Автомобильный генератор устройство и принцип работы: устройство и принцип работы, напряжение и мощность

Генератор автомобильный – устройство и принцип работы

Смотреть контакты >>

Генератор автомобильный – специальное электрическое устройство, которое преобразовывает в электрический ток механическую энергию. В современных транспортных средствах генераторы служат для постоянной подзарядки аккумуляторов, а также для снабжения электрическим током бортовой автомобильной сети. Автомобильные генераторы вырабатывают переменный ток, но с помощью специальных приспособлений он преобразуется в постоянный, так как именно на нем и работают все бортовые устройства. Как правило, генератор устанавливается в передней части автомобильного двигателя, а привод осуществляется от шкива коленчатого вала посредством ременной передачи. Существуют гибридные модели генераторов, в которых совмещены функции подзарядки и запуска двигателя, то есть, генератор работает как стартер. На сегодняшний день ведущими производителями автомобильных генераторов считаются компании Delphi, Denso, Bosch.

Автомобильные генераторы могут выпускаться в двух вариантах конструктивного исполнения – традиционном и компактном. Кроме своих геометрических размеров и форм, данные конструкции также некоторым образом отличаются компоновкой и установкой вентиляторов, устройстве выпрямительного узла, приводного шкива, корпуса. Но в каком бы исполнении ни был выполнен генератор автомобильный, в нем обязательно присутствуют следующие элементы – корпус, статор, ротор, узел со щетками, регулятор напряжения и выпрямительный блок.

Ротор выполняет очень важную функцию, а именно, создает магнитное поле, для чего на его валу расположена обмотка возбуждения, размещенная в двух разнополюсных половинах, и у каждой из которых есть по шесть выступов, называемых клювами. Также на валу ротора установлены два контактных кольца, питающие обмотку возбуждения. Они, как правило, изготавливаются из меди, но могут быть также латунные и реже – стальными. К ним и припаиваются выводы обмотки возбуждения.

В зависимости от модели или конструктивного исполнения на валу ротора могут быть две вентиляторные крыльчатки, а также приводной ведомый шкив. Вращается ротор на двух подшипниках, закрепленных в корпусе.

Статор непосредственно и вырабатывает переменный электрический ток, в нем объединяются обмотка и металлический сердечник, собираемый из стальных пластин. Обмотка навивается в специальные пазы, коих насчитывается 36 штук – в этих пазах расположены три обмотки для образования трехфазного соединения. При этом различают два способа укладки – петлевой и волновой. Соединение между обмотками может происходить двумя способами:

• по схеме «звезда», когда одни концы служат выводами, а другие в одной точке соединяются;
• схема «треугольник», когда соединение концов осуществляется последовательно.

Большинство конструктивных элементов генератора для автомобиля располагается именно в корпусе. Он собой представляет две крышки, стягивающиеся посредством болтов. Материалом для изготовления корпуса служит алюминиевый сплав – немагнитный, с малым весом и легко отдающий тепло. Для лучшего отвода тепла в крышках проделываются вентиляционные окна.

Как уже говорилось, генератор автомобильный вырабатывает переменный ток. Но так как в системе автомобиля используется постоянный, то предусмотрен специальный выпрямительный блок, преобразовывающий синусоидальное напряжение. Выполнен он в виде пластин, на которых закреплены диоды в количестве шести штук. Помимо этого пластины выполняют роль теплоотводов. Некоторые модели генераторов предусматривают подключение обмотки возбуждения через отдельную группу, куда входят два диода.

Автомобильный генератор: устройство и принцип работы

В любом автомобиле имеется навесное оборудование. Это узлы и механизмы, без которых его работа не представляется возможной. К навесному оборудованию относится стартер, насос гидроусилителя, компрессор кондиционера, впускной и выпускной коллектор, сцепление. Но также в этот список входит и автомобильный генератор. Именно он позволяет поддерживать стабильное напряжение в бортовой сети. Мало кто знает устройство автомобильного генератора и его принцип работы. А ведь эта информация будет полезна для каждого водителя. Что же, давайте рассмотрим, как устроен и действует данный навесной элемент.

Характеристика

Генератор – это электрический двигатель, который служит для преобразования механической энергии в ток.

