车用交流发电机讲座.docx
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车用交流发电机讲座
车用交流发电机知识讲座
车用交流发电机（以下简称发电机）是我公司的主导产品之一，本次讲座面向公司销售服务人员，主要介绍一些发电机的应用、维修方面的相关知识，希望有助于大家更加了解发电机，做好服务销售工作。
一、发电机的作用及汽车电系特点
1、发电机是汽车电气系统的两个主要电源之一，与蓄电池并联工作。
在发电机发出的电能多于汽车电器所消耗的电能时，它将多余的电能通过充电的方式储存在蓄电池中；当汽车电器用电超过发电机所输出电能时，由蓄电池补充不足的电能（发动机启动时起动机消耗的电能也由蓄电池提供）。
充电和放电的过程由发电机与蓄电池两端的电势自动调节。
图一发电机接线示意图
2、发电机的特点与汽车电系特点密切相关。
它采用单线制，负极搭铁（少数用于某些特定场合的发电机采用双线制）；输出三相直流电，因此需要整流；因汽车电器的需要，输出稳定的电压，因此需与调节器搭配使用；输出电动势与转速成正比，在调节器作用下，输出实际电流取决于车上实际使用的负载大小（包括蓄电池状况），同时自身有限流功能，每个发电机都有一个最大输出电流。
二、发电机的种类
汽车上最早使用的发电机是直流发电机，它采用换向器换向，输出直流电。
从1960年开始，汽车上逐步开始采用交流发电机，它采用硅二极管整流，输出直流电，故也称硅整流发电机。
由于交流发电机与直流发电机相比，具有体积小、重量轻、结构简单、维修方便、使用寿命长、配用的调节器简单、产生的无线电干扰信号弱等诸多优点，因此汽车上采用交流发电机后，直流发电机被迅速淘汰，现在所讲的汽车用发电机均指交流发电机。
汽车用交流发电机可按总体结构、整流器结构、搭铁型式、散热型式等多方面进行分类。
按总体结构可分为：
1）普通交流发电机：
无特殊装置和特殊功能的发电机，如JF1521；
2）整体式交流发电机：
内装电子调节器的交流发电机，如JFZ1521；
3）无刷交流发电机：
无电刷和集电环结构的交流发电机，如康明斯发电机JFW2621；
4）带泵交流发电机：
带真空制动助力泵的交流发电机，如供朝柴的JFB2729；
5）永磁交流发电机：
转子磁极采用永磁材料的交流发电机，如广西梧州金卓公司生产的JFY系列发电机。
上述分类并不相互排斥，一种发电机可以有上述的几种特征。
随着新技术的应用，混合励磁式等结构的发电机也开始出现。
按整流器结构不同，发电机可分为：
1）六管交流发电机：
其整流器由六只硅整流二极管组成三相桥式全波整流电路；有的采用单个的硅二极管压装，也有的采用在极板上烧结硅管组成整流组件。
如JF1521、JF2521等。
2）八管交流发电机：
其整流器有八只二极管，除了六只组成三相桥式全波整流外，在定子绕组中性线输出端也接有二只二极管，用以对三相电路不均衡产生的中性点波形进行整流。
如JFW2321等。
3）九管交流发电机：
在六管交流发电机的基础上又增加了三只励磁二极管，组成两套三相桥式全波整流电路，提供电压检测点和励磁电流。
如JFZ1714、JFZ2721、JFZ2524A等。
4）十一管交流发电机：
在八管交流发电机的基础上，其整流器增加了三只励磁二极管。
如JFZ1529和JFZ2241等。
图二发电机整流电路
按励磁绕组搭铁型式不同，发电机可分为：
1）内搭铁型发电机：
励磁绕组的一端与发电机端盖相连接的发电机。
2）外搭铁型发电机：
励磁绕组的一端经调节器后搭铁的交流发电机。
由于整体式发电机调节器装在发电机内部，不论是内搭铁还是外搭铁对汽车电路均无影响，因此内、外搭铁型式的区别只针对非整体式发电机；在使用时，它必须与同样搭铁型式的调节器配用。
交流发电机按散热型式可分为：
1）密封交流发电机：
其两端端盖密封，端盖上制有很多散热肋，通过风扇带动空气流通使端盖散热。
