汽车电工电子技术：交流发电机的工作原理

1.发电原理

交流发电机的三相定子绕组是对称的。即每相绕组的个数及每个线圈的匝数都相等，绕组的绕法也相同，且按相同的规律分布在定子铁心的槽中，它们之间互差120°电角度，发电机的工作原理如图4-14 所示。

图4-14　交流发电机的工作原理

当励磁绕组有电流通过时，转子的两块爪极被磁化，形成了N、S 极相互交错的6 对磁极。发电机工作时，磁场同时旋转。于是定子三相绕组与磁场发生相对运动，定子绕组切割磁极磁感线，产生感生电动势。三相定子绕组所产生的感生电动势是频率相同、最大值相同、相位相差120°的三相对称正弦交流电动势。三相交流电动势分别用 eU、eV、eW表示，其瞬时值方程为

式中　Em——每相电动势的最大值（V）；

　　　——每相电动势的有效值（V）；

　　　ω——角频率（ω=2πf）（rad/s）。

交流发电机每相绕组产生的交流电动势的有效值与发电机的转速和磁通的乘积成正比，可表示为

式中　C1——发电机常数（与发电机的结构有关）；

　　　n——发电机转速（r/min）；

　　　Φ ——磁极磁通（Wb）。

当发电机的三相绕组与整流器连接在一起时，三相绕组向整流器输出三相交流电，发电机输出的交流电压 eU、eV、eW也是对称的，电压波形如图4-15（b）所示。

图4-15　三相桥式整流器整流原理

2.整流原理

1）二极管的导通原则

（1）正极管的导通原则：瞬间正极电位最高者导通。

（2）负极管的导通原则：瞬间负极电位最低者导通。(www.xing528.com)

2）整流过程

以6 个二极管构成的三相桥式整流电路为例，如图4-15（a）所示。3 个正二极管VD1、VD3、VD5负极并联在正整流板上，3 个负二极管VD2、VD4、VD6的正极并联在负整流板上。每个时刻有两个二极管（正、负二极管各一个）同时导通，同时导通的两个二极管总是将发电机的电压加在负载两端。

整流器的整流过程如图4-15（b）、（c）所示：在t1～t2时间内，U 相电压最高，V 相电压最低，因而二极管VD1、VD4导通。电流由U 相绕组出发，经VD1→负载RL→VD4→V 相绕组。在t2～t3时间内，二极管VD1、VD6导通；在t3～t4时间内，二极管VD3、VD6导通；在t4～t5时间内，二极管VD3、VD2导通。

依此类推，6 只二极管两两轮流导通，于是，将电枢绕组产生的三相交流电转换为脉动的直流电，向负载RL供电。输出电压波形如图4-15（c）所示。

在发电机空载运行时，如将三相绕组和二极管内阻的电压降忽略不计，发电机的直流电动势数值为三相交流电线电压的1.35 倍，是三相交流电相电压的2.34 倍。每一只硅二极管在一个周期内只导通1/3 的时间，流过每个二极管的电流为负载电流的1/3。

式中　UAV——输出直流电压平均值（V）；

　　　——发电机相电压有效值（V）；

　　　U2——发电机线电压有效值（V）。

某些型号的交流发电机将中性点用导线引出，接在中性点接线柱（一般用“N”标记）上。中性点电压UN等于发电机端电压的1/2，这一电压常用来控制充电指示灯或某些继电器。

除了部分交流发电机采用6 个二极管构成的桥式整流电路外，还有部分交流发电机采用8 个二极管、9 个二极管、11 个二极管构成的整流电路，如图4-16 所示，其整流过程基本相似。

图4-16（a）为8 管交流发电机的整流电路，其特点是利用中性点的输出来提高发电机的输出功率。实践证明，加装中性二极管后，在发电机转速超过2 000 r/min 时，其输出功率可提高11%～15%。

图4-16（b）为由6 只大功率整流二极管和3 只小功率励磁二极管组成的9 管交流发电机。其中6 只大功率整流二极管组成三相全波桥式整流电路，对外负载供电。3 只小功率二极管与3 只大功率负极管也组成三相全波桥式整流电路，专门为发电机励磁绕组供电及控制充电指示灯，所以称3 只小功率二极管为励磁二极管。

图4-16（c）为11 管交流发电机的整流电路，它由8 只大功率整流二极管（其中2 只中性点二极管）和3 只励磁二极管组成。桑塔纳、奥迪100、丰田皇冠轿车等均装有此类交流发电机。11 管交流发电机兼有8 管与9 管交流发电机的特点和作用。

图4-16　多管交流发电机的整流电路

3.励磁方式

图4-17 所示为交流发电机的励磁电路。由于交流发电机转子的剩磁较弱，发电机只有在较高转速时才能自励发电，因而不能满足汽车用电的要求。为了使交流发电机在低速运转时的输出电压满足汽车用电的要求，在开始发电时，采用他励方式，即由蓄电池提供磁电流增强磁场，使电压随发电机转速很快上升。这就是交流发电机低速充电性好的主要原因。当发电机输出电压高于蓄电池电压，一般发电机的转速达到1 000 r/min 左右时，励磁电流便由发电机自身供给，这种励磁方式称为自励。由此可见，汽车交流发电机在输出电压建立前后分别采用他励和自励两种不同的励磁方式。

图4-17　交流发电机励磁电路