汽車交流發電機的可靠性探討與改進研究

楊成菊 楊成群

汽車交流發電機的可靠性探討與改進研究

楊成菊1楊成群2

1.閩北職業技術學院 2.東風汽車有限公司

該文通過對現今國內外汽車交流發電機實際應用的調查和分析，對汽車交流發電機在設計過程中，影響可靠性的常見問題進行歸納與分類，并從使用的角度，分別對其各部件（定子、轉子、軸承、風扇、調節器、整流器等）進行分析與總結，有針對性地提出對常見問題的解決辦法和措施，以使汽車交流發電機的機械強度、熱負荷、電磁兼容性、噪音、密封防護等滿足更優化的功能要求。

汽車 交流發電機 可靠性 改進

0 引言

隨著國內汽車工業的發展和汽車市場的日益成熟，尤其是加入WTO后，國外先進標準、產品的示范效應和國內同行業產品的競爭壓力，使國內汽車工業包括汽車電氣行業也發生了深刻的變化，產品更新速度加快、產品功能和外觀更加多樣化和人性化、產品可靠性要求顯著提高。本文就汽車交流發電機的設計，結合在生產上的實踐應用，對如何提高其可靠性進行探討。

1　汽車發電機的結構與功能

汽車交流發電機的結構主要由定子、轉子、軸承、風扇、調節器、整流器等組成[1]，這些部件必須滿足機械強度、熱負荷、電磁兼容性、噪音、密封防護等方面的功能要求。

因此，從失效后帶來的后果來講，定子、轉子，軸承、調節器、整流器等任何一個零部件的早期失效（這些失效形式往往和機械強度、熱負荷、密封防護等有關），都會帶來電機整個功能的喪失，它們的危害程度是第一位的。而風扇、絕緣件、皮帶輪等零部件失效（它們往往也和機械強度有關），雖不會造成電機整個功能的喪失，但會給用戶造成不必要的麻煩，它們重要性是第二位的。而涉及到電磁兼容性、噪音等功能問題，只會給用戶造成不適，因此應屬于第三位[2]。提高電機的可靠性必須從這些方面入手，有針對性地進行設計完善，做到既保證功能又滿足可靠性要求。

2　汽車發電機各機構部件的可靠性探討與改進

2.1 汽車發電機定子的可靠性探討與改進

影響定子可靠性的因素主要有：定子的通風散熱能力、機械連接強度以及其熱負荷，漆包線、槽絕緣、浸漆的熱級[3]。對于內風扇電機，由于大部分熱量均需從繞組端部散出，繞組端部需保證一定長度（一般為22～25mm)[4]，端部長度過短會因散熱不暢引起電機溫升過高，過長則同樣會因銅耗過多引起電機溫升過高。而對于外風扇電機，因其定子散熱主要通過鐵心進行，則沒有必要增加繞組端部長度。不過調整繞組端部長度只是一種輔助的方法，較有效的方法是在定子外徑一定的前提下，配對加大爪極及鐵芯長度，從而減少繞組匝數，增加繞組線徑，降低定子的線負荷，從而內部降低定子溫升。此外，在機械連接方面，可采用止口壓緊或螺栓定位的方式來防止定子在受熱狀態下，因和端蓋熱膨脹系數不同而產生的松動、打轉現象。

2.2 汽車發電機轉子的可靠性探討與改進

影響轉子的可靠性因素主要有機械強度、電磁或氣動噪音、激磁繞組的電流密度以及各組成部件的絕緣性能等[5]。內風扇發電機和外風扇發電機由于結構不同，對電機可靠性的影響也有所不同。對于外風扇發電機，影響其可靠性的因素主要為爪極強度、熱處理狀態以及其與軸的配合狀況，只要在上述方面得到保證，一般不會產生嚴重影響可靠性的問題。而對于內風扇電機來說，除了需對以上問題考慮外，還必須對爪極的氣動和電磁噪音、激磁線圈的防轉措施、滑環的可靠性進行綜合控制。

