- 汽車發(fā)電機(jī)工作原理
- 交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)
- 各種發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)
一、6管交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)
交流發(fā)電機(jī)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(jī)組件圖見圖2-5a
JF132型交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖見圖2-5b
JF132型交流發(fā)電機(jī)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)（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(duì)相互交錯(cuò)的磁極。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就形成了旋轉(zhuǎn)的磁場。
交流發(fā)電機(jī)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(dòng)勢(shì)。
1．每個(gè)線圈的兩個(gè)有效邊之間的距離應(yīng)和一個(gè)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(duì)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(duì)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(jī)三相繞組繞制見圖2-8B
結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：
磁極對(duì)數(shù)p6對(duì)
定子槽數(shù)z36槽
定子繞組相數(shù)m3相
每個(gè)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(jī)中，一對(duì)磁極占6個(gè)槽的空間位置（每槽60o電角度），一個(gè)磁極占3個(gè)槽的空間位置，所以每個(gè)線圈兩條有效邊的位置間隔是3個(gè)槽，每相繞組相鄰線圈始邊之間的距離6個(gè)槽，三相繞組的始邊的相互間隔可以是2個(gè)槽，8個(gè)槽，14個(gè)槽等。
（三）整流器
交流發(fā)電機(jī)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(jī)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(diǎn)
（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(jī)后蓋代替負(fù)整流板。見圖2-10。
在正整流板上有一個(gè)輸出接線柱B（發(fā)電機(jī)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(jī)的聯(lián)接不同，使發(fā)電機(jī)分為內(nèi)搭鐵型和外搭鐵型兩種
1．內(nèi)搭鐵型發(fā)電機(jī)：磁場繞組負(fù)電刷直接搭鐵的發(fā)電機(jī)（和殼體直接相連）。見圖2-13a
2．外搭鐵型發(fā)電機(jī)：磁場繞組的兩只電刷都和殼體絕緣的發(fā)電機(jī)。見圖2-13b
外搭鐵型發(fā)電機(jī)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(jī)
8管交流發(fā)電機(jī)（如夏利車用）和6管交流發(fā)電機(jī)的基本機(jī)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(diǎn)二極管，1只正極管接在中性點(diǎn)和正極之間，1只負(fù)極管接在中性點(diǎn)和負(fù)極之間。對(duì)中性點(diǎn)電壓進(jìn)行全波整流。（見圖2-14）
試驗(yàn)表明：加裝中性點(diǎn)二極管的交流發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)不變的情況下可以提高發(fā)電機(jī)的功率10%～15%。
中性點(diǎn)二極管提高發(fā)電機(jī)功率的原理：
交流發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓為三次諧波，隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，中性點(diǎn)三次諧波電壓也升高。見圖2-15
當(dāng)中性點(diǎn)電壓瞬時(shí)值高于三相繞組的最高值時(shí)，中性點(diǎn)正極管導(dǎo)通對(duì)外輸出電流；電流回路為：中性點(diǎn)→中性點(diǎn)正極管→負(fù)載→某一負(fù)極管→定子繞組→中性點(diǎn)。見動(dòng)畫2。
當(dāng)中性點(diǎn)電壓瞬時(shí)值低于三相繞組的最低值時(shí)，中性點(diǎn)負(fù)極管導(dǎo)通對(duì)外輸出電流；電流回路：中性點(diǎn)→定子繞組→某一正極管→負(fù)載→中性點(diǎn)負(fù)極管→中性點(diǎn)。由于中性點(diǎn)參與了對(duì)外輸出，所以能提高輸出功率。
三、9管交流發(fā)電機(jī)（日車應(yīng)用較多）
9管交流發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和6管交流發(fā)電機(jī)相同，所不同的是整流器。9管交流發(fā)電機(jī)的整流器是由6只大功率整流二極管和3只小功率勵(lì)磁二極管組成的交流發(fā)電機(jī)。
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(duì)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(jī)磁場供電。所以稱3只小功率管為勵(lì)磁二極管。9管交流發(fā)電機(jī)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(jī)（例如桑塔納車用發(fā)電機(jī)）如圖2-17
11管交流發(fā)電機(jī)的整流器由8只大功率整流二極管（其中2只中性點(diǎn)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(jī)相同。
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五、無刷交流發(fā)電機(jī)
由于沒有電刷和集電環(huán)，所以不會(huì)因?yàn)殡娝⒑图姯h(huán)的磨損和接觸不良造成激磁不穩(wěn)定或發(fā)電機(jī)不發(fā)電等故障；同時(shí)工作時(shí)無火花，也減小了無線電干擾。無刷交流發(fā)電機(jī)分為爪極式、激磁機(jī)式和永磁式三種。
（一）爪極式無刷交流發(fā)電機(jī)見圖2-18
1．爪極式無刷交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理
爪極式無刷交流發(fā)電機(jī)磁場繞組是靜止的，它通過一個(gè)磁軛托架固定在后端蓋上,所以，不再需要電刷。
兩個(gè)爪極中只有一個(gè)爪極直接固定在電機(jī)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(shí)，一個(gè)爪極就帶動(dòng)另一爪極一起在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)磁場繞組中有直流電通過時(shí)，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(diǎn)
