桑塔纳2000Gsi电源系统试验台的分析设计.doc

科类 工科 学 本科生毕业设计桑塔纳2000Gsi电源系统试验台的分析设计Sangtana 2000Gsi Power System Test Rig Design And Analysis 目录中英文摘要I目 录III表 目 录IV图 目 录V1 前言12设计方案论证12.1设计方案讨论12.2设计方案的确定13计算部分23.1电动机和交流发电机传动比的计算23.2电缆线的计算23.2.1蓄电池与起动机连接线23.2.2 起动机与发电机之间的连接线34结构设计部分34.1汽车供电系统的构造以及各设备的工作原理34.1.1蓄电池与交流发电机并联44.1.2蓄电池构造44.1.3 蓄电池工作原理64.1.4 蓄电池的电动势和内阻84.1.5 蓄电池充放电特性94.2交流发电机的构造及工作原理124.2.1交流发电机的构造124.2.2交流发电机的工作原理155.电源系统元件在试验台上的布置205.1试验台的设计要求205.2电源系统元件摆放位置的确定215.2.1 电动机的选择225.2.2 发电机及电动机位置的确定225.2.3 蓄电池位置的确定235.3电缆线的连接236结论24参考文献25致 谢27中英文摘要桑塔纳2000Gsi电源系统试验台的分析设计 摘 要研究目的：通过对桑塔纳2000Gsi车型电源系统试验台的分析设计，以达到对汽车电器系统的认识和了解的目的。方法：通过对实验室现有汽车电器试验台的分析和参考汽车电器书籍和网络资源结合起来完成设计任务。结果：设计是通过对实验室现有汽车电器试验台的分析和参考汽车电器书籍和网络资源结合起来完成的。汽车电器试验台可以实现在关于汽车电器系统的知识教学中让学生清晰直观的理解各汽车用电设备以及各设备的工作原理，有助于学生更好地学习汽车电源系统的组成，以及汽车电源系统中所包含的相关电器的基本知识，以及通过电源系统电路图明确设备各部分之间的电气连接。在设计过程中学习和了解各部件的工作原理，特性与技术参数，如蓄电池、交流发电机等，并画出电源系统电路图和整车电路图，掌握各导线粗细的计算和颜色的选择，以及合理地把蓄电池和交流发电机布置在试验台上，用导线清楚明确的连接各部件。结论：通过本次设计，使我更清楚的认识和了解了汽车电器的线路连接方法及其工作原理，在指导教师的帮助下，圆满的完成了本次设计任务。关键词：汽车电器；桑塔纳2000Gsi车型；电源系统；试验台设计。 Sangtana 2000Gsi Power System Test Rig Design And AnalysisName: Peng WeiFaculty of Engineering and Technology Yunan Agricultural University，Heilongtan Kunming 650201ABSTRACT Research goal: Through to the Sangtana 2000Gsi vehicle type electrical power system test platform analysis design, achieves to the automobile electric system understanding and the understanding goal.Method: Through unifies to the laboratory existing automobile electric appliance test platform analysis and the reference automobile electric appliance books and the network resources completes the design task. Results: Design Automotive Electrical analysis of the laboratorys existing automotive electrical test bench and reference books and network resources combine to complete.Automotive Electrical test bench can be achieved in the teaching of knowledge about the Automotive Electrical Systems students