車用交流發(fā)電機介紹

1、第一講 車用交流發(fā)電機基礎知識介紹 車用交流發(fā)電機（以下簡稱發(fā)電機）是我公司的主導產品之一，今天我有幸在這里同大家交流一下有關該產品的一些相關知識，希望有助于大家更加了解發(fā)電機，從而更好地發(fā)展發(fā)電機。一、 發(fā)電機的作用及特點1、 發(fā)電機是汽車電氣系統(tǒng)的兩個主要電源之一，與蓄電池并聯(lián)工作。在發(fā)電機發(fā)出的電能多于汽車電器所消耗的電能時，它將多余的電能通過充電的方式儲存在蓄電池中；當汽車電器用電超過發(fā)電機所輸出電能時，由蓄電池補充不足的電能（發(fā)動機啟動時起動機消耗的電能也由蓄電池提供）。充電和放電的過程由發(fā)電機與蓄電池兩端的電勢自動調節(jié)。圖一 發(fā)電機接線示意圖192、 發(fā)電機的特點與汽車電系特點密切

2、相關。它采用單線制，負極搭鐵（少數(shù)用于某些特定場合的發(fā)電機采用雙線制）；輸出三相直流電，因此需要整流；因汽車電器的需要，輸出穩(wěn)定的電壓，因此需與調節(jié)器搭配使用；輸出電動勢與轉速成正比，在調節(jié)器作用下，輸出實際電流取決于車上實際使用的負載大?。òㄐ铍姵貭顩r），同時自身有限流功能，每個發(fā)電機都有一個最大輸出電流。二、 發(fā)電機的種類汽車上最早使用的發(fā)電機是直流發(fā)電機，它采用換向器換向，輸出直流電。從1960年開始，汽車上逐步開始采用交流發(fā)電機，它采用硅二極管整流，輸出直流電，故也稱硅整流發(fā)電機。由于交流發(fā)電機與直流發(fā)電機相比，具有體積小、重量輕、結構簡單、維修方便、使用壽命長、配用的調節(jié)器簡單、產

3、生的無線電干擾信號弱等諸多優(yōu)點，因此汽車上采用交流發(fā)電機后，直流發(fā)電機被迅速淘汰，現(xiàn)在所講的汽車用發(fā)電機均指交流發(fā)電機。 汽車用交流發(fā)電機可按總體結構、整流器結構、搭鐵型式、散熱型式等多方面進行分類。按總體結構可分為：1） 普通交流發(fā)電機：無特殊裝置和特殊功能的發(fā)電機，如JF1521；2） 整體式交流發(fā)電機：內裝電子調節(jié)器的交流發(fā)電機，如JFZ1521；3） 無刷交流發(fā)電機：無電刷和集電環(huán)結構的交流發(fā)電機，如康明斯發(fā)電機JFW2621；4） 帶泵交流發(fā)電機：帶真空制動助力泵的交流發(fā)電機，如供朝柴的JFB2729；5） 永磁交流發(fā)電機：轉子磁極采用永磁材料的交流發(fā)電機，如廣西梧州金卓公司生產的J

4、FY系列發(fā)電機。上述分類并不相互排斥，一種發(fā)電機可以有上述的幾種特征。隨著新技術的應用，混合勵磁式等結構的發(fā)電機也開始出現(xiàn)。 按整流器結構不同，發(fā)電機可分為：1) 六管交流發(fā)電機：其整流器由六只硅整流二極管組成三相橋式全波整流電路；有的采用單個的硅二極管壓裝，也有的采用在極板上燒結硅管組成整流組件。2) 八管交流發(fā)電機：其整流器有八只二極管，除了六只組成三相橋式全波整流外，在定子繞組中性線輸出端也接有二只二極管，用以對三相電路不均衡產生的中性點波形進行整流。3) 九管交流發(fā)電機：在六管交流發(fā)電機的基礎上又增加了三只勵磁二極管，組成兩套三相橋式全波整流電路，提供電壓檢測點和勵磁電流。4) 十一管