常見問題與改進措施：爪極的氣動噪音可以用常用的12極電機為例進行分析，由于爪極電機定子均采用每極3槽的方法進行設計，每個爪極便對應定子的36個槽，此36槽經嵌線后便在繞組端部兩邊各形成36個不規則孔洞，此36個孔洞剛好在位置上對應著爪極的爪根部。對于12極電機來說，每個磁極有6個極爪和6個間隔，剛好類似于一個有6個均布葉片的風扇，當爪極高速旋轉時，爪極根部形成的氣流就穿過繞組端部的孔洞，引起電機的嘯叫，形成噪音[5]。因此需在端面增加擋風板以阻斷風路(如圖1左所示），或者在爪極根部增加倒角（如圖1右示），以降低其風扇效應。而爪極的電磁噪音是由于電機的電樞反應引起的，這除了保證電機的氣隙以外（一般0.35mm以上），還需對爪極側面倒角,以增大電樞反應路徑長度，削弱電樞反應強度，最后便形成菱形爪極（圖1右所示）。對于激磁線圈來說，由于電機高速旋轉帶來的慣性力，激磁線圈會相對于導磁軛發生轉動，從而拉斷激磁線引起電機故障。激磁線圈的轉動可分為兩種，即激磁線圈架的轉動、激磁繞組的轉動，激磁線圈架的轉動可以通過在激磁線圈架上增加卡于爪極底部的止動凸起來限制，但激磁繞組的轉動必須通過在爪極增加浸漆導向槽和在線圈加上增加浸漆導向孔來限制，在加熱狀態下，漆流通過此導向孔使激磁繞組整體得到浸澤，最后和激磁線圈架形成一個整體，從而使繞組不能發生相對滑動而拽斷引線。對于滑環來說，先采用酚醛壓塑料制作成整體形式，再將其壓于轉軸上后進行接線是一種可靠的方式，它可以避免塑壓過程形成的短路故障，增加電機的可靠性。

圖1 發電機轉子

2.3 汽車發電機軸承的可靠性探討與改進

軸承作為電機上的必不可缺部件，其失效形式也必須引起重視，尤其是其固定方式值得探討。一般電機上由于結構設計需要，位于整流器端的軸承軸相必須處于自由狀態。在高溫狀態下，由于軸承（鋼件）和端蓋（鋁件）線膨脹系數的差異，常溫下配合良好的軸承外圈和端蓋會處在間隙配合狀態，軸承高速旋轉的摩擦力會帶動軸承外圈發生旋轉，長期工作后就會磨損軸承室，最終引起電機失效。

解決該問題，就需要采用措施將軸承外圈固定，避免其在高溫狀態下旋轉。最簡單的方法是調整軸承室公差帶及公差等級，如某電機軸承室采用K6級公差后，使軸承處于輕過盈狀態，軸承室磨損問題即被解決。該方法的缺點是加工公差要求過高。另一種方法是軸承室和軸承采用過渡配合，但軸承室內開有圓環槽，圓環槽內嵌有長圓形截面O型橡膠密封圈，該密封圈和軸承形成過盈配合，增加軸承旋轉阻力，阻礙軸承打轉。此種方法增加了工序但降低了加工精度。第三種方法是塑料軸承襯套，其內圈和軸承外圈采用過盈配合，其外圈和軸承室采用間隙配合。其原理是利用塑料的塑性在軸承外圈形成以緊固環，在光滑的軸承外圈上增加了限位裝置，利用軸承襯套和軸承室的軸向徑向限位配合或者將軸承襯套滾鉚于端蓋上防轉。第四種方法是采用聚四氟乙烯軸承襯套防磨，其固定方式和第三種方法相似，但其內圈和軸承外圈采用間隙配合，其原理是利用聚四氟乙烯的自潤滑性能形成的耐磨性來避免軸承的磨損。上述方法均通過了實際應用，防磨損效果均滿足了電機的使用要求。

