第三節 汽車發電機故障診斷

汽車發電機的作用：發動機在怠速或以高于怠速的轉速運轉時，與電壓調節器互相配合工作，向除起動機以外的用電設備供電，同時還向蓄電池充電。現代汽車上普遍采用硅二極管整流的三相同步交流發電機。發電機的電樞產生交變頻率與轉子轉速同步的三相交流電，并由二極管組成的整流器把交流電轉變為直流電。

一、汽車交流發電機的結構和類型

1.汽車交流發電機的結構

各類交流發電機的局部結構雖有所差別，但基本結構都是由定子、轉子、整流器和端蓋四部分組成，如圖1-10所示。

（1）定子 由定子鐵心和定子繞組構成。定子鐵心由內圓帶槽的環狀硅鋼片疊壓而成；定子繞組為三相對稱繞組，按一定規律和要求繞制在定子鐵心的槽內。三相繞組的連接方式有Y形聯結和△形聯結兩種。大部分汽車交流發電機采用Y形聯結。

圖1-10 交流發電機的結構

1—帶輪 2—風扇 3—前端蓋 4—轉子 5—定子 6—后端蓋 7—電刷架 8—元件板 9—整流器

（2）轉子 由轉子軸、爪形磁極、磁扼（轉子鐵心）、磁場繞組和集電環構成（圖1-11）。

圖1-11 轉子的結構

1—集電環 2—轉子軸 3—爪極 4—磁軛 5—磁場繞組

圖1-12 交流發電機的磁路

1—磁扼 2—磁場繞組 3—爪極 4—定子鐵心 5—三相繞組 6—爪極 7—漏磁 8—轉子軸

爪形磁極壓裝在轉子軸上；磁場繞組繞在磁扼上構成電磁鐵，安裝在兩塊爪形磁極間的空腔內，磁場繞組兩端分別連接在轉子軸上的一對集電環上；集電環是兩個相互絕緣的銅環，壓裝在轉子軸一端并與轉子軸絕緣，兩銅環分別與發電機的兩個電刷接觸。當兩個電刷與直流電源接通時，磁場繞組中便有定向電流通過，從而產生軸向磁場（圖1-12），使兩塊爪極被分別磁化為N極和S極，從而形成犬牙交錯的6對磁極（爪極上一般有6對爪），并沿圓周方向均勻分布。

（3）整流器 由整流二極管和整流板構成，由于定子產生的是三相交流電，因此由六只二極管組成的三相橋式整流電路是基本整流電路，參見圖1-17。圖1-13所示為交流發動機整流器總成。

整流二極管有正、負之分。引出電極為二極管正極的稱為正極管，引出電極為二極管負極的稱為負極管；安裝正極管的整流板稱為正整流板，安裝負極管的整流板稱為負整流板。在正整流板上制有一個螺孔，輸出端子安裝于此作為發電機的正極。目前，整流器總成大多數都安裝在發電機后端蓋的外側，在整流器總成外再加裝一個金屬防護蓋，既便于散熱，又便于檢修。

（4）端蓋 發電機的前、后端蓋均用鋁合金材料鑄造或鍛造而成。電刷組件和整流器均安裝在后端蓋上，二者均有外裝式和內裝式兩種安裝形式。外裝式因拆裝檢修方便而得到廣泛應用。此外，各種不同的接線柱或端子一般也設置在后端蓋上。