a clear and intuitive understanding of each automobile electric equipment as well as the equipment works, to help students better learn the composition of the vehicle power system,As well as in the automobile electrical power system contains the related electric appliance elementary knowledge, as well as is clear about the equipment various part of between through the electrical power system circuit diagram the electrical connection. Learning and understanding the working principle of the various components in the design process, features and technical parameters, such as batteries, alternators, and draw the schematic and vehicle circuit diagram of the power system，In the conductor thickness calculations and the choice of colors, as well as the rational to the battery and alternator are furnished on a test stand, with the wire of the clear parts.Conclusion: Through this design, make me a better understanding and understanding of automotive electrical connections, and its working principle, in the instructors help, the successful completion of the design task. Key words: Auto electric; Sangtana 2000Gsi car; power supply system; test platform design;目 录1 前言42设计方案论证42.1设计方案讨论42.2设计方案的确定53计算部分53.1电动机和交流发电机传动比的计算53.2电缆线的计算53.2.1蓄电池与起动机连接线53.2.2 起动机与发电机之间的连接线64结构设计部分74.1汽车供电系统的构造以及各设备的工作原理74.1.1蓄电池与交流发电机并联74.1.2蓄电池构造74.1.3 蓄电池工作原理104.1.4 蓄电池的电动势和内阻124.1.5 蓄电池充放电特性134.2交流发电机的构造及工作原理164.2.1交流发电机的构造164.2.2交流发电机的工作原理185.电源系统元件在试验台上的布置235.1试验台的设计要求235.2电源系统元件摆放位置的确定245.2.1 电动机的选择255.2.2 发电机及电动机位置的确定255.2.3 蓄电池位置的确定265.3电缆线的连接266结论27参考文献28致 谢30表 目 录表 1 QD1229起动机的技术参数4表 2 桑塔纳2000Gsi蓄电池技术规格6表 3 桑塔纳2000Gsi交流发电机技术指标21图 目 录图 1 发电机、起动机和蓄电池的连接7图 2 蓄电池构造9图 3 蓄电池放电过程10图 4 蓄电池充电过程11图 5 蓄电池充电特性14图 6 蓄电池放电特性15图 7 交流发电机、调节器、蓄电池连接电路16图 8 JFZ1913Z型交流发电机的组件图16图 9 JFZ1913Z型交流发电机结构图17图 10 交流发电机工作原理图18图 11 交流发电机磁路图19图 12 交流发电机波形图19图 13 发电机整流电路图20图 14 交流发电机输出特性21图 15 交流发电机空载特性21图 16 交流发电机的外特性22图 17 试验台架25图 18 发电机和电动机位置示意图26图 19 蓄电池位置示意图27图 20 蓄电池、起动机、发电机电路连接图27V桑塔纳2000Gsi型电器系统试验台的分析设计 桑塔纳2000Gsi型电源系统试验台设计1 前言 现如今，电子技术在汽车上的广泛应用，使汽车性能和结构不断改进和提高。