CN104836203A - 一种用于机动车的交流发电机及其自我保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于机动车的交流发电机及其自我保护方法，交流发电机包括转子、定子绕组、整流桥、电压控制装置以及蓄电池，电压控制装置包括相信号监测单元、微处理器和磁场回路开关管。相信号监测单元与定子绕组的各相端分别电连接；微处理器与相信号监测单元电连接；磁场回路开关管与转子和微处理器电连接；其中，相信号监测单元监测定子绕组的各相端电信号，当至少一个相信号是异常相信号时，微处理器关闭磁场回路开关管，交流发电机停止发电。本发明可以在整流桥的任意至少一个整流二极管击穿短路时，能快速关闭磁场回路开关管起自我保护，避免二极管击穿短路后，发电机长时间运行导致定子绕组高温烧毁。

Description

一种用于机动车的交流发电机及其自我保护方法

技术领域

本发明涉及一种交流发电机，具体地说，是涉及一种用于机动车的具有自我保护功能的交流发电机。本发明还涉及一种用于机动车的交流发电机的自我保护方法。

背景技术

目前，用于机动车的交流发电机，其电压控制装置具有充电指示灯端、与车辆ECU连接端、一个供测量发电机转速的相端等端子，具有过压、欠压警示和/或保护功能，输出小直流供车用继电器使用等功能，能比较好的实现发电机的自我保护以及车辆用电器的保护。但是，如图1中，当发电机的整流桥3的整流二极管（正管或负管）出现击穿短路时，发电机的定子绕组4会流过大电流，从而烧毁失效，严重影响车辆的正常使用。现有发电机没有对该故障进行探测并防止定子绕组4失效的功能。

现有机动车交流发电机的整流桥3的整流二极管由于分组导致的二极管过电流不一致，加上在正负极散热板上的压装差异，导致某个二极管的过电流高于其他二极管，这个二极管的长时间大电流，导致二极管自身温升过高而被击穿失效。另外，二极管自身的质量问题也是导致二极管被早期击穿失效的原因之一。尤其是炎热的夏天，发电机运行环境温度高，加上车上用电量增加，发电机长时间满负荷工作，导致二极管长时间在高温环境下持续经过大电流而被击穿失效。

上述整流二极管击穿，会对定子绕组4造成严重损害：整流二极管击穿后，本该输出的电流通过击穿的二极管回流到定子绕组4，导致定子绕组4内部电流过大，发热量急剧上升，定子绕组4的绝缘层、槽绝缘纸等高温熔化失效，定子绕组4烧毁。

如图2，当与4a相端相连的正整流管3a1短路后，从二极管3a2和3a3流出的电流从3a1返流至定子绕组4，由于定子绕组4的阻值很小，导致与4a相端连接的两个绕组电流过大，使这两个绕组的绝缘层高温氧化变黑，最终导致绝缘层熔化失效，定子绕组4失效。

同理，当4a相端的负整流管短路后，定子绕组4内部形成大电流环流，也能将定子绕组4烧毁。

从质量反馈也能验证这点，在失效后早期的定子绕组4，三角形连接的定子绕组4，其与被击穿的二极管相连两相绕组发黑，而另一相绕组完好，星形连接的定子绕组4，其与被击穿的二极管相连的一相绕组发黑，而另两相绕组完好。

由于上述高温定子绕组4的绝缘材料熔化，定子绕组4会冒烟，发电机无法正常供电；定子绕组4冒烟失效后停车，熔化的绝缘材料会环绕转子爪极的外圈，停车后，绝缘材料冷却，导致将转子抱死，发电机皮带轮上的皮带无法转动。

