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汽车发电机原理专业教程.doc

汽车发电机原理专业教程

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2017-09-01 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《汽车发电机原理专业教程doc》,可适用于工程科技领域

汽车发电机原理专业教程一、发电机的功用发电机是汽车的主要电源其功用是在发动机正常运转时(怠速以上)向所有用电设备(起动机除外)供电同时向蓄电池充电。二、发电机的分类汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机由于交流发电机在许多方面优于直流发电机直流发电机已被淘汰目前所有汽车均采用交流发电机交流发电机按照不同的分类方法分为以下几类:按结总体结构分五类()普通交流发电机(使用时需要配装电压调节器的发电机)例JF(EQ用)插图()整体式交流发电机(发电机和调节器制成一个整体的发电机)例别克轿车的发动机上装配的是CS型发电机(包括CS、CS和CS三种不同的型号)如图:()带泵交流发电机(和汽车制动系统用真空助力泵安装在一起的发电机)例JFZB发电机。()无刷交流发电机(不需要电刷的发电机)例JFW()永磁交流发电机(磁极为永磁铁制成的发电机)按整流器结构分四类()六管交流发电机例JF(东风汽车用)()八管交流发电机例JFZ(天津夏利汽车用)()九管交流发电机例(日本日立、三凌、马自达汽车用)()十一管交流发电机例JFZZ(奥迪、桑塔纳汽车用)按磁场绕组搭铁形式两分类()内搭铁型交流发电机磁场绕组的一端(负极)直接搭铁(和壳体相联)()外搭铁型交流发电机磁场绕组的一端(负极)接入调节器通过调节器后再搭铁。三、交流发电机的型号根据中华人民共和国汽车行业标准QCT《汽车电器设备产品型号编制方法》的规定汽车交流发电机型号组成如下:(插图无命名)产品代号产品代号用中文字母表示例:JF普通交流发电机JFZ整体式(调节器内置)交流发电机JFB带泵的交流发电机JFW无刷交流发电机电压等级代号电压等级代号用一位阿拉伯数字表示例:表示V系统表示V系统表示V系统电流等级代号电流等级代号也用一位阿拉伯数字表示其含义如下表所示:表电流等级代号设计序号设计序号用,位阿拉伯数字表示表示产品设计的先后顺序。变形代号交流发电机以调整臂位置作为变形代号从驱动端看调整臂在左边用,表示调整臂在右端用,表示调整臂在中间不加标记。注:进口发电机不符合上述标准。一、交流发电原理交流发电机的发电原理如图所示。图交流发电机发电原理在发电机内部有一个由发动机带动转子(旋转磁场)磁场外有一个定子绕组,绕组有组线圈(相绕组)相绕组彼此相隔度当转子旋转时旋转的磁场使固定的电枢绕组切割磁力线(或者说使电枢绕组中通过的磁通量发生变化)而产生电动势。()定子相绕组感生电动势的大小为:其中:Em每相电动势的最大值ω电角速度f交流电动势的频率(为转速的函数)p磁极对数n发电机转速(rmin)Eφ每相电动势的有效值()定子每相电动势的有效值K绕组系数(和发电机定子绕组的绕线方法有关)N每项匝数(匝)φ每极磁通(Wb)Ce电机结构常数()交流电动势波形由此可见,交流电动势的幅值是发电机转速的函数。因此当转速n变化时三相电动势的波形为变频率、变幅值的交流波形。定子三相绕组的接法定子三相绕组的接法有两种()星形接法IL=IΦIL线电流IΦ相电流()三角形接法中UL=UΦ二、整流原理交流发电机定子的三相绕组中感应产生的是交流电是靠六只二极管组成的三相桥式整流电路变为直流电的。二极管具有单项导电性,当给二极管加上正向电压时,二极管导通,当给二极管加上反向电压时,二极管截止,二极管的导通原则如下:二极管的导通原则当三只二极管负极端相连时正极端电位最高者导通当三只二极管正极端相连时负极端电位最低者导通。