整车耐久试验发电机烧蚀失效机制分析

袁涌, 叶欣，张星，范韬

(泛亚汽车技术中心有限公司试验认证部,上海 200120)

0 引言

汽车发电机作为汽车电源系统的主要供电装置，为汽车点火系统、电控系统、照明系统等各大系统供电，尤其是智能启停汽车技术、新能源汽车技术、电动汽车技术的发展对发电机的依赖越来越明显[1]。发电机在售后市场上主要的失效形式是发电机输出电压不稳、发电机损坏不发电以及发电机轴承磨损异响等[2-3]。而在整车耐久腐蚀试验中，某款发电机却常发生烧蚀失效，失效形式与售后表现不符。作者探究了该款发电机在整车耐久腐蚀试验中的失效机制，并给予试验验证，最后针对失效模式与试验方法，给出了改进发电机结构和试验方法的建议。

1 发电机烧蚀失效现象

以某款发电机为例，一般交流发电机是由转子、定子、整流器、风扇叶轮等组成[3]，如图1所示。在整车耐久试验中，如果不带腐蚀，发电机不会发生烧蚀失效；而如果带腐蚀试验(腐蚀试验主要包括盐水侵入、盐雾喷洒、高温高湿环境舱等)，则发电机会频繁失效。

发电机的主要失效形式有两种：一种是定子与转子卡死，另一种是发电机内部线圈绝缘层融化且烧蚀。对于第一种失效形式，主要出现在试验车辆经过腐蚀之后，由于其他原因长时间未启动，定转子线圈腐蚀膨胀导致。这种失效模式出现比较少。而绝大多数的失效模式是第二种，驾驶员在行车过程中突然发现蓄电池故障灯会点亮，在车内会闻到焦糊味，发电机不发电，拆解下来的烧蚀失效的发电机见图2。

图1 某款发电机的结构图

图2 发电机烧蚀

发电机在耐久试验中的失效里程分布如图3所示，它显示了某款发电机在不同车型上的失效里程情况。可知：失效里程主要集中在1 000～25 000 km的试验里程，但也存在早期失效(1 000 km以下)或者长期失效(25 000 km以上)。而在1 000～25 000 km中的分布情况也相对均匀，这表明了发电机失效里程的一定的随机性。

图3 发电机失效里程分布

2 根本原因分析

从上面的分析来看，发电机的失效可能并非受到单一因素影响。为了找出发电机失效的主要原因，图4分析了可能导致发电机失效的现象和潜在失效原因。

图4 发电机失效根本原因分析

发电机第一种失效的原因非常清楚，腐蚀车辆长期停放导致定、转子线圈腐蚀膨胀，进而定、转子咬死。而绝大多数失效是定子线圈绝缘层融化且烧蚀。发电机正常工作温度在200 ℃以内，超过200 ℃以上线圈绝缘层迅速融化，所以异常高温是导致该类失效的直接因素。而高温产生的可能性有两种:(1)盐颗粒进入定、转子线圈而磨损表面涂层产生高温；(2)发电机先短路，然后产生了短路高温。为了验证整车试验中的发电机升温情况以及判断异常高温来源，下面设计了2种试验来证实与判断。

2.1 整车耐久腐蚀发电机温升试验

为了跟踪全过程耐久试验的发电机温度，将热电偶埋于发电机内部，将温度信号与CAN总线信号通过4G技术远程传输到后台，实现全过程发电机温度跟踪。试验策略如图5所示。

装载相同发电机的两辆某相同车型，同时开始试验，装发电机1的车辆执行耐久腐蚀试验(主要工况为坏路、高速、腐蚀试验、坡道等)，装发电机2的车辆执行不带腐蚀的整车耐久试验。两辆车的工况完全相同，通过热电偶记录发电机各个工况下的温度，利用远程传输技术将车辆的工况数据予以记录，试验直至任一发电机损坏为止。试验结果如表1所示。

图5 发电机温升试验对比方法

发电机型号试验规范试验里程试验时间是否失效盐溅路次数发电机1整车耐久腐蚀试验5600km14天是42次发电机2整车耐久试验5600km14天否NA

两个发电机经过14天的试验，发电机1烧蚀，发电机2正常工作。图6对比了两个试验的发电机全过程的试验温度分布：发电机2的温度分布整体稳定，趋近正态分布，主要分布在60～120 ℃之间，属于正常工作温度；发电机1的温度整体趋向相对较高的偏态分布，主要分布在60～160 ℃之间，并在失效的时刻达到了300 ℃，最终导致发电机烧蚀。

图6 发电机整车温升试验温度对比

而结合车辆工况和发电机的温度数据来看，当车辆进入低速工况的时候，发电机的温度显著升高，而在车辆以中高速行驶的过程中，发电机的温度在下降。图7显示了两个发电机在低速工况下的日均温升情况。从结果来看，发电机1和发电机2在试验初期低速工况下温升处于相对稳定且是同一个水平。但是随试验时间的增加，尤其是第12天之后，发电机1的温度在低速工况下显著升高。

图7 整车低速工况下发电机的温升情况

对比两种试验工况可知：不带腐蚀的耐久试验，发电机可以跑完整个试验而不发生失效，所以腐蚀工况是发电机是否失效的前提条件；而腐蚀试验中，发电机台架试验也同样有盐雾喷洒试验，并且发电机能够通过台架试验；但是车辆快速通过盐溅路所溅起的大量盐水会侵入发电机内部而积累大量盐颗粒。所以可以判断为盐水入侵产生高温，从而导致发电机失效。为了进一步判断盐水侵入和产生高温之间的关系，需要进一步用台架试验加以验证。

