探析汽车交流发电机欠发电故障诊断技术.docx
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探析汽车交流发电机欠发电故障诊断技术
探析汽车交流发电机欠发电故障诊断技术
摘要
随着汽车电气化和智能化的发展，汽车用电量在不断增加，与此同时，整车的空间利用率和汽车的经济性要求交流发电机要轻量化。
交流发电机面临着严重的挑战。
本论文对交流发电机结构组成、发电原理、整流原理和电压调节原理给予必要的论述；对充电系统的故障诊断技术也有所涉猎；重点对导致交流发电机欠发电故障的机械和电气两方面的原因，进行了详尽的解析，总结出一套行之有效的发电机欠发电故障诊断技术，具有普通适用性。
并且突出关注理论对故障诊断的指导作用。
关键词：
交流发电机；故障；故障率；欠发电；故障诊断
Abstract
Withthedevelopmentofautomobileelectrificationandintelligence,thepowerconsumptionofautomobileisincreasingcontinuously.Atthesametime,thespaceutilizationratioofthewholevehicleandtheeconomyofthevehiclerequirethealternatortobelightweight.alternatorsfaceseriouschallenges.
Inthispaper,thestructuralcomposition,generationprinciple,rectifierprincipleandvoltageregulationprincipleofalternatorarediscussed,thefaultdiagnosistechnologyofchargingsystemisalsodabbled,andthemechanicalandelectricalreasonsleadingtothefailureofalternatorareanalyzedindetail.Andpayattentiontotheguidingroleoftheorytofaultdiagnosis.
Keywords:
alternator；fault；failurerate；under-generation；faultdiagnosis
1绪论
1.1选题背景与意义
1.1.1选题背景
随着中国经济的腾飞，国家大力支持汽车企业的发展，汽车技术的快速发展变革，人们收入水平的不断提升，汽车的功能越来越多样化，汽车深得大家喜爱，成为了千家万户重要的出行工具，因此汽车的销量逐年上升，如图1-1所示。
人们对物质生活的追求也在不断上升，对汽车的要求也越来越多样化，例如：
汽车的舒适安全、娱乐辅助性、时尚科技感等多方面的要求，为了满足人们的需求，增加的负载电器也越来越多，对汽车交流发电机功率的要求也越来越高，在提升功率的情况下也增加了汽车交流发电机的故障率，同时又加上新能源汽车和5G科技的发展，汽车交流发电机成为了必不可少的汽车部件。
图1-12010-2018年中国汽车销量统计
发电机在工业生产中又是不可或缺的重要组成部件，而汽车交流发电机在整个汽车供电系统中又是不可缺少的重要组成元件，它一般采用爪极式结构，因为爪极发电机拥有及其简单的结构、低廉的制造成本，并且还具有较长的使用寿命，同时还拥有优异的可靠性受到设计工程师的广泛关注。
而汽车爪极式交流发电机属于同步电机中的一种，其具备较高的功率密度及耐温度变化的能力，以及较宽的转速使用范围、体积小、噪音低等特点，深受汽车企业的青睐[1]。
交流发电机作为汽车基础电器系统的关键性部件，随着汽车行业的不断发展，汽车发电机从直流发电机发展到交流发电机，再发展到了无刷交流发电机。
