Электрическая схема включения генератора. Генератор авто. Устройство и как работает. Крепление автомобильного генератора

Автомобиль хотя и работает на бензине, но содержит в себе множество устройств работающих от электричества. Главным источником электрической энергии в машине является автомобильный генератор . По сути дела это внутренняя электростанция, которая преобразует вращение двигателя внутреннего сгорания в электричество. Этим электричеством питаются все электроприборы автомобиля, в том числе за счет этого подзаряжается аккумуляторная батарея, также представляющая собой источник электричества при неработающем двигателе.

представлена на следующем рисунке.

G – генератор;
Ph1…Ph3 – обмотки трёхфазного статора;
VD+ – силовой выпрямитель, положительные диоды;
VD1- – силовой выпрямитель, отрицательные диоды;
C – конденсатор, выравнивающий высокочастотные всплески напряжения;
B+ – положительный силовой выход гeнeрaтopнoй устaнoвки;
VD1d+ – элементы oбмoтки вoзбуждeния;
Ex – вoзбуждающая обмотка;
VR – вольт-рeгулятop нaпpяжeния;
Accu – aккумулятoрнaя бaтaрeя;
+ – положительный выхoд aккумулятopнoй бaтaрeи;
IgnSw – переключатель зажигания;
H – индикaтop зapядa;
D+ – выxод "D+" гeнeрирующей устaнoвки;
DF – выхoд упрaвлeния возбуждающей oбмoткoй;
R – потребляющие устройства.

Схема подключения автомобильного генератора и принцип его работы аналогичен для любых автомобилей. Отличия связаны только с качеством производства, мощностью и компоновкой узлов в моторе. На все современные машины устанавливаются генераторные установки переменного тока, включающие сам и регулятор напряжения. Регулятор нормирует силу тока в обмотке вoзбуждeния, за счет этого варьируется мощность генераторной установки при неизменном напряжении на силовых выходных клеммах.

Современные автомобили дополнительно оснащаются электронным блоком на регуляторе напряжения, помощью чего бортовой компьютер контролирует величину нагрузки на генераторную установку.

В основе схемы автомобильного генератора лежит принцип электромагнитной индукции . Если катушку из медного провода вращать в магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами или обмоткой возбуждения питаемой от аккумулятора, то в медном проводе образуется (индуцируется) электрический ток. Как правило, обмотка в которой генерируется рабочее напряжение электрического тока располагается в статоре. Обмотка возбуждения располагается на роторе (вращающемся вале).

Для того чтобы обеспечить нормальную работу автомобиля необходим автогенератор. Это устройство позволяет преобразовать энергию движения в электрический ток.

Как выглядит автомобильный генератор

Генератор тока необходим для электропитания светотехнической продукции, зарядки АКБ (аккумуляторной батареи), измерительных приборов, подключения бортового компьютера и др.

Генератор постоянного тока

Первыми для автомобилей были применены генераторы постоянного тока , которые обладали массой недостатков. Внедрение новых выпрямителей нового типа (кремниевых и селеновых) позволило применять для транспорта генераторы переменного тока, которые позволили повысить эффективность установки и обеспечить большую мощность при одинаковом входном токе.

Как выглядит современный генератор

На автотранспорте, производившемся до середины 60-х гг. ХХ века применяли генераторы постоянного тока.

Главным недостатком устройств являлся быстрый выход из строя оборудования, несовершенная схема подключения, малая мощность установки, необходимость постоянного контроля и обслуживания оборудования, притом, что выходная мощность была незначительна.

Электрическая схема авто включает в себя реле регулятора напряжения. В статоре расположена обмотка возбуждения, которая соединяется параллельно с силовой обмоткой (на якоре генератора) пружинными щётками.

Общий вид регулятора напряжения

Устройство и принцип работы генератора

Статор трёхобмоточный (звезда).
Ротор с обмоткой возбуждения. Ток на него подаётся посредством подключения контактных колец и щёток.
Выпрямительный щит состоит из 6 полупроводниковых диодов. Преобразовывает ток в постоянный, и направляет в электрическую сеть автомобиля. Выполняет также функцию реле обратного тока.
Стабилизатор напряжения. Позволяет контролировать значение токовых нагрузок на обмотках возбуждения, т. е. стабилизирует уровень напряжения в устройстве. Обычно выполнен в одном корпусе. Схема выполняется в трёх вариантах: бесконтактные (исключено электромагнитное реле; регулировка переменного тока осуществляется электронным ключом); контактно-транзисторные (управление осуществляется транзисторами); вибрационные (контроль осуществляется электромагнитным реле).
Реле включения индикации работы генератора переменного тока. Работает от 2-х фаз источника либо от нуля выпрямителя.

Вид пружинной щёточки

Токовые ограничители не предусмотрены, т. к. схема включает в себя самоограничительные элементы.

Преимущества:

уменьшение габаритов генераторов автомобилей;
высокая надёжность и безаварийность.
получение генераторов большей мощности в сравнении с моделями на постоянном токе.

Реле регулятора

Устройство состоит из трёх основных элементов:

ОТ (ограничитель тока) – составная часть реле, которая контролирует ток. При превышении постоянного тока выше заданного происходит отключение устройства. Включается в схему последовательно между генератором и выходным напряжением.Принцип работы: реле срабатывает при достижении постоянного тока заданного значения. Затем происходит подключение в электроцепь дополнительного сопротивления для уменьшения токовой нагрузки.

При отключённой нагрузке ОТ поддерживает параметры АКБ на одном уровне. Выход тока за верхнее предельное значение сопровождается разрядкой АКБ.

СН (Стабилизатор напряжения). Контролирует мощность магнитного потока на обмотке возбуждения статора. По достижении максимального значения напряжения срабатывает защита и в электроцепь включается дополнительное сопротивление, за счёт которого происходит снижение потенциала.