假设整流桥3上连接定子4a相的负整流二极管短路失效后，4a相端的电流和电压的波形分别如图3a和图3b。

从电流波形来看，短路后4a相端的电流振幅增大为短路前的2倍，且电流基准值偏离原基准值，最大值变成原来的4倍。

从电压波形来看，短路后4a相端的电压变成了低电压。

假设整流桥上连接定子4a相端的正整流二极管短路失效后，4a相端的电流和电压的波形分别如图3c和图3d：

从电流波形来看，短路后4a相端的电流振幅增大为短路前的2.5倍，且基准值偏离原基准值，最大值变成原来的5倍。

从电压波形来看，短路后4a相端的电压瞬间变成了高电压。

发明内容

本发明的目的是解决现有的车用交流发电机在整流二极管击穿短路时无法自我保护的问题，提供一种车用交流发电机，该发电机可以在整流桥的任意至少一个整流二极管击穿短路时，能关闭磁场回路开关管起自我保护，避免二极管击穿短路后，发电机长时间运行导致定子绕组高温烧毁。本发明还提供一种用于机动车的交流发电机的自我保护方法。

为了实现上述目的，本发明的用于机动车的交流发电机，包括提供旋转磁场的转子、产生交流电的定子绕组、将交流电整流成直流电的整流桥、电压控制装置以及蓄电池，所述电压控制装置包括：

相信号监测单元，与所述定子绕组的各相端分别电连接；

微处理器，与所述相信号监测单元电连接；以及

磁场回路开关管，与所述转子和所述微处理器电连接；

其中，所述相信号监测单元监测所述定子绕组的各相端电信号，当至少一个相信号出现异常相信号时，所述微处理器关闭所述磁场回路开关管，所述交流发电机停止发电。

上述的用于机动车的交流发电机，其中，所述相信号监测单元监测所述定子绕组的各相端的频率信号或电压信号。

上述的用于机动车的交流发电机，其中，所述磁场回路开关管为MOS管或达林顿管。

上述的用于机动车的交流发电机，其中，所述异常相信号包括周期发生变化的相信号或振幅发生变化的相信号。

上述的用于机动车的交流发电机，其中，所述定子绕组的接法包括三角形连接和星形连接。

上述的用于机动车的交流发电机，其中，还包括电容盒和负载控制开关，所述电容盒和所述负载控制开关连接在与所述蓄电池和所述发电机的B+输出端之间。

上述的用于机动车的交流发电机，其中，还包括激磁二极管，所述激磁二极管的正极与所述定子绕组的相端电连接，所述激磁二极管的负极形成激磁端。

上述的用于机动车的交流发电机，其中，所述激磁二极管的数量与所述定子绕组的相端数量相对应，且所述激磁二极管与所述定子绕组的相端一一对应连接。

上述的用于机动车的交流发电机，其中，所述整流桥包括正整流管和负整流管，所述定子绕组的相端连接在所述正整流管和所述负整流管之间。

本发明还提供一种用于机动车的交流发电机的自我保护方法，其中，包括如下步骤：

S10：使用一相信号监测单元监测定子绕组的各相端电信号；

S20：当监测出至少一个相信号出现异常时，微处理器关闭磁场回路开关管，交流发电机停止发电。

上述的用于机动车的交流发电机的自我保护方法，其中，相信号监测单元监测的是定子绕组的各相端的频率信号或电压信号。

上述的用于机动车的交流发电机的自我保护方法，其中，定子绕组的接法是三角形连接或星形连接。

上述的用于机动车的交流发电机的自我保护方法，其中，所述步骤S20还包括：

当各相端输入的信号同时均为振幅不变的周期波动信号时为正常信号；

当各相端输入的信号至少一个相端出现上述正常信号以外的信号时，判断为异常信号。

本发明的有益功效在于，应用上述电压控制装置的发电机和自我保护方法，在运行过程中二极管短路或客户接线过程中误将相信号W端与发电机B+端或B-端短接，导致的定子绕组长时间处于大电流环流状态而烧毁的故障，提高了发电机的可靠性。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