在很长的一段时间中，汽车上使用的发电机是通过换向器的换向作用，将交流电动势通过碳刷输出为直流电动势的直流发电机。
由于直流发电机质量重、发电效率低、使用寿命短、产生故障比较高等缺点，直流发电机逐步淘汰，当前汽车上大部分使用通过硅二极管整流的交流发电机，现在使用的交流发电机采用半导体全波整流器替换了以前纯机械的换向器，整体提高了发电机发电量的输出。
伴随着人们物质生活水平的提高，社会的汽车拥有量也在不停的增多，常规的汽车交流发电机已经不能满足人们的日常需求，目前汽车市场上使用的汽车交流发电机普遍为有刷结构，所以汽车发电机的使用寿命有限，故障率增加[2]。
汽车交流发电机作为主要电源之一不仅在怠速的情况下为负载电器供电还要给蓄电池进行充电，一旦交流发电机产生故障可能就会影响客户的使用效果，例如：
当汽车交流发电机产生发电量过高故障时，常常会烧坏汽车的照明灯泡；当汽车交流发电机产生不发电故障时，会造成汽车的用电设备无法正常工作；当汽车交流发电机产生异响故障时，会造成汽车噪音增大；当汽车交流发电机产生欠发电故障时，会造成汽车蓄电池电量消耗过大，启动困难等。
其中也包括对汽车品牌质量的满意度，所以解决汽车交流发电机故障迫在眉睫。
而且汽车交流发电机产生的故障又是多种多样，想要排除其中哪个点发生的故障也是极其复杂的，本文就汽车交流发电机欠发电的故障进行研究，解决汽车交流发电机故障中的难点。
1.1.2选题意义
伴随着全球经济的迅猛发展，解决“环境”问题成为了各国的重中之重，各国也开始了新能源的研发，把新能源汽车作为首要任务，混合动力汽车（弱混）成为了潮流，同时对汽车交流发电机的发电效率有了更高的要求。
在紧凑的发动机机舱内交流发电机的体积也有更严苛的要求，在提高发电效率和缩减体积的情况下，发电机的故障率就会随之增加。
而汽车交流发电机作为汽车基础电器的重要组成部分又是汽车的主要能源之一，在交流发电机故障率增加的前提下解决汽车交流发电机故障成为重中之重。
而在其故障中欠发电故障又是难点，是让每位维修人员都头疼的故障情况之一，也是汽车交流发电机制造商无法杜绝的一种故障情况。
分析出可能产生该故障的故障点，并建立出完善的诊断思路，致在解决该故障时让每一位维修人员都能轻松应对；同时为汽车交流发电机制造商提供参考依据，能否改进设计，规避该类故障的发生或减小该类故障的发生率。
1.2汽车交流发电机的分类
最初，为了给蓄电池充电便于汽车启动在汽车上安装了发电机；在二十世纪初，Dynamo直流型发电机出现并且盛行半个世纪之久[3]。
伴随着全球汽车企业的快速发展,直流发电机由于体积较为庞大，发电效率较低，不在适应于现代汽车而逐步退出历史的舞台，而交流发电机不仅体积小、质量轻、发电功率大、使用寿命长，还拥有良好的充电性能，因此受到广泛的关注，在现代汽车狭小的发动机舱中得到广泛应用。
交流发电机在20世纪50年代开始使用，欧美等发达国家全部在汽车上采用普通式交流发电机，而我国开始采用交流发电机的时间就比较晚，我国从70年代才开始使用交流发电机并且迅速得到普及。
1.2.1按照整体结构分类
（1）普通交流发电机又被称为“硅整流发电机”。
（2）整体式交流发电机。
（3）带真空泵交流发电机。
（4）无刷交流发电机。
（5）永磁交流发电机。
1.2.2按照整流器结构分类
（1）六管交流发电机：
其整流器由六只整流二极管组成的三相桥式全波段整流电路；有的采用单个的硅二极管压装，有的采用在极板上焊接硅二极管组成整流部件。
（2）八管交流发电机：
其整流器共有8只二极管，其中的6只二极管组成三相桥式全波段整流电路，定子绕组的中性输出端连接有2只二极管，主要对电路中性点产生的不平衡的波形进行整流。
（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段整流电路，提供电压检测点和励磁电流。