在原来汽车电器系统的基础上, 采用电子技术，一方面提高原机械零件的工作性能及可靠性。另一方面满足人们对汽车整体性能的要求， 使汽车更加豪华、先进、舒适和安全。现代轿车广泛采用电子技术，其结构比较复杂，且汽车运行中电器故障所占的比重远远高于其它故障，约占40%60%，这对从事汽车工程相关专业的人员提出了更高的要求。对于汽车专业技术人才培养来说， 如何使理论与实践相结合， 提高工程实践能力，是一项重要的课题。桑塔纳系列轿车是社会上应用较为普遍的车系，学习和了解桑塔纳轿车的整车电器电路对我们有很大的帮助。桑塔纳2000Gsi整车电器电路实验台是按照桑塔纳2000Gsi全车电器线路用实物安装而成。配有全车电线束，仪表盘，各种开关、前后灯光分电路、点火线圈、发动机电脑、传感器、继电器、中央线路板、节气组件等等。可进行汽车电器系统的实验教学，可帮助学生更直观的认识和了解汽车电器线路的连接和工作原理。2设计方案论证2.1设计方案讨论将带有大斑病斑的叶片剪成34cm长段，用自来水冲洗后，2.2设计方案的确定用本文所述的单孢分离方法， 设计实验方案的论证是通过实验台进行的。3计算部分3.1电动机和交流发电机传动比的计算Y90s-4电动机的参数：额定功率1.5KW；额定电流3.7A；转速1500r/min电动机频率 f=其中p 级数4 N转数JFZ1913Z交流发电机的参数：额定电压14V；额定电流90A；输出功率1.2KW；转速6000r/min传动比 =0.253.2电缆线的计算3.2.1蓄电池与起动机连接线桑塔纳2000蓄电池参数，参照表1。额定电压12v，额定容量54Ah。起动机参数，参照表1。表 1 QD1229起动机的技术参数 （Table 1 QD1229 starter technical parameters） 已知起动机的功力P=0.95KW，电压U=12V，则电流I=P/U=0.95/0.012=79.17A；压降U=0.6V，则单线压降为0.3V，取导线长度为0.5m，则=U/I=0.3/79.17=0.00038;=0.01720.5/0.00038=22.6。D=17mm3.2.2 起动机与发电机之间的连接线已知发电机的功力P=1200W，电压U=14V，电流I=90A；所以 U=140.05=0.7V,单线压降为0.35V，取导线长度为0.4m， 所以 =0.35/90=0.00038，=0.01720.4/0.00038=18.1。D=15mm4结构设计部分4.1汽车供电系统的构造以及各设备的工作原理汽车供电系统的功用是向车载各用电设备提供电能。桑塔纳2000Gsi电源系统包括蓄电池、交流发电机、调节器、充电指示灯、控制电路和蓄电池电缆等部件。各部件的连接如图1所示；图 1 发电机、起动机和蓄电池的连接 （Fig 1 generators, starters and battery connections）4.1.1蓄电池与交流发电机并联 蓄电池与交流发电机并联,同属于汽车的电源系, 其用途有以下几方面:汽车发动机起动时, 蓄电池向起动机及点火系等供电。交流发电机超载时, 协助交流发电机向用电设备供电。发动机高速运转时, 储存交流发电机的电能。4.1.2蓄电池构造表 2 桑塔纳2000Gsi蓄电池技术规格（Table 2 Santana 2000Gsi Battery Specification）型号额定电压/V额定容量/Ah冷启动电源/A长/mm宽/mm高/mm干态质量/kg湿态质量/kg12V-54A256A125426529717517512.517.5（参照桑塔纳2000维修守则）桑塔纳2000Gsi车用蓄电池为铅酸蓄电池, 型号为12V-54A256A。它是在盛有稀硫酸的容器中插入两组极板而构成的电能储存器, 它由极板、隔板、外壳、电解液等部分组成。容器分为3 格或6 格, 每格里装有电解液, 正负极板组浸入电解液中成为单格电池。每个单格电池的标称电压为2 V, 3个单格串联起来成为6 V蓄电池, 6 个单格串联起来成为12 V蓄电池。蓄电池的构造如图2 所示。