Генераторы автомобильные обмотка статора. Автомобильные генераторы переменного тока и принцип работы
Генератор - основной источник электроэнергии машины. Расскажем как он работает, из чего состоит и его устройство.
Как он работает?
При пуске двигателя основным потребителем электроэнергии является стартер, сила тока достигает сотен ампер, что вызывает значительное падение напряжения аккумулятора. В этом режиме потребители питаются только от аккумулятора, который интенсивно разряжается. Сразу после пуска двигателя генератор становится основным источником электроснабжения.Генератор является источником постоянной подзарядки аккумуляторной батареи во время работы двигателя. Если он не будет работать, аккумулятор быстро разрядиться. Он обеспечивает требуемый ток для заряда АКБ и работы электроприборов. После подзарядки аккумулятора, генератор снижает зарядный ток и работает в штатном режиме.
При включении мощных потребителей (например, обогревателя заднего стекла, фар) и малых оборотов двигателя суммарный потребляемый ток может быть больше, чем способен отдать генератор. В этом случае нагрузка ляжет на аккумулятор и он начнет разряжаться.
Привод и крепление
Привод осуществляется от шкива коленчатого вала ременной передачей. Чем больше диаметр шкива на коленчатом валу и меньше диаметр шкива, тем выше обороты генератора, соответственно, он способен отдать потребителям больший ток.На современных машинах привод осуществляется поликлиновым ремнем. Благодаря большей гибкости он позволяет устанавливать на генераторе шкив малого диаметра и, следовательно, получать высокие передаточные отношения. Натяжение поликлинового ремня осуществляется натяжными роликами при неподвижном генераторе.
Устройство и из чего состоит?
Любой генератор содержит статор с обмоткой, зажатый между двумя крышками - передней, со стороны привода, и задней, со стороны контактных колец. Генераторы крепятся в передней части двигателя болтами на специальных кронштейнах. Крепежные лапы и натяжная проушина находятся на крышках.
Крышки, отлитые из алюминиевых сплавов, имеют вентиляционные окна, через которые воздух продувается вентилятором. Генераторы традиционной конструкции снабжены вентиляционными окнами только в торцевой части, а "компактной" конструкции - еще на цилиндрической части над лобовыми сторонами обмотки статора.
На крышке со стороны контактных колец крепятся щеточный узел, который объединен с регулятором напряжения, и выпрямительный узел. Крышки обычно стянуты между собой тремя или четырьмя винтами, причем статор оказывается зажат между крышками, посадочные поверхности которых охватывают статор по наружной поверхности.
Статор генератора:
1 - сердечник, 2 - обмотка, 3 - пазовый клин, 4 - паз, 5 - вывод для соединения с выпрямителем
Статор набирается из стальных листов толщиной 0.8...1 мм, но чаще выполняется навивкой "на ребро". При выполнении пакета статора навивкой ярмо статора над пазами обычно имеет выступы, по которым при навивке фиксируется положение слоев друг относительно друга. Эти выступы улучшают охлаждение статора за счет более развитой наружной поверхности.
Необходимость экономии металла привела к созданию конструкции пакета статора, набранного из отдельных подковообразных сегментов. Скрепление между собой отдельных листов пакета статора в монолитную конструкцию осуществляется сваркой или заклепками. Практически все генераторы автомобилей массовых выпусков имеют 36 пазов, в которых располагается обмотка статора. Пазы изолированы пленочной изоляцией или напылением эпоксидного компаунда.
Ротор автомобильного генератора:
а - в сборе; б - полюсная система в разобранном виде; 1,3- полюсные половины; 2 - обмотка возбуждения; 4 - контактные кольца; 5 - вал
Особенностью автомобильных генераторов является вид полюсной системы ротора. Она содержит две полюсные половины с выступами - полюсами клювообразной формы по шесть на каждой половине. Полюсные половины выполняются штамповкой и могут иметь выступы. В случае отсутствия выступов при напрессовке на вал между полюсными половинами устанавливается втулка с обмоткой возбуждения, намотанной на каркас, при этом намотка осуществляется после установки втулки внутрь каркаса.
Валы роторов выполняются из мягкой автоматной стали. Но при применении роликового подшипника, ролики которого работают непосредственно по концу вала со стороны контактных колец, вал выполняется из легированной стали, а цапфа вала закаливается. На конце вала, снабженном резьбой, прорезается паз под шпонку для крепления шкива.
Во многих современных конструкциях шпонка отсутствует. В этом случае торцевая часть вала имеет углубление или выступ под ключ в виде шестигранника. Это позволяет удерживать вал от поворота при затяжке гайки крепления шкива, или при разборке генератора , когда необходимо снять шкив и вентилятор.
Щеточный узел - это конструкция, в которой размещаются щетки т.е. скользящие контакты. В автомобильных генераторах применяются щетки двух типов - меднографитные и электрографитные. Последние имеют повышенное падение напряжения в контакте с кольцом по сравнению с меднографитными. Они обеспечивают значительно меньший износ контактных колец. Щетки прижимаются к кольцам усилием пружин.
Выпрямительные узлы применяются двух типов. Это либо пластины-теплоотводы, в которые запрессовываются диоды силового выпрямителя, либо конструкции с сильно развитым оребрением и диоды припаиваются к теплоотводам. Диоды дополнительного выпрямителя имеют обычно пластмассовый корпус цилиндрической формы или в виде горошины или выполняются в виде отдельного герметизированного блока, включение в схему которого осуществляется шинками.
Наиболее опасным является замыкание пластин теплоотводов, соединенных с "массой" и выводом "+" генератора случайно попавшими между ними металлическими предметами или проводящими мостиками, образованными загрязнением, т.к. при этом происходит короткое замыкание по цепи аккумуляторной батареи и возможен пожар. Во избежание этого пластины и другие части выпрямителя генераторов частично или полностью покрывают изоляционным слоем. В монолитную конструкцию выпрямительного блока теплоотводы объединяются в основном монтажными платами из изоляционного материала, армированными соединительными шинками.
Подшипниковые узлы генераторов это, как правило, радиальные шариковые подшипники с одноразовой закладкой пластичной смазки на весь срок службы и одно или двухсторонними уплотнениями, встроенными в подшипник. Роликовые подшипники применяются только со стороны контактных колец и достаточно редко, в основном, американскими фирмами. Посадка шариковых подшипников на вал со стороны контактных колец - обычно плотная, со стороны привода - скользящая, в посадочное место крышки наоборот - со стороны контактных колец - скользящая, со стороны привода - плотная.
Охлаждение генератора осуществляется одним или двумя вентиляторами, закрепленными на его валу. При этом у традиционной конструкции генераторов воздух засасывается центробежным вентилятором в крышку со стороны контактных колец. У генераторов, имеющих щеточный узел, регулятор напряжения и выпрямитель вне внутренней полости и защищенных кожухом, воздух засасывается через прорези этого кожуха, направляющие воздух в наиболее нагретые места - к выпрямителю и регулятору напряжения.
Система охлаждения:
а - устройства обычной конструкции; б - для повышенной температуры в подкапотном пространстве; в - устройства компактной конструкции. Стрелками показано направление воздушных потоков
На автомобилях с плотной компоновкой подкапотного пространства применяют генераторы со специальным кожухом, через который в него поступает холодный забортный воздух. У генераторов "компактной" конструкции охлаждающий воздух забирается со стороны как задней, так и передней крышек.
Для чего нужен регулятор напряжения?
Регуляторы поддерживают напряжение генератора в определенных пределах для оптимальной работы электроприборов, включенных в бортовую сеть автомобиля. Генераторы оснащаются полупроводниковыми электронными регуляторами напряжения, встроенными внутрь корпуса. Схемы их исполнения и конструктивное оформление могут различаться, но принцип работы одинаков.Регуляторы напряжения обладают свойством термокомпенсации - изменения напряжения, подводимого к аккумуляторной батарее, в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для оптимального заряда АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение должно подводиться к батарее и наоборот. Величина термокомпенсации достигает до 0,01 В на 1°С. Некоторые модели выносных регуляторов имеют ручные переключатели уровня напряжения (зима/лето).
Термин «генерация» в электротехнику пришел из латинского языка. Он обозначает «рождение». Применительно к энергетике можно сказать, что генераторами называют технические устройства, занимающиеся выработкой электроэнергии.
При этом надо оговориться, что производить электрический ток можно за счет преобразования различных видов энергии, например:
химической;
световой;
тепловой и других.
Исторически сложилось так, что генераторами называют конструкции, которые преобразуют кинетическую энергию вращения в электричество.
По виду вырабатываемой электроэнергии генераторы бывают:
1. постоянного тока;
2. переменного.
Физические законы, которые позволяют создавать современные электрические установки для выработки электроэнергии за счет преобразований механической энергии, открыты учеными Эрстедом и Фарадеем.
В конструкции любого генератора реализуется , когда происходит наводка электрического тока в замкнутой рамке за счет пересечения ее вращающимся магнитным полем, которое создается в упрощенных моделях бытового использования или обмотками возбуждения на промышленных изделиях повышенных мощностей.
При вращении рамки изменяется величина магнитного потока.
Электродвижущая сила, наводимая в витке, зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего рамку в замкнутом контуре S, и прямо пропорциональна его значению. Чем быстрее осуществляется вращение ротора, тем выше величина вырабатываемого напряжения.
