用于非道路發(fā)動機的發(fā)電機優(yōu)化設計

金釗，邢立，郭海波，隋鵬超

(內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

0 引言

發(fā)電機作為發(fā)動機的重要附屬零部件，起著為整車電器供電的重要作用[1-2]。非道路行業(yè)的車輛整車儀表一般都比較小，很難為發(fā)電機[3-5]的勵磁線路接一個充電指示燈，或者因為其它原因?qū)е聞畲啪€路接錯，這些都會造成發(fā)電機不發(fā)電。同時，非道路行業(yè)的整車工作環(huán)境復雜。例如：煤礦區(qū)粉塵工況嚴重，很容易造成發(fā)電機軸承和碳刷的損壞。含硫元素較高的環(huán)境會造成調(diào)節(jié)器內(nèi)部的銀與環(huán)境中的硫元素反應生成絕緣性的硫化銀，從而引起調(diào)節(jié)器斷路失效。收割小麥的機器長時間處于秸稈的包圍，發(fā)電機通風散熱不好，容易造成發(fā)電機燒壞。這些都對發(fā)電機的環(huán)境適應性提出了更高的要求。作為發(fā)動機重要附屬零部件之一的發(fā)電機，其可靠性必須根據(jù)環(huán)境因素進行有效評估。評估發(fā)現(xiàn)，目前市場上的非道路發(fā)動機用的基本型發(fā)電機很難適應這些復雜的環(huán)境。因此，對基本型發(fā)電機進行優(yōu)化改進，提高發(fā)電機的環(huán)境適用性，確保發(fā)電機可靠工作，提高客戶滿意度。

1 非道路發(fā)動機用發(fā)電機現(xiàn)狀

非道路發(fā)動機多采用外置風扇+粗孔護蓋發(fā)電機，如圖1所示；其與整車接線電路如圖2所示。B+端直接接在蓄電池正極，D+端先接充電指示燈(1.5～3 W)再接點火鑰匙，W端可接轉(zhuǎn)速表(也可以不接)，外殼接地。

圖1 外置風扇+粗孔護蓋發(fā)電機

圖2 發(fā)電機與整車接線電路

發(fā)電機的滑環(huán)室密封方式如圖3所示。滑環(huán)室由軸承和端蓋的內(nèi)腔共同構成一個半開放式空間，見圖3方框。

圖3 滑環(huán)室密封結構

調(diào)節(jié)器內(nèi)部元器件多采用陶瓷基板，導體為銀。

2 應用中存在的問題及其原因分析

2.1 發(fā)電機不發(fā)電

1)問題1：客戶反饋發(fā)電機不發(fā)電。經(jīng)排查發(fā)電機線路，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機只有B+端直接接在蓄電池正極，無其它接線。

交流發(fā)電機勵磁過程是先他勵后自勵。在發(fā)電機轉(zhuǎn)速較低時(發(fā)動機未達到怠速轉(zhuǎn)速)，自身不能發(fā)電，需要蓄電池供給發(fā)電機勵磁繞組電流，使勵磁繞組產(chǎn)生磁場，這樣發(fā)電機才可以發(fā)電。隨著轉(zhuǎn)速的提高(一般在發(fā)動機達到怠速時)，發(fā)電機定子繞組的電動勢逐漸升高并能使整流器二極管導通，當發(fā)電機的輸出電壓大于蓄電池電壓時，發(fā)電機就能對外供電。當發(fā)電機能對外供電時，就可以把自身發(fā)的電供給勵磁繞組。所以發(fā)電機的勵磁線路必須接線，否則會出現(xiàn)發(fā)電機不發(fā)電的情況。

2)問題2：客戶反饋發(fā)動機怠速時發(fā)電機不發(fā)電，需要發(fā)動機達到一定轉(zhuǎn)速后，發(fā)電機才可以發(fā)電。

大多數(shù)主機廠在配套儀表時，儀表中充電指示燈只采用發(fā)光二極管，并用通過發(fā)光二極管的電流作為發(fā)動機起動前的勵磁電流。發(fā)光二極管的工作電流一般小于10 mA，而發(fā)電機所需的最小勵磁電流為80 mA左右，所以這個發(fā)光二極管的工作電流無法滿足發(fā)動機怠速時發(fā)電機發(fā)電的需求；只有提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，才能提高勵磁電流，使發(fā)電機發(fā)電。如果充電指示燈用發(fā)光二極管時，必須配置相應輔助線路，保證發(fā)電機勵磁電流在60～150 mA，或者直接采用1.5～3 W的小燈泡。

