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汽车发电机原理专业教程

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（一）

一、发电机的功用

发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时（怠速以上），向所有用电设备（起动机除外）供电，同时向蓄电池充电。

二、发电机的分类

汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机在许多方面优于直流发电机，直流发电机已被淘汰，目前所有汽车均采用交流发电机，交流发电机按照不同的分类方法分为以下几类：

1.按结总体结构分五类

（1）普通交流发电机（使用时需要配装电压调节器的发电机）例JF132（EQ140用）

插图

（2）整体式交流发电机（发电机和调节器制成一个整体的发电机）例别克轿车的发动机上装配的是CS型发电机（包括CS—121、CS—130和CS—144三种不同的型号）如图：

（3）带泵交流发电机（和汽车制动系统用真空助力泵安装在一起的发电机）例JFZB292发电机。

（4）无刷交流发电机（不需要电刷的发电机）例JFW1913

（5）永磁交流发电机（磁极为永磁铁制成的发电机）

　　2.按整流器结构分四类

（1）六管交流发电机例JF1522（东风汽车用）

（2）八管交流发电机例JFZ1542（天津夏利汽车用）

（3）九管交流发电机例（日本日立、三凌、马自达汽车用）

（4）十一管交流发电机例JFZ1913Z（奥迪、桑塔纳汽车用）

　　3.按磁场绕组搭铁形式两分类

（1）内搭铁型交流发电机磁场绕组的一端（负极）直接搭铁（和壳体相联）

（2）外搭铁型交流发电机磁场绕组的一端（负极）接入调节器，通过调节器后再搭铁。

三、交流发电机的型号

　根据中华人民共和国汽车行业标准QC/T73-93《汽车电器设备产品型号编制方法》的规定，汽车交流发电机型号组成如下：

　　1.产品代号

　　产品代号用中文字母表示，例：

JF——普通交流发电机JFZ——整体式（调节器内置）交流发电机JFB——带泵的交流发电机JFW——无刷交流发电机

　　2.电压等级代号

　　电压等级代号用一位阿拉伯数字表示，例：

1表示12V系统，2表示24V系统，6表示6V系统

3.电流等级代号

　　电流等级代号也用一位阿拉伯数字表示，其含义如下表所示：

　　表2-1电流等级代号

4.设计序号

　　设计序号用1～2位阿拉伯数字表示，表示产品设计的先后顺序。

　　5.变形代号

　　交流发电机以调整臂位置作为变形代号，从驱动端看，调整臂在左边用Ｚ表示，调整臂在右端用Ｙ表示，调整臂在中间不加标记。

　　注：

进口发电机不符合上述标准。

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（二）

一、交流发电原理

交流发电机的发电原理如图2-2所示。

图2-2交流发电机发电原理

　　1.在发电机内部有一个由发动机带动转子（旋转磁场）；

　　2.磁场外有一个定子绕组,绕组有3组线圈（3相绕组），3相绕组彼此相隔120度；

　　3.当转子旋转时，旋转的磁场使固定的电枢绕组切割磁力线（或者说使电枢绕组中通过的磁通量发生变化）而产生电动势。

（1）定子3相绕组感生电动势的大小为：

　　其中：

Em-每相电动势的最大值

　　ω-电角速度

　　f-交流电动势的频率（为转速的函数）

　　p-磁极对数

　　n-发电机转速（r/min）

　　Eφ-每相电动势的有效值

（2）定子每相电动势的有效值

　　K-绕组系数（和发电机定子绕组的绕线方法有关）

　　N-每项匝数（匝）

　　φ-每极磁通（Wb）

　　Ce-电机结构常数

　（3）交流电动势波形　　

由此可见,交流电动势的幅值是发电机转速的函数。

因此，当转速n变化时，三相电动势的波形为变频率、变幅值的交流波形。

4.定子三相绕组的接法

　　定子三相绕组的接法有两种

（1）星形接法

　　IL=IΦIL-线电流IΦ-相电流

（2）三角形接法中

　　0UL=UΦ

二、　整流原理

交流发电机定子的三相绕组中，感应产生的是交流电，是靠六只二极管组成的三相桥式整流电路变为直流电的。

二极管具有单项导电性,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,二极管的导通原则如下:

　　1.二极管的导通原则

　　当三只二极管负极端相连时，正极端电位最高者导通；

　　当三只二极管正极端相连时，负极端电位最低者导通。

　　2.整流过程分析

　　桥式整流电路及电压波形见

桥式整流电路及电压波形

（1）整流时二极管导通条件：

　①对于三个正极管子（D1、D3、D5正极和定子绕组始端相联），在某瞬时，电压最高一相的正极管导通。

　　②对于三个负极管子（D2、D4、D6负极和定子绕组始端相联），在某瞬时，电压最低一相的负极管导通。

　　但同时导通的管子总是两个，正、负管子各一个。

（2）整流过程

　　看一下下面的动画（动画1）

　　三相桥式整流电路中二极管的依次循环导通,使得负载RL两端得到一个比较平稳的脉动直流电压。

如图2-2所示

　（3）发电机输出的直流电压平均值为：

　　U=1.35UL=2.34UΦ

　　流经每只二极管的电流

　　ID=IL/3

　　3．中性点电压　　　　　　　　　　　　　　　　

　　有的发电机具有中性点接线柱，如图2-4，是从三相绕组的中性点引出来的，标记为“N”。

输出电压为UN，称为中性点电压

　　图2-4带中心抽头的交流发电机

　　中性点电压的瞬时值是一个三次谐波电压，中性点电压的平均值为发电机输出电压（平均值）的一半，即：

　　UN=UB/2

　　带有中性点接线柱的发电机可用中性点电压来控制各种用途的继电器。

　　有的发电机没有中性点接线柱，但是也把中性点电压充分的利用了（如夏利、桑塔纳发电机），这些发电机在中性点处接上两只整流二极管，和三相绕组的六只整流二极管一道输出，可提高发电机功率。

其工作原理见本章第三节。

汽车发电机原理专业教程（三）

一、6管交流发电机的结构

交流发电机一般由转子、定子、整流器、端盖四部分组成。

　　JF132型交流发电机组件图见图2-5a

　　JF132型交流发电机结构图见图2-5b

　　JF132型交流发电机结构图见图2-5c

（一）转子

转子的功用是产生旋转磁场。

　　转子由爪极、磁轭、磁场绕组、集电环、转子轴组成，见图2-6。

转子轴上压装着两块爪极，两块爪极各有六个鸟嘴形磁极,爪极空腔内装有磁场绕组（转子线圈）和磁轭。

　　集电环由两个彼此绝缘的铜环组成，集电环压装在转子轴上并与轴绝缘，两个集电环分别与磁场绕组的两端相连。

当两集电环通入直流电时（通过电刷），磁场绕组中就有电流通过，并产生轴向磁通，使爪极一块被磁化为N极，另一块被磁化为S极，从而形成六对相互交错的磁极。

当转子转动时，就形成了旋转的磁场。

　　交流发电机的磁路为：

磁轭→N极→转子与定子之间的气隙→定子→定子与转子间的气隙→S极→磁轭。

见图2-7。

（二）定子

　　定子的功用是产生交流电。

　　定子由定子铁心和定子绕组成。

见图2-8A

定子铁心由内圈带槽的硅钢片叠成，定子绕组的导线就嵌放在铁心的槽中。

　　定子绕组有三相，三相绕组采用星形接法或三角形（大功率）接法，都能产生三相交流电。

　　三相绕组的必须按一定要求绕制,才能使之获得频率相同、幅值相等、相位互差120°的三相电动势。

1．每个线圈的两个有效边之间的距离应和一个磁极占据的空间距离相等。

　　2．每相绕组相邻线圈始边之间的距离应和一对磁极占据的距离相等或成倍数。

　　3．三相绕组的始边应相互间隔2π+120o电角度（一对磁极占有的空间为360o电角度）

　　例：

国产JF13系列交流发电机三相绕组绕制见图2-8B

结构参数如下：

磁极对数p6对

　　定子槽数z36槽

　　定子绕组相数m3相

　　每个线圈匝数N13匝

　　绕组联结方法Y型联结

　　在国产JF13系列交流发电机中，一对磁极占6个槽的空间位置（每槽60o电角度），一个磁极占3个槽的空间位置，所以每个线圈两条有效边的位置间隔是3个槽，每相绕组相邻线圈始边之间的距离6个槽，三相绕组的始边的相互间隔可以是2个槽，8个槽，　14个槽等。

