车用交流发电机介绍

第一讲车用交流发电机基础知识介绍

车用交流发电机（以下简称发电机）是我公司的主导产品之一，今天我有幸在这里同大家交流一下有关该产品的一些相关知识，希望有助于大家更加了解发电机，从而更好地发展发电机。

一、发电机的作用及特点

1、发电机是汽车电气系统的两个主要电源之一，与蓄电池并联工作。在发电机发出的电能多于汽车电器所消耗的电能时，它将多余的电能通过充电的方式储存在蓄电池中；当汽车电器用电超过发电机所输出电能时，由蓄电池补充不足的电能（发动机启动时起动机消耗的电能也由蓄电池提供）。充电和放电的过程由发电机与蓄电池两端的电势自动调节。

图一发电机接线示意图

2、发电机的特点与汽车电系特点密切相关。它采用单线制，负极搭铁（少数用于某些特定场合的发电机采用双线制）；输出三相直流电，因此需要整流；因汽车电器的需要，输出稳定的电压，因此需与调节器搭配使用；输出电动势与转速成正比，在调节器作用下，输出实际电流取决于车上实际使用的负载大小（包括蓄电池状况），同时自身有限流功能，每个发电机都有一个最大输出电流。

二、发电机的种类

汽车上最早使用的发电机是直流发电机，它采用换向器换向，输出直流电。从1960年开始，汽车上逐步开始采用交流发电机，它采用硅二极管整流，输出直流电，故也称硅整流发电机。由于交流发电机与直流发电机相比，具有体积小、重量轻、结构简单、维修方便、使用寿命长、配用的调节器简单、产生的无线电干扰信号弱等诸多优点，因此汽车上采用交流发电机后，直流发电机被迅速淘汰，现在所讲的汽车用发电机均指交流发电机。

汽车用交流发电机可按总体结构、整流器结构、搭铁型式、散热型式等多方面进行分类。按总体结构可分为：

1）普通交流发电机：无特殊装置和特殊功能的发电机，如JF1521；

2）整体式交流发电机：内装电子调节器的交流发电机，如JFZ1521；

3）无刷交流发电机：无电刷和集电环结构的交流发电机，如康明斯发电机JFW2621；

4）带泵交流发电机：带真空制动助力泵的交流发电机，如供朝柴的JFB2729；

5）永磁交流发电机：转子磁极采用永磁材料的交流发电机，如广西梧州金卓公司生产的JFY系列发电机。

上述分类并不相互排斥，一种发电机可以有上述的几种特征。随着新技术的应用，混合励磁式等结构的发电机也开始出现。

按整流器结构不同，发电机可分为：

1)六管交流发电机：其整流器由六只硅整流二极管组成三相桥式全

波整流电路；有的采用单个的硅二极管压装，也有的采用在极板上烧结硅管组成整流组件。

2)八管交流发电机：其整流器有八只二极管，除了六只组成三相桥

式全波整流外，在定子绕组中性线输出端也接有二只二极管，用以对三相电路不均衡产生的中性点波形进行整流。

3)九管交流发电机：在六管交流发电机的基础上又增加了三只励磁

二极管，组成两套三相桥式全波整流电路，提供电压检测点和励磁电流。

4)十一管交流发电机：在八管交流发电机的基础上，其整流器增加

了三只励磁二极管。

图二发电机整流电路

按励磁绕组搭铁型式不同，发电机可分为：

1)内搭铁型发电机：励磁绕组的一端与发电机端盖相连接的发

电机。

2)外搭铁型发电机：励磁绕组的一端经调节器后搭铁的交流发

电机。

由于整体式发电机调节器装在发电机内部，不论是内搭铁还是外搭铁对汽车电路均无影响，因此内、外搭铁型式的区别只针对非整体式发电机；在使用时，它必须与同样搭铁型式的调节器配用。

