第三节 汽车发电机故障诊断

汽车发电机的作用：发动机在怠速或以高于怠速的转速运转时，与电压调节器互相配合工作，向除起动机以外的用电设备供电，同时还向蓄电池充电。现代汽车上普遍采用硅二极管整流的三相同步交流发电机。发电机的电枢产生交变频率与转子转速同步的三相交流电，并由二极管组成的整流器把交流电转变为直流电。

一、汽车交流发电机的结构和类型

1.汽车交流发电机的结构

各类交流发电机的局部结构虽有所差别，但基本结构都是由定子、转子、整流器和端盖四部分组成，如图1-10所示。

（1）定子 由定子铁心和定子绕组构成。定子铁心由内圆带槽的环状硅钢片叠压而成；定子绕组为三相对称绕组，按一定规律和要求绕制在定子铁心的槽内。三相绕组的连接方式有Y形联结和△形联结两种。大部分汽车交流发电机采用Y形联结。

图1-10 交流发电机的结构

1—带轮 2—风扇 3—前端盖 4—转子 5—定子 6—后端盖 7—电刷架 8—元件板 9—整流器

（2）转子 由转子轴、爪形磁极、磁扼（转子铁心）、磁场绕组和集电环构成（图1-11）。

图1-11 转子的结构

1—集电环 2—转子轴 3—爪极 4—磁轭 5—磁场绕组

图1-12 交流发电机的磁路

1—磁扼 2—磁场绕组 3—爪极 4—定子铁心 5—三相绕组 6—爪极 7—漏磁 8—转子轴

爪形磁极压装在转子轴上；磁场绕组绕在磁扼上构成电磁铁，安装在两块爪形磁极间的空腔内，磁场绕组两端分别连接在转子轴上的一对集电环上；集电环是两个相互绝缘的铜环，压装在转子轴一端并与转子轴绝缘，两铜环分别与发电机的两个电刷接触。当两个电刷与直流电源接通时，磁场绕组中便有定向电流通过，从而产生轴向磁场（图1-12），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6对磁极（爪极上一般有6对爪），并沿圆周方向均匀分布。

（3）整流器 由整流二极管和整流板构成，由于定子产生的是三相交流电，因此由六只二极管组成的三相桥式整流电路是基本整流电路，参见图1-17。图1-13所示为交流发动机整流器总成。

整流二极管有正、负之分。引出电极为二极管正极的称为正极管，引出电极为二极管负极的称为负极管；安装正极管的整流板称为正整流板，安装负极管的整流板称为负整流板。在正整流板上制有一个螺孔，输出端子安装于此作为发电机的正极。目前，整流器总成大多数都安装在发电机后端盖的外侧，在整流器总成外再加装一个金属防护盖，既便于散热，又便于检修。

（4）端盖 发电机的前、后端盖均用铝合金材料铸造或锻造而成。电刷组件和整流器均安装在后端盖上，二者均有外装式和内装式两种安装形式。外装式因拆装检修方便而得到广泛应用。此外，各种不同的接线柱或端子一般也设置在后端盖上。