（三）整流器

　　交流发电机整流器的作用是将定子绕组的三相交流电变为直流电，

　　6管交流发电机的整流器是由6只硅整流二极管组成三相全波桥式整流电路，6只整流管分别压装（或焊装）在两块板上。

　　1．汽车用硅整流二极管特点

（1）工作电流大，正向平均电流50A，浪涌电流600A；

（2）反向电压高，反向重复峰值电压270V，反向不重复峰值电压300V；

（3）只有一根引线见图2-9。

并且有的二极管引线是正极，有的二极管引线是负极，引出线为正极的管子叫正极管，引出线为负极的管子叫负极管，所以说整流二极管

有正二极管和负二极管之分。

2．整流管的安装

　　将正极管安装在一块铝制散热板上，称为正整流板；将负极管安装另一块铝制散热板上，称为负整流板，也可用发电机后盖代替负整流板。

见图2-10。

　　在正整流板上有一个输出接线柱B（发电机的输出端）。

　　负整流板上直接搭铁。

负整流板上一定和壳体相联接。

　　整流板的形状各异，有马蹄形、长方形、半圆形等见图2-11

（四）端盖

　　端盖一般分两部分（前端盖和后端盖），起固定转子、定子、整流器和电刷组件的作用。

端盖一般用铝合金铸造，一是可有效的防止漏磁，二是铝合金散热性能好。

　　后端盖上装有电刷组件，有电刷、电刷架和电刷弹簧组成。

电刷的作用是将电源通过集电环引入磁场绕组。

见图2-12

磁场绕组（两只电刷）和发电机的联接不同，使发电机分为内搭铁型和外搭铁型两种

　　1．内搭铁型发电机：

磁场绕组负电刷直接搭铁的发电机（和壳体直接相连）。

见图2-13a

2．外搭铁型发电机：

磁场绕组的两只电刷都和壳体绝缘的发电机。

见图2-13b

　　外搭铁型发电机的磁场绕组负极（负电刷）接调节器，通过后再搭铁。

二、8管交流发电机

8管交流发电机（如夏利车用）和6管交流发电机的基本机构是相同的，所不同的是整流器有8只硅整流二极管，其中6只组成三相全波桥式整流电路，还有2只是中性点二极管，1只正极管接在中性点和正极之间，1只负极管接在中性点和负极之间。