Стабилизатор напряжения, необходимый для контроля мощности магнитного потока

При понижении напряжения ниже рабочего реле исключает одно или несколько сопротивлений (посредством шунтов) и ток начинает повышаться.

РОТ (реле обратного тока). Устройство необходимо для автоматического включения и отключения генератора от внешней нагрузки при понижении (превышении) напряжения внешней цепи АКБ. Отсутствие РОТ влечёт за собой перегрев обмоток и бесконтрольную разрядку аккумуляторов.

Для полного контроля работы генератора электрическая схема дополнена реле включения лампы, которое сигнализирует о низком напряжении на обмотках и малой ёмкости аккумулятора.

ОТ и регулятор напряжения не могут работать одновременно. После достижения критической величины начинает работать ограничитель переменного тока.

Автогенератор на переменном токе

Работа основана на действии электромагнитной индукции – вращении постоянного магнита в прямоугольном поле.

Виды по конструктивным особенностям:

С вращающимися магнитными полюсами при неподвижном статоре. Нашли широкое применение за счёт отсутствия необходимости компенсировать токи большой величины на роторе.
Модели с неподвижным магнитным полем и подвижным якорем. Менее распространены из-за малой эффективности.

По типу возбуждения:

Возбуждение от постоянных магнитов.
Возбуждение осуществляется выпрямленным током. В конструкции отсутствуют щётки.
Возбуждение осуществляется от первичного маломощного генератора, установленного на одном валу с основным.
Питание обмотки возбуждения от автономного источника электрического тока, аккумуляторных батарей и др.

По количеству фаз: одно-, двух- и трёхфазные.

Каждое устройство содержит ротор, отлитый цельно из металла. Наконечники ротора изготовляют из листовой стали. Для обеспечения нормальной работы процесса магнитной индукции необходимо выдержать зазор.

На сердечники насажены катушки возбуждения, которые работают на постоянном токе. Подача переменного тока на автогенераторах переменного тока осуществляется за счёт щёток или контактных колец.

В современных моделях применяются генераторы на переменном токе. Выпрямитель выполнен в виде встроенного полупроводника.

Устройство и принцип работы автомобильного генератора

Основным узлом, какой приводит в действие механизм автомобиля, является автогенератор. Агрегат позволяет получить электрическую энергию за счёт преобразования механической. Обязательным элементом электросистемы автомобиля является реле регулятора напряжения, какой осуществляет контроль параметров системы.

Задачи регулятора напряжения:

Стабилизировать потенциал в сети при разбросе частоты вращения.
Исключить бесконтрольную разрядку аккумуляторной батареи. Низкое значение потенциала вызывает недозаряд, повышенное значение провоцирует быстрый выход из строя АКБ.

Устройство генератора постоянного тока:

Корпус. Открывается с двух сторон: со стороны контактных колец – задняя (в ней размещены подшипники и закреплён статор, находятся щётки и др. узлы, которые отвечают за выработку и контроль электрической энергии), передняя – со стороны шкива (присоединена к механической части автомобиля).
Статор. Цилиндрическая оболочка из листовой стали, в которой расположена трёхфазная обмотка. Этот узел вырабатывает электрическую энергию.
Ротор клювообразной формы, внутри которой расположены две втулки. В пространстве между ними находится обмотка возбуждения, напрямую присоединённая к медным контактным кольцам (цилиндрической формы).
Реле регулятора напряжения, необходимо для регулировки токовой нагрузки на автогенератор.
Шкив – устройство передачи механической энергии к генератору ременной передачи.
Выпрямители шестидиодные, которые распределены в двух группах, соединённых по три в положительный и отрицательный теплоотводы.
Подпружиненные щётки.
Защитная крышка.

Как выглядит шкив авто

Автогенератор переменного тока отличается габаритами, местом установки основных узлов и качеством. Схема и принцип работы генератор и составные части для всех моделей идентичны.

Автогенератор в сельской технике:

В тракторах не предусмотрена установка АКБ, поэтому на них устанавливают генераторы переменного тока с возбуждением на постоянных магнитах. На первых моделях применялись автогенераторы постоянного тока, которые запускались вручную. Реле регулятора напряжения был установлен на всех моделях.

При продольном устройстве двигателя автогенератор тока находится с наружной стороны картера, при поперечном – ротор закреплён на лицевой части коленчатого вала, а генератор в закрытом отсеке между коробкой передачи и картере ДВС.

На мототехнике схема производителя тока идентична автомобильным с АКБ. Для остальных моделей предусматривались конструкции на неодимовых магнитах.

Прикуривание должно проводиться с соблюдением правил безопасности, т. к. ток стартера на автомобиле-доноре значительно превышает допустимые токовые нагрузки на подключаемом генераторе. Наиболее частыми поломками данной ситуации является выход из строя регулятора напряжения.

Чтобы избежать выход из строя оборудования необходимо отключать ДВС и высвобождать клемму «-» на АКБ.

Для нормального движения ротора без нагрузки необходимо приложить 5% номинальной мощности устройства.

Вал генератора начинает оказывать сопротивление лишь при появлении магнитного поля статора, т. к. нагрузки (включение ламп, музыкальных устройств и др.)

Необходимая величина мощности, которая обеспечит питание обмотки возбуждения генератора, составляет 5% от общей выходной нагрузки.

Если сравнить машину с живым организмом, то её двигатель выполняет роль сердца, а в качестве нервной системы выступает генератор. Сможет ли автомобиль двигаться без этого агрегата? Да, сможет, однако недолго, пока не . Именно автомобильный генератор заряжает аккумулятор, поддерживая общее напряжение рабочей сети. Мы расскажем вам о принципе работы генератора и его основных элементах.

