袁涌, 葉欣，張星，范韜

(泛亞汽車技術中心有限公司試驗認證部,上海 200120)

0 引言

汽車發(fā)電機作為汽車電源系統(tǒng)的主要供電裝置，為汽車點火系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等各大系統(tǒng)供電，尤其是智能啟停汽車技術、新能源汽車技術、電動汽車技術的發(fā)展對發(fā)電機的依賴越來越明顯[1]。發(fā)電機在售后市場上主要的失效形式是發(fā)電機輸出電壓不穩(wěn)、發(fā)電機損壞不發(fā)電以及發(fā)電機軸承磨損異響等[2-3]。而在整車耐久腐蝕試驗中，某款發(fā)電機卻常發(fā)生燒蝕失效，失效形式與售后表現(xiàn)不符。作者探究了該款發(fā)電機在整車耐久腐蝕試驗中的失效機制，并給予試驗驗證，最后針對失效模式與試驗方法，給出了改進發(fā)電機結構和試驗方法的建議。

1 發(fā)電機燒蝕失效現(xiàn)象

以某款發(fā)電機為例，一般交流發(fā)電機是由轉子、定子、整流器、風扇葉輪等組成[3]，如圖1所示。在整車耐久試驗中，如果不帶腐蝕，發(fā)電機不會發(fā)生燒蝕失效；而如果帶腐蝕試驗(腐蝕試驗主要包括鹽水侵入、鹽霧噴灑、高溫高濕環(huán)境艙等)，則發(fā)電機會頻繁失效。

發(fā)電機的主要失效形式有兩種：一種是定子與轉子卡死，另一種是發(fā)電機內(nèi)部線圈絕緣層融化且燒蝕。對于第一種失效形式，主要出現(xiàn)在試驗車輛經(jīng)過腐蝕之后，由于其他原因長時間未啟動，定轉子線圈腐蝕膨脹導致。這種失效模式出現(xiàn)比較少。而絕大多數(shù)的失效模式是第二種，駕駛員在行車過程中突然發(fā)現(xiàn)蓄電池故障燈會點亮，在車內(nèi)會聞到焦糊味，發(fā)電機不發(fā)電，拆解下來的燒蝕失效的發(fā)電機見圖2。

圖1 某款發(fā)電機的結構圖

圖2 發(fā)電機燒蝕

發(fā)電機在耐久試驗中的失效里程分布如圖3所示，它顯示了某款發(fā)電機在不同車型上的失效里程情況。可知：失效里程主要集中在1 000～25 000 km的試驗里程，但也存在早期失效(1 000 km以下)或者長期失效(25 000 km以上)。而在1 000～25 000 km中的分布情況也相對均勻，這表明了發(fā)電機失效里程的一定的隨機性。

圖3 發(fā)電機失效里程分布

2 根本原因分析

從上面的分析來看，發(fā)電機的失效可能并非受到單一因素影響。為了找出發(fā)電機失效的主要原因，圖4分析了可能導致發(fā)電機失效的現(xiàn)象和潛在失效原因。

圖4 發(fā)電機失效根本原因分析

發(fā)電機第一種失效的原因非常清楚，腐蝕車輛長期停放導致定、轉子線圈腐蝕膨脹，進而定、轉子咬死。而絕大多數(shù)失效是定子線圈絕緣層融化且燒蝕。發(fā)電機正常工作溫度在200 ℃以內(nèi)，超過200 ℃以上線圈絕緣層迅速融化，所以異常高溫是導致該類失效的直接因素。而高溫產(chǎn)生的可能性有兩種:(1)鹽顆粒進入定、轉子線圈而磨損表面涂層產(chǎn)生高溫；(2)發(fā)電機先短路，然后產(chǎn)生了短路高溫。為了驗證整車試驗中的發(fā)電機升溫情況以及判斷異常高溫來源，下面設計了2種試驗來證實與判斷。

2.1 整車耐久腐蝕發(fā)電機溫升試驗

為了跟蹤全過程耐久試驗的發(fā)電機溫度，將熱電偶埋于發(fā)電機內(nèi)部，將溫度信號與CAN總線信號通過4G技術遠程傳輸?shù)胶笈_，實現(xiàn)全過程發(fā)電機溫度跟蹤。試驗策略如圖5所示。

裝載相同發(fā)電機的兩輛某相同車型，同時開始試驗，裝發(fā)電機1的車輛執(zhí)行耐久腐蝕試驗(主要工況為壞路、高速、腐蝕試驗、坡道等)，裝發(fā)電機2的車輛執(zhí)行不帶腐蝕的整車耐久試驗。兩輛車的工況完全相同，通過熱電偶記錄發(fā)電機各個工況下的溫度，利用遠程傳輸技術將車輛的工況數(shù)據(jù)予以記錄，試驗直至任一發(fā)電機損壞為止。試驗結果如表1所示。

