第一讲 交流发电机的结构与工作原理.doc

第一讲 交流发电机的结构与工作原理教学内容交流发电机的结构与工作原理计划学时2教学目标1.掌握交流发电机的功用和结构2.熟悉交流发电机的工作原理教学重点交流发电机转子、定子、电刷、整流器等主要零件的作用和结构解决措施实物讲解，动画、图片演示教学难点转子、定子绕组的作用和结构；整流器的作用和结构。解决措施对照实物讲解、媒体配合教学过程一、导入新课复习蓄电池的作用，引入新课。质疑：车辆运行过程中，其电气设备的供电仅是蓄电池吗？ 二、发电机的功用发动机正常运转时（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。三、交流发电机结构组成：转子总成、定子总成、皮带轮、风扇、前端盖、后端盖及电刷总成等。（实物展示）或动画演示1.转子总成功用：产生磁场结构：由转子轴、激磁绕阻、爪形磁极和滑环等组成。（实物展示）如图所示。质疑：形成磁场的方式有几种？转子形成的磁场与其它形式有何区别？2定子总成作用：产生交流电结构：由定子铁心、三相绕组组成。三相绕组对称的嵌放在定子铁心的槽中。三相绕组的连接有星形接法和三角形连接法两种。（实物展示）如图所示。3皮带轮利用半圆键装在前端盖外侧的转子轴上，用弹簧垫片和螺母紧固。4风扇一般用1.5mm厚的钢板冲压而成或用铝合金铸造制成，利用半圆键装在前端盖外侧的转子轴上。5前、后端盖用非导磁性的材料铝合金制成，具有轻便、散热性好等优点。6电刷总成型式：外装式、内装式结构：装在电刷架的方孔内，并在其弹簧的压力推动下与转子滑环保持良好的接触。（实物展示）如图所示。两个电刷接线柱分为“B、F”接线柱或“F1、F2”接线柱。质疑：电刷磨损变短，会使其与滑环的接触不良。发电机性能是否变差？四、整流器作用：将交流发电机产生的三相交流电变成直流电输出；阻止蓄电池电流向发电机倒流。（1）正极管中心引线为正极，外壳为负极，在管壳低部一般标有红色标记。（实物演示）（2）负极管负极管中心引线为负极，外壳为正极，在管壳底部一般标有黑色标记。（实物演示）五、交流发电机的工作原理1.交流电动势的产生当外电路通过电刷使励磁绕组通电时，便产生磁场，使爪极被磁化为N极和S极。当转子旋转时，磁通交替地在定子绕组中变化.绕组中便产生交变的感应电动势。（动画演示）2.电动势有效值的表示三相绕组中每相电动势有效值的表示为：K -绕组系数(和发电机定子绕组的绕线方式有关 )N-每相绕组的匝数（单位：匝）-频率（单位：Hz）-每极磁通（单位：Wb）Ce-电机结构常数E-相电动势小结：当交流发电机结构一定时（结构常数Ce 不变），相电动势E和发电机转速、磁通成正比。3.交流电动势的波形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。如图所示。4.整流原理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。将定子的三相绕组和6只整流二极管按电路连接，发电机的输出端B、E上就输出一个脉动直流电压。如图所示。（1） 二极管的导通原则3只正极管中，在某一瞬间正极电位（电压）最高者导通。3只负极管中，在某一瞬间正极电位（电压）最低者导通。（2）整流过程（动画演示）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。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。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。质疑：六个二极管中，若其中一个二极断路或短路，发电机的输出电压将如何变化？（4） 中性点电压定子绕组为星形连接时，三相绕组的公共结点称为中性点。从三相绕组的中性点引一根导线到发电机外，标记为“N”。“N”点电压称为中性点电压。中性点电压的瞬时值是一个三次谐波电压。平均值为发电机输出电压（平均值）的一半。如图所示。六、质疑1.发电机定子铁心、转子爪极均采用导磁性能好的材料，而端盖则采用非导磁材料，为什么？2.若将整流器的正、负二极管装反，将对发电机的性能有何影响？