（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）汽車交流發(fā)電機性能微機測試試驗臺的研究.pdf

湖北工業(yè)大學碩士學位論文 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，m o s to ft h et e s t i n gs e to ft h eg e n e r a t o ro f t h ec a r ，i no u rc o u n t r y ，a r e t h ep r o d u c t so fs e v e n t i e sa n de i 【g h t i e s ，a l lo ft h e mm u s tb ei m p r o v e d 。m a k i n gu s i n go f m i c r o e l e c t r i c t e c h n i q u e ，t h ei m p r o v e m e n tm a y b ep o s s i b i e t h i st e x ti n t r o d u c e so n e k i n do fm a c h i n ew h i c hi nf u n c t i o nt e s t st h ea l t e r n a t e - c u r r e n tg e n e r a t o ro ft h ec a r i t i so f i ek e ym a c h i n et ot e s tt h ec h a r a c t e r i s t i co fa l ls o r t so fg e n e r a t o r sf o rc a r n i s m a c h i n ea i m st os t u d ya l lk i n d so fc h a r a c t e r i s t i ca n dt e s tt h ec h a r a c t e r i s t i c ，i n c l u d i n g t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h e g e n e r a t o r ，t h em a c h i n ec h a r a c t e r i s t i c ，h o t ，v o i c e m a g n e t i cf i e l d ，e l e c t r i c i t y t om e a s u r e ，a n a l y s i so ft h ee r r o rm a r g i na n dt h eh a n d l i n g o ft h ed a t a f i r s t ，i ti n t r o d u c e st h ep r e s e n tc o n d i t i o no ft h ea l t e r n a t e c u r r e n tg e n e r a t o r o ft h ec a r ，t h es o m en e wt e c h n i q u et h a tu s e ，a n dt h es o u r c e ，p u r p o s eo ft h i sl e s s o n ， c o n t e n t s n e ni n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a ro ft h ea l t e r n a t e - c u r r e n t g e n e r a t o ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a ti s t e s t e d i n t r o d u c e si m m e d i a t e l yt h eh a r d w a r e o ft h et e s t e de x p e r i m e n t ，a n dt h em a i ne l e c t r i cc i r c u i td i a g r a m so ft h es e t ，e x p l a i n i n g i nd e t a i la l lk i n d so fc o n d u c t o r sw h i c hc o l l e c tt h es i g n a l so ft h eg e n e r a t o r d a t a c o l l e c t e dc a r da n dd a t ai n p u t i n ga n do u t p u t t i n gc a r d t h ed a t a - c o l l e c t e dc a r dh g e s t h ep c l - 8 1 2 p go ft h e c o m p a n yo fa d v a n t e c h t h e c a r do fd a t a i n p u t i n g a n d o u t p u t i n gu s e st h e p c l - 7 2 4o ft h ec o m p a n yo ft h ea d v a n t e c h t h e nt h i s p a p e r d e s i g n st h ep r o g r a mi n d a t a c o l l e c t i n g e x p l a i n s h o wt oc o n t r o la l t e r n a t e c u r r e n t g e n e r a t o rw i t ht h es i e m e n sm i c r o m a s t e r4 4 0a n da l lk i n d so fp r o t e c t i n gt h ee l e c t r i c c i r c u i to