Для того чтобы создать замкнутый контур и отвести с него электрический ток, потребовалось создать коллектор и щеточный узел, обеспечивающий постоянный контакт между вращающейся рамкой и стационарно расположенной частью схемы.
За счет конструкции подпружиненных щеток, прижимающихся к коллекторным пластинам, происходит передача электрического тока на выходные клеммы, а с них дальше он поступает в сеть потребителя.
Принцип работы простейшего генератора постоянного тока
При вращении рамки вокруг оси ее левая и правая половинки циклически проходят около южного или северного полюса магнитов. В них каждый раз происходит смена направлений токов на противоположное так, что у каждого полюса они протекают в одну сторону.
Для того чтобы в выходной цепи создавался постоянный ток, на коллекторном узле создано полукольцо для каждой половинки обмотки. Прилегающие к кольцу щетки снимают потенциал только своего знака: положительный или отрицательный.
Поскольку полукольцо вращающейся рамки разомкнуто, то в нем создаются моменты, когда ток достигает максимального значения или отсутствует. Чтобы поддерживать не только направление, но и постоянную величину вырабатываемого напряжения, рамку изготавливают по специально подготовленной технологии:
у нее используют не один виток, а несколько - в зависимости от величины запланированного напряжения;
число рамок не ограничивается одним экземпляром: их стараются сделать достаточным количеством для оптимального поддержания перепадов напряжения на одном уровне.
У генератора постоянного тока обмотки ротора располагают в пазах . Это позволяет сокращать потери наводимого электромагнитного поля.
Конструктивные особенности генераторов постоянного тока
Основными элементами устройства являются:
внешняя силовая рама;
магнитные полюса;
статор;
вращающийся ротор;
коммутационный узел со щётками.
Корпус изготавливают из стальных сплавов или чугуна для придания механической прочности общей конструкции. Дополнительной задачей корпуса является передача магнитного потока между полюсами.
Полюса магнитов крепят к корпусу шпильками или болтами. На них монтируют обмотку.
Статор , называемый еще ярмом или остовом, изготавливают из ферромагнитных материалов. На нем размещают обмотку катушки возбуждения. Сердечник статора оснащен магнитными полюсами, образующими его магнитное силовое поле.
Ротор имеет синоним: якорь. Его магнитопровод состоит из шихтованных пластин, снижающих образование вихревых токов и повышающих КПД. В пазы сердечника заложены обмотки ротора и/или самовозбуждения.
Коммутационный узел со щетками может иметь разное количество полюсов, но оно всегда кратно двум. Материалом щеток обычно используют графит. Коллекторные пластины изготавливают из меди, как наиболее оптимального металла, подходящего по электрическим свойствам проводимости тока.
Благодаря использованию коммутатора на выходных клеммах генератора постоянного тока образуется сигнал пульсирующего вида.
Основные типы конструкций генераторов постоянного тока
По типу питания обмотки возбуждения различают устройства:
1. с самовозбуждением;
2. работающие на основе независимого включения.
Первые изделия могут:
использовать постоянные магниты;
или работать от внешних источников, например, аккумуляторных батарей, ветряной установки…
Генераторы с независимым включением работают от собственной обмотки, которая может быть подключена:
последовательно;
шунтами или параллельным возбуждением.
Один из вариантов подобного подключения показан на схеме.
Примером генератора постоянного тока может служить конструкция, которая раньше часто применялась на автомобильной технике. Ее устройство такое же, как у асинхронного двигателя.
Подобные коллекторные конструкции способны работать в режиме двигателя или генератора одновременно. За счет этого они получили распространение в существующих гибридных автомобилях.
Процесс образования якорной реакции
Она возникает в режиме холостого хода при неправильной настройке усилия прижатия щеток, создающее неоптимальный режим их трения. Это может привести к снижению магнитных полей или возникновению пожара из-за повышенного образования искр.
Способами ее снижения являются:
компенсации магнитных полей за счет подключения дополнительных полюсов;
настройка сдвига положения коллекторных щеток.
Преимущества генераторов постоянного тока
К ним относят:
отсутствие потерь на гистерезис и образование вихревых токов;
работа в экстремальных условиях;
пониженный вес и маленькие габариты.
Принцип работы простейшего генератора переменного тока
Внутри этой конструкции используются все те же детали, что и у предыдущего аналога:
магнитное поле;
вращающаяся рамка;
коллекторный узел со щетками для отвода тока.
Основное отличие заключается в устройстве коллекторного узла, который создан так, что при вращении рамки через щетки постоянно создается контакт со своей половинкой рамки без циклической смены их положения.
За счет этого ток, сменяющийся по законам гармоники в каждой половинке, полностью без изменений передается на щетки и далее через них в схему потребителя.
Естественно, что рамка создана намоткой не из одного витка, а рассчитанного их количества для достижения оптимального напряжения.
Таким образом, принцип работы генераторов постоянного и переменного тока общий, а отличия конструкции заключаются в изготовлении:
коллекторного узла вращающегося ротора;
конфигурации обмоток на роторе.
Конструктивные особенности промышленных генераторов переменного тока
Рассмотрим основные части промышленного индукционного генератора, у которого ротор получает вращательное движение от рядом расположенной турбины. В конструкцию статора включен электромагнит (хотя магнитное поле может создаваться набором постоянных магнитов) и обмотка ротора с определённым числом витков.
Внутри каждого витка индуктируется электродвижущая сила, которая последовательно складывается в каждом из них и образует на выходных зажимах суммарное значение напряжения, выдаваемого на схему питания подключенных потребителей.
Чтобы повысить на выходе генератора амплитуду ЭДС используют специальную конструкцию магнитной системы, выполненную из двух магнитопроводов за счет применения специальных сортов электротехнической стали в виде шихтованных пластин с пазами. Внутри их смонтированы обмотки.
В корпусе генератора расположен сердечник статора с пазами для размещения обмотки, создающей магнитное поле.
Вращающийся на подшипниках ротор тоже имеет магнитопровод с пазами, внутри которых смонтирована обмотка, получающая индуцируемую ЭДС. Обычно для размещения оси вращения выбирается горизонтальное направление, хотя, встречаются конструкции генераторов с вертикальным расположением и соответствующей конструкцией подшипников.
Между статором и ротором всегда создается зазор, необходимый для обеспечения вращения и исключения заклинивания. Но, в то же время в нем происходит потеря энергии магнитной индукции. Поэтому его стараются делать минимально возможным, оптимально учитывая оба этих требования.
Расположенный на одном валу с ротором возбудитель является электрогенератором постоянного тока, обладающим относительно небольшой мощностью. Его назначение: питать электроэнергией обмотки силового генератора в состоянии независимого возбуждения.
Подобные возбудители применяют чаще всего с конструкциями турбинных или гидравлических электрогенераторов при создании основного либо резервного способа возбуждения.
На картинке промышленного генератора показано расположение коллекторных колец и щеток для съема токов с конструкции вращающегося ротора. Этот узел при работе испытывает постоянные механические и электрические нагрузки. Для их преодоления создается сложная конструкция, которая при эксплуатации требует периодических осмотров и выполнения профилактических мероприятий.
Чтобы снизить создаваемые эксплуатационные затраты применяется другая, альтернативная технология, при которой тоже используется взаимодействие между вращающимися электромагнитными полями. Только на роторе располагают постоянные или электрические магниты, а напряжение снимают со стационарно расположенной обмотки.
При создании подобной схемы такую конструкцию могут называть термином «альтернатор». Она применяется в синхронных генераторах: высокочастотных, автомобильных, на тепловозах и судах, установках электрических станций энергетики для производства электроэнергии.
Особенности синхронных генераторов
Принцип действия
Название и отличительный признак действия заключен в создании жесткой связи между частотой переменной электродвижущей силы, наводимой в статорной обмотке «f» и вращением ротора.
В статоре вмонтирована трехфазная обмотка, а на роторе - электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, запитанной от цепей постоянного тока через щеточный коллекторный узел.
Ротор приводится во вращение от источника механической энергии - приводного двигателя с одинаковой скоростью. Его магнитное поле совершает такое же движение.
В обмотках статора наводятся одинаковые по величине, но сдвинутые на 120 градусов по направлению электродвижущие силы, создающие трехфазную симметричную систему.
При подключении на концы обмоток цепей потребителей в схеме начинают действовать токи фаз, которые образуют магнитное поле, вращающееся точно так же: синхронно.
Форма выходного сигнала наводимой ЭДС зависит только от закона распределения вектора магнитной индукции внутри зазора между полюсами ротора и пластинами статора. Поэтому добиваются создания такой конструкции, когда величина индукции меняется по синусоидальному закону.
Когда зазор имеет постоянную характеристику, то вектор магнитной индукции внутри зазора создается по форме трапеции, как показано на графике линий 1.
Если же форму краев на полюсах исправить на косоугольную с изменением зазора до максимального значения, то можно добиться синусоидальной формы распределения, как показано линией 2. Этим приемом и пользуются на практике.
Схемы возбуждения синхронных генераторов
Магнитодвижущая сила, возникающая на обмотке возбуждения «ОВ» ротора, создает его магнитное поле. Для этого существуют разные конструкции возбудителей постоянного тока, основанные на:
1. контактном методе;
2. бесконтактном способе.
В первом случае
используется отдельный генератор, называемый возбудителем «В». Его обмотка возбуждения питается от дополнительного генератора по принципу параллельного возбуждения, именуемого подвозбудителем «ПВ».