圖5 發(fā)電機溫升試驗對比方法

發(fā)電機型號試驗規(guī)范試驗里程試驗時間是否失效鹽濺路次數(shù)發(fā)電機1整車耐久腐蝕試驗5600km14天是42次發(fā)電機2整車耐久試驗5600km14天否NA

兩個發(fā)電機經(jīng)過14天的試驗，發(fā)電機1燒蝕，發(fā)電機2正常工作。圖6對比了兩個試驗的發(fā)電機全過程的試驗溫度分布：發(fā)電機2的溫度分布整體穩(wěn)定，趨近正態(tài)分布，主要分布在60～120 ℃之間，屬于正常工作溫度；發(fā)電機1的溫度整體趨向相對較高的偏態(tài)分布，主要分布在60～160 ℃之間，并在失效的時刻達到了300 ℃，最終導致發(fā)電機燒蝕。

圖6 發(fā)電機整車溫升試驗溫度對比

而結合車輛工況和發(fā)電機的溫度數(shù)據(jù)來看，當車輛進入低速工況的時候，發(fā)電機的溫度顯著升高，而在車輛以中高速行駛的過程中，發(fā)電機的溫度在下降。圖7顯示了兩個發(fā)電機在低速工況下的日均溫升情況。從結果來看，發(fā)電機1和發(fā)電機2在試驗初期低速工況下溫升處于相對穩(wěn)定且是同一個水平。但是隨試驗時間的增加，尤其是第12天之后，發(fā)電機1的溫度在低速工況下顯著升高。

圖7 整車低速工況下發(fā)電機的溫升情況

對比兩種試驗工況可知：不帶腐蝕的耐久試驗，發(fā)電機可以跑完整個試驗而不發(fā)生失效，所以腐蝕工況是發(fā)電機是否失效的前提條件；而腐蝕試驗中，發(fā)電機臺架試驗也同樣有鹽霧噴灑試驗，并且發(fā)電機能夠通過臺架試驗；但是車輛快速通過鹽濺路所濺起的大量鹽水會侵入發(fā)電機內(nèi)部而積累大量鹽顆粒。所以可以判斷為鹽水入侵產(chǎn)生高溫，從而導致發(fā)電機失效。為了進一步判斷鹽水侵入和產(chǎn)生高溫之間的關系，需要進一步用臺架試驗加以驗證。

2.2 發(fā)電機鹽水侵入臺架試驗

為了探索發(fā)電機失效的原因是發(fā)電機短路導致的高溫失效，還是發(fā)電機內(nèi)部鹽顆粒摩擦產(chǎn)生高溫致使絕緣層融化線圈短路導致的失效，需要設計試驗臺架，并布置熱電偶和電壓檢測裝置。臺架試驗的核心是判斷高溫和短路哪一個現(xiàn)象先于對方發(fā)生。

如圖8所示：電動機1通過皮帶2帶動發(fā)電機4轉動，用于模擬發(fā)電機通過皮帶被發(fā)動機帶動；水泵5將鹽水槽6的鹽水泵出，通過鹽水噴頭3噴鹽水給發(fā)電機4；發(fā)電機4產(chǎn)生的電流被負載8所消耗。發(fā)電機置于環(huán)境艙7中，用于模擬整車發(fā)動機艙的溫度。發(fā)電機鹽水侵入臺架試驗現(xiàn)場如圖9所示。試驗條件見表2。

臺架試驗條件的參數(shù)設置原則是模擬整車保持低速行駛，然后每隔固定間隔時間通過鹽濺路工況。加載上述試驗條件之后，發(fā)電機溫度變化過程如圖10所示，正常溫度基本穩(wěn)定在104 ℃左右，當鹽水噴灑上發(fā)電機(圖中t=2.5 h附近)，發(fā)電機溫度迅速降低至60 ℃左右，然后緩慢升至原溫度。

圖8 發(fā)電機鹽水侵入臺架試驗原理圖

圖9 發(fā)電機鹽水侵入臺架試驗

臺架試驗關鍵參數(shù)設定值電動機轉速/(r·min-1)2000負載電流/A70環(huán)境艙溫度/℃70鹽水噴灑頻率/(次·天-1)3鹽水噴灑間隔時間/h2.5噴灑鹽水持續(xù)時間/s2

圖10 發(fā)電機臺架試驗溫度變化

在上述過程中，發(fā)電機溫度按照圖10不斷重復，所測的電壓信號始終正常。經(jīng)過14天的試驗，發(fā)電機燒蝕，發(fā)電機失效時刻的發(fā)電機溫度和電壓信號對比如圖11所示。