ft h em a i nc i r c u i t i tc o n t r o l st h es p e e d i n go ft h e g e n e r a t o rb yp i do f s h u t t i n gt h ew r e a t h t h i st e s t i n gs e tc a ns h o wa n ds a v ei m m e d i a t e l yt h ev o l t a g e ，t h e c u r r e n t ，t h et e m p e r a t u r ea n dp o w e ro fr o t a t i o no ft h ea l t e r n a t e c u r r e n tg e n e r a t o ra n d r e a l i z e st h ef u n c t i o no fa l a r mi nt i m et ot h eb r e a k d o w na n da u t o m a t i c p a r k i n g k e y w o r d s ：a l t e r n a t e c u l t e n tg e n e r a t o ro ft h ec a r a u t o m a t i c c o n t r o l l i n g c h a r a c t e r i s t i ct e s t e db yc o m p u t e r s p e e dc o n t r o l l e db yc h a n g i n gf r e q u e n c y d a t a c o l l e c t i n g c a r d 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 湖北工業(yè)大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師指導 下，進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內 容外，本學位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公 開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內容。對本論文所涉及的 研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方 式標明。本學位論文原創(chuàng)性聲明的法律責任由本人承擔。 簽名： 年月日 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 學位論文版權使用授權書 本人完全了解湖北工業(yè)大學關于收集、保存、使用學位 論文的規(guī)定，同意如下各項內容：按照學校要求提交學位論 文的印刷本和電子版本；學校有權保存學位論文的印刷本和 電子版，并采用影印、縮印、掃描、數字化或其它手段保存 論文；學校有權提供目錄檢索以及提供本學位論文全文或者 部分的閱覽服務；學校有權按有關規(guī)定向國家有關部門或者 機構送交論文的復印件和電子版；在不以贏利為目的的前提 下，學校可以適當復制論文的部分或全部內容用于學術活 動。 學位論文作者簽名：羲裕瑚 口f 年石月目 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 第1 章緒論 隨著國民經濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，汽車作為一項消費品逐漸走 入了人們的家庭，它已成為一門重要的產業(yè)，尤其是一些家用小轎車為人們所 關注，所喜愛。汽車的性能為人們所看重。汽車上的各種電子設備也隨之發(fā)展。 汽車交流發(fā)電機是汽車的主要電源之一，交流發(fā)電機問世以來，以其輸出功率 大，可靠性好，使用壽命長等優(yōu)點深甓廣大用戶歡迎。近幾十年來，交流發(fā)電 機無論是在結構方面。加工工藝方面還是在原材料使用方面都有了較大的改 進。目前國內絕大多數汽車發(fā)電機生產廠家對汽車發(fā)電機的性能測試都是沿用 傳統(tǒng)的測試方法，其測試精度低、誤差大、效率低、數據不能存貯。給產品質 量追溯帶來很大的不便m 。而國外發(fā)達國家的汽車發(fā)電機生產廠家已經把微機 引入到這一領域。近幾年來國內幾家大型汽車電器企業(yè)也陸續(xù)引進了此類設 備，但價格昂貴，因此，在我國研制性能穩(wěn)定、測試精度高的汽車發(fā)電機性能 微機測試系統(tǒng)，是一件很有意義而又迫切的工作。本文介紹的就是汽車發(fā)電機 性能微機測試系統(tǒng)。 1 1 汽車交流發(fā)電機的作用 汽車用的交流發(fā)電機問世以來，以其獨特的優(yōu)點深受廣大用戶的歡迎。但 隨著汽車技術的不斷發(fā)展，車內設備的不斷完善和增加，對交流發(fā)電機的要求 也越來越高：輸出功率大、可靠性好、使用壽命長，體積小、重量輕、維護方 便。2 0 多年來交流發(fā)電機單位重量的輸出功率增加了近8 倍，外徑減小了3 0 左右，在結構和加工工藝方面，都有了很大的改進。隨著汽車上各種電子設備 的增多，特別是照明設備，空調設備、信號系統(tǒng)、閉路電視，音響的引進，要 求的電源的功率越來越大，對發(fā)電機的要求也越來越高。發(fā)電機運轉時既對各 種用電設備供電，也對蓄電池充電。當發(fā)電機停止運轉發(fā)電時，由蓄電池向各 用電設備供電。 1 2 汽車交流發(fā)電機性能測試的現(xiàn)狀及趨勢 在電機的生產運行和科研過程中，需要對電機的性能，參數等進行必要的 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - i _ _ _ - - l _ _ _ i - - _ l _ - - _ - _ _ _ - l _ _ - _ _ l - - - i - - - _ _ _ - - i _ _ - i - _ _ _ _ _ 一 測試，以檢驗電機是否滿足有關技術要求的規(guī)定，或尋求改進設計工藝的途徑 和方法。