图 2 蓄电池构造（Fig 2 battery structure） ( a) 整体结构( b) 单格结构1护板; 2封料; 3负极接线柱; 4加液孔螺塞; 5连接条; 6正极接线柱;7电池衬套; 8外壳; 9正极板; 10负极板; 11肋条; 12隔板 铅酸蓄电池的电解液由密度为1.84 g / cm3 的纯硫酸和蒸馏水配制而成, 其密度一般为1. 24 1. 31 g / cm3 。电解液的液面高度一般高于极板10 15 mm。电解液的纯度是影响蓄电池的性能和使用寿命的重要因素, 由于一般工业用硫酸和普通水中, 因含有铁、铜等有害杂质, 所以不能直接加入到蓄电池中去, 否则容易引起自行放电, 并且容易引起极板损坏。因此蓄电池的电解液要用规定的蓄电池专用硫酸和蒸馏水配制。4.1.3 蓄电池工作原理 根据双极硫酸盐化理论， 蓄电池中参与化学反应的物质, 正极板上的物质是， 负极板上的物质是，电解液是的水溶液。蓄电池在放电时，正极板上的和负极板上的都变成，电解液中的减少，密度下降。蓄电池在充电时，则按相反的方向变化，正极板上的恢复成，负极板上的恢复成电解液中的增加，密度增大。1.蓄电池电动势的建立 极板浸入电解液后，由于有少量的活性物质溶解于电解液中，产生了电极电位，并且由于正负极板的电极电位不同而形成了蓄电池的电动势。在正极板处，少量的溶入电解液中，与水生成，再分离成四价铅离子和氢氧根离子，即:+ + 其中，溶液中的有沉附于极板的倾向，使极板呈正电位；同时由于正、负电荷的吸引，极板上有与溶液中的结合，生成的倾向，当两者达到动态平衡时， 正极板的电极电位约为+ 2. 0 V。同理，在负极板处，金属铅受两方面的作用，一方面它有溶解于电解液的倾向， 因而极板表面上有少量的 进入电解液，使极板带负电；另一方面，由于正、负电荷的吸引，有沉附于极板表面的倾向。当两者达到动态平衡时，极板的电极电位约为- 0. 1 V。因此，一个充足电的蓄电池，在静止状态下的电动势约为2. 1 V。2.蓄电池放电过程的电化学反应 蓄电池的放电过程就是将化学能转变为电能的过程, 如图3 所示。图 3 蓄电池放电过程 （Fig 3 the discharge process of a battery）蓄电池放电时，负极板上铅原子首先被电离成二价的铅离子( ) 和两个电子，铅离子进入电解液，与硫酸根离子( ) 化合成为 ，并从溶液中析出附着于负极板上。在铅正离子进入溶液的同时，给极板留下两个带负电荷的电子，在电场的作用下， 通过负载向正极板运动。在电解液内部也向正极板附近迁移， 从而形成了放电电流。负极板上的电化学方程式如下:+ + 2+ 2 e在正极板，首先是二氧化铅和水生成不稳定的氢氧化铅， 其中四价离子的铅( ) 当遇到由负极来的两个电子后立即变为二价铅离子( )， 接着二价铅离子再与硫酸根反应生成硫酸铅()附着在正极板上。与此同时，正极板附近的氢离子与氧离子化合生成水。正极板上的电化学反应式如下: + HSO+ 2H + 2e+ 2HO放电过程总的电化学反应式为: + 2HSO+ 2+ 2HO在放电过程中， 由于消耗了硫酸，生成了水，所以电解液密度不断下降。3.充电过程的电化学反应 铅酸蓄电池充电过程，就是在外加电场的作用下，正、负极板上硫酸铅还原为二氧化铅和海绵状铅，电解液中的水转变为硫酸的过程，即电能转变为化学能的过程。如图4所示。图 4 蓄电池充电过程 （Fig 4 the battery charging process） 充电时, 负极板上的硫酸铅溶解并电离为硫酸根和二价铅离子。二价铅离子在充电电流的作用下获得两个电子, 还原为铅原子附着在负极板上, 硫酸根则与正极板上来的氢离子化合生成硫酸。负极的反应式为+ 2+ 2e + HSO正极板上的硫酸铅也被电离为二价铅离子和硫酸根离子。二价铅离子在外加电场的作用下，失去两个电子变为四价铅离子，四价铅离子与硫酸根结合生成硫酸铅，并与水作用还原为二氧化铅和硫酸。二氧化铅附着于正极板上，其反应式如下:+ 2HO + + 2HSO在充电过程中，由于消耗了水生成了硫酸，所以电解液的密度上升。铅蓄电池在充、放电过程中，总的电化学反应方程式为:+ + 2HSO 2+ 2HO 4.1.4 蓄电池的电动势和内阻把蓄电池在静止状态下( 即不充电、不放电时)，蓄电池的电动势称为静止电动势。其电动势的大小取决于电解液的密度和温度，在电解液密度为1. 050 1. 300 g / 时，蓄电池的静止电动势可用下面的经验公式计算： = 0. 84 + 式中 蓄电池的静止电动势; 25 时电解液的密度。如果测量电解液密度时, 电解液的温度不是标准温度( 25 ) , 则需要进行换算, 其换算公式为: = +式中 实测的电解液密度;t 测量时电解液的温度，单位为； 密度温度系数，一般取= 0. 