牟 亮

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

?

汽車電子

淺析汽車發(fā)電機(jī)

牟 亮

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

簡(jiǎn)單介紹了發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和發(fā)電系統(tǒng)各組成部分的原理。解決了在看整車電氣原理圖時(shí)候只能看到一個(gè)發(fā)電系統(tǒng)符號(hào)，而看不懂里面的組成與原理的問(wèn)題。在以后的研究工作中，提供有用的關(guān)于發(fā)電系統(tǒng)方面的技術(shù)資料。

發(fā)電機(jī)；整流二極管；電壓調(diào)節(jié)器；充電指示燈

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.034

CLC NO.: U463.63+1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-96-04

引 言

汽車電器系統(tǒng)包括啟動(dòng)、發(fā)電、照明、儀表等，而汽車發(fā)電系統(tǒng)是汽車電器系統(tǒng)里面唯一為整車產(chǎn)生和提供電源的系統(tǒng)。汽車發(fā)電機(jī)是汽車的主要電源，其功用是在發(fā)動(dòng)機(jī)?正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)（怠速以上），向所有用電設(shè)備（起動(dòng)機(jī)?除外）供電，同時(shí)向蓄電池充電。

隨著汽車?技術(shù)的進(jìn)步，汽車的用電量越來(lái)越高。20年前，中級(jí)轎車的發(fā)電機(jī)輸出功率一般只有500瓦左右，現(xiàn)在一般中級(jí)轎車發(fā)電機(jī)都在1000瓦左右?，F(xiàn)代汽車的快速發(fā)展， 推動(dòng)了機(jī)動(dòng)車的多樣化。不同類型的汽車， 電氣化和自動(dòng)化水平（或程度） 各有所異，都得到了提高。但他們都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是用電量的消耗需求不斷增大， 從而對(duì)提供電能的交流發(fā)電機(jī)提出了更高的要求。發(fā)電機(jī)功率的增加是隨著車上用電設(shè)備增加而增加的?，F(xiàn)在汽車上的發(fā)電機(jī)都是風(fēng)冷式發(fā)電機(jī)，由皮帶輪后的風(fēng)扇吹風(fēng)進(jìn)入機(jī)殼進(jìn)行冷卻。在現(xiàn)有風(fēng)冷式發(fā)電機(jī)構(gòu)造的限制下，功率的增加必然會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)體積的加大。為了幫助新員工對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的了解，以下從結(jié)構(gòu)原理等方面對(duì)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行淺析。

1、發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)是汽車的主要電源，其功用是在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，向所有用電設(shè)備（啟動(dòng)機(jī)除外）供電，同時(shí)給蓄電池充電。汽車用發(fā)電機(jī)可分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)，由于交流發(fā)電機(jī)的性能在許多方面優(yōu)于直流發(fā)電機(jī)，直流發(fā)電機(jī)已被淘汰。目前汽車采用三相交流發(fā)電機(jī)，內(nèi)部帶有二極管整流電路，將交流電整流為直流電，所以，汽車交流發(fā)電機(jī)輸出的是直流電。交流發(fā)電機(jī)必須配裝電壓調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行控制，使其保持基本恒定，以滿足汽車用電器的需求。

圖1　型9管交流發(fā)電機(jī)電路圖

由圖1可以看出，發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、二極管整流電路、調(diào)節(jié)器、外部充電指示燈電路等組成。

發(fā)電機(jī)定子線圈分星形繞法和三角形繞法。如下圖2所示：

圖2　

星形繞法優(yōu)點(diǎn)：發(fā)電機(jī)電壓建立快，相同低轉(zhuǎn)速情況下電壓比三角形繞法高。

三角形繞法優(yōu)點(diǎn)：相同條件下輸出電流大，大功率發(fā)電機(jī)多采用此繞法。

2、發(fā)電機(jī)工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生電壓電流，再通過(guò)二級(jí)管整流，使交流電變成直流電，這時(shí)的直流電壓隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，形成不穩(wěn)定的電壓，再通過(guò)調(diào)節(jié)器時(shí)變化的直流電壓穩(wěn)定在12V左右，最后生成的直流穩(wěn)定的電壓給外部用電設(shè)備提供電源和為蓄電池充電。

