整車耐久試驗發電機燒蝕失效機制分析

袁涌, 葉欣，張星，范韜

(泛亞汽車技術中心有限公司試驗認證部,上海 200120)

0 引言

汽車發電機作為汽車電源系統的主要供電裝置，為汽車點火系統、電控系統、照明系統等各大系統供電，尤其是智能啟停汽車技術、新能源汽車技術、電動汽車技術的發展對發電機的依賴越來越明顯[1]。發電機在售后市場上主要的失效形式是發電機輸出電壓不穩、發電機損壞不發電以及發電機軸承磨損異響等[2-3]。而在整車耐久腐蝕試驗中，某款發電機卻常發生燒蝕失效，失效形式與售后表現不符。作者探究了該款發電機在整車耐久腐蝕試驗中的失效機制，并給予試驗驗證，最后針對失效模式與試驗方法，給出了改進發電機結構和試驗方法的建議。

1 發電機燒蝕失效現象

以某款發電機為例，一般交流發電機是由轉子、定子、整流器、風扇葉輪等組成[3]，如圖1所示。在整車耐久試驗中，如果不帶腐蝕，發電機不會發生燒蝕失效；而如果帶腐蝕試驗(腐蝕試驗主要包括鹽水侵入、鹽霧噴灑、高溫高濕環境艙等)，則發電機會頻繁失效。

發電機的主要失效形式有兩種：一種是定子與轉子卡死，另一種是發電機內部線圈絕緣層融化且燒蝕。對于第一種失效形式，主要出現在試驗車輛經過腐蝕之后，由于其他原因長時間未啟動，定轉子線圈腐蝕膨脹導致。這種失效模式出現比較少。而絕大多數的失效模式是第二種，駕駛員在行車過程中突然發現蓄電池故障燈會點亮，在車內會聞到焦糊味，發電機不發電，拆解下來的燒蝕失效的發電機見圖2。

圖1 某款發電機的結構圖

圖2 發電機燒蝕

發電機在耐久試驗中的失效里程分布如圖3所示，它顯示了某款發電機在不同車型上的失效里程情況。可知：失效里程主要集中在1 000～25 000 km的試驗里程，但也存在早期失效(1 000 km以下)或者長期失效(25 000 km以上)。而在1 000～25 000 km中的分布情況也相對均勻，這表明了發電機失效里程的一定的隨機性。

圖3 發電機失效里程分布

2 根本原因分析

從上面的分析來看，發電機的失效可能并非受到單一因素影響。為了找出發電機失效的主要原因，圖4分析了可能導致發電機失效的現象和潛在失效原因。

圖4 發電機失效根本原因分析

發電機第一種失效的原因非常清楚，腐蝕車輛長期停放導致定、轉子線圈腐蝕膨脹，進而定、轉子咬死。而絕大多數失效是定子線圈絕緣層融化且燒蝕。發電機正常工作溫度在200 ℃以內，超過200 ℃以上線圈絕緣層迅速融化，所以異常高溫是導致該類失效的直接因素。而高溫產生的可能性有兩種:(1)鹽顆粒進入定、轉子線圈而磨損表面涂層產生高溫；(2)發電機先短路，然后產生了短路高溫。為了驗證整車試驗中的發電機升溫情況以及判斷異常高溫來源，下面設計了2種試驗來證實與判斷。

2.1 整車耐久腐蝕發電機溫升試驗

為了跟蹤全過程耐久試驗的發電機溫度，將熱電偶埋于發電機內部，將溫度信號與CAN總線信號通過4G技術遠程傳輸到后臺，實現全過程發電機溫度跟蹤。試驗策略如圖5所示。

裝載相同發電機的兩輛某相同車型，同時開始試驗，裝發電機1的車輛執行耐久腐蝕試驗(主要工況為壞路、高速、腐蝕試驗、坡道等)，裝發電機2的車輛執行不帶腐蝕的整車耐久試驗。兩輛車的工況完全相同，通過熱電偶記錄發電機各個工況下的溫度，利用遠程傳輸技術將車輛的工況數據予以記錄，試驗直至任一發電機損壞為止。試驗結果如表1所示。

