車用交流發(fā)電機講座

1、車用交流發(fā)電機知識講座 車用交流發(fā)電機（以下簡稱發(fā)電機）是我公司的主導產(chǎn)品之一，本次講座面向公司銷售服務人員，主要介紹一些發(fā)電機的應用、維修方面的相關知識，希望有助于大家更加了解發(fā)電機，做好服務銷售工作。一、 發(fā)電機的作用及汽車電系特點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(diào)節(jié)。圖一 發(fā)電機接線示意圖2、 發(fā)電機的特點與汽車電系

2、特點密切相關。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(diào)節(jié)器搭配使用；輸出電動勢與轉速成正比，在調(diào)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小（包括蓄電池狀況），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(diào)節(jié)器

3、簡單、產(chǎn)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(nèi)裝電子調(diào)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

4、生產(chǎn)的JFY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。如JF1521、JF2521等。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(chǎn)生的中性點波形進行整流。如JFW2321等。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

5、三相橋式全波整流電路，提供電壓檢測點和勵磁電流。如JFZ1714、JFZ2721、JFZ2524A等。4) 十一管交流發(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。如JFZ1529和JFZ2241等。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(nèi)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(jīng)調(diào)節(jié)器后搭鐵的交流發(fā)電機。由于整體式發(fā)電機調(diào)節(jié)器裝在發(fā)電機內(nèi)部，不論是內(nèi)搭鐵還是外搭鐵對汽車電路均無影響，因此內(nèi)、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(diào)節(jié)器配用。交流發(fā)電機按散熱型式可分為

6、：1) 密封交流發(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(jīng)電機內(nèi)部帶走熱量，散熱效果一般。3) 內(nèi)外風扇發(fā)電機：在端蓋外面和內(nèi)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(nèi)風扇發(fā)電機：在兩端蓋內(nèi)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

7、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(chǎn)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(chǎn)生勵磁電流，從而在線圈的鐵芯中產(chǎn)生磁場。2) 磁場形成回路，切割定子線圈 產(chǎn)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(nèi)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)

8、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(chǎn)生交流電 定子線圈受變化的磁場切割后將產(chǎn)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(chǎn)生三相交流電流。4) 整流和調(diào)壓 產(chǎn)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(diào)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(nèi)，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

9、、整流器、端蓋、風扇、皮帶輪等幾大部分。下面以我公司目前主要的兩種系列產(chǎn)品22SI系列和JFZ1529系列發(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(nèi)圓帶槽的環(huán)狀硅剛片疊壓而成；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(nèi)。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(chǎn)生頻率相同、幅值相等、相位互差120°（電角度）的三相對稱電

10、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(chǎn)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?/p>

11、交流發(fā)電機用硅整流二極管的內(nèi)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

12、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，下圖為22SI系列所用電刷部件結構示意圖。電刷安裝在電刷架的孔內(nèi)，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

13、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(diào)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(nèi)。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(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓。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。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(diào)節(jié)電壓值，下面列有一個發(fā)電機

14、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，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(chǎn)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(diào)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6000

15、r/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(chǎn)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，因此在額定要求基礎上增加了一定的余量。六、 發(fā)電機常規(guī)失效模式及判定方法發(fā)電機是汽車電氣系統(tǒng)的主要部件之一，在汽車零部件的故障率排列中也比較靠前。根據(jù)我們這些年對故障件的分析和統(tǒng)計，其常規(guī)失效模式有以下幾

16、種：定子線圈燒、轉子線圈燒及斷線、軸承失效、整流器失效、調(diào)節(jié)器擊穿、電刷異常磨損等。作為銷售服務人員應掌握如何對發(fā)電機進行失效模式判斷和分類，對造成失效模式的原因只需了解一些即可。下面我們將對各失效模式的判斷方法和失效原因逐一分析。一、 定子線圈燒 定子線圈燒的主要外部故障表現(xiàn)為不發(fā)電，內(nèi)部故障表現(xiàn)為線圈顏色變黑，在沒有專門儀表檢測的情況下一般采用肉眼觀察法。要區(qū)分定子線圈是局部變色還是大范圍變色。如是前者，一般是由于對地短路造成的，可觀察局部處線圈是否可能與端蓋相碰或套管是否破損；如是后者，則主要原因是漆包線承受不了高溫環(huán)境溫度和自身發(fā)熱，壽命降低造成的。由于發(fā)電機裝在發(fā)動機上，發(fā)動機的發(fā)熱