Все роторы размещаются на общем валу. За счет этого они вращаются совершенно одинаково. Реостаты r1 и r2 служат для регулирования токов в схемах возбудителя и подвозбудителя.
При бесконтактном способе
отсутствуют контактные кольца ротора. Прямо на нем монтируют трехфазную обмотку возбудителя. Она синхронно вращается с ротором и передает через совместно вращающийся выпрямитель электрический постоянный ток непосредственно на обмотку возбудителя «В».
Разновидностями бесконтактной схемы являются:
1. система самовозбуждения от собственной обмотки статора;
2. автоматизированная схема.
При первом методе напряжение от обмоток статора поступает на понижающий трансформатор, а затем - полупроводниковый выпрямитель «ПП», вырабатывающий постоянный ток.
У этого способа первоначальное возбуждение создается за счет явления остаточного магнетизма.
Автоматическая схема создания самовозбуждения включает использование:
трансформатора напряжения ТН;
автоматизированного регулятора возбуждения АВР;
трансформатора тока ТТ;
выпрямительного трансформатора ВТ;
тиристорного преобразователя ТП;
блока защиты БЗ.
Особенности асинхронных генераторов
Принципиальное отличие этих конструкций состоит в отсутствие жесткой связи между частотами вращения ротора (nr) и индуцируемой в обмотке ЭДС (n). Между ними всегда существует разница, которую называют «скольжением». Ее обозначают латинской буквой «S» и выражают формулой S=(n-nr)/n.
При подключении нагрузки на генератор создается тормозной момент для вращения ротора. Он влияет на частоту вырабатываемой ЭДС, создает отрицательное скольжение.
Конструкцию ротора у асинхронных генераторов изготавливают:
короткозамкнутой;
фазной;
полой.
Асинхронные генераторы могут иметь:
1. независимое возбуждение;
2. самовозбуждение.
В первом случае используется внешний источник переменного напряжения, а во втором - полупроводниковые преобразователи или конденсаторы в первичной, вторичной или обоих видах схем.
Таким образом, генераторы переменного и постоянного тока имеют много общих черт в принципах построения, но отличаются конструктивным исполнением определённых элементов.
Без электрооборудования не может «прожить» ни один современный автомобиль. И основным компонентом из всего электрооборудования является самый главный источник - генератор. В свою очередь, он содержит не менее важную составляющую, которая способствует зарождению электроэнергии во время движения автомобиля. Речь идет о статоре генератора.
Для чего он нужен, каково его предназначение и какие неисправности могут быть? Об этом и кое-чем еще поговорим в данной статье.
Электрооборудование автомобиля
Все электрооборудование любого автомобиля представлено следующими компонентами:
- Источники тока:
- аккумуляторная батарея;
- генератор.
- Потребители тока:
- основные;
- длительные;
- кратковременные.
Задача аккумулятора заключается в обеспечении потребителей током, пока «отдыхает» двигатель, на время его запуска или работы в режиме малых оборотов. В то время как генератор, по сути, является основным поставщиком электроэнергии. Он не только питает все потребители, но и производит зарядку аккумулятора.
Его емкость в сочетании с мощностью генератора должна соответствовать запросам всех потребителей независимо от режима работы двигателя. Иными словами, должен постоянно поддерживаться Это важно знать, так как позволит понять, как работает статор генератора.
К основным потребителям принято относить систему топлива, включая впрыск, зажигание, управление, АКПП. У некоторых автомобилей присутствует электроусилитель руля. То есть все то, что постоянно использует ток, начиная от запуска двигателя и до его полной остановки.
Длительными потребителями являются системы, которые не используются слишком часто. А это освещение, безопасность (пассивная, активная), приборы отопления, кондиционирования. Большинство автомобилей комплектуются противоугонными системами, мультимедийным оборудованием и навигацией.
Что касается кратковременных потребителей , то это прикуриватель, система запуска, свечи накаливания, сигнал, а также системы комфорта.
Конструктивные особенности
Генератор присутствует в каждом автомобиле и состоит из следующих компонентов:
- статор;
- ротор;
- щеточный узел;
- выпрямительный блок.
И статор генератора, и все остальное собрано в относительно компактный модуль, который устанавливается в непосредственной близости от двигателя и работает от вращения коленчатого вала, для чего используется ременная передача.
Функциональное назначение
Статор является неподвижным элементом всей конструкции и закреплен на корпусе генератора. В свою очередь, в нем присутствует рабочая обмотка, и во время работы генератора именно в ней пробуждается электроэнергия. Однако такой ток носит переменный характер, а всем потребителям необходимо прямое напряжение. Преобразование (выпрямление так сказать) происходит как раз благодаря выпрямительному блоку.
Среди главных задач статора - несущая функция для удерживания рабочей обмотки. Также он обеспечивает правильное распределение силовых линий магнитного поля. В процессе работы генератора рабочая обмотка может сильно нагреваться. И тут вступает в силу другая не менее важная функция - отвод лишнего тепла от обмотки.
Как правило, во всех современных автомобилях используется однотипная конструкция статора.
Устройство статора
Конструкция статора генератора образована следующими составляющими:
- кольцевым сердечником;
- рабочей обмоткой;
- изоляцией обмотки.
Рассмотрим более подробно эти компоненты.
Сердечник. Это кольцевые пластины, на внутренней части которых имеются пазы для расположения обмотки. Соединение пластин очень плотное, и в совокупности они образуют так называемый пакет. Жесткость монолитной конструкции придается за счет сварки или клепки.
Для изготовления пластин используются специальные марки железа либо ферросплавы, которые отличаются наличием определенной магнитной проницаемости. Их толщина составляет от 0,8 до 1 мм. Для лучшего отвода тепловой энергии предусмотрены ребра, которые располагаются на внешней стороне статора.
Обмотка. Как правило, в автомобилях используется где присутствуют три обмотки по одной на каждую фазу. Для их изготовления применяется медная проволока, которая покрыта изоляционным материалом. Ее диаметр равен 0,9-2 мм, а в пазах сердечника она укладывается особым образом.
Каждая из обмоток статора генератора ВАЗ (или любой другой марки) располагает выводом для снятия тока. Как правило, количество этих выводов не превышает 3 или 4. Однако встречаются статоры, у которых 6 выводов. При этом у каждой обмотки свое количество выводов для определенного типа соединения.
Изоляция. В каждом пазу сердечника располагается изоляция в целях защиты провода от повреждений. В ряде случаев в пазы могут укладываться специальные изоляционные клинья для более надежной фиксации обмотки.
Статор пропитывается эпоксидными смолами или лаками. Это делается в целях обеспечения целостности и прочности всей монолитной конструкции, что исключает сдвиг витков обмотки. Также повышаются электроизоляционные характеристики.
Как работает статор?
Принцип действия статора, а следовательно и всего агрегата (генератора), любого современного автомобиля основывается на одном явлении, которое знакомо каждому из нас со времен уроков физики. На них частенько упоминались такие понятия, как генератор, ротор, статор. Речь идет об электромагнитной индукции. Ее суть в следующем: когда какой-либо проводник перемещается в области действия магнитного поля, то в нем рождается ток.
Или этот проводник (статор) может находиться в переменном магнитном поле (ротор). Именно этот принцип используется в автомобильных генераторах. Во время запуска двигателя начинает вращение ротор генератора. Вместе с этим напряжение от АКБ доходит до рабочей обмотки. А поскольку ротор является многополюсным стальным сердечником, то при поступлении на обмотку напряжения он становится электромагнитом.
В результате вращения ротора создается переменное магнитное поле, силовые линии которого пересекают статор. И тут вступает сердечник «проводника». Он особым образом начинает распределять магнитное поле, и его силовые линии пересекают витки рабочей обмотки. И благодаря электромагнитной индукции возникает ток, снимаемый выводами статора. Далее полученное переменное напряжение поступает в выпрямительный блок.
Стоит только увеличить количество оборотов коленвала, ток частично от обмотки статора генератора поступает к обмотке ротора. Таким образом, генератор переходит в режим самовозбуждения, и ему уже не нужен сторонний источник напряжения.
Основные неисправности статора
Как правило, главные поломки статора - это:
- «Обрыв» рабочей обмотки.
- Наличие короткого замыкания.
Характерный признак, по которому можно судить о неправильной работе статора, это пропажа зарядного тока. На это может указывать не погасший индикатор разряда аккумулятора после запуска двигателя. Стрелка вольтметра при этом будет ближе к красной зоне.
При измерении вольтажа на АКБ, когда работает двигатель, напряжение будет меньше требуемого значения. Для самой батареи это не менее 13.6 В, а для генератора - 37.3701 В. Иногда в случае короткого замыкания на обмотках можно услышать характерный вой, издаваемый генератором.
В процессе эксплуатации автомобиля генератор может нагреваться и находиться под воздействием электрических нагрузок. Помимо этого, ему приходится работать в негативных условиях внешних факторов. Со временем это неизбежно приводит к ухудшению состояния изоляции обмоток, из-за чего случаются электрические пробои. Тогда решить проблему можно ремонтом (перемотка статора генератора) или полной его заменой.
Проверка исправности статора
Некоторых новичков все чаще волнует вопрос о том, как можно проверить, в рабочем ли состоянии находятся все детали генератора. Для этого понадобится специальное небольшое оборудование в виде мультиметра (в народе просто цешка). Можно использовать автотестер либо другой прибор, у которого есть режим омметра. В крайнем случае подойдет лампочка напряжением 12 В с припаянными к ней проводами.
