車用交流發(fā)電機介紹分解

1、第一講 車用交流發(fā)電機基礎(chǔ)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(dǎo)產(chǎn)品之一，今天我有幸在這里同大家交流一下有關(guān)該產(chǎn)品的一些相關(guān)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(dāng)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特點密切相關(guān)

2、。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(zhuǎn)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?。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(jié)構(gòu)簡單、維修方便、使用壽命長、配用的調(diào)節(jié)器簡單、產(chǎn)生的

3、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(jié)構(gòu)、整流器結(jié)構(gòu)、搭鐵型式、散熱型式等多方面進行分類。按總體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(chǎn)的JFY

4、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(shù)的應(yīng)用，混合勵磁式等結(jié)構(gòu)的發(fā)電機也開始出現(xiàn)。 按整流器結(jié)構(gòu)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(jié)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(chǎn)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(chǔ)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) 十一管交流

5、發(fā)電機：在八管交流發(fā)電機的基礎(chǔ)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(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：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(fēng)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。

6、2) 普通單外風(fēng)扇發(fā)電機：在兩端蓋上制有通風(fēng)孔，通過風(fēng)扇抽風(fēng)，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(fēng)扇發(fā)電機：在端蓋外面和內(nèi)部各裝有一個風(fēng)扇，通過抽風(fēng)實現(xiàn)散熱，散熱效果較好。4) 雙內(nèi)風(fēng)扇發(fā)電機：在兩端蓋內(nèi)裝有兩風(fēng)扇，分別裝在兩磁極背面。這種散熱效果好，但成本較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)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(jié)構(gòu)發(fā)電機。與傳統(tǒng)風(fēng)冷式發(fā)電機不同，它采用水、油等液體作為傳熱介質(zhì)，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(zhuǎn)

7、換原理將機械能轉(zhuǎn)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(guān)，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(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，切割每一組定

8、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(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)交流發(fā)電機雖然有很多種類，但基本結(jié)構(gòu)大致相同，都包括轉(zhuǎn)子、定子、整流器、端蓋、風(fēng)扇、皮帶輪等幾大部分。下面以我公司JFZ2721發(fā)電機的結(jié)構(gòu)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

9、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(yīng)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）的三相對稱電動勢，為此在繞制和嵌放時應(yīng)按照一定的繞組規(guī)范進行，并確定合理的安放位置。2）轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)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

10、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(zhuǎn)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(chǔ)是由六只二極管構(gòu)成三相橋式整流電路，將三相繞組感應(yīng)出的交流電變?yōu)橹绷麟姟Ｆ囉媒涣靼l(fā)電機用硅整流二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有要求有所不同?，F(xiàn)在主要應(yīng)用的型式有兩種：一是將二極管的PN結(jié)直接燒結(jié)在金屬散熱板上；二是將二極管壓裝在金屬

11、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(dǎo)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(dǎo)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(qū)動的

12、主要分力，因而選用的軸承要大于后端，故也稱為驅(qū)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(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

13、壓。當(dāng)電壓低于設(shè)定值時，維持激磁回路導(dǎo)通；當(dāng)電壓高于設(shè)定值時將激磁回路關(guān)斷，通常汽車調(diào)節(jié)器設(shè)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(fēng)扇等其它零部件，其中皮帶輪與轉(zhuǎn)子部件聯(lián)接在一起，依靠皮帶輸入機械能；風(fēng)扇也裝在轉(zhuǎn)子部件的軸上，通過旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)發(fā)電機的通風(fēng)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)電機的輸出曲線供參考。1）空載性能 用空載轉(zhuǎn)速指標衡量（又稱零電流轉(zhuǎn)速、起始發(fā)電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，用n

14、0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(zhuǎn)速往往高于零電流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)通，電壓恒定的情況下輸出電流與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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

15、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(shè)計中比較關(guān)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，因此需要在額定要求基礎(chǔ)上增加一定的余量。第二講 發(fā)電機的電磁設(shè)計計算發(fā)電機的電磁設(shè)計主要是定子部件和轉(zhuǎn)子部件的設(shè)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(chǔ)上，結(jié)合了一些實際設(shè)計過程中積累的經(jīng)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(shè)計有些部分（如激

16、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(guān)系和變化趨勢，進而指導(dǎo)設(shè)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(zhuǎn)子極數(shù)較多，因而定子直徑較大，鐵芯長度較短；2、 轉(zhuǎn)子為爪極磁極式，由一個線圈配置在轉(zhuǎn)子內(nèi)構(gòu)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(zhuǎn)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(chǔ)上適當(dāng)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(nèi)徑，

17、L為定子鐵芯長度），它的選擇關(guān)系到整個設(shè)計的水平。如選得過小，很可能造成設(shè)計失敗，電機性能達不到設(shè)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(yīng)在1.051.15范圍內(nèi)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. 電磁

18、負荷的選擇 在確定發(fā)電機主尺寸之前，首先應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(nèi)徑； 由于汽車電機采用強制抽風(fēng)，散熱效果較好，故A值可取較大，一般為3550A/mm，雙風(fēng)扇電機可取5055A/mm；2.2 氣隙磁密BB 取值應(yīng)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0.3

19、20.33T（特斯拉），使空載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子爪極間漏磁增大，使交流發(fā)電機最大輸出減小，空載轉(zhuǎn)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(guān)系是： 或式中 bmax ：最大極寬； bmin ：最小極寬； ：極距=D1/2p； ：定轉(zhuǎn)子間的

20、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(jīng)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(zhuǎn)子漏抗比值較大，小的可減少勵磁安匝，改善通風(fēng)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。通

21、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(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)線截面積Ao 式中 I：交流相電流； Nt：線圈并繞根數(shù)； J：導(dǎo)線容許電流密度。J選大，可使導(dǎo)線截面積減小，省銅；但定子內(nèi)阻Ro增大，電機溫升增高，效率降低。汽車發(fā)電機一般取較高

22、的J值，在2025A/mm2，熱負荷AJ在6001200×109A2/mm2；雙風(fēng)扇發(fā)電機可取2530A/mm2。2.2 每根導(dǎo)線直徑do 求得的導(dǎo)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(yīng)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(dāng)，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(zhuǎn)子計算1. 爪極形狀尺寸外徑