[摘要] 该文通过对现今国内外汽车交流发电机实际应用的调查和分析，对汽车交流发电机在设计过程中，影响可靠性的常见问题进行归纳与分类，并从使用的角度，分别对其各部件（定子、转子、轴承、风扇、调节器、整流器等）进行分析与总结，有针对性地提出对常见问题的解决办法和措施，以使汽车交流发电机的机械强度、热负荷、电磁兼容性、噪音、密封防护等满足更优化的功能要求。
[关键词] 汽车 交流发电机 可靠性 改进
0 引言
随着国内汽车工业的发展和汽车市场的日益成熟，尤其是加入WTO后，国外先进标准、产品的示范效应和国内同行业产品的竞争压力，使国内汽车工业包括汽车电气行业也发生了深刻的变化，产品更新速度加快、产品功能和外观更加多样化和人性化、产品可靠性要求显著提高。本文就汽车交流发电机的设计，结合在生产上的实践应用，对如何提高其可靠性进行探讨。
1 汽车发电机的结构与功能
汽车交流发电机的结构主要由定子、转子、轴承、风扇、调节器、整流器等组成[1]，这些部件必须满足机械强度、热负荷、电磁兼容性、噪音、密封防护等方面的功能要求。
因此，从失效后带来的后果来讲，定子、转子，轴承、调节器、整流器等任何一个零部件的早期失效（这些失效形式往往和机械强度、热负荷、密封防护等有关），都会带来电机整个功能的丧失，它们的危害程度是第一位的。而风扇、绝缘件、皮带轮等零部件失效（它们往往也和机械强度有关），虽不会造成电机整个功能的丧失，但会给用户造成不必要的麻烦，它们重要性是第二位的。而涉及到电磁兼容性、噪音等功能问题，只会给用户造成不适，因此应属于第三位[2]。提高电机的可靠性必须从这些方面入手，有针对性地进行设计完善，做到既保证功能又满足可靠性要求。
2 汽车发电机各机构部件的可靠性探讨与改进
2.1 汽车发电机定子的可靠性探讨与改进
影响定子可靠性的因素主要有：定子的通风散热能力、机械连接强度以及其热负荷，漆包线、槽绝缘、浸漆的热级[3]。对于内风扇电机，由于大部分热量均需从绕组端部散出，绕组端部需保证一定长度（一般为22～25mm) [4]，端部长度过短会因散热不畅引起电机温升过高，过长则同样会因铜耗过多引起电机温升过高。而对于外风扇电机，因其定子散热主要通过铁心进行，则没有必要增加绕组端部长度。不过调整绕组端部长度只是一种辅助的方法，较有效的方法是在定子外径一定的前提下，配对加大爪极及铁芯长度，从而减少绕组匝数，增加绕组线径，降低定子的线负荷，从而内部降低定子温升。此外，在机械连接方面，可采用止口压紧或螺栓定位的方式来防止定子在受热状态下，因和端盖热膨胀系数不同而产生的松动、打转现象。
2.2 汽车发电机转子的可靠性探讨与改进
影响转子的可靠性因素主要有机械强度、电磁或气动噪音、激磁绕组的电流密度以及各组成部件的绝缘性能等[5]。内风扇发电机和外风扇发电机由于结构不同，对电机可靠性的影响也有所不同。对于外风扇发电机，影响其可靠性的因素主要为爪极强度、热处理状态以及其与轴的配合状况，只要在上述方面得到保证，一般不会产生严重影响可靠性的问题。而对于内风扇电机来说，除了需对以上问题考虑外，还必须对爪极的气动和电磁噪音、激磁线圈的防转措施、滑环的可靠性进行综合控制。