对中性点电压进行全波整流。

（见图2-14）

　　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提高发电机的功率10%～15%。

　　中性点二极管提高发电机功率的原理：

　　交流发电机中性点电压为三次谐波，，随着发电机转速的提高，中性点三次谐波电压也升高。

见图2-15

当中性点电压瞬时值高于三相绕组的最高值时，中性点正极管导通对外输出电流；电流回路为：

中性点→中性点正极管→负载→某一负极管→定子绕组→中性点。

见动画2。

　　当中性点电压瞬时值低于三相绕组的最低值时，中性点负极管导通对外输出电流；电流回路：

中性点→定子绕组→某一正极管→负载→中性点负极管→中性点。

见动画2

由于中性点参与了对外输出，所以能提高输出功率。

三、9管交流发电机（日车应用较多）

9管交流发电机的基本结构和6管交流发电机相同，所不同的是整流器。

9管交流发电机的整流器是由6只大功率整流二极管和3只小功率励磁二极管组成的交流发电机。

　　其中6只大功率整流二极管组成三相全波桥式整流电路，对外负载供电

　　3只小功率管二极管与三只大功率负极管也组成三相全波桥式整流电路专门为发电机磁场供电。

所以称3只小功率管为励磁二极管。

　　9管交流发电机电路见图2-16

充电指示灯的作用在下一节有专门介绍

四、11管交流发电机（例如桑塔纳车用发电机）如图2-17

11管交流发电机的整流器由8只大功率整流二极管（其中2只中性点二极管）和3只磁场二极管组成。

其它结构和6管交流发电机相同。

五、无刷交流发电机

由于没有电刷和集电环，所以不会因为电刷和集电环的磨损和接触不良造成激磁不稳定或发电机不发电等故障；同时工作时无火花，也减小了无线电干扰。

　　无刷交流发电机分为爪极式、激磁机式和永磁式三种。

（一）爪极式无刷交流发电机见图2-18

1．爪极式无刷交流发电机的结构及工作原理

　　爪极式无刷交流发电机磁场绕组是静止的，它通过一个磁轭托架固定在后端盖上,所以，不再需要电刷。

　　两个爪极中只有一个爪极直接固定在电机转子轴上，另一爪极则用非导磁联接环固定在前一爪极上。

当转子旋转时，一个爪极就带动另一爪极一起在定子内转动,当磁场绕组中有直流电通过时，爪极被磁化,,就形成了旋转磁场。

磁路如图2-18所示

　　2.优点

（1）结构简单、维护方便、工作可靠

（2）不存在电刷与集电环接触不良导致的发电不稳或不发电故障。

　　3.缺点

（1）爪极间连接工艺困难

（2）由于磁路中间隙加大，发电机相同输出功率下需加大励磁电流。

（二）激磁机式无刷交流发电机见图2-19

图2-19为德国波许公司生产的带有激磁机的无刷交流发电机。

它实际上是在一台爪极式三相交流发电机的基础上增加了一部专为其激磁的小型硅整流交流发电机，称为激磁机（图中4、5、6），激磁机的磁场绕组固定，而三相绕组是转动的。

当发电机转动时，在激磁机转子4的三相绕组中感应出三相交流电，在发电机内部经二极管整流后变为直流电，直接供给爪极式三相交流发电机的磁场绕组15激磁发电。

　　这种无刷发电机的优点是磁路中无附加气隙，因而漏磁少，输出功率大，但结构复杂。

（三）永磁式无刷交流发电机

　　该种发电机与普通发电机不同的是转子部分——以永久磁铁作为转子磁极而产生旋转磁场，不仅去掉了电刷和滑环，而且不需要磁场绕组和爪极。

结构简单可靠、使用寿命长。

　　转子常用的永磁材料有铁氧体、铬镍钴、稀土钴、钕铁硼等。

　　由于转子为永磁结构，所以产生的旋转磁场强度是不变的、不可调的，因此，不能采用普通交流发电机通过调节器控制磁场电流的办法来调节发电机的输出电压。

为解决调压问题可采用电压调节器与三相半控桥式整流相配合的办法，使发电机输出电压不随转速大幅度变化而变化。

图2-20是永磁发电机电压控制原理图。

3只共阳极硅二极管VD1、VD2、VD3与3只共阴极晶闸管VT1、VT2、VT3组成三相半控桥式整流电路。

另外由硅整流二极管VD1～VD6组成三相全波整流电路，为晶闸管控制极提供触发电压，与电压调节器的一个触点相接，另一个触点则与晶闸管的控制极相连，电压调节器的线圈并接在三相半控桥的输出端，电压控制原理如下：

低速时触点K闭合，晶闸管控制极获得正向触发电压而导通，当转速达到一定值时，整流桥可向蓄电池和负载提供全波整流电压。

当整流输出电压随转速升高而升高到超过额定电压时，触点K断开（因线圈吸力增大），晶闸管因失去正向触发电压而截止，因而整流输出电压下降。

当整流电压降到一定值时，电压调节器线圈中电流减小吸力减小而使K闭合，3只晶闸管重新被触发导通，又使整流输出电压回升。

如此反复，便可使输出电压控制在规定范围内。

（触点式调节器目前已经由电子式或电脑控制的调节器所代替）

　　永磁式交流发电机优点如下：

　　1．体积小、轻、结构简单、维护方便，使用寿命长。

如750W的钛铁硼永磁发电机与350W普通交流发电机重量相当。

转子上除轴承外无其他磨损件并开有通风孔，冷却散热好，因而寿命可提高两倍以上。

　　2．由于传动比大，即发动机转速低而发电机转速高，所以发动机低速时发电机充电性能好。

　　3．比功率大，可节约金属材料。

　　4．无激磁损耗，效率可提高10％以上。

　　5．在电压控制器中，由于只有控制极约10mA的电流通过触点，故可降低触点磨损，电压调节结构很简单。

　　6．由于永磁体的磁导率接近空气的磁导率，使电枢反应磁阻增大，因而感应电势的非正弦畸变减小，输出功率增大。

六、带泵交流发电机

　带泵交流发电机的发电机与普通交流发电机完全一样，不同的是转子轴很长并伸出后端盖，利用外花键与真空泵的转于内花键相连接，驱动真空泵与发电机转子同步旋转，给汽车制动系中的真空筒抽真空，为制动系的真空增压器提供真空源，主要用于没有真空源的柴油机（汽油机可直接从进气歧管处取得真空。

