Устройство автомобилей

Устройство автомобилей

Развитие автомобилестроения сопровождалось ростом требований к безотказности и увеличению срока службы автомобилей, комфорту их эксплуатации, снижению эксплуатационных затрат на техническое обслуживание и ремонт, а также соответствие все возрастающим требованиям безопасности движения.
В связи с этим появилась необходимость существенного увеличения мощности и срока службы автомобильных генераторов, как основных источников электрического тока, улучшения их эксплуатационных характеристик и снижения эксплуатационных затрат. Появилась необходимость уменьшения габаритных размеров и массы генераторов, как, впрочем, и многих других агрегатов и устройств, что позволяло гибко проектировать компоновку и внешний дизайн автомобилей, а также получать экономию дорогостоящих металлов.

Удовлетворение перечисленных требований путем совершенствования конструкции и технологии производства генераторов постоянного тока, учитывая низкую надежность и малый срок службы щеточно-коллекторного узла, а также габаритные размеры и массу генераторов постоянного тока, стало неосуществимо. Поэтому было выбрано новое направление в развитии автомобильных генераторов – создание генераторов переменного тока.

Название «генератор переменного тока» несколько условно, и касается в основном особенностей конструкции генератора, поскольку они оснащены встроенными полупроводниковыми выпрямителями и питают потребители постоянным (выпрямленным) током.
В генераторах постоянного тока таким выпрямителем является щеточно-коллекторный узел, осуществляющий выпрямление переменного тока, полученного в обмотках якоря.
Развитие полупроводниковой техники позволило применить в генераторах переменного тока более совершенный и надежный выпрямитель на полупроводниковых диодах, в котором отсутствовали механические детали и узлы, подверженные износу и отказам.

Преимущества и недостатки генераторов переменного тока

К основным преимуществам генераторов переменного тока по сравнению с генераторами постоянного тока можно отнести следующие свойства:

• при одинаковой мощности их масса в 1,8…2,5 раза меньше, причем примерно в три раза меньше расходуется ценного цветного металла – меди;
• при одинаковых габаритах генераторы переменного тока выдают большую мощность;
• ток начинает вырабатываться при меньшей частоте вращения ротора;
• проще схема и конструкция регулирующего устройства вследствие отсутствия элемента ограничения силы тока и реле обратного тока;
• проще и надежнее конструкция токосъемного устройства, особенно, в бесконтактных генераторах переменного тока;
• меньше эксплуатационные затраты из-за высокой надежности работы и увеличения срока службы.

С практической точки зрения преимущества генератора переменного тока проявляются в том, что вырабатываемый им ток снимается с неподвижных обмоток, закрепленных на корпусе-статоре. Обмотка возбуждения, выполненная на вращающемся роторе, существенно легче неподвижных обмоток статора, поэтому ротор можно вращать с большей скоростью, не опасаясь явлений дисбаланса вращающихся масс. Да и ток возбуждения в этом случае подвести проще, поскольку он небольшой. В результате щетки и контактные кольца служат дольше.

Кроме того, генератор постоянного тока, в отличие от генератора переменного тока, начинает вырабатывать ток при относительно большой частоте вращение якоря. По этой причине для его полноценного функционирования, например, на холостых оборотах двигателя, необходимо значительное передаточное число привода, что в дальнейшем (на рабочей частоте коленчатого вала) может привести к дисбалансу (из-за значительной массы якоря), износу подшипников и элементов привода генератора.

Определенное преимущество генераторов переменного тока проявляется, также, в том, что при необходимости получения высокого напряжения (например, для питания высоковольтных потребителей), достаточно использовать небольшой трансформатор. Увеличить напряжение постоянного тока таким способом не удастся. Несмотря на то, что в автомобильных бортовых сетях необходимость получения высокого напряжения возникает крайне редко, такую возможность нельзя сбрасывать со счетов.

Основные недостатки генератора переменного тока — необходимость выпрямления вырабатываемого им тока, а также некоторое рассеивание мощности в окружающих ротор и статор металлических деталях из-за возникновения вихревых и реактивных токов в переменном электромагнитном поле. Тем не менее, достоинства генераторов переменного тока с лихвой окупают отмеченные недостатки.

Первые автомобильные генераторы переменного тока были спроектированы для работы с отдельными селеновыми выпрямителями и вибрационными регуляторами напряжения. Селеновые выпрямители имели значительные размеры, и их приходилось размещать отдельно от генератора, в местах, где обеспечивалось хорошее охлаждение. Для присоединения такого выпрямителя к генератору требовалась дополнительная проводка.
Кроме того, селеновые выпрямители были недостаточно теплостойки, и допускали максимальную рабочую температуру не выше +80 ˚С.
По этим причинам в дальнейшем от селеновых выпрямителей отказались, и стали применять кремниевые диоды, которые были менее габаритны, обладали хорошей теплостойкостью, что позволяло размещать их непосредственно в генераторе.