交流发电机按散热型式可分为：

1)交流发电机：其两端端盖密封，端盖上制有很多散热肋，通过风

扇带动空气流通使端盖散热。这种型式散热效果较差，只适用于小功率、有特殊使用环境要求的场所。

2)普通单外风扇发电机：在两端盖上制有通风孔，通过风扇抽风，

使冷空气流经电机内部带走热量，散热效果一般。

3)内外风扇发电机：在端盖外面和内部各装有一个风扇，通过抽风

实现散热，散热效果较好。

4)双内风扇发电机：在两端盖内装有两风扇，分别装在两磁极背面。

这种散热效果好，但成本较高，结构较复杂，一般用在乘用车等功率要求较高的场合。

5)液冷发电机：它是随着现代汽车电器的不断增多，对发电机功率

要求不断增大的情况下由欧美发达国家新近研制出的一种新型结构发电机。与传统风冷式发电机不同，它采用水、油等液体作为传热介质，目前在豪华大客车上已开始使用。

三、发电机的发电原理

发电机的发电过程是一个利用电磁转换原理将机械能转化为电能的过程，它可以分为以下几个步骤：

1)产生磁场发电机在未发电前由蓄电池供给其初始励磁电流（发

电机发电后由自身提供）。接通点火开关，蓄电池电势加在发电机激磁线圈两端，产生励磁电流，从而在线圈的铁芯中产生磁场。

2)磁场形成回路，切割定子线圈产生的磁场在发电机中的传递回

路如下：磁轭和轴→爪极一端→定子铁芯→另一端爪极→磁轭和轴。其间需要通过两次转子外圆与定子铁芯内圆之间的主间隙，

并切割嵌在定子铁芯槽中的定子线圈。同时，当发动机启动后，通过皮带传动将机械能输入到发电机，带动发电机转子旋转。由于每个爪极在圆周方向上布置有多个爪，在爪与爪之间是空位，因此在转子旋转过程中，切割每一组定子线圈的磁场强度是循环变化的。对汽车发电机而言，这种变化被设计为三相正弦波形。

3)产生交流电定子线圈受变化的磁场切割后将产生对应波形的

三相交流电动势，这种电动势加在负载两端时便会产生三相交流电流。

4)整流和调压产生的三相交流电流通过三相桥式整流电路整流

为直流电。同时调节器通过控制激磁电流的通断将发电机输出电压维持在相对恒定的范围内，满足汽车电器的需要。

四、发电机的结构

交流发电机虽然有很多种类，但基本结构大致相同，都包括转子、定子、整流器、端盖、风扇、皮带轮等几大部分。下面以我公司JFZ2721发电机的结构来作一下简介。

1）定子由定子铁芯和定子绕组组成。定子铁芯由内圆带槽的环状硅刚片叠压而成；定子绕组则采用漆包圆铜绕组线绕制而成，安放在定子铁芯的槽内。定子绕组间与定子铁芯间采用聚酯薄膜带绝缘，同时用槽楔将绕组固定，防止绕组窜动、脱落。为提高定子绕组的绝缘、散热和机械性能，绕组嵌入铁芯后应进行浸漆处理。

定子绕组为三相对称绕组，三相绕组的联接方法有星形（Y形）和三角形（△形）两种。三相绕组的绕制方法是使三相绕组能产生频率相同、幅值相等、相位互差120 （电角度）的三相对称电动势，为此在绕制和嵌放时应按照一定的绕组规范进行，并确定合理的安放位置。

2）转子转子的作用是产生磁场，它主要由磁轭、磁场绕组、爪极和集电环等组成。爪极有两块，每块上都有多个鸟嘴形磁极，两块爪极之间装有磁轭和磁场绕组；磁场绕组装在磁轭外部，中间用绝缘架隔开，通过磁轭一起压装在转子轴上。

集电环由两个彼此绝缘的铜环组成，压装在轴上，铜环与轴绝缘。磁场绕组的两端分别与两个铜环焊接在一起。两个铜环在发电机工作时分别与发电机的两个电刷相接触，使磁场绕组中保持电流通过。

3)整流器交流发电机的整流器由多只硅整流二极管组成，其基础是由六只二极管构成三相桥式整流电路，将三相绕组感应出的交流电变为直流电。

汽车用交流发电机用硅整流二极管的内部结构和工作原理与一般工业用硅整流二极管基本相同，但其外形结构有要求有所不同。现在主要应用的型式有两种：一是将二极管的PN结直接烧结在金属散热板上；

二是将二极管压装在金属散热板的孔中使用。

整流二极管的引出电极有正极和负极之分，引出电极为二极管正极的称为正极管；引出电极为负极的称为负极管，六管发电机有三只正极管和三只负极管。散热板一般用铝板或铜板制成，又称整流板，安装三只负极管的整流板称为负整流板；安装三只正极管的整流板称为正整流板。负整流板与端盖碰在一起为发电机负极；正整流板用螺栓或引线引出，为发电机的正极，标记为“B”。

