- 汽車發(fā)電機工作原理
- 交流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)
- 各種發(fā)電機的優(yōu)缺點對比
交流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)
一、6管交流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)
交流發(fā)電機一般由轉(zhuǎn)子、定子、整流器、端蓋四部分組成。
JF132型交流發(fā)電機組件圖見圖2-5a
JF132型交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖見圖2-5b
JF132型交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖見圖2-5c
（一）轉(zhuǎn)子
轉(zhuǎn)子的功用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。
轉(zhuǎn)子由爪極、磁軛、磁場繞組、集電環(huán)、轉(zhuǎn)子軸組成，見圖2-6
轉(zhuǎn)子軸上壓裝著兩塊爪極，兩塊爪極各有六個鳥嘴形磁極,爪極空腔內(nèi)裝有磁場繞組(轉(zhuǎn)子線圈)和磁軛。集電環(huán)由兩個彼此絕緣的銅環(huán)組成，集電環(huán)壓裝在轉(zhuǎn)子軸上并與軸絕緣，兩個集電環(huán)分別與磁場繞組的兩端相連。
當(dāng)兩集電環(huán)通入直流電時（通過電刷），磁場繞組中就有電流通過，并產(chǎn)生軸向磁通，使爪極一塊被磁化為N極，另一塊被磁化為S極，從而形成六對相互交錯的磁極。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，就形成了旋轉(zhuǎn)的磁場。
交流發(fā)電機的磁路為：磁軛→N極→轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙→定子→定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙→S極→磁軛。見圖2-7。
[page]（二）定子
定子的功用是產(chǎn)生交流電。定子由定子鐵心和定子繞組成。見圖2-8A
定子鐵心由內(nèi)圈帶槽的硅鋼片疊成，定子繞組的導(dǎo)線就嵌放在鐵心的槽中。定子繞組有三相，三相繞組采用星形接法或三角形（大功率）接法，都能產(chǎn)生三相交流電。
三相繞組的必須按一定要求繞制,才能使之獲得頻率相同、幅值相等、相位互差120°的三相電動勢。
1．每個線圈的兩個有效邊之間的距離應(yīng)和一個磁極占據(jù)的空間距離相等。
2．每相繞組相鄰線圈始邊之間的距離應(yīng)和一對磁極占據(jù)的距離相等或成倍數(shù)。
3．三相繞組的始邊應(yīng)相互間隔2π+120o電角度（一對磁極占有的空間為360o電角度）
例：國產(chǎn)JF13系列交流發(fā)電機三相繞組繞制見圖2-8B
結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：
磁極對數(shù)p6對
定子槽數(shù)z36槽
定子繞組相數(shù)m3相
每個線圈匝數(shù)N13匝
繞組聯(lián)結(jié)方法Y型聯(lián)結(jié)
在國產(chǎn)JF13系列交流發(fā)電機中，一對磁極占6個槽的空間位置（每槽60o電角度），一個磁極占3個槽的空間位置，所以每個線圈兩條有效邊的位置間隔是3個槽，每相繞組相鄰線圈始邊之間的距離6個槽，三相繞組的始邊的相互間隔可以是2個槽，8個槽，14個槽等。
（三）整流器
交流發(fā)電機整流器的作用是將定子繞組的三相交流電變?yōu)橹绷麟姡?管交流發(fā)電機的整流器是由6只硅整流二極管組成三相全波橋式整流電路，6只整流管分別壓裝（或焊裝）在兩塊板上。
1．汽車用硅整流二極管特點
（1）工作電流大，正向平均電流50A，浪涌電流600A；
（2）反向電壓高，反向重復(fù)峰值電壓270V，反向不重復(fù)峰值電壓300V；
（3）只有一根引線見圖2-9。并且有的二極管引線是正極，有的二極管引線是負(fù)極，引出線為正極的管子叫正極管，引出線為負(fù)極的管子叫負(fù)極管，所以說整流二極管有正二極管和負(fù)二極管之分。
[page]2．整流管的安裝
將正極管安裝在一塊鋁制散熱板上，稱為正整流板；將負(fù)極管安裝另一塊鋁制散熱板上，稱為負(fù)整流板，也可用發(fā)電機后蓋代替負(fù)整流板。見圖2-10。