（4）十一管交流发电机：
在九管交流发电机的基础上，在其整流器的中性点上增加了二只整流二极管。
1.2.3按照磁场绕组搭铁形式分类
（1）内搭铁型交流发电机，通过定子绕组的负极直接与交流发电机的壳体相连。
（2）外搭铁型交流发电机，通过定子绕组的负极首先接入调节器，其次经过调节器后再进行搭铁。
由于整体式交流发电机调节器装在交流发电机内部，不论是内搭铁还是外搭铁对汽车电路均无影响，因此内、外搭铁型交流发电机的区别只针对非整体式发电机；在使用的过程中，它必须与同样搭铁型式的调节器配合使用。
1.2.4按照交流发电机散热类型分类
（1）普通散热交流发电机：
其两端端盖密封，端盖上制有很多散热孔，通过风扇带动空气流通使端盖散热。
这种型式的散热效果较差，只适用于小功率、有特殊使用环境要求的场所。
（2）普通单外风扇交流发电机：
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）内外风扇交流发电机：
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）双内风扇交流发电机：
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，结构复杂，一般用在乘用车等功率要求较高的场合。
（5）液冷交流发电机：
它是随着汽车电器的不断增加，对发电机功率要求不断提升的情况下，由欧美发达国家新研制出的一种新型结构的交流发电机，与传统的风冷式交流发电机不同，它采用水、油等液体作为传热介质，进行散热，目前在豪华大客车上已开始使用。
交流发电机在其结构上并无太大的区别，普通交流发电机和整体式交流发电机的整流器安装位置有所不同，普通交流发电机的整流器为外置整流器，整体式交流发电机的整流器为内部整流器和发电机装为一体。
无刷交流发电机顾名思义是没有电刷的，永磁交流发电机转子磁极是通过采用永磁铁制作而成。
交流发电机最大的区别就是整流器结构的区别，八管交流发电机和六管交流发电机的基本结构相同，不同的是八管交流发电机的整流器有8只整流二极管，其中6只组成三相全波桥式整流电路，另2只是中性二极管，1只正极管在中性点和正极之间，另1只在负极管接在中性点和负极之间，对中性点的电压进行全波段整流。
试验表明：
加装中性点二极管的交流发电机在结构不变的情况下，可以将发电效率整体提高10%-15%之间。
九管交流发电机和六管交流发电机在整体结构上也基本相同，不同点是在整流器上。
九管交流发电机由六个整流二极管，另外又加了三个功率比较小的二极管。
整流电路主要由六只整流二极管构成，主要是为负载电器提供电，三只小功率的二极管与三只大功率的负极二极管也构成了整流电路，主要为交流发电机的磁场提供电。
十一管交流发电机的整流器，相当于九管交流发电机的整流器再加2只中性点整流二级管。
由于十一管交流发电机既能提高功率又使充电指示电路简化，应用较为广泛。
1.3研究内容与方法
1.3.1研究内容
本文主要以汽车交流发电机故障为例，主要针对汽车交流发电机欠发电故障展开的一系列分析研究。
首先介绍汽车交流发电机的工作原理，以及重要组成部件并罗列出各个部件的工作原理。
其次参考现已有的汽车交流发电机产生的各类故障特征进行罗列，对汽车交流发电机欠发电故障进行重点分析研究。
最后根据分析的原因进行实测得出结果并建立完善的诊断思路，让欠发电故障不再是汽车交流发电机故障的难点。
1.3.2研究方法
（1）文献研究法：
主要内容是进行相关文献的整理工作，这些文献涉及到的汽车交流发电机的组成原理以及对汽车交流发电机故障的诊断思路，重点记录并分析汽车交流发电机欠发电故障的诊断思路和产生该故障的原因。
（2）实验研究法：
研究分析汽车交流发电机欠发电的形成原因和诊断方法后，并根据猜想进行实车检测，研究该诊断思路是否可行。
