汽车电器第二章交流发电机与调节器基本原理和应用

1、汽 车 电 器第二章 交流发电机与调节器基本原理和应用12.1 汽车电源系统组成蓄电池、“发电机+整流器+电压调节器”。蓄电池与发电机并联。22 .1 汽车电源系统的组成起动前蓄电池供电；起动后发电机供电+蓄电池辅助。发电机供电过剩时，向蓄电池充电。32 .2 交流发电机的结构主要由转子、定子、整流器及前后端盖等组成。45672 .2 交流发电机的结构发电机工作原理：导线 切割 磁力线（右手法则：手心面向N极，大拇指指向导线运动方向，则四指所指方向为导线中感应电流的方向。）下面来看汽车交流发电机的具体组成部件82.2.1 转 子转子是交流发电机的磁场部分。产生旋转的交变磁场组成：爪级、磁轭、磁

2、场绕组、集电环。92.2.1 转子两块爪级压装在转子轴上，内腔装有磁轭，磁轭上绕有磁场绕组，102 .2 .1 转子绕组两端引线分别焊接在与转子绝缘的两个集电环上。两个电刷：装在与端盖绝缘的电刷架内，通过弹簧使电刷和集电环保持接触。112 .2 .1 转子发电机工作时，两电刷与直流电源连通，为磁场绕组提供定向电流产生轴向磁通122 .2 .1 转子两块爪级被分别磁化为N级和S级形成犬牙交错的磁极，沿圆周方向均匀分布。132 .2 .1 转子磁极对数通常6对。爪级凸缘呈鸟嘴型发电机工作时，在定子铁心内部形成近似正弦变化的交变磁场。142 .2 .2 定子组成：定子铁心、定子绕组作用：切割磁力线产

3、生交流电。15定子铁心由一组相互绝缘、内圆带嵌线槽的环状硅钢片叠制而成。定子槽内嵌三相绕组。162 .2 .2 定子三相绕组的连接有Y形连接和连接两种。Y形连接是将三个末端U2、V2、W2接在一起，将首端U1、V1、W1作为发电机的交流输出端。172 .2 .2 定子连接是将每相的首端和另一相的末端依次相连接汽车发电机多用Y形，少数大功率交流发电机采用连接。182 .2 .2 定子为在三相绕组中产生大小相等、频率相同、相位差120度的对称电动势，三相绕组的绕法原则：（1）每相绕组的线圈个数及每个线圈的匝数相等。192 .2 .2 定子例如，JF11型发电机定子总槽数Z为36，每相绕组为36/3

4、=12槽。因采用单层集中绕法，每个槽放1个有效边每相绕组有6组线圈串联，每个线圈有13匝每相绕组共有136=78匝。202 .2 .2 定子（2）每个绕组的节距相等两个概念：节距y1：等于线圈的两个有效边之间的定子槽数。212 .2 .2 定子极距yp：相邻异性磁极中心线之间的定子槽数。而要使线圈内能产生最大的感应电动势，线圈的两个有效边应分别置于异性的磁极下面。222 .2 .2 定子每个线圈的节距y1相等并等于极距yp时满足上述条件获得最大感应电动势。 极距yp可通过下面公式计算y1=yp=Z/2P式中Z定子铁心的总槽数；P磁极对数。232 .2 .2 定子（3）三相绕组的首端U,V,W在

5、定子槽内的排列须间隔120电角度。转子旋转时，磁场相对定子中的导体运动，在定子绕组中产生感应电动势。每转过一对磁极，线圈中的感应电动势就变化一个周期，即360电角度。242 .2 .2 定子如果p=6，Z=36，每个槽的电角度为60=（360p）/Z=（3606）/36=60要使三相绕组的电动势相差120相位角，须：相邻两相绕组线圈的起端应间隔2+3n个槽（y1=3，n=1，2，3），即2，5，8，11个槽。252 .2 .2 定子如图2-5，JF11定子三相绕组的三个首端U1，V1，W1被依次嵌入第1，9，17三个槽中，而末端U2，V2，W2则相应嵌在34，6，14三个槽内，定子绕组展开图如