在正整流板上有一個輸出接線柱B（發(fā)電機的輸出端）。負(fù)整流板上直接搭鐵。負(fù)整流板上一定和殼體相聯(lián)接。整流板的形狀各異，有馬蹄形、長方形、半圓形等見圖2-11
（四）端蓋
端蓋一般分兩部分（前端蓋和后端蓋），起固定轉(zhuǎn)子、定子、整流器和電刷組件的作用。端蓋一般用鋁合金鑄造，一是可有效的防止漏磁，二是鋁合金散熱性能好。
后端蓋上裝有電刷組件，有電刷、電刷架和電刷彈簧組成。電刷的作用是將電源通過集電環(huán)引入磁場繞組。見圖2-12
磁場繞組（兩只電刷）和發(fā)電機的聯(lián)接不同，使發(fā)電機分為內(nèi)搭鐵型和外搭鐵型兩種
1．內(nèi)搭鐵型發(fā)電機：磁場繞組負(fù)電刷直接搭鐵的發(fā)電機（和殼體直接相連）。見圖2-13a
2．外搭鐵型發(fā)電機：磁場繞組的兩只電刷都和殼體絕緣的發(fā)電機。見圖2-13b
外搭鐵型發(fā)電機的磁場繞組負(fù)極（負(fù)電刷）接調(diào)節(jié)器，通過后再搭鐵。[page]
二、8管交流發(fā)電機
8管交流發(fā)電機（如夏利車用）和6管交流發(fā)電機的基本機構(gòu)是相同的，所不同的是整流器有8只硅整流二極管，其中6只組成三相全波橋式整流電路，還有2只是中性點二極管，1只正極管接在中性點和正極之間，1只負(fù)極管接在中性點和負(fù)極之間。對中性點電壓進(jìn)行全波整流。（見圖2-14）
試驗表明：加裝中性點二極管的交流發(fā)電機在結(jié)構(gòu)不變的情況下可以提高發(fā)電機的功率10%～15%。
中性點二極管提高發(fā)電機功率的原理：
交流發(fā)電機中性點電壓為三次諧波，隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速的提高，中性點三次諧波電壓也升高。見圖2-15
當(dāng)中性點電壓瞬時值高于三相繞組的最高值時，中性點正極管導(dǎo)通對外輸出電流；電流回路為：中性點→中性點正極管→負(fù)載→某一負(fù)極管→定子繞組→中性點。見動畫2。
當(dāng)中性點電壓瞬時值低于三相繞組的最低值時，中性點負(fù)極管導(dǎo)通對外輸出電流；電流回路：中性點→定子繞組→某一正極管→負(fù)載→中性點負(fù)極管→中性點。由于中性點參與了對外輸出，所以能提高輸出功率。
三、9管交流發(fā)電機（日車應(yīng)用較多）
9管交流發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)和6管交流發(fā)電機相同，所不同的是整流器。9管交流發(fā)電機的整流器是由6只大功率整流二極管和3只小功率勵磁二極管組成的交流發(fā)電機。
其中6只大功率整流二極管組成三相全波橋式整流電路，對外負(fù)載供電，3只小功率管二極管與三只大功率負(fù)極管也組成三相全波橋式整流電路專門為發(fā)電機磁場供電。所以稱3只小功率管為勵磁二極管。9管交流發(fā)電機電路見圖2-16
充電指示燈的作用在下一節(jié)有專門介紹
四、11管交流發(fā)電機（例如桑塔納車用發(fā)電機）如圖2-17
11管交流發(fā)電機的整流器由8只大功率整流二極管（其中2只中性點二極管）和3只磁場二極管組成。其它結(jié)構(gòu)和6管交流發(fā)電機相同。
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五、無刷交流發(fā)電機
由于沒有電刷和集電環(huán)，所以不會因為電刷和集電環(huán)的磨損和接觸不良造成激磁不穩(wěn)定或發(fā)電機不發(fā)電等故障；同時工作時無火花，也減小了無線電干擾。無刷交流發(fā)電機分為爪極式、激磁機式和永磁式三種。
（一）爪極式無刷交流發(fā)電機見圖2-18
1．爪極式無刷交流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)及工作原理
爪極式無刷交流發(fā)電機磁場繞組是靜止的，它通過一個磁軛托架固定在后端蓋上,所以，不再需要電刷。
兩個爪極中只有一個爪極直接固定在電機轉(zhuǎn)子軸上，另一爪極則用非導(dǎo)磁聯(lián)接環(huán)固定在前一爪極上。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，一個爪極就帶動另一爪極一起在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動,當(dāng)磁場繞組中有直流電通過時，爪極被磁化,,就形成了旋轉(zhuǎn)磁場。磁路如圖2-18所示
2.優(yōu)點
（1）結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、工作可靠