電機性能測試臺主要是研究電機各種特性及參數的測試，包括電機的 工作特性，機械特性，熱，聲，磁場，電量及電參數的測試，誤差分析和試驗 數據處理2 l 。 汽車交流發(fā)電機性能測試臺的發(fā)展與電機工業(yè)的發(fā)展是密切相關的。科學 技術的發(fā)展對電機的發(fā)展提出了越來越高的性能和質量指標。由于電機容量的 不斷增長以及電機性能指標的要求日益提高，有些常用的測試方法或者受到試 驗站電源容量及安裝條件的限制?；蛞蜾^i l 試精度及速度不自滿足要求近年來 國內外對試驗中非電量傳感器儀器的研制以及新的電機測試方法做了大量工 作，使測試的精度和速度有了顯著的提高。 隨著電子技術和計算機的發(fā)展，儀器儀表業(yè)發(fā)生了歷史性的變化儀器儀 表參數的數字化和智能化，也使得電機測試技術有了長足的進步。數字化電壓 表，數字轉矩轉速儀，光電數字測遮儀，智能型溫控儀，以及數字存儲示波器 等一系列現(xiàn)代測試儀表的出現(xiàn)促進了電機自動測試技術的發(fā)展，解決了過去難 以解決的電機測試技術課題，測試系統(tǒng)的精度和可靠性也大大提商。 國內外已研發(fā)出些先進的數據采集卡以及數據輸入輸出卡，如研華公司 的數據采集卡p c l 一8 1 2 p g ，p c l 一8 1 8 1 t 數據輸入輸出卡p c l 一7 2 4 等等。利用這些嵌 入式卡把采集到的各種傳感器信號輸入到計算機中進行處理。 測試系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)一體化是現(xiàn)代電機測試技術的主要特征之。近 年來，單片微機應用的大量推廣為自動測試系統(tǒng)開拓了發(fā)展的新途徑。單片微 機在自動測試系統(tǒng)中的功能為【”：進行程序控制監(jiān)視測試過程記錄整理并 分析測試結果，即將測得的數據進行分析處理，最后以數字顯示打印或繪制 圖表，也可以信息方式存儲。單片微機在測試系統(tǒng)中以作為測試設備的一部分。 充當于一部分電子測量儀器的作用。但單片機也存在一些難以克服的缺點。出 于速度慢內存小，執(zhí)行一些大點的程序就顯得不足了。另外單片機也存在著 程序失控的現(xiàn)象。程序失控是指系統(tǒng)受某種干擾后。p c 值偏離了給定的唯一變 化歷程，導致程序運行偏離了正常的運行路徑。程序失控因素及后果往往不可 預計。程序失控后的非正常運行會造成各種損害。很多情況下都進入死循環(huán) 而導致死機。單片機容易受到電磁干擾，抗干擾的能力差。 國外可編程控制器已引入了電機的數字化測試中。因為可編程控制器具有 與計算機、單片機一樣的編程能力，編程語。言簡單、易學、抗干擾能力強它 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 可將中間繼電器、時間繼電器之間大量的控制邏輯關系變成簡單的程序，輸入 給p l c 中的c p u 進行運算和處理。然后只將結果輸出給執(zhí)行單元，使得控制系統(tǒng) 在中間控制邏輯的環(huán)節(jié)中不會出現(xiàn)任何問題，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 在繼電器控制系統(tǒng)中，如果要對一臺已設計好的控制器作一些原理上的變動。 那就的變動連線，甚至增加元件。但使用可編程控制囂就方便多了，只要改變 一下程序或增加幾條程序就可圓滿解決問題。但如果控制對象的輸入輸出接口 數量和內存容量大，可編程控制器比較昂貴，不易實現(xiàn)對發(fā)電機的參數模擬量 的檢測。 采用通用工業(yè)p e 微機控制系統(tǒng)是一種比較好的控制方法。工控機系統(tǒng)是指 對機電設備進行測量和控制的自動化系統(tǒng)，是檢測、判斷、處理、通訊的總稱。 通用工業(yè)p c 微機具有良好的開發(fā)性、能降低控制系統(tǒng)的成本，且具備良好的安 全性、靈活性和聯(lián)網性，并簡化了維護和培訓。它的外部堅固，耐沖擊能力和 震動：具有工業(yè)標準電源。高可靠，高性能，開放式架構，具備升級擴展能力。 選用通用工業(yè)p c 微機，再配以有關功能卡。使用相關系統(tǒng)及應用軟件可完成電 機的自動測量和控制。 綜上所述，研究開發(fā)和使用工業(yè)控制計算機來測量控制電機是當前國內外 的主流和發(fā)展方向。 1 3 本課題的目的意義及內容 汽車交流發(fā)電機性能試驗臺是對各類汽車用各種規(guī)格交流發(fā)電機的性能 測試的關鍵設備，為完成產品開發(fā)，試制，試驗以及貨源鑒定等任務，同時應 東風汽車公司的要求，湖北機電研究院研制出一臺能滿足各項要求并能對轎 車、輕型車的開發(fā)，試制及鑒定而服務的試驗裝置，以解決應用需要。本人也 加入了其中的工作。 本文主要講述了汽車交流發(fā)電機的基本原理。要測試的一些參數。講述了 汽車交流發(fā)電機測試臺的硬件主電路圖，用到一些智能化卡片，如數據采集卡 和數據輸入輸出卡，介紹了采集信號用到的一些傳感器件。本測試臺用到了變 頻器來驅動異步電機來拖動交流發(fā)電機，介紹了變頻器拖動交流異步電機的使 用方法。 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 第2 章汽車交流發(fā)電機的性能 2 1汽車交流發(fā)電機的結構及基本原理 汽車發(fā)電機是用來對蓄電池進行充電和供給汽車上各種用電設備所需的 電能，它輸出的必須是直流電。交流發(fā)電機作為汽車的一種電源，是由三相同 步發(fā)電機，硅整流器及電壓調節(jié)器三部分組成的。交流發(fā)電機在沒有達到工作 電壓時，即在很低速度運轉時它的磁場是它激的，由蓄電池供給激磁繞組電 流當開始發(fā)電后是自激的。 