除以上外，在交流發電機轉子軸的前端還安裝有帶輪、風扇等部件。

圖1-13 交流發電機整流器總成

1—絕熱散熱板 2—正極管 3—負極管 4—后端蓋（或搭鐵散熱板） B—電樞接線柱

2.汽車交流發電機的型號

根據QC/T 73—1993《汽車電氣設備產品型號編制方法》規定，汽車交流發電機的型號組成如下：

（1）產品代號 有JF、JFZ、JFB、JFW四種，分別表示交流發電機、整體式交流發電機、帶泵交流發電機、無刷交流發電機。其中：

①整體式交流發電機指內裝電子調節器的交流發電機。

②帶泵交流發電機指帶真空制動助力泵的交流發電機。

③無刷交流發電機指無電刷和集電環結構的交流發電機。如采用永磁材料制造轉子磁極的永磁交流發電機。

（2）電壓等級和電流等級代號 分別用一位數字表示。

電壓等級12V和24V分別用1和2表示。

電流等級代號有1、2、……、9共9個數字，分別表示電流等級為＜19A、≥20～29A、≥30～39A、……、≥90A。

（3）設計序號 按產品設計先后順序，用一位或二位阿拉伯數字表示。

（4）變型代號 表示交流發電機調整臂位置。從驅動端看，調整臂位于右側時用Y表示；調整臂位于左側時，用Z表示；無字母則表示在中間位置。

如：JFZ1913Z型交流發電機表示為電壓等級為12V、電流等級大于等于90A、第13次設計、調整臂在左側的整體式交流發電機。常用交流發電機的規格及性能指標見表1-7。

3.汽車交流發電機的分類

（1）按整流器結構不同分類

1）六管整流交流發電機。指整流器由6只硅整流二極管組成三相橋式全波整流電路的交流發電機，其六管整流器僅有整流功能。

2）八管整流交流發電機。指整流器由8只二極管構成的交流發電機，如圖1-14a所示。八管整流器除具有整流功能外，還能提高發電機功率。這是因為八管整流器把Y形聯結定子線圈的“中性點”引出，也接一對整流二極管組成整流橋。在高轉速下采用八管整流器比用六管整流器能提高約15%的發電量。

圖1-14 采用不同數量二極管的交流發電機

a）八管交流發電機 b）九管交流發電機 c）十一管交流發電機

3）九管整流交流發電機。即整流器由9只二極管構成的交流發電機。如圖1-14b所示，九管整流器在六管整流電路的基礎上，從每一相端頭上接出一條線，分別串接一個小功率二極管后匯為一點，向磁場繞組供電。九管整流器與內置式調節器相結合，可使發電機的結構更為緊湊，其對外接線少，還具有控制充電指示燈的功能。其電路連接方式如圖1-15所示。

4）十一管整流交流發電機。即整流器由11只二極管構成的交流發電機，如圖1-14c所示。十一管整流器既有八管整流器的功能，又有九管整流器的功能。

圖1-15 九管交流發電機充電電路

（2）按磁場繞組搭鐵形式分類

1）內搭鐵式交流發電機。即磁場繞組的一端經集電環和電刷在發電機端蓋上搭鐵的交流發電機（圖1-16a）。

2）外搭鐵式交流發電機。即磁場繞組的兩端均與端蓋絕緣，其中一端經調節器后搭鐵的交流發電機（圖1-16b）。

圖1-16 交流發電機的搭鐵形式

a）內搭鐵 b）外搭鐵

（3）根據勵磁方式不同分類 普通勵磁式、無刷勵磁式、和永磁式幾種，以普通勵磁式使用最多。

目前，國內外汽車大都采用普通勵磁式內搭鐵式交流發電機，搭鐵極性均為負極搭鐵。

二、汽車交流發電機的工作原理和特性

1.工作原理

如圖1-17所示，發電機的轉子上的磁場繞組通過電刷和集電環引入直流電而產生磁場；發電機定子上的三相電樞繞組按一定的規律分布在定子的槽中，使其產生的感應電動勢彼此相差120°的角度。汽車發動機起動或運轉時，通過轉子前端的帶輪帶動發電機轉子軸旋轉，從而使轉子上的磁場繞組通入勵磁電流后產生的磁場在定子繞組中旋轉，使磁力線切割定子繞組而在定子繞組中產生交變電動勢U_Φ。由于磁極鐵心的特殊設計使磁極磁場近似于正弦規律分布，因此三相電樞繞組產生的感應電動勢按正弦規律變化。

圖1-17 交流發電機的工作原理

1—電刷 2—集電環 3—定子 4—轉子 5—整流電路

實際使用的交流發電機的定子繞組有三組，因此在定子繞組中產生三相交流電。隨磁極對數增多，定子繞組中產生的三相交流電的交變周期也以相應倍數縮短（有六對轉子磁極時，交變周期從360°縮短為60°）。