除以上外，在交流发电机转子轴的前端还安装有带轮、风扇等部件。

图1-13 交流发电机整流器总成

1—绝热散热板 2—正极管 3—负极管 4—后端盖（或搭铁散热板） B—电枢接线柱

2.汽车交流发电机的型号

根据QC/T 73—1993《汽车电气设备产品型号编制方法》规定，汽车交流发电机的型号组成如下：

（1）产品代号 有JF、JFZ、JFB、JFW四种，分别表示交流发电机、整体式交流发电机、带泵交流发电机、无刷交流发电机。其中：

①整体式交流发电机指内装电子调节器的交流发电机。

②带泵交流发电机指带真空制动助力泵的交流发电机。

③无刷交流发电机指无电刷和集电环结构的交流发电机。如采用永磁材料制造转子磁极的永磁交流发电机。

（2）电压等级和电流等级代号 分别用一位数字表示。

电压等级12V和24V分别用1和2表示。

电流等级代号有1、2、……、9共9个数字，分别表示电流等级为＜19A、≥20～29A、≥30～39A、……、≥90A。

（3）设计序号 按产品设计先后顺序，用一位或二位阿拉伯数字表示。

（4）变型代号 表示交流发电机调整臂位置。从驱动端看，调整臂位于右侧时用Y表示；调整臂位于左侧时，用Z表示；无字母则表示在中间位置。

如：JFZ1913Z型交流发电机表示为电压等级为12V、电流等级大于等于90A、第13次设计、调整臂在左侧的整体式交流发电机。常用交流发电机的规格及性能指标见表1-7。

3.汽车交流发电机的分类

（1）按整流器结构不同分类

1）六管整流交流发电机。指整流器由6只硅整流二极管组成三相桥式全波整流电路的交流发电机，其六管整流器仅有整流功能。

2）八管整流交流发电机。指整流器由8只二极管构成的交流发电机，如图1-14a所示。八管整流器除具有整流功能外，还能提高发电机功率。这是因为八管整流器把Y形联结定子线圈的“中性点”引出，也接一对整流二极管组成整流桥。在高转速下采用八管整流器比用六管整流器能提高约15%的发电量。

图1-14 采用不同数量二极管的交流发电机

a）八管交流发电机 b）九管交流发电机 c）十一管交流发电机

3）九管整流交流发电机。即整流器由9只二极管构成的交流发电机。如图1-14b所示，九管整流器在六管整流电路的基础上，从每一相端头上接出一条线，分别串接一个小功率二极管后汇为一点，向磁场绕组供电。九管整流器与内置式调节器相结合，可使发电机的结构更为紧凑，其对外接线少，还具有控制充电指示灯的功能。其电路连接方式如图1-15所示。

4）十一管整流交流发电机。即整流器由11只二极管构成的交流发电机，如图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。

图1-15 九管交流发电机充电电路

（2）按磁场绕组搭铁形式分类

1）内搭铁式交流发电机。即磁场绕组的一端经集电环和电刷在发电机端盖上搭铁的交流发电机（图1-16a）。

2）外搭铁式交流发电机。即磁场绕组的两端均与端盖绝缘，其中一端经调节器后搭铁的交流发电机（图1-16b）。

图1-16 交流发电机的搭铁形式

a）内搭铁 b）外搭铁

（3）根据励磁方式不同分类 普通励磁式、无刷励磁式、和永磁式几种，以普通励磁式使用最多。

目前，国内外汽车大都采用普通励磁式内搭铁式交流发电机，搭铁极性均为负极搭铁。

二、汽车交流发电机的工作原理和特性

1.工作原理

如图1-17所示，发电机的转子上的磁场绕组通过电刷和集电环引入直流电而产生磁场；发电机定子上的三相电枢绕组按一定的规律分布在定子的槽中，使其产生的感应电动势彼此相差120°的角度。汽车发动机起动或运转时，通过转子前端的带轮带动发电机转子轴旋转，从而使转子上的磁场绕组通入励磁电流后产生的磁场在定子绕组中旋转，使磁力线切割定子绕组而在定子绕组中产生交变电动势U_Φ。由于磁极铁心的特殊设计使磁极磁场近似于正弦规律分布，因此三相电枢绕组产生的感应电动势按正弦规律变化。

图1-17 交流发电机的工作原理

1—电刷 2—集电环 3—定子 4—转子 5—整流电路

实际使用的交流发电机的定子绕组有三组，因此在定子绕组中产生三相交流电。随磁极对数增多，定子绕组中产生的三相交流电的交变周期也以相应倍数缩短（有六对转子磁极时，交变周期从360°缩短为60°）。