Для начала стоит снять генератор с автомобиля и разобрать его. В зависимости от марки машины могут быть трудности, поскольку на некоторых моделях бренда Lexus источник тока находится в труднодоступном месте. Добравшись до статора и сняв его, необходимо провести чистку от грязи. Далее можно переходить к самой проверке.
Проверка на обрыв цепи
Как проверить статор генератора на обрыв? Для начала стоит перевести измерительный прибор в режим омметра, после чего подводим щупы к выводам обмотки. При отсутствии обрыва мультиметр будет показывать значения ниже 10 Ом. В противном случае показания будут стремиться к бесконечности. Таким образом, ток по обмотке не проходит, что говорит о наличии обрыва. Так нужно проверить все выводы.
В случае использования лампочки делаем проверку в следующей последовательности. Для начала соединяем проводом (лучше изолированным) минусовую с одним из выводов обмотки. Плюс батареи подаем к другому выводу через лампу. Ее свет укажет на полный порядок, если же лампа не загорелась, значит, обрыву быть. Так нужно поступить с каждым выводом.
Проверка на КЗ
Теперь стоит проверить статор на короткое замыкание. В режиме омметра отрицательный щуп подносим к корпусу статора, а положительный - к любому из выводов рабочей обмотки. В норме показания должны стремиться к бесконечности. Повторить процедуру для каждого из выводов.
С лампочкой проверка статора генератора происходит таким образом:
- Минус АКБ соединяем проводом с корпусом статора.
- Плюсовая клемма подается на любой вывод через лампочку.
На короткое замыкание укажет горящая лампочка. Если же она не загорелась, значит, все в полном порядке.
Небольшое примечание
Перечисленные неисправности характерны не только для статора генератора, под сомнение могут попасть и регулятор напряжения, и диодный мост, и ротор генератора. При этом стоит заметить, что плохая работа именно статора встречается гораздо реже, чем у перечисленных компонентов любого генератора.
Поэтому, перед тем как заняться статором, необходимо провести проверку регулятора напряжения и диодного моста. И если они окажутся в полном порядке, то в последнюю очередь заниматься обмоткой.
Для надежной работы всего электрооборудования автомобиля следует проводить регулярное техническое обслуживание и при необходимости сразу заменять статор генератора. Цена в итоге покажется не такой высокой, как при замене всего генератора.
Что касается стоимости, то цены на новые детали начинаются с отметки в 1500 рублей с тремя выводами. Изделия с шестью контактами обойдутся дороже - в 6-7 тысяч рублей, хотя встречаются варианты подешевле. Однако все зависит от марки автомобиля.
Устройство автомобильного генератора
По конструктивному исполнению генераторные установки можно разделить на две группы:
- генераторы традиционной конструкции с вентилятором у приводного шкива,
- генераторы компактной конструкции с двумя вентиляторами во внутренней полости генератора.
Обычно "компактные" генераторы оснащаются приводом с повышенным передаточным отношением через поликлиновый ремень и поэтому по принятой у некоторых фирм терминологии, называются высокоскоростными генераторами.
По компоновке щеточного узла различают:
- генераторы, у которых щеточный узел расположен во внутренней полости генератора между полюсной системой ротора и задней крышкой,
- генераторы, где контактные кольца и щетки расположены вне внутренней полости (рис. 1). В этом случае генератор имеет кожух, под которым располагается щеточный узел, выпрямитель и, как правило, регулятор напряжения.
Рис. 1. Генератор переменного тока
Генератор переменного тока содержит статор с обмотками , зажатыми между двумя крышками — передней, со стороны привода, и задней, со стороны контактных колец . Крышки, отлитые из алюминиевых сплавов, имеют вентиляционные окна, через которые воздух продувается вентилятором сквозь генератор.
Основные требования к автомобильным генераторам
1. Генератор должен обеспечивать бесперебойную подачу тока и обладать достаточной мощностью, чтобы:
- одновременно снабжать электроэнергией работающих потребителей и заряжать АКБ;
- при включении всех штатных потребителей электроэнергии на малых оборотах двигателя не происходил сильный разряд аккумуляторной батареи;
- напряжение в бортовой сети находилось в заданных пределах во всем диапазоне электрических нагрузок и частот вращения ротора.
2. Генератор должен иметь достаточную прочность, большой ресурс, небольшие массу и габариты, невысокий уровень шума и радиопомех.
Принцип действия генератора
В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку, например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется переменное электрическое напряжение. И наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток.
- Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются катушка, по которой протекает постоянный электрический ток, образуя магнитный поток, называемая обмоткой возбуждения и стальная полюсная система, назначение которой — подвести магнитный поток к катушкам, называемым обмоткой статора, в которых наводится переменное напряжение.
Эти катушки помещены в пазы стальной конструкции, магнитопровода (пакета железа) статора. Обмотка статора с его магнитопроводом образует статор генератора (рис. 3, поз. 1) - неподвижную часть, в которой образуется электрический ток, а обмотка возбуждения с полюсной системой и некоторыми другими деталями (валом, контактными кольцами ) - ротор , вращающуюся часть.
Питание обмотки возбуждения может осуществляться от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении . При этом остаточный магнитный поток в генераторе, т. е. поток, который образуют стальные части магнитопровода при отсутствии тока в обмотке возбуждения, невелик и обеспечивает самовозбуждение генератора только на слишком высоких частотах вращения. Поэтому в схему генераторной установки, там где обмотки возбуждения не соединены с аккумуляторной батареей, вводят такое внешнее соединение, обычно через лампу контроля работоспособного состояния генераторной установки.
- Ток, поступающий через эту лампу в обмотку возбуждения после включения выключателя зажигания и обеспечивает первоначальное возбуждение генератора. Сила этого тока не должна быть слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею, но и не слишком малой, т. к. в этом случае генератор возбуждается при слишком высоких частотах вращения, поэтому фирмы-изготовители оговаривают необходимую мощность контрольной лампы — обычно 2...3 Вт.
При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно "северный", и "южный" полюсы ротора, т. е. направление магнитного потока, пронизывающего катушку, меняется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения. Частота этого напряжения f зависит от частоты вращения ротора генератора n и числа его пар полюсов р :
f=p*n/ 60
За редким исключением генераторы зарубежных фирм, также как и отечественные, имеют шесть "южных" и шесть "северных" полюсов в магнитной системе ротора. В этом случае частота f в 10 раз меньше частоты вращения я ротора генератора.
Поскольку свое вращение ротор генератора получает от коленчатого вала двигателя, то по частоте переменного напряжения генератора можно измерять частоту вращения коленчатого вала двигателя.
- Для этого у генератора делается вывод обмотки статора, к которому и подключается тахометр. При этом напряжение на входе тахометра имеет пульсирующий характер, т. к. он оказывается включенным параллельно диоду силового выпрямителя генератора.
С учетом передаточного числа i ременной передачи от двигателя к генератору частота сигнала на входе тахометра f т связана с частотой вращения коленчатого вала двигателя n дв соотношением:
f т =p*n дв (i)/ 60
Конечно, в случае проскальзывания приводного ремня это соотношение немного нарушается и поэтому следует следить, чтобы ремень всегда был достаточно натянут.
При р =6 , (в большинстве случаев) приведенное выше соотношение упрощается f т =n дв (i) /10 . Бортовая сеть требует подведения к ней постоянного напряжения. Поэтому обмотка статора питает бортовую сеть автомобиля через выпрямитель , встроенный в генератор.
Обмотка статора генераторов зарубежных фирм, как и отечественных — трехфазная. Она состоит из трех частей, называемых обмотками фаз или просто фазами, напряжение и токи в которых смещены друг относительно друга на треть периода, т. е. на 120 0 (рис. 2). Фазы могут соединяться в "звезду" или "треугольник". При этом различают фазные и линейные напряжения и токи. Фазные напряжения U ф действуют между концами обмоток фаз, а токи I ф протекают в этих обмотках, линейные же напряжения U л действуют между проводами, соединяющими обмотку статора с выпрямителем. В этих проводах протекают линейные токи J л . Естественно, выпрямитель выпрямляет те величины, которые к нему подводятся, т. е. линейные.
Рис. 2. Схема генератора переменного тока с выпрямителем
Статор генератора (рис. 3) набирается из стальных листов толщиной 0.8...1 мм, но чаще выполняется навивкой "на ребро". Такое исполнение обеспечивает меньше отходов при обработке и высокую технологичность. При выполнении пакета статора навивкой ярмо статора над пазами обычно имеет выступы, по которым при навивке фиксируется положение слоев друг относительно друга. Эти выступы улучшают охлаждение статора за счет более развитой его наружной поверхности. Необходимость экономии металла привела и к созданию конструкции пакета статора, набранного из отдельных подковообразных сегментов. Скрепление между собой отдельных листов пакета статора в монолитную конструкцию осуществляется сваркой или заклепками.
Рис. 3. Статор генератора:
1 - сердечник, 2 - обмотка, 3 - пазовый клин, 4 - паз, 5 - вывод для соединения с выпрямителем
Практически все генераторы автомобилей массовых выпусков имеют 36 пазов, в которых располагается обмотка статора. Пазы изолированы пленочной изоляцией или напылением эпоксидного компаунда.