圖5 發電機溫升試驗對比方法

發電機型號試驗規范試驗里程試驗時間是否失效鹽濺路次數發電機1整車耐久腐蝕試驗5600km14天是42次發電機2整車耐久試驗5600km14天否NA

兩個發電機經過14天的試驗，發電機1燒蝕，發電機2正常工作。圖6對比了兩個試驗的發電機全過程的試驗溫度分布：發電機2的溫度分布整體穩定，趨近正態分布，主要分布在60～120 ℃之間，屬于正常工作溫度；發電機1的溫度整體趨向相對較高的偏態分布，主要分布在60～160 ℃之間，并在失效的時刻達到了300 ℃，最終導致發電機燒蝕。

圖6 發電機整車溫升試驗溫度對比

而結合車輛工況和發電機的溫度數據來看，當車輛進入低速工況的時候，發電機的溫度顯著升高，而在車輛以中高速行駛的過程中，發電機的溫度在下降。圖7顯示了兩個發電機在低速工況下的日均溫升情況。從結果來看，發電機1和發電機2在試驗初期低速工況下溫升處于相對穩定且是同一個水平。但是隨試驗時間的增加，尤其是第12天之后，發電機1的溫度在低速工況下顯著升高。

圖7 整車低速工況下發電機的溫升情況

對比兩種試驗工況可知：不帶腐蝕的耐久試驗，發電機可以跑完整個試驗而不發生失效，所以腐蝕工況是發電機是否失效的前提條件；而腐蝕試驗中，發電機臺架試驗也同樣有鹽霧噴灑試驗，并且發電機能夠通過臺架試驗；但是車輛快速通過鹽濺路所濺起的大量鹽水會侵入發電機內部而積累大量鹽顆粒。所以可以判斷為鹽水入侵產生高溫，從而導致發電機失效。為了進一步判斷鹽水侵入和產生高溫之間的關系，需要進一步用臺架試驗加以驗證。

2.2 發電機鹽水侵入臺架試驗

為了探索發電機失效的原因是發電機短路導致的高溫失效，還是發電機內部鹽顆粒摩擦產生高溫致使絕緣層融化線圈短路導致的失效，需要設計試驗臺架，并布置熱電偶和電壓檢測裝置。臺架試驗的核心是判斷高溫和短路哪一個現象先于對方發生。

如圖8所示：電動機1通過皮帶2帶動發電機4轉動，用于模擬發電機通過皮帶被發動機帶動；水泵5將鹽水槽6的鹽水泵出，通過鹽水噴頭3噴鹽水給發電機4；發電機4產生的電流被負載8所消耗。發電機置于環境艙7中，用于模擬整車發動機艙的溫度。發電機鹽水侵入臺架試驗現場如圖9所示。試驗條件見表2。

臺架試驗條件的參數設置原則是模擬整車保持低速行駛，然后每隔固定間隔時間通過鹽濺路工況。加載上述試驗條件之后，發電機溫度變化過程如圖10所示，正常溫度基本穩定在104 ℃左右，當鹽水噴灑上發電機(圖中t=2.5 h附近)，發電機溫度迅速降低至60 ℃左右，然后緩慢升至原溫度。

圖8 發電機鹽水侵入臺架試驗原理圖

圖9 發電機鹽水侵入臺架試驗

臺架試驗關鍵參數設定值電動機轉速/(r·min-1)2000負載電流/A70環境艙溫度/℃70鹽水噴灑頻率/(次·天-1)3鹽水噴灑間隔時間/h2.5噴灑鹽水持續時間/s2

