速范围减小；而If 减小，就要增大发电机的重量和尺寸，故交流发

16、电机调节器多采用双级式电压调节器。举例 2.具有灭弧系统的单级式电压调节器 交流发电机的磁场电流大，转速高，如用普通单级式电压调节器，触点间易产生火花，使触点迅速烧蚀。采用上述双级式电压调节器，可以加大调节的转速范围，减少触点火花，因为设计调节器时，使其大部工作时间在第二级，而第一级的转速范围不大，调节电阻值选得较小，所以低速触点切断的功率很小，火花大大减小。而高速触点闭合时，磁场绕组短路，触点断开时也无火花。 因此双级式电压调节器触点火花小，使用寿命长。但触点间隙太小(0.2-0.4mm)，工作中容易产生电蚀现象，且调整困难。另外从第一级触点工作到第二级触点工作，中间有一失控区出现工作电压上

17、升的现象(约0.5v) 。带有灭弧系统的单级式电压调节器则可克服上述缺点。 实例 除改为单触点外，主要增加了一个轭流线圈(亦称加速线圈)、二极管和电容器组成的灭弧系统。 工作原理 当发电机端电压达到规定值时，磁化线圈L1产生的吸力使触点K打开，于是电阻Rl、R2串入磁场电路使激磁电流If急剧减小，磁场绕组中产生很高的自感电势，其方向为阻止激磁电流减小。该自感电流经二极管，轭流线圈L2，磁场绕组构成回路，起到了续流作用，保护了触点。 工作原理 另外，在触点两端通过L2并联一电容器用来吸收自感电动势，也减小了触点火花。与此同时，由于流过L2的电流所产生的磁场与L1所产生的磁场方向相反，产生退磁作用

18、，加速了触点的闭合，使触点振动频率提高。 2.4.2 电子电压调节器 1.晶体管电压调节器的基本原理 预备知识 半导体半导体 定义：定义： 半导体是指它的导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 。常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）等。 半导体的主要特性半导体的主要特性 半导体主要有三个特性：1）光敏特性；2）热敏特性；3）掺杂特性。 所谓光敏特性是指某些半导体受到强烈光线照射时，其导电性能大大增强；光线移开后，其导电性能大大减弱。所谓热敏特性是指外界环境温度升高时，半导体的导电性能也随着温度的升高而增强。所谓掺杂特性是指在纯净的半导体中，如果掺入极微量的杂质可使其导电性能剧增。 什么是P型半

19、导体？ 根据半导体的掺杂特性，在半导体中掺入微量的硼、铝、铟、镓等元素后，半导体中就会产生许多缺少电子的空穴，使半导体中的空穴浓度大大高于自由电子的浓度，这种靠空穴导电的半导体是P型半导体。 什么是N型半导体？ 在半导体中掺入微量磷、砷、锑等元素后，半导体中就会产生许多带负电的电子 ，使半导体中自由电子的浓度大大高于空穴浓度。这种靠电子导电的半导体是N型半导体。二极管二极管 1)结构 二极管由P型和N型半导体材料结合而成，如图所示，其结合面称为PN结。带正电的一侧(P区)为正极，带负电的一侧(N区)为负极。二极管和它的电气符号 2)工作特性 二极管只允许电流向一个方向通过。在直流电路中，当二极

20、管的正极为正电压时，称为正向偏压，电流可以通过。当二极管负极为正电压时, 二极管为反向偏压,电流不能通过。(2)发光二极管 发光二极管(LED)装有一个小透镜，当施加正向电压时发光，如图所示，不同材料的发光二极管能发出不同颜色的光。发光二极管用来作仪器、仪表的数字显示、中央高位制动灯的发光源等。发光二极管 (3)稳压二极管 稳压二极管反向安装在电路中，用来调节电路中的电压。右图是稳压二极管的一般符号。稳压二极管符号工作特性 当电压达到稳压二极管标定的电压值时，PN结被击穿，电流可以从二极管相反的方向通过(反向导通)，阻止电压升高。 晶体管晶体管 晶体管(又称三极管)由P型和N型材料组合的三层材

21、料制成，分别是基极、集电极和发射极。 (1)NPN型晶体管 NPN型晶体管导通的要求是基极和集电极的电压应高于发射极，且基极电压应高出发射极电压0.7 V以上。 (2)PNP型晶体管 对于PNP型晶体管，当发射极电压大于基极电压0.7 V以上时，晶体管导通，电流从发射极流向集电极；否则，晶体管不导通。图1.84 PNP型晶体管的作用 (3)晶体管的工作状态（3种状态）截止：晶体管的基极和发射极之间电压(称为偏压)过小，晶体管不导通。导通：基极和发射极之间的偏压增大，晶体管从截止变为导通，在此状态下，晶体管导通且输出电流与通过基极的电流成比例。饱和：基极和发射极之间的偏压达到一定值时，晶体管的输

22、出电流达到了最大值，再增大偏压，输出电流仍是最大值。 (4)晶体管的作用（2个作用）开关作用：流过晶体管的电流受基极控制，因此晶体管可以用作高速的电气开关。放大作用：由于通过集电极电流的大小和通过基极电流的大小成比例，因此晶体管有放大电流的作用。 预备知识：晶体管二级开关电路（以NPN管为例）一 通 一 断同 通 断 晶体管调节器的工作原理晶体管调节器的工作原理晶体管调节器的工作原理 动画演示动画演示 2.举例 实例1：JFT 201型晶体管调节器VD2DZ1A150 V VT12AX81A VT22AD30CR1=0.25 R2=56 R3=68 R4=56 R5=56 的 R6=56 R7

