摘要： 硅整流发电机是柴油机上的重要电源，它与发电机调节器互相配合工作，在发电机正常工作转速范围内，柴油机的用电设备，主要是靠发电机供电，而且蓄电池存电不足时，发电机还给蓄电池充电。传统的整流子换向直流发电机已经不能适应现代柴油机发展要求而逐渐被硅整流发电机取代，目前主要有硅整流发电机、感应子式（无刷）发电机等，其中以硅整流发电机应用最为普遍。康明斯公司在本文中主要讲述了硅整流发电机的原理、励磁方式和结构，以及其输出与输入接线方法。
一、硅整流发电机原理和励磁方式
硅整流发电机（又称硅整流交流发电机）是内燃机电源系统的核心部件。它的核心原理是电磁感应，并利用硅二极管将产生的交流电整流为直流电。硅整流发电机原理图与接线图分别如图1、图2所示。
1. 硅整流发电机原理
（1）基本类型与励磁方式
硅整流发电机是三相交流同步硅整流发电机，其磁极为旋转式。其励磁方式是：在启动和低转速时，由于硅整流发电机电压低于蓄电池电压，硅整流发电机是他励的（由蓄电池供电）；高转速时，硅整流发电机电压高于蓄电池充电电压，硅整流发电机是自励的。
（2）磁回路的形成
当电源开关接通时，蓄电池电流通过上方调节器流向硅整流发电机的励磁线圈，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与S极之间通过，这部分称为漏磁通。
（3）交流感应电动势的产生
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。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，即可在硅整流发电机正负接线柱之间获得直流电。
（4）旋转磁场的建立
当励磁绕组接通直流电时即被励磁，一块爪极形成N极，另一块爪极形成S极，两块爪极相互交错形成6对磁极。转子旋转时，励磁绕组所产生的磁场也随之旋转，形成旋转磁场，它与固定不动的定子绕组之间产生相对运动，使三相定子绕组中产生三个频率相同、幅值相等、相位相差120°电角度的正弦电动势eA、eB和eC，其瞬时值分别为：
（5）电动势与转速和磁通的关系
由此可知，硅整流发电机每相绕组中产生的电动势的有效值与硅整流发电机的转速和磁场的磁通量成正比。三相交流电动势是对称的，当外接负载时，三相交流电压UA、UB和UC也是对称的。
2. 硅整流发电机的输出特性（负载特性）
（1）输出特性的测定条件
当保持硅整流发电机的输出电压一定时（对12V硅整流发电机规定为14V，对24V硅整流发电机规定为28V），调整其输出电流与转速，就可得到输出特性曲线。
（2）限流值的含义
当转速达到一定值后，硅整流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。
（3）自身限流特性的意义
所以硅整流发电机有一种自身限制电流的性能，这是硅整流发电机最重要的特性。这一特性使发电机在高速运转时不会因输出电流无限增大而烧毁，也使其与蓄电池并联工作时具有自然的电流分配关系。
3. 硅整流器的原理
（1）单向导电性与桥式整流
硅整流器是利用硅二极管的单向导电性，将交流电转换为直流电。在硅整流发电机中，六只硅二极管连接成三相桥式全波整流电路。
（2）二极管的连接方式
三个正极管子D1、D3和D6的正极连接在一起，负极分别接在三相绕组的首端。
（3）导通原则
根据导通原则，连接在一起的几个二极管中，正极电位最高的二极管总是优先导通，即在某一时间内，只有正极电位最高或负极电位最低的管子才能导通。
（4）某瞬间的导通分析
在t=0时，UA=0，UC为正值，UB为负值，D1、D3和D5负极电位相同，而A、B、C三点中C点电位最高，D5优先导通，使3个正极管子负极的电位等于C点电位，这时D1、D3因承受反向电压而截止。而D2、D4和D5的正极电位相同，A、B、C三点中B点电位最低，D4优先导通，使三个负极管子的正极电位等于B点电位，这时D2和D6承受反向电压而截止。这样C、B两点之间的线电压的瞬时值加在负载RL上。