七、互动性交流由学生自由提问题，老师可只作启发性回答，让学生自己来总结出答案八、总结由老师引导思路与大学一起对本次内容进行系统回顾。作业1.发电机的转子总成、定子总成的作用是什么？由哪些构件组成？ 2.发电机的整流器是如何工作的？ 教学后记发电机结构的讲解可遵循组成、作用、结构、工作过程的思路。发电机工作原理可结合电动势的产生过程讲解。整流器的工作过程可只作回顾性复习。第二讲 交流发电机的励磁、工作特性、分类和型号教学内容交流发电机的励磁电路、工作特性、分类和型号计划学时2教学目标1.掌握交流发电机的励磁方式、工作特性的意义；2.熟悉交流发电机的分类方式和类型、交流发电机型号。 教学重点交流发电机的励磁方式、工作特性的意义主管领导签字教学难点交流发电机工作特性解决措施动画演示教学过程一、导入新课复习发电机的结构、工作原理、整流过程，提出疑问，引入新课。质疑：请说出磁场建立的几种形式，并举例？二、发电机的励磁方式定义：将电流引入到励磁绕组使之产生磁场称为励磁。方式：自励、他励1.他励定义：由蓄电池供给磁场电流而发电的方式称为他励发电。发电机转速较低时，自身不能发电，需蓄电池供给发电机励磁绕组电流，使励磁绕组产生磁场来发电。2.自励定义：发电机能将自身发的电供给励磁绕组而发电的方式称为自励发电。随着转速的提高（一般在发动机达到怠速时），发电机定子绕组的电动势逐渐升高并能使整流器二极管导通。当发电机的输出电压UB大于蓄电池电压时，发电机就能对外供电了。此状态下，发电机自励发电。小结：交流发电机励磁过程是先他励后自励。3.发电机的励磁电路 如图所示（1）内搭铁型交流发电机：励磁绕组的一端经负电刷（E）引出后和后端盖直接相连（直接搭铁）的发电机称为内搭铁型交流发电机。（2）外搭铁型交流发电机：励磁绕组的两端 (F和E)均和端盖绝缘的发电机称为外搭铁型交流发电机。质疑：外搭型发电机的搭铁是直接搭铁还是经过控制后搭铁？三、交流发电机的工作特性定义：发电机输出的直流电压、电流与转速之间的关系。包括输出特性、空载特性和外特性。1空载特性定义：发电机空载运行时,发电机端电压与转速之间的关系。如图所示。意义：由空载特性可判断发电机低速发电性能的好坏。 2输出特性定义：发电机输出电压一定时，输出电流随着转速的变化规律。如图所示。意义：（1）发电机空载时，输出电压达到额定值的转速n1，称为空载转速。n1常用作选择发电机与发动机传动比的主要依据。（2）发电机输出电流达到额定值时的转速n2，称为满载转速，发电机的额定电流一般规定为70%75%。（3）当转速达到一定值后，发电机的输出电流几乎不再继续增加。即发电机具有自动限制输出电流的能力。3外特性定义：当发电机转速一定时，发电机端电压与输出电流之间的关系。意义：（1）发电机转速变化时，发电机端电压有较大变化；（2）发电机转速恒定时，由于输出电流的变化，端电压也有较大的变化。因此，要使输出电流稳定，必须配用电压调节器；高速时，当发电机突然失去负载时，端电压会急剧升高，这时电器设备中的电子元件将有被击穿的危险。四、交流发电机的分类交流发电机按照不同的分类方法分为以下几类：1.按总体结构分类 实物、图片展示（1）普通交流发电机。无特殊装置和特殊功能，使用时需要配装电压调节器。（2）整体式交流发电机，发电机和调节器制成一个整体。（3）带泵的交流发电机 发电机和汽车制动系统用真空助力泵安装在一起（4）无刷交流发电机，转子上励磁绕组的通电不需要电刷（5）永磁交流发电机，转子磁极为永磁铁制成的发电机。2.按整流器结构分类 实物、图片展示（1）6管交流发电机 （2）8管交流发电机 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，另2只是中性点二极管，对中性点电压进行全波整流。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提高发电机的功率10%15%之间。（3）9管交流发电机 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。（4）11管交流发电机。相当于9管交流发电机的整流器加2只中性点整流管3.