6、下图262 .2 .2 定子27282 .2 .2 定子小结：（1）每相绕组的线圈个数及每个线圈的匝数相等。（2）每个绕组的节距相等。（3）绕组的首端U,V,W在定子槽内间隔120电角度。在三相绕组中产生大小相等、频率相同、相位差120的对称电动势定子绕组：绕法有规则，排列有秩序292 .2 .3 整流器整流器由硅整流二极管组成。作用：将定子绕组产生的三相交流电转换为直流电；其次，可阻止蓄电池电流向发电机倒流。由六只硅整流二极管组成三相桥式整流器，通常直接装在散热板上或发电机后端盖上，又称“整流桥”。30312 .2 .3 整流器正极管子：3只，引线为正极，外壳为负极，通常压装在散热板上，管壳

7、底部一般涂红；负极管子：与上相反，管壳底部一般涂黑。新型发电机将六只硅整流二极管分别压装在不同的散热板上。322 .2 .3 整流器散热板通常用铝合金制成。 “整流桥”固定在后端盖上引出至后端盖外部发电机的电源输出端。后端盖上铸有标记“B”或“+”，“A”，“电枢”。整流电路见下图33342. 2. 4 端盖和电刷总成端盖由铝合金压铸或用沙模铸造而成。铝合金为非导磁材料，具有漏磁少、轻便、散热性好等优点。为了提高轴承孔的机械强度，增加其耐磨性，有的端盖轴承座内镶有钢套。后端盖上装有电刷架，塑料或尼龙制成。352. 2. 4 端盖和电刷总成2个电刷装在电刷架的孔内，由弹簧压在集电环上。电刷架2种

8、形式：外装式；内装式（淘汰）。电刷：铜粉+石墨粉（模压）电刷引线 接“蓄电池（它励）” &后端盖接线端子（自励）36372 .2 .4 端盖和电刷总成前端装有带轮，其后有叶片式风扇前后端盖上分别有出风口和进风口风冷发电机382 .2 .5 国产交流发电机的型号根据行业标准QC/T73-93汽车电器设备产品型号编制方法，汽车交流发电机的型号为5部分: 为产品代号：有JF、JFZ、JFB、JFW四种392 .2 .5 国产交流发电机的型号 电压等级代号：112V、224V、66V。 为电流等级代号：数字，含义见表2-1 为设计序号：用阿拉伯数字表示。 为变型代号：以调整臂位置，从驱动端看，Y-右边

9、、Z-左边、无-中间402 .2 .5 国产交流发电机的型号例如，桑塔拉,奥迪100型轿车用的JFZ1913Z，其含义为:电压等级为12V、输出电流大于90A、第13次设计、调整臂位于左边、整体式交流发电机。表2-1 电流等级代号电流等级代号123456789电流值/A19202930394049505960697079808990412 .3 交流发电机的工作原理2.3.1 发电原理交流发电机的工作原理如图所示。F励磁端E搭铁B输出端422.3.1 发电原理1、发电机内部有一个由发动机带动的转子（旋转磁场）2、磁场外有定子绕组，绕组有3组线圈(3相绕组)，三相绕组彼此相隔120432.3.1

10、 发电原理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）而产生频率相同，幅值相等，相位相差120的三相正弦交流电动势，波形如下图 。442 .3 .1 发电原理452 .3 .1 发电原理每相电动势的有效值为 E = 4.44 k f N 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） f = pn/60（p为磁极对数，n为转速） N每相绕组的匝数（匝） 每极磁通（Wb）462 .3 .2 整流原理定子绕组产生交流电，由硅整流二极管组成的整流电路转变为直流电。472 .3 .2 整流原理二极管具有单向导电性：正向电压：导通、

11、低阻；反向电压：截止，高阻。利用二极管的单向导电性，即可把交流电转变成直流电。482 .3 .2 整流原理由6只硅二极管组成的三相桥式整流电路如右图所示。导通原则：492 .3 .2 整流原理二极管VD1，VD2，VD3为正极管子，其正极分别接在发电机三相绕组的首端，负极连接在一起，在某一瞬间，正极电位最高者导通；502 .3 .2 整流原理二极管VD4，VD5，VD 6为负极管子，其负极分别接在发电机三相绕组的首端，正极连接在一起，某一瞬间负极电位最低者导通。 512 .3 .2 整流原理每一时刻只有2只二极管导通，负载两端得到一个平稳的直流脉动电压。52532 .3 .2 整流原理有的发电