根据二极管的单向导电性，负极连接在一起的3个二极管在任一瞬时只能是正极电位最高的那只二极管导通，因为该二极管导通后，就使另两只二极管的负极电位高于正极而不能导通；而正极连接在一起的3个二极管在任一瞬时只能是负极电位最低的那只三极管导通，因为该二极管导通后，就使另两只二极管的正极电位低于负极而不能导通。据此原理构成三相桥式整流电路（图1-17），经硅二极管整流后便可得到输出电压近似稳定的直流电，如图1-18所示。

图1-18 三相交流发电机的直流输出电压

2.工作特性

汽车交流发电机的工作特性有空载特性、输出特性和外特性，其中，输出特性最为重要。

（1）输出特性 输出特性指当交流发电机保持输出电压一定时，发电机输出电流与转速之间的关系，如图1-19所示。

一般来说，标称电压为12V的交流发电机，其输出电压恒定在14V；标称电压为24V的发电机，其输出电压恒定在28V。发电机的空载转速n₁和满载（电压和电流达到额定值）转速n₂是发电机的重要参数。发电机转速达到空载转速n₁后，电压达到蓄电池电压值，开始向外供电，且输出电流随转速升高而增大；转速达到额定转速n₂时，输出额定电压和额定电流。当转速升高到某一值后，输出电流则不再随转速升高而增大，其最大输出电流约为额定电流的1.5倍。

（2）空载特性 空载特性指无负荷时，发电机端电压与转速之间的关系，如图1-20所示。

从特性曲线可以看出，随着转速升高，端电压上升较快。由他励转入自励发电时，即能向蓄电池进行补充充电。说明交流发电机具有低速充电性能好的优点。

（3）外特性 外特性指发电机转速保持一定时，发电机的端电压与输出电流的关系，如图1-21所示。

图1-19 交流发电机的输出特性

图1-20 交流发电机的空载特性

图1-21 交流发电机的外特性

①发电机的转速越高，在相同电压下其输出电流越大或相同电流下其输出电压越高。

②当保持在某一转速时，端电压均随输出电流的增大而相应下降得较快。这是由于：输出电流增大，发电机内压降增大；而当端电压下降较多时导致励磁电流减小，磁场减弱。

此外，发电机输出电流增加到一定值时，若再继续增加负载，输出电流不再增加，反而随端电压一起下降。

三、汽车交流发电机技术状况检测

汽车交流发电机的技术状况应通过台架试验检测，应在交流发电机专用试验台上进行。试验电路的连接如图1-22所示，其检测项自主要包括空载性能和负载性能两项。

（1）空载性能试验 交流发电机空载性能的试验步骤如下：

①按要求连接交流发电机、调节器和试验台。

②断开开关S₂，并接通开关S₁，使蓄电池通过S₁向发电机提供励磁电流。

图1-22 交流发电机试验电路

③起动动力（调速电动机），并逐渐调高发电机转速；其空载转速值（即充电指示灯由亮到灭时交流发电机的转速）应符合表1-7或维修手册规定。

表1-7 交流发电机技术规格与性能参数

若交流发电机的空载转速高于规定值，则说明其性能降低或出现故障，如：磁场电路接触不良、定子绕组断路、整流二极管断路或短路等。

由于空载转速与励磁电流的强弱有关，因此调节器大功率晶体管的管压降应低于1.5V。因为管压降越大，励磁电流越小，空载转速就越高。

（2）负载性能试验 经试验，在交流发电机满足空载性能要求的前提下，还应进行负载性能试验。其试验步骤与发电机空载试验的步骤相同。

起动调速电动机，逐渐升高发电机转速，当输出电压达到试验电压时（12V电系为13.5V；24V电系为27V），接通开关S₂，并调节负载电阻使输出电流达到额定电流值，同时调节发电机转速使输出电压保持试验电压值，此时发电机转速应符合规定（表1-7）。若转速高于规定值，说明发电机性能降低或有故障。

（3）输出电压波形检测 交流发电机有故障时，输出电压波形将出现异常，因此，可用示波器观察发电机的输出电压波形，判断交流发电机内部故障是整流器故障还是定子绕组故障，如图1-23所示。