整流过程分析桥式整流电路及电压波形见桥式整流电路及电压波形()整流时二极管导通条件:对于三个正极管子(D、D、D正极和定子绕组始端相联)在某瞬时电压最高一相的正极管导通。对于三个负极管子(D、D、D负极和定子绕组始端相联)在某瞬时电压最低一相的负极管导通。但同时导通的管子总是两个正、负管子各一个。()整流过程看一下下面的动画(动画)三相桥式整流电路中二极管的依次循环导通,使得负载RL两端得到一个比较平稳的脉动直流电压。如图所示()发电机输出的直流电压平均值为:U=UL=UΦ流经每只二极管的电流ID=IL(中性点电压有的发电机具有中性点接线柱如图是从三相绕组的中性点引出来的标记为“N”。输出电压为UN称为中性点电压图带中心抽头的交流发电机中性点电压的瞬时值是一个三次谐波电压中性点电压的平均值为发电机输出电压(平均值)的一半即:UN=UB带有中性点接线柱的发电机可用中性点电压来控制各种用途的继电器。有的发电机没有中性点接线柱但是也把中性点电压充分的利用了(如夏利、桑塔纳发电机)这些发电机在中性点处接上两只整流二极管和三相绕组的六只整流二极管一道输出可提高发电机功率。其工作原理见本章第三节。一、管交流发电机的结构交流发电机一般由转子、定子、整流器、端盖四部分组成。JF型交流发电机组件图见图aJF型交流发电机结构图见图bJF型交流发电机结构图见图c(一)转子转子的功用是产生旋转磁场。转子由爪极、磁轭、磁场绕组、集电环、转子轴组成见图。转子轴上压装着两块爪极两块爪极各有六个鸟嘴形磁极,爪极空腔内装有磁场绕组(转子线圈)和磁轭。集电环由两个彼此绝缘的铜环组成集电环压装在转子轴上并与轴绝缘两个集电环分别与磁场绕组的两端相连。当两集电环通入直流电时(通过电刷)磁场绕组中就有电流通过并产生轴向磁通使爪极一块被磁化为N极另一块被磁化为S极从而形成六对相互交错的磁极。当转子转动时就形成了旋转的磁场。交流发电机的磁路为:磁轭N极转子与定子之间的气隙定子定子与转子间的气隙S极磁轭。见图。(二)定子定子的功用是产生交流电。定子由定子铁心和定子绕组成。见图A定子铁心由内圈带槽的硅钢片叠成定子绕组的导线就嵌放在铁心的槽中。定子绕组有三相三相绕组采用星形接法或三角形(大功率)接法都能产生三相交流电。三相绕组的必须按一定要求绕制,才能使之获得频率相同、幅值相等、相位互差的三相电动势。(每个线圈的两个有效边之间的距离应和一个磁极占据的空间距离相等。(每相绕组相邻线圈始边之间的距离应和一对磁极占据的距离相等或成倍数。(三相绕组的始边应相互间隔πo电角度(一对磁极占有的空间为o电角度)例:国产JF系列交流发电机三相绕组绕制见图B结构参数如下:磁极对数p对定子槽数z槽定子绕组相数m相每个线圈匝数N匝绕组联结方法Y型联结在国产JF系列交流发电机中一对磁极占个槽的空间位置(每槽o电角度)一个磁极占个槽的空间位置所以每个线圈两条有效边的位置间隔是个槽每相绕组相邻线圈始边之间的距离个槽三相绕组的始边的相互间隔可以是个槽个槽个槽等。(三)整流器交流发电机整流器的作用是将定子绕组的三相交流电变为直流电管交流发电机的整流器是由只硅整流二极管组成三相全波桥式整流电路只整流管分别压装(或焊装)在两块板上。(汽车用硅整流二极管特点()工作电流大正向平均电流A浪涌电流A()反向电压高反向重复峰值电压V反向不重复峰值电压V()只有一根引线见图。并且有的二极管引线是正极有的二极管引线是负极引出线为正极的管子叫正极管引出线为负极的管子叫负极管所以说整流二极管有正二极管和负二极管之分。(整流管的安装将正极管安装在一块铝制散热板上称为正整流板将负极管安装另一块铝制散热板上称为负整流板也可用发电机后盖代替负整流板。见图。在正整流板上有一个输出接线柱B(发电机的输出端)。负整流板上直接搭铁。负整流板上一定和壳体相联接。整流板的形状各异有马蹄形、长方形、半圆形等见图(四)端盖端盖一般分两部分(前端盖和后端盖)起固定转子、定子、整流器和电刷组件的作用。端盖一般用铝合金铸造一是可有效的防止漏磁二是铝合金散热性能好。后端盖上装有电刷组件有电刷、电刷架和电刷弹簧组成。