第七节 交流发电机的构造

汽车交流发电机通过二极管整流，输出为直流电的发电机。其功用是：当发动机在怠速以上转速运转时，向除起动机以外的用电设备供电，同时还向蓄电池充电。

一、交流发电机的分类

汽车交流发电机种类繁多、形式各异，可按总体结构、整流器结构和搭铁形式进行分类。

（一）按总体结构分类

按总体结构不同，交流发电机可分为以下几种类型。

1）普通交流发电机。既无特殊装置，也无特殊功能和特点的汽车交流发电机。如东风系列汽车用JF132 N型交流发电机。

2）整体式交流发电机。即机体上装有电子调节器的交流发电机，如大众车系用JFZ1913 Z型14V 90A交流发电机。

3）无刷交流发电机。即没有电刷和集电环的交流发电机。如东风车系用JFW2621型28V 45A整体式发电机和斯太尔（STEYR）车系用JFW2518A型28V 27A整体式发电机。

4）带泵交流发电机。即带真空制动助力泵的交流发电机，如JFB1712型交流发电机。

（二）按整流器结构分类

按整流器结构不同，交流发电机可分为以下几种类型。

1）6管交流发电机。即整流器由6只整流二极管组成三相桥式全波整流电路的交流发电机。如解放车系用JF1522A、JF1518、JF1526型14V55A交流发电机。

2）8管交流发电机。即整流器总成由8只二极管组成的交流发电机。如JFZ1542型14V 45A型交流发电机。

3）9管交流发电机。即整流器总成由9只二极管组成的交流发电机。如斯太尔（STEYR）车系用JFZ2518A型28V 27A整体式发电机。

4）11管交流发电机。即整流器总成由11只二极管组成的交流发电机。如大众车系用JFZ1913Z型14V 90A发电机和东风车系用JFW2621型28V 45A发电机。

（三）按磁场绕组搭铁方式分类

按磁场绕组搭铁方式不同，交流发电机分为以下两种类型。

1）内搭铁型交流发电机。即发电机磁场绕组的一端与发电机壳体连接的交流发电机。如东风车系用JF132 N型交流发电机。

2）外搭铁型交流发电机。即磁场绕组的一端经调节器后搭铁的发电机。如大众车系用JFZ1913 Z型14V 90A发电机和东风车系用JFW2621型28V 45A发电机。

目前，大多数汽车都采用外搭铁型交流发电机。

二、交流发电机的基本结构

车用普通交流发电机由三相同步交流发电机和6只硅整流二极管组成的三相桥式整流器组成。整体式交流发电机则增设有电压调节器，且都采用集成电路（Integrated Circuit，IC）调节器，结构组成如图1-15所示。交流发电机的基本结构都是由转子、定子、整流器和端盖4部分组成。

1. 转子的结构

交流发电机转子的功用是产生磁场。转子由两块爪极、磁场绕组、铁心和集电环组成，如图1-16所示。爪极有两块，每块爪极上制有6个鸟嘴形磁极。两块爪极压装在转子轴上，爪极间的空腔内装有铁心，铁心压装在转子轴上，磁场绕组绕在铁心上。

集电环俗称滑环，由彼此绝缘的两个铜环组成。集电环压装在转子轴的一端并与转子轴绝缘。磁场绕组的两端分别焊接在两个集电环上。两个铜环分别与发电机后端盖上的两只电刷相接触。当两只电刷与直流电源接通时，磁场绕组中便有电流流过，并产生轴向磁通，使一块爪极磁化为北极（即N极），另一块爪极磁化为南极（即S极），从而形成6对相互交错的磁极，如图1-17所示。

2. 定子的结构

定子的功用是产生交流电。定子由定子铁心与定子绕组组成，如图1-18所示。定子铁心由内圆带槽的环状硅钢片叠压而成。

定子绕组为三相绕组，并按一定规律对称安放在定子铁心槽内。绕制三相绕组的要求是：使三相绕组产生频率相同、幅值相等、相位互差120°电角度的三相对称电动势。为此在绕制三相绕组时，应合理确定绕组的安放位置。当采用星形联结时，定子绕组的展开图如图1-19所示。

三相绕组的连接方法有星形联结（简称联结）和三角形联结（简称△联结）两种。当采用联结时，三相绕组的3个末端X、Y、Z连接在一起，称为中性点，3个始端U、V、W作为交流发电机的输出端。当采用△联结时，一相绕组的始端与另一相绕组末端连接，共有3个接点，这3个接点即为交流发电机的输出端。

