【汽车发电机设计与分析6300字（论文）】

汽车发电机设计与分析目录TOC\o"1-3"\h\u226011引言 引言最近工信部发布《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法和指标》征求意见稿，与老版最大的区别是，将测试循环由现行的NEDC（全新欧洲测试循环）改成了WLTC（全球轻型车统一测试循环）。WLTC工况特点是车速波动大，怠速工况少，而且没有特别的规律性，涵盖更广的速度区间，测试周期更长，这样使得传统燃油车油耗恶化明显。同时，汽车电器设备增加，发电机的功率越来越大，使得发电机的因素在油耗计算中影响因子比重增加，因此对发电机效率进行优化成为降低汽车油耗和排放的重要措施。本文通过对发电机的深度分析，提出对发电机定子绕线、风扇、高效二极管等方面的优化，提升发电机的效率，从而达到节油效果。并且发电机是保证汽车正常运行的重要保障。其与电压调节器和蓄电池共同构成了汽车的电源系统。其中发电机和蓄电池是紧密相连的，作为汽车运行的主要能源，一旦发电机出现问题或者故障，就会对汽车电源产生直接的影响，因此必须对汽车发电机的工作情况保持高度的重视。汽车发电机在电压的影响下随着转速变化而不断产生变化，同时对输出电压则用电压调节器进行控制，从而使发电机的功能保持正常。汽车发电机内部的结构比较复杂，比如风扇、整流桥、转子以及大量附件等等，因此要采取针对性的措施对相关故障进行排除。2发电机效率优化措施当前市场上主流的发电机采用的是爪极式发电机，主流选用的输出都在120~150A之间，效率一般为65%~70%左右，发电机效率提升还有一定空间。以下将从整流桥、定子绕线及散热进行优化以提升发电机效率。2.1整流桥上使用高效二极管替代普通二极管发电机发出的交流电都是通过整流桥转化为直流电给其他用电器。三相交流发电机整流桥主要由6只齐纳二极管组成的全波整流，如图1所示。图1三相发电机原理图由于二极管存在着正向压降的特性，导致在功率转换中出现自身损耗。一般普通二极管正向压降VF为1.1~1.2V之间。Actron新开发了一款高效二极管，正向导通电压VF为0.56V，几乎是传统二级管的50%。且二极管的形状与普通二极管一致，在发电机的整流桥可直接替换传统二极管无需对整流板进行更改，如图2所示。图2ActronMLL50在装有普通二极管的三相发电机上直接换装高效二极管，根据VDA效率计算，高效二极管将发电机的效率提升了约6%左右。VDA效率计算方法如下：式中：ηGen———发电机平均效率；ηGi———各转速下的效率；wi——各转速下的加权；Pmech———消耗的机械功率；Pel———发电机输出功率。从曲线（图3）可以得到，应用高效二极管的发电机不仅仅效率提高，而且在低转速下的输出也增大。高效二极效率与普通二极管效率测试数据见表1。图3应用高效二极管的发电机输出曲线表1高效二极管效率与普通二极管效率测试数据表2.2定子绕线工艺改进关于发电机定子绕组，不同的绕线方式会对发电机的输出性能以及效率产生影响。发电机定子绕组以圆线定子为例，其主要有两种形式，一种称之为“波绕”，另一种称之为“叠绕”。叠绕的主要形式如图4所示，其铜线走势为每一个铁心槽内的铜线首、尾两端走线方向一致。在固定的机械角度小，重复缠绕，形成框式结构。以三相定子为例，通过叠绕形成的定子绕组，单相绕组端部过粗，在定子两端，三相绕组相互堆叠，这造成定子两端铜线整形工艺困难，虽然此种绕线模式可以适当节省单相的端部铜线，但是如果要解决整形困难的问题，铁心外部铜线高度需要适当增加，以满足整形需求的空间。