山交院汽车电气设备课件03充电系

第3章

充电系1山东交通学院3.1充电系的作用与组成汽车充电系主要由蓄电池、交流发电机及电压调节器、点火开关、充电指示灯（在仪表盘内）及线路等组成。发电机对除起动机外的所有用电设备供电，并向蓄电池充电，以补充蓄电池在使用中所消耗的电能。现代汽车常用充电指示灯监控充电系统的工作情况。山东交通学院23山东交通学院1-V型带；2-调整臂；3-发电机；4-仪表盘；5-点火开关；6-调节器；7-蓄电池；8-支架总成3.1.1三相同步交流发电三相同步交流发电机的功用是产生三相交流电。它由转子、定子、前后端盖、风扇及皮带轮等组成。4山东交通学院1-后端盖；2-电刷架；3-电刷；4-电刷弹簧后盖；5-整流二极管；6-元件板；7-转子；8-定子；9-前端盖；10-风扇；11-皮带轮1.转子转子是三相同步交流发电机的旋转磁场部分，它是由转子轴、两块爪形磁极、磁轭、励磁绕组（又称磁场绕组）、滑环等部件组成。5山东交通学院1-滑环；2-轴；3-爪极；4-磁轭；5-励磁绕组转子轴采用优质碳钢车削而成，中部有压花，一端有半圆键槽和米制螺纹。导磁用的磁轭用软磁材料制成（低碳钢），压装在轴的中部。励磁绕组用高强度漆包线绕制一定匝数而成，套装在两个磁轭上，线圈的两头分别穿过一块磁极的小孔与彼此绝缘的两个滑环焊接在一起。两个铜环分别与发电机的两个电刷接触。6山东交通学院一块爪极磁化为N极，另一块爪极磁化为S极。交流发电机的磁极一般由六对组成，爪极相互交错压装在励磁绕组外面，形成相互交错的磁极。将转子爪极设计成鸟嘴型的目的是使磁场呈正弦分布，电枢线圈产生感应电动势近似于正弦波形。山东交通学院72.定子定子又称电枢，定子的功能是产生交流电，由定子铁心和定子绕组组成。定子铁心由内圆带槽的环状硅钢片叠成，各硅钢片之间相互绝缘，硅钢片厚度为0.5-1.0mm。定子绕组为三相对称绕组，安装在定子铁心槽内。三相定子绕组的接法分星形接法和三角形接法两种。当绕组采用星形连接方法连接时，三相绕组各引出一个端子，中性点引出一个端子。8山东交通学院三相绕组的绕法上需要遵循以下原则：（1）每相绕组的线圈个数、每个线圈的匝数、每个线圈的大小都必须相等，以保证每相绕组产生的电动势大小相等。（2）三相绕组的首端U、V、W在定子槽内的排列必须间隔120°（单位“°”俗称电角度，是相位差的单位，法定计量单位为rad，1°=π/180）。9山东交通学院3.端盖端盖分前端盖（驱动端盖）和后端盖（整流端盖），其作用是安装轴承和其它零部件，支承转轴，封闭内部构件。交流发电机的前后端盖由铝合金铸成，可减少漏磁，并且具有重量轻、散热性好的优点。端盖外围有通风孔和组装螺孔。前端有突出的安装臂和调整臂。后端盖上安装有电刷组件与调节器总成。电刷组件由电刷、电刷架和电刷弹簧组成。10山东交通学院交流发电机的电刷架有两种形式：外装式电刷架可以从发电机的外面拆装，由于电刷的拆装和更换不需解体发电机，维修方便，因而广泛应用；内装式的电刷已很少采用。11山东交通学院电刷有两个，用于引入励磁电流，电刷安装在电刷架的孔中，借弹簧张力使电刷与滑环保持良好的接触。每只电刷都有一根引线，交流发电机有内、外搭铁之分。12山东交通学院对于内搭铁交流发电机，磁场绕组直接通过交流发电机外壳搭铁，一个电刷引出线接到发电机后端盖上的磁场接线柱（标记为“F”或“磁场”），另一根电刷的引线用螺钉固定在后端盖搭铁接线柱“-”（或标有“搭铁”）上。而外搭铁交流电机的磁场绕组必须通过电压调节器后（交流发电机的外部）再搭铁，故电刷引线必须分别与发电机后端盖“F+”（或F1）和“F-”（或F2）接线柱相连。13山东交通学院4.风扇和皮带轮在发电机前端盖前安装由风扇和V型皮带轮，由发动机通过V型带来驱动发电机带轮和转子转动。发电机的通风散热依靠风扇来实现。风扇由1.5-2.0mm厚的钢板冲制而成，用半圆键装在前端盖的转轴上。发电机的后端盖上有进风口，前端盖上有出风口，当皮带轮与风扇一起旋转时，空气高速流过发电机内部进行强制通风冷却。14山东交通学院1-带轮；2-风扇；3-转子对于一些高档轿车，其发电机的功率大，体积小，为提高散热强度，一般有两个风扇，且将风扇叶片直接焊在转子上。15山东交通学院4-带轮；5，7-风扇；6-转子3.1.2整流器交流发电机的硅整流器将三相交流电变换为直流电向外输出，一般由6只硅二极管和1块元件板组成，元件板及6只硅二极管的安装如图所示。16山东交通学院1.元件板元件板又称散热板，用铝合金制成月牙形。元件板与后端盖用尼龙或其他绝缘材料制成的垫片隔开，并用螺栓通至后端盖外部，作为发电机的输出接线柱，该接线柱为发电机的正极，相应的标记为“B”（或“+”或“电枢”等），元件板上压装3只硅整流正极管。17山东交通学院2.硅整流二极管二极管的引线为二极管的一极，其壳体部分为二极管的另一极。压装在后端盖（或与外壳相通的接地散热板）上的3只硅二极管的壳体为二极管的正极，引线为二极管的负极，称之为负极管，一般管底上打有黑色标记；压装在外壳绝缘散热板上的3只硅二极管的壳体为负极，引线端为二极管的正极，称之为正极管，一般管底上打有红色标记。3只正极管和3只负极管的引线端通过三个接线柱一一对应连接，并分别连接三相绕组的A、B、C端，组成三相桥式全波整流电路。18山东交通学院19山东交通学院3.1.3交流发电机的型号根据国家汽车行业标准QC/T73-1993《汽车电气设备产品型号编制方法》的规定，国产汽车交流发电机的型号主要由下列五大部分组成：第1部分为产品名称代号，交流发电机产品名称代号为JF；整体式交流发电机产品名称代号为JFZ等。J表示“交”，F表示“发”，Z表示“整”，B表示“泵”，W表示“无”。20山东交通学院第2部分为分类代号，即电压等级代号，用1位阿拉伯数字表示，其中有：1表示12V；2表示24V；6表示6V。第3部分为电流等级代号，用1位阿拉伯数字表示。21山东交通学院

电流等级代号发动机类型123456789整体式交流发电机

带泵式交流发电机

无刷式交流发电机

永磁式交流发电机

19

≥20-29

≥30-39

≥40-49

≥50-59

≥60-69

≥70-79

≥80-89

≥90第4部分为设计序号，按产品设计先后顺序，用1位阿拉伯数字表示。第5部分为变形代号，用字母表示，交流发电机是以调整臂的位置作为变形代号。从驱动端看：Y-右边；Z-左边；无字母则表示在中间位置。例如：桑塔纳、奥迪轿车用的交流发电机代号为JFZ1913Z型，其含义为：电压等级为12V、输出电流大于90A、第13代设计，调整臂位于左边的整体式交流发电机。22山东交通学院3.2交流发电机的工作原理与特性3.2.1交流发电机的工作原理交流发电机定子的三相绕组按照一定的规律分布在发电机的定子槽中，依次相差120°电角度。山东交通学院2324山东交通学院25山东交通学院26山东交通学院3.2.2交流发电机的整流原理在交流发电机中，整流器利用硅二极管的单向导电性进行整流，6管交流发电机的整流装置实际相当于由6个硅整流二极管组成的三相桥式整流电路。三个正极管子VD1、VD3、VD5组成共阴极接法，其正极分别与三相绕组的首端相连。在某一瞬时，正极电位最高的那个二极管优先导通；而三个负极管子VD2、VD4、VD6组成共阳极接法。在某一瞬时，负极电位最低的那个二极管优先导通。同时导通的两个管子总是将发电机的电压加在负荷两端。27山东交通学院1.三相桥式全波整流电路将三相交流电变成较平稳的直流电，整流效率高，质量好。2.经整流后的直流电压即是整流发电机的直流输出电压，数值为三相交流电线电压的1.35倍。3.每只二极管在一个周期内只有1/3的时间导通，流过每个管子的负载电流为负载电流的1/3。4.每个二极管所承受的最高反向电压为线电压的最大值。5.中性点接线柱“N”。电压等于发电机输出电压的一半。28山东交通学院29山东交通学院中性点电压UN常用来控制各种用途的继电器，如磁场继电器、充电指示灯继电器等。实际上，对有些发电机（如桑塔纳、奥迪等轿车）来说，在三相绕组的中性点处接入两只中性点二极管（功率二极管），并通过两只中性点二极管与桥式整流器的正、负极输出端相连。当发动机中高速运转，在其他结构不变的情况下，可增加输出功率10%-15%。30山东交通学院3.2.3交流发电机的励磁方式由于交流发电机转子的爪极剩磁较弱，所以发电机在低速运转时，加在硅二极管上的正向电压也很小。此时二极管上的正向电阻较大，较弱的剩磁产生的很小的电动势很难克服二极管的正向电阻，无法使发电机正向电压迅速建立起来，不能满足发电机低速充电的要求。汽车上发电机必须与蓄电池并联，开始发电时，由蓄电池向励磁绕组供电（他励），增强磁场，使发电机输出电压随发动机转速提高而上升很快，这就是交流发电机低速充电性能好的主要原因。31山东交通学院当发电机输出电压高于蓄电池电压时，一般发电机的转速达到1000r/min，即由发电机自己供给励磁电流，也就是由他励转变为自励。由此可见，汽车发电机在输出电压建立前后分别采用他励和自励两种不同的励磁方式。交流发电机的励磁方法是：先它励、后自励。32山东交通学院33山东交通学院九管发电机在六管的基础上，增加了三个小功率硅二极管，专供励磁电流，故称励磁二极管，它同时控制着充电指示灯。三只励磁二极管与三只负极管子同样组成了三相桥式整流电路，“D+”点与火线接柱“B”等电位。34山东交通学院3.2.4交流发电机的工作特性交流发电机的工作特性是指发电机经整流后输出的直流电压U、电流I和转速n之间的关系，包括空载特性、输出特性和外特性。35山东交通学院1.空载特性当发电机空载运行时，发电机端电压U和转速n之间的关系，即负载电流I=0时，U=f(n)的函数关系，称为发电机的空载特性。36山东交通学院2.输出特性是指发电机向负载供电时，保持发电机输出电压恒定（对12V的发电机规定为14V，对24V的发电机规定为28V）的情况下，发电机的输出电流与发电机转速之间的关系，即I=f(n)的函数关系。37山东交通学院(1)发电机的转速甚低时，其端电压低于额定电压，此时发电机不能向外供电，当转速达到空载转速n1时，电压达到额定值；当转速高于空载转速n1时，发电机才有能力在额定电压下向外供电。所以空载转速值n1常用作选择发电机与发动机速比的主要依据。(2)当转速超过n1时，发电机输出电流I将随着转速n的升高和电阻R的减小而增大；当转速等于n2时，发电机输出额定功率(即额定电流与额定电压之积)，故将转速n2称为满载转速。38山东交通学院空载转速和满载转速是交流发电机的主要性能指标，在产品说明书中均有规定。在使用中，应定期测得这两个数据，与规定值相比较，就可判断发电机性能是否良好。(3)当发电机转速达到一定值时，发电机的输出电流就不再随转速的升高和负载电阻R的减小而增大。这时的电流值称为发电机的最大输出电流或限流值。交流发电机的最大输出电流约额定电流的的1.5倍。39山东交通学院3.外特性当发电机转速一定时，发电机端电压U与输出电流I之间的关系，即n为常数时，U=f(I)的函数关系，称为发电机外特性。40山东交通学院3.3发电机电压调节器交流发电机的硅二极管具有单向导电性，它阻止了电流的反向流动，决定了蓄电池不可能向发电机放电而出现逆电流；又因为交流发电机具有限制输出电流不超过最大值的能力，故也不必配用电流限制装置。汽车用交流发电机转速和负载的变化均会引起发电机的输出电压发生较大变化。交流发电机电压调节器的作用就是当发动机转速变化时，自动对发电机的电压进行调节，使发电机的电压稳定，以满足汽车用电设备的要求。山东交通学院413.3.1电压调节器调压的基本原理发电机转速变化时，要使电压保持一定，只有相应地改变磁极的磁通，即当n增大时减小

使电压保持一定。而磁通

的大小取决于磁场电流，所以在转速变化时只要自动调节磁场电流就能保持电压恒定。电压调节器就是利用自动调节磁场电流使磁极磁通改变这一原理来调节发电机电压的。42山东交通学院3.3.2电压调节器的分类交流发电机的电压调节器可分为触点式调节器、晶体管调节器和集成电路调节器，三者的基本原理都是以转速为基础，通过改变励磁电流，来维持发电机输出电压的稳定。晶体管电压调节器的特点：晶体管的开关频率高，且不产生火花，电压调节精度高，还有重量轻、体积小、使用寿命长可靠性高、对无线电干扰小。43山东交通学院集成电路电压调节器除具有晶体管调节器的优点外，还具有超小型的特点，便于安装在发电机内部，减少了外接线，并且冷却效果得到了改善。现广泛应用。44山东交通学院由于交流发电机具有内、外搭铁之分，所以调节器也有内搭铁、外搭铁之分。应使用汽车说明书中指定的调节器，如果采用其它型式的调节器代替，除标称电压等规定参数与原调节器相同外，代用调节器必须与原调节器的搭铁形式相同。对于集成电路调节器，必须是专用的，是不能被代替的。45山东交通学院1.晶体管电压调节器晶体管电压调节器是利用晶体三极管的开关作用，控制发电机励磁电路的通、断。在发电机转速变化时，调节励磁电路的电流，使发电机电压保持稳定。由印刷电路板连成电路，外壳由薄而轻的铝合金制成，表面有散热板，外部有三个接线柱，分别为“+”（或火线）、“”（或搭铁）接线柱、“F”（或磁场）接线柱，分别与发电机的三个接线柱对应连接。46山东交通学院（1）内搭铁晶体管电压调节器内搭铁晶体管调节器基本电路。电阻R1和R2组成一个分压器，分压器两端的电压UAC为发电机的输出电压，则UAB电压反向加在VS上，通常把B点称为检测点。R1的阻值是这样确定的：当发电机输出电压UAC达到规定的调整值时，UAB电压正好等于VS的反向击穿电压，R3为VT1的集电极负载电阻。47山东交通学院（2）外搭铁晶体管电压调节器JFT106型晶体管电压调节器电路，有三个接线柱，其中“+”接线柱与发电机的“F1”接线柱连接后经熔断器连接至点火开关，“F”接线柱与发电机的“F2”接线柱连接，“-”接线柱搭铁。48山东交通学院2.集成电路（IC）电压调节器集成电路电压调节器又称IC调节器，根据使用要求，它把电路中的若干元件集成到同一基片上，制成一个独立的电子芯片。集成电路电压调节器装于发电机内部，称为整体式发电机。49山东交通学院（1）发电机电压检测法发电机电压检测法电路如。加在分压器R1、R2上的电压是磁场二极管输出端L的电压UL，而硅整流发电机输出端B的电压为UB。50山东交通学院（2）蓄电池电压检测法蓄电池电压检测法线路图。加在分压器R1、R2上的电压为蓄电池端电压，由于通过检测点P加到稳压管VD1上的反向电压与蓄电池的端电压成正比。51山东交通学院发电机电压检测法线路，发电机的引出线可以少一根。不足之处在于，当图中B点到蓄电池正极之间的电压降较大时，蓄电池的充电电压将会偏低，使蓄电池充电不足。因此，一般大功率发电机多采用蓄电池电压检测法线路的电压调节器。在采用蓄电池电压检测法线路时，当B点与蓄电池正极之间或S点与蓄电池正极之间断线时，由于不能检测出发电机的端电压，发电机电压将会失控。为了克服这一不足之处，线路上应采取一定的措施。52山东交通学院53山东交通学院3.4汽车交流发电机电路实例3.4.1充电指示灯控制电路目前国内外的汽车上，都装用了充电指示灯，用来检测系统的工作情况。当接通点火开关时，充电指示灯亮；而发动机起动后，发电机正常工作时充电指示灯熄灭。发动机正常工作时，充电指示灯亮突然点亮，说明充电系统有故障，提醒驾驶员注意及时维修。山东交通学院541.利用中性点电压，通过复合继电器控制充电指示灯55山东交通学院2.利用二极管来控制充电指示灯即利用二极管单向导电性控制充电指示灯。56山东交通学院3.4.2奥迪、红旗轿车交流发电机电路整体式11管交流发电机。磁场接柱D+的作用是向励磁绕组提供电流、为调节器提供工作电压及控制充电指示灯。57山东交通学院3.4.3.夏利轿车所用的整体式交流发电机的电路高速整体式交流发电机，采用两个风扇，风扇在发电机内部并直接焊在转子轴上，分别位于转子爪极的两侧，为8管发电机。58山东交通学院3.5充电系的使用维护与故障排除3.5.1充电系统的正确使用为保证电源系统的使用性能，使用中应注意：1.汽车交流发电机均为负极搭铁，蓄电池搭铁极性必须与发电机一致。否则蓄电池将正向电压加在整流二极管上使二极管烧坏。2.发电机运转时，不能短接交流发电机的“B”、“E”端子(即用试火花的方法)来检查发电机是否发电，否则容易烧坏整流二极管。山东交通学院593.当整流器的六只整流二极管与定子绕组连接时，绝对禁止使用220V以上交流电压或兆欧表检查发电机的绝缘情况。4.调节器与交流发电机的搭铁型式、电压等级必须一致。若调节器与发电机的搭铁型式不匹配而又急需使用时，只能通过改变发电机磁场绕组的搭铁型式，使发电机与调节器的搭铁型式一致。60山东交通学院5.发电机正常运行时，切不可任意拆卸各电器的连接线，以防引起电路中的瞬时过电压损坏二极管及调节器中的电子元件或其他电子设备6.蓄电池可起到电容器的作用，即可在一定程度上吸收电路中的瞬时过电压。在发动机运行过程中不要拆下蓄电池连接导线，否则容易造成发电机二极管及调节器中的电子元件的损坏。山东交通学院613.5.2充电系统的维护汽车每行驶15000km，应检查调整驱动带的挠度；每行驶30000km，应将发电机从车上拆下检修一次，主要检查电刷和轴承磨损情况。新电刷高度为14mm，磨损至7-8mm时，应当更换新电刷；轴承如有显著松动，应予更换新品。62山东交通学院1.检查驱动带外观用肉眼观察驱动带有无裂纹和破损现象，如有则应更换驱动带。63山东交通学院2.检查驱动带挠度检查时，在两个驱动带轮之间驱动带的中央部位施加100N压力，此时驱动带的挠度应符合规定值。新驱动带（从未用过的驱动带）一般为5-7mm，旧驱动带（装车发动机运转超过5min的驱动带）一般为10-14mm。64山东交通学院3.检查导线连接（1）检查各导线的连接部位是否正确。（2）发动机“B”端子必须加装弹簧垫圈。（3）采用线束连接器连接的发电机，其插头与插座必须用锁紧卡簧锁紧，不得有松动现象。65山东交通学院4.在交流发电机出现故障特别是机械故障（如轴承破碎、转子轴弯曲等）后，当发电机运转时，都会发出异常响声。检查时，逐渐加大发动机油门，同时监听发电机有无异常响声。如有异常响声，则需拆下发电机分解检修。66山东交通学院3.5.3交流发电机的检修1.解体与清洗

首先将发电机表面清理干净，旋下两端盖之间的紧固螺栓，取出外装式电刷盒。然后拆下后端盖轴承小护盖，用挤压或轻击的方法，分离转子、定子、后端盖，取出后轴承，用同样方法将前端盖从转子轴上取下，拿出前轴承，最后依次解体各组成。除绝缘部件外，所有零件均用汽油或煤油清洗干净，擦干待检。67山东交通学院2.转子检查（1）检查励磁绕组的短路或断路。正常阻值为2.6-6Ω（各型号发电机有差异）。若阻值小于正常值，则为短路；若阻值为无穷大，则为线头脱焊或断路。68山东交通学院（2）转子摆差检验。用百分表检验转子摆差，其值小于0.10mm为合格，否则应校正。

69山东交通学院（3）励磁绕组和滑环搭铁检验。万用表两表针分别触轴和滑环。示数无限大为良好。若有阻值说明有搭铁故障，应检修。（4）滑环的厚度不小于1.5mm，圆度误差不超过0.025mm，表面粗糙度不大于2.5μm，否则应更换。70山东交通学院(3)定子检查。用万用表检查定子绕组是否断路；检查定子绕组是否搭铁。71山东交通学院（4）检查整流二极管。在检查硅二极管时，应首先将定子线圈的引线与二极管连线拆开，然后用万用表二极管挡测量每个二极管的正向导通电压，单位为毫伏。（5）检查电刷和电刷架。电刷长度不得小于7mm，否则应及时更换。电刷架无裂等。（6）试验台动态检测。可在试验台上进行发电机空载试验和负荷试验，测出发电机在空载和满载情况下发出额定电压时对应的最小转速，从而判断发电机的工作是否正常。72山东交通学院①空载试验。待试发电机固定在试验台上，由另外的调速电动机拖动。合上开关S1，有蓄电池供给发电机励磁电流进行他励，当发电机转速为1000r／min时，对12V电系发电机电压应为14V,对24V电系发电机电压应为28V。73山东交通学院②负荷试验。断开开关S1，发电机转为自励，合上开关S2，调节可调电阻R，在发电机转速为1000r／min时，发电机电压应大于12V或24V；在发电机转速为2500r／min时，电压应达到14v或28V，电流应达到或接近该发电机的额定电流。74山东交通学院（7）交流发电机的就车检验。发电机还可以在汽车上进行试验。将蓄电池搭铁线暂时拆下，把一块0-40A的电流表串接到发电机火线B接线柱与火线原接线之间，再把一块0-50V的电压表接到B与E之间，再恢复蓄电池的搭铁线，以保证操作安全。起动机启动发动机，并提高转速，当发电机转速为2500r／min时，电压应在14V或28V以上，电流应为10A左右。此时打开前照灯、雨刮器等负荷，电流若为20A左右，则表明发电机工作正常。75山东交通学院3.5.4充电系常见故障与排除

正常情况是：当打开点火开关时，充电指示灯亮，起动发动机后，充电指示灯应熄灭。一般充电系的故障现象有以下几种情况：1.发动机起动后，充电指示灯仍亮。

2.发动机起动后，充电指示灯亮，发动机高速运行时，充电指示灯熄灭。3.汽车运行时，经常烧灯泡、熔丝及各种开关等电器设备。4.打开点火开关，充电指示灯不亮。5.汽车运行时，发电机或传动带有异响。76山东交通学院（1）发动机起动后，充电指示灯仍亮这种情况说明发电机没有发电，但是故障不一定在发电机本身。在检查故障时先分清调节器是否单独安装。①调节器单独安装的情况。在诊断之前，先检查发电机传动带有无松滑现象，检查调节器的火线是否正常。当上述检查均为正常时，然后再做进一步诊断。77山东交通学院1-发电