汽车电器——发电机

汽车电器系统 1 2 3 4 我们的任务 问一 汽车有那几部分构成 问二 你对汽车电器了解多少 汽车电器有四个特点 1 单线制2 负极搭铁3 两个电源4 低压直流供电 汽车电器的组成 1 汽车电源2 配电装置3 用电设备 汽车电源 蓄电池 汽车的辅助电源 发电机 汽车的主要电源 汽车的主要电源 发电机 本项目主要内容 任务一认识发电机的构造及作用任务二掌握发电机和电压调节器的工作原理任务三掌握发电机的拆装与检修任务四掌握充电系常见故障与排除 一 发电机的安装位置 发电机安装在汽车发动机侧面 通过皮带与发动机曲轴相连 发电机是汽车的主要电源 其功用是在发动机正常运转时 向所有用电设备 启动机除外 供电 同时给蓄电池充电 汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机 由于交流发电机的性能在许多方面优于直流发电机 直流发电机已被淘汰 目前汽车采用三相交流发电机 内部带有二极管整流电路 将交流电整流为直流电 所以 汽车交流发电机输出的是直流电 交流发电机必须配装电压调节器 电压调节器对发电机的输出电压进行控制 使其保持基本恒定 以满足汽车用电器的需求 二 发电机的作用 机械能 发电机 电能 磁场 1 发动机起动后向用电设备提供电能 2 对蓄电池充电 三 交流发电机的结构 发电机主要由转子 定子 电刷 整流器 前后端盖 风扇 皮带轮等组成 定子线圈 三 交流发电机的结构 1 转子 转子的功用是产生磁场 转子由爪极 磁轭 励磁绕组 滑环 转子轴等组成 转子轴上压装着两块爪极 爪极被加工成鸟嘴形状 爪极空腔内装有励磁绕组和磁轭 滑环由两个彼此绝缘的铜环组成 压装在转子轴上并与轴绝缘 两个滑环分别与励磁绕组的两端相连 当给两滑环通入直流电时 励磁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 或八对 相互交错的磁极 当转子转动时 就形成了旋转的磁场 定子的功用是产生交流电 又称电枢定子由定子铁心和定子绕组 线圈 组成 如图2 5所示 定子铁心由内圈带槽 互相绝缘的硅钢片叠成 图2 5交流发电机定子总成及连接方式a 定子绕组星形连接b 定子绕组三角形连接 2 定子 定子安装在转子的外面 和发电机的前后端盖固定在一起 当转子在其内部转动时 引起定子绕组中磁通的变化 定子绕组中就产生交变的感应电动势 图2 5交流发电机定子总成及连接方式a 定子绕组星形连接b 定子绕组三角形连接 定子绕组有三组线圈 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接法两种 都能产生三相交流电 3 整流器 整流器的功用是将定子绕组的三相交流电变为直流电 图2 6交流发电机整流二极管安装示意图a 焊接式b 电路图c 压装式1 正整流板2 负整流板 整流器由整流板和整流二极管组成 6管交流发电机的整流器是由6只硅整流二极管分别压装 或焊装 在相互绝缘的两块板上组成的 其中一块为正极板 带有输出端螺栓 另一块为负极板 负极板和发电机外壳直接相连 搭铁 也可以将发电机的后盖直接作为负极板 6只整流二极管分为正极管和负极管两种 引出电极为正极的称为正极管 3只正极管装在同一块板上 称为正极板 引出电极为负极的称为负极管 3只负极管安装在负极板上 也可直接安装在后盖上 如图2 6所示 稳压二极管它的正向特性与普通二极管相同 反向特性比较特殊稳压原理 当加反向电压到一定程度是 二极管呈现出击穿状态 通过较大的电流却不损坏 并且这种现象有很好的重复性 也就是说二极管只要处于击穿状态 此时尽管流过二极管的电流变化很大 而二极管两端的电压变化很小 从而起到稳压作用 稳压二极管稳压电路 4 电刷及组件 电刷组件由电刷 电刷架和电刷弹簧组成 如图2 9所示 电刷的作用 给发电机转子绕组提供磁场电流 两个电刷分别装在电刷架的孔内 借助弹簧压力与滑环保持接触 图2 9电刷组件 电刷和滑环的接触应良好 否则会因为磁场电流过小 导致发电机发电不足 前端盖 后端盖是由非导磁材料铝合金制成的 漏磁少 并具有轻便 散热性能好等优点 在后端盖上装有电刷架和电刷 5 前 后端盖 按结构形式分 晶体管式 集成电路调节器 按安装方式分 外装式 内装式 按搭铁形式分 内搭铁式 外搭铁式 按功能的多少 单功能型 多功能型 电子式电压调节器利用三极管的开关特性 在发电机转速变化时 通过改变励磁绕组电路的接通和断开的时间比来调节励磁电路的平均电流 6 电子调节器 风扇及皮带轮实物如图所示 交流发电机的前端装有皮带轮 由发动机通过风扇传动带驱动发电机旋转 在皮带轮的后面装有叶片式风扇 前后端盖上分别有出风口和进风口 当发动机带动发电机高速旋转时 可使空气流经发电机内部 对发电机进行冷却 7 风扇与皮带轮 四 发电机的工作原理 发电机工作原理 整流原理 电压调节原理 图2 11交流发电机发电原理示意图1 定子铁心2 定子绕组3 转子4 