4. 硅整流发电机的励磁方式
（1）他励与自励的转换
硅整流发电机开始发电时采取他励方式进行，即由蓄电池供给励磁电流。当硅整流发电机电压达到蓄电池电压时转为自励，即由发电机自身供给励磁电流。
（2）自励过程的建立
在硅整流发电机中，转子的爪极有一定的剩磁，当转子以一定的转速旋转时，在三相绕组中产生感应电动势，经整流器整流后通过电刷和滑环加到励磁绕组上，励磁绕组有电流通过，使磁场加强，三相绕组中的感应电动势进一步提高，促使磁场进一步增强，如此反复，使硅整流发电机电动势逐渐升高。
（3）低速不能建压的原因
上述问题存在的问题是，当加在硅二极管上的正向电压小于其死区电压时（约0.6V左右），二极管处于截止状态不导通，由于硅整流发电机剩磁较弱，所以硅整流发电机在低速运转时，不能建立电压，而只有在较高转速时（n＞1200r/min），硅整流发电机的电压才能很快上升，完成自励过程。
（4）他励方式的作用
为了克服硅整流发电机在低速时不能建立电压的缺点，在硅整流发电机转速较低、硅整流发电机的端电压低于蓄电池端电压时，由蓄电池向硅整流发电机供给励磁电流（即他励），使硅整流发电机在较强的磁场下很快地建立起电压。这就使硅整流发电机的低速充电性能较好。
（5）供电方式的自动转换
当硅整流发电机的端电压大于蓄电池电压时，由于硅整流发电机是与蓄电池并联供电的，因此，就自动地转为由硅整流发电机输出的电压向用电设备供电，同时还向自身的励磁绕组供给励磁电流。
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图1 硅整流发电机原理图 |
图2 硅整流发电机接线图 |
二、硅整流发电机结构组成
硅整流发电机主要由定子、转子、整流器和机壳等部分组成。
1. 转子
（1）转子的作用
硅整流发电机的转子作用是产生旋转磁场，它主要由两块爪极、磁场绕组、滑环和轴等组成，外观模拟图如图3、图4所示。
（2）爪极与磁场绕组的装配
两块爪极压装在转子轴上，爪极空腔内装有磁场绕组和磁轭，从而形成六个鸟嘴形磁极。
（3）滑环与引线的绝缘
磁场绕组引出线分别焊在与轴绝缘的两个滑环上，滑环压装在转子轴上并与轴绝缘。
（4）磁极的形成
当两滑环通入直流电时，有电流通过磁场绕组，并产生轴向磁通，使爪极一块被磁化为N极，另一块被磁化为S极，从而形成六对相互交错的磁极。当转子转动时，就形成了旋转磁场。
（5）爪极的常见故障
爪极与磁场绕组在长期运行后可能出现的问题是：磁场绕组匝间短路或搭铁，使磁场强度下降，发电机输出降低；滑环表面磨损或油污，使电刷与滑环接触电阻增大，励磁电流不稳定；爪极松动或轴承磨损，使转子与定子之间的气隙不均，输出电压波动。
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图3 转子3D侧面模拟图 |
图4 转子3D斜视模拟图 |
2. 定子
（1）定子的组成
硅整流发电机的定子又叫电枢，由铁芯和定子绕组组成，如图5所示。
（2）铁芯与绕组
定子铁芯由内圆带槽的硅钢片叠成，定子三相绕组采用Y型接法或星形接法，并嵌放在铁芯槽中，如图6所示。
（3）绕组的引出
三相绕组引出线与整流器相连。
（4）定子的常见故障
定子部分的常见故障包括：绕组绝缘老化或破损造成匝间短路或搭铁；绕组端部因振动摩擦而磨损；铁芯硅钢片松动或锈蚀，造成涡流损耗增加。定子故障往往表现为输出电压偏低、三相不平衡或充电电流不足。
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图5 硅整流发电机定子结构 |
图6 发电机定子线圈绕法 |
3. 整流器
（1）整流器的作用
硅整流发电机的整流器将发电机发出的交流电转变成直流电，从而供柴油机使用和向蓄电池充电。
（2）整流器的组成
它由六只接成三相桥式全波整流电路的二极管组成。
（3）二极管损坏的判断