汽車用的三相交流發(fā)電機的基本原理同三相交流發(fā)電機，它在結構上與 般工業(yè)用凸極式交流發(fā)電機不同汽車用三相同步發(fā)電機的磁場是采用鳥嘴形 磁極，它的形狀像鳥嘴。這種磁極是可以使定子感應的交流電動勢近似于j 下弦 曲線。每個磁極的磁通經轉子的鐵芯回合形成發(fā)電機的總磁通?？偞磐ǖ扔?一個極性所有磁極的磁通總和。這樣就可以采用一個簡單的激磁繞組。繞在轉 子的鐵芯上。所以只消耗少量的銅線。發(fā)電機的轉子是電機的磁場部分。它主 要由激磁繞組，磁極和滑環(huán)組成。單個磁極的形狀像鳥嘴形，但它的整體像一 個爪子。所以一個極性的整體磁極也稱爪極“】。磁極數目有4 對，5 對。6 對，7 對等，各個工廠設計的不一樣。我國目前生產的汽車交流發(fā)電機大多采用6 對 磁極，即轉子每旋轉一轉，定子的每相電路上能產生6 個周期的交流電動勢。 轉予的滑環(huán)也稱集電環(huán)，是由2 個彼此絕緣的銅環(huán)組成中間的絕緣材料一般 使用玻璃纖維塑料?；h(huán)可以用銅管加工而成，也可以用銅板拉伸沖制而成， 與玻璃纖維塑料或其他有一定機械強度并能耐熱的塑料壓成一體后。再壓裝到 軸上。這個滑環(huán)與裝在炭刷端蓋上的2 個炭刷接觸，用接線柱引到發(fā)電機外部。 要使交流發(fā)電機定子繞組中產生電動勢，就必須對其磁極進行激磁。激磁 的方法，一般分為他激和自激兩種。_ 般工業(yè)用的交流發(fā)電機的源磁大都采用 他激的，即完全由另外的電源對發(fā)電機的磁級進行激磁；另一種是自激的，即 利用本身定子繞組中發(fā)出的電，供給本身的磁極。另外也有一種是永磁式即 磁極是預先充好磁的，這種激磁方法一般用于1 0 0 瓦以下的小型交流發(fā)電機。 例如小型拖拉機采用這種永磁交流發(fā)電機。 汽車用的交流發(fā)電機的激磁方法與一般工業(yè)用交流發(fā)電機不同，它在低速 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 運轉時，即還未達到蓄電池充電電壓時，是他激的，即用蓄電池的電流供給發(fā) 電機的激磁繞組；當高速運轉時，即發(fā)電機的轉速已達到蓄電池充電電壓的轉 速時，發(fā)電機是自激的，即利用定子繞組本身產生的、經過整流的直流電流 供給發(fā)電機本身的激磁繞組。 汽車交流發(fā)電機的使用條件與一般工業(yè)用的交流發(fā)電機不同。一般工業(yè)用 的交流發(fā)電機的使用轉速是固定的，而汽車交流發(fā)電機是安裝在發(fā)動機上，按 固定的傳動比( 即發(fā)動機曲軸皮帶輪直徑與發(fā)電機皮帶輪直徑之比) 由發(fā)動機 曲軸帶動；所以，發(fā)電機的轉速在很大的范圍內變化，即在相當于發(fā)動機最低 速度( 即發(fā)動機怠轉時) 到相當于發(fā)動機最高轉速的范圍內變化。對般現(xiàn)代 汽油發(fā)動機來說，它的轉速變化為l ：8 ；對柴油發(fā)動機來說，可以為1 ：3 5 。所 以，表示汽車交流發(fā)電機特性的方法也不同，一般以速度變化為基準，表示出 各變量之間的關系，并且要求在這么大的轉速范圍內發(fā)電機的電壓保持在一定 的數值，這要通過電壓調節(jié)器來達到。 大多數的汽車交流發(fā)電機的整流器是由6 只硅二極管組成，3 只負極管子裝 在后端蓋上，另三只正極管子裝在一塊整體的散熱板上，稱為元件板。6 只二 極管組成三相橋式全波整流線路。 、 汽車交流發(fā)電機是三相同步電機轉子的轉速和定子繞組中產生的感應電 動勢的頻率成一定的比例。他們的關系7 1 是： f = p n 6 0 式中：f 一發(fā)電機的頻率， p 一發(fā)電機磁極對數 n 一轉子的轉速， 下圖表示鳥嘴形磁極的交流發(fā)電機的磁路部分 上圖中磁極繞組2 繞在磁上面，磁極3 和4 壓在軸7 上，軸上也有一部分磁通 會通過。圖中6 是安放在定子中的星形連接的三相繞組，他們在定子中的位置 彼此相差2 3 極距。每相繞組是若干匝線圈串聯(lián)而成。 每極每相槽數q 是定子繞組的重要特性。 q - - z ( 2 p m ) 式中：z 一定子總的槽數， 2 卜發(fā)電機的極數， j r 發(fā)電機的相數 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 目前國產的汽車交流發(fā)電機采用的三相繞組，其每極每相槽數q 為1 。發(fā)電 機的轉子旋轉時，在其激磁繞組中形成的磁通切割定子繞組的導線，于是定予 的三相繞組就感應出三相交流電動勢。 當汽車的點火開關閉合時，蓄電池電流通過調節(jié)器觸點流向發(fā)電機的激磁 繞組，激磁繞組周圍就產生磁通。大部分的磁通通過磁軛1 分部在爪極3 上，這 個爪極是北極。磁通通過北極后，穿過轉予與定予之間的空氣隙，經過定子的 齒部與軛部，再經過空氣隙，進入另一爪極4 ，這個磁極是南極，再從南極回 到磁軛1 ，形成磁回路，極磁繞組所產生的磁通沒有全部通過定子的齒部和軛 部，而有一部分從定子旁邊的空氣中及n 極與s 極之間通過，這部分磁通成為漏 磁通。 如果己知發(fā)電機的空氣隙中的磁通，則可以求得發(fā)電機一相繞組所產生的 電動勢。 e = 4 4 4 k a o w o 式中：f - 感應電動勢的頻率 w 一定子的每相繞組的串聯(lián)匝數 m 一電機空氣隙中磁通 k 一繞組系數 q = t 時三相交流發(fā)電機的繞組系數k = l 發(fā)電機是汽車主要電器設備之一，它與蓄電池并聯(lián)共同承擔汽車上所有用 電設備的供電任務。其工作過程“如下； 起動機起動時，由蓄電池向起動系、點火系、儀表系等供電，并向發(fā) 電機提供勵磁電流； 起動機起動后，通過傳動裝置帶動發(fā)電機旋轉，當發(fā)電機達到一定轉速 后，發(fā)電機輸出電能： 當發(fā)電機轉速繼續(xù)升高。