1.发电机的基本原理。 车用发电机由转子、定子和整流器及其他辅件组成,其基本原理如图3-3所示。 (1)发电机的发电原理。 现代汽车普遍采用同步交流发电机,发电机的转子是磁极,主要由两块爪形的铁心和绕在筒形磁轭上的励磁绕组构成;发电机的定子是电枢,由铁心和均匀分布的三个定子绕组构成。当发电机的转子在发动机的驱动下旋转时,通过电刷和集电环将直流电引入励磁绕组,产生一个旋转磁场,三个定子绕组分别切割磁力线而产生相位间隔120°电角度的三相感应电动势(图3-4b)。
(2)发电机的整流原理。
发电机电枢绕组产生的三相交流电需要通过整流电路将其转变为直流电,由6个二极管和定子绕组连接成的三相桥式整流电路如图3-4a所示。二极管的单向导电性,使得负极接在一起的3个二极管在每一瞬间只有正极电位最高(所连接的定子绕组电动势最高)的那个二极管导通,而正极接在一起的3个二极管中则只有负极电位最低(所连接的定子绕组电动势最低)的那个导通。因此,在每一瞬间,从发电机的电枢接线柱与搭铁之间就是两相定子绕组电动势之和,且总是上正下负,将定子绕组的交流电变成了直流电(图3-4c)。
2.发电机的结构型式。
汽车用交流发电机的结构型式有多种,现按不同的分类方法予以概括。
(1)按定子绕组的结构型式分类。
按发电机三相定子绕组的连接方式分,有三角形联结和星形联结两种形式,如图3-5所示。目前汽车用交流发电机采用星形联结方式的居多。
从发电机的外形看不出定子绕组的联结方式,定子绕组三角形联结方式的发电机其输出端瞬间电压是相电压(单相绕组产生的电动势),而定子绕组星形联结方式的发电机其瞬间电压为线电压(两相绕组电动势之和)。
2)按转子绕组搭铁形式分类。
按发电机励磁绕组的搭铁方式分类,车用发电机有内搭铁和外搭铁两种,如图3-6所示。内搭铁发电机其励磁绕组通过内部的搭铁电刷架直接搭铁,外搭铁型发电机的励磁绕组则是通过一个与壳体绝缘的接线柱,再经调节器或搭铁线路搭铁。
从发电机的外形看,这两种发电机很容易识别。内搭铁发电机有一个磁场接线柱(F),而外搭铁发电机有两个磁场接线柱(F1、F2或F+、F-)。需要注意的是,这两种发电机所配用的调节器其接线端子一样,但相互之间不能通用。
(3)按整流二极管的数量分。
按发电机整流器的二极管数量分,有6管、8管、9管、11管等几种形式,如图3-7所示。
6管是发电机整流器的基本型,9管整流器是在6管整流器的基础上又增加了一组二极管(VD7、VD8、VD9),与VD2、VD4、VD6组成三相桥式整流电路,其整流电压与基本整流器相同,并通过“D”端子输出,一般用于向发电机的励磁绕组提供励磁电流和充电指示灯控制。
8管和11管则是在6管整流器或9管整流器的基础上增设了两个连接定子绕组中性点的二极管(VD4、VD1),这样,就可在中性点瞬时电压高于发电机输出电压时,也向外输出电流,用以提高发电机的输出功率。
3.调节器的基本原理。
(1)调节器的作用。
从发电机各电枢绕组电动势与发电机的转速和磁极的磁通成正比可推出E=Ceφn式中E—交流发电机的等效电动势;
Ce—交流发电机的结构常数;
φ—交流发电机磁极磁通;
n—交流发电机的转速。
忽略发电机内阻电压降,就有U≈E=Ceφn从上式可知,发电机的电压与其转速成正比,工作中,由发动机通过带轮传动的发电机其转速会在很大的范围内变化,如果无稳压措施,发电机的电压将变化很大而无法正常使用。调节器的作用是当发电机转速变化时,根据发电机的电压变化情况调节发电机励磁绕组的励磁电流,通过改变磁极的磁通量调节发电机的电压,使发电机的电压保持稳定。