23、=180 R8=56 C1=20 F C2=0.22 F VS2CW151、电阻R2、R3、R4构成分压器；2、晶体管VTl与晶体管VT2构成开关电路；3、二极管VD与激磁绕组并联，保护VT2；4、电容器C1用来降低的开关频率，减少功率损耗。 5、C2、R5是组成正反馈电路，以提高晶体管调节器的灵敏度。6、R6、R7、R8是晶体管的偏置电阻，用以调节VT1和VT2的工作点。 实例2：1、接通开关K，蓄电池经充电指示灯，R5，VD2和R7向VT2提供偏流使其导通，VT3导通。电流为：蓄电池正极-充电指示灯-激磁绕组L-VT3的集电极和发射极-蓄电池负极。 实例2：2、发电机转速，电压，指示灯两端

24、电位相等，不亮。A点电压达到调节电压时，分压器R1、R2上的电压将VS1反向击穿，VT1通，VT2、VT3截止，激磁电流下降，A点电位下降。 实例2：3、A点电压下降，VS1截止，VT1截止，VT2、VT3导通，激磁电流导通，电压上升。如此反复，控制发电机的电压保持在规定值上。 电磁振动式与晶体管调节器的比较： （1）电磁振动式：）电磁振动式： 由于由机械部件组成，结构复杂，重量、体积大，火花易烧蚀触点，寿命低，对无线电干扰大，由于机械惯性，使触点的动作迟缓。 （2）晶体管式：）晶体管式： 以开关管代替触点，开关频率高，不会产生火花，调节效果好，重量轻，体积小，寿命长，可靠性高。 2.4.3

25、集成电路电压调节器 集成电路(IC)是在细小的硅片上集成数千个晶体管、二极管、电阻、电容等电子元件的复杂电路，又称集成电路芯片。 集成电路的优点： （1）由于它是用树脂封装的，能防潮及泥土、油污等，并在130C的高温环境正常工作。 （2）由于内部无可移动零件，能承受较大的振动相冲击。 （3）体积小、重量轻，可以作为一个标准件装到发电机上，简化了接线，同时省去了通常从点火开关到调节器及调节器到交流发电机的导线，减少了线路损失，从而使发电机的实际输出功率提高510。 集成电路的优点： （4）电压调节精度较高在调节转速范围内电压变化不大于0.1v，这对汽车上其它电子设备很重要。 （5）能通过较大的激

26、磁电流。 （6）使用寿命长，一般能达16万km以上。 举例由R1、R2组成分压器，稳压管VSl从分压器上获得比较电压。当发电机电压低于规定值时，稳压管VS和晶体管VTl截止，在R4偏置下集成电路VT2导通，此时发电机磁场绕组中有励磁电流通过。当发电机电压达到一定值时，R1的分压，使VTl导通，VT2截止，切断了发电机的磁场电路，使发电机端电压下降。当发电机端电压下降到低于规定值时，VS1和VTl又截止，VT2和磁场电路又接通，发电机端电压又升高。如此循环下去，使发电机端电压保持稳定。 2.4.4 继电器控制电路（选学）继电器控制电路（选学） 继电器 继电器是汽车上常用的电磁开关，如图所示。 线

27、圈的电磁作用使继电器的触点闭合 1、磁场继电器 磁场继电器是接在电源和调节器之间，常与调节器组成一体，用来控制发电机激磁回路。发动机起动时，激磁回路接通，发动机熄灭时，激磁回路断开。 在汽油发动机中，通常是利用点火开关接通发电机激磁电路和调节器磁化线圈的电路，停车关掉点火开关时，自动切断上述两个电路，防止蓄电池向其放电。在柴油发动机中，上述两个电路是由专门的电源开关控制的，停车时，经常忘记关断电源开关，从而造成蓄电池长时间向激磁绕组和磁化线圈放电。 为了防止这种情况的发生，在柴油发动机所装用的调节器中，往往多装一组磁场继电器，当发动机熄火时，能自动切断激磁电路。 实例1： 实例2： 2、充电指

28、示灯继电器 2.5.1 过电压的产生 过电压按性质分为瞬变性瞬变性和非瞬变性非瞬变性过电压。 1. 非瞬变性过电压 非瞬变性过电压，主要是由于发电机调节器失灵，或其它故障引起发电机激磁电流未经过调节器，使发电机电压升高到不正常值。这种故障如不及时排除，则整个充电系统的电压会一直处在不正常的高压。2.5 交流发电机充电系的过电压保护装置2、瞬变性过电压 （1）抛负载瞬变 （2）磁场衰减瞬变 （3）点火系瞬变 （4）切换电感性负载瞬变 （1）抛负载瞬变 交流发电机正在向蓄电池充电过程中与蓄电池连接导线突然脱开，或者在没有蓄电池的情况下，突然断开其它负载。 （2）磁场衰减瞬变 磁场衰减瞬变即交流发电机的