图1-23 交流发电机各种故障时的电压波形

四、汽车交流发电机的常见故障及诊断方法

汽车交流发电机的常见故障有机械部分的轴承磨损、电刷磨损、电刷弹簧弹力不足和电气部分的绕组断路或短路、硅整流二极管损坏等。

1.磁场绕组短路与断路故障诊断

（1）磁场绕组搭铁短路故障诊断 用万用表测量集电环与转子铁心（或转子轴）之间的电阻（图1-24a），阻值应为无穷大，否则说明绕组或引出线搭铁短路或绝缘不良。

图1-24 磁场绕组检查

a）磁场绕组搭铁检查 b）磁场绕组断路与短路

（2）磁场绕组断路与短路故障诊断 用万用表测得的两集电环之间（图1-24b）的电阻值应符合表1-8给出的数值。测试值大于规定值时，说明存在断路；若小于规定值，则说明存在短路。

表1-8 部分JF系列交流发电机磁场绕组电阻参数

对于外搭铁非整体式交流发电机，可以在未拆开的发电机上用万用表测量电刷的两个接线柱间的电阻。如果电阻为零或很小，说明存在短路故障；如果电阻在5～6Ω之间，说明无故障；若电阻大于10Ω可以边转动发电机带轮边测量，电阻变化不定说明接触不良，电阻非常大则说明磁场绕组内部有断路故障。

2.定子绕组的断路与短路故障诊断

（1）电枢绕组断路故障诊断 用万用表测量电枢绕组3个引线之间的电阻（图1-25a），若电阻值无穷大，则说明电枢绕组断路。

（2）电枢绕组搭铁短路故障诊断 测量电枢绕组引线与铁心之间的电阻（图1-25b），其阻值应为无穷大。否则，说明电枢绕组绝缘不良或搭铁短路。

图1-25 电枢绕组检查

a）电枢绕组断路检查 b）电枢绕组搭铁检查

为进一步检出上述故障绕组组内发生搭铁的单绕组，可把一个6V蓄电池与电流表和5Ω可变电阻串接在所测绕组首端与铁心之间。调整可变电阻使电流指示值达到5A左右，然后用旋具测试各铁心掌面上的磁力，记下距首端最远的有磁掌面；再把蓄电池、电流表和可变电阻串接在所测绕组末端与铁心之间，重复上述试验，并记下距末端最远的有磁掌面。接地故障就发生在两掌面本组绕组之间。

3.硅整流二极管失效故障诊断

在不拆散发电机的情况下，可以用万用表检查硅整流二极管失效故障。用正端表笔接触发电机电枢接线柱，另一表笔接触后端盖，测量其电阻值。若电阻值在30Ω以上，则可认为无故障；若电阻值为10Ω左右，说明有的二极管失效；若电阻值为0，则说明有不同极性的硅整流二极管击穿；若电阻值正常但发电机不发电，说明整流元件和电路中有断路故障。

为检查确定发生短路或断路故障的二极管，应进行拆检，即拆下发电机的后端盖和元件板，逐一检查每个二极管，如图1-26所示。

首先，从接线柱上拆下每个二极管的中心电极线，再用万用表的一支表笔接触后端盖或元件板，另一支表笔接触二极管的中心电极线，测试二极管的电阻；第一次测试后，交换两只表笔的接触位置后再测。比较二次测量所得电阻值，若一次在10kΩ以上，而另一次在10Ω以下，且差值较大，则说明二极管良好；若两次测试值均在1000Ω以上，说明该管断路；若二次测试值均很低时，说明该管已被击穿。

4.其他故障诊断

①电刷的检查。检查电刷轴承的磨损情况和电刷弹簧的弹力，若电刷磨损量超过限值、电刷弹簧失效或轴承松旷，则应更换。

②转子轴弯曲检查。用百分表检查转子轴弯曲故障时（图1-27），百分表的摆差应小于0.1mm。否则，应予以校正或更换转子总成。

图1-26 整流二极管检查

图1-27 转子摆动检查