这种型式散热效果较差，只适用于小功率、有特殊使用环境要求的场所。
2）普通单外风扇发电机：
在两端盖上制有通风孔，通过风扇抽风，使冷空气流经电机内部带走热量，散热效果一般。
3）内外风扇发电机：
在端盖外面和内部各装有一个风扇，通过抽风实现散热，散热效果较好。
4）双内风扇发电机：
在两端盖内装有两风扇，分别装在两磁极背面。
这种散热效果好，但成本较高，结构较复杂，一般用在乘用车等功率要求较高的场合。
5）液冷发电机：
它是随着现代汽车电器的不断增多，对发电机功率要求不断增大的情况下由欧美发达国家新近研制出的一种新型结构发电机。
与传统风冷式发电机不同，它采用水、油等液体作为传热介质，目前在豪华大客车上已开始使用。
三、发电机的发电原理
发电机的发电过程是一个利用电磁转换原理将机械能转化为电能的过程，它可以分为以下几个步骤：
1）产生磁场发电机在未发电前由蓄电池供给其初始励磁电流（发电机发电后由自身提供）。
接通点火开关，蓄电池电势加在发电机激磁线圈两端，产生励磁电流，从而在线圈的铁芯中产生磁场。
2）磁场形成回路，切割定子线圈产生的磁场在发电机中的传递回路如下：
磁轭和轴→爪极一端→定子铁芯→另一端爪极→磁轭和轴。
其间需要通过两次转子外圆与定子铁芯内圆之间的主间隙，并切割嵌在定子铁芯槽中的定子线圈。
同时，当发动机启动后，通过皮带传动将机械能输入到发电机，带动发电机转子旋转。
由于每个爪极在圆周方向上布置有多个爪，在爪与爪之间是空位，因此在转子旋转过程中，切割每一组定子线圈的磁场强度是循环变化的。
对汽车发电机而言，这种变化被设计为三相正弦波形。
3）产生交流电定子线圈受变化的磁场切割后将产生对应波形的三相交流电动势，这种电动势加在负载两端时便会产生三相交流电流。
4）整流和调压产生的三相交流电流通过三相桥式整流电路整流为直流电。
同时调节器通过控制激磁电流的通断将发电机输出电压维持在相对恒定的范围内，满足汽车电器的需要。
四、发电机的结构
交流发电机虽然有很多种类，但基本结构大致相同，都包括转子、定子、整流器、端盖、风扇、皮带轮等几大部分。
下面以我公司目前主要的两种系列产品22SI系列和JFZ1529系列发电机的结构来作一下简介。
1）定子由定子铁芯和定子绕组组成。
定子铁芯由内圆带槽的环状硅刚片叠压而成；定子绕组则采用漆包圆铜绕组线绕制而成，安放在定子铁芯的槽内。
定子绕组间与定子铁芯间采用聚酯薄膜带绝缘，同时用槽楔将绕组固定，防止绕组窜动、脱落。
为提高定子绕组的绝缘、散热和机械性能，绕组嵌入铁芯后应进行浸漆处理。
定子绕组为三相对称绕组，三相绕组的联接方法有星形（Y形）和三角形（△形）两种。
三相绕组的绕制方法是使三相绕组能产生频率相同、幅值相等、相位互差120（电角度）的三相对称电动势，为此在绕制和嵌放时应按照一定的绕组规范进行，并确定合理的安放位置。
2）转子转子的作用是产生磁场，它主要由磁轭、磁场绕组、爪极和集电环等组成。
爪极有两块，每块上都有多个鸟嘴形磁极，两块爪极之间装有磁轭和磁场绕组；磁场绕组装在磁轭外部，中间用绝缘架隔开，通过磁轭一起压装在转子轴上。
集电环由两个彼此绝缘的铜环组成，压装在轴上，铜环与轴绝缘。
磁场绕组的两端分别与两个铜环焊接在一起。
两个铜环在发电机工作时分别与发电机的两个电刷相接触，使磁场绕组中保持电流通过。
3）整流器交流发电机的整流器由多只硅整流二极管组成，其基础是由六只二极管构成三相桥式整流电路，将三相绕组感应出的交流电变为直流电。
汽车用交流发电机用硅整流二极管的内部结构和工作原理与一般工业用硅整流二极管基本相同，但其外形结构有要求有所不同。
现在主要应用的型式有两种：
一是将二极管的PN结直接烧结在金属散热板上；二是将二极管压装在金属散热板的孔中使用。
整流二极管的引出电极有正极和负极之分，引出电极为二极管正极的称为正极管；引出电极为负极的称为负极管，六管发电机有三只正极管和三只负极管。