（3）比较研究法：
研究前人对欠发电故障建立的诊断思路和自己所研究的欠发电故障诊断思路进行对比，分析并发现问题使自己的诊断思路更加完善，争取可以创新出新的诊断思路。
2汽车交流发电机的结构组成及工作原理
2.1结构组成
2.1.1整体结构组成
汽车交流发电机一般由端盖、转子、整流器、定子、轴承等部分构成。
（如图2-1）。
图2-1交流发电机结构组成
2.1.2主要部件的结构组成
（1）转子由转子轴、滑环、爪极、转子绕组组成。
（如图2-2）。
两块爪极压装在转子轴上，两块爪极又各有六个鸟嘴型磁极，磁场绕组就装在其空腔内。
集电环是由两个绝缘的铜环构成，集电环装在转子轴上并且和转子轴绝缘，集电环分别与磁场绕组的两端进行相连。
图2-2交流发电机转子
1-集电环2-转子轴3-爪极4-磁轭5-磁场绕组
（2）定子由定子铁芯、定子绕组组成，其中定子铁芯由内圈带槽的硅钢片叠加而成，定子铁芯的槽中安装着定子绕组。
（3）整流器由硅整流二极管组成三相全波段式整流电路，整流管分别压装在两块板上。
（4）端盖是由前端盖和后端盖构成，主要起到固定电刷组件、整流器、定子和转子的作用。
端盖一般是用铝合金铸造，一是可以有效的防止漏磁，二是铝合金散热性能比较好。
2.2工作原理
2.2.1交流发电机的工作原理
（1）功用：
汽车交流发电机作为汽车的电源之一，其功用是在汽车发动机启动后能正常怠速，除了起动机外为汽车上所有的负载电器供电，过余的电量输入到蓄电池为蓄电池充电。
（2）工作原理：
当外接电路通过碳刷给励磁绕组通电时，便会产生磁场，使爪极被磁化为N极和S极，当转子旋转时，磁通交替在定子绕组中变化，根据电磁感应原理，定子的三相绕组中便产生交变的感应电动势[4]。
（如图2-3）。
（3）交流发电机的磁路为：
转子线圈铁芯→N极→转子与定子之间的气隙→定子→定子与转子之间的气隙→S极→磁轭。
图2-3交流发电机原理
2.2.2主要部件的工作原理
（1）转子：
转子的作用是在转动中产生强弱变化的磁场。
当两碳刷将电导入集电环时，磁场绕组中就会有较弱的电流流过，同时产生轴向的磁通，使爪极的一块被磁化为N极，另一块被磁化为S极，形成互相交错的磁极。
当转子转动后，形成旋转的磁场。
（2）定子：
定子的作用是产生交流电。
定子绕组有三相，三相绕组常采用星型连接法或三角形连接法，都能产生三相交流电。
三相绕组必须按照一定的要求绕制，才能使之获得频率相同、幅值相等、相位互差120°的正弦电动势eA、eB和eC[5]。
其表达式为:
（1-1）
（1-2）
（1-3）
式中：
E=
Eε，Eε相对电压有效值；ω=2πƒ为电源角频率。
定子每相电动势有效值为：
（1-4）
式中：
K=1；N为每相绕组匝数；φ为每极磁通；ƒ=pn/60为感应电动势的频率，
其中p为磁极对数，n为发动机转速，r/min。
所以，当发电机转速n增加时，不管是触点式、晶体管式或者集成电路电压调节器，都是通过控制励磁电流的通断来减小磁通φ，从而减小Eε，以达到使发电机的输出电压保持相对稳定[6]。
（3）整流器：
整流器的作用是将产生的交流电变为直流电，通过滤波后提供给汽车的负载电器，同时要为蓄电池提供可以进行充电的电压（起到充电器的作用）。
其原理是二极管具有单相的导通性，当给二极管加上正向电压时二极管导通，当给二极管加上反向电压时二极管截止。
将定子的三相绕组和6只整流二极管的电路连接，发电机的输出端B、E上就输出一个脉动直流电压，这就是交流发电机的整流原理[7]。
（4）电压调节器：
电压调节器是通过对交流发电机励磁电流的控制，从而实现对交流发电机输出的电压进行自动调节。
交流发电机产生的每相电动势的有效值为
。
Ce为交流发电机的结构常数，n为转子的转速，φ为转子的磁极磁通。
也就是说交流发电机所产生的电动势与磁极磁通和转子的转速形成的关系是正比关系。