發(fā)電機的端電壓高于蓄電池的電動勢時，發(fā)電 機不僅獨自向用電設備供電，而且對蓄電池充電，多余電能由蓄電池儲存起來， 以備起動機起動時用電； 當發(fā)電機轉速較低或發(fā)電機高速運轉出現(xiàn)超載現(xiàn)象時由發(fā)電機和蓄 電池共同向用電設備供電。 自本世紀二十年代以來，汽車上采用的是換向器式直流發(fā)電機。在五十年 代到六十年代，工業(yè)發(fā)達的國家把半導體整流的發(fā)電機應用到汽車上，并取代 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 了老式直流發(fā)電機，國內從六十年代中期丌始設計制造交流發(fā)電機。發(fā)電機生 產成品后必須經過嚴格的測試各項性能指標達到規(guī)格值后才能出廠。 2 2 汽車交流發(fā)電機的新技術 六、七十年代、國際上汽車發(fā)電機技術取得了許多突破性的發(fā)展，車用發(fā) 電機全部更新?lián)Q代，如帶調節(jié)器的整體式交流發(fā)電機，適用于柴油機的帶真空 泵交流發(fā)電機，適用于工程機械及野外作業(yè)的無刷交流發(fā)電機，以及適用于工 具車的充電電焊兩用大功率發(fā)電機等相繼研制成功并投入使用。進入八十年 代，隨著汽車技術的發(fā)展，車內設備不斷完善。包括各種小型電動機，照明設 備、空調設備、信號系統(tǒng)、閉路電視、音響等五十余種用電設備，用電量正以 每年2 3 a 的速度增長，迫使發(fā)電機的輸出功率不斷增大，另一方面，汽車技 術的發(fā)展要求汽車( 主要是轎車) 整體重量減輕，汽車發(fā)動機室集成度提高，要 求發(fā)電機小型化，輕量化，由于發(fā)動機室布局日趨緊湊，發(fā)電機所處環(huán)境的溫 度有繼續(xù)上升的傾向，所以，對發(fā)電機零部件的耐熱性能要求越來越高，因此 減少發(fā)電機體積，降低重量，提高輸出功率和耐熱等級，并設法提高發(fā)電機的 壽命是八十年代汽車發(fā)電機技術進步的主要方面9 l 。經過不斷的改進，在過去 的二十年內，交流發(fā)電機單位輸出重量減少了1 3 ，某些發(fā)電機的發(fā)電能力增 加了2 3 倍，而重量只有原來的3 4 。例如成為美國通用公司l9 9 6 年七項技 術精華之一的改進后的交流發(fā)電機輸出增加了( 最大的8 5a ) 而重量減少了 3 0 ，直徑減小1 0 一2 0 毫米，內部緊固件減少6 0 ，1 9 8 9 年北京國際汽車 零部件工業(yè)展覽會上展出的韓國與通用公司臺作生產的9 a 2 0 型交流發(fā)電機， 比功達到2 5 0 w k g 。 汽車用途交流發(fā)電機問世以來，以其獨特的優(yōu)點深受廣大用戶的歡迎。但 隨著汽車技術的不斷發(fā)展，車內設備的不斷完善和增加，對交流發(fā)電機的要求 也越來越高：輸出功率大、可靠性好、使用壽命長，體積小、重量輕、維護方 便。2 0 年來交流發(fā)電機單位重量的輸出功率增加了近8 倍，外徑減小了3 0 左右，在結構和加工工藝方面，都有了很大的改進。 1 結構方面的改迸m 1 ( 1 ) 調節(jié)器內裝 就是把集成電路調節(jié)器( i c 調節(jié)器) 安裝在發(fā)電機的內部，使其與發(fā)電機成 7 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 為一體，既減少了汽車上的布線提高了可靠性，又可以具有多種功能，如充 電指示、故障報警與判斷等?，F(xiàn)在美國摩托羅拉公司等都已系列化生產了這種 類型的調節(jié)器。 ( 2 ) 風扇內裝 將風扇葉焊在前后半殼的爪極上，使前后端蓋的兩端形成兩個獨立的散熱 風道。前端蓋風道主要冷卻定子線圈及激磁線圈通過磁爪散發(fā)熱量；后端蓋風 道主要冷卻并帶走整流器、調節(jié)器、定子線圈及激磁線圈通過磁爪散發(fā)出來的 熱量。這種結構不僅能增加通風量，提高冷卻效果，還可以降低風扇高速旋轉 時所產生的噪聲和所消耗的功率。 ( 3 ) 采用多齒v 形皮帶輪 為了增加發(fā)電機的輸出功率，要適當地提高發(fā)電機的轉速，因而需要增大 傳動比，并解決由于皮帶的包角減小、高速運轉打滑、皮帶易損壞等問題。多 齒v 形皮帶輪能較好地解決這問題。它是一種經冷鍛與旋壓成形的皮帶輪，因 而可減小重量，并提高強度。 ( 4 ) 整體直焊式整流器 整流二極管管芯直接焊在散熱板上，形成一個整體，有利于散熱，并降低 成本。為了增大交流發(fā)電機的輸出電流，其整流器加了中性點整流二極管，輸 出電流可增大1 5 左右。一些交流發(fā)電機上還采用了具有齊納特性的整流二極 管防止過電壓產生以保護車用電子設備及減小電磁干擾，提高其可靠性。 ( 5 ) 采用專用滾動軸承 為了適應發(fā)電機的高速運轉及免維護性滾動軸承采用非接觸式雙面密封 軸承，其內部為迷宮式結構。潤滑油用高溫高速潤滑脂，增加了可靠性。 ( 6 ) 采用小直徑滑環(huán)、電刷增加添加劑，增加了使用壽命 2 改進加工工藝方面 ( 1 ) 定子鐵芯帶料卷繞 定子鐵芯采用低碳鋼帶料給高速沖槽、自動卷繞成形疊壓及焊接工藝可 大大提高材料的利用率( 從原來的3 0 提高到9 0 ) 。 ( 2 ) 定子線圈的自動嵌線 隨著交流發(fā)電機輸出電流的不斷增大定子線圈的線徑也要相應地加粗。 人工嵌線不僅無法保證質量，而且勞動強度大，工效低，無法大批量生產。采 用自動嵌線工藝可以克服上述缺點，使嵌線質量穩(wěn)定可靠。 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 ( 3 ) 轉子磁爪采用冷擠 新型的交流發(fā)電機采用導磁性能好的電工純鐵冷擠而成。使磁爪具有平衡 度好、材質均勻、強度好、導磁性能佳、加工工效高的優(yōu)點，而且，由于極爪 分布均勻爪極的拐彎處由圓弧過渡。因而，使極爪磁通密度逐漸變化，電磁 噪聲小。 ( 4 ) 用拉伸工藝制作風扇葉 這種扇葉的厚度從風扇中心到外圓逐漸減薄，并且各葉片之間采用不等距 分布，具有風量大，噪聲小、重量輕等優(yōu)點。 