散热板一般用铝板或铜板制成，又称整流板，安装三只负极管的整流板称为负整流板；安装三只正极管的整流板称为正整流板。
负整流板与端盖碰在一起为发电机负极；正整流板用螺栓或引线引出，为发电机的正极，标记为“B”。
4）端盖发电机有前后两个端盖，主要作用是支撑发电机其它部件，传导散热，并把发电机与发动机支架联接起来。
发电机用端盖通常用铝合金压铸而成，这种铝合金不导磁，并且具有重量轻、散热性能好的特点，适合发电机防漏磁的需要。
前端盖紧挨皮带轮，承载驱动的主要分力，因而选用的轴承要大于后端，故也称为驱盖。
整流器等电子元器件装在发电机后部，靠后端盖提供安装位，因此也把后盖称为电盖。
在两端盖上制有挂角，挂角上的安装孔用来与发动机支架配合，将发电机固定在发动机上。
5）电刷组件由电刷、电刷架和电刷弹簧组成，下图为22SI系列所用电刷部件结构示意图。
电刷安装在电刷架的孔内，借弹簧张力使电刷与集电环保持良好接触。
电刷用铜粉和石墨粉模压而成，电刷架则用酚醛玻璃纤维塑料模压而成。
每台发电机有两只电刷，每只电刷上都有一根引线接到发电机后端盖的接线柱上或直接搭铁。
6）调节器它的作用是控制发电机的输出电压在一定范围内。
从发电机或蓄电池上采集电压信号，通过控制激磁回路的通和断来调节发电机输出电压。
当电压低于设定值时，维持激磁回路导通；当电压高于设定值时将激磁回路关断。
7）其它零件发电机上还装有皮带轮、风扇等其它零部件，其中皮带轮与转子部件联接在一起，依靠皮带输入机械能；风扇也装在转子部件的轴上，通过旋转来实现发电机的通风散热。
五、发电机的性能参数
发电机除外形尺寸要求外，其性能参数更为重要，其中主要有三项：
空载性能、负载性能和调节电压值，下面列有一个发电机的输出曲线供参考。
1）空载性能用空载转速指标衡量（又称零电流转速、起始发电转速），它是指发电机在输出电动势达到规定值要求，但尚未输出电流时的转速，用n0表示。
对于带充电指示灯的发电机，由于指示灯本身有一定功率，其首次熄灭时的转速往往高于零电流转速。
因此，在现场出于大批量生产的需要我们一般规定一个另外的熄灯转速指标用于验收。
2）负载性能发电机在调节器完全导通，电压恒定的情况下输出电流与转速之间的关系，实际中一般检测两个指标：
最小工作电流和额定电流。
最小工作电流指发电机在1500r/min时输出的电流，此时发动机往往处于怠速状态；额定电流指发电机在额定转速5000r/min（有的规定为6000r/min）时输出的电流，此时发动机往往处于稳定工作转速状态。
额定电流一般标示在发电机铭牌上。
需要说明的是，由于发电机在工作时发热比较严重，而在发热后随着效率的降低，其输出会有明显的下降，因此发电机刚开始工作时的性能（我们称为冷态性能）和稳定工作一定时间后的性能（我们称为热态性能）有较大差异。
在设计中比较关注的是热态性能，而实际生产线进行出厂试验时出于节拍的考虑，我们检测的是接近于冷态的性能，因此在额定要求基础上增加了一定的余量。
六、发电机常规失效模式及判定方法
发电机是汽车电气系统的主要部件之一，在汽车零部件的故障率排列中也比较靠前。
根据我们这些年对故障件的分析和统计，其常规失效模式有以下几种：
定子线圈烧、转子线圈烧及断线、轴承失效、整流器失效、调节器击穿、电刷异常磨损等。
作为销售服务人员应掌握如何对发电机进行失效模式判断和分类，对造成失效模式的原因只需了解一些即可。
下面我们将对各失效模式的判断方法和失效原因逐一分析。
一、定子线圈烧
定子线圈烧的主要外部故障表现为不发电，内部故障表现为线圈颜色变黑，在没有专门仪表检测的情况下一般采用肉眼观察法。
要区分定子线圈是局部变色还是大范围变色。
如是前者，一般是由于对地短路造成的，可观察局部处线圈是否可能与端盖相碰或套管是否破损；如是后者，则主要原因是漆包线承受不了高温环境温度和自身发热，寿命降低造成的。
