第一章第三节 交流发电机

第一章第三节交流发电机

发电机是汽车电器系统的主要电源，与电压调节器互相配合工作，对除起动机以外的所有用电设备供电，并向蓄电池充电。

现代汽车上应用的都是交流发电机，经过硅整流器整流以后变成直流向用电设备供电。

1交流发电机的类型汽车用发电机可分为：

直流发电机和交流发电机

目前汽车采用三相交流发电机，内部带有二极管整流电路，将交流电整流为直流电，所以，汽车交流发电机输出的是直流电。早期使用的是直流发电机，它是靠换向器将电枢绕组内产生的交流电转变为直流电的。在换向过程中，电刷与换向器之间容易产生火花引起换向器和电刷的烧蚀和磨损，并且随着发电机转速的提高，换向火花也相应增大，无线电干扰严重，磨损加剧。现代汽车都使用硅整流交流发电机，它包括一个三相同步交流发电机和数个整流二极管，它使用硅二极管将发电机定子绕组中产生的三相交流电整流为直流电。硅整流发电机必须配用电压调节器，以在发电机转速变化时也能输出稳定的电压。硅整流发电机优点:与直流发电机相比，具有体积小、重量轻、结构简单、维修方便、使用寿命长、发动机低速充电性能好、配用的电压调节器结构简单、无线电干扰小及节约钢材等优点。汽车用硅整流发电机的分类方法：按总体结构分类按整流器结构分类搭铁形式分类1.硅整流发电机按总体结构分类（1）普通硅整流发电机，由三相交流发电机和6只硅整流二极管组成。如在东风EQ1090型载货汽车上用的JF132型发电机。（2）整体式硅整流发电机，采用内装式电子电压调节器的硅整流发电机，如一汽奥迪、上海桑塔纳等轿车使用的JFZ1813Z型发电机都是这种类型。（3）带泵硅整流发电机，是指带真空制动助力泵的硅整流发电机。多用于柴油车，如在依维柯汽车上使用的JFZ1912Z型发电机就是这种类型。（4）无刷硅整流发电机，是指无电刷和滑环结构的发电机，如JFW1913型发电机。（5）永磁硅整流发电机，是指转子磁极采用永磁材料的发电机。2.硅整流发电机按使用硅整流二极管的个数分类：（1）六管发电机，其整流器由6只硅整流二极管组成。如JF132型、CA1091型、JF1522A型和JF152D型发电机。（2）八管发电机，其整流器共有8只二极管，其中有2只是中性点二极管。如在天津夏利TJ7100轿车上使用的JFZ1542型发电机。（3）九管发电机，其整流器共有9只二极管，其中有3只磁场二极管。如在北京BJ1022轻型货车上使用的JFZ141型发电机。（4）十一管发电机，其整流器共有11只二极管，其中有2只中性点二极管和3只磁场二极管。如在桑塔纳轿车上使用的JFZ1813Z型发电机．3.硅整流发电机按磁场绕组搭铁形式分类

按照磁场绕组搭铁形式分类，硅整流发电机有两种类型。（1）内搭铁式磁场绕组的一端与发电机外壳相连接。如在东风EQ1090型车上使用的JF132型发电机。（2）外搭铁式这种发电机磁场绕组的一端经调节器以后再搭铁。如在解放CA1091型车上使用的JF152D型和JF1522A型发电机。4.交流发电机的构造汽车上的交流发电机，多采用三相同步交流发电机，由6只二极管构成三相桥式全波整流器。各国生产的交流发电机都大同小异，主要由定子、转子、电刷、整流二极管、前后端盖、风扇及皮带轮等组成。有的厂家还将电压调节器与发电机装在一起。我国生产的JF132型交流发电机的结构如图3-1所示。图3-1JF132型交流发电机的组件1—后端盖;2—电刷架;3—电刷;4—电刷弹簧压盖;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（1）转子

转子是用来建立磁场的，它主要由两块爪极、激磁绕组、轴和滑环等组成。两块爪极压装在转子轴上，在两块爪极的内腔装有导磁用的铁心，其上绕有激磁绕组。激磁绕组的两端引线分别焊在两个彼此绝缘的两个滑环上（与轴绝缘）。两个滑环与装在后端盖上的两个电刷相接触。爪极凸缘的外形像鸟嘴，这种形状可以使定子感应的交流电动势近似于正弦波形。转子每转一周，定子的每相电路上就能产生周波个数等于磁极对数的交流电动势。图3-2转子的磁力线分布和磁场电路1，5—电刷;2，4—滑环;3—激磁绕组;6—点火开关;7—蓄电池滑环