圖11 發(fā)電機失效時刻溫度和電壓信號對比

由圖11可以看出：在試驗時間t=114.52 h左右(途中虛線處)，交流電壓信號開始波動，此時表明發(fā)電機已經(jīng)開始間歇性短路，而此時對應的發(fā)電機溫度則為90 ℃，沒有達到發(fā)電機內(nèi)部線圈絕緣層融化的溫度，并且從溫度的變化斜率來看，發(fā)電機開始短路的時刻前后發(fā)電機溫升的斜率有著明顯的不同，這表明發(fā)電機鹽水入侵失效，最根本的失效原因是發(fā)電機內(nèi)部短路，而高溫是發(fā)電機短路產(chǎn)生的附屬現(xiàn)象。

2.3 整車試驗與臺架試驗發(fā)電機拆解對比

發(fā)電機在整車耐久腐蝕試驗和臺架鹽水入侵試驗下，同樣經(jīng)歷14天的試驗時間，發(fā)電機都產(chǎn)生了失效，通過兩種試驗，明確了發(fā)電機內(nèi)部短路是發(fā)電機失效的根本原因。為了進一步明確何種內(nèi)部結構發(fā)生了短路，以及驗證兩種試驗的發(fā)電機是同一種失效模式，需要對兩種試驗下失效的發(fā)電機進行拆解，拆解實圖如圖12所示。

圖12 失效發(fā)電機拆解對比

從拆解圖中看出：兩個失效的發(fā)電機同樣都是整流橋的正極位置產(chǎn)生了燒蝕或者銅綠，整流橋的電路已經(jīng)短路，而正極表面與發(fā)電機殼體負極的間隙不足2 mm，表面和附近都積攢了大量鹽顆粒，說明此處正是發(fā)電機短路的位置。發(fā)電機在高溫下被鹽水入侵，鹽水在高溫下迅速蒸發(fā)，而鹽顆粒不斷積累在發(fā)電機整流橋的較小間隙處。當鹽顆粒不斷填滿間隙或者鹽水入侵的瞬間，在整流橋正極和發(fā)電機殼體負極處產(chǎn)生了短路，短路產(chǎn)生了高溫，高溫進一步融化內(nèi)部線圈絕緣層，加劇了發(fā)電機失效的速度。

3 發(fā)電機短路失效解決措施建議

從根本原因分析來看，該發(fā)電機有此類短路失效，直接原因是鹽水入侵，根本原因是發(fā)電機整流橋與殼體的間隙太小，容易累積鹽粒。解決方式可以在兩者之間增加絕緣涂層或者絕緣結構[4]，如圖13所示。

圖13 發(fā)電機加涂層整流橋

考核發(fā)電機的試驗方式應該側重發(fā)電機的防鹽水短路特性。目前臺架試驗只有鹽霧噴灑試驗或者清水入侵實驗，沒有環(huán)境溫度的影響，也沒有鹽水的侵入，都無法復現(xiàn)整車耐久腐蝕試驗中的腐蝕短路問題。

為了在開發(fā)過程中早期發(fā)現(xiàn)問題，應該改進發(fā)電機臺架試驗的方式，除了發(fā)電機現(xiàn)有的性能試驗，還需要增加高溫、高濕和高鹽的試驗考核方式，用于覆蓋中國最嚴苛的用戶使用環(huán)境。發(fā)電機臺架試驗需要增加如圖14所示的試驗認證方式。

圖14 發(fā)電機腐蝕試驗認證方式

發(fā)電機應該通過鹽水侵入臺架試驗、整車耐久腐蝕試驗以及海南夏季試驗的考核。而整車耐久腐蝕試驗中的濕度、溫度與鹽度應該覆蓋實際的嚴苛的客戶使用；鹽水入侵臺架試驗條件應該由整車對發(fā)電機的工況輸入；最后，根據(jù)各項試驗的結果對發(fā)電機進行結構優(yōu)化。

4 結論

(1)總結了某款發(fā)電機在整車耐久腐蝕試驗中的失效現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機出現(xiàn)了過早燒蝕失效，且與試驗里程關系不大。

(2)對比了不帶腐蝕和帶腐蝕的整車耐久試驗的發(fā)電機溫升情況，結果表明：在腐蝕的輸入下，發(fā)電機失效前溫度明顯升高。

(3)按照整車試驗輸入，設計了鹽水侵入臺架試驗，同時檢測發(fā)電機電壓和溫升信號，結果表明：發(fā)電機短路在前，顯

著溫升在后，是短路引起了高溫。

(4)拆解了整車耐久腐蝕試驗和鹽水侵入臺架試驗的失效發(fā)電機，結果發(fā)現(xiàn)：兩者的失效模式都是整流橋短路且燒蝕。

(5)最后，給出了發(fā)電機優(yōu)化方法，并驗證了該優(yōu)化方法的可靠性。給出了發(fā)電機應該增加的考核體系建議。

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