本实用新型涉及一种在机动车辆上使用的交流发电机，还涉及一种配置在该交流发电机上的电压调节器。
背景技术：
机动车辆发动机输出扭矩的大小，与燃油燃烧具有直接关系，对于高原应用的发动机，因为高寒因素，机油和润滑油阻力矩增强，同时，伴随空气稀薄，都会造成初期发动机输出扭矩不充分，启动后，无法快速顺利进入怠速工作状态。个别情况下，从发动机启动成功到顺利进入怠速温度耗时近30秒，30秒内燃油燃烧不充分，导致发动机冒黑烟，同时，车辆无法立即运行，等都会造成客户抱怨。机动车交流发电机作为发动机拖动轮系中的一种负载，其所需旋转拖动扭矩的改善，在一定程度上，可以协助发动机顺利进入怠速状态。
对于现有交流发电机而言，如图1所示，通常包括：前端盖1，后端盖2，定子3，转子4，电压调节器5a，整流元件6，护罩7，皮带轮8。
如图2所示，从机械结构上看，电压调节器5a至少包含正极端子接口B+、相端输入端子P、负极端子接口B-、指示灯端子L、磁场正极F+以及磁场负极F-。
如图3所示，从电路结构上看，所述电压调节器5a通常至少包含自由启动模块和调压控制模块。根据所述交流发电机的实际应用，车辆接线线路会通过所述指示灯端子L为发电机转子提供初始励磁电流，该励磁电流根据实际车辆线路配置不同，电流大小不同。在实际车辆中，所述指示灯端子L还存在不接线的情况，此时外界不为发电机转子提供初始励磁电流。外部不提供励磁时，发电机启动将依据转子剩磁来实现。
发动机启动运转后，会拖动所述交流发电机运转，所述定子3中线圈会产生相信号，所述相信号提供给所述相端输入端子P。当所述相端输入端子P频率达到设定频率值时，所述自由启动模块驱动所示开关管Q2导通，正极端子接口B+提供励磁电流到所述发电机转子4。所述正极端子接口B+提供给所述转子4的励磁电流，大小为所述磁场正极F+电压除以所述转子4磁场绕组电阻。发电机磁场场强加强后，所述相端输入端子P电压上升、正极端子接口 B+电压上升。所述交流发电机通过图3中所示调压控制模块，参考正极端子接口B+电压，动态控制开关管Q1的导通和关闭，实现对所述F+电压进行调节，以控制所述转子4的场强，控制所述交流发电机对外输出电压B+稳定。
配置交流发电机车辆整车上电后，初始励磁电流流经所述转子4的磁场绕组、开关Q1，因为初始励磁电流非常小，此时L将处于低电位。车辆仪表采样判断后，车辆仪表盘充电指示灯点亮，指示此时交流发电机不发电状态。所述开关管Q2导通后，所述指示灯端子L电压为正极端子接口B+电位减去开关管Q2和正向二极管压降损耗，达到高电位，车辆仪表盘充电指示灯熄灭，以此指示所述交流发电机状态正常。
电压调节器5a作为发电机的电压稳压控制部件，会根据外界负载需求及车辆系统电压高低，实现对所述转子4流经电流的开关控制，保证所述交流发电机对外输出电压稳定。测试所述磁场正极F+，其电压以矩形方波占空比形式执行，如图4所示。车辆外界电流需要越大，所述交流发电机对外输出功率越大，同时所述调节器5a控制流经所述转子4的电流时间也越长，对应所述磁场正极F+矩形方波高电位时间占比越高。所述电压调节器5a完全开启时，即，所述磁场正极F+电压始终为高电位时，所述转子4磁场达到最强，此时所述交流发电机达到能够对外输出的最大值。所述交流发电机对外输出功率越大，需要外接输入的拖动扭矩也越大。