5、交流發(fā)電機：在八管交流發(fā)電機的基礎上，其整流器增加了三只勵磁二極管。圖二 發(fā)電機整流電路按勵磁繞組搭鐵型式不同，發(fā)電機可分為：1) 內搭鐵型發(fā)電機：勵磁繞組的一端與發(fā)電機端蓋相連接的發(fā)電機。2) 外搭鐵型發(fā)電機：勵磁繞組的一端經調節(jié)器后搭鐵的交流發(fā)電機。由于整體式發(fā)電機調節(jié)器裝在發(fā)電機內部，不論是內搭鐵還是外搭鐵對汽車電路均無影響，因此內、外搭鐵型式的區(qū)別只針對非整體式發(fā)電機；在使用時，它必須與同樣搭鐵型式的調節(jié)器配用。交流發(fā)電機按散熱型式可分為：1) 交流發(fā)電機：其兩端端蓋密封，端蓋上制有很多散熱肋，通過風扇帶動空氣流通使端蓋散熱。這種型式散熱效果較差，只適用于小功率、有特殊使用環(huán)境要求的場

6、所。2) 普通單外風扇發(fā)電機：在兩端蓋上制有通風孔，通過風扇抽風，使冷空氣流經電機內部帶走熱量，散熱效果一般。3) 內外風扇發(fā)電機：在端蓋外面和內部各裝有一個風扇，通過抽風實現(xiàn)散熱，散熱效果較好。4) 雙內風扇發(fā)電機：在兩端蓋內裝有兩風扇，分別裝在兩磁極背面。這種散熱效果好，但成本較高，結構較復雜，一般用在乘用車等功率要求較高的場合。5) 液冷發(fā)電機：它是隨著現(xiàn)代汽車電器的不斷增多，對發(fā)電機功率要求不斷增大的情況下由歐美發(fā)達國家新近研制出的一種新型結構發(fā)電機。與傳統(tǒng)風冷式發(fā)電機不同，它采用水、油等液體作為傳熱介質，目前在豪華大客車上已開始使用。三、 發(fā)電機的發(fā)電原理發(fā)電機的發(fā)電過程是一個利用電

7、磁轉換原理將機械能轉化為電能的過程，它可以分為以下幾個步驟：1) 產生磁場 發(fā)電機在未發(fā)電前由蓄電池供給其初始勵磁電流（發(fā)電機發(fā)電后由自身提供）。接通點火開關，蓄電池電勢加在發(fā)電機激磁線圈兩端，產生勵磁電流，從而在線圈的鐵芯中產生磁場。2) 磁場形成回路，切割定子線圈 產生的磁場在發(fā)電機中的傳遞回路如下：磁軛和軸爪極一端定子鐵芯另一端爪極磁軛和軸。其間需要通過兩次轉子外圓與定子鐵芯內圓之間的主間隙，并切割嵌在定子鐵芯槽中的定子線圈。同時，當發(fā)動機啟動后，通過皮帶傳動將機械能輸入到發(fā)電機，帶動發(fā)電機轉子旋轉。由于每個爪極在圓周方向上布置有多個爪，在爪與爪之間是空位，因此在轉子旋轉過程中，切割每一

8、組定子線圈的磁場強度是循環(huán)變化的。對汽車發(fā)電機而言，這種變化被設計為三相正弦波形。3) 產生交流電 定子線圈受變化的磁場切割后將產生對應波形的三相交流電動勢，這種電動勢加在負載兩端時便會產生三相交流電流。4) 整流和調壓 產生的三相交流電流通過三相橋式整流電路整流為直流電。同時調節(jié)器通過控制激磁電流的通斷將發(fā)電機輸出電壓維持在相對恒定的范圍內，滿足汽車電器的需要。四、 發(fā)電機的結構交流發(fā)電機雖然有很多種類，但基本結構大致相同，都包括轉子、定子、整流器、端蓋、風扇、皮帶輪等幾大部分。下面以我公司JFZ2721發(fā)電機的結構來作一下簡介。1）定子 由定子鐵芯和定子繞組組成。定子鐵芯由內圓帶槽的環(huán)狀硅