并且此种绕线形式，相与相之间的连接线跨度较长，这种将铜线增长的方式极大增加了铜线电阻，在形成感应电流的过程中，增大了电流流经的无效形成，导致发电机性能受限，效率低下。但是此种绕线方式适合人工生产，因此在部分机械化生产程度较低的厂家比较普遍使用。图4叠绕示意图波绕的主要形式如图5所示，其铜线走势为每一个铁心槽内的铜线首、尾部对称分开，各向相反方向延伸，按照单相绕组中的单根铜线来看，均是以波浪形状在铁心槽内向前延伸。这种绕线形式可以解决整形困难问题，使得铁心外部铜线更为均匀地分布，提高散热的同时，可以大大降低定子外部铜线高度，即减少无用铜线的使用，也可一定程度上提升产品的输出性能及效率。图5波绕示意图随着国内工业进程的发展，定子绕线自动化设备日益增多，波绕以其优异的性能逐步替代叠绕方式，并且两种绕线方式明显的优缺点使得目前的大部分发电机均采用波绕的形式制作定子。表2为定子波绕与叠绕效率测试数据表。表3定子波绕与叠绕效率测试数据表2.3提升发电机的整机散热水平发电机作为能量转化的媒介，在机械能转化为电能的过程中存在很多种损耗模式，其中热损耗就占有很大一部分比重。随着发电机的输出越来越大，导致发电机的发热量也随着增大。同时，发电机输出会随环境温度增高而降低，所以增加有效的散热也是提高发电机效率的一种方法。23℃和80℃发电机输出曲线对比见图6。图623℃和80℃发电机输出曲线对比发电机的主要发热源包括定子、调节器、整流二极管，在发电机工作时，其定子内部温度可达220℃。由于现有发电机基本为内置双风扇结构，因此其主要的散热途径均是通过内部风扇实现。发电机散热风路如图7所示。发电机的散热效果由风扇所形成的的风量、热源的散热面积、端盖散热口的面积（通过风量的大小）决定。举例说明，如果在风扇风量、热源散热面积一定的情况下，那么对端盖进行微调整，即增大其瞬时通过风量的能力（风扇形成总风量>散热孔通过总风量），对定子及发电机整体的温度均存在较大影响。如图8所示，将端盖散热孔增大。图8端盖优化及风量模拟计算更改后，端盖散热孔的出风量曾加了0.00022kg／s。风量增加后的定子温度场分析如图9所示。图9定子温度场模态分布由于端盖散热风量的增加，定子平均温度下降了2.5℃。发电机在热态工作时自身热量的降低，可以大大减少铜损，从而提升能量转化过程中的电机效率。优化散热效率测试数据见表3。表3优化散热效率测试数据表3汽车发电机故障与检修分析3.1汽车发电机不发电故障3.1.1发电机的运行原理汽车发电机的主要故障之一就是发电机不发电的问题。要想使这一问题得到切实的排除，就必须熟悉和了解汽车发电机的工作原理。通常情况下汽车发电机使用的是整流交流电，在端口的外电路部位，利用励磁绕组的方式实施通电作业，从而产生强烈的磁场，并将转子爪极划分为南极和北极，产生的电力磁场使转子开始旋转作业，在定子绕组和磁通交替的过程中，形成感应电动势。通过对汽车发电机工作原理进行明确地掌握，进而了解影响发电机正常工作的因素和条件。首先发电机整流桥、励磁电流以及定子绕组等要时刻保持正常运行状态；其次在发电机正常运行过程中，会产生电力磁场，在电力磁场的影响下转子始终保持旋转状态。汽车发电机在正常工作状态，蓄电池的电压值范围应大于蓄电池初始电压；发电机处于关闭状态，其电压值范围应低于蓄电池初始电压。汽车发电机如果在工作中突然出现不发电的情况，仪表盘充电指示灯会亮起，而在正常工作状态中，指示灯处于熄灭状态。而当汽车在打火和熄火的瞬时，汽车发电机处于关闭状态，指示灯依然会亮起。