Генератор - принцип работы и его устройство

Генератор предназначен в основном для обеспечения питанием электропо­требителей, входящих в систему электрооборудования, и заряда аккумуля­торной батареи при работающем двигателе автомобиля. Выходные параметры генератора должны быть такими, чтобы при любых режимах движения автомо­биля не происходил прогрессивный разряд батареи. Кроме того, напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генератором, должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок. Последнее требо­вание связано с тем, что аккумуляторная батарея весьма чувствительна к степе­ни стабильности напряжения. Слишком низкое напряжение вызывает недозаряд батареи и, как следствие, затруднения с пуском двигателя. Слишком высокое на­пряжение приводит к перезаряду батареи и ускоренному выходу ее из строя. Не менее чувствительны к величине напряжения лампы освещения и сигнализации. Функции генератора, однако, могут быть существенно расширены. Он может быть использован как источник частотозависимого сигнала для системы защиты двигателя от опасно высоких частот вращения, питания тахометра и тому подоб­ных систем, связанных с частотой вращения коленчатого вала двигателя. Сигнал о повышенной нагрузке генератора, поступающий в систему управления двига­телем непосредственно или через бортовой компьютер, позволяет увеличить частоту вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу для улучшения зарядного баланса. Наконец, отключение значительно нагруженного генератора при разгоне автомобиля способствует разгрузке двигателя и, следовательно, со­кращает время разгона.
автомобильный генератор
По своему конструктивному исполнению генераторы можно разделить на две группы: традиционной конструкции с вентилятором у приводного шкива и так называемой компактной конструкции с двумя вентиляторами во внутренней полости. В отдельную группу можно выделить генераторы с жидкостным охла­ждением, а также генераторы, конструкция которых совмещена с вакуумным насосом. Обычно компактные генераторы оснащаются приводом с повышенным передаточным отношением от поликлиновых ремней и поэтому по приня­той у некоторых фирм терминологии называются высокоскоростными генера­торами. Внутри этих групп можно выделить генераторы, у которых щеточный узел расположен во внутренней полости генератора между полюсной системой ротора и задней крышкой, и генераторы, где контактные кольца и щетки распо­ложены вне внутренней полости В этом случае генератор имеет кожух, под ко­торым располагается щеточный узел, выпрямитель и, как правило, регулятор напряжения. Любой генератор содержит статор с обмоткой, зажатый между двумя крыш­ками – передней, со стороны привода, и задней, со стороны контактных колец. Крышки, отлитые из алюминиевых сплавов, имеют вентиляционные окна, через которые вентилятор продувает воздух сквозь генератор. Генераторы традиционной конструкции снабжены вентиляционными окна­ми только в торцевой части, а компактной конструкции – еще и в цилиндри­ческой части над лобовыми сторонами обмотки статора. Компактную конструкцию отличает также сильно развитое оребрение, особенно в цилиндрической части крышек. Существуют конструкции генераторов, у которых средние листы пакета статора выступают над остальными и они являются посадочным местом для крышек. Крепежные лапы и натяжное ухо генератора отливаются заодно с крышками, причем если крепление двухлапное, то обе крышки име­ют лапы, если однолапное – только передняя. Впрочем, встречаются конструкции, у которых однолапное крепление осуществляется стыковкой прили­вов задней и передней крышек, а также двухлапное крепление, при котором одна из лап, выполненная штамповкой из стали, привертывается к задней крышке, как, например, у некоторых генераторов фирмы Paris-Rhone прежних выпусков. При двухлапом креплении у генераторов, устанавливаемых с помощью нерегулируемого кронштейна на двигатель, в отверстии задней лапы обычно располагается дистанционная втулка, позволяющая при установке генератора выбирать зазор между кронштейном двигателя и посадочным местом лап. Отверстие в натяжном ухе может быть одно с резьбой или без, но встречается и несколько отверстий, чем достигается возможность установки генератора на двигатели разных марок. Для этой же цели применяют два натяжных уха на одном генераторе. Для натяжения поликлиновых ремней, приводящих во вращение кроме генератора некоторые другие агрегаты автомобиля, обычно применяют натяжные ролики. В этом случае генератор жестко крепится на двигателе. Практически все генераторы автомобилей массового выпуска имеют 36 пазов, в которых располагается обмотка ста­тора. Пазы изолированы пленочной изоляцией или напылением эпоксид­ного компаунда. В пазах располагается обмотка ста­тора, выполняемая по схемам: петлевая распределенная, волновая со­средоточенная, волновая распределенная. Петлевая обмотка отличается тем, что ее секции (или полусекции) выполнены в виде катушек с лобовыми соедине­ниями по обеим сторонам пакета статора. Волновая обмотка действительно на­поминает волну, так как 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 вправо. 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. Соединение фазных обмоток в схему «звезда» или «треугольник» («двойная звезда», «двойной треугольник») у генераторов традиционной конструкции прежних выпусков осуществлялось на лобовых частях обмотки. При компактной конструкции это соединение производится на монтажных площадках выпрями­тельного блока, куда подводятся выводы фаз обмотки. Особенностью автомобильных генераторов является полюсная система ротора, это касается также ремонта генераторов рено. Она содержит две полюсные половины с выступами – полюсами клювообразной формы по 6 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. Если полюсные половины имеют полувтулки, то обмотка возбуждения предварительно наматывается на каркас и устанавливается при напрессовке полюсных половин так, что полувтул­ки входят внутрь каркаса. 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, так как полюсную систему ротора становится труднее разобрать. Обмотка возбуждения е сборе с ротором пропитывается лаком Клювы по­люсов по краям обычно имеют скосы с одной или двух сторон для уменьшения магнитного шума генератора. Балансировка роторов генераторов компактной конструкции производится в сбо­ре их с вентиляторами. 