Как устроен агрегат

Ротор

Эта деталь, по сути, является электромагнитом, имеющим одну обмотку. Она расположена на валу. Поверх обмотки прикреплён специальный сердечник, диаметр которого на полтора-два миллиметра меньше, чем диаметр стартёра. Подачу тока обеспечивают медные кольца. Они также находятся на валу и соединяются с обмоткой специальными щёточками.

Обмотка

Стартёрная обмотка сделана из медной проволоки. Она крепится к пазам сердечника. Последний же сделан в виде окружности и производится из металла с повышенными магнитными свойствами. Этот материал называют трансформаторным железом. Так как генератор - это трёхфазный , стартёр оснащён тремя обмотками. Они связаны друг с другом и вместе напоминают треугольник.

В точке их соединения подключён выпрямительный мост. Проволока, из которой изготавливается обмотка, обеспечена двойной термоустойчивой изоляцией. В большинстве случаев для этого используется специальный лак.

Реле-регулятор

Ещё один важный элемент - реле-регулятор. Он являет собой электронную схему и имеет выход к графитным щёточкам. Реле-регулятор может быть установлен в корпусе генератора или отдельно от него. В первом случае он расположен рядом с графитными щётками, а во втором - щётки прикреплены к .

Выпрямительный мост

Деталь формируется с шести диодов. Последние располагаются на токопроводящем основании попарно и объединены друг с другом. На выходе переменное напряжение преобразовывается в постоянное. Мост также называют «подковой» из-за того, что внешне он напоминает это изделие.

На видео - устройство генератора:

Принцип работы генератора

Работа генератора автомобиля основана на принципе образования . Это происходит в обмотках статора. Электрическое напряжение порождается вследствие воздействия постоянного магнитного поля, образующегося вокруг сердечника. Мотор задействует ротор генератора с помощью ремённой передачи. На обмотку подаётся постоянное напряжение, которого достаточно для того, чтобы создать магнитный поток.

Когда сердечник вращается вдоль обмоток, в них возникает электродвижущая сила. Реле-регулятор налаживает силу магнитного потока в соответствии с нагрузкой, которая снимается с клеммы генератора. На выходе образуется напряжение в пределах 13,6–14,2 (это зависит от времени года). Этого достаточно для того, чтобы дозарядить и поддерживать её постоянно заряженной. Бортовая сеть тоже питается от плюсовой клеммы и включается параллельно с аккумулятором. Вне зависимости от того, какой вы купили генератор, устройство и принцип работы будут одинаковыми для всех образцов. Все подобные агрегаты работают одинаково.

На видео - принцип работы генератора:

Ни один автомобильный генератор не сможет работать без . Этот элемент обеспечивает поддержание постоянного напряжения, которое агрегат образовывает благодаря изменению силы тока, которое происходит в обмотках. Если ротор будет вращаться на высокой частоте без регулятора, напряжение может достигать пары десятков вольт. Это приведёт к перегоранию ламп и поломке обмоток, диодов и прочих приборов.

Типы регуляторов

По своей конструкции регуляторы напряжения делятся на две основные категории:

гибридные;
интегральные.

К первой группе относятся регуляторы, в электронной схеме которых одновременно применяются радиоэлементы и . В современных моделях автомобилей чаще всего используются интегральные регуляторы. Все компоненты таких устройств (за исключением выходного каскада) изготовлены на основе тонкоплёночной микроэлектронной технологии.

Контрольная лампа

Для того чтобы избежать проблем с регулятором, следите за контрольной лампой. Она располагается на приборной панели автомобиля. Если лампа горит, когда генератор работает, - это свидетельствует о неисправности регулятора напряжения или самого агрегата.

Крепление автомобильного генератора

Генератор автомобиля, как правило, крепится к передней части мотора с помощью болтов и специальных кронштейнов. На крышках располагаются крепёжные лапы и проушина устройства. Если генератор крепится с помощью двух лап - они находятся на двух крышках двигателя. Если же используется только одна крепёжная лапа - её располагают только на одной крышке (передней). Задняя лапа обычно имеет отверстие, в котором установлена дистанционная втулка. Она устраняет зазор, образующийся между кронштейном мотора и основанием лапы.

Разные режимы работы генераторной установки

Для того чтобы понять, автомобильный генератор, необходимо разобраться с режимами его функционирования. Первый режим, который мы рассмотрим, - это работа автомобильного генератора во время запуска двигателя. При запуске мотора электроэнергию в основном потребляет стартёр. В таком режиме сила тока очень большая, а это вызывает существенное снижение напряжения на выводе аккумулятора. Таким образом, потребители электроэнергии питаются только от аккумуляторной батареи, которая интенсивно разряжается.

Сразу же после запуска мотора генератор становится главным источником электропитания. Устройство обеспечивает ток, необходимый для зарядки аккумулятора и работы различных электрических приборов. После того как , уровень зарядного тока падает. Источником электроэнергии при этом остаётся генератор.

Когда включаются мощные потребители электроэнергии, такие как обогреватели фар или вентиляторы печки, ротор начинает медленно вращаться. Тогда генератор не может отдавать столько тока, сколько требуется. В таком режиме нагрузка перекладывается на аккумулятор, который быстро разряжается.

Заменить генератор в машине можно, но для этого необходимо соблюдать некоторые правила:

у нового агрегата должны быть такие же токоскоростные характеристики, как и у штатного;
энергетические параметры генераторов обязательно должны быть одинаковыми;
размеры нового генератора должны быть подходящими, чтобы можно было легко установить его на мотор;
у агрегатов должны быть одинаковые передаточные числа;
схемы обоих генераторов должны быть полностью идентичными.

Учитывайте то, что в основном агрегаты, установленные на иномарках, крепятся только одной лапой. В то же время отечественные устройства с помощью двух лап. Поэтому, меняя зарубежный агрегат на наш, вам придётся заменить кронштейн крепления на моторе.