整流器中二极管常见故障是击穿短路或开路。二极管击穿后，不仅会造成发电量下降，还可能因反向漏电而使蓄电池在停机时向发电机放电。检查时可用万用表分别测量各二极管的正反向电阻，判断其是否失效。
（4）二极管更换的注意事项
更换二极管时应注意其极性、额定电流与耐压值须与原型号一致，压装时不可用力过猛，以免损坏二极管或座孔。
4. 机壳
（1）材料选择
机壳是由轻便、散热性好的非导磁材料铝合金制成。
（2）内部布置
二极管和电刷架都在端盖内。
（3）机壳的散热与防护作用
机壳除固定定子与端盖外，还承担散热功能。若机壳散热片积尘、通风孔堵塞，会使发电机整体温度升高，加速绝缘老化。在潮湿或含盐雾环境中，机壳与端盖结合面还应注意密封与防腐。
三、发电机输出和输入接线方式
硅整流发电机的接线方法主要包括输出端的接线和输入电源的接线。
1. 输出端接线方法
硅整流发电机的输出端一般有两种接线方法：单相接线和三相接线。
（1）单相接线方法
将发电机的输出端分别接到单相负载的两个端子上。其中一个端子连接到发电机的一个输出线圈，另一个端子连接到另一个输出线圈。这种接线方法适用于单相负载较小的情况。
（2）三相接线方法
将发电机的输出端分别接到三相负载的三个端子上。其中一个端子连接到发电机的一个输出线圈，另外两个端子分别连接到另外两个输出线圈。这种接线方法适用于三相负载的情况。
（3）输出端接线的注意事项
输出端接线时应确认负载的额定电压与发电机输出一致，导线截面应满足负载电流要求，接头应压接牢固并做绝缘处理。若输出端长期在大电流下接触不良，接头处会发热氧化，进一步增大接触电阻，形成发热与氧化的恶性循环。
2. 输入电源的接线方法
硅整流发电机的输入电源一般为交流电源，接线方法主要分为两种：单相接线和三相接线。
（1）单相接线方法
将输入电源的一个相线连接到发电机的一个端子上，另外一个相线连接到发电机的另一个端子上，接地线连接到发电机的接地端子上。
（2）三相接线方法
将输入电源的三个相线分别连接到发电机的三个端子上，接地线连接到发电机的接地端子上。
（3）接地的重要性
接地线的作用是为发电机外壳提供可靠的零电位参考，并在绝缘损坏时提供故障电流通路，使保护装置能够及时动作。接地端子应单独引线可靠接地，不可仅依赖机壳与基础的偶然接触。
3. 接线时的通用注意事项
（1）接线牢固与接触良好
需要注意的是，在接线时要确保接线牢固，接触良好，避免因接线不良造成电流过大导致安全事故。
（2）绝缘检查
接线前应检查导线绝缘是否完好，接线后应确认各端子之间及端子对外壳的绝缘电阻符合要求，避免因绝缘破损造成短路或漏电。
（3）极性核对
对于有极性要求的接线端子，应在接线前核对清楚，避免因正负极接反而损坏整流器或调节器。
（4）接线后的验证
接线完成后，应先空载运行检查发电机是否正常建压，再逐步加载，观察充电电流与电压是否正常，确认无误后方可投入正常使用。
总结
硅整流发电机由柴油发动机带动，转速随柴油机的转速在一个很大的范围内变动。硅整流发电机的转速高，其发出的电压高；转速低，其发出的电压也低，为了保持硅整流发电机的端电压的基本稳定，必须设置电压调节器。电压调节器安装时必须垂直，其接线柱向下，以达到防滴作用。使用时应注意要与相应型号的充电硅整流发电机配合使用。接线应正确可靠，绝缘应完好，否则可能导致电压调节器烧坏。一般情况下，不要随便打开调节器盖，如有故障应由专业人员检修。其意义在于：硅整流发电机的他励与自励转换机制、自身限流特性以及三相桥式整流原理，共同决定了它在柴油机供电系统中的工作方式；理解转子爪极与定子绕组的配合关系、整流器二极管的导通原则，以及输出与输入接线的正确方法，有助于在发电机不充电、充电电流过小或调节器烧坏等故障出现时，准确判断问题出在励磁回路、整流元件还是接线环节，避免因接线错误或绝缘损坏造成更大的损失，从而保障柴油机用电设备的正常供电与蓄电池的可靠充电。
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