浅析汽车发电机

牟 亮

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）



汽车电子

浅析汽车发电机

牟 亮

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

简单介绍了发电系统结构和发电系统各组成部分的原理。解决了在看整车电气原理图时候只能看到一个发电系统符号，而看不懂里面的组成与原理的问题。在以后的研究工作中，提供有用的关于发电系统方面的技术资料。

发电机；整流二极管；电压调节器；充电指示灯

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

汽车电器系统包括启动、发电、照明、仪表等，而汽车发电系统是汽车电器系统里面唯一为整车产生和提供电源的系统。汽车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。

随着汽车?技术的进步，汽车的用电量越来越高。20年前，中级轿车的发电机输出功率一般只有500瓦左右，现在一般中级轿车发电机都在1000瓦左右。现代汽车的快速发展， 推动了机动车的多样化。不同类型的汽车， 电气化和自动化水平（或程度） 各有所异，都得到了提高。但他们都有一个共同点，那就是用电量的消耗需求不断增大， 从而对提供电能的交流发电机提出了更高的要求。发电机功率的增加是随着车上用电设备增加而增加的。现在汽车上的发电机都是风冷式发电机，由皮带轮后的风扇吹风进入机壳进行冷却。在现有风冷式发电机构造的限制下，功率的增加必然会导致发电机体积的加大。为了帮助新员工对发电系统的了解，以下从结构原理等方面对发电系统进行浅析。

1、发电机结构

发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时，向所有用电设备（启动机除外）供电，同时给蓄电池充电。汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机的性能在许多方面优于直流发电机，直流发电机已被淘汰。目前汽车采用三相交流发电机，内部带有二极管整流电路，将交流电整流为直流电，所以，汽车交流发电机输出的是直流电。交流发电机必须配装电压调节器，电压调节器对发电机的输出电压进行控制，使其保持基本恒定，以满足汽车用电器的需求。

图1　型9管交流发电机电路图

由图1可以看出，发电系统由发电机、二极管整流电路、调节器、外部充电指示灯电路等组成。

发电机定子线圈分星形绕法和三角形绕法。如下图2所示：

图2　

星形绕法优点：发电机电压建立快，相同低转速情况下电压比三角形绕法高。

三角形绕法优点：相同条件下输出电流大，大功率发电机多采用此绕法。

2、发电机工作原理

发动机带动发电机转动，通过磁感应现象产生电压电流，再通过二级管整流，使交流电变成直流电，这时的直流电压随发动机转速的变化而变化，形成不稳定的电压，再通过调节器时变化的直流电压稳定在12V左右，最后生成的直流稳定的电压给外部用电设备提供电源和为蓄电池充电。

2.1发电机原理

图3　交流发电机发电原理示意图

如图3所示，发电机定子的三相绕组按一定规律分布在发电机的定子槽中，内部有一个转子，转子上安装着爪极和励磁绕组。当外电路通过电刷使励磁绕组通电时，便产生磁场，使爪极被磁化为N极和S极。当转子旋转时，磁通交替地在定子绕组中变化，根据电磁感应原理可知，定子的三相绕组中便产生交变的感应电动势。

2.1.1交流电动势的变化频率f和转速、磁极对数成正比

式中：p－磁极对数

n－发电机转速（r/min）在交流发电机中，由于转子磁极呈鸟嘴形，其磁场的分布近似正弦规律，所以交流电动势的波形也近似正弦规律，如果发电机定子的三相绕组是对称绕制的则产生的三相电动势也是对称的。

2.1.2三相交流发电机的感应电动势瞬时值表达式：

式中：Em－每相电动势的最大值－每相电动势的有效值

w－电角速度

2.1.3定子每相电动势的有效值的表示

式中：K-绕组系数（和发电机定子绕组的绕线方式有关 ）

N-每相绕组的匝数（单位：匝）

Ce-电机结构常数（）-称为相电动势。

由此可见，当交流发电机结构一定时（结构常数 不变），相电动势和发电机转速、磁通成正比。

将电流引入到励磁绕组使之产生磁场称为励磁。除了永磁式交流发电机不需要励磁以外，其他形式的交流发电机都需要励磁，因为它们的磁场都是电磁场，必须给励磁绕组通电才会有磁场产生而发电，否则发电机将不能发电。交流发电机励磁方式有自励和他励两种。

2.1.4他励

在发电机转速较低时（发动机未达到怠速转速），自身不能发电，需要蓄电池供给发电机励磁绕组电流，使励磁绕组产生磁场来发电。这种由蓄电池供给磁场电流发电的方式称为他励发电。

2.1.5自励

随着转速的提高（一般在发动机达到怠速时），发电机定子绕组的电动势逐渐升高并能使整流器二极管导通，当发电机的输出电压 UB大于蓄电池电压时，发电机就能对外供电了。当发电机能对外供电时，就可以把自身发的电供给励磁绕组，这种自身供给磁场电流发电的方式称为自励发电。

交流发电机励磁过程是先他励后自励。当发动机达到正常怠速转速时，发电机的输出电压一般高出蓄电池电压 1～2V以便对蓄电池充电，此时，由发电机自励发电。

2.2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，是通过 6只二极管组成的三相桥式整流电路整流为直流电的，整流电路如图4a所示。