制动时因节气门几乎关闭而在进气歧管中形成高真空，而柴油机无节气门）。

国产JFB2525型带泵交流发电机外形如图2-21所示。

七、汽车双整流发电机

　双整流发电机是一种最新型交流发电机，它大大改善了普通交流发电机低速充电性能和高速最大功率输出，又不增设比较复杂的控制电路，因此也没有增加充电系的故障率。

　　1．结构原理

如图2-22所示。

在普通交流发电机三相定于绕组基础上，增加绕组匝数并引出接线头，增加一套三相桥式整流器。

低速时由原绕组和增绕组串联输出，而在较高转速时，仅由原三相绕组输出。

工作中高低速供电电路的变换是自动的，没有增设任何机电控制装置，其工作原理分析如下：

在低速范围内，由于发电机转速低，三相绕组的串联输出，提高了发电机的输出电压，使发电机低速充电性能大大提高。

在高速范围内，随着发电机转速的增大，串接的三相绕组的感抗增大，内压降增大，再加上电枢反应加强，使输出电压下降。

这时原三相绕组A、B、C因内压降较小，产生的感应电流相对较大，确保高速下的功率输出。

　　2．双整流发电机的优点有；

（1）既降低了发电机的充电转速，又保证了高速大电流输出，提高了发电机的有效功率。

双整流发电机比普通发电机最低充电转速降低了200－300r／min，在低速下发电机即可输出电流达10A；而额定电压及额定电流下的转速不大于2500r／min。

（2）结构简单，工作可靠，只在定子槽中增加绕组匝数，增加一套三相桥式整流。

八感应子式交流发电机

感应子式交流发电机也是一种无电刷交流发电机，由定子、转子、整流器和机壳组成。

它的转子是由齿轮状钢片铆成，其上有若于个沿圆周均匀分布的齿形凸极，而没有磁场绕组。

磁场绕组和电枢绕组均安放在定子槽中，如图2-23所示。

　当磁场绕组3通人直流电后，在定子铁心1中产生固定磁场（右上部、左下部为S极；左上部、右下部为N极）。

由于转子4凸齿部分磁通容易通过，磁感应强度最大，从而形成磁极。

但转子的每个凸齿是没有固定极性的，当它对着定子N极就是S极，对着S就是N极。

　　转子凸齿在不运动的磁场内旋转时，当凸齿对着定子凸齿时，磁通量最大，当转子槽对着走子凸齿时则磁通量最小。

因此，转子旋转时，定子凸齿内产生脉动磁通，在定子绕组中感应出交变电动势。

将电枢绕组以一定的方式连接起来，并经整流，便可得直流电。

　　感应子式交流发电机中电枢绕组交流电动势的频率恒等于Zn/60（Z为转子齿数，n为转子转速），与磁场绕组形成的磁极对数无关，这与同步交流机的本质不同。

　　感应子式无刷交流发电机机质量比功率较低。

汽车发电机原理专业教程（四）

一、交流发电机的励磁

除了永磁式交流发电机不需要励磁以外，其他形式的交流发电机都需要励磁，因为它们

的磁场都是电磁场，也就是说必须给磁场绕组通电才会有磁场产生。

　　将电源引入到磁场绕组使之产生磁场称为励磁，交流发电机励磁方式有自励和他励两种。

　　1．他励　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　在发动机起动期间，需要蓄电池供给发电机磁场电流生磁使发电机发电。

这种供给磁场电流的方式称为他励发电。

　　2．自励　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　随着转速的提高，发电机的电动势逐渐升高并能对外输出，一般在发动机怠速时发电机就能对外供电了，当发电机能对外供电时，就可以把自身发的电供给磁场绕组生磁发电，这种供给磁场电流的方式称为自励。

