第八节 交流发电机的工作特性

汽车交流发电机的转速变化范围很大，其工作特性的表示方法与工业用交流发电机有所不同。

一、交流发电机的励磁

汽车交流发电机不接外电源时也能自励发电，其前提是发电机必须有剩磁且转速足够高。由于其转子铁心体积很小，保留剩磁的能力很弱，因此在交流发电机转速较低、输出电压低于蓄电池电压时，采用了由蓄电池通过点火开关供给磁场电流进行他励的方式，使发电机输出电压迅速上升。当输出电压超过蓄电池电压时，发电机便开始自励发电并对外输出电流。

（一）9管交流发电机的励磁

在普通交流发电机的基础上增设3只小功率二极管VD₇、VD₈、VD₉，即可组成9管交流发电机，其充电系统电路如图1-29所示。

当发电机工作时，定子绕组产生的三相交流电动势经6只整流二极管VD₁～VD₆组成的三相桥式全波整流电路整流后，输出直流电压U_B向负载供电并向蓄电池充电。VD₇、VD₈、VD₉与3只负极管VD₂、VD₄、VD₆组成三相桥式整流电路，专门供给磁场电流，故增设的3只小功率二极管称为磁场二极管。9管交流发电机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。

当接通点火开关SW时，蓄电池电流便经点火开关SW→充电指示灯→发电机磁场电流输出端子D+→磁场绕组R_F→调节器内部大功率晶体管→搭铁→蓄电池负极构成回路。此时充电指示灯发亮，指示磁场电流接通并由蓄电池供电。

当发动机起动后，随着发电机转速升高，发电机D+端电压随之升高，充电指示灯两端的电位差降低，指示灯亮度变暗。当发电机电压升高到蓄电池端电压时，发电机B端与D+端电位相等，充电指示灯两端电位差降低到零而熄灭，指示发电机已正常发电，磁场电流由发电机自己供给。

当发电机高速运转、充电系统发生故障而导致发电机不发电时，因为D+端无电压输出，所以充电指示灯两端电位差增大而发亮，警示驾驶人应当及时排除故障。

（二）11管交流发电机的励磁

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）和2只中性点二极管（VD₁₀、VD₁₁）的交流发电机，即为11管交流发电机，其充电系统电路如图1-30所示。

11管交流发电机综合了8管和9管交流发电机的优点，不仅具有提高输出功率功能，而且还有反映充电系统工作情况的功能。

随着汽车技术的发展，国内外都开发出了结构先进、性能优良的交流发电机。除了8管、9管、11管和无刷交流发电机之外，还有水冷式交流发电机（2000年开始，奔驰、宝马、奥迪、路虎等汽车已经采用）、发电与起动功能合为一体的电机等。

二、交流发电机的输出特性

交流发电机的输出特性是指发电机电压维持在试验电压U_t时，输出电流I与转速n之间的关系，故又称为电流-转速特性，如图1-31所示。由特性曲线可见，当发电机电压一定时，输出电流的变化规律是随转速升高和负载增多而增大，且在转速达到一定值后不再增大。

试验电压是测试输出电流时规定的电压值。根据我国汽车行业标准QC/T 729—2005《汽车用交流发电机技术条件》规定：对于配用电子式调节器的交流发电机，为使调节器处于非工作状态，即防止调节器工作对发电机输出电流产生影响，将12V发电机的试验电压规定为13.5V；24V发电机规定为27V。

汽车用交流发电机的性能用空载转速n_A、零电流转速n₀、最小工作电流I_L、额定电流I_R和最大电流I_max等5个指标来描述。

1）空载转速n_A。空载转速是指发电机转速逐渐升高到充电指示灯（或电流表）指示充电开始时的转速。发电机转速n低于空载转速n_A时，其端电压低于蓄电池电压，发电机不能对外（用电设备）输出电流，只有当n＞n_A时，发电机才能对外输出电流，所以将转速n_A称为空载转速。空载转速n_A的实用意义是：选择发电机与发动机之间传动比的主要依据。

空载转速高低取决于励磁功率（输入）、转速变化率、蓄电池电压以及转子的剩余磁通密度。由于充电指示灯的额定功率直接影响励磁电流的大小，因此其额定功率值规定为2W。

2）零电流转速n₀。发电机电压达到规定的试验电压、但尚无电流输出时的转速。在电流-转速特性曲线上，该点与横坐标相交。

3）最小工作电流I_L。发电机在试验电压U_t、转速n_L=1500r/min时的输出电流。转速n_L称为最小工作转速，相当于发动机怠速时发电机的转速。

最小工作电流反映了发电机低速充电性能的好坏。现代汽车选用蓄电池的容量越来越小，要求怠速时发电机应对蓄电池充电。因此，最小工作电流越大，发电机的低速充电性能越好。

4）额定电流I_R。发电机在试验电压U_t、额定转速n_R时输出的最小电流。额定电流值由发电机制造厂规定，并标示在发电机铭牌上。额定转速n_R是交流发电机在环境温度（23±5）℃和试验电压U_t下，输出额定电流时允许的最高转速。汽车行业标准QC/T 729—2005《汽车用交流发电机技术条件》规定额定转速n_R为6000r/min。

5）最大电流I_max。发电机在试验电压U_t、最高工作转速n_max时的输出电流。最高工作转速是交流发电机在环境温度（23±5）℃、试验电压U_t和输出最大电流条件下，至少正常并连续工作15min的转速。汽车行业标准QC/T 729—2005《汽车用交流发电机技术条件》规定的最高工作转速是：12V电器系统为15000r/min，24V电器系统为12000r/min。实际最高工作转速由发电机制造厂根据发电机的实际情况确定，一般都高于行业标准，常见的最高工作转速有15400r/min、16000r/min和18200r/min。

三、交流发电机的限流保护原理

汽车交流发电机的转速达到一定值后，输出电流不再随转速升高而增大，表明其自身具有限制输出电流的能力，可避免用电设备接通过多、输出电流过大导致发电机过载而损坏。限流保护原理如下：

（1）定子绕组的阻抗Z随转速升高而增大

交流发电机定子绕组的阻抗Z由绕组电阻R和感抗X_L合成，即

式中 L——交流发电机定子绕组的电感；

f——感应电动势的频率，f=pn/60；

p——交流发电机磁极的对数（一般发电机，p=6对）；

n——交流发电机转速。

由上式可见，阻抗X_L与转速n成正比，而绕组电阻R又很小（200～800mΩ），所以当发电机高速时，R与X_L相比可以忽略不计。因此，定子绕组的阻抗与转速成正比。

（2）电枢反应增强使磁场削弱

电枢反应是指定子绕组电流产生的磁场对转子磁场的影响。当发电机输出电流增大时，定子绕组的电流增大，因此电枢反应增强，磁场削弱，使定子绕组感应产生的电动势降低。

由此可见，当发电机输出电流增大到一定值后，随着转速继续升高，尽管定子绕组中的感应电动势增加，但是由于定子绕组阻抗增大使内压降增大，同时由于电枢反应使感应电动势降低，因此输出电流不再增大。