交流发电机的工作原理

（一）交流发电机的工作原理

交流发电机工作原理如图2-29所示。交流发电机是根据电磁感应原理工作的。交流发电机定子的三相绕组按一定的规律排列在发电机的定子槽内，彼此相差120°，三相绕组的末端连在一起，呈星形连接。

图2-29　交流发电机工作原理

当励磁绕组接通直流电源时，励磁绕组便产生了磁场，转子轴上的两块爪形磁极被分别磁化为N极和S极，其磁力线由N极出发，穿过转子与定子之间很小的间隙进入定子铁芯，最后又通过间隙回到相邻的S极。

当转子旋转时，转子磁力线和定子绕组之间便产生相对运动，转子爪形磁极间产生的磁力线势必被三相绕组线圈所切割。由于三相绕组在定子槽中分布的位置不同，所以在三相绕组中分别产生交流电动势。由于三相绕组是对称的，所以产生的三相电动势也是对称的，即eA、eB、eC三相电动势的大小相等，相位差互为120°，其瞬时值分别为

式中：

Em——每相电动势的最大值，Em≈1.414Eφ，其中，Eφ为每相电动势的有效值（V）；

ω=电频率（rad/s）。

同理，可得三相电压有效值UA、UB、UC。

而

式中：

K——绕组系数，取决于绕组的分布设计，当采用集中绕组时，K=1；

N——每相绕组的匝数；

f——感应电动势的频率（Hz）；

φ——每极磁通（Wb）。

其中，频率f与磁极对数和转速有关，其关系式为

式中：

P——磁极对数；

N——转子转速（r/min）。

将f代入Eφ=4.44KfNφ中，得

对于定型的发电机而言，Eφ=4.44KPnNφ/60中的K、P、N均为定值。

设C=4.44KPN/60

则有Eφ=Cnφ

由上述可知，三相同步交流发电机每相电动势有效值的高低与转子的转速和磁通量的乘积成正比。若忽略发电机内部绕组电阻所引起的电压降低，每相电压输出的有效值为

上式表明，使用中的交流发电机，其交变电动势的有效值取决于转速和转子的磁通量，这一性质直接决定交流发电机的输出电压值。

（二）硅整流器的工作原理

硅二极管具有单向导电性，利用这一特性，在普通的交流发电机中，采用6只硅二极管组成三相桥式整流电路，就可以将交流电转变成直流电，如图2-30（a）所示。

其中，3个正极管的负极连在一起，正极分别接在三相绕组的首端A、B、C上。在某一瞬间，当某相电压Uφ的值升高到一定数量时，与之相连的二极管正极电位随之升高，该二极管就会导通。另外3个二极管V2、V4、V6的正极连在一起，负极也是接在三相绕组的首端A、B、C上，在某一瞬间，当某相电压的值降低到一定数量时，与之相连的二极管负极电位随之降低，该二极管就会导通。

1.整流的过程

当发电机在正常的工作状态，有外电路负载的情况下，其整流的过程如图2-30（b）、2-30（c）所示。

图2-30　三相桥式整流电路及电压、电流波形(https://www.xing528.com)

在t1～t2时间内，UA最高，UB最低，V1和V4处于正向电压导通状态，电流从最高电位UA出发，经V1→“+”→RL→“-”→V4，流入最低电位，于是在RL上得到的电压为UAB（因为二极管的内阻很小），其方向上“+”下“-”。

在时间t2～t3内，UA仍最高，而UC变为最低，V1和V6处于正向电压导通状态，电流从最高电位UA出发，经V1→“+”→RL→“-”→V6，流入最低电位UC，于是在RL上得到的电压为UAC，其方向也是上“+”下“-”。

在时间t3～t4内，UB最高，UC最低，V3和V6导通，RL上得到UBC，同样是上“+”下“-”。

同理，依次下去，周而复始，在负载RL上得到一个比较稳定的脉冲电压，一个周期6个纹波，脉动频率为6f，通过6只二极管整流后，在负载RL上得到一个比较平稳的直流电压。

2.八管交流发电机的整流原理

八管交流发电机的整流电路如图2-31所示。这种整流电路是在六管交流发电机的整流电路上增加了两个功率二极管（也称中性点二极管），从星形绕组的中性点引出连接线，其目的是提高发电机的输出功率。试验表明，在交流发电机结构不改变的情况下，增加中性点二极管后，发电机的输出功率与原来相比可提高10%～15%，并且转速越高输出功率增加越明显。