为了使在高寒、高原空气稀薄地区应用的发动机顺利启动进入怠速工况，作为拖动轮系中负载的交流发电机需要减少对发动机拖动扭矩的需求，目前常用技术手段是将发电机起始发电转速提高，以某发动机厂要求为例，要求发电机起始发电转速提升为1600RPM±180RPM。即，当且仅当P端信号达到对应发电机转速1600RPM±180RPM频率时，所述Q2开关开启，B+开始为所述转子4提供励磁电流，从而实现交流发电机对外供电输出。在P端信号未达到对应发电机转速1600RPM±180RPM频率时，所述开关管Q2关闭，所述转子磁场强度仅为车辆初始励磁电流所对应的磁场强度，以此来保证在发动机顺利进入怠速前发电机处于不发电状态。
对应所述交流发电机中所述电压调节器5a的相端输入端子P信号转速达到1600RPM±180RPM时，因为开关管Q2导通，指示灯端子L电位为B+电位减掉开关管Q2和正向二极管压降损耗，同步达到高电位，交流发电机开始具备对外输出能力。此技术方案可以解决高寒、高原地区发动机启动困难的问题，但，该技术方案在以下方面具有明显缺点，潜在配置问题和产品管控困难很高。
1)车辆使用中，常使用所述电压调节器5a的指示灯端子L作为监控所述交流发电机状态正常与否的信号端子。
2)实际应用中，所述交流发电机转速是发动机怠速转速与所述发动机主动轮至所述交流发电机中所述皮带轮8的传动比的乘积。
3)目前车辆配置，在发动机怠速工况下，对应交流发电机转速有大量低于1600RPM的工况。
结合以上，即，上述目前直接提升发电机起始发电转速到1600±180RPM 的技术解决方案，虽然能够在一定程度上解决发动机在高寒高原应用时启动困难的问题，但是，发动机在初始启动阶段，怠速偏高，发动机转速从零迅速升高至一个启动转速峰值，然后回落趋于稳定怠速。
基于此的第一种情况是，若将发电机起始发电转速设置在对应发动机启动转速峰值以上，则发电机在此整个过程中不发电，减少了对发动机的拖动扭矩，有利于发动机的顺利启动，但由于发动机转速从零至启动转速峰值再至稳定怠速，均低于对应的发电机起始发电转速，致使开关管Q2未开启，所述指示灯端子L仍处于低电位，车辆仪表盘充电指示灯仍点亮，会造成误报所述交流发电机故障的情况。
基于此的第二种情况是，若将发电机起始发电转速设置在对应发动机启动转速峰值以下，在发动机转速从零至启动转速峰值过程中，会触发开关管Q2开启，所述指示灯端子L处于高电位，车辆仪表盘充电指示灯熄灭，这是所希望的，但此时B+开始为所述转子4提供励磁电流，实现交流发电机对外供电输出，从而增加对发动机的拖动扭矩，如此，将不利于发动机顺利越过启动转速峰值至稳定怠速。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的以上不足，本实用新型一个方面的目的是提供一种电压调节器，作为同一种实用新型构思，本实用新型另一个方面的目的是提供一种配置该调节器的机动车交流发电机，使得配置该交流发电机的车辆，在优化改善发动机启动阶段拖动工况同时，还能避免发生充电指示灯误报警的状况。
为实现上述第一方面的目的，本实用新型的电压调节器，配置于机动车辆的交流发电机，包括：正极端子接口、负极端子接口、相端输入端子、指示灯端子、磁场正极和磁场负极；
所述磁场正极和所述磁场负极连接于所述发电机的转子磁场线圈的两端，所述指示灯端子与所述磁场正极连接；
所述磁场负极通过第一开关电路接地，所述第一开关电路中设置有开关管，所述正极端子接口与所述开关管的控制端之间设置有调压控制模块，所述调压控制模块以所述正极端子接口的电压作为参考点，对所述开关管进行开关控制，使所述发电机对外输出的电压稳定在设定调压值范围内；
所述正极端子接口通过第二开关电路与磁场正极连接，所述第二开关电路中设置有开关管，所述相端输入端子与开关管的控制端之间设置有自由启动模块，所述自由启动模块对所述相端输入端子的相信号进行判定，当所述相信号的频率达到设定转速值时使开关管导通；