17、使其環(huán)境溫度比較高；同時發(fā)動機艙的密封使得熱量難以散發(fā)，因此汽車行業(yè)規(guī)定發(fā)電機必須能在環(huán)境溫度95°C時長期工作；但很多發(fā)電機的實際環(huán)境溫度比這一上限值還高。玉柴技術中心的調(diào)查報告顯示，采用后置發(fā)動機的城市公交車在夏天運行時其發(fā)電機的環(huán)境溫度往往在100°C以上，最高達115°C。另一方面，汽車用電需求不斷提高，發(fā)電機的功率也越來越高；而發(fā)電機的效率相對固定，隨著輸出功率的增加其自身發(fā)熱量也會相應增加。在高溫環(huán)境溫度下，如果通風稍有不足，發(fā)電機定子線圈的溫度可能就會超出200°C，這時采用普通材料的定子線圈很容易燒毀。二、 轉子線圈燒及斷線；轉子線圈失效

18、的外部故障表現(xiàn)也為不發(fā)電，判斷時除用肉眼觀察線圈是否變黑和漆包線是否有斷頭外，比較直觀和準確的方法是用電池燈或萬用表檢測集電環(huán)兩端。正常情況下，電池燈微亮或電阻值在410W之間，如電池燈不亮或阻值無窮大，可判斷為轉子線圈不通；如電池燈很亮或阻值過小，則為轉子線圈燒。轉子燒的原因相對比較多，除了有與定子線圈燒同樣的原因，自身發(fā)熱嚴重、散熱不良以外，發(fā)電機電壓異常升高也很容易導致轉子燒毀；特別是發(fā)動機裝機現(xiàn)場發(fā)生的零公里故障往往與調(diào)節(jié)器有關。有些發(fā)動機在試車過程中不帶蓄電池，也沒有負載；而有些時候，發(fā)電機在不接線的情況下依靠自身的激磁振蕩會產(chǎn)生電動勢，這時候對調(diào)節(jié)器是一個非常惡劣的狀況（高速、無負

19、載、不帶蓄電池）。如果調(diào)節(jié)器設計未充分考慮這一點會很容易失效，而這時一旦電壓失去控制，加在發(fā)電機激磁線圈兩端的電壓會大幅彪升，要不了幾分鐘，轉子線圈就會燒毀。轉子線圈斷線的主要原因是由于轉子線圈在工作時高速旋轉，離心力很大；同時汽車的重型化和大型化的發(fā)展使發(fā)電機的震動越來越大，如轉子線圈固定不好，將很容易發(fā)生這種故障。三、 軸承失效軸承失效的外部故障表現(xiàn)為電機擦和卡死，內(nèi)部故障表現(xiàn)為軸承散架、卡死，內(nèi)外圈配合失效。判斷方法主要是觀察法。失效原因除了零部件質量水平以外，主要是軸承選用和軸承應用不是很恰當。軸承的選用要經(jīng)過充分的計算，額定負荷要有足夠的余量；軸承的應用主要涉及到軸承與軸的端蓋的配合

20、、軸承的密封和潤滑脂選用。由于發(fā)電機的實際工作環(huán)境和裝配工藝的要求，發(fā)電機前、后軸承與軸和端蓋之間的配合要求各不相同。汽車發(fā)電機中一般將驅動端的軸承作為固定軸承，電蓋端的軸承作為游動軸承。因此，電蓋端軸承與軸采用過盈配合，與端蓋軸承孔采用間隙配合（除采用可分離型的滾針軸承外）。驅蓋端軸承考慮到大批量生產(chǎn)時的裝配難度，與端蓋孔之間常采用過渡或過盈配合，并采用軸承蓋板、緊定螺釘或驅蓋旋壓等方式將軸承外圈壓死；與軸之間常采用過渡配合，依靠內(nèi)、外定位圈將其壓緊。因此，電蓋軸承外圈與端蓋間徑向的異常蠕動問題和驅蓋軸承在傳遞扭矩過程中可能發(fā)生的內(nèi)圈與軸的相對蠕動問題需要特別關注。四、 整流器失效整流器失效