9、剛片疊壓而成；定子繞組則采用漆包圓銅繞組線繞制而成，安放在定子鐵芯的槽內。定子繞組間與定子鐵芯間采用聚酯薄膜帶絕緣，同時用槽楔將繞組固定，防止繞組竄動、脫落。為提高定子繞組的絕緣、散熱和機械性能，繞組嵌入鐵芯后應進行浸漆處理。定子繞組為三相對稱繞組，三相繞組的聯(lián)接方法有星形（Y形）和三角形（形）兩種。三相繞組的繞制方法是使三相繞組能產生頻率相同、幅值相等、相位互差120°（電角度）的三相對稱電動勢，為此在繞制和嵌放時應按照一定的繞組規(guī)范進行，并確定合理的安放位置。2）轉子 轉子的作用是產生磁場，它主要由磁軛、磁場繞組、爪極和集電環(huán)等組成。爪極有兩塊，每塊上都有多個鳥嘴形磁極，兩塊爪極

10、之間裝有磁軛和磁場繞組；磁場繞組裝在磁軛外部，中間用絕緣架隔開，通過磁軛一起壓裝在轉子軸上。集電環(huán)由兩個彼此絕緣的銅環(huán)組成，壓裝在軸上，銅環(huán)與軸絕緣。磁場繞組的兩端分別與兩個銅環(huán)焊接在一起。兩個銅環(huán)在發(fā)電機工作時分別與發(fā)電機的兩個電刷相接觸，使磁場繞組中保持電流通過。3)整流器 交流發(fā)電機的整流器由多只硅整流二極管組成，其基礎是由六只二極管構成三相橋式整流電路，將三相繞組感應出的交流電變?yōu)橹绷麟?。汽車用交流發(fā)電機用硅整流二極管的內部結構和工作原理與一般工業(yè)用硅整流二極管基本相同，但其外形結構有要求有所不同。現(xiàn)在主要應用的型式有兩種：一是將二極管的PN結直接燒結在金屬散熱板上；二是將二極管壓裝在

11、金屬散熱板的孔中使用。整流二極管的引出電極有正極和負極之分，引出電極為二極管正極的稱為正極管；引出電極為負極的稱為負極管，六管發(fā)電機有三只正極管和三只負極管。散熱板一般用鋁板或銅板制成，又稱整流板，安裝三只負極管的整流板稱為負整流板；安裝三只正極管的整流板稱為正整流板。負整流板與端蓋碰在一起為發(fā)電機負極；正整流板用螺栓或引線引出，為發(fā)電機的正極，標記為“B”。4）端蓋 發(fā)電機有前后兩個端蓋，主要作用是支撐發(fā)電機其它部件，傳導散熱，并把發(fā)電機與發(fā)動機支架聯(lián)接起來。發(fā)電機用端蓋通常用鋁合金壓鑄而成，這種鋁合金不導磁，并且具有重量輕、散熱性能好的特點，適合發(fā)電機防漏磁的需要。前端蓋緊挨皮帶輪，承載驅

12、動的主要分力，因而選用的軸承要大于后端，故也稱為驅蓋。整流器等電子元器件裝在發(fā)電機后部，靠后端蓋提供安裝位，因此也把后蓋稱為電蓋。在兩端蓋上制有掛角，掛角上的安裝孔用來與發(fā)動機支架配合，將發(fā)電機固定在發(fā)動機上。5）電刷組件 由電刷、電刷架和電刷彈簧組成，如下圖所示。電刷安裝在電刷架的孔內，借彈簧張力使電刷與集電環(huán)保持良好接觸。電刷用銅粉和石墨粉模壓而成，電刷架則用酚醛玻璃纖維塑料模壓而成。每臺發(fā)電機有兩只電刷，每只電刷上都有一根引線接到發(fā)電機后端蓋的接線柱上或直接搭鐵。6）調節(jié)器 它的作用是控制發(fā)電機的輸出電壓在一定范圍內。從發(fā)電機或蓄電池上采集電壓信號，通過控制激磁回路的通和斷來調節(jié)發(fā)電機輸

13、出電壓。當電壓低于設定值時，維持激磁回路導通；當電壓高于設定值時將激磁回路關斷，通常汽車調節(jié)器設定電壓為14.2±0.2/28±0.3。7）其它零件 發(fā)電機上還裝有皮帶輪、風扇等其它零部件，其中皮帶輪與轉子部件聯(lián)接在一起，依靠皮帶輸入機械能；風扇也裝在轉子部件的軸上，通過旋轉來實現(xiàn)發(fā)電機的通風散熱。五、 發(fā)電機的性能參數(shù)發(fā)電機除外形尺寸要求外，其性能參數(shù)更為重要，其中主要有三項：空載性能、負載性能和調節(jié)電壓值，下面列有一個發(fā)電機的輸出曲線供參考。1）空載性能 用空載轉速指標衡量（又稱零電流轉速、起始發(fā)電轉速），它是指發(fā)電機在輸出電動勢達到規(guī)定值要求，但尚未輸出電流時的轉速，

