摘要：当发动机处于故障状态，或者其熄火后需要开启点火开关进行供电时，为了更加有效的保障激磁绕组运行安全，防止蓄电池长期放电出现电量亏空等情况，本文提出一种电路保护装置，可对汽车交流发电机电路进行有效保护，并针对电路构成、运行原理进行分析，对交流发电机激磁绕组进行设计与研究。
关键词：汽车交流发电机；激磁绕组；保护装置
引言：当汽车点火开关闭合后，蓄电池将继续为汽车运行提供能量，指示灯照常点亮。随着发电机转速逐渐提升，当输出电压的数值超过蓄电池电压时，汽车的供电状态将发生改变，由发电机为其提供能量维持运行状态，此时指示灯不亮。本文提出一种电路保护装置，可有效避免蓄电池长期处于激磁绕组供电危险。
1.电路构成
1.1发电机激磁电路
以汽车调节器为例，发电机电源电路如图1所示。
图1 发电机电源电路示意图
图中，A2代表交流发电机、D+代表正二极管、FT代表电压调节器、S1代表点火开关、D-代表负二极管、E代表搭铁、F代表激磁绕组、B+代表正接线柱；当点火开关处于开启状态、发动机处于静止状态时，调节器中的三极管处于开启状态，激磁电路为：蓄电池“+”极→点火开关→激磁绕组F1→激磁绕组F→激磁绕组F2→调节器FT端子→搭铁→蓄电池“-”极。当点火开关处于开启状态时，激磁绕组中便会有电流经过，使激磁电阻的温度升高，导致绕组发生损坏、蓄电池中电量不足[1]。
1.2发电机激磁绕组保护电路
为了避免图1中电路存在的缺陷，将继电器J1与J2加入其中，使激磁绕组电路能够得到有效保护，保护电路如图2所示。
图2 发电机激磁绕组保护电路示意图
图中，A2代表交流发电机、D+代表正二极管、FT代表电压调节器、S1代表点火开关、D-代表负二极管、E代表搭铁、F代表激磁绕组、B+代表正接线柱、J1为时间继电器、J2为常开继电器；当时间继电器线圈KT输入端与点火开关相连接时，电磁线圈输出端搭铁；当继电器KT端与点火开关相连接时，KT端将与激磁绕组的F1端子相连；常开继电器线圈输入端与中性点N接线端相连接，输出端搭铁；常开继电器K1端与点火开关相连，K1端与激磁绕组F1端子相连接。
2.运行原理
在发电机运行过程中出现异常状态时，需要立即对其进行检修，或者当其熄火后，也需要将点火开关开启，使点火开关、电磁线圈以及时间继电器之间形成闭合回路。当电流从中经过后产生电磁力，吸引时间继电器触点KT在较短时间内闭合，并保持10s，此时发电机的激磁绕组中有电流经过，电路为：蓄电池正极、点火开关、时间继电器KT、激磁绕组F1接线柱、激磁绕组F2接线柱、搭铁、蓄电池负极。这整个电路运行中只需10s，继电器触点KT便处于断开状态，将激磁电路切断，避免蓄电池长期向激磁绕组供电，使绕组温度提升产生危险。
当发电机处于正常运行状态时，在激磁绕组中存在电流经过，电路为：蓄电池正极、点火开关、时间继电器KT、发电机激磁绕组F1、激磁绕组F2、电压调节器F接线柱、搭铁与蓄电池负极。这时，发电机正处于持续发电状态，中性点接线端子中存在电压，继电器与电磁圈中同样有电流痕迹，磁化电路为：发电机N端子、继电器线圈L1、搭铁。当电流经过后产生电磁力，使继电器K1闭合，此时激磁绕组中仍然有电流经过的痕迹，激磁电路为：发电机“B+”、点火开关、常开继电器、激磁绕组F1接线、激磁绕组F2接线、调节器FT接线、搭铁以及发电机负极，促使发电机处于正常运转状态，正常发电向外输出[2]。
3.汽车交流发电机激磁绕组保护装置设计
在汽车交流发电机设计中，空载转速的提高或降低主要通过调整气隙磁通密度来完成，在交流发电机中，当内腔体积大致稳定后，便需要对激磁绕组进行科学合理的设计。当激磁绕组处于正规排绕的情况下，排绕裸线的线径为D，带漆皮后则为1.1D。
将激磁电流用I1表示，利用电压调节器对电流大小进行设置，不可过大，通常吧超过5A，需要由设计人员针对整个磁路所需的总磁情况进行综合分析后确定。假设电刷压降的数值为2△U，电机激磁电压为U，在绕组以正规形式排列的情况下，整个线圈的平均匝长为π（r1＋r2）；线圈的总长可用π（r1＋r2）N来表示，则激磁电流的表达式为：
从上式中可知，当线圈骨架尺寸r1、r2与l的数值为已知情况时，可根据上述公式对其他相关数值进行计算，并在计算中将0.95l代入其中，这主要是由于线圈在排绕过程中无法刚好与l的长度相一致，存在一些填充系数，该系数通常在0.95左右。例如，对于JF13系列发动机来说，其骨架尺寸：r1为22.65mm，r2为36mm、l为22mm，2△U为2V。假设当I1的数值为2.14A时，填充系数为0.95，则通过上述公式能够分别计算出电机在实际生产中的各项运行参数，如磁轭中的磁感应强度等等。
当对激磁系统的尺寸大小进行设计时，r2的数值大致确定，假设r1的数值增加，则绕组的体积将随之减小，进而总磁势也将随之减小；假设r1的数值减少，则绕组体积将随之增加，磁轭的截面将减小，进而磁压降增加。怎样对r1的值进行确定，才可使其处于科学合理的状态，可不考虑线圈骨架的厚度问题，并且将轴与磁轭的导磁率看成一致情况，则可假设气隙磁通为T，磁轭与气隙之间的总漏磁系数为O，极对数用P表示，则磁轭磁通则可用PTO来表示，磁密度可用（PTO）/（πri）来表示。假设磁轭中的磁感应强度用以下公式表示：
式中，B代表的是磁轭中的磁感应强度；K的数值与磁轭材料有较大关联，且磁轭中磁压降的表示公式为：
F＝Bl
式中，F代表的是磁轭中的磁压降；B代表的是磁轭中的磁感应强度；l代表的是线圈骨架长度；
根据上述公式进行推导分析可知，r1与r2之间的最佳比值为（ -1）/2，也就是0.618，这属于黄金分割点。在实际运行中，由于受到壁厚的影响，因此r1与r2的比值应超过0.618，但不可与该数值相差过大。
结论：综上所述，将激磁绕组保护装置安装在交流发电机中，能够有效避免发动机处于故障或熄火状态下激磁绕组因温度升高而被烧坏。将时间继电器加入其中，可在发动机静止状态时为其提供所需电流；当发动机处于启动状态时，继电器自动闭合，对发电机的正常使用不产生影响，该装置的发展空间十分广阔。
参考文献：
[1]胡泽岩.汽车交流发电机激磁绕组的设计[J].汽车电器，2016（6）：3-4.
[2]刘军.浅谈汽车交流发电机调节器调节原理[J].黑龙江科技信息，2017（16）：13-13.
作者简介：姓名：杨成武（1987.11--）；性别：男，籍贯：浙江省长兴县，学历：硕士研究生，毕业于广西工学院（现广西科技大学），现有职称：中级工程师：研究方向：机电工程。
论文作者:杨成武
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/7/3
标签：绕组论文; 发电机论文; 电路论文; 代表论文; 线圈论文; 蓄电池论文; 继电器论文; 《基层建设》2019年第9期论文;