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 внутренние диаметр подшипника, устанавливаемого в крышку со стороны контактных колец, так как при сборке подшипник проходит над кольцами. Малый диаметр колец способствует уменьшению износа щеток. Валы роторов выполняют, как правило, из мягкой автоматной стали, но при применении роликового подшипника, ролики которого работают непосредственно по поверхности конца вала со стороны контактных колец, - из легированной стали, а цапфу вала цементируют и закаливают. На конце вала, снабженном резьбой, прорезают паз под шпонку для крепления шкива. Однако во многих ее современных конструкциях шпонка отсутствует. В этом случае торцевая часть вал имеет обычно углубление под ключ в виде шестигранника или звездочки. Это позволяет удерживать вал от проворота при затяжке гайки крепления шкив или при разборке, когда необходимо снять шкив и вентилятор. Вал генератор; совмещенного с вакуумным насосом, удлинен и на его конце выполняются шлицы для привода насоса. Щеточный узел – это пластмассовая конструкция, в которой размещаются щетки. В автомобильных генераторах применяются щетки двух типов – меднографитные и электрографитированные. Для последних характерно повышенно падение напряжения в контакте с кольцом по сравнению с меднографитным, что неблагоприятно сказывается на выходных характеристиках генератора, однако они обеспечивают значительно меньший износ контактных колец. Щетки прижимаются к кольцам усилием пружин. Обычно щетки устанавливают по радиусу контактных колец, но встречаются и так называемые реактивные щеткодержатели, где ось щеток образует острый угол с радиусом кольца, направленный против вращения, а также волочащиеся щеткодержатели, где этот угол тупой. Применение реактивных и волочащихся щеткодержателей уменьшает трение щетки в направляющих щеткодержателя, что обеспечивает более надежный контакт щетки с кольцом. Часто щеткодержатель и регулятор напряжения образуют неразборный единый узел. Выпрямительные узлы применяются двух типов: либо это пластины-теплотводы, в которые запрессовывают или к которым припаивают диоды (стабилитроны) силового выпрямителя или на которых распаивают и герметизируют кремниевые переходы этих диодов, либо это конструкции с сильно развитым opeбрением, в которых диоды, обычно таблеточного типа, припаивают 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. В этом же месте обычно происходит соединение параллельных ветвей обмотки статора при выполнении ее по схеме «двойная звезда» или «двойной треугольник». Наиболее опасным для генератора, и особенно для проводки автомобильной бортовой сети, является перемыкание пластин-теплоотводов, соединенных с «массой» и выводом «+» генератора, случайно попав­шими между ними металлическими предметами или проводящими мостиками, образованными загрязнением, так как при этом происходит короткое замыкание в цепи аккумуляторной батареи и возможен пожар. Перемыкание разнополярных пластин грязевыми проводящими мостиками приводит также к эрозионно­му разрушению положительного теплоотвода. Во избежание этого пластины 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 двусторонними (в основном) уплотнителями, 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 стаканы (наиболее часто), гофрированные стальные пружины. Находит применение и установка специальных подшипников, у которых тормозные пластмассовые кольца (одно или два) размещены на цилиндрической поверхности наружной обоймы. 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 выполняют напылением на керамической пластине и соединяют 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. В последнее время в регулято­рах используются готовые узлы (чипы или модули), содержащие всю схему регу­лятора или большую ее часть и устанавливаемые в корпус, который может быть одновременно корпусом щеткодержателя. Регуляторы как гибридные, так и на монокристалле, ни разборке, ни ремонту не подлежат. Воздушное охлаждение генератора осуществляется одним или дву­мя вентиляторами, закрепленными на его валу. При этом у генераторов тради­ционной конструкции воздух забирается центробежным вентиля­тором в отверстия крышки со стороны контактных колец. У генераторов, имею­щих контактный узел, регулятор напряжения и выпрямитель вне внутренней по­лости и защищенных кожухом, воздух засасывается через прорези этого кожуха, направляющие воздух в наиболее нагретые места – к диодам выпрямителя и ре­гулятору напряжения. На автомобилях с плотной компоновкой подкапотного пространства, в кото­ром температура воздуха повышенная, применяют генераторы со специальным кожухом, закрепленным на задней крышке и снабженным патруб­ком со шлангом, через который в генератор поступает холодный забортный воз­дух. Такие конструкции обеспечивают также защиту генераторов от загрязнения и применяются, например, на автомобилях BMW. У генераторов компактной конструкции охлаждающий воздух забирается со стороны как задней, так и передней крышек двумя расположенными по торцам ротора центробежными вентиляторами. Производительность этих вентиляторов зависит от числа и размеров лопаток, их направления (диамет­рально, с наклоном к радиусу, с изгибом), применения центробежно-осевых кон­струкций. При этом охлаждающий воздух не только омывает лобовые части об­мотки статора, но и протягивается внутрь по оси генератора. Для уменьшения шума вентиляторы обычно выполняются разношаговыми, с нечетным числом лопаток. Генераторы с жидкостным охлаждением включаются в общую цепь охлаждения агрегатов автомобиля через выводные патрубки. При этом возможны два варианта охлаждения: жидкостью только полупроводниковые узлы (выпрямитель, регулятор напряжения), а остальные узлы – воздухом с помощью вентилятора, или жидкостью всего генератора. В этом случае генератор поме­щается в герметизированный корпус (капсулу), внутри которой циркулирует ох­лаждающая жидкость. Такое исполнение способствует и кардинальному сниже­нию шума, издаваемого генератором. Трудность разборки генератора при гер­метизированном исполнении усложняет замену щеток, поэтому он выполняется бесщеточным. Генераторы большой мощности, устанавливаемые на грузовые и специализированные автомобили 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.