12、机具有中性点接线柱，是从三相绕组的中性点引出来的，标记为“N”。输出电压为UN ，称中性点电压。542 .3 .2 整流原理中性点电压的平均值为发电机输出电压（平均值）的一半 UN=1/2U 该电压一般用来控制各种用途的继电器。552 .3 .2 整流原理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）。8管交流发电机562 .3 .2 整流原理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10%15%。8管交流发电机572. 3. 3 励磁方式将电源引入到（转子）磁场绕组使之产生磁场称为励磁。除了永磁式交流发电机

13、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。582. 3. 3 励磁方式励磁方式有自励和他励两种。先他励，后自磁.当发电机转速较低，其电压低于蓄电池电压时，先由蓄电池向磁场绕组供电；592. 3. 3 励磁方式当发电机转速升高，其电压高于蓄电池电压时，发电机向自身的磁场绕组供电。602. 3 .4 九管交流发电机9管交流发电机的基本结构和6管交流发电机相同，所不同的是整流器。612. 3 .4 九管交流发电机9管交流发电机的整流器是由6只大功率整流二极管和3只小功率励磁二极管组成的交流发电机。622. 3. 4 九管交流发

14、电机其中6只大功率整流二极管组成三相全波桥式整流电路，对外负载供电632. 3. 4 九管交流发电机3只小功率二极管与三只大功率负极管也组成三相全波桥式整流电路，专门为发电机磁场供电。所以称3只小功率管为励磁二极管。642. 3. 5 十一管交流发电机11管交流发电机的整流器由8只大功率整流二极管和3只磁场二极管组成。其它结构和6管交流发电机相同。652. 3. 5 十一管交流发电机11管交流发电机的整流器，相当于9管交流发电机的整流器加2只中性点整流管662. 3. 5 十一管交流发电机11管发电机既能提高发电机功率，又使充电指示灯电路简化，应用较广。672. 4 交流发电机的工作特性交流发

15、电机的工作特点是转速变化范围大，对于一般汽油机来说，其转速变化约为1 : 8，柴油机约为1 : 5。因此分析汽车交流发电机的特性以转速的变化为基础。682. 4 交流发电机的工作特性交流发电机的工作特性：是指发电机经整流后输出的直流电压U，电流I，和转速n之间的关系。包括空载特性，输出特性和外特性。 692. 4. 1 空载特性当发电机空载运行时，发电机端电压U和转速n之间的关系，即负载电流I=0时，U=F（n）的函数关系。由空载特性可以判断发电机低速充电性能的好坏。702. 4. 2 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）输出电流与转速之间的关系，即

16、U=常数时，If（n） 的函数关系。712. 4. 2 输出特性输出特征曲线表明，端电压保持不变，当nn1时，其输出电流I随着转速n的增加而逐渐增大。722. 4. 2 输出特性当nn1时，因为端电压低于额定值，发电机不能向外输送电流，汽车只能由蓄电池供电，故称n1为空载转速。732. 4. 2 输出特性空载转速通常作为选择发电机与发动机传动比的依据。使得发动机在怠速时，发电机转速n也能n1742. 4. 2 输出特性发电机达到额定功率时的转速额定转速n2，这时发电机的负载电流为额定电流IA。转速n2是判断发电机性能的重要指标。752. 4. 2 输出特性当发电机转速达到一定值后，输出电流I几

17、乎不再继续增加，具有限制输出电流的能力。762. 4. 2 输出特性这是由于随着定子绕组中感应电动势的增加，定子绕组的阻抗也随着转速的升高而增加。同时定子电流增加时，电枢反应的增强也使感应电动势下降。772. 4. 2 输出特性所以，发电机转速达到一定值后，其输出电流几乎不变，即具有限定输出电流的作用，故交流发电机不需设置限流器。782.4.2 输出特性结论：1、发电机电压（输出）一定时，发电机电流存在最大值。2、即发电机功率存在最大值。3、限制发电机输出功率，只需限制发电机输出电压。792.4.2 输出特性4、限制输出电压后，发电机转速增加，不会出现由于电流过高，烧坏发电机的情况。5、如果发