附图说明

图1为现有交流发电机接线图；

图2为图1中3a二极管短路后发电机内部环流电流流向示意图；

图3a为4a相端对发电机B-端短路时4a相端的电流波形图；

图3b为4a相端对发电机B-端短路时4a相端的电压波形图；

图3c为4a相端对发电机B+端短路时4a相端的电流波形图；

图3d为4a相端对发电机B+端短路时4a相端的电压波形图；

图4为本发明第一实施例交流发电机的接线图；

图5为本发明第一实施例交流发电机及电压控制装置方块图；

图6为本发明第二实施例交流发电机及电压控制装置方块图；

图7为本发明第三实施例交流发电机及电压控制装置方块图；

图8为本发明第一实施例6a相端对B+短路保护实测波形图；

图9为本发明第一实施例6a相端对B-短路保护实测波形图。

其中，附图标记

3   整流桥

3a  正整流管

3b  负整流管

4   定子绕组

5   定子绕组

5a、5b、5c  定子绕组的三个相端

6   整流桥

6a  正整流管

6b  负整流管

7a、7b、7c  连接线

8   转子

9   电压控制装置

10  相信号监测单元

11  微处理器

12  磁场回路开关管

13  续流二极管

14  充电指示灯

15  点火开关

16  蓄电池

17  车用电气负载

18  电容盒

19  负载控制开关

20  蓄电池

21a、21b、21c  激磁二极管

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

本发明的用于机动车的交流发电机，包括提供旋转磁场的转子、产生交流电的定子绕组、将交流电整流成直流电的整流桥、电压控制装置以及蓄电池，电压控制装置包括相信号监测单元、微处理器和磁场回路开关管。其中，相信号监测单元与定子绕组的各相端分别电连接；微处理器与相信号监测单元电连接；磁场回路开关管与转子和微处理器电连接。当相信号监测单元监测定子绕组的各相端电信号，当至少一个相信号出现异常相信号时，微处理器关闭磁场回路开关管，交流发电机停止发电。交流发电机的电压控制装置与发电机的输出端和激磁线圈相连，电压控制装置具有多个相端信号监测连线，将定子绕组的各个相端信号实时反馈到电压控制装置内部的相信号监测单元。当相端信号出现异常时，本发明的相信号监测单元向控制磁场回路开关管的微处理器发出信号，微处理器将磁场回路开关管关闭，避免长时间在异常状态下导致定子绕组高温损坏的情况。

其中，相信号监测单元监测所述定子绕组的各相端的频率信号或电压信号。磁场回路开关管为MOS管或达林顿管。

如图4和图5所示，相信号监测单元10由5a、5b、5c三个相端输入信号，出现信号异常时，相信号监测单元10输出异常信号给微处理器11，微处理器11将磁场回路开关管12关闭。

异常相信号包括周期发生变化的相信号（电机转速不变的情况下）或振幅发生变化的相信号。微处理器11对从相信号监测单元10检测的5a、5b、5c三个相端输入的信号判别是否为正常信号的原则是：

当5a、5b、5c三个相端输入的信号同时均为振幅不变的周期波动信号时为正常；

当5a、5b、5c三个相端输入的信号至少一个相端出现上述正常信号以外的信号时，判断为异常信号。

以下举出不同实施例进行说明。

第一实施例：

在图4、图5所揭示的本发明的一种具体实施方式中，本发明提供的交流发电机包括：定子绕组5、整流桥6、转子8和电压控制装置9。电压控制装置9中包含一个相信号监测单元10，三根导线7a、7b、7c一端分别连接定子绕组5的三个相端5a、5b、5c，另一端连接相信号监测单元10，相信号监测单元10和磁场回路开关管12共同与微处理器11电连接，蓄电池16与发电机B+端相连，17为车用电气负载。电压控制装置9还包括微处理器11和磁场回路开关管12，微处理器11与相信号监测单元10电连接；磁场回路开关管12与转子8电连接。本发明提供的交流发电机还包括续流二极管13、充电指示灯14和点火开关15。其中，续流二极管13与转子8相连，充电指示灯14和点火开关15连接在微处理器11和发电机B+端之间。

故障情况一：发电机在正常运行过程中突然发生整流桥6的至少一个正整流二极管短路故障，或是发电机的相输出栓突然对B+端短接，此时5a、5b、5c其中至少有一端正弦交流电压信号突变成B+端的电瓶电压，此端电压持续为电瓶电压，此时相信号监测单元10判定该信号为异常信号，微处理器11在很短的时间内将磁场回路开关管12关闭，磁场消失，发电机停止发电。

