用于非道路发动机的发电机优化设计

金钊，邢立，郭海波，隋鹏超

(内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061)

0 引言

发电机作为发动机的重要附属零部件，起着为整车电器供电的重要作用[1-2]。非道路行业的车辆整车仪表一般都比较小，很难为发电机[3-5]的励磁线路接一个充电指示灯，或者因为其它原因导致励磁线路接错，这些都会造成发电机不发电。同时，非道路行业的整车工作环境复杂。例如：煤矿区粉尘工况严重，很容易造成发电机轴承和碳刷的损坏。含硫元素较高的环境会造成调节器内部的银与环境中的硫元素反应生成绝缘性的硫化银，从而引起调节器断路失效。收割小麦的机器长时间处于秸秆的包围，发电机通风散热不好，容易造成发电机烧坏。这些都对发电机的环境适应性提出了更高的要求。作为发动机重要附属零部件之一的发电机，其可靠性必须根据环境因素进行有效评估。评估发现，目前市场上的非道路发动机用的基本型发电机很难适应这些复杂的环境。因此，对基本型发电机进行优化改进，提高发电机的环境适用性，确保发电机可靠工作，提高客户满意度。

1 非道路发动机用发电机现状

非道路发动机多采用外置风扇+粗孔护盖发电机，如图1所示；其与整车接线电路如图2所示。B+端直接接在蓄电池正极，D+端先接充电指示灯(1.5～3 W)再接点火钥匙，W端可接转速表(也可以不接)，外壳接地。

图1 外置风扇+粗孔护盖发电机

图2 发电机与整车接线电路

发电机的滑环室密封方式如图3所示。滑环室由轴承和端盖的内腔共同构成一个半开放式空间，见图3方框。

图3 滑环室密封结构

调节器内部元器件多采用陶瓷基板，导体为银。

2 应用中存在的问题及其原因分析

2.1 发电机不发电

1)问题1：客户反馈发电机不发电。经排查发电机线路，发现发电机只有B+端直接接在蓄电池正极，无其它接线。

交流发电机励磁过程是先他励后自励。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，这样发电机才可以发电。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大于蓄电池电压时，发电机就能对外供电。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。所以发电机的励磁线路必须接线，否则会出现发电机不发电的情况。

2)问题2：客户反馈发动机怠速时发电机不发电，需要发动机达到一定转速后，发电机才可以发电。

大多数主机厂在配套仪表时，仪表中充电指示灯只采用发光二极管，并用通过发光二极管的电流作为发动机起动前的励磁电流。发光二极管的工作电流一般小于10 mA，而发电机所需的最小励磁电流为80 mA左右，所以这个发光二极管的工作电流无法满足发动机怠速时发电机发电的需求；只有提高发动机转速，才能提高励磁电流，使发电机发电。如果充电指示灯用发光二极管时，必须配置相应辅助线路，保证发电机励磁电流在60～150 mA，或者直接采用1.5～3 W的小灯泡。

2.2 发电机轴承和碳刷损坏

客户反馈发电机存在异响，此类故障多发生在粉尘工况比较多的地区。对此类故障件按如下步骤进行分析：

1)第1步：对发电机故障件进行拆检分析。拆检分析发现碳刷卡滞，磨损很严重；轴承内部有异物，同时有卡滞、损坏的情况，故障件见图4。

2)第2步：从发电机设计角度进行分析。发电机滑环室由轴承和端盖的内腔共同构成一个半开放式空间(见图3)。外置风扇发电机在风扇作用下，形成高低气压区来实现发电机的轴向风冷，风向从发电机尾端至皮带轮端。在气压差下，粉尘、泥水通过半开放式结构的电机滑环室进入碳刷滑环摩擦副工作空间，加剧了电刷磨损；此外，粉尘、泥水进入轴承内部会导致轴承润滑脂异常损耗，润滑不良，从而导致轴承卡滞、损坏，引起发电机异响。

综上所述，半密封滑环室对发电机碳刷和轴承不能进行有效防护，从而导致轴承和碳刷的损坏。

2.3 发电机发电电压高

客户反馈发电机发电电压高，损坏蓄电池。此类故障多发生在煤矿区等环境中含较高硫元素的地区。

初步检查发现，外观无损坏，轴承无问题。将发电机装在性能试验台上进行性能复测，发现发电机调节电压较高，初步判断为调节器失效。

对调节器进行详细拆检分析，发现调节器内部断路失效，故障件如图5所示。

图5 调节器故障

从调节器设计角度进行分析。此调节器内部元器件的基板为陶瓷基板，导体为银。在发电机处于高硫环境中使用，硫元素会透过胶密封渗入到发电机调节器内部。调节器内部芯片银导体层与外界硫元素产生化学反应，生成绝缘属性的硫化银，造成调节器断路失效。调节器失效之后，无法对发电机电压起到调节作用，所以导致发电机的电压偏高，造成蓄电池损坏。