Устанавливая аккумулятор в авто, необходимо убедиться в том, что корректно подключена полярность. В случае ошибки выпрямитель генератора выйдет из строя, а это может привести к пожару. Такую же опасность таит в себе запуск мотора при некорректном определении полярности.

В процессе эксплуатации машины необходимо придерживаться следующих правил:

контролировать , следить за чистотой контактов и надёжностью их соединения (если контакты проводов плохие - бортовое напряжение выходит за допустимую норму);
отсоединять провода от автомобильного генератора и аккумуляторной батареи при электросварке элементов конструкции;
следить за тем, чтобы ремень генератора был правильно натянут (если он будет натянут слабо - генератор не сможет эффективно работать, если чересчур сильно - его подшипники будут быстро изнашиваться);
в случае подачи сигналов контрольной лампой - незамедлительно выяснять причину этого.

На видео - ремонт генератора:

Ни в коем случае нельзя делать следующее:

оставлять машину с подключённой аккумуляторной батареей, если вы подозреваете, что выпрямитель неисправен (это приведёт к разрядке аккумулятора и возгоранию проводки);
проверять работает ли генератор, замыкая его выводы между собой или отключая аккумулятор при работающем моторе (из-за этого может поломаться регулятор напряжения, бортовой компьютер, электронные элементы системы зажигания);
допускать попадание остатков тосола или другой жидкости на генератор;
оставлять включённый генератор, если сняты клеммы аккумуляторной батареи (это приводит к поломке электрооборудования машины и регулятора напряжения).

Мы рассказали вам об основных особенностях работы генератора. Эти знания пригодятся любому водителю, который стремится разбираться в машинах. Помните, что генератор - очень сложное устройство, поэтому важно бережно относиться к нему. Постоянно следите за состоянием всех его деталей, а также за степенью натяжения приводного ремня. Тогда автомобильный генератор сможет вам прослужить максимально долго.

Пожалуйста, оставьте свой комментарий о прочитанном! Нам интересно ваше мнение.

Электрооборудование любого автомобиля включает в себя генератор – основной источник электроэнергии. Вместе с регулятором напряжения он называется генераторной установкой. На современные автомобили устанавливаются генераторы переменного тока. Они в наибольшей степени отвечают предъявляемым требованиям.

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.

Основные понятия

Отечественные разработчики и производители электрооборудования используют следующие понятия.

Система электроснабжения автомобиля – предназначена для бесперебойного питания электроприборов, включенных в бортовую сеть автомобиля. Состоит из генераторной установки, аккумулятора и устройств, обеспечивающих контроль работоспособности и защиту системы от перегрузок.

Генератор – устройство, преобразующее механическую энергию, получаемую от двигателя, в электрическую.

Регулятор напряжения – устройство, поддерживающее напряжение бортовой сети автомобиля в заданных пределах при изменении электрической нагрузки, частоты вращения ротора генератора и температуры окружающей среды.

Аккумуляторная стартерная батарея (аккумулятор) – накапливает и хранит электроэнергию для запуска двигателя и питания электроприборов в течение непродолжительного времени (при неработающем двигателе или недостаточной мощности, развиваемой генератором).

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 собственно статор генератора, его важнейшую неподвижную часть, в которой образуется электрический ток, а обмотка возбуждения с полюсной системой и некоторыми другими деталями (валом, контактными кольцами) – ротор, его важнейшую 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 fт связана с частотой вращения коленчатого вала двигателя Nдв соотношением:

f=p*Nдв(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 fт = Nдв (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 электрических градусов, как это показано на рис. I. Фазы могут соединяться в “звезду” или “треугольник”. При этом различают фазные и линейные напряжения и токи. Фазные напряжения Uф действуют между концами обмоток фаз. я токи Iф протекают в этих обмотках, линейные же напряжения Uл действуют между проводами, соединяющими обмотку статора с выпрямителем. В этих проводах протекают линейные токи Jл. Естественно, выпрямитель выпрямляет те величины, которые к нему подводятся, т. е. линейные.

Рис.1. Принципиальная схема генераторной установки.

Uф1 - Uф3 – напряжение в обмотках фаз: Ud – выпрямленное напряжение; 1, 2, 3 – обмотки трех фаз статора: 4 – диоды силового выпрямителя; 5 – аккумуляторная батарея; 6 – нагрузка; 7 – диоды выпрямителя обмотки возбуждения; 8 – обмотка возбуждения; 9 – регулятор напряжения

При соединении в “треугольник” фазные токи в корень из 3 раза меньше линейных, в то время как у “звезды” линейные и фазные токи равны. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе, ток в обмотках фаз, при соединении в “треугольник”, значительно меньше, чем у “звезды”. Поэтому в генераторах большой мощности довольно часто применяют соединение в “треугольник”, т. к. при меньших токах обмотки можно наматывать более толстым проводом, что технологичнее. Однако линейные напряжения у “звезды” в корень из 3 больше фазного, в то время как у “треугольника” они равны и для получения такого же выходного напряжения, при тех же частотах вращения “треугольник” требует соответствующего увеличения числа витков его фаз по сравнению со “звездой”.

Более тонкий провод можно применять и при соединении типа “звезда”. В этом случае обмотку выполняют из двух параллельных обмоток, каждая из которых соединена в “звезду”, т. е. получается “двойная звезда”.

Выпрямитель для трехфазной системы содержит шесть силовых полупроводниковых диодов, три из которых: VD1, VD3 и VD5 соединены с выводом “+” генератора, а другие три: VD2, VD4 и VD6 с выводом “-” (“массой”). При необходимости форсирования мощности генератора применяется дополнительное плечо выпрямителя на диодах VD7, VD8, показанное на рис.1, пунктиром. Такая схема выпрямителя может иметь место только при соединении обмоток статора в “звезду”, т. к. дополнительное плечо запитывается от “нулевой” точки “звезды”.