3 調節(jié)器的改進 隨著汽較流發(fā)電機的廣泛使用，在發(fā)電機中起輸出電壓調節(jié)作用的調節(jié) 器也得到不斷發(fā)展，尤其是電子電壓調節(jié)器，因為它與機械式電壓調節(jié)器相比 具有體積更小、調節(jié)更精確、性能更可靠的特點，所以幾乎在所有車用發(fā)電機 中得到了使用，基本取代了機械式調節(jié)器。作為發(fā)電機的電壓輸出管理器件電 壓調節(jié)器最主要的功能就是在整個工作溫度范圍內( 一般為一4 0 9 0 ) ，通過 采樣交流發(fā)電機的輸出電壓，經內部邏輯電路的判斷結果來控制轉子繞組的 電流，繼而調節(jié)磁場強度來控制發(fā)電機的輸出以防止蓄電池的過充電。調節(jié) 器的作用見圖2 1 。 圖2 1 調節(jié)器的主要功能模塊 所謂的多功能電子電壓調節(jié)器就是在此基礎上，增加了遠端電壓采樣、電 位警示及自動保護等功能，以方便駕駛和維修人員對發(fā)電機狀態(tài)進行更好的監(jiān) 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 控，也提高了發(fā)電機的可靠性。幾大汽車電機制造商，如博世、電裝、德爾福、 法雷奧和摩托羅拉等都根據自己對交流發(fā)電機的工作方式環(huán)境的理解以及各 自的制造水平，分別推出了各具特色的電子電壓調節(jié)器，并結合同時代汽車技 術的發(fā)展不斷改進，演變出新的型號。摩托羅拉較早推出的調節(jié)器限于當時的 制造工藝水平和設計思路，把除磁場功率管外的模塊集成在一塊厚膜電路板 上，稱為厚膜型調節(jié)器，如圖2 2 所示。 囝2 - - 2 厚膜型調節(jié)器 圖2 - - 3 單片調節(jié)器 后來，隨著集成電路技術的發(fā)展和批量生產的需要，摩托羅拉又推出了集 成度更高的單片電路具有與厚膜型調節(jié)器相同的功能。 在更本質性的變化發(fā)生在近十年智能網絡等先進技術在運輸工具上的應 0 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 用。第一代的發(fā)電機調節(jié)器只具有最基本的輸出電壓控制功能。從第二代開始， 調節(jié)器已經進化到具有一些“原始智能”的汽車電子部件，它可以在示警提醒 的同時進行自我保護和調節(jié)，給汽車的整個控制系統(tǒng)增添了一個較和諧的節(jié) 點。第三代調節(jié)器有了一個更大的跨越。它在自控的同時，還向發(fā)動機的大 腦e c u 匯報發(fā)電機的狀態(tài)“”。即對應轉速的頻率、磁場開通周期比。從“小 我”開始溶入大我，現(xiàn)在，第四代“未來型”的調節(jié)器已經在許多制造商的 實驗室里孕育了數個寒暑，呼之欲出。發(fā)動機e c u 采集備端信號，并發(fā)布指令 讓各器件做出相應的動作。新一代調節(jié)器也溶入了這個網絡。輸出電壓由e c u 根據蓄電池和用電器狀態(tài)決定：發(fā)生故障后也由e c u 決定調節(jié)器如何動作，并 由e c u 記錄故障代碼。駕駛和維修人員可以根據讀碼器直觀地知道發(fā)電機發(fā)生 過什么現(xiàn)在怎么了。也許以后發(fā)電機會被稱作起動發(fā)電一體機或別的什么， 但調節(jié)器成行使調節(jié)器職能的器件將會成為e c u 的一個有感知和動作功能的“腕 足”，并有很多“兄弟姊妹”在汽車的控制網絡中和它一起傾聽“大腦e c u ” 的召喚，使人們可以更安全地駕駛汽車。 2 3 汽車交流發(fā)電機要測試的性能 汽車交流發(fā)電機的使用條件與一般工業(yè)用的交流發(fā)電機不同。一般工業(yè)用 的交流發(fā)電機的使用轉速是固定的，而汽車交流發(fā)電機是安裝在發(fā)動機上，按 固定的傳動比( 即發(fā)動機曲軸皮帶輪直徑與發(fā)電機皮帶輪直徑之比) 由發(fā)動機 曲軸帶動；所以，發(fā)電機的轉速在很大的范圍內變化，即在相當于發(fā)動機最低 速度( 即發(fā)動機怠轉時) 到相當于發(fā)動機最高轉速的范圍內變化。對一般現(xiàn)代 汽油發(fā)動機來說，它的轉速變化為1 ：8 ：對柴油發(fā)動機來說，可以為l ：3 5 。所 以，表示汽車交流發(fā)電機特性的方法也不同，一般以速度變化為基準，表示出 各變量之間的關系，并且要求在這么大的轉速范圍內發(fā)電機的電壓保持在一定 的數值這要通過電壓調節(jié)器來達到。 l 空載特性測試。 檢測發(fā)電機在不帶負載的情況下的轉速，也即測試發(fā)電機的起始充電轉 速。給變頻器送出一電壓值，使拖動發(fā)電機帶動發(fā)電機旋轉。發(fā)電機輸出電壓 不斷上升，當發(fā)電機輸出電壓等于蓄電池電壓時，充電指示燈泡熄滅，此后發(fā) 電機開始對蓄電池充電，記錄此時的轉速即為發(fā)電機起始充電轉速，判斷其是 湖北_ t - 業(yè)大學碩士學位論文 否與規(guī)格值相符“”。 2 負載特性測試。 輸出特性即保持發(fā)電機輸出電壓一定時( 對1 2 伏的發(fā)電機規(guī)定為1 4 伏，對2 4 伏發(fā)電機規(guī)定為2 8 伏) ，轉速與輸出電流之間的關系。這是汽車交 流發(fā)電機最重要的特性，因為從它可以看出發(fā)電機在不同轉速時輸出功率的情 況。發(fā)電機與發(fā)動機傳動比的選擇，要考慮發(fā)電機起始發(fā)電的轉速( 使發(fā)動機 在低速運轉時，發(fā)電機已開始建立起蓄電池充電的電壓) 及當發(fā)動機在常用轉 速運轉時發(fā)電機是否能達到額定的輸出功率。因此，汽車交流發(fā)電機的特性， 常常用一條輸出特性曲線來表示“。 檢測發(fā)電機在帶負載的情況下的電流。給變頻器送出一電壓值，使拖動發(fā) 電機帶動發(fā)電機旋轉，通過數字控制器將其調節(jié)至設定值。發(fā)電機丌始發(fā)電后， 其輸出電流將迅速上升，為使其電壓穩(wěn)定在設定值，通過數字控制器調節(jié)電子 負載，使發(fā)電機輸出電流上升，從而發(fā)電機輸出電壓下降，同時檢測發(fā)電機輸 出電壓與發(fā)電機輸出電流。