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汽車發電機的構造
汽車發電機的構造
更新时间:2025-04-03 08:50:19

發電機是電磁感應原理在汽車電氣系統中的應用,以向汽車電氣設備提供适當電力輸出,并且可在所有行駛條件下調節電壓。

汽車發電機的構造(汽車發電機原理)1

#汽車發電機

那麼什麼是電磁感應原理?當磁場穿過導體運動時會産生電壓。

一個簡單的示例:一個條形磁鐵,其磁場在導體線圈中轉動。旋轉的磁鐵稱為轉子,固定的導體稱為定子。那麼定子中就會産生感應電壓。

汽車發電機的構造(汽車發電機原理)2

如上圖,條形磁鐵(轉子)旋轉的前半圈,磁極改變了位置:N極在上部導體的正下方運動,S極在下部導體的正上方運動。感應電壓則導緻電流以反向流動。導體的末端标有:A為負(-)極,B為正( )極。

當轉子完成了旋轉的後半圈,N極和S極又變回它們的初始位置:A成為正( )極,B成為負(-)極。

因此,電流開始以一個方向流動,然後變為另一個方向,産生了交流電,這種交變的電流産生于發電機内部。它是“交流發電機”一詞的來源,這個詞有時應用于使用這種原理的發電機。但是SAE認可的詞彙為發電機。

汽車發電機的構造(汽車發電機原理)3

有了交流電,怎樣提高電壓?

一般過三種方式提高發電機的電壓:

  • 增加定子中線圈匝數
  • 增加轉子轉速
  • 增加轉子磁場強度

前兩者是從設計角度考慮,第三種是應用于汽車時控制發電機電壓的方法。

第一種方法是增加定子繞組數目,磁力線切割繞組的數目越多,繞組中感應出的電流越大。

第二種方法是增加轉子轉動速度。這樣導緻切割磁力線更為頻繁。因此,這導緻了定子組中的電壓有所增加。汽車發動機轉速增加時,轉子轉速也随之增高。與發動機曲軸相連的皮帶驅動發電機定子繞組中的轉子。

與前兩種方法相反,控制定子磁場強度是控制發電機電壓輸出的最實際的手段。這是由于磁場強度會影響感應電壓的原因。磁場越強,感應電壓越高。磁場越弱,感應電壓越低。第三種方法通過以電磁鐵取代轉子條形磁鐵而得以實現。

汽車發電機的構造(汽車發電機原理)4

對于電磁鐵,流經線圈導線中的電流大小、磁力線或轉子的繞組,決定着轉子的磁場強度。零電流産生零電壓,中等電流産生中等電壓,最大電流産生最大電壓輸出,或獲得最大磁場強度。

在任何時刻,最大磁場強度都可以産生高于電氣系統所需的感應電壓。調節電壓的調壓器通過接通或斷開磁場電流,将電壓限制在規定的數值内。在發電機中調壓器是内置式的。這樣就使發電機這一單一的部件既可以産生電能又可以進行調節,因此發電機被看作為一個充電系統。

發電機在低速時,可以提供足夠的電壓,例如在發動機怠速時。但是,當汽車發動機高轉速運行時,發電機的最大輸出要受到限制。與發電機一體的調壓器,其作用就是限制電壓輸出。

汽車發電機的構造(汽車發電機原理)5

限制電壓對于許多車輛電子部件十分重要,這是因為無限制的電壓輸出會損壞或縮短蓄電池、燈泡、外部線束、電子模塊及其它電子或電氣部件的壽命。

調壓器以每秒四百次的固定頻率切換磁場電壓。通過改變開關磁場電流的時間,電壓得以控制。因此,在低速時,磁場可能90%的時間接通,10%的時間關閉。這形成相對較高的平均磁場電流,平均電流與發電機轉速結合,可以得到所需電壓。

随着發電機轉速升高,産生所需電壓的磁場電流減小。這可以通過改變工作循環以減小平均磁場電流。例如:發動機轉速高時,調壓器可能10%的時間接通,90%的時間關閉。當運行條件變化時,工作循環也将改變以提供系統電壓的所需要的準确磁場電流。

再具體來看下轉子和定子

汽車發電機的構造(汽車發電機原理)6

#轉子(組成:兩個帶有交錯爪臂的極件、轉子繞組芯、轉子軸與芯、兩個銅滑環、電刷)

用作N極和S極的帶有交錯爪臂的兩個鐵件,爪臂安裝在勵磁繞組、芯及軸的外部,勵磁繞組及極件安裝在轉子軸上。

汽車發電機的構造(汽車發電機原理)7

#定子(組成:鐵芯和三相繞組)

每一繞組具有幾個分離的線圈,這些線圈安置在鐵支架中,這樣在相同時刻,繞組中每一線圈上的磁極相同。由于繞組之間是串聯的,所有繞組中感應出的電壓相加産生所需的輸出電壓。

轉子在定子支架中自由旋轉。轉子旋轉時,其極件上的爪臂的位置使得在N極與S極之間變化的磁場做穿過定子導體的運動。由于通過定子線圈的是變化的磁極,所以定子中每一相中的感應電壓為交流(AC)電壓。

發電機中定子采用三角形連接或星形(Y)連接。三角形的名字來自于定子中三相所形成的三角形。

汽車發電機的構造(汽車發電機原理)8

問題又來了,發電機發出來的是交流電(AC),而汽車電氣系統使用的是直流電(DC),怎麼轉換?

利用整流電路

汽車發電機的構造(汽車發電機原理)9

#發電機整流器(其中包含二極管)

整流電路中的一系列二極管,通常稱為二極管橋式電路,将AC轉換為DC電壓。二極管是一種隻允許電流沿一個方向流動的裝置,如果反向連接,二極管不能導通。

二極管橋式電路是二極管的組合。四個二極管連接到被稱作A-B的環行導線上,組成了橋式電路。當A-B環中感應中AC電壓時,電壓通過橋式電路被轉換為DC。由于所有的AC電壓都被轉換為DC電壓,這種二極管橋式電路被稱為全波整流電路。

汽車發電機的構造(汽車發電機原理)10

#全波整流電路

關于電路部分,後續介紹。

來源:公衆号 汽車原野

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