На смену вибрационным регуляторам напряжения пришли сначала контактно-транзисторные, а затем бесконтактные на дискретных элементах и бесконтактные интегральные регуляторы.
Габаритные размеры интегральных регуляторов позволяют встраивать их в генератор, который совместно со встроенными регулятором и выпрямительным блоком называется генераторной установкой.

Принципиальное устройство генератора переменного тока

На рис. 1 представлена упрощенная схема генератора переменного тока, который состоит из двух основных частей: статора с неподвижной обмоткой, в которой индуцируется переменный ток, и ротора, создающего магнитное поле.

Полюсы ротора поочередно проходят мимо неподвижных катушек статора, размещенных на пазах с внутренней стороны корпуса генератора. При этом изменяется направление магнитного потока, а, следовательно, и направление индуцируемой в катушке ЭДС.

Обычно число полюсов магнита на роторе и число катушек в корпусе позволяет получить трехфазный ток. У трехфазных генераторов обмотки имеют одну общую точку, где соединяются их концы, поэтому такая схема соединения называется «звездой», а общая точка обмотки – нулевой точкой.

Вторые концы обмоток присоединяют к двухполупериодному выпрямителю. Магнитное поле ротора может создаваться постоянным магнитом или электромагнитом. В последнем случае к обмотке возбуждения электромагнита подводится постоянное напряжение.

Применение в роторе электромагнитов усложняет конструкцию генератора, так как необходимо подводить напряжение к вращающейся детали – ротору, но в этом случае возможно регулирование напряжения изменением частоты вращения ротора. Кроме того, магнитные свойства постоянных магнитов существенно зависят от их температуры.

Более подробно устройство и работа автомобильного генератора переменного тока приведены на следующей странице.

Бесконтактные генераторы с электромагнитным возбуждением

Для автомобильных генераторов надежность и срок службы определяются тремя факторами:

• качеством электрической изоляции;
• качеством подшипниковых узлов;
• надежностью токосъемных (щеточно-контактных) устройств.

Первые два фактора зависят от уровня развития смежных производств. Третий фактор может быть исключен путем использования бесконтактных генераторов, имеющих более высокую надежность и ресурс, чем контактные генераторы, использующие щеточно-контактные токосъемные устройства. Это стимулировало создание автомобильных бесконтактных генераторов переменного тока с электромагнитным возбуждением – индукторных генераторов и генераторов с укороченными полюсами.

К бесконтактным генераторам с электромагнитным возбуждением относятся индукторные генераторы и генераторы с укороченными клювами. Работает генератор следующим образом. Обмотка возбуждения, по которой протекает постоянный ток, создает в магнитной системе поток, который при вращении ротора изменяется по величине без изменения знака. Этот поток замыкается, проходя через воздушные зазоры между валом и элементами ротора, зубцы которого выполнены в виде звездочки, воздушный зазор между ротором и статором, магнитопровод статора и крышку генератора.

Изменение магнитного потока в якоре при вращении ротора происходит за счет изменения магнитного сопротивления воздушного зазора между зубцами статора и ротора.
Магнитный поток Ф у индукторных генераторов пульсирующий. Магнитный поток в воздушном зазоре периодически изменяется от Ф_mах, когда оси зубцов ротора и статора совпадают, до Ф_min, когда оси зубцов ротора и статора смещены на угол 180˚ электрических градусов. Таким образом, магнитный поток имеет среднюю постоянную и переменную составляющую с амплитудой

3убец и впадина ротора (индуктора) генератора образуют пару полюсов, поэтому частота тока якоря в индукторе генератора может быть определена по формуле:

где z — число зубцов ротора.

В генераторах с укороченными полюсами бесконтактность достигается за счет неподвижного крепления обмотки возбуждения с помощью немагнитной обоймы. Полюсы клювообразной формы имеют длину меньше половины длины активной части ротора. В процессе вращения ротора магнитный поток возбуждения пересекает витки обмотки статора, индуцируя в них ЭДС.

Генераторы с укороченными полюсами просты по конструкции, технологичны. Роторы таких генераторов имеют малое рассеяние.
К недостаткам можно отнести несколько большую, чем у контактных генераторов, массу при той же мощности. Также следует отметить трудность крепления обмотки возбуждения и обеспечения жесткости и механической прочности ее крепления.