圖10 發電機臺架試驗溫度變化

在上述過程中，發電機溫度按照圖10不斷重復，所測的電壓信號始終正常。經過14天的試驗，發電機燒蝕，發電機失效時刻的發電機溫度和電壓信號對比如圖11所示。

圖11 發電機失效時刻溫度和電壓信號對比

由圖11可以看出：在試驗時間t=114.52 h左右(途中虛線處)，交流電壓信號開始波動，此時表明發電機已經開始間歇性短路，而此時對應的發電機溫度則為90 ℃，沒有達到發電機內部線圈絕緣層融化的溫度，并且從溫度的變化斜率來看，發電機開始短路的時刻前后發電機溫升的斜率有著明顯的不同，這表明發電機鹽水入侵失效，最根本的失效原因是發電機內部短路，而高溫是發電機短路產生的附屬現象。

2.3 整車試驗與臺架試驗發電機拆解對比

發電機在整車耐久腐蝕試驗和臺架鹽水入侵試驗下，同樣經歷14天的試驗時間，發電機都產生了失效，通過兩種試驗，明確了發電機內部短路是發電機失效的根本原因。為了進一步明確何種內部結構發生了短路，以及驗證兩種試驗的發電機是同一種失效模式，需要對兩種試驗下失效的發電機進行拆解，拆解實圖如圖12所示。

圖12 失效發電機拆解對比

從拆解圖中看出：兩個失效的發電機同樣都是整流橋的正極位置產生了燒蝕或者銅綠，整流橋的電路已經短路，而正極表面與發電機殼體負極的間隙不足2 mm，表面和附近都積攢了大量鹽顆粒，說明此處正是發電機短路的位置。發電機在高溫下被鹽水入侵，鹽水在高溫下迅速蒸發，而鹽顆粒不斷積累在發電機整流橋的較小間隙處。當鹽顆粒不斷填滿間隙或者鹽水入侵的瞬間，在整流橋正極和發電機殼體負極處產生了短路，短路產生了高溫，高溫進一步融化內部線圈絕緣層，加劇了發電機失效的速度。

3 發電機短路失效解決措施建議

從根本原因分析來看，該發電機有此類短路失效，直接原因是鹽水入侵，根本原因是發電機整流橋與殼體的間隙太小，容易累積鹽粒。解決方式可以在兩者之間增加絕緣涂層或者絕緣結構[4]，如圖13所示。

圖13 發電機加涂層整流橋

考核發電機的試驗方式應該側重發電機的防鹽水短路特性。目前臺架試驗只有鹽霧噴灑試驗或者清水入侵實驗，沒有環境溫度的影響，也沒有鹽水的侵入，都無法復現整車耐久腐蝕試驗中的腐蝕短路問題。

為了在開發過程中早期發現問題，應該改進發電機臺架試驗的方式，除了發電機現有的性能試驗，還需要增加高溫、高濕和高鹽的試驗考核方式，用于覆蓋中國最嚴苛的用戶使用環境。發電機臺架試驗需要增加如圖14所示的試驗認證方式。

圖14 發電機腐蝕試驗認證方式

發電機應該通過鹽水侵入臺架試驗、整車耐久腐蝕試驗以及海南夏季試驗的考核。而整車耐久腐蝕試驗中的濕度、溫度與鹽度應該覆蓋實際的嚴苛的客戶使用；鹽水入侵臺架試驗條件應該由整車對發電機的工況輸入；最后，根據各項試驗的結果對發電機進行結構優化。

4 結論

(1)總結了某款發電機在整車耐久腐蝕試驗中的失效現象，發現發電機出現了過早燒蝕失效，且與試驗里程關系不大。

(2)對比了不帶腐蝕和帶腐蝕的整車耐久試驗的發電機溫升情況，結果表明：在腐蝕的輸入下，發電機失效前溫度明顯升高。

(3)按照整車試驗輸入，設計了鹽水侵入臺架試驗，同時檢測發電機電壓和溫升信號，結果表明：發電機短路在前，顯

著溫升在后，是短路引起了高溫。

(4)拆解了整車耐久腐蝕試驗和鹽水侵入臺架試驗的失效發電機，結果發現：兩者的失效模式都是整流橋短路且燒蝕。

(5)最后，給出了發電機優化方法，并驗證了該優化方法的可靠性。給出了發電機應該增加的考核體系建議。

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