Рис. 4. Схема обмотки статора генератора:
А - петлевая распределенная, Б - волновая сосредоточенная, В - волновая распределенная
------- 1 фаза, - - - - - - 2 фаза, -..-..-..- 3 фаза
В пазах располагается обмотка статора, выполняемая по схемам (рис. 4) в виде петлевой распределенной (рис. 4,А) или волновой сосредоточенной (рис. 4,Б), волновой распределенной (рис. 4,В) обмоток. Петлевая обмотка отличается тем, что ее секции (или полусекции) выполнены в виде катушек с лобовыми соединениями по обоим сторонам пакета статора напротив друг друга. Волновая обмотка действительно напоминает волну, т. к. ее лобовые соединения между сторонами секции (или полусекции) расположены поочередно то с одной, то с другой стороны пакета статора. У распределенной обмотки секция разбивается на две полусекции, исходящие из одного паза, причем одна полусекция исходит влево, другая направо. Расстояние между сторонами секции (или полусекции) каждой обмотки фазы составляет 3 пазовых деления, т.е. если одна сторона секции лежит в пазу, условно принятом за первый, то вторая сторона укладывается в четвертый паз. Обмотка закрепляется в пазу пазовым клином из изоляционного материала. Обязательной является пропитка статора лаком после укладки обмотки.
Особенностью автомобильных генераторов является вид полюсной системы ротора (рис. 5). Она содержит две полюсные половины с выступами — полюсами клювообразной формы по шесть на каждой половине. Полюсные половины выполняются штамповкой и могут иметь выступы - полувтулки. В случае отсутствия выступов при напрессовке на вал между полюсными половинами устанавливается втулка с обмоткой возбуждения, намотанной на каркас, при этом намотка осуществляется после установки втулки внутрь каркаса.
Рис. 5. Ротор автомобильного генератора: а - в сборе; б - полюсная система в разобранном виде; 1,3- полюсные половины; 2 - обмотка возбуждения; 4 - контактные кольца; 5 - вал
Если полюсные половины имеют полувтулки, то обмотка возбуждения предварительно наматывается на каркас и устанавливается при напрессовке полюсных половин так, что полувтулки входят внутрь каркаса. Торцевые щечки каркаса имеют выступы-фиксаторы, входящие в межполюсные промежутки на торцах полюсных половин и препятствующие провороту каркаса на втулке. Напрессовка полюсных половин на вал сопровождается их зачеканкой, что уменьшает воздушные зазоры между втулкой и полюсными половинами или полувтулками, и положительно сказывается на выходных характеристиках генератора. При зачеканке металл затекает в проточки вала, что затрудняет перемотку обмотки возбуждения при ее перегорании или обрыве, т. к. полюсная система ротора становится трудноразборной. Обмотка возбуждения в сборе с ротором пропитывается лаком. Клювы полюсов по краям обычно имеют скосы с одной или двух сторон для уменьшения магнитного шума генераторов. В некоторых конструкциях для той же цели под острыми конусами клювов размещается антишумовое немагнитное кольцо, расположенное над обмоткой возбуждения. Это кольцо предотвращает возможность колебания клювов при изменении магнитного потока и, следовательно, излучения ими магнитного шума.
После сборки производится динамическая балансировка ротора, которая осуществляется высверливанием излишка материала у полюсных половин. На валу ротора располагаются также контактные кольца, выполняемые чаще всего из меди, с опрессовкой их пластмассой. К кольцам припаиваются или привариваются выводы обмотки возбуждения. Иногда кольца выполняются из латуни или нержавеющей стали, что снижает их износ и окисление особенно при работе во влажной среде. Диаметр колец при расположении щеточно - контактного узла вне внутренней полости генератора не может превышать внутренний диаметр подшипника, устанавливаемого в крышку со стороны контактных колец, т. к. при сборке подшипник проходит над кольцами. Малый диаметр колец способствует кроме того уменьшению износа щеток. Именно по условиям монтажа некоторые фирмы применяют в качестве задней опоры ротора роликовые подшипники, т.к. шариковые того же диаметра имеют меньший ресурс.
Валы роторов выполняются, как правило, из мягкой автоматной стали, однако, при применении роликового подшипника, ролики которого работают непосредственно по концу вала со стороны контактных колец, вал выполняется из легированной стали, а цапфа вала цементируется и закаливается. На конце вала, снабженном резьбой, прорезается паз под шпонку для крепления шкива. Однако, во многих современных конструкциях шпонка отсутствует. В этом случае торцевая часть вала имеет углубление или выступ под ключ в виде шестигранника. Это позволяет удерживать вал от проворота при затяжке гайки крепления шкива, или при разборке, когда необходимо снять шкив и вентилятор.
Щеточный узел - это пластмассовая конструкция, в которой размещаются щетки т.е. скользящие контакты. В автомобильных генераторах применяются щетки двух типов — меднографитные и электрографитные. Последние имеют повышенное падение напряжения в контакте с кольцом по сравнению с меднографитными, что неблагоприятно сказывается на выходных характеристиках генератора, однако они обеспечивают значительно меньший износ контактных колец. Щетки прижимаются к кольцам усилием пружин. Обычно щетки устанавливаются по радиусу контактных колец, но встречаются и так называемые реактивные щеткодержатели, где ось щеток образует угол с радиусом кольца в месте контакта щетки. Это уменьшает трение щетки в направляющих щеткодержателя и тем обеспечивается более надежный контакт щетки с кольцом. Часто щеткодержатель и регулятор напряжения образуют неразборный единый узел.
Выпрямительные узлы применяются двух типов - либо это пластины-теплоотводы, в которые запрессовываются (или припаиваются) диоды силового выпрямителя или на которых распаиваются и герметизируются кремниевые переходы этих диодов, либо это конструкции с сильно развитым оребрением, в которых диоды, обычно таблеточного типа, припаиваются к теплоотводам. Диоды дополнительного выпрямителя имеют обычно пластмассовый корпус цилиндрической формы или в виде горошины или выполняются в виде отдельного герметизированного блока, включение в схему которого осуществляется шинками. Включение выпрямительных блоков в схему генератора осуществляется распайкой или сваркой выводов фаз на специальных монтажных площадках выпрямителя или винтами. Наиболее опасным для генератора и особенно для проводки автомобильной бортовой сети является перемыкание пластинтеплоотводов, соединенных с "массой" и выводом "+" генератора случайно попавшими между ними металлическими предметами или проводящими мостиками, образованными загрязнением, т.к. при этом происходит короткое замыкание по цепи аккумуляторной батареи и возможен пожар. Во избежание этого пластины и другие части выпрямителя генераторов некоторых фирм частично или полностью покрывают изоляционным слоем. В монолитную конструкцию выпрямительного блока теплоотводы объединяются в основном монтажными платами из изоляционного материала, армированными соединительными шинками.
Подшипниковые узлы генераторов это, как правило, радиальные шариковые подшипники с одноразовой закладкой пластичной смазки на весь срок службы и одно или двухсторонними уплотнениями, встроенными в подшипник. Роликовые подшипники применяются только со стороны контактных колец и достаточно редко, в основном, американскими фирмами. Посадка шариковых подшипников на вал со стороны контактных колец - обычно плотная, со стороны привода - скользящая, в посадочное место крышки наоборот - со стороны контактных колец - скользящая, со стороны привода - плотная. Так как наружная обойма подшипника со стороны контактных колец имеет возможность проворачиваться в посадочном месте крышки, то подшипник и крышка могут вскоре выйти из строя, возникнет задевание ротора за статор. Для предотвращения проворачивания подшипника в посадочное место крышки помещают различные устройства - резиновые кольца, пластмассовые стаканчики, гофрированные стальные пружины и т. п.
Конструкцию регуляторов напряжения в значительной мере определяет технология их изготовления. При изготовлении схемы на дискретных элементах, регулятор обычно имеет печатную плату, на которой располагаются эти элементы. При этом некоторые элементы, например, настроечные резисторы могут выполняться по толстопленочной технологии. Гибридная технология предполагает, что резисторы выполняются на керамической пластине и соединяются с полупроводниковыми элементами - диодами, стабилитронами, транзисторами, которые в бескорпусном или корпусном исполнении распаиваются на металлической подложке. В регуляторе, выполненном на монокристалле кремния, вся схема регулятора размещена в этом кристалле. Гибридные регуляторы напряжения и регуляторы напряжения на монокристалле ни разборке, ни ремонту не подлежат.
Охлаждение генератора осуществляется одним или двумя вентиляторами, закрепленными на его валу. При этом у традиционной конструкции генераторов (рис. 7,а) воздух засасывается центробежным вентилятором в крышку со стороны контактных колец. У генераторов, имеющих щеточный узел, регулятор напряжения и выпрямитель вне внутренней полости и защищенных кожухом, воздух засасывается через прорези этого кожуха, направляющие воздух в наиболее нагретые места - к выпрямителю и регулятору напряжения. На автомобилях с плотной компоновкой подкапотного пространства, в котором температура воздуха слишком велика, применяют генераторы со специальным кожухом (рис. 7,б), закрепленным на задней крышке и снабженным патрубком со шлангом, через который в генератор поступает холодный и чистый забортный воздух. Такие конструкции применяются, например, на автомобилях BMW. У генераторов "компактной" конструкции охлаждающий воздух забирается со стороны как задней, так и передней крышек.
Рис. 7. Система охлаждения генераторов.
а - генераторы обычной конструкции; б - генераторы для повышенной температуры в подкапотном пространстве; в - генераторы компактной конструкции.