根據二極管的單向導電性，負極連接在一起的3個二極管在任一瞬時只能是正極電位最高的那只二極管導通，因為該二極管導通后，就使另兩只二極管的負極電位高于正極而不能導通；而正極連接在一起的3個二極管在任一瞬時只能是負極電位最低的那只三極管導通，因為該二極管導通后，就使另兩只二極管的正極電位低于負極而不能導通。據此原理構成三相橋式整流電路（圖1-17），經硅二極管整流后便可得到輸出電壓近似穩定的直流電，如圖1-18所示。

圖1-18 三相交流發電機的直流輸出電壓

2.工作特性

汽車交流發電機的工作特性有空載特性、輸出特性和外特性，其中，輸出特性最為重要。

（1）輸出特性 輸出特性指當交流發電機保持輸出電壓一定時，發電機輸出電流與轉速之間的關系，如圖1-19所示。

一般來說，標稱電壓為12V的交流發電機，其輸出電壓恒定在14V；標稱電壓為24V的發電機，其輸出電壓恒定在28V。發電機的空載轉速n₁和滿載（電壓和電流達到額定值）轉速n₂是發電機的重要參數。發電機轉速達到空載轉速n₁后，電壓達到蓄電池電壓值，開始向外供電，且輸出電流隨轉速升高而增大；轉速達到額定轉速n₂時，輸出額定電壓和額定電流。當轉速升高到某一值后，輸出電流則不再隨轉速升高而增大，其最大輸出電流約為額定電流的1.5倍。

（2）空載特性 空載特性指無負荷時，發電機端電壓與轉速之間的關系，如圖1-20所示。

從特性曲線可以看出，隨著轉速升高，端電壓上升較快。由他勵轉入自勵發電時，即能向蓄電池進行補充充電。說明交流發電機具有低速充電性能好的優點。

（3）外特性 外特性指發電機轉速保持一定時，發電機的端電壓與輸出電流的關系，如圖1-21所示。

圖1-19 交流發電機的輸出特性

圖1-20 交流發電機的空載特性

圖1-21 交流發電機的外特性

①發電機的轉速越高，在相同電壓下其輸出電流越大或相同電流下其輸出電壓越高。

②當保持在某一轉速時，端電壓均隨輸出電流的增大而相應下降得較快。這是由于：輸出電流增大，發電機內壓降增大；而當端電壓下降較多時導致勵磁電流減小，磁場減弱。

此外，發電機輸出電流增加到一定值時，若再繼續增加負載，輸出電流不再增加，反而隨端電壓一起下降。

三、汽車交流發電機技術狀況檢測

汽車交流發電機的技術狀況應通過臺架試驗檢測，應在交流發電機專用試驗臺上進行。試驗電路的連接如圖1-22所示，其檢測項自主要包括空載性能和負載性能兩項。

（1）空載性能試驗 交流發電機空載性能的試驗步驟如下：

①按要求連接交流發電機、調節器和試驗臺。

②斷開開關S₂，并接通開關S₁，使蓄電池通過S₁向發電機提供勵磁電流。

圖1-22 交流發電機試驗電路

③起動動力（調速電動機），并逐漸調高發電機轉速；其空載轉速值（即充電指示燈由亮到滅時交流發電機的轉速）應符合表1-7或維修手冊規定。

表1-7 交流發電機技術規格與性能參數

若交流發電機的空載轉速高于規定值，則說明其性能降低或出現故障，如：磁場電路接觸不良、定子繞組斷路、整流二極管斷路或短路等。

由于空載轉速與勵磁電流的強弱有關，因此調節器大功率晶體管的管壓降應低于1.5V。因為管壓降越大，勵磁電流越小，空載轉速就越高。

（2）負載性能試驗 經試驗，在交流發電機滿足空載性能要求的前提下，還應進行負載性能試驗。其試驗步驟與發電機空載試驗的步驟相同。

起動調速電動機，逐漸升高發電機轉速，當輸出電壓達到試驗電壓時（12V電系為13.5V；24V電系為27V），接通開關S₂，并調節負載電阻使輸出電流達到額定電流值，同時調節發電機轉速使輸出電壓保持試驗電壓值，此時發電機轉速應符合規定（表1-7）。若轉速高于規定值，說明發電機性能降低或有故障。

（3）輸出電壓波形檢測 交流發電機有故障時，輸出電壓波形將出現異常，因此，可用示波器觀察發電機的輸出電壓波形，判斷交流發電機內部故障是整流器故障還是定子繞組故障，如圖1-23所示。