如图8为故障情况一所述电压控制装置实例的测试波形，图中上部分波形为电机的磁场电压波形，下部分为电机的相端波形。相端对B+短路后，该相端的电压信号突变成高电压，如图中下部分的相端波形；磁场电压波形在相端波形突变后80ms（图中△t）时突变成了0V，即此时切断了磁场回路，如图中上部分波形变成了0V。

故障情况二：发电机在正常运行过程中突然发生整流桥6的至少一个负整流二极管短路故障，或是发电机的相输出栓突然对B-端短接，此时5a、5b、5c其中至少有一端正弦交流电压信号突变成B-端的低电压信号，此端电压持续为低电压信号，此时相信号监测单元10判定该信号为异常信号，微处理器11在很短的时间内将磁场回路开关管12关闭，磁场消失，发电机停止发电。

如图9为故障情况二所述电压控制装置实例的测试波形，图中上部分波形为电机的磁场电压波形，下部分为电机的相端波形。相端对B-短路后，该相端的电压信号突变成低电压，如图中下部分的相端波形；磁场电压波形在相端波形突变后30ms（图中△t）时突变成了0V，即此时切断了磁场回路，如图中上部分波形变成了0V。

上述两种故障情况，电压控制装置9从相信号出现异常到其关闭磁场回路开关管12的时间远小于异常出现后定子绕组5温度快速上升的时间，能避免定子温度快速上升导致定子烧毁。

第二实施例：

如图6揭示本发明的另一种实施方式，此实施例与第一实施例的差异在于：第一实施例包括正极连接发电机B+端的蓄电池16，而第二实施例使用电容盒18置于发电机B+端与蓄电池20之间，并在蓄电池20和电容盒18之间增加一负载控制开关19，也即为无电瓶应用。具体为包括：定子绕组5，整流桥6，产生旋转磁场的转子8，电压控制装置9，电压控制装置9中包含一个相信号监测单元10，三根导线7a、7b、7c一端分别连接定子三个相端5a、5b、5c，另一端连接相信号监测单元10，相信号监测单元10和磁场回路开关管12共同与微处理器11相连，与发电机B+端相连的18为电容盒，用于对B+端的电压进行滤波，电容盒18的另一端与负载控制开关19相连，负载控制开关19另一端为蓄电池20。

电容盒18的基本工作原理为：当用户闭合负载控制开关19后，蓄电池20通过电容盒18提供发电机激磁电流使发电机开始发电，当发电机开始正常发电后，电容盒18对B+端电压进行滤波。

故障情况一：发电机在正常运行过程中突然发生整流桥6的至少一个正整流二极管短路故障，或是发电机的相输出栓突然对B+端短接，此时5a、5b、5c其中至少有一端正弦交流电压信号突变成高电位，随后逐渐减弱直至低电压。此时相信号监测单元10判定该信号为异常信号，微处理器11在很短的时间内将磁场回路开关管12关闭。

故障情况二：发电机在正常运行过程中突然发生整流桥6的至少一个负整流二极管短路故障，或是发电机的相输出栓突然对B-端短接，此时5a、5b、5c其中至少有一端正弦交流电压信号突变成B-端的电压，此端电压持续为低电压信号，此时相信号监测单元10判定该信号为异常信号，微处理器11在很短的时间内将磁场回路开关管12关闭。

实施方式三：

图7所揭示的本发明的第三种具体实施方式中，本发明提供的交流发电机包括：定子绕组5、整流桥6、产生旋转磁场的转子8和电压控制装置9，电压控制装置9中包含一个相信号监测单元10，三根导线7a、7b、7c一端分别连接定子三个相端5a、5b、5c，另一端连接电压控制装置相信号监测单元10，相信号监测单元10和磁场回路开关管12共同与微处理器11电连接，蓄电池16与发电机B+端相连，17为车用电气负载，21a、21b、21c为激磁二极管，这三个激磁二极管的正极与定子绕组5的三个相端5c、5a、5b相连，负极连接在一起形成D+激磁端，发电机完成它励磁阶段后，通过这三个激磁二极管21a、21b、21c产生的电流来维持发电机的正常供电。