所述电压调节器中设置有启动优化磁场钳制模块，所述相端输入端子与所述启动优化磁场钳制模块的一个输入端口连接，所述指示灯端子与所述启动优化磁场钳制模块的另一个输入端口连接，所述启动优化磁场钳制模块的输出端与所述开关管的控制端连接，所述启动优化磁场钳制模块根据相端输入端子的电压信号和所述指示灯端子的电位信号，对所述开关管进行占空比钳制，在钳制时长内使所述相端输入端子的电压处于设定的低于外界蓄电池电压的电压。
优选的，所述启动优化磁场钳制模块包括：钳制模块第一输入端口电路、钳制模块第二输入端口电路，钳制模块控制电路、第四开关电路、第五开关电路、计时器和电压转换器；
所述相端输入端子与所述钳制模块第一输入端口电路连接，所述钳制模块第一输入端口电路连接所述第四开关电路，所述第四开关电路包括开关管，所述钳制模块第一输入端口电路通过所述钳制模块控制电路接地，所述钳制模块控制电路与所述开关管的控制端连接；
所述指示灯端子与所述钳制模块第二输入端口电路连接，所述第二输入端口通过所述第五开关电路接地，所述第五开关电路包括开关管，所述开关管的控制端与所述开关管的输出端通过钳制模块稳压电路连接；
所述开关管的输入端顺序连接计时器和电压转换器，所述电压转换器为所述启动优化磁场钳制模块的输出端。
优选的，所述钳制模块稳压电路中设置有稳压二极管。
优选的，所述钳制时长为4秒～8秒。
优选的，所述相端输入端子设定的低于外界蓄电池电压的电压为12V。
为实现上述第二方面的目的，本实用新型的机动车交流发电机配置有上述电压调节器。
相对于现有技术，本实用新型的有益功效在于，通过启动优化磁场控制模块，在发动机启动阶段，强制将发电机对外发电能力进行有效控制，优化减小所需发动机拖动扭矩。同时，在发电机相端输入端子信号达到设定转速后，及时开启开关管(Q2)，指示灯端子电压抬升，使得车辆仪表识别高电位，及时将车辆充电指示灯熄灭，避免对交流发电机的状态误判断，特别适合在高寒、高原空气稀薄地区应用。
附图说明
图1为一种公知的机动车交流发电机的机械结构剖视图；
图2为图1中电压调节器的机械结构示意图；
图3为图1电压调节器的电路原理图；
图4为图3中磁场正极F+的电压波形图；
图5为本实用新型交流发电机实施例的机械结构剖视图；
图6为图5中电压调节器的机械结构示意图；
图7为图5中电压调节器的的电路原理图；
图8为图7中自由启动模块电路原理图；
图9为图7中启动优化磁场钳制模块的电路原理图；
图10为图7中调压控制模块的电路原理图；
其中，
1-前端盖，2-后端盖，3-定子，4-转子，5a-电压调节器，5b-电压调节器，6-整流元件，7-护罩，8-皮带轮，9-转子磁场绕组，10-运算放大器，11-钳制模块第一输入端口电路，12-钳制模块第二输入端口电路；13-调压控制模块输入端口电路；
P-相端输入端子，B+-正极端子接口，B--负极端子接口，L-指示灯端子， F+-磁场正极，F--磁场负极；
Q1-开关管，Q2-开关管，Q3-开关管，Q4-开关管，Q5-开关管，Q6-开关管，Q7-开关管；
R1-电阻，R2-电阻，R3-电阻，R4-电阻，R5-电阻，R6-电阻，R7-电阻， R8-电阻，R9-电阻，R10-电阻，R11-电阻，R12-电阻，R13-电阻，R14-电阻， R15-电阻，R16-电阻，R17-电阻，R18-电阻，R19-电阻，R20-电阻，R21-电阻， R22-电阻；
C1-电容，C2-电容，C3-电容，C4-电容；