两个滑环与装在后端盖上的两个电刷相接触。这两个电刷引出的接线柱即为发电机的“F”（磁场）接线柱和“-”（E或搭铁）接线柱。当发电机工作，两个电刷与直流电源接通时，便有电流通过激磁绕组（该电流称为发电机的激磁电流），在激磁绕组中产生磁场，使两块爪极被磁化为N极和S极，从而形成相互交错的N、S磁极，磁极的对数一般为4～8对，国产交流发电机的磁极对数多为6对。（2）定子定子又叫电枢，是用来产生交流电动势的，由铁心和三相绕组组成。定子铁心由相互绝缘的内圆带槽的环状硅钢片叠成，在定子槽内置有三相对称绕组，三相绕组的连接方法可分为星形连接和三角形连接，目前大多数汽车上使用的交流发电机采用星形连接。图3-3定子及定子绕组的连接注意:桑塔纳、奥迪等的交流发电机的定子绕组为星形连接，富康、北京切诺基发电机定子绕组为三角形连接。

三相绕组

在三相绕组中产生的电动势应该是对称电动势，即电动势的大小相等，相位互差120°。为此，每相绕组的线圈个数和每个线圈的节距与匝数都必须完全相等。例JF132型发电机，其磁极对数为6，定子总槽数为36，每相绕组占有的槽数为36/3=12，采用单层集中绕法，即每个槽内放置一个有效边（一个线圈有两个有效边，放在两个定子槽内）。因此，每相绕组都由6个线圈串联而成，每个线圈有13匝，则每相绕组共有6×13=78匝。每个线圈的两个有效边之间间隔的定子槽数叫做线圈节距，相邻两异性磁极中心线之间的槽数称为极距。另外，三相绕组的首端A、B、C在定子槽内的排列必须相隔120°电角度。

（3）整流器由6个硅二极管组成。近年来又生产了九管发电机，增加了3个小功率的磁场二极管。外壳为正极、中心引线为负极的二极管，称为负极管，管壳底上注有黑色标记；壳体为负极，中心线为正极的二极管，称为正极管，管壳底上有红色标记。图3-5硅整流二极管的安装1—火线接线柱;2—正整流板;3—正极管子;4—负极管子;5—负整流板三只正二极管的外壳与元件板接在一起成为发电机的正极，用螺栓引至后端盖外部作为发电机的火线接线柱，标记为“B”（“A”、“+”或“电枢”）．三只负二极管的外壳与发电机的后端盖接在一起成为发电机的负极。元件板必须与后端盖绝缘，并固定在后端盖上．为维修方便，有些车型的发电机将三只负二极管压装在另一个元件板上。（4）前后端盖前后端盖是由铝合金制成的，它具有漏磁少、轻便、散热性能好等优点。在后端盖上装有电刷架和电刷，两个电刷分别装在电刷架的孔内，借助弹簧的压力与滑环保持接触。目前，交流发电机的电刷架有两种结构形式，一种是电刷架可以直接从发电机的外部进行拆装，称外装式，另一种是电刷架不可以从发电机的外部进行拆装，称内装式，电刷架的结构如图3-7所示。

无刷发电机中没有电刷。电刷的功用将电源的电流引入到转子的线圈（磁场绕组）中，使内部的电磁铁（磁轭和爪极）产生较强的磁场。

图3-6电刷架的结构

外装式电刷拆装和更换在发电机外部即可进行，拆装检修十分方便，因此被普遍采用;内装式电刷若需更换电刷，必须将发电机解体，由于拆装检修不便，因此现在很少采用。

提示：电刷的高度低于7mm时应更换，更换时注意电刷的规格型号要求一致。交流发电机的搭铁形式分为内搭铁和外搭铁两种。

交流发电机的内搭铁和外搭铁和电刷的接线方法有关内搭铁式的交流发电机，其激磁绕组的两端通过电刷分别引至发电机后端盖上的接线柱，分别称为“F”（“磁场”）和“E”（“搭铁”）接线柱，即激磁绕组的一端在发电机的外壳上直接搭铁，如图3-7（a）所示;外搭铁式的交流发电机，其激磁绕组的两端引至后端盖上的接线柱分别称为“F1”和“F2”接线柱，且两个接线柱均与发电机的后端盖绝缘，激磁绕组需经调节器搭铁，如图3-7（b）所示。交流发电机的搭铁方式图（5）.风扇及皮带轮