Используется данный элемент для питания электрического оборудования при работающем ДВС, а также для зарядки аккумулятора автомобиля. На всех современных машинах применяется автомобильный генератор переменного тока.

Где находится

Зачастую данный механизм находится в передней части двигателя. Работает он от коленчатого вала посредством ремня (ручейкового или зубчатого типа). Обычно автопроизводители располагают генератор в максимально верхней точке относительно двигателя. Однако встречаются модели, где механизм крепится чуть ли не в районе картера ДВС. Почему важно расположить механизм в максимально верхней точке? Дело в том, что автомобильный генератор сильно боится воды. Попадание даже небольшого количества влаги может вывести его из строя. Поэтому производители стараются исключить возможность проникновения воды и иных жидкостей на поверхность данного механизма. Чем выше расположен данный элемент, тем это для него безопаснее.

Устройство

В конструкцию генератора входят:

• Обмотка статора.
• Передняя крышка.
• Обмотка возбуждения.
• Щеточный узел.
• Задняя крышка.
• Контактные кольца.
• Полюсные половины.
• Выпрямительный блок.
• Шкив приводной.
• Крыльчатка вентилятора.

Также отметим, что данный узел может иметь разную компоновку:

• Традиционную.
• Компактную.

Отличия заключаются в строении вентилятора, выпрямительного узла и приводного шкива. В остальном же устройство и работа автомобильного генератора идентичны. И традиционный, и компактный механизм состоят из ротора, выпрямительного блока, щеточного узла, регулятора напряжения и статора. Для чего служат все эти компоненты, рассмотрим далее.

Ротор

Данный механизм служит для создания магнитного поля в генераторе. На валу ротора предусмотрена обмотка возбуждения. Последняя помещается в специальные полюсные пластины, каждая из которых имеет шесть выступов. Кроме этого, на валу располагается контактное кольцо. Оно служит для питания обмотки возбуждения. Обычно кольца изготавливают из меди (реже – из латуни). К данным элементам припаиваются выводы обмотки возбуждения.

Также на валу ротора находится одна или две крыльчатки вентилятора. Они обеспечивают охлаждение обмотки во время работы генератора. Вращающийся механизм ротора являет собой два шариковых необслуживаемых подшипника.

Статор

Его функция – создание переменного тока. Автомобильный генератор обязательно оснащается данным элементом. Статор конструктивно объединен с обмоткой и сердечником. Последний представляет собой набор из нескольких пластин. В 36 пазах обмотки находятся еще по три обмотки, которые образуют трехфазное соединение. Производители используют два типа укладки обмоток:

• Волновой.
• Петлевой.

Само соединение осуществляется по разным технологиям:

• Схема «треугольник». В данном случае концы обмотки соединены последовательно.
• Схема «звезда». Здесь концы обмотки соединены в единой точке.

Корпус

В нем находится большинство составных элементов генератора. Состоит корпус из двух крышек: задней и передней. Первая находится со стороны контактных колец, вторая – со стороны приводного шкива.

Между собой эти части стянуты длинными болтами. Сами крышки изготавливаются из немагнитного алюминиевого сплава. В корпусе также предусмотрены вентиляционные окна и крепежные лапы в количестве двух штук.

Щетки и выпрямительный блок

Щеточный узел служит для передачи тока от обмотки возбуждения на контактные кольца. Как устроен данный узел? Он являет собой две графитные щетки с пружинами. Вся конструкция объединена с регулятором напряжения автомобильного генератора.

Теперь о выпрямительном блоке. Он необходим для преобразования синусоидального напряжения в постоянный ток бортовой сети. Состоит данный блок из пластин. Они выполняют функцию теплоотвода, а также на них монтируются диоды. Всего в блоке находится шесть полупроводниковых диодов. На каждую фазу приходится по два таких элемента. Один подключается к положительному, а второй – к отрицательному выводу автомобильного генератора. Обычно соединение осуществляется при помощи пайки либо сварки на монтажных площадках.