汽车发电机如果出现故障，电流表也会显示不一样的状态，如若不能得到及时地解决或者排除，则会导致蓄电池亏电，从而影响汽车发动机异常熄灭或无法启动。3.1.2不发电的原因分析导致汽车发电机不发电的主要原因可以从以下几方面进行分析：首先是汽车前端轮系传动皮带处于松滑状态；其次是电源线路短路造成的影响，在汽车发电机内部的整流二极管和励磁绕组由于种种原因造成的短路问题；再次是三相定子绕组出现搭铁和短路等造成汽车发电机不发电的问题；最后是没有及时地清理转子集电环，导致其被污染和被氧化等问题造成碳刷与转子集电环断路；除此之外还有碳刷架卡住碳刷等问题。3.1.3不发电的排查方案调节器会在汽车发电机工作过程中调节电压控制发电量，当蓄电池的电量达到饱和状态，调节器则自动断开电路连接，使发电机终止运行，这样的方式可以防止蓄电池出现过电量的问题。如果汽车发电机打火运行时，蓄电池电压不足，调节器能够及时地与电路接口进行自动连接，从而给蓄电池进行充电作业。在对汽车发电机的不发电故障进行诊断时，有对发电机的转速进行定期地检查，从而判断出现的故障是否来自于汽车发电机。其具体操作过程就是将汽车发动机的转速控制在2000rpm左右，然后将前照灯打开，随即观察车内电流表的运转情况。如果电流表的指针指在加号的位置，且保持不动的状态，则说明蓄电池有充足的电量，反之电流表的指针指在减号的位置上并保持静止状态，则说明蓄电池处于亏电状态，发电机存在着故障或者问题。确定发电机的故障之后就要针对其进行更进一步地检修。对汽车发电机不发电的故障进行详细地检查时，要对整流桥、蓄电池电量、发电机的线路是否畅通等方面进行详细地检查。故障排除之后观察充电指示灯是否处于工作状态之后再进行汽车的启动等工作。断开蓄电池的正极，观察电压值，如果处于12.8V则说明蓄电池处于正常蓄电状态；反之则说明蓄电池存在异常（亏电情况）。除了上述所说诊断和排除汽车发电机不发电故障的手段之外，还可以对调节器、励磁绕组、集电环滑环等应用万用表检查是否有击穿或者短路/断路的现象存在，如果有就要及时地对其进行处理。3.2电量过大的故障3.2.1故障表现和原因在汽车正常行驶的过程中，其电流表的指针在最大值的位置始终处于静止状态，就说明汽车发电机存在电量过剩的问题。在夜间环境启动汽车时，如果汽车发电机一直保持较高的转速运行，并且所有的照明灯都处于常亮的状态，不仅会损坏汽车发电机的电路，同时还会造成蓄电池电解液的过度消耗，从而缩短蓄电池的使用寿命。3.2.2故障排查方案对于发电机电量过大的故障，可以由以下两个方面进行相关的阐述：第一要严格检查汽车发电机的接线情况，保证调节器正确地接在磁场接线柱导线的恰当位置，所有触点均维持正常的运行状态，与此同时调节器内部的半导体元件务必要保持完整的状态。在确定上述配件设备都处于正常状态之后，就可以对调节器进行仔细地检查，如果在蓄电池充电的过程中电流小则说明调节器出现了问题或者故障，导致其故障的原因主要就是烧坏了触点。如果电流过大则说明蓄电池内部的某一环节出现了短路故障，会导致蓄电池电量严重亏损。第二除了上述所说的检查发电量的方法之外，还可以利用空调、灯、电器等对汽车电量进行检查，让所有用电设备均保持打开状态，运行过一定的时间之后触碰蓄电池正极线束，有热的感觉就说明汽车发电机存在电量过大的故障。3.3电量过小的故障3.3.1故障表现和原因在启动汽车之后，假如发电机始终处于高速运行的情况，而输出电流不能调节，就说明蓄电池已经处于电量亏损状态，造成这种故障的原因主要是由于发电机电压不够、线路电阻过大以及电流不足等。