楊成菊 楊成群

汽車交流發(fā)電機(jī)的可靠性探討與改進(jìn)研究

楊成菊1楊成群2

1.閩北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2.東風(fēng)汽車有限公司

該文通過(guò)對(duì)現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外汽車交流發(fā)電機(jī)實(shí)際應(yīng)用的調(diào)查和分析，對(duì)汽車交流發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，影響可靠性的常見問題進(jìn)行歸納與分類，并從使用的角度，分別對(duì)其各部件（定子、轉(zhuǎn)子、軸承、風(fēng)扇、調(diào)節(jié)器、整流器等）進(jìn)行分析與總結(jié)，有針對(duì)性地提出對(duì)常見問題的解決辦法和措施，以使汽車交流發(fā)電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度、熱負(fù)荷、電磁兼容性、噪音、密封防護(hù)等滿足更優(yōu)化的功能要求。

汽車 交流發(fā)電機(jī) 可靠性 改進(jìn)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車市場(chǎng)的日益成熟，尤其是加入WTO后，國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品的示范效應(yīng)和國(guó)內(nèi)同行業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)壓力，使國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)包括汽車電氣行業(yè)也發(fā)生了深刻的變化，產(chǎn)品更新速度加快、產(chǎn)品功能和外觀更加多樣化和人性化、產(chǎn)品可靠性要求顯著提高。本文就汽車交流發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，結(jié)合在生產(chǎn)上的實(shí)踐應(yīng)用，對(duì)如何提高其可靠性進(jìn)行探討。

1　汽車發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與功能

汽車交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、風(fēng)扇、調(diào)節(jié)器、整流器等組成[1]，這些部件必須滿足機(jī)械強(qiáng)度、熱負(fù)荷、電磁兼容性、噪音、密封防護(hù)等方面的功能要求。

因此，從失效后帶來(lái)的后果來(lái)講，定子、轉(zhuǎn)子，軸承、調(diào)節(jié)器、整流器等任何一個(gè)零部件的早期失效（這些失效形式往往和機(jī)械強(qiáng)度、熱負(fù)荷、密封防護(hù)等有關(guān)），都會(huì)帶來(lái)電機(jī)整個(gè)功能的喪失，它們的危害程度是第一位的。而風(fēng)扇、絕緣件、皮帶輪等零部件失效（它們往往也和機(jī)械強(qiáng)度有關(guān)），雖不會(huì)造成電機(jī)整個(gè)功能的喪失，但會(huì)給用戶造成不必要的麻煩，它們重要性是第二位的。而涉及到電磁兼容性、噪音等功能問題，只會(huì)給用戶造成不適，因此應(yīng)屬于第三位[2]。提高電機(jī)的可靠性必須從這些方面入手，有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)完善，做到既保證功能又滿足可靠性要求。

2　汽車發(fā)電機(jī)各機(jī)構(gòu)部件的可靠性探討與改進(jìn)

2.1 汽車發(fā)電機(jī)定子的可靠性探討與改進(jìn)

影響定子可靠性的因素主要有：定子的通風(fēng)散熱能力、機(jī)械連接強(qiáng)度以及其熱負(fù)荷，漆包線、槽絕緣、浸漆的熱級(jí)[3]。對(duì)于內(nèi)風(fēng)扇電機(jī)，由于大部分熱量均需從繞組端部散出，繞組端部需保證一定長(zhǎng)度（一般為22～25mm)[4]，端部長(zhǎng)度過(guò)短會(huì)因散熱不暢引起電機(jī)溫升過(guò)高，過(guò)長(zhǎng)則同樣會(huì)因銅耗過(guò)多引起電機(jī)溫升過(guò)高。而對(duì)于外風(fēng)扇電機(jī)，因其定子散熱主要通過(guò)鐵心進(jìn)行，則沒有必要增加繞組端部長(zhǎng)度。不過(guò)調(diào)整繞組端部長(zhǎng)度只是一種輔助的方法，較有效的方法是在定子外徑一定的前提下，配對(duì)加大爪極及鐵芯長(zhǎng)度，從而減少繞組匝數(shù)，增加繞組線徑，降低定子的線負(fù)荷，從而內(nèi)部降低定子溫升。此外，在機(jī)械連接方面，可采用止口壓緊或螺栓定位的方式來(lái)防止定子在受熱狀態(tài)下，因和端蓋熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的松動(dòng)、打轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2.2 汽車發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的可靠性探討與改進(jìn)

影響轉(zhuǎn)子的可靠性因素主要有機(jī)械強(qiáng)度、電磁或氣動(dòng)噪音、激磁繞組的電流密度以及各組成部件的絕緣性能等[5]。內(nèi)風(fēng)扇發(fā)電機(jī)和外風(fēng)扇發(fā)電機(jī)由于結(jié)構(gòu)不同，對(duì)電機(jī)可靠性的影響也有所不同。對(duì)于外風(fēng)扇發(fā)電機(jī)，影響其可靠性的因素主要為爪極強(qiáng)度、熱處理狀態(tài)以及其與軸的配合狀況，只要在上述方面得到保證，一般不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響可靠性的問題。而對(duì)于內(nèi)風(fēng)扇電機(jī)來(lái)說(shuō)，除了需對(duì)以上問題考慮外，還必須對(duì)爪極的氣動(dòng)和電磁噪音、激磁線圈的防轉(zhuǎn)措施、滑環(huán)的可靠性進(jìn)行綜合控制。

常見問題與改進(jìn)措施：爪極的氣動(dòng)噪音可以用常用的12極電機(jī)為例進(jìn)行分析，由于爪極電機(jī)定子均采用每極3槽的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)爪極便對(duì)應(yīng)定子的36個(gè)槽，此36槽經(jīng)嵌線后便在繞組端部?jī)蛇吀餍纬?6個(gè)不規(guī)則孔洞，此36個(gè)孔洞剛好在位置上對(duì)應(yīng)著爪極的爪根部。對(duì)于12極電機(jī)來(lái)說(shuō)，每個(gè)磁極有6個(gè)極爪和6個(gè)間隔，剛好類似于一個(gè)有6個(gè)均布葉片的風(fēng)扇，當(dāng)爪極高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，爪極根部形成的氣流就穿過(guò)繞組端部的孔洞，引起電機(jī)的嘯叫，形成噪音[5]。因此需在端面增加擋風(fēng)板以阻斷風(fēng)路(如圖1左所示），或者在爪極根部增加倒角（如圖1右示），以降低其風(fēng)扇效應(yīng)。而爪極的電磁噪音是由于電機(jī)的電樞反應(yīng)引起的，這除了保證電機(jī)的氣隙以外（一般0.35mm以上），還需對(duì)爪極側(cè)面倒角,以增大電樞反應(yīng)路徑長(zhǎng)度，削弱電樞反應(yīng)強(qiáng)度，最后便形成菱形爪極（圖1右所示）。對(duì)于激磁線圈來(lái)說(shuō)，由于電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的慣性力，激磁線圈會(huì)相對(duì)于導(dǎo)磁軛發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而拉斷激磁線引起電機(jī)故障。激磁線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)可分為兩種，即激磁線圈架的轉(zhuǎn)動(dòng)、激磁繞組的轉(zhuǎn)動(dòng)，激磁線圈架的轉(zhuǎn)動(dòng)可以通過(guò)在激磁線圈架上增加卡于爪極底部的止動(dòng)凸起來(lái)限制，但激磁繞組的轉(zhuǎn)動(dòng)必須通過(guò)在爪極增加浸漆導(dǎo)向槽和在線圈加上增加浸漆導(dǎo)向孔來(lái)限制，在加熱狀態(tài)下，漆流通過(guò)此導(dǎo)向孔使激磁繞組整體得到浸澤，最后和激磁線圈架形成一個(gè)整體，從而使繞組不能發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)而拽斷引線。對(duì)于滑環(huán)來(lái)說(shuō)，先采用酚醛壓塑料制作成整體形式，再將其壓于轉(zhuǎn)軸上后進(jìn)行接線是一種可靠的方式，它可以避免塑壓過(guò)程形成的短路故障，增加電機(jī)的可靠性。

圖1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子

2.3 汽車發(fā)電機(jī)軸承的可靠性探討與改進(jìn)

軸承作為電機(jī)上的必不可缺部件，其失效形式也必須引起重視，尤其是其固定方式值得探討。一般電機(jī)上由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，位于整流器端的軸承軸相必須處于自由狀態(tài)。在高溫狀態(tài)下，由于軸承（鋼件）和端蓋（鋁件）線膨脹系數(shù)的差異，常溫下配合良好的軸承外圈和端蓋會(huì)處在間隙配合狀態(tài)，軸承高速旋轉(zhuǎn)的摩擦力會(huì)帶動(dòng)軸承外圈發(fā)生旋轉(zhuǎn)，長(zhǎng)期工作后就會(huì)磨損軸承室，最終引起電機(jī)失效。

解決該問題，就需要采用措施將軸承外圈固定，避免其在高溫狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)。最簡(jiǎn)單的方法是調(diào)整軸承室公差帶及公差等級(jí)，如某電機(jī)軸承室采用K6級(jí)公差后，使軸承處于輕過(guò)盈狀態(tài)，軸承室磨損問題即被解決。該方法的缺點(diǎn)是加工公差要求過(guò)高。另一種方法是軸承室和軸承采用過(guò)渡配合，但軸承室內(nèi)開有圓環(huán)槽，圓環(huán)槽內(nèi)嵌有長(zhǎng)圓形截面O型橡膠密封圈，該密封圈和軸承形成過(guò)盈配合，增加軸承旋轉(zhuǎn)阻力，阻礙軸承打轉(zhuǎn)。此種方法增加了工序但降低了加工精度。第三種方法是塑料軸承襯套，其內(nèi)圈和軸承外圈采用過(guò)盈配合，其外圈和軸承室采用間隙配合。其原理是利用塑料的塑性在軸承外圈形成以緊固環(huán)，在光滑的軸承外圈上增加了限位裝置，利用軸承襯套和軸承室的軸向徑向限位配合或者將軸承襯套滾鉚于端蓋上防轉(zhuǎn)。第四種方法是采用聚四氟乙烯軸承襯套防磨，其固定方式和第三種方法相似，但其內(nèi)圈和軸承外圈采用間隙配合，其原理是利用聚四氟乙烯的自潤(rùn)滑性能形成的耐磨性來(lái)避免軸承的磨損。上述方法均通過(guò)了實(shí)際應(yīng)用，防磨損效果均滿足了電機(jī)的使用要求。

2.4 汽車發(fā)電機(jī)整流器的可靠性探討與改進(jìn)

整流器肩負(fù)著將電機(jī)交流電轉(zhuǎn)化為直流電的作用，其可靠性直接影響著整機(jī)的可靠性。整流器是電機(jī)較易發(fā)生故障的部件，其故障原因均可歸結(jié)為熱設(shè)計(jì)不夠，并且整流器的失效（如二極管的擊穿）還可引發(fā)其它部件的失效（如定子燒毀），其設(shè)計(jì)必須從如下方面考慮：第一，單管余量必須足夠大。根據(jù)二極管降額曲線，一般國(guó)產(chǎn)單管容量的選擇必須為整機(jī)輸出的60%～70%左右，才能保證在高溫狀態(tài)下二極管的可靠性。第二，散熱片（板）必須有足夠的體積和表面積，以利于增大整流器抗瞬時(shí)大電流沖擊和散熱。一般要在整流器極板上加盡可能多的散熱筋。第三，一個(gè)可靠的整流器必須能夠承受無(wú)通風(fēng)狀態(tài)下7～8分鐘的電機(jī)輸出電流而不發(fā)生損壞，圖2為某整流器極板的一部分。整流器中金屬連接件必須考慮其電流密度，一般鋼結(jié)構(gòu)件其電流密度不得高于5A/mm2,紫銅連接件電流密度不得高于9A/mm2,塑料連接件需采用聚苯硫醚，塑料支撐件須采用酚醛壓塑料，以避免因連接部位過(guò)熱而引起塑料件、焊錫熔化等影響可靠性的問題[6]。

圖2 某整流器極板的部分

2.5 汽車發(fā)電機(jī)風(fēng)扇的可靠性探討與改進(jìn)

風(fēng)扇作為電機(jī)上的散熱部件，影響整機(jī)可靠性的因素主要是：第一，風(fēng)扇上扇葉和風(fēng)扇本體的連接強(qiáng)度，這在內(nèi)風(fēng)扇電機(jī)上比較明顯。內(nèi)風(fēng)扇電機(jī)為了降低整機(jī)的氣動(dòng)噪音而將風(fēng)扇做于電機(jī)內(nèi)部，風(fēng)扇直徑的減小雖然降低了噪聲的聲級(jí)，但也減小了風(fēng)扇上扇葉和風(fēng)扇本體連接處的寬度，當(dāng)電機(jī)超速(20000r/min)旋轉(zhuǎn)時(shí)，易發(fā)生扇葉折斷現(xiàn)象，因此需在設(shè)計(jì)風(fēng)扇時(shí)加以考慮。第二，風(fēng)扇的通風(fēng)效果問題。在外風(fēng)扇電機(jī)中，由于繞組的冷卻主要通過(guò)鐵芯表面進(jìn)行，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)增加扇葉的數(shù)量、高度和寬度，就可控制繞組和電機(jī)的溫升。而內(nèi)風(fēng)扇電機(jī)，由于其對(duì)電機(jī)的噪音要求比較嚴(yán)格，就不能簡(jiǎn)單按外風(fēng)扇進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)閮?nèi)風(fēng)扇電機(jī)氣動(dòng)噪音不僅包括風(fēng)扇本身產(chǎn)生的噪音，并且還附加了風(fēng)扇氣流沖擊在繞組端部孔穴的噪聲，這就要求內(nèi)風(fēng)扇電機(jī)風(fēng)扇在設(shè)計(jì)時(shí)除了采用不等分結(jié)構(gòu)外，還需降低扇葉軸向高度，增加扇葉數(shù)量，通過(guò)保證電機(jī)通風(fēng)量而降低風(fēng)扇風(fēng)壓，從而將嘯叫噪聲向人耳不敏感的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)移。

2.6 汽車發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器的可靠性探討與改進(jìn)

調(diào)節(jié)器作為交流發(fā)電機(jī)的一個(gè)不可或缺部件，其對(duì)電機(jī)的可靠性影響主要表現(xiàn)在調(diào)節(jié)器失效，調(diào)節(jié)器電磁兼容性較差。國(guó)內(nèi)受制造工藝水平影響，一般采用分立元件制造，過(guò)程控制環(huán)節(jié)的增多，自然會(huì)對(duì)整機(jī)的可靠性產(chǎn)生不利影響。多數(shù)電機(jī)采用了國(guó)外集成型調(diào)節(jié)器，一方面，由于國(guó)外較先進(jìn)的工藝水平和過(guò)程控制能力；另一方面調(diào)節(jié)器采用JT0-3等封裝形式和調(diào)節(jié)器自身的較低功耗而給其元器件提供了一個(gè)相對(duì)寬松的小環(huán)境，所以調(diào)節(jié)器的可靠性一般均較高，為提高整機(jī)的電磁兼容性，一般需在電機(jī)上裝配1～2.2uF電容器，來(lái)抑制電機(jī)換相尖峰和外來(lái)干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)文獻(xiàn)查閱，運(yùn)用比較與分析、實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐驗(yàn)證等方法，對(duì)現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外汽車交流發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中影響可靠性的常見問題進(jìn)行分析與總結(jié)，有針對(duì)性地提出解決辦法和措施，以滿足機(jī)械強(qiáng)度、熱負(fù)荷、電磁兼容性、噪音、密封防護(hù)等更優(yōu)化的功能要求。但汽車交流發(fā)電機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)是一個(gè)全面的過(guò)程，上述僅僅是一部分，還需要在實(shí)踐中不斷摸索、完善和提高。

[1] 秦明華.汽車電器與電子技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2003.

[2] 陳渝光.汽車電器與電子設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[3] 燕來(lái)榮.現(xiàn)代汽車電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r[J].電機(jī)技術(shù),2009(5):41-42.

[4] 孫余凱,等.汽車電器維修入門[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[5] 葉云岳.現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)技術(shù)綜述[J].電機(jī)技術(shù),2005,23(1):3-7.

[6] 王旭東.電力電子技術(shù)在汽車中的應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.