000 75。由于汽车用蓄电池电解液的相对密度在充电时增高，放电时下降，一般在1. 12 1. 308 g /之间波动，因此蓄电池的静止电动势也相应地在1. 97 2. 15 V 之间变化。蓄电池的内阻包括极板、隔板、电解液、铅质连条等的内阻。充电后，极板电阻变小，放电后，由于生成的P增多，所以极板的电阻增大；隔板电阻因所用材料不同而异，木质隔板电阻比其他隔板电阻大; 电解液的电阻随相对密度、温度的变化而变化, 随温度的降低而增大。另外当密度为1. 208 g /( 25 )，因电解液离解最好，所以电阻最小。总之铅酸蓄电池的内阻是很小的，所以能获得较大的输出电流，适合汽车发动机起动的需要。4.1.5 蓄电池充放电特性 （1） 充电特性 蓄电池的充电特性是指在恒流充电过程中, 蓄电池的端电压U, 电动势E 和电解液的密度随时间变化的规律。在充电过程中, 由于电流恒定, 所以单位时间内所生成的硫酸的量是一定的, 电解液密度、静止电动势与充电时间成直线关系增长。端电压也不断上升, 并总是大于电动势。充电开始阶段, 电动势和端电压迅速上升, 然后缓慢上升到2. 3 2. 4 V, 开始产生气泡,接着电压急剧上升到2. 7 V便不再上升。电解液呈现“ 沸腾”状态, 这就是充电终了。如果此时切断电流, 电压将迅速降低到静止电动势的数值。端电压如此变化的原因是: 刚开始充电时, 在极板孔隙表层中, 首先形成硫酸, 使孔隙中电解液的密度增大, 所以电动势和端电压迅速上升, 当继续充电至孔隙中产生硫酸的速度和向外扩散硫酸的速度达到平衡时, 端电压和电动势随着整个容器内电解液密度的上升而缓慢上升。当端电压达到2. 3 2. 4 V时, 极板上可能参加变化的活性物质大多恢复为 和若继续通电, 便使电解液中的水分解, 产生 和，以气泡形式放出, 形成“沸腾”现象。因为氢离子在极板处与电子的结合不是瞬时的而是缓慢的，于是在靠近负极板处就积存了大量的， 使溶液和极板产生附加电位差( 0. 33 V) ， 因而端电压急剧上升到2. 7 V 左右，此时应切断电路,停止充电， 否则不但不能增加蓄电池的电量，反而会损坏极板。由此可知，蓄电池的充电终了特征是:蓄电池内产生大量气泡, 形成“ 沸腾”现象。电解液密度和端电压上升到最大值, 且2 3 h 内不再增加。图5 为3-Q-75 型蓄电池以10. 5 A 电流充电时的一组特性曲线。图 5 蓄电池充电特性 （Fig 5 battery charging characteristics）（2） 放电特性 蓄电池的放电特性是指恒流放电时, 蓄电池的端电压U、电动势E 和电解液密度随时间变化的规律，图5是将3 -Q-75 型蓄电池以5. 25 A 电流放电时的放电特性。放电过程中, 电流恒定, 单位时间内所消耗的硫酸的量是一定的, 所以电解液的密度呈直线下降, 一般 每下降0. 028 0. 030 g /cm3 , 蓄电池放电约25% 。因静止电动势与 成正比, 所以E 也是沿直线下降的。在放电过程中, 由于蓄电池内阻R 的影响, 所以蓄电池的端电压总低于其电动势。在放电开始时, 蓄电池的端电压从2. 1 V迅速下降, 这是因为放电之初极板孔隙内的 迅速消耗， 密度迅速下降的缘故。随着极板孔隙外的电解液向极板孔隙内渗透的速度加快, 当其渗透的速度与化学反应速度达到相对平衡时, 极板孔隙内的电解液密度的变化速率趋于一致, 端电压将随整个容器内的电解液密度降低而缓慢下降到1. 85 V。随后端电压又迅速降低到1. 75 V,此时应立即停止放电, 并称此电压值为单格电池的终止电压。若继续放电, 端电压会急剧下降。这是因为放电终了时, 化学反应深入到极板的内层, 并且放电过程中生成的PbSO4 较原来的活性物质体积大且积聚在孔隙内, 从而使孔隙变小, 电解液渗透困难, 由此造成极板孔隙内电解液密度迅速下降, 端电压随之急剧下降。继续放电则为过放电。过度放电对蓄电池极为有害, 极板孔隙中生成粗结晶硫酸铅, 充电时不易还原, 会造成极板硫化, 严重影响蓄电池的寿命, 并导致蓄电池的寿命下降。图 6 蓄电池放电特性 （Fig 6 the battery discharge characteristics）放电停止后, 由于电解液渗透的结果, 使孔隙内外的电解液密度趋于一致, 蓄电池单格电池电动势回升到1.95 V。蓄电池放电终了的特征是:单格电池电压下降至放电终止电压, 以20 h 的放电率放电, 单格电池电压降至 1. 