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性能特点和作用说明 |
硅整流发电机主要部件与调节器原理 |
摘要：硅整流发电机（又称充电发电机）通常由转子总成、定子总成、整流器总成、前后端盖及风扇等部分组成。掌握硅整流发电机的安装位置、结构及调节原理，对于从事柴油发电机组的使用、维修和管理工作的人来说，具有非常重要的实践指导意义和故障诊断价值。简单来说，理解这些知识能让您从“会换个零件”升级到“能判断故障根源”。
一、外观特征和安装位置
柴油发电机充电系统由蓄电池、发电机、调节器及充电状态指示装置组成。硅整流发电机是现代柴油机上标准的充电设备，用来给蓄电池充电并给用电设备供电。它的外观很好辨认，通常安装在柴油机的侧面，通过皮带与发动机的曲轴皮带轮相连，由曲轴带动旋转。其外观如图1、图2所示。
1、外观特征
硅整流发电机整体呈圆柱形或长桶状，直径通常在12-18厘米左右，长度约15-25厘米。它的外壳是用轻质铝合金铸造的，通常是银灰色或原色，这种材料散热好、不漏磁、重量也轻。要认出它，可以留意这几个典型部件：
（1）前端：装有皮带轮和冷却风扇。皮带轮有单槽或多槽，靠皮带传递动力；风扇随皮带轮旋转，给发电机内部强制风冷。
（2）后端：装有接线端子、防尘罩，还集成了整流器。
（3）内部构造暗示：从后端往里看，可能看到银白色的柱状定子铁芯和风扇。因为不需要换向器，所以它比老式直流发电机更紧凑、封闭性更好。
2、在柴油机上的典型位置
发电机的位置主要有两个规律：
（1）位置：通常在柴油机机体前部的侧面，比如右下方或左下方，离油底壳法兰面不远。
（2）连接：通过皮带传动。发电机上端的弧形长螺栓可以调节皮带松紧，下端则通过螺栓固定在发动机的调整导轨上。
充电机的皮带轮和发动机曲轴皮带轮在同一平面上，并用一根或多根三角皮带或多楔带套在一起。你可以顺着柴油机前部最下面的那个大皮带轮（曲轴皮带轮）找，顺着皮带就能看到它。
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图1 硅整流发电机模型后视图 |
图2 硅整流充电机模型侧视图 |
二、硅整流发电机主要部件
充电机作为柴油发电机运行中的主电源，担负着向起动系之外所有用电设备供电和向蓄电池充电的任务。由于充电机是由发动机经传动带驱动旋转的，当发动机转速变化时，充电机输出电压是变化的。硅整流发电机基本原理是由一台三相同步交流发电机和硅二极管整流器构成，发电机工作时产生的三相交流电通过整流器进行三相桥式全波整流后转变为直流电。硅整流发电机主要由转子、定子、整流器、前后端盖、风扇及皮带轮、电刷及电刷架等6个部分组成。
1、转子
普通硅整流发电机转子由转子轴、励磁绕组、铁心、爪形磁极、集电环等组成，由低碳钢制成的两块六爪磁极压装在转子轴上，腔内装有导磁用的铁心（也称磁轭）。
（1）铁心上绕有励磁绕组，励磁绕组的两根引线分别焊在两个压装在轴上与轴绝缘的集电环上。集电环与装在后端盖内的两个电别相接触。
（2）两个电刷通过引线分别接在两个螺钉接线柱上。这两个接线柱即为发电机的“F”（磁场）接线柱和“一”（搭铁）接线柱。
（3）当这两个接线柱与直流电源相接时，便有电流流过励磁绕组，从而产生了十二极磁场。
2、定子
定子也称“电枢”，由定子铁心和定子绕组组成，如图3所示。
（1）定子铁芯合由相互绝缘的内圆带嵌线槽的圈环状硅钢片叠成。
（2）嵌线槽内嵌入三相对称的定子绕组。绕组的接法有星形、三角形两种方式。
（3）一般硅整流发电机都采用星形连接，即每相绕组的首端分别与整流器的硅二极管相接，每相烧组的尾端接在一起，形成中性点（N ）。
3、整流器
整流器的作用是把三相同步交流发电机产生的三相交流电转换成直流电输出，它一般用六个硅二极管接成三相桥式全波整流电路。有些硅整流发电机还有小功率肠磁二极管和中性点二极管。硅整流发电机用整流二极管分正极二极管和负极二极管两种。
（1）正极二极管的中心引线为二极管的正极，外壳为负极，管壳底部一般标有红色标记。正极二极管的外壳压装成焊装在元件板上，共同组成发电机的正极，由一个与后端盖绝缘的元件板固定螺栓通至机壳外，成为发电机的“电枢”接线柱以B（或“+”）。
（2）负极二极管的中心引线为二极管的负极，外壳为正极，管壳底部一般有黑色标记。三个负极管的外壳压装或焊接在另一元件板上（有些压装在后端盖的三个孔内），和发电机外壳一起成为发电机的负极，图4—10 为大功率整流二极管的封装示意图。
有些硅整流发电机的整流器采用九只二极管，增加的三只小功率二极，专门用来供给励磁电流，这样可以提高发电机的电压调节精度。励磁二极管，还可以控制充电指示灯。
4、前后端盖
硅整流发电机的前、后端盖均用铝合金铸造而成。铝合金为非导磁材料，可以减少漏磁，另外它还有质量轻、散热性能好的优点。在后端盖上装有电刷组件，电刷组件由电剧、电剧架和电刷弹簧组成。
（1）电刷是用铜粉和石墨粉模压而成，电刷架用酚醛玻璃纤维塑料模压而成。