當發(fā)電機輸出電壓調節(jié)至設定值時，記錄此時發(fā)電 機輸出電流，判斷其是否與規(guī)格值相符。 3 調節(jié)電壓特性測試。 檢測發(fā)電機在額定轉速下和額定電流狀態(tài)下運轉發(fā)電機輸出電壓。測試的 過程與負載特性測試基本相似，也即給變頻器送出一電壓值，使拖動發(fā)電機帶 動發(fā)電機旋轉，通過數字控制器將其調節(jié)至設定值，發(fā)電機開始發(fā)電后，其輸 出電流將迅速上升，通過數字控制器調節(jié)電子負載，使發(fā)電機輸出電流穩(wěn)定在 設定值，檢測發(fā)電機輸出電壓并記錄此時的發(fā)電機輸出電壓，判斷其是否與規(guī) 格值相符。 4 汽車交流發(fā)電機的耐久性測試 在室內專業(yè)試驗臺上進行耐久性試驗時，交流發(fā)電機在室溫，3 0 0 0 r m i n 和2 3 t r 輸出條件下運行，每次連續(xù)運行時間不小于4 小時。試驗2 0 0 0 d 、時后， 允許更換電刷，保養(yǎng)集電環(huán)和軸承各一次。 交流發(fā)電機耐久性試驗也允許按下面的方案進行“”。 ( 1 ) 定速定載實驗 在室溫，3 0 0 0 d m i n 和2 1 3l r 輸出條件下。每次連續(xù)運行 = 4 h ( 2 ) 變速變載實驗見表2 一l 所示， 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 表2 1 變速變載試驗 循 環(huán) 輸出電 工作轉速及時間 周期 周流( a ) ( h ) 2 5 。 5 0 n1 n 。停 期 1 2 0 l r 8 0 m i n8 0 m i n1 5 m i n，m l n3 2 5 0 1 r 8 0 m i n8 0 r a i n1 5 r a i n5 r a i n3 3 1 0 0 i r 8 0 m i n8 0 m i n1 5 m i n5 r a i n3 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 第3 章汽車交流發(fā)電機微機測試試驗臺的硬件結構 及原理 3 1 汽車交流發(fā)電機測試臺的基本組成 1 基本組成： 交流發(fā)電機測試臺由機械系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)、工業(yè)控制計算機及變頻調 速控制等組成n 6 1 。 ( 1 ) 機械系統(tǒng) 該系統(tǒng)由操作臺、夾具、傳動及升速等三部分組成。操作臺包括機座、機 箱、支架和夾具座等，應具有其美觀、牢固、防爆、隔熱等能力。傳動采用皮 帶傳動，兩級升速。 結構設計基本布局如圖3 1 所示： 交蠢發(fā)電機性麓試驗臺 計算機外匿板卡 顯示器 鍵盤 電源及附件 j - l f j 胃 一c 圖3 1 結構設計布局 ( 2 ) 工控測量控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)由控制柜、溫度測量傳感器、轉速測量傳感器、扭矩儀等組成?？?制柜柜體采用專用型材骨架，使其堅固而輕便。機柜由上向下依次安裝工控機、 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 計算機、外圍板卡、顯示器、鍵盤、穩(wěn)壓電源及繼電器、接觸器等控制設備： 溫度測量傳感器分為環(huán)境溫度測量和轉子溫度測量兩類。環(huán)境溫度測量采用普 通熱電阻或熱電偶式，轉子溫度測量采用紅外測溫傳感器，具有非接觸，精度 高等特點；轉速測量傳感器選用軍品傳感器，耐高溫，響應速度快，采樣精確。 ( 3 ) 工控機及輔助條件控制 整個系統(tǒng)的檢測與控制是由一臺工業(yè)控制計算機利用研華p c l 8 1 2 p g 數據 采集卡來完成。系統(tǒng)傳感器的信號經數據采集卡直接送到計算機采集、記錄。 工控機除了自動檢測、打印電壓、電流、轉速、溫度等參數外。并根據要求自 動控制發(fā)電機的環(huán)境溫度及潤滑油的溫度、自動調節(jié)負載的工作方式及電壓、 電流的大?。籭 還與變頻器、轉速傳感器構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，自動調節(jié)發(fā)電機的 轉速“”。輔助條件控制由加熱器、潤滑及真空穩(wěn)壓部分、電阻負載箱及儀器 儀表等部分組成。加熱器采用板式加熱器，配以溫控儀表控制環(huán)境溫度，電 阻負載能很好的與各種發(fā)電機相容降低干擾，增加測量精度及穩(wěn)定性。 其原理圖如圖3 2 ： 刪拳 i 算 叫一 | f 1 l 一變頻器 一卜五葑研 l | = 4 h 。 ( 2 ) 變速變載實驗 變速變載試驗可按以下循環(huán)進行見表3 1 ： 表3 1 變速變載試驗方法 循 環(huán)輸出電 工作轉速及時間 周期 周流( a ) ( h ) 2 5 n 5 0 n 岫x1 0 0 n 。 停 期 1 2 0 i r 8 0 m i n8 0 m i n1 5 m i n，m i n3 2 5 0 i r 8 0 r a i n8 0 r a i n1 5 r a i n5 m i n3 3 1 0 0 i r 8 0 r a i n8 0 r a i n1 5 m i n5 r a i n3 轉速控制采用閉環(huán)控制。 即由計算機送呻設定轉速信號一變頻器工作_ 計算機采樣信號_ 修正參數 一至穩(wěn)定狀態(tài)。 3 2 汽車交流發(fā)電機測試臺的主電路 系統(tǒng)的具體電路如下： 汽車交流發(fā)電機試驗臺的照明電路見圖3 4 ： s 2 是總啟動開關，s 2 按下，電路就開始啟動了。此時k m l 接觸器通電接 通。常閉觸電斷開，常開觸電閉合。各電器設備接通電源了此時是綠燈亮了。 s 1 是總停止開關，s l 被按下的話，此時k m l 接觸器由于斷電，常閉觸電 閉合，常開觸電斷開。