75V。电解液密度下降至最小的允许值, 大约为1.11g/。同时注意允许的放电终止电压与放电电流强度有关, 放电电流强度越大, 则放完电的时间越短, 而允许的放电终止电压越低。4.2交流发电机的构造及工作原理4.2.1交流发电机的构造 桑塔纳2000Gsi上所用的交流发电机为三相交流发电机, 主要由三相同步交流发电机和11只硅二极管组成, 所以又称为硅整流交流发电机, 简称交流发电机。其具有体积小, 重量轻、比功率大、低速充电性能好、维修方便等优点。交流发电机、调节器、蓄电池的连接线路如图7 所示。图 7 交流发电机、调节器、蓄电池连接电路 （Fig 7 alternator, regulator, the battery connection circuit） 目前在汽车上装备的交流发电机, 结构基本相同。主要由转子、定子、整流器及前后端盖等组成。图8 为桑塔纳2000JFZ1913Z 型交流发电机的组件图, 图9为其结构剖视图。 图 8 JFZ1913Z型交流发电机的组件图 （Figure 8 JFZ1913Z AC generator component diagram）1后端盖; 2电刷架; 3电刷; 4电刷弹簧压盖; 5硅二极管;6散热板; 7转子; 8定子总成; 9前端盖; 10风扇; 11皮带轮图 9 JFZ1913Z型交流发电机结构图（Figure 9 JFZ1913Z AC generator structure diagram）1后端盖; 2滑环; 3电刷; 4电刷弹簧; 5电刷架; 6磁场绕组;7定子绕组; 8定子铁心; 9前端盖; 10风扇; 11皮带轮 发电机由转子、定子、整流器和端盖四部分组成。其结构特点如下： （1）整流器、调节器和电刷均采用外装式，不用打开发电机的端盖便可以对其进行维修。 （2）转子环附在后端盖内，有利于防水和防油污，使电刷的工作条件得到改善，不仅拆装方便，而且提高了工作可靠性。 （3）转子采用双面密封轴承，增加了油封工作的可靠性和耐用性。 （4）定子绕组采用波绕法，减小了电机铁心端面电场的高次谐波，提高定子的质量。 （5）发电机输出端装有滤波电容器，减少了对无线电波的干扰，从而使输出波形更加平稳。 （6）转动件特别是爪形转子，采用了动平衡工艺，提高了轴承及电机的使用寿命。 （7）某些重要件采用工程塑料制作，提高了电机的绝缘性能。JFZ1913Z 型发电机主要性能指标如下： （1）额定电压为13.5V，额定电输出电流为96A。 （2）在12.7V、发动机转速6000rmin、105的环境下能够长期工作。 （3）最高工作转速可达18000rmin. （4）定子外径为127mm，单机质量为5.6kg。4.2.2交流发电机的工作原理 1.交流电动势的产生 桑塔纳2000Gsi用交流发电机是根据电磁感应原理而产生三相交流电动势的。三相同步交流发电机的工作原理如图10所示；图 10 交流发电机工作原理图 （Fig 10 schematic diagram of AC generator） 发电机的三相定子绕组按一定的规律排列在发电机的定子槽中, 依次相差120 的电角度。当磁场绕组接通直流电源时即被激励, 转子的爪极被磁化为N 极和S 极。磁路如图11所示, 图 11 交流发电机磁路图（Fig 11 AC generator circuit） 其磁力线由N 极出发, 穿过转子与定子之间很小的气隙进入定子铁心, 最后又通过气隙回到相邻的S 极。当转子旋转时, 由于定子绕组与磁力线有相对的切割运动, 所以在三相绕组中产生频率相同、幅值相等、相位相差 120的正弦电动势eA , eB 和eC。其波形如图12所示。图 12 交流发电机波形图 （Fig 12 AC generator waveform graph）三相绕组中所产生的感应电动势可用下列方程式表示: eA = Em sint = 2Esin( t) ( 2 . 3)eB = Em sin( t - 120) = 2Esin( t - 120 ) ( 2 . 4)eC = Em sin( t - 240) = 2Esin( t - 240 ) ( 2 . 5)式中Em 相电动势的最大值; E 相电动势的有效值; 电角速度( = 2 f) 。发电机每相绕组所产生的电动势的有效值为:E = 4. 44KfN ( 2 . 6)式中K 定子绕组系数, 一般小于1;f 感应电动势的频率, Hz, f = P n /60( P 为磁极对数, n 为转速r /min) ;N 每相绕组的匝数; 磁极的磁通, Wb。