2.4 发电机烧坏

客户反馈发电机烧坏。此类故障多发生在收获机上。

检查故障件，可以看到秸秆等异物堆积在故障件后护罩，如图6所示。

图6 秸秆堆积在发电机后护罩

发电机的外置风扇风向从后护罩至皮带轮。大量的秸秆等异物堆积在发电机后护罩，导致发电机散热较差。当热量累计到一定程度就会造成发电机烧坏，严重时可以引起明火，烧坏整车。

3 设计优化、理论分析及试验验证

3.1 接线方式优化

针对客户接线错误问题，对发电机电路进行优化，优化后的电路图见图7。

图7 自励磁发电机电路原理

发电机只需要接B+端即可。当B+、D+外部线路不接指示灯时，B+、D+在发电机内部是“W控制回路”和“LED回路”并联的状态。

起动钥匙处于“ON”挡时，“W控制回路”没有动作，只有“LED回路”打通，显示LED灯亮；起动钥匙处于“START”挡时，“W控制回路”会随着发电机转速的提升而动作，当W点的频率到达一定值时，“W控制回路”开启，电流由B+到D+到转子到“稳压回路”接地形成励磁回路，同时“LED回路”被短路，LED灯熄灭。

此电路优化可以有效解决客户接线错误问题，同时降低设计和接线工时成本。

3.2 滑环室密封结构优化及试验验证

3.2.1 优化

针对碳刷、轴承损坏，对发电机滑环室密封进行改进优化，优化后的滑环室密封结构如图8所示。发电机的滑环室由轴承和端盖的内腔共同构成一个半开放式空间，再通过密封套和碳刷的刷盒对滑环室进行全密封。这样，粉尘、泥水等就无法进入滑环室内部。

图8 滑环室全密封结构

3.2.2 对比试验

对半密封式滑环室和全密封式滑环室抵抗风沙的能力进行对比试验。

试验方法：沙尘环境下进行240 h耐久试验，试验参考标准为GB/T 4942.1-2006《旋转电机整体结构的防护等级(IP代码)分级》。发动机转速为 3 000 r/min，电流为10 A；砂尘材料为滑石粉，颗粒大小为能通过400 目的筛，粉尘用量是1.4 kg/m3。

试验结果见表1～2。全密封滑环室的碳刷磨损量是半密封式滑环室的1/3，可以有效解决粉尘工况下碳刷和轴承的磨损及卡滞问题。

表1 滑环室半密封发电机碳刷磨损试验

表2 滑环室半密封发电机碳刷磨损试验

3.3 调节器优化及试验验证

3.3.1 优化

针对调节器失效导致发电机电压偏高，蓄电池损坏，对调节器进行改进优化。将调节器内部元器件由陶瓷基板改为铝基板，银导体改为铜导体。调节器内部无银材料，调节器内部芯片的内部元器件就不会与外界硫元素产生化学反应，生成绝缘属性的硫化银，造成调节器断路失效。

3.3.2 试验验证

试验对比：将陶瓷基板(导体为银)的调节器和铝基板(导体为铜)的调节器浸泡在盛有硫磺的容器中，加温至125 ℃进行试验。

试验结果显示，陶瓷基板(导体为银)的调节器约96 h时出现硫化现象而损坏，如图9所示；铝基板(导体为铜)的调节器500 h后仍完好无损，各焊点正常，如图10所示。优化后的调节器可以在煤矿等含硫元素较高的环境下工作，无硫化现象。

图9 陶瓷基板(导体为银)调节器

图10 铝基板(导体为铜)调节器

3.4 收获机械发动机用的发电机优化

针对收获机因秸秆覆盖到发电机后护罩导致发电机散热不良造成的发电机烧坏，对发电机进行优化。发电机外壳后端切除3部分，增加3块相应的侧面护网，后端粗孔护盖改为细孔护盖，不改变发电机现有尺寸边界。优化后的发电机外观及解决散热不良的原理如图11所示。发电机后端护盖改为细孔后，秸秆等异物不易进入发电机内部。发电机散热的风向从尾端至皮带轮，发动机的风扇为吸风风扇，表现在发电机上就是冷却风扇气流(见图11)，即风向从发电机皮带轮至尾端，此冷却风扇气流可以将靠近发电机外壳侧面护网的秸秆等异物吹走，使发电机散热更好，解决了收获机行业因秸秆覆盖到发电机后护罩导致发电机散热不良而造成的发电机烧坏问题。

图11 发电机外观及散热原理

4 结论

为提高客户满意度，提升非道路发动机用发电机的产品质量，建议根据发动机使用的环境工况选择合适的发电机，可以全部采用只需要接B+端的发电机，粉尘工况严重的地区可以采用滑环室全密封的发电机，煤矿区等含硫元素较高的环境可以采用抗硫化版(类似于铝基板+铜导体路线)调节器的发电机，收获机行业可以采用侧面开孔的发电机。若上述环境有重叠的情况，可以将上述优化方案根据实际使用环境结合在一起，使发电机更加适应非道路发动机使用环境，提升客户满意度。