当转速升高时，Eε会增大，而输出的端电压会升高，当转速升高到一定的值时（空载转速上），输出的端电压达到极限，要想使交流发电机的输出电压不再随转速的升高而上升，只能通过减小磁通来实现。
（磁极磁通与励磁电流成正比，减小也就是减小励磁电流）。
交流发电机调节器的工作原理是：
当交流发电机的转速升高时，调节器通过减小发电机的励磁电流来减小磁通，使发电机输出的电压保持不变[8]。
3汽车交流发电机常见故障及原因分析
3.1常见故障形式
（1）汽车交流发电机发电量过高。
（2）汽车交流发电机不发电。
（3）汽车交流发电机欠发电。
（4）汽车交流发电机发电不稳定。
（5）汽车交流发电机异响。
3.2常见故障的原因分析
3.2.1发电电压过高原因分析
汽车交流发电机发电量过高会引起照明系统故障（灯泡烧毁）、蓄电池电解液消耗过快无法达到规定使用年限、点火线圈过热等现象。
主要原因有以下几点：
（1）发电机电刷与输出线路短接。
（2）电压调节器部分工作不良。
（3）调节器内部接线与磁场接线有短路。
3.2.2完全不发电原因分析
汽车交流发电机不发电会加速蓄电池电量的消耗、充电指示灯常亮、灯光逐渐变暗等现象。
主要原因有以下几点：
（1）传动皮带过松打滑。
（2）碳刷架损坏或碳刷在碳刷架中被卡住。
（3）励磁电路断路或短路。
（4）定子绕组之间短路或搭铁。
（5）转子滑环严重氧化脏污。
（6）整流板二极管损坏等。
3.2.3欠发电原因分析
汽车交流发电机欠发电可以通过电流表或者充电指示灯来判断，车辆运行时打开大灯，其灯光逐渐变暗；按喇叭，音量较小，电流表偏向负值或充电指示灯常亮，表明交流发电机发电量不足。
主要原因有以下几点：
（1）发电机皮带过松、有油污。
（2）线路连接有松动或锈蚀。
（4）调节器工作不良。
（5）发电机整流器个别二极管损坏。
（6）发电机集电环脏污或磨损严重、碳刷与集电环接触不良。
（7）交流发电机定子三相绕组中局部短路或有一相接头断开。
（8）转子绕组中存有故障。
（9）交流发电机定子和转子之间有刮碰或气隙间距不当。
3.2.4发电电压不稳定原因分析
发动机在正常启动运转时，电流表指针不稳定忽高忽低；充电指示灯闪烁；汽车在夜间行驶时，前照灯照明不稳定忽明忽暗。
主要原因有以下几点：
（1）导线接触不良。
（2）电刷磨损。
（3）定子绕组与整流器接触不良。
（4）转子或定子局部短路或断路。
（5）调节器损坏。
3.2.5发电机运行异响原因分析
交流发电机在长时间的使用过程中会出现异响。
主要原因有以下几点：
（1）整流器噪声。
（2）轴承噪声。
（3）电枢扫膛声。
（4）皮带噪声。
3.3本章小结
本章主要介绍了，汽车交流发电机常见的故障和故障现象以及产生该故障的原因分析，常见的故障主要有交流发电机发电量过高、不发电、欠发电、发电不稳定、异响等。
本文重点是研究汽车交流发电机欠发电故障，通过上文的分析可以得出，产生该故障的原因主要是发动机怠速转速过低、发电机皮带过松或者脏污、整流器故障（个别二极管损坏）、调节器工作不良、集电环脏污或者磨损、碳刷磨损严重、定子绕组或转子绕组有故障、定子与转子的气隙不当或者有刮碰等。
通过对交流发电机故障现象原因分析，可以得出交流发电机产生故障的情况无非就是两方面的原因，一是机械方面的原因，二是电气方面的原因。
机械方面的原因比较容易检查，机械方面出现故障的主要就是皮带、连接线、轴承等。
而电气方面的原因就较为复杂而且多样，排查较为复杂，在电气方面检查时可以由易到难进行逐一排查。
4汽车交流发电机欠发电故障诊断
4.1欠发电故障诊断思路
不正常
给予修理或者更换
进行更换或者清理
集电环磨损严重或脏污；碳刷磨损严重
检查集电环和碳刷
不正常
更换整流器
检查整流器
不正常
更换调节器
检查调节器
进行紧固或者清理
可检查连接点松动或锈蚀
不正常
不正常
检查充电系统线路连接
调整张紧度
