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.
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.