D1-二极管，D2-二极管，D3-稳压二极管，D4-二极管，D5-稳压二极管， D6-稳压二极管，D7-稳压二极管，D8-二极管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本实用新型的目的、方案及功效，但并非作为本实用新型所附权利要求保护范围的限制。
如图5所示，一种由机动车辆的发动机驱动的交流发电机，包括：前端盖 1、后端盖2、定子3、转子4、电压调节器5b、整流元件6、护罩7和皮带轮 8，从机械结构上看，与图1所示的公知的交流发电机并无大的区别。
如图6所示，电压调节器5b包括正极端子接口B+、负极端子接口B-、相端输入端子P、指示灯端子L、磁场正极F+和磁场负极F-，从机械结构上看，如图2所示的并无两样，但其在电路结构上两者有着本质的差异。
相端输入端子P，为电压调节器5b提供定子3线圈中交流电的相信号信息，所述相信号波形的频率，对应此时交流发电机的转速。
正极端子接口B+，为电压调节器5b提供供电电源，为电压调节器5b稳压功能提供参考电压信号，其电压在发电机不发电时，为外接蓄电池的电压，在发电机发电时，为发电机的输出电压。
磁场正极F+和磁场负极F-，与转子磁场绕组9两端连通，磁场正极F+的电压信号对应电压调节器5b的控制开关的开启状态。
指示灯端子L，功能之一为外界提供电压信号，驱动车辆仪表盘发电机状态指示灯的亮灭，功能之二为外部车辆线路为所述发电机提供励磁电流的接口，功能之三可以为外界继电器类负载提供驱动电流。
图7示出了电压调节器5b的电路结构。如图7所示，磁场正极F+和磁场负极F-连接在转子磁场线圈9的两端，指示灯端子L与磁场正极F+连接；磁场负极F-通过第一开关电路接地，所述第一开关电路中设置有开关管Q1，正极端子接口B+与开关管Q1的控制端之间设置有调压控制模块；正极端子接口B+通过第二开关电路与磁场正极F+连接，所述第二开关电路中设置有开关管Q2，相端输入端子P与开关管Q2的控制端之间设置有自由启动模块，自由启动模块由正极端子接口B+供电。
本实用新型与现有技术的本质区别体现在，电压调节器5b中还设置了启动优化磁场钳制模块。相端输入端子P与启动优化磁场钳制模块的一个输入端口连接，指示灯端子L与启动优化磁场钳制模块的另一个输入端口连接，启动优化磁场钳制模块的输出端与开关管Q1的控制端连接。
上述功能模块可以通过以下具体电路结构实现。
图8示出了一种自由启动模块的具体电路结构，其功能是，对相端输入端子P的相信号进行判定，当所述相信号的频率达到设定值时，使开关管Q2导通，正极端子接口B+给转子磁场线圈9提供励磁电流。
如图8所示，正极端子接口B+通过第三开关电路接地，第三开关电路与开关管Q2的控制端连接，所述第三开关电路中设置有开关管Q3、电阻R16 和R17。
开关管Q3的控制端与相端输入端子P之间设置有RC振荡电路，所述RC 振荡电路包括RC选频网络、运算放大器10和正反馈电路，所述RC选频网络包括串并联的电阻R13、R14、R14、电容C1、C2，通过参数的设定，选频网络则只允许某个特定频率能通过，使振荡器产生单一频率的输出。RC选频网络与运算放大器10的一个输入端连接，运算放大器的另一个输入端与输出端之间设置有正反馈电路，所述正反馈电路包括电阻R22，正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。运算放大器10能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。运算放大器10通过电阻R12与正极端子接口B+，实现供电。