（2）不存在電刷與集電環(huán)接觸不良導(dǎo)致的發(fā)電不穩(wěn)或不發(fā)電故障。
3.缺點
（1）爪極間連接工藝?yán)щy
（2）由于磁路中間隙加大，發(fā)電機相同輸出功率下需加大勵磁電流。
（二）激磁機式無刷交流發(fā)電機見圖2-19
圖2-19為德國波許公司生產(chǎn)的帶有激磁機的無刷交流發(fā)電機。它實際上是在一臺爪極式三相交流發(fā)電機的基礎(chǔ)上增加了一部專為其激磁的小型硅整流交流發(fā)電機，稱為激磁機（圖中4、5、6），激磁機的磁場繞組固定，而三相繞組是轉(zhuǎn)動的。當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)動時，在激磁機轉(zhuǎn)子4的三相繞組中感應(yīng)出三相交流電，在發(fā)電機內(nèi)部經(jīng)二極管整流后變?yōu)橹绷麟姡苯庸┙o爪極式三相交流發(fā)電機的磁場繞組15激磁發(fā)電。
這種無刷發(fā)電機的優(yōu)點是磁路中無附加氣隙，因而漏磁少，輸出功率大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
（三）永磁式無刷交流發(fā)電機
該種發(fā)電機與普通發(fā)電機不同的是轉(zhuǎn)子部分——以永久磁鐵作為轉(zhuǎn)子磁極而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，不僅去掉了電刷和滑環(huán)，而且不需要磁場繞組和爪極。結(jié)構(gòu)簡單可靠、使用壽命長。轉(zhuǎn)子常用的永磁材料有鐵氧體、鉻鎳鈷、稀土鈷、釹鐵硼等。
由于轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，所以產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場強度是不變的、不可調(diào)的，因此，不能采用普通交流發(fā)電機通過調(diào)節(jié)器控制磁場電流的辦法來調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出電壓。為解決調(diào)壓問題可采用電壓調(diào)節(jié)器與三相半控橋式整流相配合的辦法，使發(fā)電機輸出電壓不隨轉(zhuǎn)速大幅度變化而變化。
圖2-20是永磁發(fā)電機電壓控制原理圖。3只共陽極硅二極管VD1、VD2、VD3與3只共陰極晶閘管VT1、VT2、VT3組成三相半控橋式整流電路。另外由硅整流二極管VD1～VD6組成三相全波整流電路，為晶閘管控制極提供觸發(fā)電壓，與電壓調(diào)節(jié)器的一個觸點相接，另一個觸點則與晶閘管的控制極相連，電壓調(diào)節(jié)器的線圈并接在三相半控橋的輸出端，電壓控制原理如下：
低速時觸點K閉合，晶閘管控制極獲得正向觸發(fā)電壓而導(dǎo)通，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時，整流橋可向蓄電池和負(fù)載提供全波整流電壓。當(dāng)整流輸出電壓隨轉(zhuǎn)速升高而升高到超過額定電壓時，觸點K斷開（因線圈吸力增大），晶閘管因失去正向觸發(fā)電壓而截止，因而整流輸出電壓下降。當(dāng)整流電壓降到一定值時，電壓調(diào)節(jié)器線圈中電流減小吸力減小而使K閉合，3只晶閘管重新被觸發(fā)導(dǎo)通，又使整流輸出電壓回升。如此反復(fù)，便可使輸出電壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)。（觸點式調(diào)節(jié)器目前已經(jīng)由電子式或電腦控制的調(diào)節(jié)器所代替）
永磁式交流發(fā)電機優(yōu)點如下：
1．體積小、輕、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便，使用壽命長。如750W的鈦鐵硼永磁發(fā)電機與350W普通交流發(fā)電機重量相當(dāng)。轉(zhuǎn)子上除軸承外無其他磨損件并開有通風(fēng)孔，冷卻散熱好，因而壽命可提高兩倍以上。
2．由于傳動比大，即發(fā)動機轉(zhuǎn)速低而發(fā)電機轉(zhuǎn)速高，所以發(fā)動機低速時發(fā)電機充電性能好。
3．比功率大，可節(jié)約金屬材料。
4．無激磁損耗，效率可提高10％以上。
5．在電壓控制器中，由于只有控制極約10mA的電流通過觸點，故可降低觸點磨損，電壓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)很簡單。