励磁绕组5 整流二极管6 电刷 如图2 11所示 发电机定子的三相绕组按一定规律分布在发电机的定子槽中 内部有一个转子 转子上安装着爪极和励磁绕组 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 根据电磁感应原理可知 定子的三相绕组中便产生交变的感应电动势 这就是交流发电机的发电原理 图2 11交流发电机发电原理示意图1 定子铁心2 定子绕组3 转子4 励磁绕组5 整流二极管6 电刷 三相交流电产生 交流发电机发电原理 1 交流电动势的变化频率f和转速 磁极对数成正比式中 磁极对数 发电机转速 r min 在交流发电机中 由于转子磁极呈鸟嘴形 其磁场的分布近似正弦规律 所以交流电动势的波形也近似正弦规律 如果发电机定子的三相绕组是对称绕制的则产生的三相电动势也是对称的 2 三相交流发电机的感应电动势瞬时值表达式 式中 每相电动势的最大值 每相电动势的有效值 电角速度 3 定子每相电动势的有效值的表示式中 绕组系数 和发电机定子绕组的绕线方式有关 每相绕组的匝数 单位 匝 频率 单位 Hz 每极磁通 单位 Wb 电机结构常数 称为相电动势 由此可见 当交流发电机结构一定时 结构常数不变 相电动势和发电机转速 磁通成正比 交流发电机整流原理 交流发电机定子的三相绕组中 感应产生的是交流电 是通过6只二极管组成的三相桥式整流电路整流为直流电的 整流电路如图2 12a所示 二极管具有单向导通性 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只整流二极管按图2 12a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 如图2 12c所示 这就是发电机的整流原理 图2 12交流发电机整流原理a 整流电路图b 三相绕组电压波形图c 整流后发电机输出波形图 1 整流原理 1 二极管的导通原则当3只正二极管负极端连接在一起时 正极端电位最高者导通 当3只负二极管正极端连接在一起时 负极端电位最低者导通 2 整流过程的分析同时导通的二极管管子总是两个 正 负管子各一个 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 12 c 所示 图2 13整流二极管导通分析 2 中性点电压在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 如图2 15所示 平均值为发电机输出电压 平均值 的一半 即 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工作 图2 15交流发电机中性点电压波形图 利用中性点电压提高发电机功率有的发电机 如夏利发电机 的整流器有8只整流管 其中两只整流管接在中性点处 1只正极管和1只负极管 如图2 16所示 把中性点电压和三相绕组并联输出 实践证明这样可提高发电机功率10 15 由于中性点电压的瞬时值是一个三次谐波 其波峰在有些时候可能大于三相绕组的最高值 此时 中性点正极管VD7导通 其他三个正极管截止 由VD7供给外电路高电压 同理 波谷也能小于三相绕组的最低值 此时 中性点负极管VD8导通 参与对外输出 这样就提高了发电机的对外输出能力 提高了发电机的输出功率 图2 16具有中性点二极管的整流电路 交流发电机的激 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 必须给励磁绕组通电才会有磁场产生而发电 否则发电机将不能发电 将电流引入到励磁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 他励在发电机转速较低时 发动机未达到怠速转速 自身不能发电 需要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 这种由蓄电池供给磁场电流发电的方式称为他励发电 2 自励随着转速的提高 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 当发电机能对外供电时 就可以把自身发的电供给励磁绕组 这种自身供给磁场电流发电的方式称为自励发电 交流发电机励磁过程是先他励后自励 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 不同汽车的励磁电路各不相同 但有一个共同特点是 励磁电路都必须由点火开关控制 交流发电机的励磁电路如图2 17 2 18所示 交流发电机的励磁 图2 176管内搭铁型交流发电机的励磁 交流发电机的励磁 图2 1811管外搭铁型交流发电机的励磁 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 分类 直流发电机 硅整流发电机 按总体结构分类 普通硅整流交流发电机 