Регулятор напряжения

Продолжаем изучать устройство автомобильного генератора. В конструкции механизма всегда присутствует регулятор напряжения (на сленге автомобилистов – «шоколадка»). Данный элемент может иметь:

• Гибридное соединение. В таком случае все радиоэлементы и электроприводы используются в схеме с микроэлектронными толстопленочными элементами.
• Интегральное. Здесь все элементы регулятора, за исключением выходного каскада, выполняются путем тонкопленочной микроэлектронной технологии.

Основная задача «шоколадки» состоит в стабилизации напряжения, которое может варьироваться при изменении числа оборотов коленвала и общей нагрузки бортовой сети.

Данная коррекция осуществляется автоматически благодаря воздействию на ток обмотки возбуждения. Регулятор изменяет продолжительность и частоту импульсов тока. Современные генераторы имеют регуляторы с термокомпенсацией. Таким образом, чем ниже температура аккумулятора, тем больше напряжения подается на его заряд.

Привод генератора

На всех автомобилях данное оборудование приводится в действие от коленчатого вала посредством ремня. Последний может быть клинового либо поликлинового типа. Область применения первого существенно ограничена диаметром ведомого шкива. Число оборотов ротора при работе двигателя обычно в два или три раза выше частоты вращения коленвала.

Зачастую на автомобилях используется поликлиновый ремень. Он является более универсальным, поскольку при небольшом диаметре ведомого шкива ремень позволяет реализовать большее передаточное число. Натяжение приводного элемента регулируется при помощи специального ролика.

Принцип работы автомобильного генератора

Как действует данное оборудование? Принцип работы его заключается в следующем. При повороте ключа, через щеточный узел и кольца на обмотку возбуждения поступает ток от АКБ. В обмотке наводится магнитное поле. При вращении коленвала ДВС одновременно работает и ротор генератора. Магнитное поле последнего пронизывает обмотку статора. На выводах образуется переменное напряжение. При определенной частоте вращения генератор начинает самовозбуждаться. Таким образом, обмотка запитывается от самого генератора.

Выпрямительный блок начинает преобразовать данное напряжение в постоянный ток. С изменением нагрузки на двигатель начинает включаться в работу т. н. «шоколадка». Регулятор корректирует периодичность включения обмотки генератора. С ростом числа оборотов время включения уменьшается. И наоборот, при падении нагрузки периодичность увеличивается.

Бесщеточный генератор

На некоторых автомобилях устанавливается бесщеточный механизм. В своей конструкции он имеет ротор со спрессованными пластинами из трансформаторного железа. На статоре размещена обмотка. А электродвижущая сила образуется путем коррекции магнитной проводимости зазора между статором и ротором.

Автомобильный генератор: характеристики

К основным параметрам данного механизма стоит отнести:

• Номинальный ток. Таковым считается пиковый ток отдачи при частоте вращения шесть тысяч оборотов в минуту.
• Номинальное напряжение. В зависимости от типа электросистемы автомобиля, данный параметр составляет 12 или 24 В. На большинстве легковых авто и внедорожников используется 12-вольтовая схема.
• Мощность. Автомобильный генератор может быть как 60-, так и 120-амперным. Все зависит от типа машины и объема самого двигателя. Если говорить о большинстве легковушек, в них зачастую используется 80-амперный генератор.

Диагностика

Можно ли проверить состояние автомобильного генератора своими руками? Специалисты говорят, что продиагностировать элемент можно в гаражных условиях при помощи обычного мультиметра. Но перед этим нужно проверить подключение автомобильного генератора, а также убедиться в работоспособности всех соединений. Открываем капот автомобиля и находим приводной ремень. Он должен быть натянут с такой силой, при которой он будет прогибаться на 1-1,5 сантиметра вглубь от нажатия большого пальца. Если говорить о точных значениях, данный прогиб измеряется при усилии в 10 кгс.

На первом этапе производится проверка регулятора напряжения. Для этого переводим мультиметр в режим вольтметра. Прогреваем мотор на средних оборотах с включенными фарами в течение десяти минут. Далее измеряем напряжение на выводе массы генератора и на его плюсе. Номинальный показатель – от 13,5 до 14,6 В. Если цифра меньше или больше, значит, регулятор не справляется со своей задачей, и его нужно заменить.