2.4 汽車發電機整流器的可靠性探討與改進

整流器肩負著將電機交流電轉化為直流電的作用，其可靠性直接影響著整機的可靠性。整流器是電機較易發生故障的部件，其故障原因均可歸結為熱設計不夠，并且整流器的失效（如二極管的擊穿）還可引發其它部件的失效（如定子燒毀），其設計必須從如下方面考慮：第一，單管余量必須足夠大。根據二極管降額曲線，一般國產單管容量的選擇必須為整機輸出的60%～70%左右，才能保證在高溫狀態下二極管的可靠性。第二，散熱片（板）必須有足夠的體積和表面積，以利于增大整流器抗瞬時大電流沖擊和散熱。一般要在整流器極板上加盡可能多的散熱筋。第三，一個可靠的整流器必須能夠承受無通風狀態下7～8分鐘的電機輸出電流而不發生損壞，圖2為某整流器極板的一部分。整流器中金屬連接件必須考慮其電流密度，一般鋼結構件其電流密度不得高于5A/mm2,紫銅連接件電流密度不得高于9A/mm2,塑料連接件需采用聚苯硫醚，塑料支撐件須采用酚醛壓塑料，以避免因連接部位過熱而引起塑料件、焊錫熔化等影響可靠性的問題[6]。

圖2 某整流器極板的部分

2.5 汽車發電機風扇的可靠性探討與改進

風扇作為電機上的散熱部件，影響整機可靠性的因素主要是：第一，風扇上扇葉和風扇本體的連接強度，這在內風扇電機上比較明顯。內風扇電機為了降低整機的氣動噪音而將風扇做于電機內部，風扇直徑的減小雖然降低了噪聲的聲級，但也減小了風扇上扇葉和風扇本體連接處的寬度，當電機超速(20000r/min)旋轉時，易發生扇葉折斷現象，因此需在設計風扇時加以考慮。第二，風扇的通風效果問題。在外風扇電機中，由于繞組的冷卻主要通過鐵芯表面進行，因此在設計時，適當增加扇葉的數量、高度和寬度，就可控制繞組和電機的溫升。而內風扇電機，由于其對電機的噪音要求比較嚴格，就不能簡單按外風扇進行設計。因為內風扇電機氣動噪音不僅包括風扇本身產生的噪音，并且還附加了風扇氣流沖擊在繞組端部孔穴的噪聲，這就要求內風扇電機風扇在設計時除了采用不等分結構外，還需降低扇葉軸向高度，增加扇葉數量，通過保證電機通風量而降低風扇風壓，從而將嘯叫噪聲向人耳不敏感的高轉速轉移。

2.6 汽車發電機調節器的可靠性探討與改進

調節器作為交流發電機的一個不可或缺部件，其對電機的可靠性影響主要表現在調節器失效，調節器電磁兼容性較差。國內受制造工藝水平影響，一般采用分立元件制造，過程控制環節的增多，自然會對整機的可靠性產生不利影響。多數電機采用了國外集成型調節器，一方面，由于國外較先進的工藝水平和過程控制能力；另一方面調節器采用JT0-3等封裝形式和調節器自身的較低功耗而給其元器件提供了一個相對寬松的小環境，所以調節器的可靠性一般均較高，為提高整機的電磁兼容性，一般需在電機上裝配1～2.2uF電容器，來抑制電機換相尖峰和外來干擾。

3 結語

本文通過文獻查閱，運用比較與分析、實驗與實踐驗證等方法，對現今國內外汽車交流發電機在設計過程中影響可靠性的常見問題進行分析與總結，有針對性地提出解決辦法和措施，以滿足機械強度、熱負荷、電磁兼容性、噪音、密封防護等更優化的功能要求。但汽車交流發電機的可靠性設計是一個全面的過程，上述僅僅是一部分，還需要在實踐中不斷摸索、完善和提高。

[1] 秦明華.汽車電器與電子技術[M].北京:北京理工大學出版社,2003.

[2] 陳渝光.汽車電器與電子設備[M].北京:機械工業出版社,1999.

[3] 燕來榮.現代汽車電機的發展狀況[J].電機技術,2009(5):41-42.

[4] 孫余凱,等.汽車電器維修入門[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[5] 葉云岳.現代驅動技術綜述[J].電機技術,2005,23(1):3-7.

[6] 王旭東.電力電子技術在汽車中的應用[M].北京:機械工業出版社,2010.