11.2. Призначення, загальна будова та робота автомобільних генераторів

Сьогодні на автомобілях встановлюють генератори змінного струму. Це пояснюється їхньою більшою надійністю, меншою масою і здатністю забезпечувати отримання номінальної напруги і потужності при меншій частоті обертання колінчастого вала двигуна. Проте велика кількість автомобілів, що працюють в автогосподарствах, мають генератори постійного струму, а деякі зарубіжні фірми продовжують випускати автомобілі з такими генераторами.

Генератор постійного струму складається з двох основних частин:

• нерухомого корпуса (статора), в якому створюється магнітне поле;

• якоря, який обертається в корпусі з обмотками, в яких індукується електрорушійна сила (ЕРС).

Рис. 11.2. Електрична схема генератора постійного струму: 1 – якір; 2 – колектор; 3 – обмотка збудження; 4 і 5 – щітки; 6 – регулятор напруги; Я і Ш - клеми

У кожній секції обмотки якоря ЕРС змінюється за значенням і напрямком залежно від положення секції в магнітному полі. Кінці секції під’єднані до двох ізольованих діаметрально розташованих на колекторі пластин (ламелів). При певному положенні секції ламелі підходять до двох нерухомих мідно-графітних щіток, що знімають напругу з цієї секції. Отже, до щіток завжди підводиться напруга, постійна за значенням і напрямом. Магнітне поле створюється електромагнітами. Обмотки електромагнітів, які називаються обмотками збудження, живляться струмом, який виробляється генератором. Кінці обмотки збудження під’єднані до щіток генератора, тобто паралельно до обмоток якоря. Такі генератори називають генераторами з паралельним самозбудженням (шунтовими). На початку роботи генератора, поки струм в обмотках збудження відсутній, магнітне поле, в якому обертається якір, створюється завдяки залишковому магнетизму в осердях електромагнітів.

Генератор змінного струму складається з двох основних частин:

• статора з нерухомою обмоткою, в якій індукується змінний струм;

• ротора, який створює рухоме магнітне поле.

Полюси ротора по черзі проходять повз нерухомі котушки, розміщені в пазах з внутрішнього боку корпусу генератора. В осердях котушок, розташованих з внутрішнього боку корпусу генератора, змінюється напрям магнітного потоку, а отже, і напрям індукованої в котушці ЕРС. Зазвичай кількість полюсів магніту на роторі і кількість котушок в корпусі така, яка необхідна для отримання трифазного струму. У трифазних генераторів обмотки часто мають одну спільну точку – в ній з’єднуються кінці обмоток. Така схема з’єднання називається “зірка”, а спільна точка обмоток – “нульовою”. Інші кінці обмоток приєднують до двонапівперіодного випрямляча. Магнітне поле ротора може створюватись постійним магнітом або електромагнітом. В останньому випадку до обмотки збудження електромагніту необхідно підводити постійну напругу. Застосування в роторі електромагнітів ускладнює конструкцію генератора, оскільки необхідно підводити напругу до обертової деталі. Проте у такому разі можливе регулювання напруги при зміні частоти обертання ротора.

Рис. 11.3. Генератор змінного струму 1 – магнітний ротор; 2 – статор з обмоткою; 3-5 – виводи обмоток

Змінний струм генератора випрямляється двонапівперіодним трифазним випрямлячем з напівпровідниковими діодами.

Рис. 11.4. Конструкція генератора змінного струму: 1 – передня кришка; 2 – крильчатка; 3 – шків; 4 – гайка шківа; 5 – шпонка; 6 – передній підшипник; 7 – шайба; 8 – полюс ротора; 9 – статор; 10 – обмотка збудження ротора; 11 – регулятор напруги; 12 – болт кріплення корпусу регулятора напруги та щіткового вузла; 13 – корпус регулятора напруги та щіткового вузла; 14 – щітки; 15 – задній підшипник; 16 – кришка заднього підшипника; 17 – контактні кільця; 18 – блок випрямляча; 19 – задня кришка

Генератор складається з ротора, статора, кришок, шківа привода з вентилятором і вбудованого блока випрямлячів. Приведення в дію його ротора здійснюється клиновим пасом від колінчастого вала двигуна. Генератор шарнірно кріпиться болтами до кронштейна, встановленого на двигуні. Поворотом корпусу генератора на болтах кріплення можна регулювати натяг паса привода.

Рис. 11.5. Генератор в розібраному вигляді

Генератори змінного струму мають істотні переваги порівняно з генераторами постійного струму. Ротор генератора змінного струму може обертатись з більшою частотою, ніж якір генератора постійного струму. За великої частоти обертання якоря генератора постійного струму погіршується контакт між щітками і ламелями колектора внаслідок коливань щіток при ковзанні їх по колектору. Крім того, під дією відцентрових сил можливий вихід обмоток з пазів якоря.