18、电机电压过高，会损坏用电设备。802.4.3 外特性当发电机转速一定时，发电机端电压U与输出电流I之间的关系，即n=常数时，U=f(I)的函数关系。812.4.3 外特性外特性曲线表明，即使在一定的转速下，输出电流增加时，发电机端电压有较大幅度的下降，因此要使输出电压稳定，必须配置电压调节器。822.4.3 外特性另外，在发电机高速运转时，如果突然失去负载，端电压会急剧升高。电器设备中的电子元件将有击穿的危险。832.5 电压调节器2.5.1 电压调节器的基本原理通过调节励磁电流使发电机输出电压保持稳定。 每相电动势的有效值为 E = 4.44 k f N而 f = pn/60（p为磁极对数，

19、n为转速） E = 4.44k(PN/60)n =Cn842.5.1 电压调节器的基本原理发电机由发动机驱动，转速变化范围很大。当发电机转速n变化时，想保持发电机电压稳定，需改变发电机的磁通。而磁通取决于励磁电流的大小。当发电机转速n变化时，通过调节励磁电流，可保持发电机电压不变。 852.5.1 电压调节器的基本原理电压调节器的分类按工作原理可分为：1、触点式电压调节器2、晶体管电压调节器3、集成电路电压调节器4、电脑控制电压调节器862.5.2 双级电磁振动式电压调节器双级电磁振动式电压调节器属于触点式电压调节器，应用较早。872.5.2 双级电磁振动式电压调节器它触点振动频率慢，机械惯性

20、和电磁惯性大，电压调节精度低，触点易产生火花，电磁干扰大，可靠性差，寿命短，已淘汰882.5.3 晶体管电压调节器随着半导体技术发展，晶体管调节器诞生。优点：三极管的开关频率高，且不产生火花，调节精度高，还具有重量轻、体积小、寿命长、可靠性高、电波干扰小等优点。现广泛应用于东风、解放及多种中低档车型。 892.5.3 晶体管电压调节器 解放CA1091采用JF1522型交流发电机并配用JFT106型晶体管调节器，调节器电路如图所示。它包括基本电路和辅助电路两部分。90JFT106型晶体管调节器912.5.3 晶体管电压调节器基本电路由电阻R1、R2、R5、R6、R7、R8，稳压管VS1，续流二

21、极管VD1和三极管VT1，VT2，VT3组成922.5.3 晶体管电压调节器其中VT2，VT3形成复合开关管，提高放大倍数，增加输出电流，它的负载是发电机磁场绕组。932.5.3 晶体管电压调节器辅助电路由电阻R3、R4，二极管VD2、VD3，电容器C1、C2，稳压管VS2等组成。942.5.3 晶体管电压调节器JFT106型调节器的外壳由薄铁板冲压或用铝合金铸造而成。外壳上有“B”（+）、“F”、“E”（-）三个接线柱，接线柱的内端焊接在壳内的印刷电路板上95JFT106型调节器的工作原理96JFT106型调节器的工作原理接通点火开关S，发电机运转，但U发U蓄， U蓄加在分压器R1、R2上，

22、UR2VS1的击穿电压，VS1截止，VT1截止97U蓄经R5加在VD2，R7上，电阻R7使VT2获得正向偏压而导通；VT2导通后，偏流电阻R8使VT3获得正向偏压而导通，接通磁场电路。98JFT106型调节器的工作原理完整电路图。电流回路为蓝色箭头。99JFT106型调节器的工作原理其电流回路为：蓄电池正极点火开关S发电机F1接线柱磁场绕组发电机F2接线柱调节器F接线柱VT3E接线柱蓄电池负极。 U发随转速的升高而升高。100JFT106型调节器的工作原理当U发达到限额时，UR2加在VD1、VS1、R6上，使VS1击穿导通，VT1随之导通，VT1集电极对地的电压几乎为零，使VT2失去正向偏压而