整体式硅整流发电机 带泵硅整流发电机 无刷硅整流发电机 永磁硅整流发电机 按总体结构分1 普通交流发电机 这种发电机即无特殊装置 也无特殊功能特点 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的发电机 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的发电机 4 无刷交流发电机 不需要电刷的发电机 5 永磁交流发电机 转子磁极为永磁铁制成的发电机 图2 19交流发电机结构外型a JF1522A型交流发电机b 捷达JFZ1813型交流发电机c JFB1712型交流发电机 注意 交流发电机搭铁型式不同 所配用的调节器及接线方法不同 充电系故障检查方法也不同 使用时应予注意 否则发电机不发电 调节器不工作 1 交流发电机的型号 第一部分为产品代号 由字母表示 如JF JFZ JFB JFW 第二部分为电压等级代号 用一位阿拉伯数字表示 其中有 1 12V 2 24V 6 6V 第三部分为电流等级代号 用一位阿拉伯数字表示 各代号表示的电流等级见表1 5 第四部分为设计序号 第五部分为变型代号 五 发电机的型号 拆装及检测与维修 2 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 3 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 发电机的性能指标 一 额定电压二 空载转速三 额定电流四 额定转速 2 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 2 1 空载特性 空载特性足指发电机空载时 发电机端电压u与发电机转速n之间的关系 即 负载电流 0时 曲线 图1 28交流发电机空载特性 从曲线的上升速率和达到蓄电池电压的转速高低可判断发电机的性能是否良好 2 2输出特性 当发电机输出电压一定时 输出电流I与发电机转速n之间的关系 即U为常数时 的函数关系 称为发电机的输出特性 发电机达到额定功率时的转速称为额定转速n2 是判断发电机的性能的重要指标 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 由特性曲线I f n 可以看出 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具有限制最大输出电流Imax的作用 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 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 XL 2 fL感抗的单位是欧 交流电的频率f Hz 和线圈的电感L H 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 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 交流发电机自我限流的原理 4 发电机的检测 转子的检测 1 转子的检测包括 2 检测励磁绕组 3 转子轴和轴承的检修 4 滑环的检修 用示波器观察出电压波形 1 转子的检修 1 励磁绕组的检修用万用表测量励磁绕组的电阻 应符合标准 每个滑环与转子轴之间的阻值都应该是无穷大 检测励磁绕组 检查励磁绕组短路和断路故障时 万用表置于 挡的R 1位置 表笔分别触在两滑环上 如图所示 如果电阻比规定值小 说明励磁绕组有短路故障 如果电阻无穷大 说明励磁绕组有断路故障 2 转子轴和滑环的检修转子轴的弯曲会造成转子与定子之间间隙过小而摩擦或碰撞 如发现发电机运转时阻力过大或有异响 应检查转子轴是否有弯曲 图2 32转子轴径向摆差的检测 转子轴和轴承的检修 由于发电机转子转速很高 因此转子与定子之间不允许有任何接触 而转子磁极与定子铁心间的气隙又很小 一般为0 25 0 50mm 最大不超过1 0mm 所以要求转子磁极外圆周表面对两端轴颈公共轴线的径向圆跳动 0 05mm 否则应予校正或更换 轴承的检修若发现发电机运转时有异响 应仔细检查是否因轴承的损坏而造成 滑环的检修 滑环表面应光洁 不得有油污 两滑环之间不得有污物 否则应进行清洁 可用干布蘸汽油擦净 当滑环脏污严重并有轻微烧损时 可用细砂布磨光 如图所示 若严重烧损或失圆 可在车床上车削修复 修复后 滑环表面粗糙度 Ra1 60 m 滑环厚度 1 50mm 2 定子的检修 1 定子绕组的断路和搭铁故障检测 2 定子绕组的短路故障检测 定子的检测 定子绕组断路故障可用万用表按图所示的方法检查 万用表置于 挡的R 1位置 两表笔每触及定子绕组的任何两相首端 电阻值都相等并且电阻很小 说明没有断路故障 如果电阻无穷大 说明定子绕组有断路故障 3 整流器的检修 3 整流器的检修 1 普通整流器的检测将二极管的引线与其他