加之汽车蓄电池没有足够的电量，发电机在高速运转的情况下，如果充电的电流显示不足，那么就可以判断是过小的充电电流故障。而造成这一故障的原因主要是发电机性能不够，充电所用的线路电阻值过大，亦或者是调节器的功能问题。3.3.2故障排查方案对过小电流的故障进行诊断的过程中，可以采用以下几种方式：首先对汽车电源系统的常规设备进行详细地检查，即对发电机和蓄电池进行检查。对这些设备中线路的排布、接线以及传动皮带的实际情况进行监测。其次在确定发电机和蓄电池没有任何常规问题之后，就要对调节器的实际情况进行详细地检查。在对其进行检查作业的时候，要将发动机的转速提高到2000rpm以上，然后将汽车照明灯打开，如果充电指示灯处于熄灭状态，则说明发电机的电力系统没有任何问题；如果指示灯常亮则说明是发电机的电力系统的故障，就要立即采取相应的解决措施进行故障排除，为蓄电池正常充电提供保障。再次检查调节器触点，看是否有氧化物或者烧蚀现象存在。除此之外还要对其接线状态进行严格检查，如果出现松动情况，要采取措施进行修复。最后是当将汽车发电机的转速控制在中度范围及以上，这个时候蓄电池若处于放电状态，则说明属于过小电流故障，要采取相应措施进行排障作业。3.4发电稳定性能不佳3.4.1故障表现和原因造成汽车发电机故障的主要原因之一就是发电性能不佳。当汽车发电机处于正常运行状态时，若车内用电设备不发生变化，其转速会始终保持固定的数值，此时如果电流表的指针呈现左右晃动的现象，则说明蓄电池充电状态不正常，导致故障的原因主要是发电机存在电压不稳的情况。3.4.2故障排查方案在对汽车发电机发电稳定性能不佳的故障排除时，可以从以下几方面着手：首先是检查汽车发电机线路触点和接头的实际情况，看是否有接触不良、烧蚀以及短路的情况出现，如果发现有类似情况出现，则要及时地对损坏部分进行修理或者换新，避免出现发电故障，从而使发电机发电稳定性得到有效提升，进而使汽车发电机处于良好的工作状态。其次检查调节器的电路情况。在对其进行实际检查的过程中，主要针对调节器中三极管和二极管的状态实施检查作业，如果发现其有老化或者击穿的现象出现，则要及时进行修理或者换新，保证调节器维持正常工作状态。最后，若排查后都没有任何问题或者故障，就要重点检查发电机的技术状态，若在此环节出现了故障问题，就需要依照检查结果更改发电机技术方案。3.5发电机异响故障导致汽车发电机产生异响故障的原因有很多,首先要明确异响发生的部位，比如碳刷、前后轴承、定转子气隙等部位都可能发生异响。常见异响故障一般由于发电机轴承出现损坏而导致定子和转子出现了干涉现象而形成异响，对于轴承的故障问题可以直接换新解决。同时也要对调节器碳刷带进行更换保养。4结语本文通过应用高效二极管，改变绕线方式及提升散热水平等方案提升发电机的效率，并进行相关的对比试验。对比数据表明，高效二极管的应用可将效率提升5%左右，绕线和散热水平的优化对效率提升也有不错的效果。这3种方案只需要在原发电机的平台进行优化，就可明显提升发电机效率，具有很好经济性。同时，汽车发电机在进行供电时，由于发电机直接影响着汽车的正常运行，因此必须加强对汽车电源系统中起关键作用的发电机设备的关注力度。要想使汽车发电机应用稳定性得到保障，就要对维护发电设备的工作力度进行加强，对设备进行定期地检修，排查其发生的故障，并对原因进行详细地分析，而后采取相应的措施及时地进行故障排除，从而使汽车发电机的性能得到保障。参考文献[1]高峰,李珊珊.汽车发电机常见故障原因分析与排查方案研究[J].