子任务一 汽车发电机结构原理认知
学习目标
1.知识目标
（1）能简述交流发电机的类型并说明其特点。
（2）能列举出交流发电机的结构并指出其作用。
（3）能根据交流发电机的型号简述其含义。
（4）能叙述电压调节器的作用及工作原理。
2.能力目标
（1）能分析说明交流发电机的基本工作原理。
（2）能分析电压调节器的工作原理。
3.素养目标
（1）培养学生自主探索的学习习惯。
（2）培养学生良好的沟通交流能力。
实训内容
发电机的型号、结构原理的认知。
课时计划
第1次课：2课时。
知识准备
一、交流发电机的特点与功能
（一）交流发电机的特点
发电机有直流发电机和交流发电机两种。直流发电机曾经在汽车上使用过，目前已被淘汰。现在汽车广泛使用的是交流发电机，交流发电机具有发电性能好、使用寿命长、体积小、质量轻、结构紧凑等优点，以硅整流交流发电机应用最为普遍。
（二）交流发电机的功能
整体式交流发电机有以下3个主要功能：
（1）发电：由发动机带动发电机的转子旋转，在定子线圈中产生交流电流。
（2）整流：利用整流电路将定子线圈产生的交流电整流为直流电，为汽车上的用电设备提供电源。
（3）调节电压：利用电压调节器调节发电机的电压，在发电机转速和负载发生变化时使供电电压保持稳定。
二、交流发电机的构造
汽车用的交流发电机多釆用三相同步交流发电机，主要部件由转子、定子、电刷组件、整流二极管、前后端盖、风扇及带轮等组成。转子用来建立磁场，定子中产生的交变电动势经过二极管整流器整流后输出直流电。JF132型交流发电机的组件如图2-3-1所示。
微课：交流发电机的结构原理认知
图2-3-1 JF132型交流发电机组件
1—后端盖；2—电刷架；3—电刷；4—电刷弹簧压盖；5—硅二极管；6—散热板；7—转子；8—定子总成；9—前端盖；10—风扇；11—皮带轮。
（一）转子
交流发电机的转子的作用是产生磁场，它主要由两块爪极、磁场绕组、滑环及转子轴等组成，如图2-3-2所示。
图2-3-2 交流发电机转子
1—滑环；2—转子轴；3—磁爪；4—磁轭；5—磁场绕组。
两块六爪磁极被压装在转子轴上，其内腔装有磁轴，磁轭上面绕有磁场绕组。磁场绕组两端的引线分别焊在与轴绝缘的两个滑环上。滑环与装在后端盖内的两个电刷相接触，两个电刷装在与端盖绝缘的电刷架内，通过弹簧力使其与滑环保持接触。当发电机工作时，两电刷通过引线分别接在两个螺钉接线柱上，一个接线柱是发电机的励磁接线柱F，另一个是搭铁接线柱。这两个接线柱与直流电源连通，可为磁场绕组提供定向电流并产生轴向磁通，使两块爪极被分别磁化为N极和S极，从而形成犬牙交错的磁极对并沿圆周方向均匀分布。当转子转动时，定子便产生交流电动势。
（二）定子
交流发电机的定子又称电枢，是产生和输出交流电的部件，由定子铁心和定子绕组组成。定子铁心由相互绝缘的内圆带槽的环状硅钢片叠成。定子槽内置有三相对称绕组，三相绕组的接法有三角形和Y形（星形）两种，一般多釆用Y形连接，Y形连接如图2-3-3所示。每相绕组的首端分别与整流器的硅二极管相连，作为交流发电机的输出端。每相绕组的尾端连接在一起，形成中性点。这样，三相绕组中产生大小相等、相位差为120°电角度的对称电动势。
图2-3-3 交流发电机定子及其Y形（星形）连接方式
（三）电刷
电刷和电刷架装在后端盖上，两个电刷分别装在电刷架的孔内，电刷借助弹簧压力与滑环保持接触。目前国产交流发电机的电刷架有两种结构形式：一种电刷架可直接从发电机外部进行拆装，称其为外装式，如图2-3-4（a）所示；另一种则不能直接在发电机外部进行拆装，称其为内装式，如图2-3-4（b）所示，内装式若需要更换电刷，必须将发电机拆开。
图2-3-4 电刷架的结构