交流发电机转子的磁极对数决定了三相定子绕组线圈的个数和定子铁心的槽数。转子上每对磁极必须对应分布在定子铁心槽中3个线圈的下面，以便产生三相交流电。定子线圈嵌入铁心槽中用以切割磁力线而产生感应电动势的边称为有效边，每个线圈的两个有效边应分别嵌入定子铁心的两个槽中，以便获得感应电动势。

3. 整流器的结构

交流发电机整流器的作用是将三相定子绕组产生的交流电变换为直流电。整流器由整流二极管和二极管的散热板组成。大众与奥迪等轿车用整流器总成的结构如图1-20所示。整流器总成的形状有长方形、马蹄形、半圆形和圆形等，与定子总成的连接关系如图1-21所示。

汽车交流发电机用整流二极管的内部结构和工作原理与普通工业用二极管基本相同，但其外形结构有所不同。有的将二极管外壳锡焊到金属散热板上；有的将PN结直接烧结在金属散热板上，如图1-22a所示；有的将二极管做成扁圆形焊在金属散热板上或夹在两块金属板之间；有的压装在金属散热板上的二极管安装孔中，如图1-22c所示。这些二极管的显著特点是工作电流大、反向电压高。根据汽车行业标准QC/T 422—2000《机动车用硅整流二极管》规定：ZQ50型二极管的正向平均电流为50A、峰值电流为600A、反向重复峰值电压为270V、反向不重复峰值电压为300V。

汽车交流发电机的整流二极管有正极管与负极管之分。一只普通交流发电机具有3只正极管和3只负极管。引出电极为二极管正极的称为正极管，其上标有红色标记；引出电极为二极管负极的称为负极管，其上标有绿色或黑色标记。安装二极管的铝质散热板称为整流板，安装3只正极管的整流板称为正整流板，安装3只负极管的整流板称为负整流板。

在正整流板上制有一个螺孔，称为“输出”端子安装孔，螺栓由此从电刷端盖引出，作为发电机的“输出”端子，该端子为发电机的正极，标记为“B”“B+”“A”或“+”。

4. 端盖与电刷组件的结构

端盖的功用是支承转子和定子总成，并用螺栓将转子和定子等部件连接成为一个整体。

交流发电机的前、后端盖均用铝合金卷压焊接或铸造而成。因为铝合金为非导磁材料，所以能够减少漏磁，增大发电机的输出功率，且有质量轻、散热性好等优点。

前端盖（驱动端盖）外侧装有风扇和驱动带轮，由发动机通过驱动带驱动旋转，转子随驱动带轮一同转动。通风散热依靠风扇来完成，在前、后端盖上制有通风口，当风扇与驱动带轮一起转动时，空气便从进风口流入，经发电机内部再从出风口流出，由此便将内部热量带出，达到散热目的。

后端盖（电刷端盖）上安装有电刷组件。电刷组件由电刷、电刷架和电刷弹簧组成，如图1-23所示。每台交流发电机有两只电刷。电刷用铜粉和石墨粉模压而成，电刷架用酚醛玻璃纤维塑料模压而成。电刷安装在电刷架的孔内，借弹簧张力使电刷与集电环保持良好接触。

汽车交流发电机的发电原理和整流原理与电工学和电子学所述完全相同，故不赘述。

三、电子调节器的结构原理

在汽车行驶过程中，发动机按固定的传动比驱动发电机旋转。发动机转速随时都在发生变化，发电机转速也随之改变（变化范围为0～18000r/min）。

电子调节器的功用是：当发电机转速变化时，自动调节发电机的输出电压，防止输出电压过高而损坏用电设备，避免蓄电池过量充电。

（一）电压调节原理与调节方法

由电工学可知，交流发电机空载输出电压U与其感应电动势E_Φ成正比，而感应电动势E_Φ与发电机转速n和每极磁通Φ成正比，即

式中 C_e——交流发电机的结构常数。

由上式可见，当发电机转速变化时，要保持发电机输出电压恒定，就必须改变磁极磁通。因此，调节器调节电压的原理是：通过调节磁场电流来调节磁极磁通，使发电机输出电压保持恒定。当发电机转速一定时，电压调节过程如图1-24所示。

当发电机转速n达到一定值（n=C=常数）、其输出电压U达到调节电压上限值U₂时，调节器开始进行调节并使磁场电流I_f减小，磁通Φ减少，电动势E_Φ下降，U随之下降。

