第八節 交流發電機的工作特性

汽車交流發電機的轉速變化范圍很大，其工作特性的表示方法與工業用交流發電機有所不同。

一、交流發電機的勵磁

汽車交流發電機不接外電源時也能自勵發電，其前提是發電機必須有剩磁且轉速足夠高。由于其轉子鐵心體積很小，保留剩磁的能力很弱，因此在交流發電機轉速較低、輸出電壓低于蓄電池電壓時，采用了由蓄電池通過點火開關供給磁場電流進行他勵的方式，使發電機輸出電壓迅速上升。當輸出電壓超過蓄電池電壓時，發電機便開始自勵發電并對外輸出電流。

（一）9管交流發電機的勵磁

在普通交流發電機的基礎上增設3只小功率二極管VD₇、VD₈、VD₉，即可組成9管交流發電機，其充電系統電路如圖1-29所示。

當發電機工作時，定子繞組產生的三相交流電動勢經6只整流二極管VD₁～VD₆組成的三相橋式全波整流電路整流后，輸出直流電壓U_B向負載供電并向蓄電池充電。VD₇、VD₈、VD₉與3只負極管VD₂、VD₄、VD₆組成三相橋式整流電路，專門供給磁場電流，故增設的3只小功率二極管稱為磁場二極管。9管交流發電機不僅可以控制充電指示燈來指示蓄電池充電情況，而且能夠指示充電系統是否發生故障。

當接通點火開關SW時，蓄電池電流便經點火開關SW→充電指示燈→發電機磁場電流輸出端子D+→磁場繞組R_F→調節器內部大功率晶體管→搭鐵→蓄電池負極構成回路。此時充電指示燈發亮，指示磁場電流接通并由蓄電池供電。

當發動機起動后，隨著發電機轉速升高，發電機D+端電壓隨之升高，充電指示燈兩端的電位差降低，指示燈亮度變暗。當發電機電壓升高到蓄電池端電壓時，發電機B端與D+端電位相等，充電指示燈兩端電位差降低到零而熄滅，指示發電機已正常發電，磁場電流由發電機自己供給。

當發電機高速運轉、充電系統發生故障而導致發電機不發電時，因為D+端無電壓輸出，所以充電指示燈兩端電位差增大而發亮，警示駕駛人應當及時排除故障。

（二）11管交流發電機的勵磁

整流器總成具有3只正極管（VD₁、VD₃、VD₅）、3只負極管（VD₂、VD₄、VD₆）、3只磁場二極管（VD₇、VD₈、VD₉）和2只中性點二極管（VD₁₀、VD₁₁）的交流發電機，即為11管交流發電機，其充電系統電路如圖1-30所示。

11管交流發電機綜合了8管和9管交流發電機的優點，不僅具有提高輸出功率功能，而且還有反映充電系統工作情況的功能。

隨著汽車技術的發展，國內外都開發出了結構先進、性能優良的交流發電機。除了8管、9管、11管和無刷交流發電機之外，還有水冷式交流發電機（2000年開始，奔馳、寶馬、奧迪、路虎等汽車已經采用）、發電與起動功能合為一體的電機等。

二、交流發電機的輸出特性

交流發電機的輸出特性是指發電機電壓維持在試驗電壓U_t時，輸出電流I與轉速n之間的關系，故又稱為電流-轉速特性，如圖1-31所示。由特性曲線可見，當發電機電壓一定時，輸出電流的變化規律是隨轉速升高和負載增多而增大，且在轉速達到一定值后不再增大。

試驗電壓是測試輸出電流時規定的電壓值。根據我國汽車行業標準QC/T 729—2005《汽車用交流發電機技術條件》規定：對于配用電子式調節器的交流發電機，為使調節器處于非工作狀態，即防止調節器工作對發電機輸出電流產生影響，將12V發電機的試驗電壓規定為13.5V；24V發電機規定為27V。