23、截止，并使VT3截止，磁场电流为零，U发下降。101102JFT106型调节器的工作原理当U发稍低于限额值时，VS1截止，VT1截止，VT2，VT3管交替导通、截止，使U发限定在调节电压范围内。1032.5.3 晶体管电压调节器辅助元件用来保护和改善调节器的性能。R3：为调整电阻，调整限额电压的高低。R3，限额电压1042.5.3 晶体管电压调节器VD3：续流二极管。在VT3截止瞬间，磁场绕组产生的自感电动势经VD3构成回路放电，保护VT3管不被击穿。1052.5.3 晶体管电压调节器VD1：温补二极管，与稳压管VS1反向串联。当温度变化时，起补偿作用，使调节器性能稳定。1062.5.3 晶体

24、管电压调节器VD2：分压二极管。当VD1导通时，使VT2，VT3可靠截止，减小VT1温度变化时对VT2，VT2的影响。1072.5.3 晶体管电压调节器VS2：稳压二极管。并联在发电机两端，起过压保护作用。1082.5.3 晶体管电压调节器R4：正反馈电阻，提高VT3的开关速度，减小三极管的耗散功率，延长调节器的使用寿命。C1，C2：降频电容，并联在分压电阻R2两端，利用其两端电压不能突变的特性来降低VT1的开关频率，减小VT1的开关次数，从而减小耗散功率，延长调节器的使用寿命。1092.5.4 集成电路调节器集成电路调节器除具有晶体管调节器的优点外，还超小型，可安装于发电机的内部，减少了外接

25、线，并且冷却效果得到了改善。现广泛应用于桑塔纳、奥迪等多种轿车上。装有集成电路调节器的交流发电机又称为整体式交流发电机。1102.5.4 集成电路调节器集成电路调节器的基本工作原理与晶体管调节器相同，都是根据发电机的电压信号（输出信号），利用三极管的开关特性控制发电机的磁场电流，达到稳定发电机输出电压的目的。1112.5.4 集成电路调节器根据输入电压信号检测点的不同，集成电路调节器的基本电路又可分为发电机电压检测法蓄电池电压检测法。1122.5.4 集成电路调节器两者区别在于：“发电机电压检测法”控制电路所取信号直接来源于发电机的输出端，“蓄电池电压法”则来源于蓄电池端。采用发电机电压检测法

26、，可省去信号输入线，但是当发电机至蓄电池的电压降比较大时，会引起蓄电池充电不足（到蓄电池的电压太低）。1132.5.4 集成电路调节器 一般大功率发电机多采用“蓄电池法”，使蓄电池的电压得以保证。但采用蓄电池电压检测法后，若发电机的电压输出线或信号输出线断路时，由于无法检测发电机的工作情况，会造成发电机失控现象。 在很多电路设计中，对具体电路作了相应改进。 1142.5.4 集成电路调节器1、国产JFZ152型集成电路调节器 是一种厚膜混合集成电路调节器，适用于14V350500W的外搭铁交流发电机，如东风EQ1090的交流发电机。内搭铁发电机：磁场绕组的一端与发电机壳体相连直接搭铁；外搭铁发

27、电机：磁场绕组的一端经调节器后搭铁。 工作原理如下： 1152.5.4 集成电路调节器1162.5.4 集成电路调节器接通点火开关，U蓄加在控制电路的分压器上，由于UR3稳压管VS的击穿电压，VS截止，VT1截止。1172.5.4 集成电路调节器在偏置电阻R5的作用下，复合管VT2、VT3导通，蓄电池向发电机提供励磁电流，U发随转速上升。1182.5.4 集成电路调节器当U发调节电压上限时， UR3升高至稳压管VS的击穿电压，VS被击穿导通，VT1导通，VT2、VT3截止，励磁电流断，U发迅速降低。1192.5.4 集成电路调节器当U发调节电压下限时，VS截止，VT1截止，VT2、VT3又导通，磁场电路中又有励磁电流产生，使U发又逐渐升高。周而复始，可使U发保持稳定。1202.5.4 集成电路调节器2、夏利集成电路调节器该调节器内有一单片IC电路，其“IG”端经点火开关接至蓄电池，用于检测蓄电池和发电机电压，从而控制VT2的导通与截止。1212.5.4 集成电路调节器其P端接