当输出电压降到调节电压下限值U₁时，调节器又进行调节并使磁场电流I_f增大，磁通Φ增多，电动势E_Φ升高，输出电压随之升高。

当U再次升高到上限值U₂时，调节器重复上述调节过程，使发电机输出电压U在调节电压上下限值U₂、U₁之间脉动，从而保持平均电压U_r不变。电压调节过程表达如下：

各种调节器都是通过调节磁场电流使磁极磁通改变来控制发电机的输出电压，电子调节器的调节方法是：利用晶体管的开关特性，使磁场电流接通与切断来调节发电机的磁场电流。

（二）电子调节器的基本电路

汽车交流发电机有内搭铁型与外搭铁型之分，因此与之匹配使用的电子调节器也有内搭铁型与外搭铁型两类，下面以图1-25所示外搭铁型电子调节器的基本电路为例进行说明。基本电路由信号电压监测电路、信号放大与控制电路、功率放大电路以及保护电路4部分组成。

电阻R₁、R₂和稳压二极管VS构成信号监测电路。稳压二极管（简称稳压管）VS是传感元件，一端连接晶体管VT₁的基极，另一端接在分压电阻R₁、R₂之间，VS与晶体管VT₁的发射结串联后再与分压电阻R₁并联，从而监测发电机电压的变化，并控制晶体管VT₁导通与截止。电阻R₁、R₂串联在交流发电机输出端子B与搭铁端子E之间，构成一只分压器，直接监测发电机输出电压U的变化，从分压电阻R₁上取出发电机输出电压U的一部分作为调节器的输入信号电压，R₁上的分压为

由式（1-15）可见，发电机电压U升高时，分压电阻R₁上的分压值升高；反之，当发电机电压U下降时，分压值下降。

晶体管VT₁和电阻R₃构成信号放大与控制电路，其功用是将电压监测电路输入的信号进行放大处理后，控制功率晶体管VT₂导通与截止。电阻R₃既是晶体管VT₁的负载电阻，又是功率晶体管VT₂的偏流电阻。晶体管VT₁为小功率晶体管，接在大功率晶体管VT₂的前一级，起功率放大作用，也称前级放大。

功率晶体管VT₂通常采用达林顿晶体管构成功率放大电路，VT₂为NPN型大功率晶体管，串联在磁场绕组与搭铁端子之间，这是外搭铁型调节器的显著特点。磁场绕组的电阻为VT₂的负载电阻。VT₂导通时，磁场电流接通；VT₂截止时，磁场电流切断。因此，通过控制晶体管VT₂导通与截止，就可改变磁场电流使发电机输出电压稳定。

续流二极管VD构成保护电路，其功用是防止磁场绕组产生的自感电动势击穿功率晶体管VT₂而造成损坏。

（三）稳压管的工作条件

稳压管VS与晶体管VT₁的发射结串联后再与分压电阻R₁并联，所以当发电机电压U高于或等于调节电压上限值U₂，即分压电阻R₁两端的分压值达到或超过稳压管VS的稳定电压U_w（稳压管正常工作时，管子两端保持不变的电压值称为稳压管的稳定电压）与晶体管VT₁发射结压降U_be1（锗管：U_be1=0.2～0.3V；硅管：U_be1=0.6～0.7V）之和时，稳压管VS和晶体管VT₁导通；反之，当发电机电压U下降到调节电压下限值U₁，即分压电阻R₁两端的分压值低于稳压管VS的稳定电压U_w与晶体管VT₁发射结压降U_be1之和时，稳压管VS和晶体管VT₁截止，即稳压管的导通条件与截止条件为

（四）调节器的工作过程

电子调节器是利用晶体管的开关特性，将大功率晶体管作为一只开关串联在发电机磁场电路中，根据发电机输出电压高低，控制晶体管导通与截止来调节发电机磁场电流，从而使发电机输出电压稳定在规定范围之内。发电机输出电压的调节过程如下：

1）接通点火开关SW，发电机电压U低于蓄电池电压时，晶体管VT_l截止，晶体管VT₂导通，磁场电流I_f接通，发电机他激发电，即磁场电流由蓄电池供给。

当点火开关SW接通，发电机未转动或转速低，电压U低于蓄电池电压时，蓄电池电压经点火开关SW加在分压电阻R₁、R₂两端。由于发电机电压低于调节电压上限值，因此分压电阻R₁上的分压值小于稳压管VS的稳定电压U_w与晶体管VT_l发射结压降U_be1之和，由稳压管的导通条件可知，VS处于截止状态，VT_l基极无电流流过也处于截止状态。此时蓄电池经点火开关、电阻R₃向晶体管VT₂提供基极电流，VT₂导通并接通磁场电流，其电路为：蓄电池正极→电流表A→点火开关SW→熔断器F₃→发电机磁场端子F₁→发电机磁场绕组R_F→发电机磁场端子F₂→调节器磁场端子F→晶体管VT₂→调节器搭铁端子E→发电机搭铁端子E→蓄电池负极。此时若发电机转动，则其电压将升高。