图8中，电阻R18、R19和R20的作用是为了控制开关管Q3的控制端电压，电容C3和C4是为了给运算放大器10的输出信号滤波。
图9示出了一种启动优化磁场钳制模块的具体电路结构。其功能是，根据相端输入端子P的电压，在指示灯端子L高电位时，向开关管Q1输出控制信号，强制将开关管Q1进行占空比钳制，控制发电机转子4的磁场场强，控制定子3的相端电压在一定数值，控制正极端子接口B+电压低于外界蓄电池电压，使发电机无法具备对外电流供应能力。
如图9所示，相端输入端子P与钳制模块第一输入端口电路11连接，钳制模块第一输入端口电路11包括串接的电阻R1和二极管D1，将交流信号变为直流信号。钳制模块第一输入端口电路11连接第四开关电路，所述第四开关电路包括开关管Q4和电阻R4。钳制模块第一输入端口电路11通过钳制模块控制电路接地，所述钳制模块控制电路包括电阻R2和电阻R3，所述钳制模块控制电路与开关管Q4的控制端连接。
指示灯端子L与钳制模块第二输入端口电路12连接，钳制模块第二输入端口12包括串接的电阻R6和二极管D2。第二输入端口电路12通过第五开关电路接地，所述第五开关电路包括开关管Q5和电阻R5，开关管Q5的控制端与开关管Q4的输出端通过钳制模块稳压电路连接，钳制模块稳压电路中设置有稳压二极管D3。
开关管Q5的输入端顺序连接计时器和电压转换器，电压转换器为启动优化磁场钳制模块的输出端，用于向开关管Q1输出控制信号。
图10出了一种调压控制模块的具体电路结构。其功能是，以正极端子接口B+电压作为参考点，通过对流经转子磁场线圈9励磁电流的开关控制，保证交流发电机对外输出的电压稳定在设计调压值范围内。
如图10所示，正极端子接口B+与调压控制模块输入端口电路13连接，调压控制模块输入端口电路13包括串接的电阻R7和二极管D4。调压控制模块输入端口电路13连接第六开关电路，所述第六开关电路包括开关管Q6和电阻R10。调压控制模块输入端口电路13通过调压控制模块控制电路接地，所述调压控制模块控制电路包括电阻R8和电阻R9，所述调压控制模块控制电路与开关管Q6的控制端连接。
调压控制模块输入端口电路13通过第七开关电路接地，所述第七开关电路包括开关管Q7和电阻R11，开关管Q7的输入端与开关管Q1的控制端连接，向开关管Q1输出控制信号。开关管Q7的控制端与开关管Q6的输出端通过调压控制模块稳压电路连接，调压控制模块稳压电路中设置有稳压二极管D5。
下面结合图7～图10详细说明本实用新型的工作原理。
在车辆接线线路给指示灯端子L接线的情况下，指示灯端子L为发电机转子提供初始励磁电流，该励磁电流根据实际车辆线路配置不同，电流大小不同，所提供初始励磁电流最大不超过300mA。在车辆接线线路不给指示灯端子L接线的情况下，此时外界不为发电机转子提供初始励磁电流，外部不提供励磁时，发电机启动将依靠转子剩磁来实现。
发动机启动运转后，会拖动交流发电机运转，定子3中线圈会产生交流相信号，所述相信号通过相端输入端子P提供到电压调节器5b的自由启动模块进行判定，如图7和图8所示，当相端输入端子P获得的相信号频率达到设定转速值(例如对应发电机转速1250RPM-1450RPM)时，开关Q3导通，正极端子接口B+通过电阻R16，R17，Q3对地导通，驱动开关管Q2导通，正极端子端口B+提供励磁电流到转子磁场绕组9。
启动优化磁场钳制模块根据相端输入端子P的电压，在指示灯端子L高电位时，向开关管Q1输出控制信号，强制将开关管Q1进行占空比钳制，控制发电机转子4的磁场场强，控制定子3的相端电压在一定数值，控制正极端子接口B+电压低于外界蓄电池电压，无法具备对外电流供应能力。