电刷的作用是将电源通过集电环引入磁场绕组。见图磁场绕组(两只电刷)和发电机的联接不同使发电机分为内搭铁型和外搭铁型两种(内搭铁型发电机:磁场绕组负电刷直接搭铁的发电机(和壳体直接相连)。见图a(外搭铁型发电机:磁场绕组的两只电刷都和壳体绝缘的发电机。见图b外搭铁型发电机的磁场绕组负极(负电刷)接调节器通过后再搭铁。二、管交流发电机管交流发电机(如夏利车用)和管交流发电机的基本机构是相同的所不同的是整流器有只硅整流二极管其中只组成三相全波桥式整流电路还有只是中性点二极管只正极管接在中性点和正极之间只负极管接在中性点和负极之间。对中性点电压进行全波整流。(见图)试验表明:加装中性点二极管的交流发电机在结构不变的情况下可以提高发电机的功率,。中性点二极管提高发电机功率的原理:交流发电机中性点电压为三次谐波随着发电机转速的提高中性点三次谐波电压也升高。见图当中性点电压瞬时值高于三相绕组的最高值时中性点正极管导通对外输出电流电流回路为:中性点中性点正极管负载某一负极管定子绕组中性点。见动画。当中性点电压瞬时值低于三相绕组的最低值时中性点负极管导通对外输出电流电流回路:中性点定子绕组某一正极管负载中性点负极管中性点。见动画由于中性点参与了对外输出所以能提高输出功率。三、管交流发电机(日车应用较多)管交流发电机的基本结构和管交流发电机相同所不同的是整流器。管交流发电机的整流器是由只大功率整流二极管和只小功率励磁二极管组成的交流发电机。其中只大功率整流二极管组成三相全波桥式整流电路对外负载供电只小功率管二极管与三只大功率负极管也组成三相全波桥式整流电路专门为发电机磁场供电。所以称只小功率管为励磁二极管。管交流发电机电路见图充电指示灯的作用在下一节有专门介绍四、管交流发电机(例如桑塔纳车用发电机)如图管交流发电机的整流器由只大功率整流二极管(其中只中性点二极管)和只磁场二极管组成。其它结构和管交流发电机相同。五、无刷交流发电机由于没有电刷和集电环所以不会因为电刷和集电环的磨损和接触不良造成激磁不稳定或发电机不发电等故障同时工作时无火花也减小了无线电干扰。无刷交流发电机分为爪极式、激磁机式和永磁式三种。(一)爪极式无刷交流发电机见图(爪极式无刷交流发电机的结构及工作原理爪极式无刷交流发电机磁场绕组是静止的它通过一个磁轭托架固定在后端盖上,所以不再需要电刷。两个爪极中只有一个爪极直接固定在电机转子轴上另一爪极则用非导磁联接环固定在前一爪极上。当转子旋转时一个爪极就带动另一爪极一起在定子内转动,当磁场绕组中有直流电通过时爪极被磁化,,就形成了旋转磁场。磁路如图所示优点()结构简单、维护方便、工作可靠()不存在电刷与集电环接触不良导致的发电不稳或不发电故障。缺点()爪极间连接工艺困难()由于磁路中间隙加大发电机相同输出功率下需加大励磁电流。(二)激磁机式无刷交流发电机见图图为德国波许公司生产的带有激磁机的无刷交流发电机。它实际上是在一台爪极式三相交流发电机的基础上增加了一部专为其激磁的小型硅整流交流发电机称为激磁机(图中、、)激磁机的磁场绕组固定而三相绕组是转动的。当发电机转动时在激磁机转子的三相绕组中感应出三相交流电在发电机内部经二极管整流后变为直流电直接供给爪极式三相交流发电机的磁场绕组激磁发电。这种无刷发电机的优点是磁路中无附加气隙因而漏磁少输出功率大但结构复杂。(三)永磁式无刷交流发电机该种发电机与普通发电机不同的是转子部分以永久磁铁作为转子磁极而产生旋转磁场不仅去掉了电刷和滑环而且不需要磁场绕组和爪极。结构简单可靠、使用寿命长。转子常用的永磁材料有铁氧体、铬镍钴、稀土钴、钕铁硼等。由于转子为永磁结构所以产生的旋转磁场强度是不变的、不可调的因此不能采用普通交流发电机通过调节器控制磁场电流的办法来调节发电机的输出电压。为解决调压问题可采用电压调节器与三相半控桥式整流相配合的办法使发电机输出电压不随转速大幅度变化而变化。图是永磁发电机电压控制原理图。只共阳极硅二极管VD、VD、VD与只共阴极晶闸管VT、VT、VT组成三相半控桥式整流电路。