2.整流过程桑塔纳2000Gsi车用交流发电机采用11只整流管，其中三只正极管、三只负极管、三只磁场二级管、两只中性点二级管，其整流原理图如图13。图 13 发电机整流电路图 （Fig 13 generator rectifier circuit diagram）1激磁二极管；2充电指示灯；3蓄电池；4负载；5调节器；6电枢；7磁场3.交流发电机的工作特性1 ) 输出特性输出特性是研究当发电机的输出电压U 保持一定( 12 V系列交流发电机规定为14 V, 24 V系列交流发电机规定为28 V, 对内装调节器的12 V与24 V整体式发电机分别规定为13. 5 V 和27 V) 时, 其输出电流与转速之间的关系。即U 为常数时, I = f( n) 的曲线, 如图14 所示。图 14 交流发电机输出特性 （Fig 14 the alternator output characteristic）由此看出, 当发电机的输出电压保持一定时, 其输出功率随转速的增加而增加, 并且由此图还可看出:n1 为发电机空载输出电压达到额定值时的转速, 称为空载转速。当发电机转速n 较低,其电压低于蓄电池电压时, 发电机不能向外供电。当转速n 达到空载转速n1 后电压达到额定值时, 发电机开始有能力向外供电, 所以空载转速n1 常作为选择发电机与发动机速比的主要依据。n2 为发电机达到额定功率时的转速( 即发电机达到额定电压和额定电流时的转速) , 称为满载转速。当发电机转速n 超过空载转速n1 时, 发电机的输出电流将随着转速n 的升高而增大。空载转速与满载转速是测试交流发电机性能的重要依据, 在说明书上均有规定。使用中, 只要测得这两个数据, 即可判断发电机的性能良好与否。当转速n 达到一定值后, 发电机的输出电流不再随发电机转速n 的升高而增大, 这时的电流值称为发电机的最大输出电流或限流值。可见交流发电机具有自身限制输出电流防止过载的能力, 所以交流发电机不需加装限流器。交流发电机的最大输出电流约为额定电流的1. 5 倍。( 2) 空载特性空载特性是研究发电机在空载运行时, 其端电压随转速变化的关系, 即I = 0 时, U = f( n) 的曲线。如图15所示。图 15 交流发电机空载特性 （Fig 15 AC generator no-load characteristics） ( 3 ) 外特性 外特性是研究当发电机转速一定时, 其端电压与输出电流的关系, 即n 为常数时, U = f( I ) 的曲线, 如图16 所示。图 16 交流发电机的外特性 （Fig 16 AC generator characteristics） 由外特性曲线分析得知, 负载增加时, 发电机的输出电流I 增加, 发电机的端电压会随之下降。引起端电压下降原因可归纳为:随着发电机的输出电流增加, 使得发电机的内压降增大, 引起端电压下降。当端电压下降较多时, 由于磁场电流减小, 引起磁场减弱, 因而使发电机的电动势减小, 导致端电压进一步下降。当发电机的输出电流增大得较多时, 随着电枢反应增强, 导致定子绕组中的感应电动势下降, 引起端电压进一步下降。此外, 发电机输出电流随负载增加到一定值时, 若再继续增加负载, 输出电流不再增加, 反而同端电压一同下降, 此处电流称为转折电流。其次, 当转速增加时, 由于感抗增加而使外特性曲线中电压下降的斜率随转速增加, 导致各等速曲线的转折点逐渐靠拢, 逐步接近发电机的最大电流值( 限流值) 。由此同样可以证明, 交流发电机具有限制输出电流的能力。当发电机短路时, 因剩磁电动势的作用可产生短路电流。由此可知, 当发电机高速运转时, 不允许突然失去负载, 否则其端电压会急剧上升, 致使发电机的二极管或其他电子元件有被击穿损坏的危险。4.桑塔纳2000Gsi发电机的基本参数桑塔纳2000Gsi车用发电机的型号为JFZ1913Z，其基本参数如表3所示：表 3 桑塔纳2000Gsi交流发电机技术指标 （Table 3 Santana 2000Gsi alternator technology index）发电机型号JFZ1913Z工作环境-4090额定电压/V14调节器形式集成电路式额定电流/A90调节电压12.514.5额定功率/W1200安装方式单挂脚零电流转速/1050质量/kg5.66开始充电转速/1900比功率/223常用工作转速/6000搭铁型式外搭铁型最高工作转速/15000磁场绕组电阻/2.8（参照桑塔纳2000维修守则）5.