二极管具有单向导通性，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。将定子的三相绕组和6只整流二极管按图4a的电路连接，发电机的输出端B、E上就输出一个脉动直流电压，如图4c所示，这就是发电机的整流原理。

图4　交流发电机整流原理

2.3电压调节器

由于交流发电机的转子是由发动机通过皮带驱动旋转的，且发动机和交流发电机的速比为1.7～3，因此交流发电机转子的转速变化范围非常大，这样将引起发电机的输出电压发生较大变化，无法满足汽车用电设备的工作要求。为了满足用电设备恒定电压的要求，交流发电机必须配用电压调节器才能工作。

电压调节器是把发电机输出电压控制在规定范围内的装置，其功用是在发电机转速变化时，自动控制发电机电压保持恒定，使其不因发电机转速高时电压过高烧坏用电器和导致蓄电池过充电；也不会因发电机转速低而电压不足导致用电器工作失常。

电压调节器控制发电机的输出电压，12V系统控制在14V左右，根据安装形式分内置式和外置式，内置式是将电压调节器装在发电机内部（为整体式交流发电机），目前大部分使用该结构，该结构优点是对发电机负载变化反映快，发电机输出电压控制精度高，该形式对电压调节器的耐温耐震等可靠性要求较高，一旦损坏更换很麻烦，现在的工艺水平能满足使用要求；外置式是将电压调节器装在驾驶室内部，对温度、湿度、震动等要求低，现在低档次的车及特殊要求的还用该形式，如公司的小卡康铃、出口沙特（高温）轻卡、农用车。

随着电子技术的发展，目前交流发电机几乎全部采用电子调节器。其优点是：电压调节精度高，且不产生火花，还具有重量轻、体积小、寿命长、可靠性高、电波干扰小等优点。交流发电机的三相绕组产生的相电动势有效值为即交流发电机所产生的感应电动势与转子转速和磁极磁通成正比。

当转速n升高时，Eφ增大，发电机输出端电压UB升高，当转速升高到一定值时，输出端电压达到限定值，要想使发电机的输出电压UB不再随转速的升高而上升，只能通过减小磁通Ф来实现。又因磁极磁通Ф与励磁电流If成正比，所以减小磁通Ф也就是减小励磁电流If。

所以，交流发电机电压调节器的调压原理是：当发电机转速升高时，调节器通过减小发电机励磁电流If来减小磁通Ф，使发电机的输出电压UB保持不变；当发电机的转速降低时，调节器通过增大发电机的励磁电流If来增加磁通Ф，使发电机的输出电压UB保持不变 。

工作原理如图5所示：

图5　型9管交流发电机电路

①点火开关SW刚接通时，发动机不转，发电机不发电，蓄电池电压加在分压器 R1、R2上，此时因 UR1较低不能使稳压管VS的反向击穿，VT1截止，VT1截止使得VT2导通，发电机磁场电路接通，此时由蓄电池供给磁场电流。随着发动机的启动，发电机转速升高，发电机他励发电，电压上升。

②当发电机电压升高到大于蓄电池电压时，发电机自励发电并开始对外蓄电池充电，如果此时发电机输出电压 UB＜调节器调节上限UB2，VT1继续截止，VT2继续导通，但此时的磁场电流由发电机供给，发电机电压随转速升高迅速升高。

③当发电机电压升高到等于调节上限UB2时，调节器对电压的调节开始。此时VS导通，VT1导通，VT2截止，发电机磁场电路被切断，由于磁场被断路，磁通下降，发电机输出电压下降。

④当发电机电压下降到等于调节下限 UB1时，VS截止，VT1截止，VT2重新导通，磁场电路重新被接通，发电机电压上升。这样周而复始，发电机输出电压UB被控制在一定范围内，这就是电子调节器的工作原理。

2.4指示灯工作原理

① 当点火开关接通时，发电机未发电，由蓄电池供给磁场电流。此时充电指示灯亮，表示蓄电池放电，发电机他励。

② 当发动机启动后，转速升高到怠速及其以上时，发电机应能正常发电并对外输出，此时，磁场电流由发电机供给，发电机自励发电。若没有熄灭，说明发电机不发电或充电指示灯电路有故障。

③ 发电机熄火后，由于发电机不再发电，如果没有关断点火开关，蓄电池会通过磁场电路向励磁绕组放电，充电指示灯会再次发亮，可提醒驾驶员关断点火开关，避免蓄电池放电时间过长烧坏励磁绕组和引起蓄电池亏电。

2.5发电机接线柱介绍

图6　

如图6所示：B:发电机输出线E：发电机接地线L：发电机充电指示灯S：蓄电池电压检测线

3、结论

本文介绍了乘用车发电机系统结构，浅析了发电系统中整流二极管和电压调节器的作用，解读了充电指示灯与接线柱在发电系统中的用途。

[1] 麻友良.汽车电器与电子控制系统.机械工业出版社,2010.7.

[2] 陈立东.汽车发动机电压调节器应用及研发现状.汽车电器. 2013.4.

[3] 焦利民.汽车发电机调节器的发展.汽车制造业.2004.3.

[4] 王正先.汽车发电机.汽车知识.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，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。

U463.63+1

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1671-7988 （2016）06-96-04