按励磁绕组搭铁型式分类 实物、图片展示（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。 五、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由产品代号、电压等级代号、电流等级代号、设计序号、变型代号五部分组成。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。电压等级代号：电压等级代号用一位阿拉伯数字表示，1表示12V系统；2表示24V系统；6表示6V系统。电流等级代号：电流等级代号也用一位阿拉伯数字表示。设计序号用12位阿拉伯数字表示，表示产品设计的先后顺序。变形代号：以调整臂位置作为变形代号，从驱动端看，调整臂在左边用表示，调整臂在右端用表示，调整臂在中间不加标记。举例发电机的型号，请学生回答其含义。六、质疑1.发动机高速运转时，若将蓄电池电缆线突然拆下，对发电机将有何影响？2.内搭型发电机能否改为外搭铁型发电机？七、互动性交流由学生自由提问题，老师可只作启发性回答，让学生自己来总结出答案八、总结1.发电机的励磁方式有自励和他励。发电机低速运转时，自励；发电机高速运转时，他励。2. 发电机特性包括输出特性、空载特性和外特性。3.发电机可按不同分类方式进行分类。4. 按照国家标准，发电机的型号由5部分组成。作业1.交流发电机的励磁方式有几种？发电机不同转速下工作时，分别采用哪种励磁方式？2.交流发电机的工作特性各有何意义？教学后记讲解发电机励磁方式时应注意两者间的区别。发电机工作特性的意义可列举一些实例说明。第三讲 电压调节器的功用、类型和工作原理教学内容电压调节器的功用、类型和工作原理计划学时2教学目标1.掌握电压调节器功用、基本工作原理和结构2.熟悉电压调节器的工作过程 教学重点电压调节器的基本工作原理和结构主管领导签字教学难点电压调节器的基本工作原理和工作过程解决措施动画演示教学过程一、 导入新课 由教师引导思路，复习旧课，分析发电机输出电压的影响因素，引入新课二、电压调节器的功用在发电机转速变化时，自动控制发电机电压并保持恒定，使其不因发电机转速高而引起电压过高，烧坏用电器和导致蓄电池过充电；也不会因发电机转速低而电压不足导致用电器工作失常。质疑：若负载大小发生变化，发电机的输出电压是否变化？三、电压调节器的基本原理交流发电机所产生的感应电动势与转子转速和磁极磁通成正比。当转速n升高时，E增大，发电机输出端电压UB升高，当转速升高到一定值时，输出端电压达到限定值，要想使发电机的输出电压UB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If成正比，因此减小磁通也就是减小励磁电流If 。交流发电机电压调节器的调压原理是：当发电机转速升高时，调节器通过减小发电机励磁电流If来减小磁通，使发电机的输出电压UB保持不变；当发电机的转速降低时，调节器通过增大发电机的励磁电流If来增加磁通，使发电机的输出电压UB保持不变 。质疑：改变励磁电流If的大小有几种方式？四、电压调节器的分类1.调节器按其工作原理可分为： （1）触点式电压调节器 实物展示 如图所示调节器触点振动频率慢，存在机械惯性和电磁惯性，电压调节精度低，触点易产生火花，对无线电干扰大，可靠性差，寿命短，现已被淘汰。（2）晶体管电压调节器三极管的开关频率高，且不产生火花，调节精度高，还具有重量轻、体积小、寿命长、可靠性高、电波干扰小等优点。（3）集成电路电压调节器除具有晶体管调节器的优点外，还具有超小型，安装于发电机的内部减少了外接线，并且冷却效果得到了改善。（4）电脑控制电压调节器由负载检测仪测量系统总负载后，向发电机电脑发送信号，然后由发动机电脑控制发电机电压调节器，适时地接通和断开磁场电路。即能可靠地保证电器系统正常工作，使蓄电池充电充足，又能减轻发动机负荷，提高燃料经济性。2.调节器按所匹配的交流发电机搭铁类型可分为：（1）内搭铁型电压调节器适用于内搭铁型交流发电机的电子调节器；（2）外搭铁型电压调节器适合用于外搭铁型交流发电机的电子调节器。五、电压调节器的结构和工作原理1.晶体管式电压调节器的结构和工作原理晶体管式电压调节器又称电子调节器，按所匹配的交流发电机搭铁类型分为两种，一种是内外搭铁型，另一种是内搭铁型。