　　由于在发动机转速低时交流发电机不能自励发电，所以低速时采取他励发电，当发动机达到正常怠速转速时，发电机的输出电压一般高出蓄电池电压1～2V以便对蓄电池充电，此时，由发电机自励发电。

　　交流发电机的励磁电路如图2-24。

3．利用充电指示灯监视发电机的工作情况

（1）充电指示灯的作用

　　如图2-25所示，在某些充电系电路中，接有充电指示灯，其作用是：

　①指示发电机是否有故障；

　②警告驾驶员停车后关断点火开关。

（2）充电指示灯的工作情况如下：

　　在发动机起动期间，发电机电压UD+＜蓄电池电压时，整流二极管截止，发电机不能对外输出，由蓄电池供给磁场电流。

路径为：

蓄电池+→点火开关→充电指示灯→调节器→磁场绕组→搭铁→蓄电池-。

充电指示灯亮

　　当发动机转速升高到怠速及其以上时，发电机应能正常发电并对外输出，此时，发电机电压＞蓄电池电压，发电机自励。

UB=UD+，充电指示灯两端压降为零，灯熄灭,若没有熄灭,说明发电机有故障或充电指示灯电路有搭铁

充电指示灯不仅可指示发电机的工作情况，而且可在发动机停车后发亮（因发电机不再发电，蓄电池电压>UD+），提醒司机及时关闭点火开关；

二、交流发电机的工作特性

交流发电机的工作特点是转速变化范围大，对于一般汽油发动机来说，其转速变化约为1：

8，柴油机约为1：

5，因此分析汽车用交流发电机的特性必须以转速的变化为基础。

交流发电机的特性有输出特性。

空载特性和外特性，其中以输出特性最为重要。

　　1．输出特性

　　输出特性是指在发电机端电压U不变（对12V系列的交流发电机规定为14V，对24V

系列的交流发电机规定为28V），其输出电流与转速之间的关系，即U=常数时，I＝f（n）的函数关系。

图2－26所示为交流发电机的输出特性曲线。

由特性曲线I=f（n）可以看出：

（1）空载转速n1

　　发电机转速小于一定值n1时，对外输出电流为零。

当发电机达到额定电压并能对外输出电流时的最小转速为n1，称n1为空载转速。

空载转速常用来作为测试发电机性能的参数之一。

（2）最大电流Imax

　　发电机输出电流能力随转速的升高而增大，但曲越来越平坦，当转速达到一定值时，无论转速增加多少电流都不再增加，即一定结构的发电机输出最大电流Imax有一定限制。

由此可见，交流发电机自身具有限制输出电流防止过载的能力，又称为自我保护能力。

　　交流发电机自我限流的原理如下：

　　交流发电机定子绕组具有一定的阻抗Z，它由绕组的电阻r及感抗XL两部分组成，即

　　式中R——一相绕组的电阻；

　　XL——一相绕组的感抗;

　　XL＝2лfL

　　式中L——一相定子绕组的电感；

　　f——感应电动势的频率；

　　P——磁极对数。

　　由于XL与n成正比，故发电机定子绕组的阻抗Z随发电机的车速升高而增加。

高速时，由于R与XL相比可忽略不计，故阻抗Z约等于XL，定子阻抗Z与转速n成正比，其值较大，产生较大的内压降。

另外，定子电流增加时，由于电枢反应的增强，也会使感应电动势下降。

两者共同作用的结果，当发电机的转速升高且负载电流达到最大值时，输出电流几乎不随负载电阻的减小或转速的增加而增大。

　　（3）额定转速n2额定电流IA

　　发电机出厂时，通过试验，规定了空载转速与额定转速，并列人产品说明书。

在使用过程中，可通过检测这两个数据来判断发电机性能的好坏。

　　发电机达到额定电流IA时的转速定为额定转速，图中用n2表示，额定电流一般定为最大输出电流的2／3。

　　空载转速与额定转速是测试交流发电机性能的重要依据，表2－3为国产交流发电机的主要性能指标。

　　表2-2几种交流发电机的主要性能指标

交流发电机型号

额定电压（V）