常见问题与改进措施：爪极的气动噪音可以用常用的12极电机为例进行分析，由于爪极电机定子均采用每极3槽的方法进行设计，每个爪极便对应定子的36个槽，此36槽经嵌线后便在绕组端部两边各形成36个不规则孔洞，此36个孔洞刚好在位置上对应着爪极的爪根部。对于12极电机来说，每个磁极有6个极爪和6个间隔，刚好类似于一个有6个均布叶片的风扇，当爪极高速旋转时，爪极根部形成的气流就穿过绕组端部的孔洞，引起电机的啸叫，形成噪音[5]。因此需在端面增加挡风板以阻断风路(如图1左所示），或者在爪极根部增加倒角（如图1右示），以降低其风扇效应。而爪极的电磁噪音是由于电机的电枢反应引起的，这除了保证电机的气隙以外（一般0.35mm以上），还需对爪极侧面倒角,以增大电枢反应路径长度，削弱电枢反应强度，最后便形成菱形爪极（图1右所示）。对于激磁线圈来说，由于电机高速旋转带来的惯性力，激磁线圈会相对于导磁轭发生转动，从而拉断激磁线引起电机故障。激磁线圈的转动可分为两种，即激磁线圈架的转动、激磁绕组的转动，激磁线圈架的转动可以通过在激磁线圈架上增加卡于爪极底部的止动凸起来限制，但激磁绕组的转动必须通过在爪极增加浸漆导向槽和在线圈加上增加浸漆导向孔来限制，在加热状态下，漆流通过此导向孔使激磁绕组整体得到浸泽，最后和激磁线圈架形成一个整体，从而使绕组不能发生相对滑动而拽断引线。对于滑环来说，先采用酚醛压塑料制作成整体形式，再将其压于转轴上后进行接线是一种可靠的方式，它可以避免塑压过程形成的短路故障，增加电机的可靠性。
图1 发电机转子
2.3 汽车发电机轴承的可靠性探讨与改进
轴承作为电机上的必不可缺部件，其失效形式也必须引起重视，尤其是其固定方式值得探讨。一般电机上由于结构设计需要，位于整流器端的轴承轴相必须处于自由状态。在高温状态下，由于轴承（钢件）和端盖（铝件）线膨胀系数的差异，常温下配合良好的轴承外圈和端盖会处在间隙配合状态，轴承高速旋转的摩擦力会带动轴承外圈发生旋转，长期工作后就会磨损轴承室，最终引起电机失效。
解决该问题，就需要采用措施将轴承外圈固定，避免其在高温状态下旋转。最简单的方法是调整轴承室公差带及公差等级，如某电机轴承室采用K6级公差后，使轴承处于轻过盈状态，轴承室磨损问题即被解决。该方法的缺点是加工公差要求过高。另一种方法是轴承室和轴承采用过渡配合，但轴承室内开有圆环槽，圆环槽内嵌有长圆形截面O型橡胶密封圈，该密封圈和轴承形成过盈配合，增加轴承旋转阻力，阻碍轴承打转。此种方法增加了工序但降低了加工精度。第三种方法是塑料轴承衬套，其内圈和轴承外圈采用过盈配合，其外圈和轴承室采用间隙配合。其原理是利用塑料的塑性在轴承外圈形成以紧固环，在光滑的轴承外圈上增加了限位装置，利用轴承衬套和轴承室的轴向径向限位配合或者将轴承衬套滚铆于端盖上防转。第四种方法是采用聚四氟乙烯轴承衬套防磨，其固定方式和第三种方法相似，但其内圈和轴承外圈采用间隙配合，其原理是利用聚四氟乙烯的自润滑性能形成的耐磨性来避免轴承的磨损。上述方法均通过了实际应用，防磨损效果均满足了电机的使用要求。
2.4 汽车发电机整流器的可靠性探讨与改进