Рис. 11.6. Складові елементи генератора: 1 – регулятор напруги; 2 – блок випрямляча; 3 – щітка

Щітки обмотки збудження генератора змінного струму ковзають по суцільному кільцю, тому можлива робота з більшою частотою обертання, а обмотка збудження надійно закріплена під зірочками. Це дає змогу збільшити передавальне відношення у приводі від колінчастого вала двигуна до генератора, а отже, напруга на клемах генератора змінного струму сягає номінального значення при меншій частоті обертання колінчастого вала, ніж в генераторах постійного струму. До того ж зменшується тривалість живлення споживачів струмом акумуляторної батареї, покращуються умови її роботи, а термін служби – збільшується.

Щітковий вузол генератора змінного струму довговічніший, тому що щітки ковзають по суцільному кільцю і через них проходить лише струм збудження. У генератора постійного струму щітки стикаються з колектором, що складається з окремих пластин, і через щітки проходить струм навантаження. Отже, генератори змінного струму надійніші, а об’єм їх технічного обслуговування менший, ніж у генераторів постійного струму. Крім того, генератори змінного струму за тієї самої потужності мають менші габаритні розміри і масу порівняно з генераторами постійного струму.

Рис. 11.7. Схематичне зображення генератора змінного струму: 1 – корпус; 2 – обмотка статора; 3 – ротор; 4 – шків; 5 – пасова передача привода генератора; 6 – кронштейн кріплення; 7 – контактні кільця; 8 – щітки; 9 – регулятор напруги; 10 – клема для під’єднання споживачів; 11 – клема для живлення ланцюга амперметра та контрольних ламп на щитку приладів; 12 – випрямляч

Регулювання напруги генераторів. Для надійної роботи споживачів до них необхідно підводити електричний струм, напруга якого відповідає номінальній розрахунковій величині.

Якір генератора пов’язаний пасовою передачею з колінчастим валом двигуна, і частота його обертання змінюється в широкому діапазоні. При постійному магнітному потоці напруга на клемах генератора також буде змінюватись.

Для того, щоб напруга при збільшенні частоти обертання якоря не змінювалась, необхідно пропорційно зменшувати магнітний потік збудження. При застосуванні в генераторі електромагнітів це можна забезпечити, зменшуючи силу струму в обмотках збудження. На цьому принципі і основане регулювання напруги автомобільних генераторів. Як тільки напруга на клемах генератора досягає гранично допустимої величини, в ланцюг обмотки збудження вмикається резистор, в результаті різко зменшується сила струму збудження і відповідно падає напруга на клемах генератора. Резистор знову відмикається, сила струму збудження збільшується і напруга генератора знову зростає. Такі процеси відбуваються безперервно, і в середньому на клемах генератора підтримується необхідна напруга.

При використанні генераторів постійного струму необхідно також обмежувати максимальну силу струму, щоб захистити генератор від переван­тажень. Крім того, необхідно відмикати батарею від генератора, якщо напруга на його клемах нижча, ніж на клемах акумуляторної батареї. Ці функції виконують відповідно обмежувач струму і реле зворотного струму.

Для регулювання напруги генераторів використовують вібраційні реле, контактно-транзисторні і транзисторні регулятори.

Регулювання напруги генераторів постійного струму здійснюється за допомогою електромагнітних вібраційних реле. Зазвичай три електромагнітні реле, які здійснюють відповідно регулювання напруги, обмеження макси­мальної сили струму і відмикання батареї від генератора, об’єднують в один блок, який називається реле-регулятором.

У генераторах змінного струму із зростанням частоти обертання ротора збільшується частота зміни напряму струму. Це призводить до збільшення індуктивного опору фазових обмоток. Тому при частотах обертання ротора, що забезпечують отримання максимальної потужності генератора, сила струму не може перевищити граничну. Цю властивість генераторів змінного струму називають властивістю саморегулювання. Внаслідок цього під час застосування генераторів змінного струму не потрібні обмежувачі струму. Оскільки випрямляч пропускає струм тільки в одному напрямі від генератора до акумуляторної батареї, то не потрібне реле зворотного струму.

Сьогодні більш поширеними стають контактно-транзисторні регулятори напруги, які працюють спільно з генераторами змінного струму. Вони надійніші, тому що не мають контактів і рухомих частин (транзисторні регулятори) або через контакти проходить струм керування невеликої сили (контактно-транзисторні регулятори).

У цих регуляторах струм збудження проходить від акумуляторної батареї до обмотки збудження через транзистор, який закривається, як тільки напруга, що виробляється генератором, перевищує граничну.