2.2 发电机盐水侵入台架试验

为了探索发电机失效的原因是发电机短路导致的高温失效，还是发电机内部盐颗粒摩擦产生高温致使绝缘层融化线圈短路导致的失效，需要设计试验台架，并布置热电偶和电压检测装置。台架试验的核心是判断高温和短路哪一个现象先于对方发生。

如图8所示：电动机1通过皮带2带动发电机4转动，用于模拟发电机通过皮带被发动机带动；水泵5将盐水槽6的盐水泵出，通过盐水喷头3喷盐水给发电机4；发电机4产生的电流被负载8所消耗。发电机置于环境舱7中，用于模拟整车发动机舱的温度。发电机盐水侵入台架试验现场如图9所示。试验条件见表2。

台架试验条件的参数设置原则是模拟整车保持低速行驶，然后每隔固定间隔时间通过盐溅路工况。加载上述试验条件之后，发电机温度变化过程如图10所示，正常温度基本稳定在104 ℃左右，当盐水喷洒上发电机(图中t=2.5 h附近)，发电机温度迅速降低至60 ℃左右，然后缓慢升至原温度。

图8 发电机盐水侵入台架试验原理图

图9 发电机盐水侵入台架试验

台架试验关键参数设定值电动机转速/(r·min-1)2000负载电流/A70环境舱温度/℃70盐水喷洒频率/(次·天-1)3盐水喷洒间隔时间/h2.5喷洒盐水持续时间/s2

图10 发电机台架试验温度变化

在上述过程中，发电机温度按照图10不断重复，所测的电压信号始终正常。经过14天的试验，发电机烧蚀，发电机失效时刻的发电机温度和电压信号对比如图11所示。

图11 发电机失效时刻温度和电压信号对比

由图11可以看出：在试验时间t=114.52 h左右(途中虚线处)，交流电压信号开始波动，此时表明发电机已经开始间歇性短路，而此时对应的发电机温度则为90 ℃，没有达到发电机内部线圈绝缘层融化的温度，并且从温度的变化斜率来看，发电机开始短路的时刻前后发电机温升的斜率有着明显的不同，这表明发电机盐水入侵失效，最根本的失效原因是发电机内部短路，而高温是发电机短路产生的附属现象。

2.3 整车试验与台架试验发电机拆解对比

发电机在整车耐久腐蚀试验和台架盐水入侵试验下，同样经历14天的试验时间，发电机都产生了失效，通过两种试验，明确了发电机内部短路是发电机失效的根本原因。为了进一步明确何种内部结构发生了短路，以及验证两种试验的发电机是同一种失效模式，需要对两种试验下失效的发电机进行拆解，拆解实图如图12所示。

图12 失效发电机拆解对比

从拆解图中看出：两个失效的发电机同样都是整流桥的正极位置产生了烧蚀或者铜绿，整流桥的电路已经短路，而正极表面与发电机壳体负极的间隙不足2 mm，表面和附近都积攒了大量盐颗粒，说明此处正是发电机短路的位置。发电机在高温下被盐水入侵，盐水在高温下迅速蒸发，而盐颗粒不断积累在发电机整流桥的较小间隙处。当盐颗粒不断填满间隙或者盐水入侵的瞬间，在整流桥正极和发电机壳体负极处产生了短路，短路产生了高温，高温进一步融化内部线圈绝缘层，加剧了发电机失效的速度。

3 发电机短路失效解决措施建议

从根本原因分析来看，该发电机有此类短路失效，直接原因是盐水入侵，根本原因是发电机整流桥与壳体的间隙太小，容易累积盐粒。解决方式可以在两者之间增加绝缘涂层或者绝缘结构[4]，如图13所示。

图13 发电机加涂层整流桥

考核发电机的试验方式应该侧重发电机的防盐水短路特性。目前台架试验只有盐雾喷洒试验或者清水入侵实验，没有环境温度的影响，也没有盐水的侵入，都无法复现整车耐久腐蚀试验中的腐蚀短路问题。

为了在开发过程中早期发现问题，应该改进发电机台架试验的方式，除了发电机现有的性能试验，还需要增加高温、高湿和高盐的试验考核方式，用于覆盖中国最严苛的用户使用环境。发电机台架试验需要增加如图14所示的试验认证方式。

图14 发电机腐蚀试验认证方式

发电机应该通过盐水侵入台架试验、整车耐久腐蚀试验以及海南夏季试验的考核。而整车耐久腐蚀试验中的湿度、温度与盐度应该覆盖实际的严苛的客户使用；盐水入侵台架试验条件应该由整车对发电机的工况输入；最后，根据各项试验的结果对发电机进行结构优化。

4 结论

(1)总结了某款发电机在整车耐久腐蚀试验中的失效现象，发现发电机出现了过早烧蚀失效，且与试验里程关系不大。

(2)对比了不带腐蚀和带腐蚀的整车耐久试验的发电机温升情况，结果表明：在腐蚀的输入下，发电机失效前温度明显升高。

(3)按照整车试验输入，设计了盐水侵入台架试验，同时检测发电机电压和温升信号，结果表明：发电机短路在前，显

著温升在后，是短路引起了高温。

(4)拆解了整车耐久腐蚀试验和盐水侵入台架试验的失效发电机，结果发现：两者的失效模式都是整流桥短路且烧蚀。

(5)最后，给出了发电机优化方法，并验证了该优化方法的可靠性。给出了发电机应该增加的考核体系建议。

参考文献:

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