2.1發(fā)電機(jī)原理

圖3　交流發(fā)電機(jī)發(fā)電原理示意圖

如圖3所示，發(fā)電機(jī)定子的三相繞組按一定規(guī)律分布在發(fā)電機(jī)的定子槽中，內(nèi)部有一個(gè)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上安裝著爪極和勵(lì)磁繞組。當(dāng)外電路通過(guò)電刷使勵(lì)磁繞組通電時(shí)，便產(chǎn)生磁場(chǎng)，使爪極被磁化為N極和S極。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁通交替地在定子繞組中變化，根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，定子的三相繞組中便產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

2.1.1交流電動(dòng)勢(shì)的變化頻率f和轉(zhuǎn)速、磁極對(duì)數(shù)成正比

式中：p－磁極對(duì)數(shù)

n－發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）在交流發(fā)電機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子磁極呈鳥嘴形，其磁場(chǎng)的分布近似正弦規(guī)律，所以交流電動(dòng)勢(shì)的波形也近似正弦規(guī)律，如果發(fā)電機(jī)定子的三相繞組是對(duì)稱繞制的則產(chǎn)生的三相電動(dòng)勢(shì)也是對(duì)稱的。

2.1.2三相交流發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值表達(dá)式：

式中：Em－每相電動(dòng)勢(shì)的最大值－每相電動(dòng)勢(shì)的有效值

w－電角速度

2.1.3定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值的表示

式中：K-繞組系數(shù)（和發(fā)電機(jī)定子繞組的繞線方式有關(guān) ）

N-每相繞組的匝數(shù)（單位：匝）

Ce-電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)（）-稱為相電動(dòng)勢(shì)。

由此可見，當(dāng)交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)一定時(shí)（結(jié)構(gòu)常數(shù) 不變），相電動(dòng)勢(shì)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、磁通成正比。

將電流引入到勵(lì)磁繞組使之產(chǎn)生磁場(chǎng)稱為勵(lì)磁。除了永磁式交流發(fā)電機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁以外，其他形式的交流發(fā)電機(jī)都需要?jiǎng)?lì)磁，因?yàn)樗鼈兊拇艌?chǎng)都是電磁場(chǎng)，必須給勵(lì)磁繞組通電才會(huì)有磁場(chǎng)產(chǎn)生而發(fā)電，否則發(fā)電機(jī)將不能發(fā)電。交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式有自勵(lì)和他勵(lì)兩種。

2.1.4他勵(lì)

在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)（發(fā)動(dòng)機(jī)未達(dá)到怠速轉(zhuǎn)速），自身不能發(fā)電，需要蓄電池供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組電流，使勵(lì)磁繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)發(fā)電。這種由蓄電池供給磁場(chǎng)電流發(fā)電的方式稱為他勵(lì)發(fā)電。

2.1.5自勵(lì)

隨著轉(zhuǎn)速的提高（一般在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到怠速時(shí)），發(fā)電機(jī)定子繞組的電動(dòng)勢(shì)逐漸升高并能使整流器二極管導(dǎo)通，當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電壓 UB大于蓄電池電壓時(shí)，發(fā)電機(jī)就能對(duì)外供電了。當(dāng)發(fā)電機(jī)能對(duì)外供電時(shí)，就可以把自身發(fā)的電供給勵(lì)磁繞組，這種自身供給磁場(chǎng)電流發(fā)電的方式稱為自勵(lì)發(fā)電。

交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁過(guò)程是先他勵(lì)后自勵(lì)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到正常怠速轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出電壓一般高出蓄電池電壓 1～2V以便對(duì)蓄電池充電，此時(shí)，由發(fā)電機(jī)自勵(lì)發(fā)電。

2.2整流原理

交流發(fā)電機(jī)定子的三相繞組中，感應(yīng)產(chǎn)生的是交流電，是通過(guò) 6只二極管組成的三相橋式整流電路整流為直流電的，整流電路如圖4a所示。