Стрелками показано направление воздушных потоков
Генераторы большой мощности, устанавливаемые на спецавтомобили, грузовики и автобусы имеют некоторые отличия. В частности, в них встречаются две полюсные системы ротора, насаженные на один вал и, следовательно, две обмотки возбуждения, 72 паза на статоре и т. п. Однако принципиальных отличий в конструктивном исполнении этих генераторов от рассмотренных конструкций нет.
Привод генераторов
Привод генераторов осуществляется от шкива коленчатого вала ременной передачей. Чем больше диаметр шкива на коленчатом валу и меньше диаметр шкива генератора (отношение диаметров называют передаточным отношением), тем выше обороты генератора, соответственно, он способен отдать потребителям больший ток.
Привод клиновым ремнем не применяется для передаточных отношений больше 1,7-3. Прежде всего это связано с тем, что при малых диаметpax шкивов клиновой ремень усиленно изнашивается.
На современных моделях, как правило, привод осуществляется поликлиновым ремнем. Благодаря большей гибкости он позволяет устанавливать на генераторе шкив малого диаметра и, следовательно, получать более высокие передаточные отношения, то есть использовать высокооборотные генераторы. Натяжение поликлинового ремня осуществляется, как правило, натяжными роликами при неподвижном генераторе.
Крепление генератора
Генераторы крепятся в передней части двигателя болтами на специальных кронштейнах. Крепежные лапы и натяжная проушина генератора находятся на крышках. Если крепление осуществляется двумя лапами, то они расположены на обеих крышках, если лапа одна - она находится на передней крышке. В отверстии задней лапы (если крепежные лапы - две) обычно имеется дистанционная втулка, устраняющая зазор между кронштейном двигателя и посадочным местом лапы.
Выпрямитель 1 содержит шесть диодов VD1 — VD6, образующих два пле-ча: в одном аноды трех диодов VD1 — VD3 соединены с выводом «+» генератора, а в другом катоды диодов VD4 — VD6 - с выводом «-». В принятой на автомобилях однопроводной схеме минусовой вывод соединен с массой. К выпрямителю подведены выводы фазных обмоток статора генератора (на рисунке показано соединение в звезду). Наведенные в обмотках фаз переменные напря-жения иф1 — ифз сдвинуты на 1/3 периода, что характерно для трехфазной системы.
Выпрямитель переменного тока
Диоды выпрямителя при изменении трехфазного напряжения во времени переходят из закрытого состояния в открытое, в результа-те ток нагрузки имеет только одно направление — от вывода «+» генератора к выводу «-».
Рис. 8. Схема генераторной установки (а) и диаграммы напряжений (б):
1-трехфазный мостовой выпрямитель; 2-дополнительный выпрями-тель; 3-регулятор напряжения
Как видно из рисунка 8 б, в момент времени 0, напряжение в об-мотке L1 отсутствует; в обмотке L3 положительное, а в обмотке L2 отрицательное. За положительное напряжение принято направле-ние стрелки к средней точке 0 обмотки статора. Вы-прямленный ток поступает к потребителям в направлении стрелок через находящиеся в открытом состоянии диоды VD3 и VD4.
В момент времени t1 напряжение в обмотке L2 отсутствует, в обмотке L1 положительное, а в обмотке L3 отрицательное. Вы-прямленный ток поступает к потребителям через диоды VD1 и VD5. В каждом плече выпрямителя в течение приблизительно 1/3 периода открыт один диод.
Линейное напряжение при соединении в звезду в 1,73 раза больше, чем при соединении в треугольник. Поэтому при соедине-нии в треугольник в обмотке статора должно быть больше витков, чем при соединении в звезду. Однако ток фазы при соединении в треугольник в 1,73 раза меньше, чем при соединении в звезду. Со-единение обмотки статора в треугольник для генераторов большой мощности позволяет выполнить ее из более тонкого провода.
Выпрямители некоторых генераторов имеют дополнительное плечо, соединенное со средней точкой 0 обмотки статора. Такая схема позволяет увеличить мощность генератора на 15…20% за счет действия третьих гармонических составляющих фазного на-пряжения.
Выпрямленное напряжение Ud имеет пульсирующий характер. Аккумуляторная батарея GB служит своеобразным фильтром, сглаживающим выпрямленное напряжение генератора, при этом ток батареи получается пульсирующим.
В вентильном генераторе диоды выпрямителя не проводят ток от аккумуляторной батареи к обмотке статора, в связи с чем отсут-ствует необходимость в реле обратного тока. Это значительно уп-рощает схему генераторной установки. При длительной стоянке автомобиля возможна разрядка аккумуляторной батареи на обмот-ку возбуждения. Поэтому в некоторых моделях автомобильных ге-нераторов обмотку возбуждения подсоединяют к дополнительному выпрямителю 2. Дополнительный выпрямитель выполнен на трех диодах VD7- VD9, аноды которых соединены с выводом Д. На об-мотку возбуждения в этом случае подается только напряжение от генератора через дополнительный выпрямитель 2 и плечо выпря-мителя 1 с диодами VD4-VD6.
Использование дополнительного выпрямителя имеет и негатив-ную сторону, связанную с самовозбуждением генератора. Генера-тор может самовозбудиться при наличии в нем остаточного маг-нитного потока и достаточно низком сопротивлении цепи возбуж-дения. Поэтому для появления напряжения в рабочем диапазоне частот вращения его ротора в схеме используется контрольная лампа HL обеспечивающая надежное возбуждение генератора.
Существенным недостатком щеточных генераторов, является наличие контактного узла, со-стоящего из электрических щеток и колец, через который к вращающейся обмотке возбуждения подводится ток. Узел этот подвержен изна-шиванию. Пыль, грязь, топливо и масло, попадая на контактный узел, быстро выводят его из строя.
Регуляторы напряжения
Регуляторы поддерживают напряжение генератора в определенных пределах для оптимальной работы электроприборов, включенных в бортовую сеть автомобиля. Все регуляторы напряжения имеют измерительные элементы, являющиеся датчиками напряжения, и исполнительные элементы, осуществляющие его регулирование.
В вибрационных регуляторах измерительным и исполнительным элементом является электромагнитное реле. У контактно-транзисторных регуляторов электромагнитное реле находится в измерительной части, а электронные элементы - в исполнительной части. Эти два типа регуляторов в настоящее время полностью вытеснены электронными.
Полупроводниковые бесконтактные электронные регуляторы, как правило, встроены в генератор и объединены со щеточным узлом. Они изменяют ток возбуждения путем изменения времени включения обмотки ротора в питающую сеть. Эти регуляторы не подвержены разрегулировке и не требуют никакого обслуживания, кроме контроля надежности контактов.
Регуляторы напряжения обладают свойством термокомпенсации - изменения напряжения, подводимого к аккумуляторной батарее, в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для оптимального заряда АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение должно подводиться к батарее и наоборот. Величина термокомпенсации достигает до 0,01 В на 1°С. Некоторые модели выносных регуляторов (2702.3702, РР-132А, 1902.3702 и 131.3702) имеют ступенчатые ручные переключатели уровня напряжения (зима/лето).
Принцип действия регулятора напряжения
В настоящее время все генераторные установки оснащаются полупроводниковыми электронными регуляторами напряжения, как правило встроенными внутрь генератора. Схемы их исполнения и конструктивное оформление могут быть различны, но принцип работы у всех регуляторов одинаков. Напряжение генератора без регулятора зависит от частоты вращения его ротора, магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, а, следовательно, от силы тока в этой обмотке и величины тока, отдаваемого генератором потребителям. Чем больше частота вращения и сила тока возбуждения, тем больше напряжение генератора, чем больше сила тока его нагрузки - тем меньше это напряжение.
Функцией регулятора напряжения является стабилизация напряжения при изменении частоты вращения и нагрузки за счет воздействия на ток возбуждения. Конечно можно изменять ток в цепи возбуждения введением в эту цепь дополнительного резистора, как это делалось в прежних вибрационных регуляторах напряжения, но этот способ связан с потерей мощности в этом резисторе и в электронных регуляторах не применяется. Электронные регуляторы изменяют ток возбуждения путем включения и отключения обмотки возбуждения от питающей сети, при этом меняется относительная продолжительность времени включения обмотки возбуждения. Если для стабилизации напряжения требуется уменьшить силу тока возбуждения, время включения обмотки возбуждения уменьшается, если нужно увеличить — увеличивается.
Принцип работы электронного регулятора удобно продемонстрировать на достаточно простой схеме регулятора типа ЕЕ 14V3 фирмы Bosch, представленной на рис. 9:
Рис. 9. Схема регулятора напряжения EE14V3 фирмы BOSCH:
1 - генератор, 2 - регулятор напряжения, SA - замок зажигания, HL - контрольная лампа на панели приборов
Чтобы понять работу схемы, следует вспомнить, что, как было показано выше, стабилитрон не пропускает через себя ток при напряжениях, ниже величины напряжения стабилизации. При достижении напряжением этой величины, стабилитрон "пробивается" и по нему начинает протекать ток. Таким образом, стабилитрон в регуляторе является эталоном напряжения с которым сравнивается напряжение генератора. Кроме того известно, что транзисторы пропускают ток между коллектором и эмиттером, т.е. открыты, если в цепи "база - эмиттер" ток протекает, и не пропускают этого тока, т.е. закрыты, если базовый ток прерывается. Напряжение к стабилитрону VD2 подводится от вывода генератора "D+" через делитель напряжения на резисторах R1(R3 и диод VD1, осуществляющий температурную компенсацию. Пока напряжение генератора невелико и напряжение на стабилитроне ниже его напряжения стабилизации, стабилитрон закрыт, через него, а, следовательно, и в базовой цепи транзистора VT1 ток не протекает, транзистор VT1 также закрыт. В этом случае ток через резистор R6 от вывода "D+" поступает в базовую цепь транзистора VT2, который открывается, через его переход эмиттер - коллектор начинает протекать ток в базе транзистора VT3, который также открывается. При этом обмотка возбуждения генератора оказывается подключена к цепи питания через переход эмиттер - коллектор VT3.