4）端盖发电机有前后两个端盖，主要作用是支撑发电机其它部件，传导散热，并把发电机与发动机支架联接起来。发电机用端盖通常用铝合金压铸而成，这种铝合金不导磁，并且具有重量轻、散热性能好的特点，适合发电机防漏磁的需要。前端盖紧挨皮带轮，承载驱动的主要分力，因而选用的轴承要大于后端，故也称为驱盖。整流器等电子元器件装在发电机后部，靠后端盖提供安装位，因此也把后盖称为电盖。在两端盖上制有挂角，挂角上的安装孔用来与发动机支架配合，将发电机固定在发动机上。

5）电刷组件由电刷、电刷架和电刷弹簧组成，如下图所示。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。电刷用铜粉和石墨粉模压而成，电刷架则用酚醛玻璃纤维塑料模压而成。每台发电机有两只电刷，每只电刷上都有一根引线接到发电机后端盖的接线柱上或直接搭铁。

6）调节器它的作用是控制发电机的输出电压在一定范围内。从发电机或蓄电池上采集电压信号，通过控制激磁回路的通和断来调节发电机输出电压。当电压低于设定值时，维持激磁回路导通；当电压高于设定值时将激磁回路关断，通常汽车调节器设定电压为14.2±0.2/28±0.3。

7）其它零件发电机上还装有皮带轮、风扇等其它零部件，其中皮带轮与转子部件联接在一起，依靠皮带输入机械能；风扇也装在转子部件的轴上，通过旋转来实现发电机的通风散热。

五、发电机的性能参数

发电机除外形尺寸要求外，其性能参数更为重要，其中主要有三项：空载性能、负载性能和调节电压值，下面列有一个发电机的输出曲线供参考。

1）空载性能用空载转速指标衡量（又称零电流转速、起始发电

转速），它是指发电机在输出电动势达到规定值要求，但尚未输出电流时的转速，用n0表示。对于带充电指示灯的发电机，由于指示灯本身有一定功率，其首次熄灭时的转速往往高于零电流转速。因此，在现场出于大批量生产的需要我们一般规定一个另外的熄灯转速指标用于验收。

2）负载性能发电机在调节器完全导通，电压恒定的情况下输出电流与转速之间的关系，实际中一般检测两个指标：最小工作电流和额定电流。最小工作电流指发电机在1500r/min时输出的电流，此时发动机往往处于怠速状态；额定电流指发电机在额定转速5000r/min(有的规定为6000r/min)时输出的电流，此时发动机往往处于稳定工作转速状态。额定电流一般标示在发电机铭牌上。

需要说明的是，由于发电机在工作时发热比较严重，而在发热后随着效率的降低，其输出会有明显的下降，因此发电机刚开始工作时的性能（我们称为冷态性能）和稳定工作一定时间后的性能（我们称为热

态性能）有较大差异。在设计中比较关注的是热态性能，而实际生产线进行出厂试验时出于节拍的考虑，我们检测的是接近于冷态的性能，因此需要在额定要求基础上增加一定的余量。

第二讲发电机的电磁设计计算

发电机的电磁设计主要是定子部件和转子部件的设计，由于它是一种同步三相交流发电机，故我们在普通的同步三相交流发电机计算程序基础上，结合了一些实际设计过程中积累的经验，作出了如下所述的车用交流发电机电磁计算方法。由于车用发电机与普通的同步三相交流发电机存在较大差异，因此电磁设计有些部分（如激磁绕组和激磁势）比较准确，而有些部分并不是很准确，需要通过样机试验和其它手段来进行修正。重要的是，我们可以从计算公式中知道发电机各种电磁参数之间的相互关系和变化趋势，进而指导设计。

与普通三相同步发电机相比，车用发电机有以下特点：

1、转子极数较多，因而定子直径较大，铁芯长度较短；

2、转子为爪极磁极式，由一个线圈配置在转子内构成多极激磁绕

组；

3、每极每相槽数q很少，一般 1；

4、电机工作转速范围宽；

5、使用寿命比普通型交流电机短，约为3000～5000小时，因此其

温升可在一般电机标准要求基础上适当增加；

一．主要尺寸的确定

交流发电机的主要尺寸用D12 L表示（D1 为定子铁芯内径，L为定子铁芯长度），它的选择关系到整个设计的水平。如选得过小，很可能造成设计失败，电机性能达不到设计要求；如选得过大，则会造成材料

的浪费。其计算方法有多种，这里介绍其中的一种方法。

1. 电磁功率P ’ 的计算

ψc o s

,ni e P K P = ① 式中 P ni ：视在输出功率；

K e ：电磁增填系数，应在1.05~1.15范围内选择；

cos ψ ：功率因数，小于1500W 时取1；大于1500W 时取0.966； d n ni P P P ?+= ②

式中 P n ：额定输出功率；

ΔP d ：整流二极管损耗功率

()f n n n n I U I U P +=047.1 ③

式中 U n ：额定输出电压；

I n ：额定输出电流；

I f ：励磁电流；

max 2d d d I U P ?=? ④

式中 ΔU d ：整流二极管压降，约1.2V ；

I dmax ：整流二极管最大电流；

f n d I I I +=max ⑤

由②．③．④．⑤ 得出：

()()f n d f n n n ni I I U I U I U P +?++=2047.1

2. 电磁负荷的选择

在确定发电机主尺寸之前，首先应对线负荷A 和气隙磁密B δ 进行初步选择。这两个参数的选取对交流发电机性能和材料利用有较大影响，应综合考虑。A 在一定程度上反映发电机电路部分的利用情况，B δ在一定程度上反映发电机磁路部分的利用情况。

2.1线负荷A ：表示沿定子圆周上单位长度的安培导体数

12D I mW A πφΦ

=

式中 W υ ：每相串联匝数；

m ：相数（三相交流发电机为3）；

I υ ：相电流（A ）；

D 1 ：定子内径；

由于汽车电机采用强制抽风，散热效果较好，故A 值可取较大，一般为35~50A/mm ，双风扇电机可取50~55A/mm ；

2.2 气隙磁密B δ

B δ 取值应考虑在爪极中安放励磁线圈的空间及尽量减少漏磁，一般取较低数值0.32~0.33T （特斯拉），使空载转速尽可能小。

δφδS K fW E B dp 22Φ

≈

式中 E υ：满载定子绕组每相电动势（V ），一般取E υ=(1～1.2)U υ（额定相电压）; U υ=U n /2.34；

f ：频率=np/60；p 为极对数，通常取6；

S δ：每极气隙面积（m 2）；

K dp ：绕组系数，有两种取法。对整节距q=1时一般取1；或单层绕组取0.96，双层绕组取0.92；

2.3 极弧系数αδ的选择

αδ值越大，交流发电机体积越小，但转子爪极间漏磁增大，使交流发电机最大输出减小，空载转速升高。对汽车发电机而言，一般取较小的αδ值，为0.6~0.65。αδ与爪极尺寸间的关系是：

()ταδ2m i n m a x b b +=或()τ

δαδ24min max ++=b b 式中 b max ：最大极宽；

b min ：最小极宽；

τ ：极距=πD 1/2p ；

δ ：定．转子间的主气隙，一般为0.3~0.5mm ；

2.4 电磁负荷选择要点

a. 电机输出功率一定时，提高电磁负荷可缩小电机体积和节省有效材料；

b. 选择较高的B δ时，一般会增加铁芯损耗，而降低绕组电损耗；

c. 选取较高的A 值时，绕组电损耗将增加；

d. 励磁电流标幺值与B δ/A 成正比，故选取较高的B δ或较低的A 时，励磁电流一般要增大；

3．主要尺寸的确定

先估算出D 12L ，然后选择主要尺寸比λ，分别确定D 1和L ；

()()()()()m i n 321,101.63r N T m A kW m n B A P L D ????=δδα

1

2D pL L

πτλ== λ的大小直接影响交流发电机的性能．温升及经济指标。对于爪极式交流发电机而言，由于爪极间间隙较小，转子漏抗比值较大，小的λ可减少励磁安匝，改善通风效果，使定子热负荷AJ 选取较大的数值，从而减少用铜量，提高交流发电机的比功。通常λ取0.95~1.15，即D 12L=0.25~0.3 D 13。根据安装要求，对大于2000W 的发电机或同一定子外径派生的产品，其λ值可在1.5~2.0之间选择。

主要尺寸计算出后，一般要根据已有系列进行优选，确定合适的数值。

二．定子计算

1. 定子绕组匝数计算

1.1每相串联匝数W υ

φφ

φf E W 44.4=

式中 E υ：相电势；

υ：额定负载下每极磁通()()T m m W LB b

??=δδταφ ； 1.2 每槽导体数N s

Z a m W N s φ

2= (取整)

式中 a ：定子绕组并联路数；

Z ：定子槽数pmq 2=；

2. 定子绕组线径计算

2.1 导线截面积A o

J aN I A t φ

=0

式中 I υ：交流相电流d I 82.0=；

N t ：线圈并绕根数；

J ：导线容许电流密度。J 选大，可使导线截面积减小，省铜；但定子内阻R o 增大，电机温升增高，效率降低。汽车发电机一般取较高的J 值，在20~25A/mm 2，热负荷AJ 在600~1200×109A 2/mm 2；双风扇发电机可取25~30A/mm 2。

2.2 每根导线直径d o

785

.000A d = 求得的导线直径须修正到标准值。

3. 定子铁芯槽形

确定定子槽形尺寸时应考虑有足够大的槽面积安放线圈和绝缘，齿部和轭部磁通密度大小适当，同时考虑齿部有一定的机械强度。

3.1 齿宽b t 1

c

t t K B t B

b 11

1δ=

式中 K c ：铁芯叠压系数，取0.92~0.95；

B t1：定子齿磁通密度，取2~2.5B δ；

t 1：定子齿距 Z D 1π=；

3.2 轭高hj 1

1

11j j B B K h τ

δ≈

式中 K 1：取0.358~0.37；

B j1：轭磁通密度，取1.5~2B δ；

3.3 定子外径

一般取1.3~1.37D 1，再圆整，靠标准系列。

二． 转子计算

1. 爪极形状尺寸

外径δ212-=D D ；

计算极弧长度ταδδ=b ；

最大极弧长度δτ4max -=b ；

最小极弧长度max min 2b b b -=δ；

极爪长mm L L p )4~2(+=；

磁轭长L L L p -=21；

极爪端部厚度mm a 4~30=；

极爪根部厚度00βtg L a a p c +=；β0取10°~15°，大则端部太薄，刚性不足；小则极内侧漏磁增大。

2. 极掌厚度和磁轭直径 极掌厚度max b S b m m =; 极身截面积m m m B S φ=; B m 极身磁通密度，一般选为2.5~3B δ;

转子极轭部磁通δσφφ=m ；

磁轭直径 πK

pS D m c 4=,K 取1.1；

σ为漏磁系数，是在所计算的截面上的磁通和空气隙磁通的比值，一般先进行预估，后验算。由于漏磁通计算相当繁复，实际中很难求得精确的漏磁系数σ值。这里，提出另一简易方法。此方法以各主要段磁路中的磁阻大致相等为原则，即各主要磁路段的截面积基本相等。 定子齿部截面积Lmpq b t 1=;

爪极掌部截面积p b m τ=; 磁轭部截面积()

242

4kD D c -=π，k 取0.3~0，D 4为磁轭内孔径。 根据上述原则，得出：

τq m L b b t m ???=1；

2422kD b D D m c +=；

3. 激磁绕组计算

3.1 导线截面积S f

()b N BH f f U U k

F L S ?-=135ρ；

式中 F BH ：磁路总磁势；系数k 取1.1；

ΔU b ：碳刷压降≈1.5V ；

L f ：绕组每匝平均长度()s c f d D h 2++=π，h f 为线圈厚度，d s 为线圈架厚度或绝缘纸厚度；

由于F BH 计算很复杂，一般采用另外的简易方法：

f f f J I S =，其中J f 取6~10A/mm 2

，优先选取低值，保证热态有足够输出；激磁电流I f （20）

一般14V 发电机取3~4A ；28V 发电机取2.5~3.5A ； 3.2 导线线径d f

πf f S d 4=,求得的值应靠标准系列圆整（其值为裸径）。

选取定标准系列线径的导线后，可反过来对电机所能产生的激磁磁势进行验算，其计算方法如下述。

3.3 激磁绕组安匝数计算

设激磁绕组线径为d 1，漆包线外径为d 2，磁轭直径为d 3，磁轭长度为l 1，允许绕线的最大外径为d 4；则：

绕线有效直径1352A d d +=；A 1为线圈架径向厚度；

绕线有效长度2122A l l -=；A 2为线圈架端部厚度；

每层可绕匝数 ()2

2

01~98.0d l n = （取整）；

可绕层数 ()2

5

4203.1~1d d d C -= （取整）；

可绕总匝数 0Cn n =；

绕组总长 ；＝m)(102 35

4-?+n d d L π

激磁绕组电阻 ；)(40178.0 21

20Ω=d L

R f π

激磁电流 ；～为电刷和线路压降，取 1.5V 1, 20b f

b

d f U R U U I ??-=

冷态激磁磁势 n I F f ?=20；