2.2 發(fā)電機軸承和碳刷損壞

客戶反饋發(fā)電機存在異響，此類故障多發(fā)生在粉塵工況比較多的地區(qū)。對此類故障件按如下步驟進行分析：

1)第1步：對發(fā)電機故障件進行拆檢分析。拆檢分析發(fā)現(xiàn)碳刷卡滯，磨損很嚴重；軸承內(nèi)部有異物，同時有卡滯、損壞的情況，故障件見圖4。

2)第2步：從發(fā)電機設計角度進行分析。發(fā)電機滑環(huán)室由軸承和端蓋的內(nèi)腔共同構成一個半開放式空間(見圖3)。外置風扇發(fā)電機在風扇作用下，形成高低氣壓區(qū)來實現(xiàn)發(fā)電機的軸向風冷，風向從發(fā)電機尾端至皮帶輪端。在氣壓差下，粉塵、泥水通過半開放式結構的電機滑環(huán)室進入碳刷滑環(huán)摩擦副工作空間，加劇了電刷磨損；此外，粉塵、泥水進入軸承內(nèi)部會導致軸承潤滑脂異常損耗，潤滑不良，從而導致軸承卡滯、損壞，引起發(fā)電機異響。

綜上所述，半密封滑環(huán)室對發(fā)電機碳刷和軸承不能進行有效防護，從而導致軸承和碳刷的損壞。

2.3 發(fā)電機發(fā)電電壓高

客戶反饋發(fā)電機發(fā)電電壓高，損壞蓄電池。此類故障多發(fā)生在煤礦區(qū)等環(huán)境中含較高硫元素的地區(qū)。

初步檢查發(fā)現(xiàn)，外觀無損壞，軸承無問題。將發(fā)電機裝在性能試驗臺上進行性能復測，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機調(diào)節(jié)電壓較高，初步判斷為調(diào)節(jié)器失效。

對調(diào)節(jié)器進行詳細拆檢分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)器內(nèi)部斷路失效，故障件如圖5所示。

圖5 調(diào)節(jié)器故障

從調(diào)節(jié)器設計角度進行分析。此調(diào)節(jié)器內(nèi)部元器件的基板為陶瓷基板，導體為銀。在發(fā)電機處于高硫環(huán)境中使用，硫元素會透過膠密封滲入到發(fā)電機調(diào)節(jié)器內(nèi)部。調(diào)節(jié)器內(nèi)部芯片銀導體層與外界硫元素產(chǎn)生化學反應，生成絕緣屬性的硫化銀，造成調(diào)節(jié)器斷路失效。調(diào)節(jié)器失效之后，無法對發(fā)電機電壓起到調(diào)節(jié)作用，所以導致發(fā)電機的電壓偏高，造成蓄電池損壞。

2.4 發(fā)電機燒壞

客戶反饋發(fā)電機燒壞。此類故障多發(fā)生在收獲機上。

檢查故障件，可以看到秸稈等異物堆積在故障件后護罩，如圖6所示。

圖6 秸稈堆積在發(fā)電機后護罩

發(fā)電機的外置風扇風向從后護罩至皮帶輪。大量的秸稈等異物堆積在發(fā)電機后護罩，導致發(fā)電機散熱較差。當熱量累計到一定程度就會造成發(fā)電機燒壞，嚴重時可以引起明火，燒壞整車。

3 設計優(yōu)化、理論分析及試驗驗證

3.1 接線方式優(yōu)化

針對客戶接線錯誤問題，對發(fā)電機電路進行優(yōu)化，優(yōu)化后的電路圖見圖7。

圖7 自勵磁發(fā)電機電路原理

發(fā)電機只需要接B+端即可。當B+、D+外部線路不接指示燈時，B+、D+在發(fā)電機內(nèi)部是“W控制回路”和“LED回路”并聯(lián)的狀態(tài)。

起動鑰匙處于“ON”擋時，“W控制回路”沒有動作，只有“LED回路”打通，顯示LED燈亮；起動鑰匙處于“START”擋時，“W控制回路”會隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速的提升而動作，當W點的頻率到達一定值時，“W控制回路”開啟，電流由B+到D+到轉(zhuǎn)子到“穩(wěn)壓回路”接地形成勵磁回路，同時“LED回路”被短路，LED燈熄滅。

此電路優(yōu)化可以有效解決客戶接線錯誤問題，同時降低設計和接線工時成本。

3.2 滑環(huán)室密封結構優(yōu)化及試驗驗證

3.2.1 優(yōu)化

針對碳刷、軸承損壞，對發(fā)電機滑環(huán)室密封進行改進優(yōu)化，優(yōu)化后的滑環(huán)室密封結構如圖8所示。發(fā)電機的滑環(huán)室由軸承和端蓋的內(nèi)腔共同構成一個半開放式空間，再通過密封套和碳刷的刷盒對滑環(huán)室進行全密封。這樣，粉塵、泥水等就無法進入滑環(huán)室內(nèi)部。