另外由硅整流二极管VD,VD组成三相全波整流电路为晶闸管控制极提供触发电压与电压调节器的一个触点相接另一个触点则与晶闸管的控制极相连电压调节器的线圈并接在三相半控桥的输出端电压控制原理如下:低速时触点K闭合晶闸管控制极获得正向触发电压而导通当转速达到一定值时整流桥可向蓄电池和负载提供全波整流电压。当整流输出电压随转速升高而升高到超过额定电压时触点K断开(因线圈吸力增大)晶闸管因失去正向触发电压而截止因而整流输出电压下降。当整流电压降到一定值时电压调节器线圈中电流减小吸力减小而使K闭合只晶闸管重新被触发导通又使整流输出电压回升。如此反复便可使输出电压控制在规定范围内。(触点式调节器目前已经由电子式或电脑控制的调节器所代替)永磁式交流发电机优点如下:(体积小、轻、结构简单、维护方便使用寿命长。如W的钛铁硼永磁发电机与W普通交流发电机重量相当。转子上除轴承外无其他磨损件并开有通风孔冷却散热好因而寿命可提高两倍以上。(由于传动比大即发动机转速低而发电机转速高所以发动机低速时发电机充电性能好。(比功率大可节约金属材料。(无激磁损耗效率可提高,以上。(在电压控制器中由于只有控制极约mA的电流通过触点故可降低触点磨损电压调节结构很简单。(由于永磁体的磁导率接近空气的磁导率使电枢反应磁阻增大因而感应电势的非正弦畸变减小输出功率增大。六、带泵交流发电机带泵交流发电机的发电机与普通交流发电机完全一样不同的是转子轴很长并伸出后端盖利用外花键与真空泵的转于内花键相连接驱动真空泵与发电机转子同步旋转给汽车制动系中的真空筒抽真空为制动系的真空增压器提供真空源主要用于没有真空源的柴油机(汽油机可直接从进气歧管处取得真空。制动时因节气门几乎关闭而在进气歧管中形成高真空而柴油机无节气门)。国产JFB型带泵交流发电机外形如图所示。七、汽车双整流发电机双整流发电机是一种最新型交流发电机它大大改善了普通交流发电机低速充电性能和高速最大功率输出又不增设比较复杂的控制电路因此也没有增加充电系的故障率。(结构原理如图所示。在普通交流发电机三相定于绕组基础上增加绕组匝数并引出接线头增加一套三相桥式整流器。低速时由原绕组和增绕组串联输出而在较高转速时仅由原三相绕组输出。工作中高低速供电电路的变换是自动的没有增设任何机电控制装置其工作原理分析如下:在低速范围内由于发电机转速低三相绕组的串联输出提高了发电机的输出电压使发电机低速充电性能大大提高。在高速范围内随着发电机转速的增大串接的三相绕组的感抗增大内压降增大再加上电枢反应加强使输出电压下降。这时原三相绕组A、B、C因内压降较小产生的感应电流相对较大确保高速下的功率输出。(双整流发电机的优点有()既降低了发电机的充电转速又保证了高速大电流输出提高了发电机的有效功率。双整流发电机比普通发电机最低充电转速降低了,r,min在低速下发电机即可输出电流达A而额定电压及额定电流下的转速不大于r,min。()结构简单工作可靠只在定子槽中增加绕组匝数增加一套三相桥式整流。八感应子式交流发电机感应子式交流发电机也是一种无电刷交流发电机由定子、转子、整流器和机壳组成。它的转子是由齿轮状钢片铆成其上有若于个沿圆周均匀分布的齿形凸极而没有磁场绕组。磁场绕组和电枢绕组均安放在定子槽中如图所示。当磁场绕组通人直流电后在定子铁心中产生固定磁场(右上部、左下部为S极左上部、右下部为N极)。由于转子凸齿部分磁通容易通过磁感应强度最大从而形成磁极。但转子的每个凸齿是没有固定极性的当它对着定子N极就是S极对着S就是N极。转子凸齿在不运动的磁场内旋转时当凸齿对着定子凸齿时磁通量最大当转子槽对着走子凸齿时则磁通量最小。因此转子旋转时定子凸齿内产生脉动磁通在定子绕组中感应出交变电动势。将电枢绕组以一定的方式连接起来并经整流便可得直流电。感应子式交流发电机中电枢绕组交流电动势的频率恒等于Zn(Z为转子齿数n为转子转速)与磁场绕组形成的磁极对数无关这与同步交流机的本质不同。感应子式无刷交流发电机机质量比功率较低。

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