У значительного количества типов генераторов зарубежных фирм обмотка возбуждения подключается к собственному выпрямителю, собранному на диодах VD9-VD 11.Такое подключение обмотки возбуждения препятствует протеканию через нее тока разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля. Полупроводниковые диоды находятся в открытом состоянии и не оказывают существенного сопротивления прохождению тока при приложении к ним напряжения в прямом направлении и практически не пропускают ток при обратном напряжении.

По графику фазных напряжений (см. рис.1) можно определить, какие диоды открыты, а какие закрыты в данный момент. Фазные напряжения Uф1 действует в обмотке первой фазы, Uф2 – второй, Uф3 – третьей. Эти напряжения изменяются по кривым, близким к синусоиде и в одни моменты времени они положительны, в другие отрицательны. Если положительное направление напряжения в фазе принять по стрелке, направленной к нулевой точке обмотки статора, а отрицательное от нее то, например, для момента времени t1, когда напряжение второй фазы отсутствует, первой фазы – положительно, а третьей – отрицательно. Направление напряжений фаз соответствует стрелкам показанным на рис. 1. Ток через обмотки, диоды и нагрузку будет протекать в направлении этих стрелок.

При этом открыты диоды VD1 и VD4. Рассмотрев любые другие моменты времени легко убедиться, что в трехфазной системе напряжения, возникающего в обмотках фаз генератора, диоды силового выпрямителя переходят из открытого состояния в закрытое и обратно таким образом, что ток в нагрузке имеет только одно направление – от вывода “+” генераторной установки к ее выводу “-” (“массе”), т. е. в нагрузке протекает постоянный (выпрямленный) ток. Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают аналогично, питая выпрямленным током эту обмотку. Причем в выпрямитель обмотки возбуждения тоже входят 6 диодов, но три из них VD2, VD4, VD6 общие с силовым выпрямителем. Так в момент времени t1 открыты диоды VD4 и VD9, через которые выпрямленный ток и поступает в обмотку возбуждения. Этот ток значительно меньше, чем ток, отдаваемый генератором в нагрузку. Поэтому в качестве диодов VD9-VD11 применяются малогабаритные слаботочные диоды на ток не более 2 А (для сравнения, диоды силового выпрямителя допускают протекание токов силой до 25…35 А).

Остается рассмотреть принцип работы плеча выпрямителя, содержащего диоды VD7 и VD8. Если бы фазные напряжения изменялись чисто по синусоиде, эти диоды вообще не участвовали бы в процессе преобразования переменного тока в постоянный. Однако в реальных генераторах форма фазных напряжений отличается от синусоиды. Она представляет собой сумму синусоид, которые называются гармоническими составляющими или гармониками – первой, частота которой совпадает с частотой фазного напряжения, и высшими, главным образом, третьей, частота которой в три раза выше, чем первой. Представление реальной формы фазного напряжения в виде суммы двух гармоник (первой и третьей) показано на рис.2.

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. 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.

Характеристики автомобильных генераторов

Способность генераторной установки обеспечивать потребителей электроэнергией на различных режимах работы двигателя определяется его токоскоростной характеристикой (ТСХ) – зависимостью наибольшей силы тока, отдаваемого генератором, от частоты вращения ротора при постоянной величине напряжения на силовых выводах. На рис. 1 представлена токоскоростная характеристика генератора.

Рис. 1. Токоскоростная характеристика генераторных установок.

На графике имеются следующие характерные точки:

n0 – начальная частота вращения ротора без нагрузки, при которой генератор начинает отдавать ток;

Iхд – ток отдачи генератора при частоте вращения, соответствующей минимальным устойчивым оборотам холостого хода двигателя.

На современных генератоpax ток, отдаваемый в этом режиме, составляет 40-50% от номинального;

Idm – максимальный (номинальный) ток отдачи при частоте вращения ротора 5000 мин”‘ (6000 мин” для современных генераторов).

Различают ТСХ, определенные:

– при самовозбуждении (цепь обмотки возбуждения питается от собственного генератора);

– при независимом возбуждении (цепь обмотки возбуждения питается от постороннего источника);

– для генераторной установки (регулятор напряжения включен в схему);

– для генератора (регулятор напряжения отключен);

– в холодном состоянии (под холодным понимают такое состояние, при котором температура узлов генератора практически равна температуре окружающего воздуха (25 ±10) °С, поскольку при экспериментальном определении ТСХ генератор нагревается, время эксперимента должно быть минимальным, т. е. не более 1 мин, а повторный эксперимент должен производиться после того, как температура узлов вновь станет равной температуре окружающего воздуха);

– в нагретом состоянии.

В технической документации на генераторы часто указывается не вся ТСХ, а лишь ее отдельные характерные точки (см. рис. 1).

К таким точкам относятся:

– начальная частота вращения при холостом ходе n0. Она соответствует заданному напряжению генератора без нагрузки;

– наибольшая сила тока, отдаваемого генератором Idm. (Автомобильные вентильные генераторы обладают самоограничением, т. е. достигнув силы Idm значение которой близко к значению силы тока короткого замыкания, генератор при дальнейшем увеличении частоты вращения не может отдать потребителям тока большего значения. Ток Idm умноженный на номинальное напряжение, определяет номинальную мощность автомобильных генераторов);

– частота вращения npн и сила тока Idн в расчетном режиме. (Точка расчетного режима определяется в месте касания ТСХ касательной, проведенной из начала координат. Приблизительно расчетное значение силы тока может быть определено как 0,67 Idm Расчетному режиму соответствуют максимальный механический момент генератора и в области этого режима наблюдается наибольший нагрев узлов, так как с ростом частоты вращения растет ток генератора и, следовательно, нагрев его узлов, но одновременно возрастает и интенсивность охлаждения генератора вентилятором, расположенным на его валу. При больших частотах вращения над ростом интенсивности нагрева преобладает рост интенсивности охлаждения и нагрев узлов генератора уменьшается.);

– частота вращения nхд и сила тока Iхд в режиме, соответствующем холостому ходу двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В этом режиме генератор должен отдавать силу тока, необходимую для питания ряда важнейших потребителей, прежде всего зажигания в карбюраторных ДВС.