按交流发电机电刷引线的搭铁接法不同，分为内搭铁型和外搭铁型。搭铁电刷的引出线用螺钉直接固定在后端盖上（标记“-”），通过交流发电机外壳直接搭铁的称之为内搭铁式；如果搭铁电刷的引出线与机壳绝缘接到后端盖外部的接线柱上（标记“F2”），通过调节器构成回路的称之为外搭铁型，如图2-3-5所示。对于内搭铁的交流发电机，磁场绕组直接通过交流发电机的外壳搭铁，其中一根引线接至后端盖上的磁场接线柱“F”（或“磁场”），另一根直接与发电机外壳上的搭铁接线柱“-”（或“搭铁”）连接；对于外搭铁交流发电机的磁场绕组通过电压调节器后（交流发电机的外部）再搭铁，电刷引线必须分别与发电机后端盖“F＋”（或“F1”）和“F-”（或“F2”）接线柱相连。
图2-3-5 交流发电机的搭铁形式
（四）前后端盖
前后端盖用铝合金制成，铝合金为非导磁材料，可减少漏磁并具有轻便、散热性能良好等优点。前端盖包括驱动端盖、整流端盖以及安装在其上的轴承、轴承盖等零部件。后端盖装有电刷架，两个电刷借弹簧压力与滑环保持接触。
发电机前端装有带轮，由发动机通过皮带带动。在带轮后面装有风扇，靠风扇的离心作用，给发电机强制通风。前后端盖用3～4个螺栓与定子紧固在一起。
（五）风扇
风扇安装在前端盖外侧的转轴上，在发电机工作时，随着发电机转轴一同运转，对发电机进行冷却。
（六）整流器
交流发电机的整流器的作用是将定子绕组产生的三相交流电变成直流电输出。交流发电机的整流器大多由6只硅二极管组成，如图2-3-6所示。外壳为负极、中心引线为正极的二极管，称为正极管，管壳底上有红色标记；外壳为正极、中心引线为负极的二极管，称为负极管，管壳底上注有黑色标记。
图2-3-6 二极管及整流板的安装
安装二极管的散热板称为整流板，通常用合金制成，便于散热。现代汽车用交流发电机都有两块整流板，一块是正整流板（装在外侧），安装3只正极管；另一块是负整流板（装在内侧），安装3只负极管。两者绝缘地安装在一起，并用尼龙或其他绝缘材料制成的垫片隔开固定在后端盖上。
三、国产交流发电机的型号
根据中华人民共和国汽车行业标准《汽车电气设备产品型号编制方法》QC/T 73—1993的规定，汽车交流发电机的型号表示方法如图2-3-7。
图2-3-7 汽车交流发电机的型号表示
第1部分为产品代号：用3位阿拉伯数字表示。交流发电机的产品代号有JF、JFZ、JFB及JFW4种，分别表示交流发电机、整体式交流发电机、带泵交流发电机和无刷交流发电机。
第2部分为电压等级代号：用1位阿拉伯数字表示：1——12 V；2——24 V；6——6 V。
第3部分为电流等级代号：用1位阿拉伯数字表示，其含义如表2-3-1所示。
表2-3-1 电流等级代号
第4部分为设计序号。按产品的先后顺序，用1或2位阿拉伯数字表示。
第5部分为变型代号。交流发电机以调整臂的位置作为变型代号。从驱动端看，在中间不加标记，Y——右边；Z——左边。
例如：桑塔纳、奥迪100型轿车所使用的JFZ1913Z型交流发电机，其含义是电压等级为12 V、输出电流≥90 A、第113次设计、调整臂位于左边的整体式交流发电机。
四、交流发电机的工作原理
（一）交流电动势的产生
交流发电机的工作原理如图2-3-8所示。
交流发电机定子的三相绕组按一定的规律嵌套在发电机的定子槽内，彼此相位差为120°。当转子磁场绕组接通直流电源时，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，而且三相定子绕组在空间分布上相位差为120°，所以在三相定子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、eC，如图2-3-9（a）所示，其波形如图2-3-9（b）所示。
图2-3-8 交流发电机的工作原理
图2-3-9 三相桥式整流电路及其电压、电流波形
交流发电机的交变电动势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。
（二）整流原理
将交流发电机产生的交流电转变成直流电的过程称为整流。常见的整流电路有六管交流发电机的整流电路和九管交流发电机的整流电路。