交流发电机的前端装有带轮和风扇，由发动机通过传动带驱动发电机的转子轴和风扇一起旋转。（1）转子的转动使发电机发电；（2）风扇的转动为发电机散热。

５.国产交流发电机的型号

根据中华人民共和国汽车行业标准QC/T73-1993《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由五部分组成：第1部分为产品代号

JF——表示普通交流发电机；JFZ——表示整体式（调节器内置）交流发电机；JFB——表示带泵的交流发电机；JFW——表示无刷交流发电机。第2部分为电压等级代号电压等级代号用一位阿拉伯数字表示。1——表示12V系统；2——表示24V系统；6——表示6V系统。第3部分为电流等级代号

电流等级代号也用一位阿拉伯数字表示：电流等级代号1234发电机额定电流<19A<29A<39A<49A第4部分为设计序号按产品的先后顺序，用1～2位阿拉伯数字表示．第5部分为变型代号

交流发电机以调整臂位置作为变形代号。从驱动端看，Y表示右边;Z表示左边;无表示中间。例：JFZ1913Z发电机－电压等级为12V、输出电流大于90A、第13次设计、调整臂位于左边的整体式交流发电机。6.交流发电机的基本原理

交流发电机的基本原理是电磁感应，当产生磁场的转子旋转时，使穿过定子绕组的磁通量发生变化，则在定子的绕组内就会产生交流电动势。（1）交流发电机的工作原理

当激磁绕组有电流通过时，激磁绕组便产生磁场，转子轴上的两个爪极分别被磁化为N极和S极。当转子旋转时，磁极交替地在定子铁心中穿过，形成一个旋转的磁场，磁力线和定子绕组之间产生相对运动，在三相绕组中产生交流感应电动势。

三相绕组中所产生的感应电动势可用下列方程式表示:式中：Em—相电动势的最大值；Eφ—相电动势的有效值；ω—电角速度(ω＝2πƒ)。发电机每相绕组所产生的电动势的有效值为式中：K——定子绕组系数，一般小于1；ƒ——感应电动势的频率(Hz)，ƒ＝Pn/60(P为磁极对数，n为转速(r/min))；N——每相绕组的匝数(匝)；    Φ——磁极的磁通(Wb)。上式表明，使用中的交流发电机，其交变电动势的有效值取决于转速和转子的磁通量，这一性质将直接决定着交流发电机的输出电压值。（2）整流过程

硅二极管具有单向导电特性。当二极管加上正向电压时，管子处于导通状态;当二极管加上反向电压时，管子处于截止状态。用硅二极管组成整流电路，就可以把交流电变成直流电。在交流发电机中，6只二极管组成的三相全波整流电路。由于3个正极管子（VD1、VD3、VD5）的正极分别接在发电机三相绕组的首端（A、B、C），它们的负极同接在元件板上，所以在某一瞬间，哪一相的电压最高，哪一相就获得正向电压而导通。由于3个负极管子（VD2、VD4、VD6）的负极也分别接在三相绕组的首端，而它们的正极同时接在后端盖上，所以在某一瞬间，哪一相的电压最低，哪一相的负极管子就导通，而在某一瞬间同时导通的管子只有两个（即正负管子各一个）。

三相全波整流器的整流过程

图3-10三相全波整流电路及电压波形０～t１时间内

t1～t2时间内

t2～t3时间内

以此类推，周而复始，在负载上就得到一个比较平缓的直流脉动电压。在三相全波整流电路中每只二极管所承受的最高反向电压，为线电压的最大值。

中性点电压的作用：

有的交流发电机带有中心抽头，它是从三相绕组的中性点引出来的，如图3-11所示，其接线柱的记号为“N”。中性点对发电机外壳（即搭铁）之间的电压一般用来控制各种用途的继电器，如磁场继电器、充电指示灯继电器等。图3-11带有中心抽头的交流发电机（3）励磁方法

将电源引入到磁场绕组，使之产生磁场称为励磁。

励磁方法分为自励和他励

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。

自励－当发电机有能力对外供电时，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。除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。交流发电机的激磁电路图图3-12交流发电机的激磁电路图发电机的激磁方法是:先他激、后自激。交流发电机的激磁电路如图3-12所示。当点火开关S接通时，蓄电池便通过调节器向发电机的激磁绕组提供激磁电流（他激），激磁电路为:蓄电池正极→点火开关S→调节器“火线”接线柱→调节器→调节器的“F”接线柱→发电机的“F”接线柱→发电机激磁绕组→搭铁。当发动机起动以后，发电机的输出电压略高于蓄电池电压时，发电机自己给激磁绕组提供激磁电流（自激），激磁电路为:发电机“+”→点火开关S→调节器“火线”接线柱→调节器→调节器的“F”接线柱→发电机的“F”接线柱→发电机激磁绕组→搭铁，发电机自激发电，并给蓄电池充电。