Как определить параметры своего генератора:

Для отечественных генераторов: На новые модели отечественных двигателей (ВАЗ-2111, 2112, ЗМЗ-406 и др.): устанавливаются генераторы компактной конструкции (94.3701 и др.). Безщеточные (индукторные) генераторы (955.3701 для ВАЗов, Г700А для УАЗов) отличаются от традиционной конструкции тем, что у них на роторе расположены постоянные магниты, а обмотки возбуждения – на статоре (смешанное возбуждение). Это позволило обойтись без щеточного узла (уязвимая часть генератора) и контактных колец. Однако эти генераторы имеют несколько большую массу и более высокий уровень шума.

На щитке генератора обычно указываются его основные параметры:

– номинальное напряжение 14 или 28 В (в зависимости от номинального напряжения системы электрооборудования);

– номинальный ток, за который принимается максимальный ток отдачи генератора.

– Тип, марка генератора

Основной характеристикой генераторной установки является ее токоскоростная характеристика (ТСХ), т. е. зависимость тока, отдаваемого генератором в сеть, от частоты вращения его ротора при постоянной величине напряжения на силовых выводах генератора.

Характеристика эта определяется при работе генераторной установки в комплекте с полностью заряженной аккумуляторной батареей с номинальной емкостью выраженной в А/ч, составляющей не менее 50% номинальной силы тока генератора. Характеристика может определяться в холодном и нагретом состояниях генератора. При этом под холодным состоянием понимается такое, при котором температура всех частей и узлов генератора равна температуре окружающей среды, величина которой должна быть 23±5°С. Температура воздуха определяется в точке на расстоянии 5 см от воздухозаборника генератора. Поскольку генератор во время снятия характеристики нагревается за счет выделяемых в нем потерь мощности, то методически трудно снять ТСХ в холодном состоянии и большинство фирм приводит токоскоростные характеристики генераторов в нагретом состоянии, т. е. в состоянии при котором узлы и детали генератора нагреты в каждой определяемой точке до установившейся величины за счет выделяемых в генераторе потерь мощности при указанной выше температуре охлаждающего воздуха.

Диапазон изменения частоты вращения при снятии характеристики заключен между минимальной частотой, при которой генераторная установка развивает силу тока 2А (около 1000 мин-1) и максимальной. Снятие характеристики осуществляется с интервалом 500 до 4000 мин-1 и 1000 мин-1 при более высоких частотах. Некоторые фирмы приводят токоскоростные характеристики, определенные при номинальном напряжении, т. е. при 14 В, характерном для легковых автомобилей. Однако снять такие характеристики возможно только с регулятором специально перестроенном на высокий уровень поддержания напряжения. Чтобы предотвратить работу регулятора напряжения при снятии токоскоростной характеристики, ее определяют при напряжениях Ut=13,5±0,1 В для 12-вольтовой бортовой системы. Допускается и ускоренный метод определения токоскоростной характеристики, требующий специального автоматизированного стенда, при котором генератор прогревается в течение 30 мин при частоте вращения 3000 мин-1, соответствующей этой частоте, силе тока и указанном выше напряжении. Время снятия характеристики не должно превышать 30 с при постоянно меняющейся частоте вращения.

Токоскоростная характеристика имеет характерные точки, к которым относятся:

n0 – начальная частота вращения без нагрузки. Поскольку обычно снятие характеристики начинают с тока нагрузки (около 2А, то эта точка получается экстраполяцией снятой характеристики до пересечения с осью абсцисс.

nL – минимальная рабочая частота вращения, т. е. частота вращения, примерно соответствующая частоте холостого хода двигателя. Условно принимается, nL = 1500 мин-1. Этой частоте соответствует ток IL . Фирма Bosch для “компактных” генераторов приняла nL=1800 мин-1. Обычно IL составляет 40…50% номинального тока.

nR – номинальная частота вращения, при которой вырабатывается номинальный ток IR. Эта частота вращения принята nR = 6000 мин-1. IR – наименьшая сила тока, который генераторная установка должна выработать при частоте вращения nR.

NМАХ – максимальная частота вращения. При этой частоте вращения генератор вырабатывает максимальную силу тока Imax. Обычно максимальная сила тока мало отличается от номинального IR (не более, чем на 10%).

Производители приводят в своих информационных материалах в основном только характерные точки токоскоростной характеристики. Однако, для генераторных установок легковых автомобилей с достаточной степенью точности можно определить токоскоростную характеристику по известной номинальной величине силы тока IR и характеристике по рис.8, где величины силы тока генератора даны по отношению к ее номинальной величине.

Кроме токоскоростной характеристики генераторную установку характеризует еще и частота самовозбуждения. При работе генератора на автомобиле в комплекте с аккумуляторной батареей генераторная установка должна самовозбуждаться при частоте вращения двигателя меньшей, чем частота вращения его холостого хода. При этом, конечно, в схему должны быть включены лампа контроля работоспособного состояния генераторной установки мощностью, оговоренной для нее фирмой-изготовителем генератора и параллельно ей резисторы, если они предусмотрены схемой.

Другой характеристикой, по которой можно представить энергетические способности генератора, т. е. определить величину мощности, забираемой генератором от двигателя, является величина его коэффициента полезного действия (КПД), определяемого в режимах соответствующих точкам токоскоростной характеристики (рис.8), величина КПД по рис.8 приведена для ориентировки, т.к. она зависит от конструкции генератора – толщины пластин, из которых набран статор, диаметра контактных колец, подшипников, сопротивления обмоток и т. п., но, главным образом, от мощности генератора. Чем генератор мощнее, тем его КПД выше.