2）当发电机电压上升到高于蓄电池电压但尚低于调节电压上限值U₂时，发电机自激发电，即磁场电流由发电机自己供给。

当发电机电压高于蓄电池电压但低于调节电压上限值U₂时，VS与VT_l仍然截止，VT₂保持导通。此时磁场电路为：发电机定子绕组→正极管→发电机输出端子B→点火开关SW→熔断器F₃→发电机磁场端子F₁→发电机磁场绕组R_F→发电机磁场端子F₂→调节器磁场端子F→晶体管VT₂→调节器搭铁端子E→发电机搭铁端子E→发电机负极管→定子绕组。

3）当发电机电压随转速升高而升高到调节电压上限值U₂时，VS、VT₁导通，VT₂截止，磁场电流切断，发电机电压降低。

当发电机电压升高到调节电压上限值U₂时，由稳压管导通条件可知，此时VS导通，其工作电流从晶体管VT₁基极流入，并从VT₁发射极流出。因为VS的工作电流就是VT₁的基极电流，所以VT₁导通。当VT₁导通时，VT₂发射结几乎被短路，流过电阻R₃的电流经VT₁集电极和发射极构成回路，VT₂因无基极电流而截止，磁场电流被切断，磁极磁通迅速减少，发电机电压迅速下降。

4）当发电机电压降到调节电压下限值U₁时，VS、VT₁截止，VT₂导通，磁场电流接通，发电机电压升高。

当发电机电压降到调节电压下限值U₁时，由稳压管截止条件可知，VS截止，VT₁随之截止，其集电极电位升高，发电机又经R₃向VT₂提供基极电流使VT₂导通，磁场电流接通，磁极磁通增多，发电机电压重又升高。

当发电机电压再次升高至调节电压上限值U₂时，调节器重复3）、4）中的工作过程，将发电机电压控制在某一平均值U_r不变。12V交流发电机的调节电压为（14.2±0.25）V；24V交流发电机的调节电压为（28.5±0.30）V。

在VT₂由导通转为截止瞬间，磁场绕组产生的自感电动势（F端为正，B端为负）经二极管VD构成放电回路，防止VT₂击穿。因为放电电流流经VD，所以VD称为续流二极管。

电子调节器是利用晶体管的开关特性来调节发电机电压，当大功率晶体管截止时，磁场电流被切断，发电机仅靠剩磁发电，因交流发电机剩磁磁通很少，所以调节器的工作上限很高，调节范围很大。

在使用中，外搭铁型电子调节器只能与外搭铁型交流发电机配用，内搭铁型电子调节器只能与内搭铁型交流发电机配用。否则交流发电机的磁场绕组将与电子调节器的大功率晶体管并联连接，磁场绕组将无电流流过，发电机将只靠剩磁发电而不能正常输出电压。

四、8管交流发电机的特点

在普通交流发电机的基础上加装2只整流二极管，即可组成8管交流发电机。连接在发电机中性点N与输出端B以及与搭铁端E之间的2只整流二极管，称为中性点二极管，如图1-26中VD₇、VD₈所示。8管交流发电机的显著特点是能够提高输出功率，原理如下。

当中性点的瞬时电压u_N高于输出电压平均值U时，二极管VD₇导通，从中性点输出的电流如图1-26中箭头方向所示。其路径为：定子绕组→中性点二极管VD₇→输出端子B→负载和蓄电池→负极管→定子绕组。

当中性点瞬时电压u_N低于0V（搭铁电位）时，二极管VD₈导通，流过中性点二极管VD₈的电流如图1-27中箭头方向所示。其路径为：定子绕组→正极管→输出端子B→负载和蓄电池→中性点二极管VD₈→定子绕组。

由此可见，只要在中性点处连接两只整流二极管，就可利用中性点输出的交流电压来增加交流发电机的输出电流，如图1-28所示。试验表明，在不改动交流发电机结构的情况下，加装两只整流二极管后，当发电机中高速（发电机转速超过2000r/min，发动机转速大约超过800r/min）时，其输出功率与额定功率相比就可增大11%～15%。