圖1-23 交流發電機各種故障時的電壓波形

四、汽車交流發電機的常見故障及診斷方法

汽車交流發電機的常見故障有機械部分的軸承磨損、電刷磨損、電刷彈簧彈力不足和電氣部分的繞組斷路或短路、硅整流二極管損壞等。

1.磁場繞組短路與斷路故障診斷

（1）磁場繞組搭鐵短路故障診斷 用萬用表測量集電環與轉子鐵心（或轉子軸）之間的電阻（圖1-24a），阻值應為無窮大，否則說明繞組或引出線搭鐵短路或絕緣不良。

圖1-24 磁場繞組檢查

a）磁場繞組搭鐵檢查 b）磁場繞組斷路與短路

（2）磁場繞組斷路與短路故障診斷 用萬用表測得的兩集電環之間（圖1-24b）的電阻值應符合表1-8給出的數值。測試值大于規定值時，說明存在斷路；若小于規定值，則說明存在短路。

表1-8 部分JF系列交流發電機磁場繞組電阻參數

對于外搭鐵非整體式交流發電機，可以在未拆開的發電機上用萬用表測量電刷的兩個接線柱間的電阻。如果電阻為零或很小，說明存在短路故障；如果電阻在5～6Ω之間，說明無故障；若電阻大于10Ω可以邊轉動發電機帶輪邊測量，電阻變化不定說明接觸不良，電阻非常大則說明磁場繞組內部有斷路故障。

2.定子繞組的斷路與短路故障診斷

（1）電樞繞組斷路故障診斷 用萬用表測量電樞繞組3個引線之間的電阻（圖1-25a），若電阻值無窮大，則說明電樞繞組斷路。

（2）電樞繞組搭鐵短路故障診斷 測量電樞繞組引線與鐵心之間的電阻（圖1-25b），其阻值應為無窮大。否則，說明電樞繞組絕緣不良或搭鐵短路。

圖1-25 電樞繞組檢查

a）電樞繞組斷路檢查 b）電樞繞組搭鐵檢查

為進一步檢出上述故障繞組組內發生搭鐵的單繞組，可把一個6V蓄電池與電流表和5Ω可變電阻串接在所測繞組首端與鐵心之間。調整可變電阻使電流指示值達到5A左右，然后用旋具測試各鐵心掌面上的磁力，記下距首端最遠的有磁掌面；再把蓄電池、電流表和可變電阻串接在所測繞組末端與鐵心之間，重復上述試驗，并記下距末端最遠的有磁掌面。接地故障就發生在兩掌面本組繞組之間。

3.硅整流二極管失效故障診斷

在不拆散發電機的情況下，可以用萬用表檢查硅整流二極管失效故障。用正端表筆接觸發電機電樞接線柱，另一表筆接觸后端蓋，測量其電阻值。若電阻值在30Ω以上，則可認為無故障；若電阻值為10Ω左右，說明有的二極管失效；若電阻值為0，則說明有不同極性的硅整流二極管擊穿；若電阻值正常但發電機不發電，說明整流元件和電路中有斷路故障。

為檢查確定發生短路或斷路故障的二極管，應進行拆檢，即拆下發電機的后端蓋和元件板，逐一檢查每個二極管，如圖1-26所示。

首先，從接線柱上拆下每個二極管的中心電極線，再用萬用表的一支表筆接觸后端蓋或元件板，另一支表筆接觸二極管的中心電極線，測試二極管的電阻；第一次測試后，交換兩只表筆的接觸位置后再測。比較二次測量所得電阻值，若一次在10kΩ以上，而另一次在10Ω以下，且差值較大，則說明二極管良好；若兩次測試值均在1000Ω以上，說明該管斷路；若二次測試值均很低時，說明該管已被擊穿。

4.其他故障診斷

①電刷的檢查。檢查電刷軸承的磨損情況和電刷彈簧的彈力，若電刷磨損量超過限值、電刷彈簧失效或軸承松曠，則應更換。

②轉子軸彎曲檢查。用百分表檢查轉子軸彎曲故障時（圖1-27），百分表的擺差應小于0.1mm。否則，應予以校正或更換轉子總成。

圖1-26 整流二極管檢查

圖1-27 轉子擺動檢查