Соединение транзисторов VT2 и VT3, при котором их коллекторные выводы объединены, а питание базовой цепи одного транзистора производится от эмиттера другого, называется схемой Дарлингтона. При таком соединении оба транзистора могут рассматриваться как один составной транзистор с большим коэффициентом усиления. Обычно такой транзистор и выполняется на одном кристалле кремния. Если напряжение генератора возросло, например, из-за увеличения частоты вращения его ротора, то возрастает и напряжение на стабилитроне VD2, при достижении этим напряжением величины напряжения стабилизации, стабилитрон VD2 "пробивается", ток через него начинает поступать в базовую цепь транзистора VT1, который открывается и своим переходом эмиттер - коллектор закорачивает вывод базы составного транзистора VT2, VT3 на "массу". Составной транзистор закрывается, разрывая цепь питания обмотки возбуждения. Ток возбуждения спадает, уменьшается напряжение генератора, закрываются стабилитрон VT2, транзистор VT1, открывается составной транзистор VT2,VT3, обмотка возбуждения вновь включается в цепь питания, напряжение генератора возрастает и процесс повторяется. Таким образом регулирование напряжения генератора регулятором осуществляется дискретно через изменение относительного времени включения обмотки возбуждения в цепь питания. При этом ток в обмотке возбуждения изменяется так, как показано на рис.10. Если частота вращения генератора возросла или нагрузка его уменьшилась, время включения обмотки уменьшается, если частота вращения уменьшилась или нагрузка возросла - увеличивается. В схеме регулятора (см. рис.9) имеются элементы, характерные для схем всех применяющихся на автомобилях регуляторов напряжения. Диод VD3 при закрытии составного транзистора VT2,VT3 предотвращает опасные всплески напряжения, возникающие из-за обрыва цепи обмотки возбуждения со значительной индуктивностью. В этом случае ток обмотки возбуждения может замыкаться через этот диод и опасных всплесков напряжения не происходит. Поэтому диод VD3 носит название гасящего. Сопротивление R7 является сопротивлением жесткой обратной связи.
Рис. 10. Изменение силы тока в обмотке возбуждения JB по времени t при работе регулятора напряжения:
tвкл, tвыкл - соответственно время включения и выключения обмотки возбуждения регулятора напряжения; n1 n2 - частоты вращения ротора генератора, причем n2 больше n1; JB1 и JB2 - средние значения силы тока в обмотке возбуждения
При открытии составного транзистора VT2, VT3 оно оказывается подключенным параллельно сопротивлению R3 делителя напряжения, при этом напряжение на стабилитроне VT2 резко уменьшается, это ускоряет переключение схемы регулятора и повышает частоту этого переключения, что благотворно сказывается на качестве напряжения генераторной установки. Конденсатор С1 является своеобразным фильтром, защищающим регулятор от влияния импульсов напряжения на его входе. Вообще конденсаторы в схеме регулятора либо предотвращают переход этой схемы в колебательный режим и возможность влияния посторонних высокочастотных помех на работу регулятора, либо, ускоряют переключение транзисторов. В последнем случае конденсатор, заряжаясь в один момент времени, разряжается на базовую цепь транзистора в другой момент, ускоряя броском разрядного тока переключение транзистора и, следовательно, снижая его нагрев и потери энергии в нем.
Из рис.9 хорошо видна роль лампы HL контроля работоспособного состояния генераторной установки (лампа контроля заряда на панели приборов автомобиля). При неработающем двигателе автомобиля замыкание контактов выключателя зажигания SA позволяет току от аккумуляторной батареи GA через эту лампу поступать в обмотку возбуждения генератора. Этим обеспечивается первоначальное возбуждение генератора. Лампа при этом горит, сигнализируя, что в цепи обмотки возбуждения нет обрыва. После запуска двигателя, на выводах генератора "D+" и "В+" появляется практически одинаковое напряжение и лампа гаснет. Если генератор при работающем двигателе автомобиля не развивает напряжения, то лампа HL продолжает гореть и в этом режиме, что является сигналом об отказе генератора или обрыве приводного ремня. Введение резистора R в генераторную установку способствует расширению диагностических способностей лампы HL. При наличии этого резистора в случае обрыва цепи обмотки возбуждения при работающем двигателе автомобиля лампа HL загорается. В настоящее время все больше фирм переходит на выпуск генераторных установок без дополнительного выпрямителя обмотки возбуждения. В этом случае в регулятор заводится вывод фазы генератора. При неработающем двигателе автомобиля, напряжение на выводе фазы генератора отсутствует и регулятор напряжения в этом случае переходит в режим, препятствующий разряду аккумуляторной батареи на обмотку возбуждения. Например, при включении выключателя зажигания схема регулятора переводит его выходной транзистор в колебательный режим, при котором ток в обмотке возбуждения невелик и составляет доли ампера. После запуска двигателя сигнал с вывода фазы генератора переводит схему регулятора в нормальный режим работы. Схема регулятора осуществляет в этом случае и управление лампой контроля работоспособного состояния генераторной установки.
Рис. 11. Температурная зависимость напряжения, поддерживаемого регулятором EE14V3 фирмы Bosch при частоте вращения 6000 мин-1 и силе тока нагрузки 5А
Аккумуляторная батарея для своей надежной работы требует, чтобы с понижением температуры электролита, напряжение, подводимое к батарее от генераторной установки, несколько повышалось, а с повышением температуры - уменьшалось. Для автоматизации процесса изменения уровня поддерживаемого напряжения применяется датчик, помещенный в электролит аккумуляторной батареи и включенный в схему регулятора напряжения. Но это удел только продвинутых автомобилей. В простейшем же случае термокомпенсация в регуляторе подобрана таким образом, что в зависимости от температуры поступающего в генератор охлаждающего воздуха напряжение генераторной установки изменяется в заданных пределах. На рис.11 показана температурная зависимость напряжения, поддерживаемая регулятором EE14V3 фирмы Bosch в одном из рабочих режимов. На графике указано также поле допуска на величину этого напряжения. Падающий характер зависимости обеспечивает хороший заряд аккумуляторной батареи при отрицательной температуре и предотвращение усиленного выкипания ее электролита при высокой температуре. По этой же причине на автомобилях, предназначенных специально для эксплуатации в тропиках, устанавливают регуляторы напряжения с заведомо более низким напряжением настройки, чем для умеренного и холодного климатов.
Работа генераторной установки на разных режимах
При пуске двигателя основным потребителем электроэнергии является стартер, сила тока достигает сотен ампер, что вызывает значительное падение напряжения на выводах аккумулятора. В этом режиме потребители электроэнергии питаются только от аккумулятора, который интенсивно разряжается. Сразу после пуска двигателя генератор становится основным источником электроснабжения. Он обеспечивает требуемый ток для заряда аккумулятора и работы электроприборов. После подзарядки аккумулятора разность его напряжения и генератора становится небольшой, что приводит к снижению зарядного тока. Источником электропитания по-прежнему является генератор, а аккумулятор сглаживает пульсации напряжения генератора.
При включении мощных потребителей электроэнергии (например, обогревателя заднего стекла, фар, вентилятора отопителя и т.п.) и небольшой частоте вращения ротора (малые обороты двигателя) суммарный потребляемый ток может быть больше, чем способен отдать генератор. В этом случае нагрузка ляжет на аккумулятор, и он начнет разряжаться, что можно контролировать по показаниям дополнительного индикатора напряжения или вольтметра.
При установке аккумуляторной батареи на автомобиль убедитесь в правильной полярности подключения. Ошибка приведет к немедленному выходу из строя выпрямителя генератора, может возникнуть пожар. Такие же последствия возможны при запуске двигателя от внешнего источника тока (прикуривании) при неправильной полярности подключения.
При эксплуатации автомобиля необходимо:
- следить за состоянием электропроводки, особенно за чистотой и надежностью соединения контактов проводов, подходящих к генератору, регулятору напряжения. При плохих контактах бортовое напряжение может выйти за допустимые пределы;
- отсоединить все провода от генератора и от аккумулятора при электросварке кузовных деталей автомобиля;
- следить за правильным натяжением ремня генератора. Слабо натянутый ремень не обеспечивает эффективную работу генератора, натянутый слишком сильно приводит к разрушению его подшипников;
- немедленно выяснить причину загорания контрольной лампы генератора.
Недопустимо производить следующие действия:
- оставлять автомобиль с подключенным аккумулятором при подозрении на неисправность выпрямителя генератора. Это может привести к полному разряду аккумулятора и даже к возгоранию электропроводки;
- проверять работоспособность генератора замыканием его выводов на "массу" и между собой;
- проверять исправность генератора путем отключения аккумуляторной батареи при работающем двигателе из-за возможности выхода из строя регулятора напряжения, электронных элементов систем впрыска, зажигания, бортового компьютера и т. д.;
- допускать попадание на генератор электролита, "Тосола" и т. д.