21、的外部故障表現(xiàn)為不發(fā)電或發(fā)電不足，內(nèi)部故障表現(xiàn)為整流管焊錫融化、脫焊、失效、塑料件融化等。故障判斷方法為觀察法和檢測法。整流管焊錫融化、脫焊、塑料件融化都可以用肉眼觀察到，整流管失效則需用電池燈或萬用表檢測。正常情況下，電池燈檢測表現(xiàn)為正向燈微亮，反向燈不亮，都亮時為整流管擊穿，都不亮時為整流器不通；用萬用表檢測時應表現(xiàn)為單向指針偏轉和有阻值，反向電阻無窮大，均檢測到電阻時為整流管擊穿，均為無窮大時為整流管不通。整流器失效原因主要是結構設計問題、應用環(huán)境問題和供應商的質量保證能力問題。采用螺釘連接結構的整流器由于絕緣件在高溫下的變形使螺釘擰緊力矩很容易釋放，從而使各處接觸電阻增加，管壓降增加，

22、發(fā)熱也會成倍增長，因此失效率也很高。整流管的管芯截面積和PN結形成方式?jīng)Q定了允許通過的額定電流，對故障率影響也很大；同時，整流板的材料和散熱面積選擇也很關鍵。另外，在環(huán)境溫度很高和環(huán)境很惡劣，容易堵塞的場合下，整流管發(fā)熱嚴重，溫度高，錫焊點可能融化造成整流器失效。五、 調(diào)節(jié)器失效；調(diào)節(jié)器失效的外部故障表現(xiàn)有兩種：輸出電壓高，充電電流大，容易燒電器；輸出電壓低，充電不足或不發(fā)電。故障判斷方法為調(diào)查顧客法和檢測法。輸出電壓高或低的問題都可以通過調(diào)查顧客或用萬用表檢測發(fā)電機“B”端輸出電壓進行判斷，正常情況下14V電機輸出電壓范圍在13.714.5V，28V電機輸出電壓范圍在27.728.6V。在沒

23、有專用儀器的情況下，對調(diào)節(jié)器自身的檢測無法給出很準確的判斷，但對不發(fā)電是情況下排除了其它部件的故障可能以后，可用萬用表檢測調(diào)節(jié)器“F”端到“E（地）”之間的電阻，如正、反向電阻均無窮大，則基本可判定為調(diào)節(jié)器不通。由于調(diào)節(jié)器發(fā)電機廠一般自己不生產(chǎn)，而由專業(yè)廠家提供，故調(diào)節(jié)器的失效主要原因是與發(fā)電機的匹配設計問題和供應商的質量保證能力不足。很多調(diào)節(jié)器的失效都是由于在設計時未充分了解所面向市場的汽車線路特點所造成的，因此前期的匹配工作非常重要。六、電刷斷線、異常磨損電刷斷線、異常磨損的外部故障表現(xiàn)為不發(fā)電，內(nèi)部故障表現(xiàn)為電刷線脫開、電刷磨光、集電環(huán)有明顯磨損痕跡等，用觀察法和檢測法均可判斷。在電刷未拆開之前，用電池燈和萬用表檢查電刷兩端，應為微亮或515W，如發(fā)現(xiàn)異常可拆下電刷進一步觀察和檢測。一般可觀察到故障點，如未發(fā)現(xiàn)異常，在排除了集電環(huán)故障外，也可判定為電刷問題。電刷斷線的原因主要是電刷線牢度不夠和焊接質量不好；電刷的異常磨損則與電刷材料的選擇、電刷彈簧彈力的選擇、集電環(huán)材料的選擇、集電環(huán)表面的粗糙度、電刷架的密封、激磁電流的大小等諸多因素有關。目前的發(fā)展趨勢是電刷向免維護方向發(fā)展，因此電刷壽命一般應滿足汽車行駛5萬公里以上，好的設計保證汽車行駛10萬公里以上不需要維護。七、故障判定程序及方法這里主要對發(fā)電機的故障判定方法作一歸納，并給