(2)调节器的工作方式。
调节器的工作原理如图3-8所示。调节器串联在发电机励磁绕组电路中,在发电机电压低时,调节器接通发电机励磁绕组电路(B、F端子通路或电阻减小),这时通过励磁绕组的励磁电流大:当发电机的电压达到设定的上限U2时,调节器使励磁绕组的励磁电流下降或断流(B、F端子之间断路或电阻增大),以迅速减弱磁极磁通量,从而使发电机的电压下降:当发电机的电压降至设定的下限U1时,调节器使励磁绕组的励磁电流增大(B、F端子之间电阻减小或通路),磁极磁通量加强,发电机的电压又上升;当发电机的电压又上升至上限时则重复上述过程。调节器起作用时使发电机的电压始终在设定的范围内波动。
随着发电机转速的上升,发电机电压上升速率会增大、下降速率会减小(图3-9),使得调节器控制的平均磁场电流会随之减小,从而使发电机的平均电压保持稳定(图3-10)。
4.电子调节器。
发电机调节器有触点式和电子式两大类,触点式调节器由于其工作可靠性较低,已逐渐被电子式调节器所取代。
(1)电子调节器的基本原理。
电子调节器利用晶体管的开关特性,通过其导通和截止的相对时间变化来调节发电机的励磁电流。电子调节器的基本原理如图3-11所示。
发电机电压通过R1、R2分压后施加于稳压管VS,使VS根据发电机电压的变化而导通或截止;小功率晶体管VT1的导通或截止受控于VS,起放大的作用;大功率晶体管VT2串联于发电机励磁绕组电路中,用于控制励磁电流的大小,电路参数的设置使VT2工作在开关状态,在VT2导通时,发电机励磁绕组电路通路,VT2截止时发电机励磁绕组断电。
接通点火开关,蓄电池的电压在R1上的分压低于稳压管VS的导通电压,VS不导通，VT1截止;VT1截止时其发射极与集电极之间有较高的电压,使VT2饱和导通,发电机的励磁电路处于通路状态。
发动机工作时,当发电机的电压高于设定的高限值时,R1上的分压使VS导通,VT1也饱和导通;VT1饱和导通后,使VT2的发射极和基极之间失去了导通电压而截止,发电机励磁电路断电;发电机在无励磁电流时其电压迅速下降,当电压降至R1上的分压低于VS的导通电压时,VS截止,VT1也截止,VT1截止后又使VT2导通,发电机励磁电路又通路。如此循环,调节器使发电机的电压稳定在设定值。
在发电机的转速升高时,发电机电压上升快而下降慢,使得调节器VT2导通与截止的比率减小,发电机励磁电流的平均值减小,从而使发电机的电压在其转速升高时仍保持稳定。
实际电子调节器的电子元器件要比图3-11所示的基本电路多,电路结构也要更复杂一些。虽然不同型号的电子调节器其电路结构和元器件组成也不相同,但其基本原理相同。
(2)电子调节器的结构类型。
个电子调节器有分立元器件式(电子元器件焊接在印制电路板并封装而成)和集成电路(具有电压调节功能的芯片构成)两种结构型式。现代汽车发电机采用集成电路调节器的居多,这是因为集成电路调节器结构更紧凑、电压调节精度更高、故障率更低。
如果按配用的发电机搭铁形式分,电子调节器则有内搭铁式和外搭铁式两种。适用于内搭铁发电机的电子调节器一例如图3-12所示,图3-13是与外搭铁发电机相配的电子调节器内部电路。
从图3-12和图3-13可知,两种电子调节器的接线端子一样,但是,内搭铁式调节器控制励磁电流的晶体管在“+”与“F”之间,而外搭铁式调节器则是在“F”与“-”之间。如果将这两种调节器换接,发电机的励磁绕组均不能通路,使发电机不能发电。在使用过程中,应注意内搭铁发电机和外搭铁发电机所配用电子调节器的这一不同,在应急使用时(内搭铁发电机用外搭铁式调节器,反之亦然),应将调节器的电路进行改接。