Применение на автомобилях существующих конструкций индукторных генераторов долго сдерживалось следующими трудностями:

• невысокие удельные показатели;
• повышенный уровень пульсации выпрямленного напряжения;
• повышенный уровень шума.

Дальнейшее совершенствование конструкции и устранение вышеперечисленных недостатков позволило использовать индукторные генераторы переменного тока на автомобилях.

Впервые бесщеточные генераторы с укороченными полюсами 45.3701 и 49.3701 были использованы на автомобилях марки «УАЗ».

Небольшой видеоролик позволит наглядно понять основные принципы работы и устройство автомобильного генератора переменного тока.

Для чего в автомобиле нужен генератор?

Генератор используется для поддержания в бортовой сети определенных напряжения и тока. Основное назначение генератора автомобиля состоит в обеспечении устойчивого питания электрооборудования при работающем двигателе – в частности, для:

• Заряда аккумулятора.
• Питания всех потребителей электрического тока в нормальных условиях.
• Питания потребителей совместно с АКБ при экстремальной эксплуатации.

Применение автомобильного генератора позволяет восстанавливать заряд аккумулятора, который расходуется на запуск двигателя при помощи стартера. При этом напряжение в бортовой сети пребывает в строго установленных пределах, превышающих электрохимический потенциал пластин батареи.

Разобравшись в вопросе, для чего нужен генератор в автомобиле, необходимо понять, что в случае отказа агрегата двигатель проработает еще какое-то время за счет аккумулятора. Продлить этот период можно, отключив все второстепенные потребители: вентилятор отопителя, кондиционер, аудиосистему. По исчерпании заряда батареи двигатель заглохнет.

Принцип работы автомобильного генератора – принципиальная элеткросхема узла

Недостаточно знать, как устроен генератор автомобиля в общем, если вы хотите полностью разобраться с принципом его работы. Надлежит, кроме того, изучить электросхему генераторного узла, которая включает в себя такие компоненты:

• АКБ;
• включатель зажигания;
• «массу»;
• щеточный узел;
• конденсатор, предназначенный для подавления помех;
• диоды обмотки;
• плюсовой выход механизма;
• диоды выпрямителя (силового) – отрицательные и положительные;
• питание обмотки;
• регулятор напряжения;
• обмотки статора;
• сигнальную лампу (она подает сигнал о неисправности описываемого устройства).

А вот теперь легко понять, как работает автомобильный генератор. При повороте ключа в замке зажигания через контактные кольца и щеточный механизм ток подается на обмотку возбуждения. В ней наводится необходимое поле (магнитное), что приводит в движение ротор, который начинает перемещать коленчатый вал. На выводах статорных обмоток создается напряжение переменного характера.

В тот момент, когда частота вращения коленвала достигает заданной частоты вращения, генератор начинает запитывать обмотку возбуждения.

Постоянное же напряжение из переменного получается за счет работы выпрямительного блока, что дает возможность генераторному устройству снабжать АКБ током. При изменении показателей частоты вращения и нагрузки коленвала начинает действовать регулятор напряжения. Его задача состоит в том, чтобы вовремя запустить обмотку возбуждения. Как видим, принцип функционирования генератора довольно-таки прост и понятен.

Как устроен генератор переменного тока?

Стандартный или компактный трёхфазный генератор переменного тока имеет намного меньшие габариты за счёт изменения конструкции статора, в качестве которого выступает отдельный модифицированный элемент и более эффективный ротор вместо якоря. В связи с этим у производителей отпала необходимость создавать массивные и тяжёлые корпуса, а токосъёмные свойства генератора при этом увеличились в несколько раз. Несмотря на разительные перемены в конструкции устройств разных поколений генераторов, принцип их работы практически ничем не различается.

Генератор переменного тока состоит из ротора, статора, трёхфазных медных намоток в качестве магнитопровода, шкива, являющегося продолжением ротора, принимающего крутящий момент от двигателя, графитовых щёток, регулятора напряжения и силового выпрямителя. Каждый из элементов компактно размещён в лёгком корпусе, представляющем собой парные алюминиевые крышки, соединённые болтами. Корпус крепится к кронштейнам двигателя через проушины так, чтобы шкив находился со стороны привода.