4.2欠发电故障诊断方法
4.2.1机械原因诊断
（1）检查和调整发动机传动带：
①目测发电机传动带是否有严重磨损、磨坏的帘布、油污等。
如有异常，更换发动机传动带。
②检查发电机传动带张力。
传动带过松可能会导致皮带轮打滑，传动带太紧会缩短交流发电机轴承的使用寿命。
检查传动带的张力可以用手指强力按压两带轮中间的传动带，如果传动带的压下量在10mm左右，一般认为张紧力合适；如果压下量过大，张力就会不足，导致打滑；如果传动带几乎不出现压下量，那么就说明传动带过紧，需要进行调整。
（2）导线连接线松动或电路短路：
①检查发电机与蓄电池的各接线柱之间的导线连接，重新安装和锁紧导线接线的螺母。
4.2.2电气原因诊断
（1）转子总成检测：
①用万用表检查两滑环之间的电阻应在2Ω左右，如果电阻很大，线圈可能断路或者焊接不良，如果很小则线圈可能匝间短路。
若滑环弄脏了，可将金相砂纸贴着滑环握紧，然后转动转子直到滑环擦干净。
②滑环表面应平整光滑，若有轻微烧蚀，可以用砂纸打磨；若烧蚀严重，应予更换。
③集电环的厚度可以用尺子进行测量，测量结果应与规定相符合（厚度不小于1.5mm），否则应予以更换。
④集电环的圆柱度可以用千分尺进行测量，测量结果应于规定相符（滑环圆柱度不超过0.025mm），否则应予以更换。
⑤转子轴的检查：
用百分表测量转子轴的摆差，测量结果应与规定相符合（转子轴径向摆差不超过0.1mm），否则应予以校正。
（2）定子总成检测：
定子绕组，由于阻值较小，测量时需精确仪表的R×0.01档，检查定子是否绝缘，以及相互之间是否短路，任意两相间电阻均应相同。
①检查定子是否绝缘，用电阻表两表笔分别接定子线头和定子铁芯，正常时应该不通，如通证明定子未绝缘，应及时维修或更换。
②检查定子是否组与组之间短路，可将定子中性点暂时拆开，然后用电阻档测三个抽头，互相之间应不通，如通证明组与组间短路。
（3）整流器的检测：
将欧姆表调到R×1档，测试六个整流二极管、三个激磁二极管的正向电阻和反向电阻，其中正向电阻阻值应很小，反向电阻阻值应为无穷大。
（4）电压调节器的检测
①触点式振动式电压调节器，若触点上存在轻微的烧蚀或者脏污，可用细砂纸进行轻微打磨；若触点存在严重的烧蚀或者厚度小于技术手册的规定值，可以进行更换新的触点。
动、静触点应对正。
若调节弹簧失效，则应更换调节弹簧。
②电子式电压调节器，若功率三极管不完全导通，管压降较大，应更换新品。
（5）碳刷的检测：
①外观检查：
电刷表面应无油污，无破损、变形，且应在电刷架中活动自如。
②长度检查：
可以用游标卡尺或者钢板尺测量电刷露出电刷架的长度，应与规定相符（不能少于原高度的1/2），否则应予以更换。
通过上述的检测方法及维修建议可以逐步排查出交流发电机欠发电故障电气部分引起的故障，确定故障点，给予维修或者更换。
在进行电气部分检修时，一定要按照操作手册规范操作，避免出现不必要的麻烦，造成严重的维修事故。
5结论
本文在对汽车交流发电机欠发电故障的分析研究中得到以下结论：
（1）交流发电机作为汽车主要能源之一，一旦发生故障就可能会引起比较严重的后果，轻则车辆无法起动，重则烧毁车上负载电器。
随着汽车负载电器的增多，作为车主应对交流发电机进行日常维护，较小发生故障的概率。
（2）排除汽车交流发电机故障时，机械方面的原因检查时要认真仔细不能放过任何一个可能产生故障的故障点；电气方面的原因检查时不能一意孤行，要按照由易到难的检查方法去进行检测，在检测时要按照操作规范去进行测量记录，不能粗心大意，要认真把握每一个可能产生故障的故障点。
（3）随着汽车企业的快速发展，人们对汽车的舒适度要求越来越高，负载电器在不断增加，在制造交流发电机时，制造商应尽可能的去避免电压
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