故障情况：发电机在正常运行过程中突然发生至少一个正激磁二极管短路故障，或是发电机的相输出栓突然对B+端短接，此时5a、5b、5c其中至少有一端正弦交流电压信号突变成B+端的电池电压，此端电压持续为电瓶电压，此时相信号监测单元10判定该信号为异常信号，微处理器11在很短的时间内将磁场回路开关管12关闭。

从上述本发明提供的不同实施方式中可以看出，应用本发明提供发电机及其电压控制装置，可在发电机至少一整流二极管或激磁二极管出现击穿短接的故障，或是发电机供用户使用的相端误接到发电机的B+端或B-端或D+端时，都能快速的关闭磁场回路开关管12，避免发电机的定子绕组5经长时间高温而损坏，提高了发电机的可靠性。

上述各实施例中，定子绕组的接法包括三角形连接和星形连接。但是，本发明的用于机动车的发电机的相端不限于三个，三个以上的定子相端同样可以依据此种方法设置电压控制装置，以实现当相信号监测单元监测出至少一个相信号出现异常时，微处理器在很短的时间内关闭磁场回路开关管，进而使发电机不发电，保护发电机不受损害。

本发明的整流桥可包括正整流管和负整流管，定子绕组的相端连接在正整流管和负整流管之间。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种用于机动车的交流发电机，包括提供旋转磁场的转子、产生交流电的定子绕组、将交流电整流成直流电的整流桥、电压控制装置以及蓄电池，其特征在于，所述电压控制装置包括：

相信号监测单元，与所述定子绕组的各相端分别电连接；

微处理器，与所述相信号监测单元电连接；以及

磁场回路开关管，与所述转子和所述微处理器电连接；

其中，所述相信号监测单元监测所述定子绕组的各相端电信号，当至少一个相信号出现异常相信号时，所述微处理器关闭所述磁场回路开关管，所述交流发电机停止发电。

2.根据权利要求1所述的用于机动车的交流发电机，其特征在于，所述相信号监测单元监测所述定子绕组的各相端的频率信号或电压信号。

3.根据权利要求1所述的用于机动车的交流发电机，其特征在于，所述磁场回路开关管为MOS管或达林顿管。

4.根据权利要求1所述的用于机动车的交流发电机，其特征在于，所述异常相信号包括周期发生变化的相信号或振幅发生变化的相信号。

5.根据权利要求1至4任一项所述的用于机动车的交流发电机，其特征在于，所述定子绕组的接法包括三角形连接和星形连接。

6.根据权利要求1所述的用于机动车的交流发电机，其特征在于，还包括电容盒和负载控制开关，所述电容盒和所述负载控制开关连接在与所述蓄电池和所述发电机的B+输出端之间。

7.根据权利要求1所述的用于机动车的交流发电机，其特征在于，还包括激磁二极管，所述激磁二极管的正极与所述定子绕组的相端电连接，所述激磁二极管的负极形成激磁端。

8.根据权利要求7所述的用于机动车的交流发电机，其特征在于，所述激磁二极管的数量与所述定子绕组的相端数量相对应，且所述激磁二极管与所述定子绕组的相端一一对应连接。

9.根据权利要求1所述的用于机动车的交流发电机，其特征在于，所述整流桥包括正整流管和负整流管，所述定子绕组的相端连接在所述正整流管和所述负整流管之间。

10.一种用于机动车的交流发电机的自我保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10：使用一相信号监测单元监测定子绕组的各相端电信号；

S20：当监测出至少一个相信号出现异常时，微处理器关闭磁场回路开关管，交流发电机停止发电。

11.根据权利要求10所述的用于机动车的交流发电机的自我保护方法，其特征在于，相信号监测单元监测的是定子绕组的各相端的频率信号或电压信号。

12.根据权利要求10所述的用于机动车的交流发电机的自我保护方法，其特征在于，定子绕组的接法是三角形连接或星形连接。

13.根据权利要求10所述的用于机动车的交流发电机的自我保护方法，其特征在于，所述步骤S20还包括：

当各相端输入的信号同时均为振幅不变的周期波动信号时为正常信号；

当各相端输入的信号至少一个相端出现上述正常信号以外的信号时，判断为异常信号。