Рис.8 Выходные характеристики автомобильных генераторов:

1 – токоскоростная характеристика, 2 – КПД по точкам токоскоростной характеристики

Наконец, генераторную установку характеризует диапазон ее выходного напряжения, при изменении в определенных пределах частоты вращения, силы тока нагрузки и температуры. Обычно в проспектах фирм указывается напряжение между силовым выводом “+” и “массой” генераторной установки в контрольной точке или напряжение настройки регулятора при холодном состоянии генераторной установки частоте вращения 6000 мин-1, нагрузке силой тока 5 А и работе в комплекте с аккумуляторной батареей, а также термокомпенсация – изменение регулируемого напряжения в зависимости от температуры окружающей среды. Термокомпенсация указывается в виде коэффициента, характеризующего изменение напряжения при изменении температуры окружающей среды на ~1°С. Как было показано выше, с ростом температуры напряжение генераторной установки уменьшается. Для легковых автомобилей некоторые фирмы предлагают генераторные установки со следующим напряжением настройки регулятора и термокомпенсацией:

Напряжение настройки, В …………………………… 14,1±0,1 14,5+0,1

Термокомпенсация, мВ/°С …………………………. -7+1,5 -10±2

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.

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.

Замена одного типа генератора на автомобиле другим всегда возможна, если соблюдаются четыре условия:

– генераторы имеют одинаковые токоскоростные характеристики или по энергетическим показателям характеристики заменяющего генератора не хуже, чем у заменяемого;

– передаточное число от двигателя к генератору одинаково;

– габаритные и присоединительные размеры заменяющего генератора позволяют установить его на двигатель. Следует иметь в виду, что большинство генераторов зарубежных легковых автомобилей имеют однолапное крепление, в то время как отечественные генераторы крепятся на двигателе за две лапы, поэтому замена зарубежного генератора отечественным скорее всего потребует замены кронштейна крепления генератора на двигателе;

– схемы заменяемой и заменяющей генераторной установки идентичны.

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.

Автомобильный генератор, непременно входящий в состав оборудования любого транспортного средства, можно сравнить с ролью электростанции в снабжении энергией потребностей народного хозяйства.

Он является основным (при работающем двигателе) источником электроэнергии в машине и предназначен через электрические провода, опутывающие весь автомобиль изнутри, поддерживать заданное и стабилизированное напряжение электросети автомашины. Принцип работы автомобильного генератора основан на теоретическом представлении работы классического электрического генератора, трансформирующего неэлектрические виды энергии в электрическую.

В конкретном случае автомобильного генератора выработка электрической энергии происходит посредством трансформации механического вращательного движения коленчатого вала моторного агрегата.

Общий принцип работы

Теоретические предпосылки, лежащие в основе схемы функционирования электрогенераторов, базируются на широко известном случае электромагнитной индукции, трансформирующей один вид энергии (механический) в другой (электрический). Действие этого эффекта проявляется при помещении медных проводов, уложенных в виде катушки, и помещённых в магнитное поле переменной величины.

Это способствует появлению в проводах электродвижущей силы, которая приводит в движение электроны. Это движение электрических частиц порождает в , а на оконечных контактах проводов возникает электрическое напряжение, по уровню напрямую зависящее от того, с какой скоростью изменяется магнитное поле. Выработанное таким образом переменное напряжение необходимо подавать во внешнюю сеть.

В автомобильном генераторе для создания магнитного явления используются обмотки статора, в котором под воздействием поля вращается якорь ротора. На валу якоря размещены токопроводящие обмотки, подключенные к специальным контактам в виде колец. Эти кольцевые контакты также закреплены на валу и вращаются вместе с ним. С колец с помощью токопроводящих щёток и происходит съём электрического напряжения и подача выработанной энергии электропотребителям транспортного средства.

Запуск генератора осуществляется посредством приводного ремня от фрикционного колеса коленчатого вала моторного агрегата, который для начала работы запускается от аккумуляторного источника. Для обеспечения эффективной трансформации производимой энергии диаметр шкива генератора должен заметно уступать в диаметре фрикционному колесу коленвала. Это обеспечивает более высокие обороты вала генераторного агрегата. В этих условиях он функционирует с повышением своего КПД и обеспечивает повышенные токовые характеристики.

Требования

Чтобы обеспечить безопасную работу в заданном диапазоне характеристик всего комплекса электроустройств работа автомобильного генератора должна удовлетворять высоким техническим параметрам и гарантировать выработку стабильного во времени уровня напряжения.

Основным требованием к автомобильным генераторам является стабильная выработка тока с требуемыми мощностными характеристиками. Эти параметры призваны обеспечивать:

подзарядку ;
одновременное функционирование всего задействованного электрооборудования;
стабильное напряжение электросети в широком диапазоне изменения частот вращения вала ротора и динамически подключаемых нагрузок;

Кроме вышеперечисленных параметров, генератор конструируется с учётом его работы в условиях критических нагрузок и должен обладать прочным корпусом, иметь при этом малую массу и приемлемые габаритные размеры, обладать невысокими и приемлемым уровнем производимых промышленных радиопомех.

Устройство и конструкция автомобильного генератора

Крепление

Генератор автомобиля можно легко обнаружить в моторном отсеке, подняв крышку капота. Там он закреплён болтами и специальными уголками к фронтальной части двигателя. На корпусе генератора размещены крепёжные лапы и натяжная проушина устройства.