由于发电机装在发动机上，发动机的发热使其环境温度比较高；同时发动机舱的密封使得热量难以散发，因此汽车行业规定发电机必须能在环境温度95C时长期工作；但很多发电机的实际环境温度比这一上限值还高。
玉柴技术中心的调查报告显示，采用后置发动机的城市公交车在夏天运行时其发电机的环境温度往往在100C以上，最高达115C。
另一方面，汽车用电需求不断提高，发电机的功率也越来越高；而发电机的效率相对固定，随着输出功率的增加其自身发热量也会相应增加。
在高温环境温度下，如果通风稍有不足，发电机定子线圈的温度可能就会超出200C，这时采用普通材料的定子线圈很容易烧毁。
二、转子线圈烧及断线；
转子线圈失效的外部故障表现也为不发电，判断时除用肉眼观察线圈是否变黑和漆包线是否有断头外，比较直观和准确的方法是用电池灯或万用表检测集电环两端。
正常情况下，电池灯微亮或电阻值在4～10之间，如电池灯不亮或阻值无穷大，可判断为转子线圈不通；如电池灯很亮或阻值过小，则为转子线圈烧。
转子烧的原因相对比较多，除了有与定子线圈烧同样的原因，自身发热严重、散热不良以外，发电机电压异常升高也很容易导致转子烧毁；特别是发动机装机现场发生的零公里故障往往与调节器有关。
有些发动机在试车过程中不带蓄电池，也没有负载；而有些时候，发电机在不接线的情况下依靠自身的激磁振荡会产生电动势，这时候对调节器是一个非常恶劣的状况（高速、无负载、不带蓄电池）。
如果调节器设计未充分考虑这一点会很容易失效，而这时一旦电压失去控制，加在发电机激磁线圈两端的电压会大幅彪升，要不了几分钟，转子线圈就会烧毁。
转子线圈断线的主要原因是由于转子线圈在工作时高速旋转，离心力很大；同时汽车的重型化和大型化的发展使发电机的震动越来越大，如转子线圈固定不好，将很容易发生这种故障。
三、轴承失效
轴承失效的外部故障表现为电机擦和卡死，内部故障表现为轴承散架、卡死，内外圈配合失效。
判断方法主要是观察法。
失效原因除了零部件质量水平以外，主要是轴承选用和轴承应用不是很恰当。
轴承的选用要经过充分的计算，额定负荷要有足够的余量；轴承的应用主要涉及到轴承与轴的端盖的配合、轴承的密封和润滑脂选用。
由于发电机的实际工作环境和装配工艺的要求，发电机前、后轴承与轴和端盖之间的配合要求各不相同。
汽车发电机中一般将驱动端的轴承作为固定轴承，电盖端的轴承作为游动轴承。
因此，电盖端轴承与轴采用过盈配合，与端盖轴承孔采用间隙配合（除采用可分离型的滚针轴承外）。
驱盖端轴承考虑到大批量生产时的装配难度，与端盖孔之间常采用过渡或过盈配合，并采用轴承盖板、紧定螺钉或驱盖旋压等方式将轴承外圈压死；与轴之间常采用过渡配合，依靠内、外定位圈将其压紧。
因此，电盖轴承外圈与端盖间径向的异常蠕动问题和驱盖轴承在传递扭矩过程中可能发生的内圈与轴的相对蠕动问题需要特别关注。
四、整流器失效
整流器失效的外部故障表现为不发电或发电不足，内部故障表现为整流管焊锡融化、脱焊、失效、塑料件融化等。
故障判断方法为观察法和检测法。
整流管焊锡融化、脱焊、塑料件融化都可以用肉眼观察到，整流管失效则需用电池灯或万用表检测。
正常情况下，电池灯检测表现为正向灯微亮，反向灯不亮，都亮时为整流管击穿，都不亮时为整流器不通；用万用表检测时应表现为单向指针偏转和有阻值，反向电阻无穷大，均检测到电阻时为整流管击穿，均为无穷大时为整流管不通。
整流器失效原因主要是结构设计问题、应用环境问题和供应商的质量保证能力问题。
采用螺钉连接结构的整流器由于绝缘件在高温下的变形使螺钉拧紧力矩很容易释放，从而使各处接触电阻增加，管压降增加，发热也会成倍增长，因此失效率也很高。
整流管的管芯截面积和PN结形成方式决定了允许通过的额定电流，对故障率影响也很大；同时，整流板的材料和散热面积选择也很关键。
另外，在环境温度很高和环境很恶劣，容易堵塞的场合下，整流管发热严重，温度高，锡焊点可能融化造成整流器失效。