（1）結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)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(diǎn)
（1）爪極間連接工藝?yán)щy
（2）由于磁路中間隙加大，發(fā)電機(jī)相同輸出功率下需加大勵(lì)磁電流。
（二）激磁機(jī)式無刷交流發(fā)電機(jī)見圖2-19
圖2-19為德國波許公司生產(chǎn)的帶有激磁機(jī)的無刷交流發(fā)電機(jī)。它實(shí)際上是在一臺(tái)爪極式三相交流發(fā)電機(jī)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(jī)，稱為激磁機(jī)（圖中4、5、6），激磁機(jī)的磁場繞組固定，而三相繞組是轉(zhuǎn)動(dòng)的。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在激磁機(jī)轉(zhuǎn)子4的三相繞組中感應(yīng)出三相交流電，在發(fā)電機(jī)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(jī)的磁場繞組15激磁發(fā)電。
這種無刷發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)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(jī)
該種發(fā)電機(jī)與普通發(fā)電機(jī)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(qiáng)度是不變的、不可調(diào)的，因此，不能采用普通交流發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(gè)觸點(diǎn)相接，另一個(gè)觸點(diǎn)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(shí)觸點(diǎn)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(shí)，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(shí)，觸點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)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(jī)優(yōu)點(diǎn)如下：
1．體積小、輕、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，使用壽命長。如750W的鈦鐵硼永磁發(fā)電機(jī)與350W普通交流發(fā)電機(jī)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(dòng)比大，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，所以發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)發(fā)電機(jī)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(diǎn)，故可降低觸點(diǎn)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(shì)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(jī)
帶泵交流發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)與普通交流發(fā)電機(jī)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(dòng)真空泵與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，給汽車制動(dòng)系中的真空筒抽真空，為制動(dòng)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(jī)（汽油機(jī)可直接從進(jìn)氣歧管處取得真空。制動(dòng)時(shí)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(jī)無節(jié)氣門）。國產(chǎn)JFB2525型帶泵交流發(fā)電機(jī)外形如圖2-21所示。
七、汽車雙整流發(fā)電機(jī)
雙整流發(fā)電機(jī)是一種最新型交流發(fā)電機(jī)，它大大改善了普通交流發(fā)電機(jī)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(jī)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(shí)由原繞組和增繞組串聯(lián)輸出，而在較高轉(zhuǎn)速時(shí)，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(dòng)的，沒有增設(shè)任何機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速低，三相繞組的串聯(lián)輸出，提高了發(fā)電機(jī)的輸出電壓，使發(fā)電機(jī)低速充電性能大大提高。在高速范圍內(nèi)，隨著發(fā)電機(jī)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(qiáng)，使輸出電壓下降。這時(shí)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(duì)較大，確保高速下的功率輸出。
2．雙整流發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有；
（1）既降低了發(fā)電機(jī)的充電轉(zhuǎn)速，又保證了高速大電流輸出，提高了發(fā)電機(jī)的有效功率。雙整流發(fā)電機(jī)比普通發(fā)電機(jī)最低充電轉(zhuǎn)速降低了200－300r／min，在低速下發(fā)電機(jī)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(jī)
感應(yīng)子式交流發(fā)電機(jī)也是一種無電刷交流發(fā)電機(jī)，由定子、轉(zhuǎn)子、整流器和機(jī)殼組成。它的轉(zhuǎn)子是由齒輪狀鋼片鉚成，其上有若于個(gè)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(qiáng)度最大，從而形成磁極。但轉(zhuǎn)子的每個(gè)凸齒是沒有固定極性的，當(dāng)它對(duì)著定子N極就是S極，對(duì)著S就是N極。
轉(zhuǎn)子凸齒在不運(yùn)動(dòng)的磁場內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)凸齒對(duì)著定子凸齒時(shí)，磁通量最大，當(dāng)轉(zhuǎn)子槽對(duì)著走子凸齒時(shí)則磁通量最小。因此，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子凸齒內(nèi)產(chǎn)生脈動(dòng)磁通，在定子繞組中感應(yīng)出交變電動(dòng)勢(shì)。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(jī)中電樞繞組交流電動(dòng)勢(shì)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(duì)數(shù)無關(guān)，這與同步交流機(jī)的本質(zhì)不同。感應(yīng)子式無刷交流發(fā)電機(jī)機(jī)質(zhì)量比功率較低。