Далее переходим к диагностике диодного моста. Включаем прибор в режим измерения переменного тока. Подключаем щупы к зажиму «30» и к массе генератора. Напряжение должно составлять не больше 0,5 В. В противном случае диодный мост работает неверно. Чтобы проверить пробой на массу, отключаем генератор и снимаем шнур генератора, что подходит к плюсовой 30-й клемме. Далее подключаем мультиметр щупами к отключенному приводу генератора и клеммой. Ток разряда не должен превышать 0,5 мА. Если он больше, произошел пробой изоляции обмотки или самих диодов.

Проверяем ток отдачи

Обратите внимание: сила тока отдачи измеряется при помощи зонда, который является дополнением мультиметра. Данный элемент являет собой некий зажим, при помощи которого охватываются провода, и измеряется сила тока. Итак, как нам проверить генератор? Для этого охватываем зондом провод, идущий к зажиму на 30-й клемме. Запускам двигатель и держим его на высоких оборотах. Включаем свет, печку и остальные электроприборы. Далее поочередно производим замер каждого потребителя в индивидуальном порядке. Величина замера не должна превосходить сумму показаний каждого потребителя. Максимальное расхождение — 5 ампер в меньшую сторону.

Не лишней будет проверка тока возбуждения генератора. Для этого заводим двигатель и даем ему поработать минут пять на высоких оборотах. Далее располагаем вокруг провода с клеммой 67 измерительный зонд. Показания будут равны силе тока возбуждения. На исправном генераторе данный показатель составляет порядка трех-семи ампер.

Для проверки обмотки возбуждения нужно демонтировать «шоколадку» и щеткодержатель. Переводим прибор в режим омметра и прикладываем щупы к контактным кольцам. Уровень сопротивления должен составлять от пяти до десяти Ом. Затем подключаем один щуп к статору. Второй держим на любом из контактных колец. Прибор должен показывать бесконечно большое сопротивление. Если это не так, значит, обмотка замыкает на массу.

Заключение

Итак, мы выяснили, что собой представляет автомобильный генератор и как его проверить. Как видите, диагностику можно осуществить своими руками. Однако чтобы разбираться в этом вопросе, нужно хотя бы поверхностно знать устройство и алгоритм работы элемента.

Автомобильный генератор и его особенности

В рамках данной статьи поговорим об особенностях принципа устройства автомобильных генераторов. Для автовладельцев, разбирающихся в теме, эта статья будет не интересна. Но для тех, кто интересуется автомобильными генераторами с точки зрения применения, эта информация может оказаться полезной.

В современных автомобилях в качестве генераторов используются синхронные трехфазные электрические машины переменного тока, в которых в выпрямителе применена схема Ларионова.

Чтобы генератор после запуска двигателя отдавал ток в нагрузку, необходимо подать питание на катушку возбуждения. Это происходит при повороте ключа зажигания в рабочее положение.

Ток в обмотке возбуждения регулируется регулятором напряжения, который может быть выполнен в виде отдельного узла или интегрирован в щеточный узел генератора. В подавляющем большинстве современных генераторов стабилизатор напряжения (СН) питается от отдельной выпрямительной секции.

Среди других генераторов автомобильный генератор выделяется рядом особенностей. Во-первых, автомобильный генератор, хотя и вырабатывает постоянный ток, по сути является генератором переменного тока, который затем выпрямляется диодным мостом и преобразуется в постоянный ток.

Это решение очень популярно, тот же генератор переменного тока из асинхронного двигателя можно превратить в генератор постоянного тока, достаточно добавить диодный выпрямитель.

Выпрямители переменного тока называются вентильными генераторами постоянного тока. К таким генераторам относится автомобильный генератор.

Выходное напряжение автомобильного генератора постоянное

Одной из отличительных особенностей автомобильного генератора является то, что напряжение на его выходных клеммах поддерживается в узком диапазоне с помощью специального стабилизатора, называемого регулятором напряжения.

Но это не является чем-то исключительным для электромобилей.

Стабилизаторы напряжения можно встретить в комплектации многих источников бесперебойного питания, в том числе и среди тех, которые берут энергию для своих аккумуляторов от механических генераторов тех же домашних ГЭС или от солнечных батарей.