Электрическая машина, служащая для преобразования механической энергии в электрический ток, называется автомобильным генератором. Функция генератора, которую он выполняет в автомобиле – это зарядка батареи аккумулятора и питание электрического оборудования при двигателе, находящемся в рабочем состоянии. В качестве автомобильного генератора служит генератор переменного тока.
Располагается генератор в двигателе чаще всего в его передней части, приводится от коленного вала. На гибридных автомобилях генератор выполняет работу стартер-генератора, подобная же схема используется и в некоторых других конструкциях системы стоп-старт. В настоящее время фирмы Denso, Delphe и Bosch занимают первые места в мире по выпуску генераторов.
Существует два вида конструкций автомобильных генераторов: ком-пактная и традиционная. Отличия, характеризующие эти виды, состоят из разницы в компоновке вентилятора, разнятся устройством корпуса, выпрямительным узлом и приводным шкивом, геометрическими размерами. Общие параметры, имеющиеся в обоих видах автомобильных генераторов, это:
- Ротор;
- Статор;
- Корпус;
- Регулятор напряжения;
- Выпрямительный блок;
- Щёточный узел.
| 1 – поджимная втулка | 14 – вывод «67» |
| 2 – втулка | 15 – штекер нулевого провода |
| 3 – буферная втулка | 16 – шпилька крепления генератора |
| 4 – задняя крышка | 17 – крыльчатка вентилятора |
| 5 – винт крепления выпрямительного блока | 18 – шкив |
| 6 – выпрямительный блок | 19 – пластины |
| 7 – вентиль (диод) | 20 – кольцо |
| 8 – задний подшипник | 21 – передний подшипник |
| 9 – контактные кольца | 22 – обмотка ротора |
| 10 – вал ротора | 23 – ротор |
| 11 – щетки | 24 – обмотка статора |
| 12 – вывод «30» | 25 – статор |
| 13 – щеткодержатель | 26 – передняя крышка |
| 1 – кожух | 17 – шкив |
| 2 – вывод «В+» для подключения потребителей | 18 – гайка |
| 3 – помехоподавляющий конденсатор 2,2 мкФ | 19 – вал ротора |
| 4 – общий вывод дополнительных диодов (присоединяется к выводу «D+» регулятора напряжения) | 20 – передний подшипник вала ротора |
| 5 – держатель положительных диодов выпрямительного блока | 21 – клювообразные полюсные наконечники ротора |
| 6 – держатель отрицательных диодов выпрямительного блока | 22 – обмотка ротора |
| 7 – выводы обмотки статора | 23 – втулка |
| 8 – регулятор напряжения | 24 – стяжной винт |
| 9 – щеткодержатель | 25 – задний подшипник ротора |
| 10 – задняя крышка | 26 – втулка подшипника |
| 11 – передняя крышка | 27 – контактные кольца |
| 12 – сердечник статора | 28 – отрицательный диод |
| 13 – обмотка статора | 29 – положительный диод |
| 14 – дистанционное кольцо | 30 – дополнительный диод |
| 15 – шайба | 31 – вывод «D» (общий вывод дополнительных диодов) |
| 16 – конусная шайба |
1 - генератор; 2 - отрицательный диод; 3 - дополнительный диод; 4 - положительный диод; 5 - контрольная лампа разряда аккумуляторной батареи; 6 - комбинация приборов; 7 - вольтметр; 8 - монтажный блок; 9 - дополнительные резисторы по 100 Ом, 2 Вт; 10 - реле зажигания; 11 - выключатель зажигания; 12 - аккумуляторная батарея; 13 - конденсатор; 14 - обмотка ротора; 15 - регулятор напряжения
Главная задача ротора – создать вращающееся магнитное поле, для этой цели на валу ротора и расположена обмотка возбуждения. Она помещается в две половины полюса, в каждой полюсной половине имеется шесть выступов – они называются клювами. Ещё на валу имеются контактные кольца, их два, и именно через них идёт питание обмотки возбуждения. Кольца, чаще всего, изготавливаются из меди, достаточно редко встречаются стальные кольца или латунные. Непосредственно к кольцам припаяны выводы обмотки возбуждения.
На валу ротора размещается одна либо две крыльчатки вентилятора (их количество зависит от конструкции) и закреплён ведомый приводной шкив. Два шариковых необслуживаемых подшипника составляют подшипниковый узел ротора. Со стороны контактных колец на валу также может быть расположен роликовый подшипник.
Статор необходим для создания переменного электрического тока, объединяет металлический сердечник и обмотки, сердечник набран из пластин, они изготовлены из стали. Имеет 36 пазов для навивки обмоток, в этих пазах укладываются обмотки, количество их три штуки, они образуют трёхфазное соединение. Есть два способа укладки обмоток в пазы – волновой способ и петлевой. Между собой обмотки соединяются по схемам «звезда» и «треугольник».
Что представляют собой эти схемы?
- «Звезда» – одни концы обмоток соединяются в одной точке, а другие концы – это выводы;
- «Треугольник» – кольцевое соединение концов обмоток в последовательности, выводы исходят из точек соединения.
Щёточный узел служит для обеспечения передачи тока возбуждения на кольца контакта. Он состоит из двух графитных щёток, пружин, которые их прижимают, и щёткодержателя. В генераторах современных машин щёткодержатель находится с регулятором напряжения в едином неразборном узле.
Выпрямительный блок выполняет функцию преобразования синусоидального напряжения, который вырабатывает генератор, в напряжение постоянного тока бортовой сети автомобиля. Это пластины, которые выполняют роль теплоотводов, со смонтированными диодами. В блоке – шесть силовых полупроводниковых диодов, на каждую фазу – по два диода, один на «положительный», а другой на «отрицательный» вывод генератора.
На многих генераторах обмотка возбуждения подключается через отдельную группу, которая состоит из двух диодов. Эти выпрямители препятствуют прохождению тока разряда аккумуляторной батареи через обмотку при неработающем двигателе. Когда обмотки соединены по принципу «звезда», на нулевом выводе устанавливается два силовых диода дополнительно, позволяя увеличивать мощность генератора до 15 процентов. Выпрямительный блок выключается в схему генератора на специальных монтажных площадках посредством пайки, сварки, или соединения болтами.
Регулятор напряжения – его предназначение поддерживать напряжение генератора в определённых пределах. В настоящее время генераторы оснащены полупроводниковыми электронными (или интегральными) регуляторами напряжения.
Конструкции регуляторов напряжения:
- гибридное исполнение – использование радиоэлементов и электронных приборов в электронной схеме вместе;
- интегральное исполнение – все компоненты регулятора (не считая выходного каскада) исполнены с помощью тонкоплёночной микроэлектронной технологии.
Регулятор напряжения производит изменение напряжения, подводимого для заряжания аккумуляторной батареи термокомпенсацией напряжения (зависимостью от t воздуха). Чем выше температура воздуха, тем меньшее напряжение идёт к аккумуляторной батарее.
Привод генератора происходит с помощью ременной передачи, обеспечивает вращение ротора со скоростью, превышающей частоту вращения коленчатого вала в два-три раза. В разных конструкциях генератора может использоваться поликлиновый или же клиновый ремень:
- Клиновый ремень имеет предпосылки для быстрого изнашивания, (это зависит от определённого диаметра шкива) так как область применения клинового ремня ограничивается размерами ведомого шкива.
- Поликлиновый ремень считается более универсальным, применим при небольших диаметрах ведомого шкива, с его помощью реализуется большее передаточное число. Современные модели генераторов имеют в своих конструкциях поликлиновый ремень.
Когда в замке зажигания поворачивается ключ, на обмотку возбуждения поступает ток через щёточный узел и контактные кольца. В обмотке наводится магнитное поле. Ротор генератора начинает двигаться с вращением коленчатого вала. Обмотки статора пронизываются магнитным полем ротора. На выводах обмоток статора возникает переменное напряжение. С достижением определённой частоты вращения, обмотка возбуждения запитывается непосредственно от генератора, то есть, генератор переходит в режим самовозбуждения.
Переменное напряжение преобразуется выпрямительным блоком в постоянное. В этом состоянии генератор занимается обеспечением требуемого тока для зарядки питания потребителей и аккумуляторной батареи.
Регулятор напряжения включается в работу при изменении нагрузки и частоты вращения коленчатого вала. Он занимается регулировкой времени включения обмотки возбуждения. Время включения обмотки возбуждения уменьшается при уменьшении внешней нагрузки и возрастании частоты вращения генератора. Время увеличивается при увеличении нагрузки и уменьшении частоты вращения. Когда же потребляемый ток превышает возможности генератора, включается в работу аккумуляторная батарея. На панели приборов имеется контрольная лампа, контролирующая работоспособное состояние генератора.
Основные параметры генератора:
- номинальное напряжение;
- номинальная частота возбуждения;
- номинальный ток;
- частота самовозбуждения;
- КПД (коэффициент полезного действия).
Токоскоростная характеристика – это зависимость силы тока от частоты вращения генератора.
Кроме номинальных значений, токоскоростная характеристика имеет и другие точки:
- минимальный ток и минимальную рабочую частоту вращения (40-50% от номинального тока составляет минимальный ток);
- максимальный ток и максимальную частоту вращения (не более чем на 10% максимальный ток превышает номинальный).
Видео
