汽车交流发电机的工作原理

之前我们已经了解了汽车交流发电机的结构，已经对汽车发电机的组成有了一定的了解，下面我们就一起了解一下，汽车交流发电机的工作原理。

交流电动势的产生原理

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，依 次相 差 １２０°电 角度。

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当磁场绕组接 通直 流电 源 时即 被激 励，转 子 的 爪 极 被磁化为 Ｎ 极和 Ｓ 极。 其 磁力 线由 Ｎ 极 出 发，穿过 转子 与 定
子之间很小的气 隙 进入 定 子铁心，最后 又 通过 气 隙 回 到 相邻的 Ｓ 极。当转子旋转时，由 于 定 子绕 组 与 磁 力 线有 相 对 的 切 割
运动，所以在三 相 绕组 中 产生 频率 相同、幅 值 相等、相 位 相差 １２０°的 正弦电 动势 ｅＡ 、ｅＢ 、ｅ Ｃ ，见图 ２．８（ａ），其波 形 见 图
２．８（ｂ）。三相绕组所产生的感应电动势可用下列方程式表示

ｅ Ａ ＝ Ｅ ｍ ｓｉ ｎ（ω ｔ ） ＝ ２Ｅ Φ ｓｉ ｎ（ωｔ ）

ｅＢ＝ Ｅｍ ｓ ｉ ｎ（ω ｔ－ １２０°） ＝ ２Ｅ Φ ｓｉ ｎ（ω ｔ－ １２０°）

ｅＣ＝ Ｅｍ ｓ ｉ ｎ（ω ｔ－ ２４０°） ＝ ２Ｅ Φ ｓｉ ｎ（ω ｔ－ ２４０°）

式中，

ｍ ——— 相电动势的最大值；

ＥΦ ——— 相电动势的有效值；

ω ——— 电角速度（ω ＝ ２π ｆ）。
发电机每相绕组所产生的电动势的有效值（单位：Ｖ ）为
ＥΦ ＝ ４．４４Ｋｆ ＮΦ式中， ——— 定子绕组系数，一般小于 １；
ｆ ——— 感应电动势的频率（单位：Ｈ ｚ），ｆ＝ Ｐｎ／６０［Ｐ 为磁极对数，ｎ 为转速（单位： ｒ／ｍ ｉ ｎ）］；

Ｎ ——— 每相绕组的匝数；

Φ ——— 磁极的磁通（单位：Ｗ ｂ）。

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

性质将直接决定着交流发电机的输出电压值。

交流发电机整流原理
１． 六管交流发电机的整流原理

六管交流发电机的整流装置实际是一个由 ６ 个硅整 流二 极管组 成的 三相 桥式整流电 路，见图 ２．８（ａ）。 ３ 个二极管 Ｖ Ｄ１ 、 Ｖ Ｄ ３ 、 ＶＤ ５ 组成共阴极组接法，３ 个 二极管 Ｖ Ｄ ２ 、ＶＤ ４ 、Ｖ Ｄ ６ 组成共 阳极组接法。 每个时刻有 ２ 个二极管同时导通，其中一 个在 共阴 极组，一个 在共 阳极组，同 时导 通的两个管子总是将发电机的电压加在负荷两端，见图 ２．８（ｃ）。

（ ｃ） 整 流后的 交流 发电机 输出 电压波 形

当 ｔ＝ ０ 时，Ｃ 相电位 最高，而 Ｂ 相电 位最 低，所对应的二极管 Ｖ Ｄ ５ 、 Ｖ Ｄ ４ 均 处于正 向 导 通。 电 流 从绕组 Ｃ 出发，经 Ｖ Ｄ ５ → 负载 Ｒ Ｌ → ＶＤ ４ → 绕组 Ｂ 构 成回路。 由于二极管 的内 阻很 小，所 以此时发 电 机 的输出电压可视为 Ｂ、Ｃ 绕组之间的线电压。
在 ｔ １ ～ ｔ ２ 时间内，Ａ 相的 电位 最高，而 Ｂ 相 电 位最低，故对应 Ｖ Ｄ １ 、 ＶＤ ４ 处于 正 向 导通。 同理，交 流
发电机的输出电压可视为 Ａ 、Ｂ 绕组之间的线电压。ｔ ２ ～ ｔ ３ 时间内，Ａ 相电 位最 高，而 Ｃ 相电 位 最
低，故 Ｖ Ｄ １、Ｖ Ｄ ６ 处 于正 向 导 通。 同 理，交 流 发 电 机的输出电压可视为 Ａ 、Ｃ 绕组之间的线电压。

以次类推，周而复始，在负载上便可获得一个 比较平稳的直流脉动电压。

交流发电机输出电压的 平均值为

Ｕａｖ ＝２．３４Ｕ Φ

式中，

Ｕ ａｖ——— 输出直流电压平均值（单位：Ｖ ）；

Ｕ Φ ——— 发电机相电压有效值（单位：Ｖ ）。

２．九管交流发电机的整流原理
九管交流发电机的特点是除了常用的 ６ 个二 极管外，又增加了 ３ 个功率较小的二极管，专门用 来供 给磁场电流，又 称为磁 场二 极管。 采 用磁 场

二极管后，可以省去继电器，利用充电指示灯即可指示发电机工作情况的好坏。

九管交流发电机充电系统的线路图见图 ２．９。

发电机工作时，定子三相绕组产生的三相交流电 动势，经 ＶＤ １ ～ Ｖ Ｄ ６ ６ 个二极管组成 的三 相桥式整流电路整流后，输出直流电压 Ｕ Ｂ 向蓄电池充电和向用电设备供电。

发电机的磁 场电流 由３ 个磁场二极管 Ｖ Ｄ７ 、Ｖ Ｄ ８ 、ＶＤ ９ 和 ３ 个共阳极组 二极 管 Ｖ Ｄ ２ 、ＶＤ ４ 、Ｖ Ｄ ６ 组成的 三相桥 式整 流电 路整流后的直流电压供给。发电机工作时，充电指示灯由蓄电池端电压 与磁 场二 极管输出端 Ｌ 的 电压 Ｕ Ｌ 的差值 控制。

随着发电机转速升高，Ｕ Ｌ 增高，指示灯亮度减弱。

当发 电机电压 达到蓄 电池充 电电压时，发电 机始自励，此时指示灯因两端的电位相等而熄灭，表示发电机已经正常工作。 当发电机转速降低或发电机有故障时，Ｕ Ｌ 降低，指示灯 发亮。 这样利 用充 电指示灯 不仅可 以在 停车 后发 亮提 醒 驾驶员及时关断电源开关，还可以指示发电机的工作情况，同时还省去了结构复杂的继电器。

３．八管交流发电机的工作原理
有的交流发电机除具有组成三相桥式整流电路的 ６ 个二极管外，还具有 ２ 个中性点二极管，其接线柱的记号为“Ｎ ”。 中性点对发电机外壳（即搭 铁）之 间的 电压 Ｕ Ｎ 是通 过 ３ 个 负极 管三 相半波整流得到的直流电压，所以 Ｕ Ｎ ＝ （１／２）Ｕ 。 中性点电 压一般 用来 控制 各种继 电器 如磁 场 继

电器、充电指示灯继电器等。有的交流发电机还利用中性点的输出提高发电机的输出功率，见图 ２．１０。

发电机高速时，当中性点电压的瞬时值高于输 出电压（平均电 压 １４ Ｖ ）时，从中 性点 输出 的电流见图 ２．１０（ａ），其输出电路为：定子绕组→ 中性点二极管 Ｖ Ｄ ７ → 负载（包括蓄电池）→ 负极管→ 定子绕组。

当中性点电 压瞬时 值低 于 搭 铁电 位 时，流 过中 性 点二 极管 Ｖ Ｄ ８ 的电 流 见 图 ２．１０（ｂ），其输出电路为：定子绕组→ 正极管→ Ｂ 接线柱→ 负载（包 括蓄电池）→ 中 性点二极 管 ＶＤ ８ →定子绕组。

实验证明，加装中性点二极管后，在发电机转速超过 ２ ０００ ｒ／ｍ ｉ ｎ 时，其输出功率可提高 １１％～ １５％ 。当交流发电机输出电流时，中性点的电压含有交 流成 分，即中性 点三 次谐 波电压，且 幅值 随发电机的转速而变化，见图 ２．１１。

４．十一管交流发电机的工作原理

十一管交流发电机的整流器总成由 ６ 只整 流二 极管、３ 只 磁场 二极 管和 ２ 只 中性 点二 极 管组成，见图 ２．１２。 桑塔纳、奥迪 １００、丰田皇冠汽车 等均装 有此 类交 流整流 发电 机。 十一 管交 流发电机兼有八管与九管交流发动机的特点和作用。

励磁方式汽车用交流发电机的励磁 方法 与 一般 工业用交流发 电 机不 同。

在 无外 接直 流电 源的 情 况下，也可利用磁极的剩磁自励发电，但由于交流发电机转 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上用电的要求，在发电机开始发电时，采用他励方式，即由蓄电池提供励磁电流，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 能好的 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／ｍ ｉ ｎ 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。