（2）电刷安装在电刷架的孔内，借弹簧张力使电刷与集电环保持良好接触。
（3）电刷组件的安装形式有外装式和内装式两种，为外装式结构电刷的拆装和更换在电机外部即可进行，拆装检修十分方便，因此被普遭采用。内装式电刷组件的电刷拆装是在电机内部进行的，由于拆装不便，因此已很少采用。
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图3 交流发电机定子和转子截面图 |
图4 充电发电机整流器 |
三、调节器的分类及原理
为满足柴油发电机用电设备用电及向蓄电池充电的恒定电压要求，所以柴油发电机充电系统设有电压调节器。硅整流发电机的调节器，根据其结构和工作原理，主要可以分为电磁振动式和电子式两大类。目前，电子式因其高精度和高可靠性，已经全面取代了早期的电磁振动式。两者的核心工作原理是都是通过改变励磁电流的大小，来控制磁场的强弱，从而在发电机转速变化时稳定输出电压。
1、双级电磁振动式电压调节器
双级电磁振动式电压调节器。它具有两对触点，中间触点是固定的，下动触点常闭，称为低速触点，上动触点常开，称为高速触点。调节器设有3个电阻：附加电阻R₁、助振电阻R₂和温度补偿电阻R₃。
电压调节器的固定触点通过支架1和磁场接线柱与发电机转子中的励磁线圈相连。
下动触点臂3则通过支架1和电枢接线柱及发电机正极接线柱相通。绕在铁芯上的线圈一端搭铁，另一端则通过电阻与电枢接线柱相连。现按照发电机不同情况说明其工作原理。
闭合电源开关，当发电机转速较低，发电机电压低于蓄电池电压时，蓄电池的电流同时流经电压调节器线圈和励磁线圈。流经电压调节器线圈的电路为：蓄电池正极分电流表分电源开关分电压调节器电枢接线柱分IR₂分电压调节器线圈分IR₃分搭铁分蓄电池负极。
电流流入电压调节器线圈产生一定的电磁吸力，但不能克服弹簧张力，故低速触点仍闭合。这时流经励磁线圈电流的电路为：蓄电池正极分电流表分电源开关分调节器电枢接线柱框架分下动触点分固定触点支架分电压调节器磁场接线柱分发电机接线柱分电刷和滑环分励磁线圈分滑环和电刷分发电机负极分搭铁分蓄电池负极。
当硅整流发电机转速升高，发电机电压高于蓄电池电压时，发电机向用电设备和蓄电池供电。同时向励磁线圈和调节器线圈供电。
当硅整流发电机转速继续升高，发电机电压达到额定值时，调节器线圈的电压增高，电流增大，电磁吸力加强，铁芯的磁力将下动触点吸下，使触点断开，磁场线圈电路不经框架，而经电阻R₂与R₁。由于电路中串入R₂和R₁，使励磁电流减小，磁场减弱，发电机输出电压随之下降。这时的励磁线路为：发电机正极分电源开关分电枢接线柱分电阻R₂分电阻&分磁场接线柱分励磁线圈分发电机负极。
发电机电压降低后，通过调压器线圈的电流减小，铁芯吸力减弱，触点在弹簧作用下重新闭合。励磁电流增加，电压又升高，使触点再次打开。如此反复开闭，从而使发电机的电压维持在规定范围内。
发电机转速再增高使电压超过允许值时，由于铁芯吸力继续增大，将下动触点臂吸得更低，并带动上动触点臂下移与固定触点相碰，触点闭合，这时励磁电路被短路，励磁电流直接通过触点和上动触点臂而搭铁，励磁线圈中电流剧降，发电机靠剩磁发电。因此电压也迅速下降。同时由于电压下降，铁芯吸力随之减小，触点又分开，电压又回升，如此不断反复，高速触点振动，使发电机电压保持稳定。
由于触点式电压调节器在触点分开时触点之间会产生电火花，以及其机械装置的固有缺点，目前已逐渐被晶体管电压调节器所代替。
2、电子式调节器
这是当前的主流技术，利用晶体管的开关特性来代替机械触点，实现对励磁电流的无触点、高精度控制。根据内部电路集成度，它又可分为：
（1）晶体管式：由分立电子元件（如稳压管、三极管、电阻、电容等）构成的电路。其基本原理是：用稳压管检测发电机电压。当电压超过设定值时，稳压管击穿，触发控制电路（三极管）动作，切断励磁电流；当电压回落，则重新接通励磁电流。通过这种每秒高达数百次的快速开关动作来稳定电压。相比电磁式，它精度更高、无火花、寿命长。
（2）集成电路式：晶体管电路的进一步集成，将大部分电子元件集成在一个小小的混合电路或芯片内，封装在树脂或金属壳中。它除了基本的调压功能，还常集成充电指示灯控制、低速励磁、过压/过流保护等多种辅助功能。目前大多数发电机组的发电机调节器都为此类型，并通常直接安装在发电机内部，与电刷架集成一体。
总结：
知道硅整流发电机通常安装在柴油机侧面、由皮带驱动，维修时能迅速找到它。但是，如果不了解内部结构，遇到硅整流发电机不发电只会整体更换。其实，很多时候只是电刷磨损、调节器损坏或某个二极管击穿。掌握结构后，你可以只更换几块钱的电刷或几十块的调节器，而不是花几百块换整个发电机总成。因此，掌握这些知识，能让你在充电系统出现故障时，准确判断是“心脏”（发电机本身）的问题，还是“大脑”（调节器）的问题，或是“血管”（皮带和线路）的问题，从而用最低的成本、最短的时间解决问题。
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