汽車用交流發電機的性能用空載轉速n_A、零電流轉速n₀、最小工作電流I_L、額定電流I_R和最大電流I_max等5個指標來描述。

1）空載轉速n_A。空載轉速是指發電機轉速逐漸升高到充電指示燈（或電流表）指示充電開始時的轉速。發電機轉速n低于空載轉速n_A時，其端電壓低于蓄電池電壓，發電機不能對外（用電設備）輸出電流，只有當n＞n_A時，發電機才能對外輸出電流，所以將轉速n_A稱為空載轉速。空載轉速n_A的實用意義是：選擇發電機與發動機之間傳動比的主要依據。

空載轉速高低取決于勵磁功率（輸入）、轉速變化率、蓄電池電壓以及轉子的剩余磁通密度。由于充電指示燈的額定功率直接影響勵磁電流的大小，因此其額定功率值規定為2W。

2）零電流轉速n₀。發電機電壓達到規定的試驗電壓、但尚無電流輸出時的轉速。在電流-轉速特性曲線上，該點與橫坐標相交。

3）最小工作電流I_L。發電機在試驗電壓U_t、轉速n_L=1500r/min時的輸出電流。轉速n_L稱為最小工作轉速，相當于發動機怠速時發電機的轉速。

最小工作電流反映了發電機低速充電性能的好壞。現代汽車選用蓄電池的容量越來越小，要求怠速時發電機應對蓄電池充電。因此，最小工作電流越大，發電機的低速充電性能越好。

4）額定電流I_R。發電機在試驗電壓U_t、額定轉速n_R時輸出的最小電流。額定電流值由發電機制造廠規定，并標示在發電機銘牌上。額定轉速n_R是交流發電機在環境溫度（23±5）℃和試驗電壓U_t下，輸出額定電流時允許的最高轉速。汽車行業標準QC/T 729—2005《汽車用交流發電機技術條件》規定額定轉速n_R為6000r/min。

5）最大電流I_max。發電機在試驗電壓U_t、最高工作轉速n_max時的輸出電流。最高工作轉速是交流發電機在環境溫度（23±5）℃、試驗電壓U_t和輸出最大電流條件下，至少正常并連續工作15min的轉速。汽車行業標準QC/T 729—2005《汽車用交流發電機技術條件》規定的最高工作轉速是：12V電器系統為15000r/min，24V電器系統為12000r/min。實際最高工作轉速由發電機制造廠根據發電機的實際情況確定，一般都高于行業標準，常見的最高工作轉速有15400r/min、16000r/min和18200r/min。

三、交流發電機的限流保護原理

汽車交流發電機的轉速達到一定值后，輸出電流不再隨轉速升高而增大，表明其自身具有限制輸出電流的能力，可避免用電設備接通過多、輸出電流過大導致發電機過載而損壞。限流保護原理如下：

（1）定子繞組的阻抗Z隨轉速升高而增大

交流發電機定子繞組的阻抗Z由繞組電阻R和感抗X_L合成，即

式中 L——交流發電機定子繞組的電感；

f——感應電動勢的頻率，f=pn/60；

p——交流發電機磁極的對數（一般發電機，p=6對）；

n——交流發電機轉速。

由上式可見，阻抗X_L與轉速n成正比，而繞組電阻R又很小（200～800mΩ），所以當發電機高速時，R與X_L相比可以忽略不計。因此，定子繞組的阻抗與轉速成正比。

（2）電樞反應增強使磁場削弱

電樞反應是指定子繞組電流產生的磁場對轉子磁場的影響。當發電機輸出電流增大時，定子繞組的電流增大，因此電樞反應增強，磁場削弱，使定子繞組感應產生的電動勢降低。

由此可見，當發電機輸出電流增大到一定值后，隨著轉速繼續升高，盡管定子繞組中的感應電動勢增加，但是由于定子繞組阻抗增大使內壓降增大，同時由于電樞反應使感應電動勢降低，因此輸出電流不再增大。