6．由于永磁體的磁導(dǎo)率接近空氣的磁導(dǎo)率，使電樞反應(yīng)磁阻增大，因而感應(yīng)電勢的非正弦畸變減小，輸出功率增大。
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六、帶泵交流發(fā)電機
帶泵交流發(fā)電機的發(fā)電機與普通交流發(fā)電機完全一樣，不同的是轉(zhuǎn)子軸很長并伸出后端蓋，利用外花鍵與真空泵的轉(zhuǎn)于內(nèi)花鍵相連接，驅(qū)動真空泵與發(fā)電機轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，給汽車制動系中的真空筒抽真空，為制動系的真空增壓器提供真空源，主要用于沒有真空源的柴油機（汽油機可直接從進(jìn)氣歧管處取得真空。制動時因節(jié)氣門幾乎關(guān)閉而在進(jìn)氣歧管中形成高真空，而柴油機無節(jié)氣門）。國產(chǎn)JFB2525型帶泵交流發(fā)電機外形如圖2-21所示。
七、汽車雙整流發(fā)電機
雙整流發(fā)電機是一種最新型交流發(fā)電機，它大大改善了普通交流發(fā)電機低速充電性能和高速最大功率輸出，又不增設(shè)比較復(fù)雜的控制電路，因此也沒有增加充電系的故障率。
1．結(jié)構(gòu)原理
如圖2-22所示。在普通交流發(fā)電機三相定于繞組基礎(chǔ)上，增加繞組匝數(shù)并引出接線頭，增加一套三相橋式整流器。低速時由原繞組和增繞組串聯(lián)輸出，而在較高轉(zhuǎn)速時，僅由原三相繞組輸出。工作中高低速供電電路的變換是自動的，沒有增設(shè)任何機電控制裝置，其工作原理分析如下：
在低速范圍內(nèi)，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)速低，三相繞組的串聯(lián)輸出，提高了發(fā)電機的輸出電壓，使發(fā)電機低速充電性能大大提高。在高速范圍內(nèi)，隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速的增大，串接的三相繞組的感抗增大，內(nèi)壓降增大，再加上電樞反應(yīng)加強，使輸出電壓下降。這時原三相繞組A、B、C因內(nèi)壓降較小，產(chǎn)生的感應(yīng)電流相對較大，確保高速下的功率輸出。
2．雙整流發(fā)電機的優(yōu)點有；
（1）既降低了發(fā)電機的充電轉(zhuǎn)速，又保證了高速大電流輸出，提高了發(fā)電機的有效功率。雙整流發(fā)電機比普通發(fā)電機最低充電轉(zhuǎn)速降低了200－300r／min，在低速下發(fā)電機即可輸出電流達(dá)10A；而額定電壓及額定電流下的轉(zhuǎn)速不大于2500r／min。
（2）結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，只在定子槽中增加繞組匝數(shù)，增加一套三相橋式整流。
八感應(yīng)子式交流發(fā)電機
感應(yīng)子式交流發(fā)電機也是一種無電刷交流發(fā)電機，由定子、轉(zhuǎn)子、整流器和機殼組成。它的轉(zhuǎn)子是由齒輪狀鋼片鉚成，其上有若于個沿圓周均勻分布的齒形凸極，而沒有磁場繞組。磁場繞組和電樞繞組均安放在定子槽中，如圖2-23所示。
當(dāng)磁場繞組3通人直流電后，在定子鐵心1中產(chǎn)生固定磁場（右上部、左下部為S極；左上部、右下部為N極）。由于轉(zhuǎn)子4凸齒部分磁通容易通過，磁感應(yīng)強度最大，從而形成磁極。但轉(zhuǎn)子的每個凸齒是沒有固定極性的，當(dāng)它對著定子N極就是S極，對著S就是N極。
轉(zhuǎn)子凸齒在不運動的磁場內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，當(dāng)凸齒對著定子凸齒時，磁通量最大，當(dāng)轉(zhuǎn)子槽對著走子凸齒時則磁通量最小。因此，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，定子凸齒內(nèi)產(chǎn)生脈動磁通，在定子繞組中感應(yīng)出交變電動勢。將電樞繞組以一定的方式連接起來，并經(jīng)整流，便可得直流電。
感應(yīng)子式交流發(fā)電機中電樞繞組交流電動勢的頻率恒等于Zn/60（Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速），與磁場繞組形成的磁極對數(shù)無關(guān)，這與同步交流機的本質(zhì)不同。感應(yīng)子式無刷交流發(fā)電機機質(zhì)量比功率較低。