以外搭铁型调节器为例介绍晶体管电压调节器的结构和工作原理。（1）电路组成：如图所示。由三只电阻R1、R2 、R3，两只三极管VT1、VT2，一只稳压二极管VS和一只二极管VD组成。各元件的作用：电阻R3既是VT1的分压电阻，又是VT2的负载电阻电阻R1和R2组成一个分压器，两端的电压为发电机电压UB。VT2是大功率三极管（NPN型），和发电机的磁场绕组串联，起开关作用，用来接通与切断发电机的励磁电路；VT1是小功率三极管，用以放大控制信号；VD是续流二极管； 稳压管VS是感受元件，串联在VT1的基极电路中，并通过VT1的发射结并联于分压电阻R1的两端，以感受发电机的输出电压；UR1电压加在稳压管VS上，R1的阻值是这样确定的,当发电机输出电压UB达到规定的调整值时,UR1电压正好等于稳压管VS的反向击穿电压。质疑：若VT2三极管出现断路或短路故障，发电机输出电压将如何变化？（2）工作原理:动画演示1）点火开关SW刚接通时，发动机不转。发电机不发电，蓄电池电压加在分压器R1、R2上，此时因UR1 较低不能使稳压管VS的反向击穿，VT1截止，VT1截止使得VT2导通，发电机磁场电路接通，此时由蓄电池供给磁场电流。磁场绕组电路为：蓄电池正极磁场绕组调节器F接柱三极管VT2调节器E接柱搭铁蓄电池负极。随着发动机的启动，发电机转速升高，发电机他励发电，电压上升。2）当发电机电压升高到大于蓄电池电压时，发电机自励发电并开始向蓄电池充电，如果此时发电机输出电压UB调节器调节电压的上限UB2，VT1继续截止，VT2继续导通，但此时的磁场电流由发电机供给。磁场绕组电路为：发电机正极磁场绕组调节器F接柱三极管VT2调节器E搭铁发电机负极。发电机电压随转速升高迅速升高。3）当发电机电压升高到等于调节电压上限UB2时，调节器对电压的调节开始。此时VS导通，VT1导通，VT2截止，发电机磁场电路被切断，由于磁场被断路，磁通下降，发电机输出电压下降。4）当发电机电压下降到等于调节下限UB1时，VS截止，VT1截止，VT2重新导通，磁场电路重新被接通，发电机电压上升。周而复始，发电机输出电压UB被控制在一定范围内。质疑：能否将外搭铁调节器改装在内搭铁发电机上？内搭铁型电压调节器与外搭铁型电压调节器基本电路有所不同，两者之间的区别是：外搭型调节器大功率三极管控制发电机励磁绕组的搭铁，而内搭铁型调节器大功率三极管控制发电机励磁绕组电源。虽然两者电路有所区别，但两种电路工作原理类似。2.集成电路电压调节器集成电路是将二极管、三极管、电阻电容等电子元件集成在一块硅基片上，制成一个独立的电子芯片。集成电路调节器的工作原理与晶体管调节器原理相同，也是根据发电机的电压信号，利用三极管的开关特性控制磁场电流来调节发电机的输出电压。因此又称IC电压调节器。IC调节器同样也有内、外搭铁之分，而且以外搭铁形式居多。IC电压调节器工作过程中，内部检测电路需检测到发电机或蓄电池的电压，根据其电压的高低控制磁场电流。检测电路检测电压归属不同，调节器可分为发电机端电压检测法和蓄电池端电压检测法。（1）发电机电压检测法 如图所示分压器R1、R2从发电机输出端（D+ 端）得到电压，稳压管VS上的电压与发电机的输出电压成正比。优点：检测电路不用导线连接，直接接在发电机输出端，连接可靠。缺点：发电机到蓄电池之间连接电阻增大时，蓄电池充电电压会降低，将出现蓄电池充电不足的现象。质疑：若发电机与蓄电池之间的连接导线断路，发电机输出将如何变化？ （2）蓄电池电压检测法 如图所示分压器R1、R2从蓄电池输出端得到电压，稳压管VS上的电压和蓄电池端电压成正比。优点：直接检测蓄电池端电压来控制发电机的输出，蓄电池的充电电压有保证。缺点：当蓄电池和发电机之间的连接不可靠时，会使发电机失控。（3）集成电路调节器应用举例以天津夏利轿车发电机使用的集成电路调节器为例介绍。该发电机为整体式交流发电机，调节器为内装式外搭铁型。该调节器有6个接线端子F、P、E三个端子用螺钉直接和发电机连接，B端用螺母固定在发电机的输出端子“B”上，IG、L两个端子用金属线引到调节器的外部接线插座上。如图所示。调节器电路连接图 如图所示。