14、用n0表示。對于帶充電指示燈的發(fā)電機，由于指示燈本身有一定功率，其首次熄滅時的轉速往往高于零電流轉速。因此，在現(xiàn)場出于大批量生產的需要我們一般規(guī)定一個另外的熄燈轉速指標用于驗收。2）負載性能 發(fā)電機在調節(jié)器完全導通，電壓恒定的情況下輸出電流與轉速之間的關系，實際中一般檢測兩個指標：最小工作電流和額定電流。最小工作電流指發(fā)電機在1500r/min時輸出的電流，此時發(fā)動機往往處于怠速狀態(tài)；額定電流指發(fā)電機在額定轉速5000r/min(有的規(guī)定為6000r/min)時輸出的電流，此時發(fā)動機往往處于穩(wěn)定工作轉速狀態(tài)。額定電流一般標示在發(fā)電機銘牌上。需要說明的是，由于發(fā)電機在工作時發(fā)熱比較嚴重，而在發(fā)熱

15、后隨著效率的降低，其輸出會有明顯的下降，因此發(fā)電機剛開始工作時的性能（我們稱為冷態(tài)性能）和穩(wěn)定工作一定時間后的性能（我們稱為熱態(tài)性能）有較大差異。在設計中比較關注的是熱態(tài)性能，而實際生產線進行出廠試驗時出于節(jié)拍的考慮，我們檢測的是接近于冷態(tài)的性能，因此需要在額定要求基礎上增加一定的余量。第二講 發(fā)電機的電磁設計計算發(fā)電機的電磁設計主要是定子部件和轉子部件的設計，由于它是一種同步三相交流發(fā)電機，故我們在普通的同步三相交流發(fā)電機計算程序基礎上，結合了一些實際設計過程中積累的經驗，作出了如下所述的車用交流發(fā)電機電磁計算方法。由于車用發(fā)電機與普通的同步三相交流發(fā)電機存在較大差異，因此電磁設計有些部分（

16、如激磁繞組和激磁勢）比較準確，而有些部分并不是很準確，需要通過樣機試驗和其它手段來進行修正。重要的是，我們可以從計算公式中知道發(fā)電機各種電磁參數(shù)之間的相互關系和變化趨勢，進而指導設計。與普通三相同步發(fā)電機相比，車用發(fā)電機有以下特點：1、 轉子極數(shù)較多，因而定子直徑較大，鐵芯長度較短；2、 轉子為爪極磁極式，由一個線圈配置在轉子內構成多極激磁繞組；3、 每極每相槽數(shù)q很少，一般£1；4、 電機工作轉速范圍寬；5、 使用壽命比普通型交流電機短，約為30005000小時，因此其溫升可在一般電機標準要求基礎上適當增加；一 主要尺寸的確定交流發(fā)電機的主要尺寸用D12 L表示（D1 為定子鐵芯內

17、徑，L為定子鐵芯長度），它的選擇關系到整個設計的水平。如選得過小，很可能造成設計失敗，電機性能達不到設計要求；如選得過大，則會造成材料的浪費。其計算方法有多種，這里介紹其中的一種方法。1. 電磁功率P 的計算 式中 Pni ：視在輸出功率； Ke ：電磁增填系數(shù)，應在1.051.15范圍內選擇； cos ：功率因數(shù)，小于1500W時取1；大于1500W時取0.966； 式中 Pn ：額定輸出功率； Pd ：整流二極管損耗功率 式中 Un ：額定輸出電壓； In ：額定輸出電流； If ：勵磁電流； 式中 Ud ：整流二極管壓降，約1.2V； Idmax ：整流二極管最大電流； 由 得出：2.