Основное отличие автомобильного генератора в том, что он получает механическую энергию через ремень от коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, частота вращения которого вовсе не постоянна, она зависит от режима работы автомобиля в данный момент, и не связано с потребностями потребителей постоянного тока.

Вот и получается, что задача генератора и его электроники — уметь заряжать автомобильный аккумулятор и снабжать потребителей стабилизированным напряжением, независимо от того, какая сейчас скорость якоря — напряжение должно оставаться в узком коридоре в районе 14 вольт.

Если по какой-то причине напряжение выйдет за пределы диапазона стабилизации, зарядный ток аккумулятора может стать чрезвычайно высоким, а электролит просто выкипит.

Это явление не является чем-то беспрецедентным, с ним сталкивались многие автолюбители, когда внезапно вышел из строя регулятор напряжения на генераторе — электролит в аккумуляторе в этом случае быстро выкипает.

Если напряжение от генератора слишком низкое, аккумулятор преждевременно разрядится. С этой проблемой также сталкивались многие автолюбители.

Итак, стабильное выходное напряжение – обязательное условие корректной работы автомобильного генератора. Но этого не так просто добиться. Диапазон изменения частоты вращения ротора генератора в автомобиле достаточно широк. На холостом ходу это порядка 800 — 1200 оборотов в минуту, а в момент хорошего разгона — до 5000 и даже до 6000 оборотов в минуту. , смотря какая машина.

Токо-скоростная характеристика автомобильного генератора

Таким образом, поскольку напряжение автомобильного генератора поддерживается практически постоянным благодаря регулятору напряжения, он имеет свою вольт-амперную характеристику (ТСХ), т. к. при разных скоростях вращения ротора ток нагрузки разный. Напряжение постоянное, но чем выше скорость — тем выше ток, а чем ниже скорость — тем меньше ток с силовых клемм генератора.

Примечательно тем, что автомобильный генератор имеет ограничение по току, а значит имеет свойство самоограничения. Это означает, что при достижении током определенного предельного значения, как бы дальше не повышалась скорость, ток уже не будет увеличиваться, он просто не сможет этого сделать.

Токоскостаная характеристика (ТСХ) автомобильного генератора снимается по методике, принятой в качестве международного стандарта. Его (характеристику) снимают при испытательной эксплуатации генератора на стенде в паре с полностью заряженной батареей такой номинальной емкости, которая в ампер-часах составляет половину (50%) номинального тока генератора в амперах. На характеристике находятся характерные важные точки: n0, nrg, nн, nmax.

Начальная скорость ротора n0 — это теоретическая скорость ротора без нагрузки. Так как характеристику начинают снимать начиная с силы тока 2 ампера, то эту точку находят путем экстраполяции характеристики на пересечение с горизонтальной осью вращения.

Минимальная рабочая частота генератора nrg принимается соответствующей холостому ходу коленчатого вала. Это примерно от 1500 до 1800 об/мин для ротора генератора. Ток при заданной частоте, как правило, составляет от 40 до 50% от номинального значения для данного генератора. Этого тока должно хватить для питания минимального количества жизненно важных потребителей в автомобиле.

Номинальные обороты ротора генератора nн — это именно та частота, при которой вырабатывается номинальный ток In, она не должна быть меньше номинального значения по паспорту.

Максимальная частота вращения ротора генератора nmax – это частота вращения ротора, при которой максимальный ток отдается генератором, значение которого не сильно отличается от номинального значения испытуемого генератора.

Для генераторов отечественного производства ранее было принято указывать номинальный ток при 5000 об/мин. Также указывалась номинальная частота nр для номинального тока генератора Ip, равного двум третям номинального тока. Этот расчетный режим соответствовал такому режиму работы генератора, когда его элементы не сильно нагревались. Все характеристики снимались при напряжении 14 или 13 вольт.

Самовозбуждение автомобильного генератора и КПД

Автомобильный генератор обязан самовозбуждаться при частоте вращения его ротора ниже частоты, когда коленчатый вал работает на холостом ходу. Испытание проводят на стенде, где должно происходить самовозбуждение при подключении генератора к аккумулятору с контрольной лампой.