1.六管交流发电机的整流电路
六管交流发电机的整流装置由6个硅整流二极管VD1～VD6组成的三相桥式整流电路，如图2-3-9（a）所示。3个二极管VD2、VD4、VD6的负极分别与发电机三相绕组的始端相连，它们的正极连接在一起，组成共阳极组接法，3个二极管的导通原则是在某一瞬间负极电位最低的二极管导通。3个二极管VD1、VD3、VD5的正极分别与发电机三相绕组的始端相连，它们的负极连接在一起，组成共阴极组接法，3个二极管的导通原则是在某一瞬间正极电位最高的二极管导通。每个时刻有2个二极管同时导通，其中一个二极管在共阴极组，另一个在共阳极组，同时导通的两个管子总是将发电机的电压加在负载RL两端，如图2-3-9（c）所示。
当t=0时，C相电位最高，而B相电位最低，所对应的二极管VD5、VD4，均处于正向导通。由于二极管的内阻很小，所以此时发电机的输出电压等于B、C绕组之间的线电压。
在t1～t2时间内，A相的电位最高，而B相电位最低，故对应VD1、VD4处于正向导通。同理，交流发动机的输出电压可视为A、B绕组之间的线电压。
在t2～t3时间内，A相电位最高，而C相电位最低，故VD1、VD6处于正向导通。同理，交流发动机的输出电压可视为A、C绕组之间的线电压。
以此类推，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。
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个整流二极管外，又增加了3个功率较小的二极管VD7～VD9。3个功率较小的二极管用来供给交流发电机磁场电流，故又称为磁场二极管。采用磁场二极管后，可以省去继电器，利用充电指示灯（或称为蓄电池放电警告灯）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电路如图2-3-10所示。
图2-3-10 九管交流发电机充电系统的电路
交流发电机工作时，定子三相绕组产生的三相交流电，经6个二极管（VD1～VD6）组成的三相桥式整流电路整流后，输出直流电压UB给蓄电池和用电设备供电。由3个磁场二极管VD7、VD8、VD9和3个共阳极组二极管VD2、VD4、VD6组成的三相桥式整流电路整流后的直流电压供给发电机所需的磁场电流。
充电指示灯由蓄电池端电压与磁场二极管输出端L电压的差值控制。在发电机不工作时，电压的差值等于蓄电池电压，指示灯亮。在发电机工作时随着发电机转速升高，电压的差值逐渐减小，指示灯亮度减弱。当发电机电压达到蓄电池充电电压时，发电机开始自励，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，发电机输出电压降低，电压的差值逐渐增大，指示灯点亮，以提醒驾驶员。同时在发动机停止工作时，充电指示灯点亮可以提醒驾驶员及时关断点火开关。
（三）励磁方式
汽车用交流发电机的励磁方法是由他励方式到自励发电的一个过程。由于汽车用交流发电机转子的剩磁较弱，不能利用磁极的剩磁自励发电，所以需要外接直流电源。交流发电机只有在较高转速时，才能自励发电。交流发电机在低速运转时，采用他励方式，即由蓄电池提供励磁电流，增强磁场，发电机发电，满足汽车上用电的要求。发电机的发电电压随发动机转速升高而上升。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，此时的励磁方式称为自励。
（四）电压调节器
1.晶体管式电压调节器
晶体管式电压调节器是利用晶体管的开关特性来控制发电机的磁场电流，使发电机的输出电压保持恒定的。下面以JFT106型晶体管电压调节器为例进行分析。
JFT106型晶体管电压调节器属于负极外搭铁型电压调节器，其电路原理如图2-3-11所示。该调节器共有“＋”“F”和“-”三个接线柱，其中“＋ ”接线柱与发电机磁场绕组的“F2”接线柱连接后经熔断器接至点火开关，“F”接线柱与发电机磁场绕组的“F1”接线柱连接，“-”接线柱搭铁。该调节器由电压敏感电路和两级开关电路组成。