启动优化磁场钳制模块是本实用新型的重点，再说的详细一点，如图7和图9所示，开关管Q2开启后，正极端子接口B+为转子4的磁场绕组9提供励磁电流，所述励磁电流大小为磁场正极F+电压除以转子4的磁场绕组9的电阻。开关管Q2开启瞬间，相端输入端子P的电压升高，定子相端电压升高到一定值后，开关管Q4导通，达到稳压二极管D3保护电压后，驱动开关管 Q5导通，指示灯端子L高电位，供电并驱动计时器开始计时，计时期间为电压转换器供电，由电压转换器对外部提供方波电压信号，锁定开关管Q1开启占空比，以此控制相端输入端子P电压在一个低于外界蓄电池电压的电压(例如12V)以下，发电机延迟对外发电。同时，在开关开关Q2开启后，所述L 端子电压为正极端子接口B+电位减掉开关管Q2和正向二极管压降损耗，上升为高电位，配置该交流发电机的车辆仪表盘收到高电位信号，车辆仪表盘充电指示灯熄灭。
启动优化磁场控制模块对开关管Q1占空比钳制的时长是可调节的，由计时器控制，一般设定为4秒～8秒，在该时段内使交流发电机不对外发电，使交流发电机对发动机的拖动扭矩降至最小，从而达到帮助发动机顺利越过启动转速峰值至稳定怠速。
如图7和图10所示，电压调节器5b中的调压控制模块，以正极端子端口 B+的电压作为参考电压，根据外界负载需求及车辆系统电压高低，实现对转子4流经电流的开关控制，保证交流发电机对外输出电压稳定。测试磁场正极 F+，其电压以矩形方波占空比形式执行，参考图4示出的波形。车辆外界电流需要越大，交流发电机对外输出功率越大，同时电压调节器5b控制流经转子4的磁场绕组9的电流时间也越长，对应磁场正极F+矩形方波高电位时间占比越高。电压调节器5b完全开启时，即，磁场正极F+电压始终为高电位时，转子4的磁场达到最强，此时交流发电机达到能够对外输出的最大值。
启动优化磁场控制模块在对开关管Q1的强制钳制结束后，例如4秒-8秒计时周期结束后，电压转换器失去供电，不再对外提供控制信号，开关管Q1 重新全部开启，转子4磁场加强后，所述定子3的相电压继续上升，正极端子接口B+输出电压上升到发电机设置调压值后，使得调压控制模块的开关管Q6 导通，并导通稳压二极管D5，导通开关管Q7，使得正极端子接口B+通过R11 和开关管Q7回路导通，以此提供电位控制信号到开关管Q1，关闭Q1，控制所述转子励磁关闭，减小转子励磁后，正极端子接口B+电压降低，当正极端子接口B+电压无法击穿导通稳压二极管D5，Q7断开，开启Q1。以此持续调整保证发电机对外正极端子接口B+输出电压的稳定在设计调压值范围内。
本实施例中，开关管Q1可用MOS管或场效应管实现，其实现形式还有很多，例如三极管等。
本实施例中，开关管Q2是两个连接在一起的三极管，显然，开关管Q2也可以是其它结构形式的开关，例如用一个输出电压稍大的三极管代替，如果不考虑成本，也可用MOS管或场效应管代替。
本实施例中，开关管Q4～Q7均是三极管，显然，如果不考虑成本，也可用MOS管或场效应管等代替。
本实用新型对现有技术的贡献主要体现在，通过启动优化磁场控制模块，在发动机启动阶段，强制将发电机对外发电能力进行有效控制，优化减小所需发动机拖动扭矩。同时，通过及时开启开关管Q2，将指示灯端子L电压抬升，使得车辆仪表识别高电位，及时将车辆充电指示灯熄灭，避免对交流发电机的状态误判断，特别适合在高寒、高原空气稀薄地区应用。
总之，本实用新型不局限于上述实施例，一切基于本实用新型的构思、结构、原理及方法所作出的种种改进，必将落入本实用新型的保护范围之内。