各用電設備因此失去電源。電路不能工作。此時是紅燈 亮了。 s 3 是照明用的開關。按下一次，照明燈就亮了，再按一次，照明燈就熄滅。 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 g 1 閏3 4 照明部分電路 主電路如下2 們，見圖3 - - 5 ，圖3 - - 6 ，圖3 - - 7 ，圖3 8 ，圖3 9 ，圖3 一l o 圖3 1 1 ，圖3 1 2 。 g 2 u 2 圖3 5 電源電路 本系統(tǒng)由于用到變頻器來控制拖動電機帶動交流發(fā)電機運轉，采用了微機 的閉環(huán)交流調速方案。對系統(tǒng)的電源要求也比較高。所以采用了凈化電源和濾 波器來提高電源的質量，從而向工控機和開關電源供電。 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 國3 - - 6 變頻器起停電鼯 本系統(tǒng)采用了智能型溫控儀加以電阻溫度傳感的配合來自動的測量，顯示， 控制交流發(fā)電機試驗臺內真空的溫度。 k l 繼電器是手動繼電器。當k 1 接通帶電時表示此時控制操作采用的足 人為的手動操作測試。當k 1 繼電器掉電時，表示操作類型是計算機自動控制 來測量電機的參數。 k 2 繼電器是監(jiān)控繼電器，監(jiān)控電路的正常運行的。當k 2 不帶電時，表示 電路出現(xiàn)了故障，切斷變頻器和加熱器的電源。當k 2 帶電時，表明此時電路 工作正常。 k 3 是向變頻器提供電源的繼電器。k m 2 是向變頻器提供電源的接觸器。當 k 3 帶電，接通k m 2 向變頻器供電。 k 4 是向加熱器提供電源的繼電器。k m 3 是向加熱器提供電源的接觸器。當 k 4 帶電接通時，接通k m 3 向加熱器供電。 s 5 是變頻器啟動的手動按鈕。 s 6 是加熱器啟動的手動按鈕。s 7 是手動按鈕。當s 7 沒有按下時，計算機 采集到的是手動操作信號。表示測量操作將采取手動控制的方法。當s 7 按下 時，計算機采集到的是自動操作信號。表示測量操作將采取計算機自動控制的 方案。 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 m m b 埴一、 1 7 1j - 一寸i 盤 丘 f 奪 廣 l 自動1 雨封f 罰h “3i d i o藹i i l rlf 1 】i 審品s i c 一 s 1 1 lil | i 海 i飪 d 2id j j 電帛按蠲 l i l i f 圈3 7 啟動電路 d i o 表示計算機的輸入端口0 ，若為1 ， d 1 1 表示計算機的輸入端口1 。若為1 ， 黜 手動 載 則計算機采用自動的控制方法。 則計算機不動作，操作采用手動進 行e d 1 2 表示計算機的輸入端口2 ，若為l ，則表示發(fā)電機輸出的直流電電壓為 2 8 v 。 d 1 3 表示計算機的輸入端口3 。若為1 ，則表示發(fā)電機輸出的直流電壓為 1 4 v 。 k 2 4 是報警繼電器。 s 8 是取消變頻器和加熱器電源的手動按鈕。 s 9 是決定發(fā)電機輸出電壓種類的按鈕。當s 9 被按下時，表示交流發(fā)電機 輸出的電壓是2 8 v ；當s 9 沒有被按下時，表示交流發(fā)電機輸出的電壓是1 4 v 。 s i o 是啟動電平的手動按鈕。 s l l 是接通負載的手動按鈕。 k 5 是負載電流調節(jié)繼電器。k 5 控制k m l 3 ，k m l 4 ，k m l 5 三個接觸器。達到改 變負載電流的目的。當k 5 帶電接通時，控制k m l 3 。k m l 4 ，k m l 5 三個接觸器接通， 使負載的電阻減小一半，達到調節(jié)電流的目的。 k 6 是啟動蓄電池電平的繼電器，k w 4 是啟動蓄電池電平的接觸器。當k 6 帶電接通時，控制k m 4 的接通，從而將蓄電池接入到電路中。當k 6 失電不接 2 0 湖北工業(yè)大學碩士學位論文 通時，k m 4 接觸器失電，從而將蓄電池與電路斷開。 k 7 是接通負載的繼電器，k m 5 是接通負載的接觸器。當k 7 帶電接通時， 控制k m 5 的接通，從而將負載按入到電路中。當k 7 失電不接通時，k m 5 接觸器 失電，從而將負載與電路斷開。 d 0 2 是啟動蓄電池的計算機輸出信號。 d 0 3 是接通負載的計算機輸出信號。 繼電器k 1 2 控制接觸器k m 6 的接通，而k m 6 控制負載支路5 a 的接通。 繼電器k 1 3 控制接觸器k m 7 的接通，而k m 7 控制負載支路l o a 的接通。 繼電器k 1 4 控制接觸器聊8 的接通，而k m 8 控制負載支路2 0 a 的接通。 繼電器k 1 5 控制接觸器k m 9 的接通，而k m 9 控制負載支路2 0 a 的接通。 繼電器k 1 6 控制接觸器k l d l o 的接通，而k k t l o 控制負載支路2 0 h 的接通。 繼電器k 1 7 控制接觸器k m l l 的接通，而k m l l 控制負載支路2 6 a 的接通。 繼電器k 1 8 控制接觸器j ( m 1 2 的接通，而k m l 2 控制負載支路2 6 a 的接通。 220v蜘啦 接通蓄電池接通6 電流通2 0 h 通2 0 a 通2 0 a 通2 6 a 通2 6 a 接通負載 i $ 1 0 h 圖3 - - 8 負載電流 如下圖3 9 所示： s 1 2 是負載支路1 a 電流的接通按鈕， 出信號端 s 1 3 是負載支路2 a 電流的接通按鈕， 出信號端 s 1 4 是負載支路2 a 電流的接通按鈕， 出信號端 d 0 4 是負載支路l a 電流的計算機輸 d 0 5 是負載支路2 a 電流的計算機輸 0 0 6 是負載支路2 a 電流的計算機輸 湖北_ 7 - 業(yè)大學碩士學位論文 s 1 5 是負載支路5 a 電流的接通按鈕，d 0 7 是負載支路5 a 電流的計算機輸 出信號端 $ 1 6 是負載支路i o a 電流的接通按鈕