18、電磁負荷的選擇 在確定發(fā)電機主尺寸之前，首先應對線負荷A和氣隙磁密B 進行初步選擇。這兩個參數(shù)的選取對交流發(fā)電機性能和材料利用有較大影響，應綜合考慮。A在一定程度上反映發(fā)電機電路部分的利用情況，B在一定程度上反映發(fā)電機磁路部分的利用情況。2.1線負荷A：表示沿定子圓周上單位長度的安培導體數(shù) 式中 W ：每相串聯(lián)匝數(shù)； m ：相數(shù)（三相交流發(fā)電機為3）； I ：相電流（A）； D1 ：定子內徑； 由于汽車電機采用強制抽風，散熱效果較好，故A值可取較大，一般為3550A/mm，雙風扇電機可取5055A/mm；2.2 氣隙磁密BB 取值應考慮在爪極中安放勵磁線圈的空間及盡量減少漏磁，一般取較低數(shù)值0

19、.320.33T（特斯拉），使空載轉速盡可能小。 式中 E：滿載定子繞組每相電動勢（V），一般取E=(11.2)U（額定相電壓）; U=Un/2.34； f：頻率=np/60；p為極對數(shù)，通常取6； S：每極氣隙面積（m2）； Kdp：繞組系數(shù)，有兩種取法。對整節(jié)距q=1時一般取1；或單層繞組取0.96，雙層繞組取0.92；2.3 極弧系數(shù)的選擇值越大，交流發(fā)電機體積越小，但轉子爪極間漏磁增大，使交流發(fā)電機最大輸出減小，空載轉速升高。對汽車發(fā)電機而言，一般取較小的值，為0.60.65。與爪極尺寸間的關系是： 或式中 bmax ：最大極寬； bmin ：最小極寬； ：極距=D1/2p； ：定轉子

20、間的主氣隙，一般為0.30.5mm；2.4 電磁負荷選擇要點a. 電機輸出功率一定時，提高電磁負荷可縮小電機體積和節(jié)省有效材料；b. 選擇較高的B時，一般會增加鐵芯損耗，而降低繞組電損耗；c. 選取較高的A值時，繞組電損耗將增加；d. 勵磁電流標幺值與B/A成正比，故選取較高的B或較低的A時，勵磁電流一般要增大；3主要尺寸的確定先估算出D12L，然后選擇主要尺寸比，分別確定D1和L； 的大小直接影響交流發(fā)電機的性能溫升及經濟指標。對于爪極式交流發(fā)電機而言，由于爪極間間隙較小，轉子漏抗比值較大，小的可減少勵磁安匝，改善通風效果，使定子熱負荷AJ選取較大的數(shù)值，從而減少用銅量，提高交流發(fā)電機的比功

21、。通常取0.951.15，即D12L=0.250.3 D13。根據(jù)安裝要求，對大于2000W的發(fā)電機或同一定子外徑派生的產品，其值可在1.52.0之間選擇。主要尺寸計算出后，一般要根據(jù)已有系列進行優(yōu)選，確定合適的數(shù)值。二定子計算1. 定子繞組匝數(shù)計算1.1每相串聯(lián)匝數(shù)W 式中 E：相電勢； ：額定負載下每極磁通 ；1.2 每槽導體數(shù)Ns (取整)式中 a：定子繞組并聯(lián)路數(shù)； Z：定子槽數(shù)；2. 定子繞組線徑計算2.1 導線截面積Ao 式中 I：交流相電流； Nt：線圈并繞根數(shù)； J：導線容許電流密度。J選大，可使導線截面積減小，省銅；但定子內阻Ro增大，電機溫升增高，效率降低。汽車發(fā)電機一般取

22、較高的J值，在2025A/mm2，熱負荷AJ在6001200×109A2/mm2；雙風扇發(fā)電機可取2530A/mm2。2.2 每根導線直徑do 求得的導線直徑須修正到標準值。3. 定子鐵芯槽形確定定子槽形尺寸時應考慮有足夠大的槽面積安放線圈和絕緣，齒部和軛部磁通密度大小適當，同時考慮齒部有一定的機械強度。3.1 齒寬b t1 式中 Kc：鐵芯疊壓系數(shù)，取0.920.95； Bt1：定子齒磁通密度，取22.5B； t1：定子齒距 ；3.2 軛高hj1 式中 K1：取0.3580.37； Bj1：軛磁通密度，取1.52B；3.3 定子外徑一般取1.31.37D1，再圓整，靠標準系列。二 轉子計算1. 爪極形狀尺寸外徑