Рассмотрим устройство элементов генератора переменного тока более детально:

1. Статор изготавливается из стальных листов, каждая его часть сваривается или клепается так, чтобы получилось 36 пазов, которые изолируются плёнкой, либо эпоксидной смолой. Обмотка статора осуществляется между пазами;
2. Ротор представляет из себя две разнополюсные части с клинообразными выступами, у каждой из которых имеется как минимум шесть полюсов, закреплённых на валу. В случае фиксации на концах вала закалённой цапфы и подшипников, его изготовление предполагает использование твёрдой стали, при этом шкив фиксируется при помощи резьбы и паза;
3. Электрографитные или меднографитовые щётки имеют пружинный способ прижатия. Первый вариант с более долгим сроком эксплуатации, контактируя с кольцом, значительно снижает напряжение в цепи;
4. Диодные мосты в виде таблеток, надёжно закреплённых на охлаждающих элементах пайкой, или силовых диодов, размещённых в пластинах, выполняют функцию отвода тепла;
5. Выпрямление переменного тока осуществляется вспомогательным узлом диодов, заключённых в герметичный блок, который имеет подключение в виде шины. Узел защищён от короткого замыкания специальным составом;
6. Система охлаждения генератора выполняет важную функцию, влияющую на регулировку напряжения, которая напрямую зависит от температуры окружающего воздуха. Также регулятор справляется со скачками напряжения, которые неизбежно появляются в связи с изменением числа оборотов двигателя.

Принцип работы

Теперь разберем подробнее работу генератора переменного тока в автомобиле. При включении зажигания, на щеточный узел подается ток от аккумуляторной батареи. Через щеточный узел он попадает на медные контактные кольца, а затем на обмотку возбуждения ротора. Напомним, что ротор, по сути, является электромагнитом, который создает магнитное поле. Коленчатый вал через шкив и ременную передачу начинает вращать ротор. Вокруг ротора расположен статор, который от вращения начинает вырабатывать переменный ток. Когда вращение ротора достигает определенной частоты, обмотка возбуждения питается от самого генератора.

Через диодный мост переменный ток “выпрямляется” и преобразуется в постоянный, необходимый для питания бортовой сети. Так автомобильный генератор обеспечивает питание потребителей и подзаряжает аккумулятор. Регулятор напряжения изменяет работу обмотки возбуждения при возрастании частоты вращения ротора. Таким образом поддерживается стабильная нагрузка.

В салоне автомобиля на приборной панели есть контрольная лампа генератора, которая показывает состояние устройства. Например, лампа может загореться при обрыве ремня. Тогда питание сети будет идти только через аккумулятор. Продолжительность работы в этом случае будет зависеть от уровня заряда АКБ.

Устройство и назначение

Генератор для переменного тока выполняет свою основную функцию только за счет передачи механической энергии от вращения вала мотора на ротор. Появившееся вследствие вращения ротора магнитное поле преобразуется в электрический ток на обмотке стартера, после чего распределяется по основным потребителям бортовой сети. Это позволяет использовать мощность АКБ только на старте, после чего заряд батареи постепенно восстанавливается. Без этого важного устройства, разрядка аккумулятора происходила бы с большой скоростью, а напряжение в сети было бы недостаточным для работы всех энергоемких узлов и потребителей.

Устройство автомобильного генератора включает следующие узлы:

• Статор, в комплект которого входит обмотка, магнитопровод, выводы обмотки, клиновые пазы.
• Ротор, состоящий из контактных колец, вала, обмотки возбуждения, полюса.
• Подшипники.
• Крышка генератора, в которой есть отверстия для охлаждения системы.
• Система охлаждения, состоящая из одного или двух вентиляторов.
• Щеточный узел.
• Задняя и передняя крышка с крепежными пазами.
• Регулятор напряжения.
• Привод со шкивом, расположенный со стороны передней крышки.
• Блок выпрямителя (другое название — диодный мост).

Расположен узел обычно в передней части двигателя, крепление с которым происходит при помощи ременной передачи. Для этого механизма губительным является попадание влаги и грязи на корпус, поэтому генератор обычно размещен в самой высокой точке относительно двигателя авто. На разных марках машин используются генераторы различной мощности. Принципиальным различием также являются габариты устройства. В зависимости от этого используется стандартная или компактная комплектация. Главным отличием выступают размеры диодного моста, приводного шкива и вентилятора.

Заключение

Устройство и принцип работы автомобильного генератора практически не отличается от других установок подобного типа, кроме наличия диодного моста, выравнивающего переменное напряжение. Кроме того, на крупных установках требуется дополнительное устройство, которое называется возбудитель генератора.

Среди распространенных поломок этого устройства – обрыв ремня, о чем просигнализирует индикатор разрядки аккумулятора, который будет гореть при движении. Чтобы избежать этой проблемы, требуется периодически проверять его натяжку, для чего нужно просто нажать на ремень и посмотреть в инструкции по эксплуатации, на сколько миллиметров он должен вжиматься.

Иногда из строя выходят щетки или реле регулятора, которые меняются единым узлом. Если при работающем моторе отключить клемму аккумулятора, высок риск выхода из строя (пробой) диодного моста, который тоже нужно будет заменить.