Корпус

В корпусной коробке генератора установлены почти все блоки агрегата. Он производится с применением металлов лёгких сплавов на основе алюминия, который превосходно подходит для выполнения задачи по отводу тепла. Конструкция корпуса представляет собой соединение двух основных частей:

фронтальной крышки со стороны контактных колец;
торцевой заглушки со стороны привода;

На фронтальной крышке закреплены щётки, регулятор напряжения и выпрямительный мост. Объединение крышек в единую конструкцию корпуса происходит посредством специальных болтов.

Внутренние поверхности крышек фиксируют внешнюю поверхность статора, закрепляя его положение. Также важными конструктивными узлами корпусной конструкции являются фронтальный и тыловой подшипники, которые обеспечивают должные условия функционирования ротора и закрепляют его на крышке.

Ротор

Конструкция роторного узла состоит из схемы электромагнита с обмоткой возбуждения, смонтированной на несущем валу. Сам вал изготавливается из легированной стали дополненной свинцовыми присадками.

На вал ротора также закреплены медные контактные кольца и специальные подпружиненные щёточные контакты. Контактные кольца отвечают за подачу тока на ротор.

Статор

Статорный узел - это конструкция, состоящая из сердечника с многочисленными пазами (в большинстве используемых случаев их количество равно 36), в которые уложены витки трёх обмоток, имеющих между собой электрический контакт или по схеме «звезда», или по схеме «треугольник». Сердечник, именуемый также магнитопроводом, изготовлен в виде полой сферической окружности из металлических пластин, стянутых между собой заклёпками или заваренных в единый монолитный блок.

Для повышения на статорных обмотках уровня напряжённости магнитного поля в процессе производства этих пластин используется трансформаторное железо с усиленными магнитными параметрами.

Регулятор напряжения

Этот электронный узел разработан для компенсации нестабильности вращения роторного вала, который соединён с коленвалом силового агрегата автомобиля, функционирующего в широком интервале изменения числа оборотов. Регулятор напряжения подключен к графитовым токосъёмникам и способствует стабилизации заданного постоянного выходного напряжения, поступающего в электросеть машины. Этим он гарантирует бесперебойную эксплуатацию электрооборудования.

По своему конструкторскому решению регуляторы подразделяются на две группы:

дискретные;
интегральные;

К первому типу относятся электронные блоки, на конструктивной плате которых смонтированы радиоэлементы, разработанные с применением дискретной (корпусной) технологии, отличающейся неоптимальной плотностью компоновки элементов.

Ко второму типу относится большинство современных электронных блоков регулировки напряжения, разработанных с учётом интегрального способа компоновки радиоэлементов, изготовленных на основе тонкоплёночной микроэлектронной технологии.

Выпрямитель

Ввиду того что для правильного функционирования бортовых приборов требуется постоянное напряжение, выход генератора запитывает сеть автомашины через электронный узел, собранный на мощных выпрямительных диодах.

Этот 3-фазный выпрямитель, состоящий из шести полупроводниковых диодов, три из которых подключены на минусовый вывод («массу»), а три других подсоединены к плюсовому контакту генератора, предназначен для трансформации переменного напряжения в постоянное. Физически блок выпрямителя состоит из подковообразного металлического теплоотвода с размещёнными на нём выпрямительными диодами.

Щёточный узел

Этот узел имеет вид пластмассовой конструкции и сконструирован для передачи напряжения на контактные кольца. Содержит внутри корпуса несколько элементов, главные из которых - подпружиненные щёточные скользящие контакты. Они бывают двух модификаций:

электрографитные;
меднографитные (более износостойкие).

Конструктивно щёточный узел зачастую изготавливается в одном блоке с регулятором напряжения.

Система охлаждения

Отвод избыточного тепла, которое образуется внутри корпуса генератора, обеспечивают вентиляторы, закреплённые на его валу ротора. Генераторы, у которых щётки, регулятор напряжения и выпрямительный блок вынесены наружу, за пределы его корпуса и защищённые специальным кожухом, забирают свежий воздух через специальные охлаждающие щели в нём.

Крыльчатка внешнего охлаждения генератора

Устройство классической конструкции, с размещением вышеупомянутых узлов внутри генераторного корпуса, обеспечивают поступление свежего воздушного потока со стороны контактных колец.

Режимы работы

Для уяснения принципа работы автомобильного генератора необходимо представлять и режимы его эксплуатации.

начальный период запуска двигателя;
рабочий режим двигателя.

В первоначальный момент запуска двигателя основным и единственным потребителем, расходующим электрическую энергию, является стартёр. Генератор ещё не участвует в процессе выработки энергии, и поступление электроэнергии в этот момент предоставляет только аккумулятор. Ввиду того что сила потребляемого тока при этой схеме очень велика и может достигать сотен ампер, интенсивно расходовать запасённую ранее электрическую энергию.

После окончания процесса запуска двигатель выходит на рабочий режим, а генератор при этом становится полноправным поставщиком электропитания. Он вырабатывает ток, необходимый для функционирования различного электрооборудования, подключающегося в работу. Вместе с этой функцией генератор производит заряд аккумулятора при работающем двигателе.

После набора аккумулятором необходимого , необходимость в процессе подзарядки уменьшается, потребление тока заметно падает, а генератор продолжает поддерживать работу только электрооборудования. По мере подключения в работу других ресурсоёмких потребителей электроэнергии, мощности генератора в отдельные моменты времени может не хватать для обеспечения суммарной нагрузки и тогда в общую работу включается аккумулятор, работа которого в этом режиме характеризуется при этом быстрой потерей заряда.

Заключение

Автомобильный генератор сконструирован и рассчитан на электропитание штатных электроприборов и трансформацией механической энергии коленвала силового агрегата в электрическую.

Генератор располагается под капотом на фронтальной части двигателя. Конструкция генератора содержит в себе основные узлы - корпус, статор, ротор, подшипники, регулятор напряжения, выпрямительный мост, щёточный узел и вентиляторы.