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图2-3-11 JFT106型晶体管电压调节器电路原理
电路中，R1、R2、R3和稳压管VD1构成了电压敏感电路，稳压管VD1为稳压元件，R1、R2、R3构成分压器，将交流发电机的端电压进行分压后加在稳压管VD1的两端，随时感受着发电机端电压的变化。当稳压管VD1上的电压低于稳压管VD1的稳压值时，VD1稳压管截止；当稳压管VD1上的电压高于稳压管VD1的稳定电压时，稳压管VD1导通。可见，电压敏感电路可以非常灵敏地感受出交流发电机端电压的变化。晶体三极管VT6、VT7、VT8组成复合大功率三级开关电路，利用其开关特性控制磁场电路的接通或断开。
（1）接通点火开关，启动发动机，蓄电池通过分压器R1、R2、R3将电压加在稳压管VD1两端，此时电压低于稳压管VD1的稳定电压值，VD1截止，则VT6截止，VT7、VT8导通，这时蓄电池经大功率三极管VT8供给励磁电流，励磁电路为：蓄电池“＋”→点火开关S→调节器磁场接线柱F2→发电机磁场绕组→调节器磁场接线柱F1→VT8→搭铁→发电机负极。由蓄电池提供发电机的励磁电流，处于他励状态。
（2）发动机转速逐渐升高，发电机转速随之逐渐升高。当发电机端电压高于蓄电池端电压时，发电机给用电设备供电，并且给蓄电池充电，励磁回路也由发电机供电，此时由他励转为自励。由于此时转速较低，加在稳压管VD1两端的电压仍然低于稳压管VD1的稳定电压值，VD1依然截止，输出电压未达到调节电压值，VT6仍然截止，VT7、VT8仍然导通，因此发电机的端电压可以随转速和自励电流的增大而升高，逐渐提高输出电压。
（3）发动机转速进一步升高，直到转速升至一定值使输出电压达到调压值时，经分压器加至稳压管VD1两端的电压达到稳定电压值，VD1反向击穿导通，使VT6导通，VT7、VT8截止，断开了励磁电路，发电机端电压下降。当发电机端电压下降到调压值以下时，经分压器加至稳压管VD1两端的电压又低于稳定电压值，使VT6又截止VT7、VT8又导通，又一次接通了励磁电路，发电机端电压又上升。如此循环反复，自动调控发电机的端电压，使其保持恒定。
2.集成电路电压调节器
集成电路电压调节器又称IC电压调节器，是将二极管、三极管的管芯都集成在一块基片上，这样就实现了电压调节器的小型化，将其装在发电机内部，减少了外部线，缩小了整个充电系统的体积。
夏利汽车发电机内装集成电压调节器及充电系统电路如图2-3-12所示。该发电机调节器装于发电机内部，构成整体式交流发电机。
该调节器工作过程如下：T1控制励磁回路的接通和断开；T2控制充电指示灯的接通和断开。调节器根据各个检测点的信号控制T1、T2的基极电压。
（1）点火开关S接通且发动机未转动时，蓄电池端电压经接线柱IG输入单片集成电路，使三极管T1、T2均有基极电流流过，于是T1、T2同时导通。T1导通，发电机由蓄电池进行他励，磁场绕组中有电流流过，电流流向为：蓄电池“＋”→接线柱B→磁场绕组→T1→搭铁→蓄电池“-”；T2导通时，充电指示灯亮，充电指示灯电路为：蓄电池“＋”→点火开关S→充电指示灯→T2→搭铁→蓄电池“-”，表示发电机不发电。
图2-3-12 夏利轿车用整体式交流发电机电路原理图
（2）发动机运转后，发电机输出电压逐渐升高，发电机由他励转为自励，并向蓄电池充电。P点检测的是定子绕组的输出电压，反映发电机的输出电压情况。由P点输入单片集成电路的发电机的输出电压，在发电机运转后，逐渐升高直到高于蓄电池电压而小于调节电压时，使三极管T1继续导通，T2截止。T1导通，磁场绕组中仍有电流流过，发电机的端电压可以随转速和自励电流的增大而升高，逐渐提高输出电压，励磁电路与上述相同；T2截止，故充电指示灯会熄灭，表示发电机工作正常。