1）磁场电流控制：VT2是大功率三极管，磁场绕组串联，由IC控制VT2的导通和截止，从而控制磁场电路通断，使发电机电压得到控制。2）充电指示灯：充电指示灯串接在VT1集电极上，VT1导通充电指示灯亮，VT1截止充电指示灯熄灭。在集成片IC中有控制VT1导通和截止的电路，控制信号由p点提供，p点提供的是发电机单相电压的交流信号，其信号幅值大小可反映发电机输出电压高低。当发电机输出电压低于蓄电池电压时，IC中控制电路使VT1导通，充电指示灯亮，当发电机输出电压高于蓄电池电压时，IC中控制电路使VT1截止，充电指示熄灭。六、质疑1.能否将相同搭铁类型的电子调节器和IC调节器互换？2.若调节器的功率三极管断路，能否将磁场绕组直接与电源相连？五、互动性交流学生自由提问题，老师可只作启发性回答。六、总结由老师引导思路，学生将本讲内容进行总结。总结的主要内容是：1.发动机励磁电路中为什么要加装调节器？2.调节器通过控制磁场绕组的哪个参数来控制发电机的输出电压？3.调节器的类型。4.电子调节器的特点和工作原理。作业1.电压调节器如何调节发电机输出电压？2.电子调节器是如何控制发电机输出电压的？教学后记本讲内容可遵循先分析发电机输出电压的影响因素、电压调节器的工作原理、电压调节器的工作过程这一思路进行讲解。着重讲清楚控制磁场电流的不同方式、控制方法。各类调节器的特点。第四讲 电源系统电路和发电机及调节器的正确使用教学内容电源系统电路和发电机及调节器的正确使用计划学时2教学目标1.掌握电源系统电路的工作过程、充电指示灯的控制方式。2.掌握发电机、调节器的正确使用方法。教学重点1.电源系统电路的工作过程2.发电机、调节器的正确使用方法。主管领导签字教学难点电源系统电路的工作过程解决措施动画、图片演示教学过程一、导入新课由教师引导思路，复习旧课，分析发电机励磁绕组与电压调节器的电路连接，引入新课。质疑：高速行驶的车辆，若发电机突然出现不发电故障，发动机是否立即熄火？ 二、电源系统电路1.组成 实物、图片展示由蓄电池、交流发电机、调节器、电流表、充电指示灯继电器及充电指示灯等组成2.工作过程 动画演示（1）接通点火开关（发电机未起动时），蓄电池电压经蓄电池“+”接线盒电流表点火开关调节器IG接线柱调节器F接线柱发电机F接线柱发电机励磁绕组搭铁。此时，蓄电池电压经点火开关充电指示灯继电器L接线柱继电器触点K搭铁，指示灯点亮。（2）发动机起动后怠速运转时，发电机转速较低，若发电机输出电压较低，则蓄电池电压仍通过上述电路为励磁绕组供电，充电指示仍亮，指示发电机不能正常发电。（3）发动机怠速以上运转时，发电机正常发电，则发电机输出电压经发电机B接线柱点火开关调节器IG接线柱调节器F接线柱发电机F接线柱发电机励磁绕组搭铁。此时，发电机三相绕组的中性点输出电压，经发电机中性点接线柱N继电器N接线柱继电器线圈搭铁。线圈通电产生吸力，将继电器触点吸开，充电指示灯无搭铁回路，灯熄灭。指示发电机工作正常。小结：发电机不转或不发电机时，励磁电流由蓄电池提供，充电指示灯亮； 发电机正常工作时，励磁电流由发电机提供，充电指示灯熄灭。互动性交流：学生自已分析发电机他励、自励时的工作情况。三、充电指示灯控制电路1.作用：指示电源系统的工作情况2.控制方式（1）利用中性点电压通过继电器控制利用发电机三相绕组的中性电压控制指示灯亮、灭，指示发电机的工作情况。控制电路如图所示。工作过程：起动发动机时，发电机不发电，中性点未输出电压，蓄电池电压经蓄电池“+” 电流表点火开关继电器L接线柱继电器触点K搭铁，指示灯点亮，指示发电机不发电。发动机正常运转后，发电机发电，中性点输出电压，经发电机中性点接线柱N继电器N接线柱继电器线圈搭铁。线圈通电产生吸力，将继电器触点吸开，充电指示灯无搭铁回路，灯熄灭。指示发电机工作正常。（2）利用发电机磁场二极管控制利用发电机磁场二极管控制指示灯的亮、灭，指示发电机的工作情况。控制电路如图所示。工作过程：接通点火开关，电流经蓄电池“+”点火开关充电指示灯调节器“+”调节器F励磁绕组搭铁蓄电池“”。构成回路，充电指示灯亮，指示发电机不发电。发动机起动后，充电指示灯受蓄电池电压和励磁二极管输出端电压“D+”的差值控制。若发电机不发电，则“D+”电位为“0”，充电指示灯