整流器肩负着将电机交流电转化为直流电的作用，其可靠性直接影响着整机的可靠性。整流器是电机较易发生故障的部件，其故障原因均可归结为热设计不够，并且整流器的失效（如二极管的击穿）还可引发其它部件的失效（如定子烧毁），其设计必须从如下方面考虑：第一，单管余量必须足够大。根据二极管降额曲线，一般国产单管容量的选择必须为整机输出的60%～70%左右，才能保证在高温状态下二极管的可靠性。第二，散热片（板）必须有足够的体积和表面积，以利于增大整流器抗瞬时大电流冲击和散热。一般要在整流器极板上加尽可能多的散热筋。第三，一个可靠的整流器必须能够承受无通风状态下7～8分钟的电机输出电流而不发生损坏，图2为某整流器极板的一部分。整流器中金属连接件必须考虑其电流密度，一般钢结构件其电流密度不得高于5A/mm2,紫铜连接件电流密度不得高于9A/mm2,塑料连接件需采用聚苯硫醚，塑料支撑件须采用酚醛压塑料，以避免因连接部位过热而引起塑料件、焊锡熔化等影响可靠性的问题[6]。
图2 某整流器极板的部分
2.5 汽车发电机风扇的可靠性探讨与改进
风扇作为电机上的散热部件，影响整机可靠性的因素主要是：第一，风扇上扇叶和风扇本体的连接强度，这在内风扇电机上比较明显。内风扇电机为了降低整机的气动噪音而将风扇做于电机内部，风扇直径的减小虽然降低了噪声的声级，但也减小了风扇上扇叶和风扇本体连接处的宽度，当电机超速(20000r/min)旋转时，易发生扇叶折断现象，因此需在设计风扇时加以考虑。第二，风扇的通风效果问题。在外风扇电机中，由于绕组的冷却主要通过铁芯表面进行，因此在设计时，适当增加扇叶的数量、高度和宽度，
就可控制绕组和电机的温升。而内风扇电机，由于其对电机的噪音要求比较严格，就不能简单按外风扇进行设计。因为内风扇电机气动噪音不仅包括风扇本身产生的噪音，并且还附加了风扇气流冲击在绕组端部孔穴的噪声，这就要求内风扇电机风扇在设计时除了采用不等分结构外，还需降低扇叶轴向高度，增加扇叶数量，通过保证电机通风量而降低风扇风压，从而将啸叫噪声向人耳不敏感的高转速转移。
2.6 汽车发电机调节器的可靠性探讨与改进
调节器作为交流发电机的一个不可或缺部件，其对电机的可靠性影响主要表现在调节器失效，调节器电磁兼容性较差。国内受制造工艺水平影响，一般采用分立元件制造，过程控制环节的增多，自然会对整机的可靠性产生不利影响。多数电机采用了国外集成型调节器，一方面，由于国外较先进的工艺水平和过程控制能力；另一方面调节器采用JT0-3等封装形式和调节器自身的较低功耗而给其元器件提供了一个相对宽松的小环境，所以调节器的可靠性一般均较高，为提高整机的电磁兼容性，一般需在电机上装配1～2.2uF电容器，来抑制电机换相尖峰和外来干扰。
3 结语
本文通过文献查阅，运用比较与分析、实验与实践验证等方法，对现今国内外汽车交流发电机在设计过程中影响可靠性的常见问题进行分析与总结，有针对性地提出解决办法和措施，以满足机械强度、热负荷、电磁兼容性、噪音、密封防护等更优化的功能要求。但汽车交流发电机的可靠性设计是一个全面的过程，上述仅仅是一部分，还需要在实践中不断摸索、完善和提高。
参考文献:
[1] 秦明华.汽车电器与电子技术[M].北京:北京理工大学出版社,2003.
[2] 陈渝光.汽车电器与电子设备[M].北京:机械工业出版社,1999.
[3] 燕来荣.现代汽车电机的发展状况[J].电机技术,2009(5):41-42.
[4] 孙余凯,等.汽车电器维修入门[M].北京:人民邮电出版社,2003.
[5] 叶云岳.现代驱动技术综述[J].电机技术,2005,23(1):3-7.
[6] 王旭东.电力电子技术在汽车中的应用[M].北京:机械工业出版社,2010.
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