圖8 滑環(huán)室全密封結構

3.2.2 對比試驗

對半密封式滑環(huán)室和全密封式滑環(huán)室抵抗風沙的能力進行對比試驗。

試驗方法：沙塵環(huán)境下進行240 h耐久試驗，試驗參考標準為GB/T 4942.1-2006《旋轉(zhuǎn)電機整體結構的防護等級(IP代碼)分級》。發(fā)動機轉(zhuǎn)速為 3 000 r/min，電流為10 A；砂塵材料為滑石粉，顆粒大小為能通過400 目的篩，粉塵用量是1.4 kg/m3。

試驗結果見表1～2。全密封滑環(huán)室的碳刷磨損量是半密封式滑環(huán)室的1/3，可以有效解決粉塵工況下碳刷和軸承的磨損及卡滯問題。

表1 滑環(huán)室半密封發(fā)電機碳刷磨損試驗

表2 滑環(huán)室半密封發(fā)電機碳刷磨損試驗

3.3 調(diào)節(jié)器優(yōu)化及試驗驗證

3.3.1 優(yōu)化

針對調(diào)節(jié)器失效導致發(fā)電機電壓偏高，蓄電池損壞，對調(diào)節(jié)器進行改進優(yōu)化。將調(diào)節(jié)器內(nèi)部元器件由陶瓷基板改為鋁基板，銀導體改為銅導體。調(diào)節(jié)器內(nèi)部無銀材料，調(diào)節(jié)器內(nèi)部芯片的內(nèi)部元器件就不會與外界硫元素產(chǎn)生化學反應，生成絕緣屬性的硫化銀，造成調(diào)節(jié)器斷路失效。

3.3.2 試驗驗證

試驗對比：將陶瓷基板(導體為銀)的調(diào)節(jié)器和鋁基板(導體為銅)的調(diào)節(jié)器浸泡在盛有硫磺的容器中，加溫至125 ℃進行試驗。

試驗結果顯示，陶瓷基板(導體為銀)的調(diào)節(jié)器約96 h時出現(xiàn)硫化現(xiàn)象而損壞，如圖9所示；鋁基板(導體為銅)的調(diào)節(jié)器500 h后仍完好無損，各焊點正常，如圖10所示。優(yōu)化后的調(diào)節(jié)器可以在煤礦等含硫元素較高的環(huán)境下工作，無硫化現(xiàn)象。

圖9 陶瓷基板(導體為銀)調(diào)節(jié)器

圖10 鋁基板(導體為銅)調(diào)節(jié)器

3.4 收獲機械發(fā)動機用的發(fā)電機優(yōu)化

針對收獲機因秸稈覆蓋到發(fā)電機后護罩導致發(fā)電機散熱不良造成的發(fā)電機燒壞，對發(fā)電機進行優(yōu)化。發(fā)電機外殼后端切除3部分，增加3塊相應的側(cè)面護網(wǎng)，后端粗孔護蓋改為細孔護蓋，不改變發(fā)電機現(xiàn)有尺寸邊界。優(yōu)化后的發(fā)電機外觀及解決散熱不良的原理如圖11所示。發(fā)電機后端護蓋改為細孔后，秸稈等異物不易進入發(fā)電機內(nèi)部。發(fā)電機散熱的風向從尾端至皮帶輪，發(fā)動機的風扇為吸風風扇，表現(xiàn)在發(fā)電機上就是冷卻風扇氣流(見圖11)，即風向從發(fā)電機皮帶輪至尾端，此冷卻風扇氣流可以將靠近發(fā)電機外殼側(cè)面護網(wǎng)的秸稈等異物吹走，使發(fā)電機散熱更好，解決了收獲機行業(yè)因秸稈覆蓋到發(fā)電機后護罩導致發(fā)電機散熱不良而造成的發(fā)電機燒壞問題。

圖11 發(fā)電機外觀及散熱原理

4 結論

為提高客戶滿意度，提升非道路發(fā)動機用發(fā)電機的產(chǎn)品質(zhì)量，建議根據(jù)發(fā)動機使用的環(huán)境工況選擇合適的發(fā)電機，可以全部采用只需要接B+端的發(fā)電機，粉塵工況嚴重的地區(qū)可以采用滑環(huán)室全密封的發(fā)電機，煤礦區(qū)等含硫元素較高的環(huán)境可以采用抗硫化版(類似于鋁基板+銅導體路線)調(diào)節(jié)器的發(fā)電機，收獲機行業(yè)可以采用側(cè)面開孔的發(fā)電機。若上述環(huán)境有重疊的情況，可以將上述優(yōu)化方案根據(jù)實際使用環(huán)境結合在一起，使發(fā)電機更加適應非道路發(fā)動機使用環(huán)境，提升客戶滿意度。