电源系统元件在试验台上的布置 电源系统试验台包括的部件有蓄电池、交流发电机和电动机。由于在试验台上没有发动机，所以要选用电动机来代替发动机。5.1试验台的设计要求 电器实验台的设计要满足教学的需要, 即具有良好的示教效果以及便捷的操控性能。同时进行相关辅助功能的开发, 从而锻炼学生的工程实践应用能力。具体要求体现以下几个方面：（1） 选型：具有代表性、普及性, 同时具有鲜明技术特色。（2） 服务教学：示教效果简单、明了, 操控方便快捷， 并且具有故障诊断功能, 以利于提高学生的工程实践运用能力。（3） 实验台布局。在考虑布局合理、结构紧凑的同时, 还要便于教学， 并注意各个电器元件在工作时相互之间功率的匹配。（4） 实验台功能开发。预留外接端子连接其他设备的插接件, 为实验台的功能扩展和更新元件提供基础和应用平台。桑塔纳系列轿车经过不断发展与完善, 不但技术含量较高, 还有许多自身的技术特色, 并且是我国国内目前保有量较多和受欢迎程度较高的普及型轿车之一, 在很大程度上能代表我国轿车行业的先进水平。具有一定的代表性和可以开发利用的前景。所以对桑塔纳2000轿车电路的学习和研究就变得很有价值。5.2电源系统元件摆放位置的确定桑塔纳2000电源系统试验台元件有蓄电池、交流发电机、电动机和连接导线等。在整个电器系统中，蓄电池、交流发电机和电动机是属于体积较大的元件，并且工作过程中所需的电流和电压相较其他元件比较大，电动机工作时需外接220v的电压。所以在布置试验台时除了考虑试验台布局清晰实用，还需考虑到安全问题。试验台可模拟实车的形状，把用电设备和 连接线路清晰直观的反映在试验台上，图17为试验台架示意图。图 17 试验台架 （Fig 17 test bench）5.2.1 电动机的选择 桑塔纳2000的车用发电机的额定功率为1.2kw,额定转速为6000 / 。 所以要求选用的电动机的额定功率应大于发电机的额定功率。考虑到电动机的工作环境, 选用Y系列的三相鼠笼式异步电动机，选择型号Y90s-4电动机。为实现可靠的传动, 依据设计目的，考虑到实验台是用于教学，工作时间短, 且周期性工作。选择V带传动, 皮带的工作表面在短期内不会过量磨损, 而使用寿命能够足够长,无需经常更换。5.2.2 发电机及电动机位置的确定 发电机是汽车电器设备的重要元件之一，是汽车用电设备电源的只要来源，在发动机正常运转时，除向全部车载用电设备（除起动机）供电外，还要向蓄电池进行充电。 因为发电机工作转速约为6000 /，质量为5.66kg,与其连接配合的电动机质量为元件中最大的，并且电动机工作时带有一定的震动，对整个试验台的稳定性会产生一定的影响。所以，在布置电动机时，要确保整个试验台的稳定性。另外，电动机的工作电流较大，需布置在不易触碰到地方，以确保安全。考虑到以上原因，把发电机和电动机的位置确定在板面下方的底架上，这样整个试验台看起来布置有序，稳定性和安全性也得到保障。如图18所示。图 18 发电机和电动机位置示意图 （Fig 18 schematic diagram of the generator and the motor position）5.2.3 蓄电池位置的确定 在实车的供电系统中，蓄电池向发电机供电，发电机也要向蓄电池充电。桑塔纳2000车用蓄电池的外形参数分别为长：297mm、宽175mm、高175mm，属于体积较大的电器元件。 在电源系统中，蓄电池给起动机和发电机供电。蓄电池给起动机供电使起动机工作，起动机在通过起动系统使发动机工作，发动机在带动交流发电机工作。蓄电池给发电机供电，发电机内线圈在通电情况下产生磁场，这是发电机工作的他励过程，当发电机工作到一定程度，内置线圈可由自身供电产生磁场，此时发电机工作变为自励。这时，发电机除了给用电设备供电外，还可以给蓄电池充电。考虑到蓄电池体积的原因和蓄电池与发电机、起动机的工作关系，把蓄电池布置在底架与发电机靠近的地方。布置图如图19所示。图 19 蓄电池位置示意图 （Fig 19 schematic diagram of the battery position）5.3电缆线的连接试验台是根据实车来布置的，试验台上各部件的连接要与实车相同。而且能根据试验台的情况有适当的改变。在整个电源系统中，蓄电池，发电机连接需通过起动机，连接如图20所示：图 20 蓄电池、起动机、发电机电路连接图 （Fig 20 battery, starter, generator circuit connection diagram）6结论 桑塔纳2000Gsi电器试验台选用桑塔纳2