（3）当发电机电压随转速升高到调节电压时，单片集成电路通过P点检测出该电压，于是T1由导通变为截止，磁场绕组中电流中断，发电机电压下降。当电压下降到低于调节电压时，单片集成电路使T1又导通，如此反复，使发电机输出电压被控制在规定电压范围内。
单片集成电路检测各点的信号，当各点信号消失或者超出检测范围，判断此时电路出现了异常后，控制VT2导通，点亮充电指示灯。
知识测试
一、填空题
（1）交流发电机的定子又叫电枢，其作用是______________________________，由定子铁心和定子绕组组成。
（2）交流发电机的转子的作用是____________，它主要由两块爪极、____________、滑环及转子轴等组成。
（3）汽车用交流发电机的励磁方法是__________________________________。
（4）根据充电系统需求，通过对____________________________的控制来调节交流发电机输出电压。
（5）交流发电机的______________________是产生电流的并且固定不动的绕组。
（6）充电系统将发动机的__________________能转换成给蓄电池充电和运转电器附件的__________________能。
（7）硅整流发电机由_______________________________和_____________________两部分组成。
（8）汽车发电机的三相定子绕组彼此间相差________________相位角，绕组构成____________________连接。
二、判断题
（1）汽车电源系统中的电压调节器损坏可能会造成发电机不发电。 （ ）
（2）整流器的功用是在发动机转速和发电机上的负载发生变化时自动控制发电机的输出电压，使其保持恒定。 （ ）
（3）若发电机的励磁绕组开路，发动机没有输出电压，充电指示灯会点亮。 （ ）
（4）当发动机刚启动时，发电机属于自励形式，发动机正常运转后则为他励形式，并向其他用电设备供电。 （ ）
（5）在硅整流发电机的绝缘散热板上装置的一组整流管是负极性二极管。 （ ）
（6）若运转时硅整流发电机突然充电熔丝中断，此时易造成汽车计算机等装置损坏。 （ ）
实训指导
一、实训任务
实训任务1 发电机的安装位置、类型及型号识别
结合指定的试验台架或图片，小组合作完成实训任务的相关操作和学习要求。
（1）要求：根据实训指导的要求完成指定发电机的安装位置及型号识别，同时完成实训指导相关填写要求，每人至少完成1轮操作，遇到问题小组讨论、查询资料或咨询老师。
（2）完成时间：20 min。
实训任务2 发电机的结构原理识别
结合指定发电机实物，查找识别操作，小组合作完成实训任务的相关操作和学习要求。
（1）要求：根据实训指导的要求完成指定发电机的结构原理识别，同时完成实训指导相关填写要求，每人至少完成1轮操作，遇到问题小组讨论、查询资料或咨询老师。
（2）完成时间：40 min。
二、实训准备
1.安全要求及注意事项
（1）严格遵守实训管理制度。
（2）严格遵守实训室安全操作规程。
2.场地检查
检查工作场地是否清洁及存在安全隐患，如不正常，请汇报老师并及时处理。
异常记录：_______________________________________________________________。
3.设备安全状况检查（需要/正常打√，不需要/不正常打×，并记录）
（1）检查车辆状况□、全车电气灯光示教板状况□、全车电气台架状况□。
异常记录：_______________________________________________________________。
（2）目视检查蓄电池外观□、充电机技术状况□。
异常记录：_______________________________________________________________。
4.其他准备
任意金属件、万用表、导线、毛巾、笔、白纸等。
三、实训操作指导
实训任务1 发电机的安装位置、类型及型号识别
1.安全操作流程
（1）观察发电机的安装位置。
（2）识别发电机的类型及型号。
（3）进行7S管理。
2.观察发电机安装位置。
（1）在指定实验台架上能否找到发电机：是□/否及原因□______________________。
（2）在图2-3-13中能否找到发电机：是□/否及原因□_________________________。
图2-3-13 交流发电机及其安装位置
（3）对照图2-3-14、图2-3-15、图2-3-16、图2-3-17，识别指定发电机的类型：整体式交流发电机□，带泵交流发电机□，无刷交流发电机□，永磁式交流发电机□。
图2-3-14 整体式交流发电机
图2-3-15 带泵交流发电机
图2-3-16 无刷交流发电机
图2-3-17 永磁式交流发电机
（4）查找并记录指定发电机的型号__________________________________________。
实训任务2 发电机的结构原理识别
1.安全操作流程
（1）观察认识交流发电机的结构组成。
（2）小组讨论交流发电机的工作原理。
（3）进行7S管理。
2.观察认识发电机的结构组成
（1）观察认识交流发电机的主要部件，在指定实训桌上能找到的部件后面打“√”：后端盖□，电刷架□，电刷□，电刷弹簧压盖□，硅二极管□，散热板□，转子□，定子总成□，前端盖□，风扇□，皮带轮□。
（2）观察认识转子总成件，在指定实训桌上能找到的部件后面打“√”：滑环□，转子轴□，磁爪□，磁轭□，磁场绕组□。
（3）观察认识定子总成件，是否能区分定子绕组和铁心：是□/否及原因□_______________。
（4）观察认识整流器和电刷，是否能在实物上指出整流器和电刷：是□ 否及原因□_______。
（5）在指定实训桌上找到端盖□、皮带轮□、风扇□，找到后在相应部件后面打“√”。
3.发电机的工作原理
观察图2-3-18，结合实物，小组讨论分析并描述交流发电机的工作原理：
图2-3-18 交流发电机的工作原理
（1）是否能对照实物及图片解释交流发电机如何产生电动势：是□/否及原因□___________________________________________________________________________________。
（2）是否能对照实物解释整流器如何将交流电转变为直流电：是□/否及原因□___________________________________________________________________________________。
（3）是否能对照实物解释交流发电机的两种励磁方法：是□/否及原因□_________________________________________________________________________________________。
4.7S管理
收拾清洁工具□，整理整顿场地□，清洁场地□，填写相关使用记录表□。
思政点睛
1.通过本次课的学习，你掌握了哪些技能？_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2.为了更好地提升学习效率，你认为应该改进的措施有哪些？加强课前学习□，优化小组分工□，重视团队沟通□，用好工作页□，轮流操作□，重视小组讨论□，做笔记□，多和老师沟通□，用好网络资源□，其他方面□_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3.通过本次课的学习，你认为对今后的就业有哪些帮助？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________