图3-12交流发电机的激磁电路存在着一个缺点，即驾驶员如果在发动机熄火后忘记将点火开关S关闭，蓄电池就会通过调节器向发电机激磁绕组长时间放电。针对这一问题，有很多车型使用了九管发电机，如图3-13所示。在这个电路中，增加了三个功率较小的硅二极管，专供激磁电流，称为激磁二极管，激磁二极管同时也控制充电指示灯。三只激磁二极管与三只负极管子同样组成桥式整流电路，“D+”与火线接线柱“B”电位相等。图3-13九管交流发电机的原理图1—激磁二极管;2—点火开关;3—充电指示灯4—调节器;5—负载

当点火开关S接通时，激磁电路是他激式－电流由蓄电池正极→点火开关S→充电指示灯→调节器→发电机激磁绕组→搭铁。这时充电指示灯亮，表示蓄电池在放电。当发动机起动以后，发电机电压高于蓄电池电压时，由于D+与B两点电位相等，因此充电指示灯因两端电位相等而熄灭，表示发电机正常发电。一方面，由发电机的火线接线柱“B”向全车供电及向蓄电池充电，另一方面通过“D+”为发电机的激磁绕组提供激磁电流（自激）。激磁电路如下:D+→调节器→发电机激磁绕组→搭铁。当发动机熄火时，充电指示灯亮，表明蓄电池在放电，提醒驾驶员关闭点火开关;当车辆运行时，充电指示灯亮，说明充电系统有故障，提醒驾驶员应及时维修。7.交流发电机的检测与维修试

交流发电机每运转750h（相当于汽车跑30000km）后，应拆开检修一次，主要检查电刷和轴承的情况。新电刷的高度是14mm，磨损至7～8mm时，则应更换新电刷。轴承如有显著松动，应予更换。（1）解体前的检测交流发电机解体前，应先在万能试验台上进行空载电压和负载电流的测试，进一步检查交流发电机的故障程度。①测量各接线柱之间的电阻利用万用表的（R×1）挡测量“F”与“-”之间的电阻值，测量“+”与“-”之间和“+”与“F”之间的正、反向电阻值，也可以判断交流发电机内部的技术状况，其标准值见表3-3。如果“F”与“-”之间的阻值过大，表明电刷与滑环接触不良或激磁绕组断开;若阻值过小，则表明激磁绕组有匝间短路的情况。图3-41交流发电机的空载和满载测试②空载转速的测试

空载转速的测试在实验台上进行，接线方法如图3-41所示。先将开关S1闭合，由蓄电池给发电机提供他激电流，接着起动电动机，逐步提高电动机的转速。当转速上升到500～800r/min时，发电机开始自激;继续提高转速，同时观察电压表的读数;转速上升到规定值时，如果电压低于标准值（见表3-2），则表明发电机有故障。③满载转速的测试有些故障，在没有电流输出的情况下是表现不出来的，所以在对发电机进行空载转速测试后，应再作满载转速测试。满载转速测试可以接着空载转速进行，如图3-41所示。当交流发电机的空载转速达到额定值时，接通S2，提高发电机转速，改变电阻R，不断增大负载电流。如果发电机在输出额定电流的情况下，其电压能够达到或超出额定值（见表3-2），则说明发电机完好;如果发电机在输出额定电流的情况下，其电压低于额定值，表明发电机有故障。④用示波器观察输出电压波型当交流发电机有故障时，其输出电压的波形将出现异常，因此根据输出电压波形可以判断交流发电机内部二极管及定子绕组是否有故障，交流发电机出现各种故障时输出电压的波形如图3-42所示。图3-42交流发电机各种故障时的输出电压波形（2）解体后的检查包括如下几个方面:

转子的检修定子的检修二极管的检测炭刷的检测

①转子的检修用万用表可检测激磁绕组是否短路、断路及是否搭铁。如图3-43所示，用万用表可以检测激磁绕组的电阻，如果阻值低于标准值（见表3-3），则说明激磁绕组短路了;如果阻值为无限大，则说明激磁绕组断路。