摘要：蓄电池充电发电机有直流发电机和硅整流发电机两种，目前柴油机上应用较广泛的是硅整流发电机。当柴油机工作时，硅整流发电机经6只硅二极管三相全波整流后，与配套的充电发电机调节器配合使用给蓄电池充电。硅整流发电机与并励直流发电机相比具有体积小、重量轻、结构简单、维修方便、使用寿命长、柴油机低速时充电性能好、相匹配的调节器结构简单等优点。本文系统阐述硅整流发电机的构造组成、工作原理及输出特性，为柴油发电机电气系统的维护与故障诊断提供技术参考。
一、硅整流发电机的构造
硅整流发电机主要由定子、转子、外壳及硅整流器等四部分组成，如图1所示。其结构紧凑、可靠性高，各组成部分的功能与特点如下：
图1 硅整流硅整流发电机构造
1. 转子
转子是发电机的磁场部分，它由励磁线圈、磁极和集电环组成。磁极形状像瓜子，故称为爪极。每一爪极上沿圆周均布数个（4、5、6或7个）鸟嘴形极爪。爪极用低碳钢板冲制而成，或用精密铸造铸成。每台发电机有两个爪极，它们相互嵌入，如图2所示。爪极中间放入励磁线圈，然后压装在转子轴上，当线圈通电后爪极即成为磁极。
转子上的集电环（滑环）是由两个彼此绝缘且与轴绝缘的铜环组成。励磁线圈的两个端头分别接在两个集电环上，两个集电环与装在刷架（与壳体绝缘）上的两个电刷相接触，以便将发电机输出的经整流后的电流部分引入励磁线圈中。集电环表面应保持光洁，电刷压力适中（约2～3 N），以保证良好的电气接触和长的使用寿命。
图2 发电机转子断面与形状
2. 定子
定子由冲有凹槽的硅钢片叠成，定子槽内嵌入三相绕组，各相线圈一端连在一起，另一端的引出分别与元件板上的硅二极管和端盖上的硅二极管相连在一起，从而使它们之间的连接方式为星形连接（如图3所示）。星形连接的中性点可引出作为辅助直流输出端（提高低转速时的输出功率），也可用于连接充电指示灯等。三相绕组在空间上互差120°电角度，保证产生对称的三相交流电动势。
图3 硅整流发电机与调节器线路
3. 前后端盖
前后端盖均用铝合金铸成形以防漏磁，两端盖轴承座处镶有钢套，以增加其耐磨性，轴承座孔中装有滚动轴承。铝合金端盖具有重量轻、散热好、不导磁的优点，减少了磁路中的磁阻损失。后端的轴承通常为密封式滚珠轴承，内部预注润滑脂，不需定期加注。
4. 整流装置
整流装置通常是由六只硅整流二极管组成的三相桥式全波整流电路。其中三只外壳为负极的二极管（称为负二极管）装在后端盖上（利用端盖作为散热片和公共负极），三只外壳为正极的二极管（称为正二极管）则装在一块整体的元件板上。元件板也用铝合金压铸而成，与后端盖绝缘。从元件板引一接线柱（电枢接线柱）至发电机外部作为正极，而发电机外壳作为负极。直流电流从发电机的电枢接线柱输出，经用电设备后至柴油机机体，然后到发电机外壳，形成回路。
二极管的正向压降约为0.5～0.7 V，在额定负载下，六只二极管的总损耗约占发电机输出功率的2%～3%。由于二极管的发热量较大，元件板和后端盖兼作散热器，散热面积应足够大以保证二极管PN结温度不超过150 ℃。在检查或更换二极管时，应注意区分正、负二极管，不可混装，否则会造成整流电路短路。
二、硅整流发电机的工作原理
硅整流发电机是三相交流同步发电机，其磁极为旋转式。其励磁方式是：在启动和低转速时，由于发电机电压低于蓄电池电压，发电机是他励的（由蓄电池供电）；高转速时，发电机电压高于蓄电池充电电压，发电机是自励的。这一励磁方式的切换过程是硅整流发电机低速充电性能好的根本原因。
1. 磁路与感应电动势的产生机理
当电源开关接通时（如图3所示），蓄电池电流通过上方调节器流向发电机的励磁线圈，励磁线圈周围便产生磁通，大部分磁通通过磁轭（如图4所示）和爪形磁极形成N极，再穿过转子与定子之间的空气隙，经过定子的齿部和轭部，然后再穿过空气隙，进入另一爪形磁极形成S极，最后回到磁轭，形成磁回路。另有少部分磁通在定子旁边的空气隙中及N极与S极之间通过，这部分称为漏磁通。漏磁通的大小直接影响发电机的效率，设计时应尽量减小漏磁通。
当转子磁极在定子内旋转时，转子的N极和S极在定子内交替通过，使定子绕组切割磁力线而产生交流感应电动势。感应电动势的大小与磁通密度、绕组匝数和转子的转速成正比。三相绕组所产生的交流电动势相位差为120°，所发出的三相交流电经六只二极管三相全波整流后，即可在发电机正负接线柱之间获得直流电。
2. 他励与自励的切换过程
硅整流发电机的励磁方式分为他励和自励两个阶段，其切换条件取决于发电机的端电压与蓄电池电压之间的关系：
（1）他励阶段（低转速）
当发电机转速很低时（通常低于800～1000 r/min），须采用他励方式。这是因为转子上的剩磁场很弱，在低转速下产生的电动势低于二极管导通电压（硅二极管的导通电压约0.5～0.7 V），发电机不能自励发电。此时，点火开关接通后，蓄电池电流经电压调节器的触点流向励磁线圈，励磁电流的路径为：蓄电池正极→点火开关→调节器→励磁线圈→搭铁→蓄电池负极。
他励阶段的特点是励磁能量由蓄电池提供，随着励磁电流的建立，发电机的磁场强度增加，即使在较低转速下也能产生较高的感应电动势，为自励切换创造条件。这一阶段的持续时间取决于发动机的启动速度和负载情况。