五、调节器失效；
调节器失效的外部故障表现有两种：
输出电压高，充电电流大，容易烧电器；输出电压低，充电不足或不发电。
故障判断方法为调查顾客法和检测法。
输出电压高或低的问题都可以通过调查顾客或用万用表检测发电机“B”端输出电压进行判断，正常情况下14V电机输出电压范围在13.7～14.5V，28V电机输出电压范围在27.7～28.6V。
在没有专用仪器的情况下，对调节器自身的检测无法给出很准确的判断，但对不发电是情况下排除了其它部件的故障可能以后，可用万用表检测调节器“F”端到“E（地）”之间的电阻，如正、反向电阻均无穷大，则基本可判定为调节器不通。
由于调节器发电机厂一般自己不生产，而由专业厂家提供，故调节器的失效主要原因是与发电机的匹配设计问题和供应商的质量保证能力不足。
很多调节器的失效都是由于在设计时未充分了解所面向市场的汽车线路特点所造成的，因此前期的匹配工作非常重要。
六、电刷断线、异常磨损
电刷断线、异常磨损的外部故障表现为不发电，内部故障表现为电刷线脱开、电刷磨光、集电环有明显磨损痕迹等，用观察法和检测法均可判断。
在电刷未拆开之前，用电池灯和万用表检查电刷两端，应为微亮或5～15，如发现异常可拆下电刷进一步观察和检测。
一般可观察到故障点，如未发现异常，在排除了集电环故障外，也可判定为电刷问题。
电刷断线的原因主要是电刷线牢度不够和焊接质量不好；电刷的异常磨损则与电刷材料的选择、电刷弹簧弹力的选择、集电环材料的选择、集电环表面的粗糙度、电刷架的密封、激磁电流的大小等诸多因素有关。
目前的发展趋势是电刷向免维护方向发展，因此电刷寿命一般应满足汽车行驶5万公里以上，好的设计保证汽车行驶10万公里以上不需要维护。
七、故障判定程序及方法
这里主要对发电机的故障判定方法作一归纳，并给出一基本的故障判定程序。
发电机故障判定方法主要有调查顾客法、观察法和检测法三种，以下是一个基本的判定程序，实际服务过程中由于情况的不同可能有些步骤需要跳过，有些故障很直观，不需要进行完全部步骤。
但在有条件的情况下应尽可能遵循每一个步骤：
第一步，调查顾客，了解故障的外部现象，区分不发电、发电不足、电压异常、异常噪音、电机发卡等内别；同时了解一下车上的线路和其它电器有无异常。
对分体式发电机需要了解车上匹配的调节器的搭铁方式、与发电机的连接方式和实际使用状况；对九管整体式发电机需要了解在发电机D+端到点火开关之间是否有充电指示灯或电阻；在发电机的各端子上是否还有额外的负载，这些负载的作用是什么？
这些都有助于技术人员对故障原因作深入的分析。
第二步，实车观察和检测。
主要是针对顾客反映的故障在实车上观察和对发电机进行检测，同时在顾客不能确认车上线路的情况下自己实际观察。
一般检测的项目为点火开关接通后，发电机“D+（F）”端的电压、蓄电池端的电压；发动机按正常工作转速运转时发电机“B”端和蓄电池端的电压；外接调节器的情况下调节器“D+（F）”端的电压。
第三步，发电机从发动机拆下后外观观察，检测。
需要观察外观有无异常，如挂角断、外壳破、金属罩盖变形与整流器正极相碰短路、绝缘衬套破损短路等现象。
可以用万用表和电池灯检查发电机各接线端子，除“E（地）”外，其余端子均不能与外壳短路（正反向均击穿）。
第四步，拆开发电机观察。
将发电机罩盖打开，逐个观察发电机各部件状态，观察有无异常，对每个部分的观察和判断方法参考前述。
第五步，零部件检查。
对无法直接用肉眼观察到的问题还需要借用必要的工具进行检查，方法见前述。
第六步，在需要进行维修和有配件更换的情况下，可通过更换怀疑故障部件或排除故障点后再试验，确认是否找准了故障或是否还有其它故障。
如果电机没有恢复正常，则需要再次对其它零部件进行观察和检测。
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