二極管具有單向?qū)ㄐ裕?dāng)給二極管加上正向電壓時(shí)二極管導(dǎo)通， 當(dāng)給二極管加上反向電壓時(shí)二極管截止。將定子的三相繞組和6只整流二極管按圖4a的電路連接，發(fā)電機(jī)的輸出端B、E上就輸出一個(gè)脈動(dòng)直流電壓，如圖4c所示，這就是發(fā)電機(jī)的整流原理。

圖4　交流發(fā)電機(jī)整流原理

2.3電壓調(diào)節(jié)器

由于交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的，且發(fā)動(dòng)機(jī)和交流發(fā)電機(jī)的速比為1.7～3，因此交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化范圍非常大，這樣將引起發(fā)電機(jī)的輸出電壓發(fā)生較大變化，無(wú)法滿足汽車用電設(shè)備的工作要求。為了滿足用電設(shè)備恒定電壓的要求，交流發(fā)電機(jī)必須配用電壓調(diào)節(jié)器才能工作。

電壓調(diào)節(jié)器是把發(fā)電機(jī)輸出電壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)的裝置，其功用是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)電壓保持恒定，使其不因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)電壓過(guò)高燒壞用電器和導(dǎo)致蓄電池過(guò)充電；也不會(huì)因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低而電壓不足導(dǎo)致用電器工作失常。

電壓調(diào)節(jié)器控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓，12V系統(tǒng)控制在14V左右，根據(jù)安裝形式分內(nèi)置式和外置式，內(nèi)置式是將電壓調(diào)節(jié)器裝在發(fā)電機(jī)內(nèi)部（為整體式交流發(fā)電機(jī)），目前大部分使用該結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)發(fā)電機(jī)負(fù)載變化反映快，發(fā)電機(jī)輸出電壓控制精度高，該形式對(duì)電壓調(diào)節(jié)器的耐溫耐震等可靠性要求較高，一旦損壞更換很麻煩，現(xiàn)在的工藝水平能滿足使用要求；外置式是將電壓調(diào)節(jié)器裝在駕駛室內(nèi)部，對(duì)溫度、濕度、震動(dòng)等要求低，現(xiàn)在低檔次的車及特殊要求的還用該形式，如公司的小卡康鈴、出口沙特（高溫）輕卡、農(nóng)用車。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前交流發(fā)電機(jī)幾乎全部采用電子調(diào)節(jié)器。其優(yōu)點(diǎn)是：電壓調(diào)節(jié)精度高，且不產(chǎn)生火花，還具有重量輕、體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高、電波干擾小等優(yōu)點(diǎn)。交流發(fā)電機(jī)的三相繞組產(chǎn)生的相電動(dòng)勢(shì)有效值為即交流發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和磁極磁通成正比。

當(dāng)轉(zhuǎn)速n升高時(shí)，Eφ增大，發(fā)電機(jī)輸出端電壓UB升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到一定值時(shí)，輸出端電壓達(dá)到限定值，要想使發(fā)電機(jī)的輸出電壓UB不再隨轉(zhuǎn)速的升高而上升，只能通過(guò)減小磁通Ф來(lái)實(shí)現(xiàn)。又因磁極磁通Ф與勵(lì)磁電流If成正比，所以減小磁通Ф也就是減小勵(lì)磁電流If。

所以，交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)壓原理是：當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，調(diào)節(jié)器通過(guò)減小發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流If來(lái)減小磁通Ф，使發(fā)電機(jī)的輸出電壓UB保持不變；當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，調(diào)節(jié)器通過(guò)增大發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流If來(lái)增加磁通Ф，使發(fā)電機(jī)的輸出電壓UB保持不變 。

工作原理如圖5所示：

圖5　型9管交流發(fā)電機(jī)電路

①點(diǎn)火開關(guān)SW剛接通時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)不發(fā)電，蓄電池電壓加在分壓器 R1、R2上，此時(shí)因 UR1較低不能使穩(wěn)壓管VS的反向擊穿，VT1截止，VT1截止使得VT2導(dǎo)通，發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電路接通，此時(shí)由蓄電池供給磁場(chǎng)電流。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，發(fā)電機(jī)他勵(lì)發(fā)電，電壓上升。