Возможности автомобильного генератора с энергетической точки зрения характеризуются величиной его КПД. Чем больше КПД, тем меньше мощности берется от двигателя внутреннего сгорания для получения той же полезной мощности в виде электроэнергии.

КПД генератора зависит в основном от конструктивных особенностей конкретного изделия: какова толщина пластин в статоре и толщина набора, насколько хорошо пластины изолированы друг от друга (насколько малы токи Фуко) , какое сопротивление обмоток статора и ротора, какая ширина контактных колец ротора, какое качество щеток и подшипников? И т. д.

Но одно можно сказать точно — чем выше номинальная мощность генератора, тем выше КПД. Между тем типичный КПД автомобильных генераторов, да и вообще вентильных генераторов, не превышает 60%.

Основным показателем возможностей генератора является его вольт-амперная характеристика, она наглядно показывает, чего можно ожидать от конкретного генератора, на что можно рассчитывать. Для характерных точек составьте таблицу для генератора.

Для примера приведем таблицу характеристик генераторов отечественного производства:

Характеристики автомобильных генераторов

Диапазон выходного напряжения на разных скоростях и в зависимости от температуры и нагрузки отражает возможности регулятора напряжения автомобильного генератора .

Смотрите также у нас:

Основные типы генераторов и принципы их работы

Устройство и принцип работы динамо-машины

Как работают электромобили на топливных элементах, использующие водород?

Как и полностью электрические транспортные средства, электромобили на топливных элементах (FCEV) используют электричество для питания электродвигателя. В отличие от других электромобилей, FCEV производят электроэнергию, используя топливный элемент, работающий на водороде, а не только от батареи. В процессе проектирования транспортного средства производитель транспортного средства определяет мощность транспортного средства по размеру электродвигателя (двигателей), который получает электроэнергию от комбинации топливного элемента и аккумулятора соответствующего размера. Хотя автопроизводители могут разработать FCEV с подключаемыми модулями для зарядки аккумулятора, большинство FCEV сегодня используют аккумулятор для рекуперации энергии торможения, обеспечения дополнительной мощности во время коротких ускорений и сглаживания мощности, подаваемой от топливного элемента, с возможностью простаивайте или выключайте топливный элемент при малой потребности в мощности. Количество хранимой на борту энергии определяется размером водородного топливного бака. Это отличается от полностью электрического транспортного средства, где количество доступной мощности и энергии тесно связано с размером батареи. Узнайте больше об электромобилях на топливных элементах.

Изображение высокого разрешения

Аккумулятор (вспомогательный): В электромобилях низковольтная вспомогательная аккумуляторная батарея обеспечивает электроэнергию для запуска автомобиля до включения тяговой батареи; он также питает автомобильные аксессуары.

Аккумуляторный блок: Этот высоковольтный аккумулятор накапливает энергию, вырабатываемую рекуперативным торможением, и обеспечивает дополнительную мощность тягового электродвигателя.

Преобразователь постоянного тока в постоянный: Это устройство преобразует постоянный ток высокого напряжения от блока тяговых аккумуляторов в постоянный ток низкого напряжения, необходимый для питания автомобильных аксессуаров и подзарядки вспомогательного аккумулятора.

Тяговый электродвигатель (FCEV): Используя энергию топливного элемента и тягового аккумулятора, этот электродвигатель приводит в движение колеса автомобиля. В некоторых транспортных средствах используются мотор-генераторы, которые выполняют как функции привода, так и функции регенерации.

Блок топливных элементов: Сборка отдельных мембранных электродов, которые используют водород и кислород для производства электроэнергии.

Горловина топливного бака: Форсунка от топливораздаточной колонки присоединяется к приемнику на автомобиле для заполнения бака.

Топливный бак (водород): Хранит газообразный водород на борту транспортного средства до тех пор, пока он не понадобится топливному элементу.

Контроллер силовой электроники (FCEV): Этот блок управляет потоком электроэнергии, подаваемой топливным элементом и тяговой батареей, контролируя скорость тягового электродвигателя и создаваемый им крутящий момент.

Тепловая система (охлаждение) — (FCEV): Эта система поддерживает надлежащий диапазон рабочих температур топливного элемента, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов.