Автомобильный генератор – электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрический ток. В автомобиле генератор используется для зарядки аккумуляторной батареи и питания электрооборудования при работающем двигателе. В качестве автомобильного генератора применяется генератор переменного тока.
Генератор располагается, как правило, в передней части двигателя и приводится от коленчатого вала. На гибридных автомобилях генератор выполняет функции стартера, т.н. стартер-генератор. Аналогичная схема используется в некоторых конструкциях системы стоп-старт. Ведущими производителями генераторов являются фирмы Bosch, Denso, Delphi.
Различают два типа конструкций автомобильных генераторов – традиционную и компактную. Помимо геометрических размеров, данные конструкции имеют отличия в компоновке вентилятора, устройстве корпуса, приводного шкива, выпрямительного узла. Устройство генератора показано на рис. 10.13
Основное предназначение ротора – создание вращающегося магнитного поля. Для этого на валу ротора находится обмотка возбуждения 22, помещенная в две полюсные половины. Каждая из полюсных половин имеет по шесть выступов — клювов. На валу ротора расположены два контактных кольца 9, через которые и щетки 11 осуществляется питание обмотки возбуждения. Кольца, как правило, медные, реже стальные или латунные. Выводы обмотки возбуждения припаяны непосредственно к кольцам.
В зависимости от конструкции на валу ротора размещается одна или две крыльчатки вентилятора 17, а также закрепляется ведомый приводной шкив 18. Подшипниковый узел ротора представлен двумя шариковыми необслуживаемыми подшипниками 8 и 21. На валу со стороны контактных колец также может устанавливаться роликовый подшипник.
Статор 25 служит для создания переменного электрического тока. Конструктивно он объединяет металлический сердечник и обмотку 24. Сердечник набирается из стальных пластин. Для навивки обмоток в сердечнике выполнено 36 пазов. В пазах укладывается три обмотки, образующие т.н. трехфазное соединение.
В корпусе размещается большинство конструктивных элементов генератора. Корпус представляет собой две крышки – переднюю (со стороны приводного шкива) и заднюю 4 (со стороны контактных колец). Крышки стянуты между собой с помощью болтов. Крышки изготавливаются, как правило, из алюминиевого сплава – легкого, немагнитного и легко рассеивающего тепло. На поверхности крышек выполнены вентиляционные окна, а также две (двухлапное крепление генератора) или одна (однолапное крепление генератора) крепежные лапы.
Щеточный узел обеспечивает передачу тока возбуждения на контактные кольца. Узел включает две графитные щетки 11, пружины их прижимающие и щеткодержатель 13. На современных генераторах щеткодержатель объединен с регулятором напряжения в единый неразборный узел.
Выпрямительный блок 6 служит для преобразования синусоидального напряжения, вырабатываемого генератором, в напряжение постоянного тока бортовой сети автомобиля. Выпрямительный блок представляет собой пластины, выполняющие роль теплоотводов, на которых смонтированы диоды 7. Блок содержит шесть силовых полупроводниковых диодов, по два на каждую фазу, один на «положительный», другой – на «отрицательный» вывод генератора.
Регулятор напряжения предназначен для поддержания напряжения генератора в определенных пределах. Современные генераторы оснащаются полупроводниковыми электронными (интегральными) регуляторами напряжения. Различают следующие конструкции электронных регуляторов:
- гибридное исполнение – электронные приборы и радиоэлементы используются в электронной схеме вместе с толстопленочными микроэлектронными элементами;
- интегральное исполнение – все компоненты регулятора напряжения, кроме выходного каскада, выполнены с помощью тонкопленочной микроэлектронной технологии.
Стабилизация напряжения, необходимая при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки, осуществляется автоматически за счет воздействия на ток в обмотке возбуждения. Регулятор управляет частотой импульсов тока и их продолжительностью.
Регулятор напряжения осуществляет изменение напряжения, подводимого для зарядки аккумуляторной батареи, в зависимости от температуры воздуха (т.н. термокомпенсация напряжения). Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение подводится к аккумуляторной батарее.
Привод генератора осуществляется посредством ременной передачи и обеспечивает вращение ротора со скоростью в 2-3 раза превышающую частоту вращения коленчатого вала. В зависимости от конструкции генератора в передаче используется клиновый или поликлиновый ремень.
На автомобилях может устанавливаться т.н. индукторный (бесщеточный) генератор. Такой генератор имеет ротор, представляющий собой набор спрессованных тонких пластин из трансформаторного железа (ротор из магнитомягкой пассивной ферромассы). Обмотка возбуждения помещена на статоре. Электродвижущая сила в индукторном генераторе получается путем изменения магнитной проводимости воздушного зазора между ротором и статором.
Принцип действия генератора. При повороте ключа в замке зажигания, ток от аккумуляторной батареи через щетки 5 и контактные кольца 6 поступает на обмотку возбуждения 2. В обмотке, расположенной в роторе 1 и окруженной системой полюсов (полюсных боковин) наводится магнитное поле (рис. 10.14).
Обмотка 3 статора, в которой вырабатывается электрический ток, уложена в пазы неподвижного магнитопровода статора 3и состоит из трех независимых обмоток фаз. Наиболее распространенные автомобильные генераторы имеют 36 пазов. В каждой обмотке фаз имеется по шесть катушек, включенных последовательно. Обмотки могут быть соединены между собой в звезду или треугольник (рис. 10.15).
С вращением коленчатого вала двигателя начинает вращаться ротор 1 генератора. Магнитное поле ротора пронизывает обмотки статора, на выводах которых возникает переменное напряжение. При этом у катушек обмоток фаз статора последовательно находятся то северный N, то южный S полюса ротора, а магнитный поток изменяется по величине, что по закону Фарадея достаточно для появления на выводах обмоток фаз переменного электрического напряжения. Частота fнапряжения связана с частотой пр вращения ротора и числом р пар полюсов ротора простым соотношением: f = рпр/60. При достижении определенной частоты вращения генератор переходит в режим самовозбуждения, т.е. обмотка возбуждения запитывается непосредственно от генератора.
Выпрямление переменного тока генератора. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в напряжение постоянного тока. В таком состоянии генератор обеспечивает требуемый ток для зарядки аккумуляторной батареи и питания потребителей.
Выпрямитель 7 (рис. 10.16) содержит шесть диодов VD1 — VD6, образующих два плеча: 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 напряжения иф1 — ифз сдвинуты на 1/3 периода, что характерно для трехфазной системы.
Диоды выпрямителя при изменении трехфазного напряжения во времени переходят из закрытого состояния в открытое, в результате ток нагрузки имеет только одно направление — от вывода «+» генератора к выводу «-».
Как видно из риса 10.16, в момент времени 0, напряжение в обмотке L1 отсутствует; в обмотке L3 положительное, а в обмотке L2 отрицательное. За положительное напряжение принято направление стрелки к средней точке 0 обмотки статора. Выпрямленный 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. Выпрямленный ток поступает к потребителям через диоды VD1 и VD5. В каждом плече выпрямителя в течение приблизительно 1/3 периода открыт один диод.
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 отсутствует необходимость в реле обратного тока. Это значительно упрощает схему генераторной установки. При длительной стоянке автомобиля возможна разрядка аккумуляторной батареи на обмотку возбуждения. Поэтому в некоторых моделях автомобильных генераторов обмотку возбуждения подсоединяют к дополнительному выпрямителю 2. Дополнительный выпрямитель выполнен на трех диодах VD7- VD9, аноды которых соединены с выводом Д. На обмотку возбуждения в этом случае подается только напряжение от генератора через дополнительный выпрямитель 2 и плечо выпрямителя 1 с диодами VD4-VD6.
Существенным недостатком щеточных генераторов, является наличие контактного узла, состоящего из электрических щеток и колец, через который к вращающейся обмотке возбуждения подводится ток. Узел этот подвержен изнашиванию. Пыль, грязь, топливо и масло, попадая на контактный узел, быстро приводят к его отказу.
При изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки в работу включается регулятор напряжения. Он регулирует время включения обмотки возбуждения. При возрастании частоты вращения генератора и уменьшении внешней нагрузки время включения обмотки возбуждения уменьшается, наоборот, при уменьшении частоты вращения и увеличения нагрузки – увеличивается. В случае, когда потребляемый ток превышает возможности генератора, в работу включается аккумуляторная батарея. Для контроля работоспособного состояния генератора на панели приборов имеется контрольная лампа (лампа контроля заряда).
Бесщеточные генераторы. Такие генераторы являются вариацией специальной конструкции клювообразно-полюсного устройства, в котором вращаются только клювообразные полюсы, тогда как обмотка возбуждения остается неподвижной (рис.10.17). Одна из полюсных половин удерживается напротив другой полюсной половины посредством немагнитного кольца. Магнитный поток, должен пересекать два дополнительных воздушных зазора, кроме нормального рабочего зазора. С помощью этой конструкции выпрямитель подает ток в обмотку возбуждения непосредственно через регулятор напряжения, поэтому контактные кольца и скользящие контакты не нужны. Это расположение позволяет избежать изнашивания, характерного для системы с щетками и коллекторными кольцами, позволяя проектировать генераторы с гораздо большим сроком службы. Масса такого устройства несколько больше, чем у генераторов с клювообразными полюсами и токосборными кольцами той же мощности. Безобмоточный ротор также используется в генераторах с жидкостным охлаждением. В случае с этим генератором охлаждающая жидкость двигателя течет по всей рубашке задней части корпуса генератора. Электронные компоненты монтируются на передней крышке, находящейся со стороны привода.
Привод генератора. Современные системы энергопотребления автомобиля требуют большого расхода энергии, поэтому должны применяться генераторы повышенной мощности. Одним из направлений развития генераторов повышенной мощности является применение повышенной частоты вращения генератора с помощью повышающей шестеренчатой передачи. В качестве примера можно привести привод генератора автомобиля Touareg с двигателем V10 TD (рис. 10.18). Здесь генератор приводится через шестерни раздаточного механизма и двухступенчатую передачу с передаточным числом i = 3,6. На валу генератора установлена муфта с упругой шайбой Hardy. Двухступенчатая передача повышает частоту вращения ротора генератора, в соответствии с которой увеличивается его электрическая мощность. Это позволяет обеспечивать потребности всех потребителей электроэнергии даже при работе двигателя на холостом ходу.
Генераторы, охлаждаемые водой. Современные трехфазные генераторы способны вырабатывать достаточно большой ток даже при низкой частоте вращения. Большая сила тока при низкой частоте вращения сопровождается повышенным нагревом деталей генератора, что особенно проявляется при высоких температурах окружающего воздуха. Традиционное воздушное охлаждение генераторов с помощью вентилятора не может обеспечить необходимое охлаждение генератора на низких частотах вращения. В связи с этим, многие производители автомобильных двигателей включают генератор в систему жидкостного охлаждения двигателя. У такого генератора отвод тепла от обмотки статора и от крышки с выпрямительным блоком производится в рубашку охлаждения генератора, которая включена в систему охлаждения двигателя.
По сравнению с обычными генераторами с воздушным охлаждением имеют следующие преимущества:
- повышенная эффективность (на 10…25%);
- увеличенный выходной ток при работе двигателя в режиме холостого хода;
- снижение уровня шума (10…12 дБ за счет отказа от вентиляции)
- стойкость к высокой температуре (> 130 °С).
Параметры генератора
К основным параметрам генератора относятся:
- номинальное напряжение;
- номинальная сила тока;
- номинальная частота вращения;
- частота самовозбуждения;
- коэффициент полезного действия.
В зависимости от конструкции электрической системы автомобиля номинальное напряжение составляет 12 или 24 В. За номинальный ток принимается максимальный ток отдачи при номинальной частоте вращения, которая составляет 6000 об/мин. Зависимость величины силы тока от частоты вращения генератора называется токоскоростной характеристикой. Помимо номинальных значений токоскоростная характеристика включает другие характерные точки:
- минимальная рабочая частота вращения и минимальный ток (минимальный ток составляет 40-50% от номинального тока);
- максимальная частота вращения и максимальный ток (максимальный ток превышает номинальный ток не более 10%).