②當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓升高到大于蓄電池電壓時(shí)，發(fā)電機(jī)自勵(lì)發(fā)電并開始對(duì)外蓄電池充電，如果此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出電壓 UB＜調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)上限UB2，VT1繼續(xù)截止，VT2繼續(xù)導(dǎo)通，但此時(shí)的磁場(chǎng)電流由發(fā)電機(jī)供給，發(fā)電機(jī)電壓隨轉(zhuǎn)速升高迅速升高。

③當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓升高到等于調(diào)節(jié)上限UB2時(shí)，調(diào)節(jié)器對(duì)電壓的調(diào)節(jié)開始。此時(shí)VS導(dǎo)通，VT1導(dǎo)通，VT2截止，發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電路被切斷，由于磁場(chǎng)被斷路，磁通下降，發(fā)電機(jī)輸出電壓下降。

④當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓下降到等于調(diào)節(jié)下限 UB1時(shí)，VS截止，VT1截止，VT2重新導(dǎo)通，磁場(chǎng)電路重新被接通，發(fā)電機(jī)電壓上升。這樣周而復(fù)始，發(fā)電機(jī)輸出電壓UB被控制在一定范圍內(nèi)，這就是電子調(diào)節(jié)器的工作原理。

2.4指示燈工作原理

① 當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)接通時(shí)，發(fā)電機(jī)未發(fā)電，由蓄電池供給磁場(chǎng)電流。此時(shí)充電指示燈亮，表示蓄電池放電，發(fā)電機(jī)他勵(lì)。

② 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)速升高到怠速及其以上時(shí)，發(fā)電機(jī)應(yīng)能正常發(fā)電并對(duì)外輸出，此時(shí)，磁場(chǎng)電流由發(fā)電機(jī)供給，發(fā)電機(jī)自勵(lì)發(fā)電。若沒(méi)有熄滅，說(shuō)明發(fā)電機(jī)不發(fā)電或充電指示燈電路有故障。

③ 發(fā)電機(jī)熄火后，由于發(fā)電機(jī)不再發(fā)電，如果沒(méi)有關(guān)斷點(diǎn)火開關(guān)，蓄電池會(huì)通過(guò)磁場(chǎng)電路向勵(lì)磁繞組放電，充電指示燈會(huì)再次發(fā)亮，可提醒駕駛員關(guān)斷點(diǎn)火開關(guān)，避免蓄電池放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)燒壞勵(lì)磁繞組和引起蓄電池虧電。

2.5發(fā)電機(jī)接線柱介紹

圖6　

如圖6所示：B:發(fā)電機(jī)輸出線E：發(fā)電機(jī)接地線L：發(fā)電機(jī)充電指示燈S：蓄電池電壓檢測(cè)線

3、結(jié)論

本文介紹了乘用車發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，淺析了發(fā)電系統(tǒng)中整流二極管和電壓調(diào)節(jié)器的作用，解讀了充電指示燈與接線柱在發(fā)電系統(tǒng)中的用途。

[1] 麻友良.汽車電器與電子控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社,2010.7.

[2] 陳立東.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)用及研發(fā)現(xiàn)狀.汽車電器. 2013.4.

[3] 焦利民.汽車發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器的發(fā)展.汽車制造業(yè).2004.3.

[4] 王正先.汽車發(fā)電機(jī).汽車知識(shí).2003.7.

Analysing of the power generation system

Mou Liang
（Anhui jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

This article simply introduces the structure of the power generation system and the principle of the power generation system. This paper solved the problem that when we see vehicle electrical principle diagram we can only see a symbolic power generation systems and don't understand the inside composition and principle. The article provides useful technical information on power systems for employees of the company in the later work.

generator; commutation diode; voltage regulator; charging indicator.

牟亮，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

U463.63+1

B

1671-7988 （2016）06-96-04