（2）自励切换条件（临界转速）
当发电机的转速达到一定值后（通常为1000～1200 r/min），发电机端电压逐步升高并超过蓄电池电压（12 V系统超过13.5 V，24 V系统超过27 V）时，发电机进入自励阶段。此时，发电机的电能一方面向蓄电池充电，另一方面通过调节器向自己的磁场绕组提供励磁电流，形成“发电→励磁→增强发电”的正反馈过程。
自励切换的标志是：发电机输出端电压高于蓄电池端电压，充电指示灯熄灭（若配有充电指示灯），电流表指针转向充电侧。
（3）自励阶段的稳定运行
进入自励阶段后，发电机完全依靠自身发出的电能维持励磁，形成自持的发电状态。此时，发电机的输出电压由调节器控制在规定范围内（12 V系统14.2～14.4 V，24 V系统28.4～28.8 V），调节器通过检测发电机输出电压，自动调节励磁电流的大小，使输出电压在各种负载和转速条件下保持稳定。当负载增加导致输出电压下降时，调节器增加励磁电流；当负载减小导致输出电压上升时，调节器减小励磁电流。
3. 三相桥式全波整流的原理
硅整流发电机采用三相桥式全波整流电路，每相绕组的交流电动势经两只二极管（一只正极性和一只负极性）进行整流。在任一时刻，总有两只二极管导通——一只是正极性二极管（连接在元件板上），另一只是负极性二极管（连接在后端盖上），形成从发电机正极→负载→发电机负极的电流回路。六只二极管依次导通，将三相交流电转换为连续的直流电。全波整流输出的直流电压平均值约为交流线电压有效值的1.35倍（忽略二极管压降时）。
图4 硅整流发电机磁路系统示意图
三、硅整流发电机的输出特性（负载特性）
1. 输出特性曲线的形成
当保持硅整流发电机的输出电压一定时（对12 V发电机规定为14 V，对24 V发电机规定为28 V），调整其输出电流与转速，就可得到输出特性曲线。输出特性曲线揭示了发电机在不同转速下能够提供的最大输出电流，是评价发电机性能的重要依据。
2. 自身限流特性的物理机理
当转速 达到一定值后，发电机的输出电流 不再继续上升，而趋于某一固定值，此值称为限流值或最大输出电流值。硅整流发电机具有自身限制电流的性能，这是硅整流发电机最重要的特性。其物理机理可归纳为以下几点：
（1）电枢反应增强：随着输出电流的增大，定子绕组产生的电枢反应磁场越来越强，对转子磁场的去磁作用加剧，使气隙合成磁通减小，限制了感应电动势的进一步升高。
（2）内阻压降增大：随着电流增大，定子绕组电阻上的压降（）增大，整流二极管的导通压降（约0.5～0.7 V）也成为不可忽略的压降因素，使输出电压下降，限制了电流的进一步增长。
（3）漏磁通增加：电流增大时，定子和转子的漏磁通增加，磁路趋于饱和，磁导率下降，限制了磁通的进一步增加。
（4）温度效应：电流增大导致发电机组温度升高，定子绕组铜阻增大（铜的电阻温度系数约为0.00393/℃），内阻压降进一步增加，形成负反馈效应。
3. 自励与他励对输出特性的影响
硅整流发电机磁场绕组的励磁方式有两种，一种是由蓄电池供电，称为他励；另一种是由发电机自身所发电能供电，称为自励。励磁方式的差异直接影响发电机的起始建压特性和低速性能：
（1）他励时的特性：在发电机转速很低时（低于建压转速），由蓄电池提供励磁电流。此时，即使发电机端电压未达到额定值，磁场已经建立，使发电机在低转速下就能输出较高的电压。他励状态适用于发电机启动初期的充磁过程。
（2）自励时的特性：当发电机转速达到建压转速后，发电机端电压大于蓄电池电压，发电机能够向蓄电池充电的同时向自己的磁场绕组提供励磁电流。自励状态建立后，调节器接替蓄电池控制励磁电流的大小，根据负载变化自动调节输出电压。
（3）建压转速的定义：建压转速是指发电机从自励状态切换到自励状态所需的最低转速，是衡量发电机低速充电性能的关键参数。性能良好的硅整流发电机，其建压转速通常在1000～1200 r/min以下（对于12 V系统），使柴油机怠速运行时也能对蓄电池充电。
发电机由他励发电转为自励发电的过程，是硅整流发电机低速充电性能好的根本原因。在低转速下，通过蓄电池预先提供励磁电流，使发电机能够迅速建立电压，克服了传统直流发电机因剩磁弱、低速无法自励的缺点。
总结
硅整流发电机由转子（含励磁线圈、爪极和集电环）、定子（硅钢片叠成的三相绕组）、铝合金端盖和六只硅二极管组成的三相桥式全波整流器四部分组成。其工作原理基于旋转磁极在定子绕组中感应出三相交流电动势，经整流后输出直流电。励磁方式从他励（低转速时由蓄电池供电）自动切换至自励（高转速时由自身电能供电），实现了优良的低速充电性能——建压转速一般在1000～1200 r/min以下。硅整流发电机的输出特性在达到一定转速后呈现自身限流效果，这是由电枢反应去磁、内阻压降增大和磁路饱和效应共同作用的结果，是其区别于传统直流发电机的重要特性。正确的维护保养可显著延长硅整流发电机的使用寿命，保障蓄电池的充电质量和柴油发电机组的启动可靠性。
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