图2-31　八管交流发电机的整流电路

3.九管交流发电机的整流原理

九管交流发电机的整流电路是在六管交流发电机的整流电路上增加了3个小功率二极管。如图2-32所示，这3个二极管和桥式全波整流电路中的3个正极二极管是并联关系。它的作用是给交流发电机的励磁绕组提供电流，所以又称为磁场二极管。在磁场二极管的输出端和交流发电机的“B+”端之间接一个充电指示灯，可指示发电机工作情况的好坏。

图2-32　九管交流发电机的整流电路

4.十一管交流发电机的整流原理

图2-33所示为东风EQ2102型越野汽车用JFW2621型28V45A整体式无刷发电机与充电系统电路图。整流器总成具有3只正极管VD1、VD3、VD5，3只负极管VD2、VD4、VD6，3只磁场二极管VD7、VD8、VD9，以及2只中性点二极管VD10、VD11的交流发电机，称为十一管交流发电机。

图2-33　十一管交流发电机与充电系统电路图

与普通六管整流器相比，在不改动交流发电机结构的情况下，加装两只中性点二极管后，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）工作时，其输出功率与额定功率相比可以提高11%～15%。增设的3只小功率磁场二极管不仅可以控制充电指示灯来指示蓄电池充电情况，而且能够指示充电系统是否发生故障。

（三）无刷交流发电机

交流发电机按有无电刷可分为有刷式和无刷式两大类。有刷式交流发电机根据电刷架安装方式不同可分为外装式和内装式两种；无刷式交流发电机可分为爪极式、磁感应式、带励磁机式和永磁式4种。

无刷交流发电机由于转子上没有电刷和集电环，所以不存在电刷和集电环的磨损和烧蚀现象，不会产生火花，结构简单，故障少，工作可靠性得到提高。

下面介绍爪极式无刷交流发电机。爪极式无刷交流发电机的结构与普通交流发电机大致相同。图2-34所示为国产JFW14系列无刷交流发电机的外形及零部件组成图。其磁场绕组是静止的且不随转子转动，因此，磁场绕组两端引线可直接引出，从而省去了集电环（滑环）和电刷形成无刷结构，而爪极在磁场绕组的外围旋转。

图2-34　国产JFW14系列无刷交流发电机外形及零部件组成

1—外形图；2—防护盖；3—后轴承；4—整流二极管；5—磁场绕组托架与后轴承支架；6—定子总成；7—磁辄；8—磁场绕组引线端子；9—磁场绕组；10—爪极；11—前端盖；12—风扇叶片；13—驱动带轮

转子的功用是产生磁场，主要由磁轭、磁场绕组和爪极等组成。结构与一般交流发电机大致相同，所不同的是励磁绕组不是装在转子上，而是装在后端盖上，励磁绕组不随转子转动，所以绕组两端可直接引出，不需要集电环和电刷。

爪极式无刷交流发电机的结构原理和磁路如图2-35所示。爪极3和爪极4用非导磁材料固定在一起，爪极4固定在转子轴上，这样当转子轴转动就带动爪极4和爪极3共同在定子内转动。励磁绕组5固定在发电机中部的磁轭托架10上，磁轭托架固定在端盖7上。这样，爪极3和爪极4随转子转动而励磁绕组5不动。在爪极3的轴向制有大圆孔，磁轭托架10由此圆孔伸入爪极3和爪极4的腔室内，磁轭托架10与爪极3以及转子磁轭之间均需留出附加间隙以便转子转动。

当励磁绕组5通过电流时，励磁绕组磁通通路为：爪极3→主间隙→定子铁芯2→主间隙→爪极4→转子磁轭→附加间隙g1→磁轭托架10→附加间隙g2→爪极3，构成闭合回路。当转子旋转时，磁力线切割定子绕组1，在三相绕组中产生三相交变电动势。

爪极式无刷交流发电机的缺点是：两块磁极间的连接工艺复杂；由于在磁路中增加了两个附加间隙，则在输出功率相同的情况下，必须增大磁场的励磁能力。

图2-35　爪极式无刷交流发电机结构原理及磁路

1—定子绕组；2—定子铁芯；3、4—爪极；5—励磁绕组；6—转子轴；7、8—端盖；9—机座；10—磁辄托架

（四）励磁方式

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。将电流引入到励磁绕组使之产生磁场称为励磁。交流发电机励磁方式有他励和自励两种。

1.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.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。不同汽车的励磁电路各不相同，但有一个共同特点是，励磁电路都必须由点火开关控制。