Автомобільні генератори змінного струму
Генератори змінного струму
Розвиток автомобілебудування супроводжувалося зростанням вимог до безвідмовності і збільшення терміну служби автомобілів, комфорту їх експлуатації, зниження експлуатаційних витрат на технічне обслуговування і ремонт, а також відповідність все зростаючим вимогам безпеки руху.
Задоволення перерахованих вимог шляхом вдосконалення конструкції та технології виробництва генераторів постійного струму, з огляду на низьку надійність і малий термін служби щітково-колекторного вузла, а також габаритні розміри і масу генераторів постійного струму, стало нездійсненно. Тому було вибрано новий напрямок у розвитку автомобільних генераторів - створення генераторів змінного струму.
Назва «генератор змінного струму» кілька умовно, і стосується в основному особливостей конструкції генератора, оскільки вони оснащені вбудованими напівпровідниковими випрямлячами і живлять споживачі постійним (випрямленою) струмом.
В генераторах постійного струму таким випрямлячем є щітково-колекторний вузол, який здійснює випрямлення змінного струму, отриманого в обмотках якоря.
Розвиток напівпровідникової техніки дозволило застосувати в генераторах змінного струму більш досконалий і надійний випрямляч на напівпровідникових діодах, в якому були відсутні механічні деталі і вузли, схильні до зносу і відмов.
Переваги та недоліки генераторів змінного струму
До основних переваг генераторів змінного струму в порівнянні з генераторами постійного струму можна віднести наступні властивості:
- при однаковій потужності їх маса в 1,8 ... 2,5 рази менше, причому приблизно в три рази менше витрачається цінного кольорового металу - міді;
- при однакових габаритах генератори змінного струму видають велику потужність;
- ток починає вироблятися при меншій частоті обертання ротора;
- простіше схема і конструкція регулюючого пристрою внаслідок відсутності елементу обмеження сили струму і реле зворотного струму;
- простіше і надійніше конструкція токоз'ємного пристрої, особливо, в безконтактних генераторах змінного струму;
- менше експлуатаційні витрати через високу надійності роботи і збільшення терміну служби.
З практичної точки зору переваги генератора змінного струму виявляються в тому, що виробляється їм струм знімається з нерухомих обмоток, закріплених на корпусі-статорі. Обмотка збудження, виконана на роторі, істотно легше нерухомих обмоток статора, тому ротор можна обертати з більшою швидкістю, не побоюючись явищ дисбалансу обертових мас. Та й струм збудження в цьому випадку підвести простіше, оскільки він невеликий. В результаті щітки і контактні кільця служать довше.
Крім того, генератор постійного струму, на відміну від генератора змінного струму, починає виробляти струм при відносно великій частоті обертання якоря. З цієї причини для його повноцінного функціонування, наприклад, на холостих обертах двигуна, необхідно значне передавальне число приводу, що в подальшому (на робочій частоті колінчастого валу) може привести до дисбалансу (через значної маси якоря), зносу підшипників і елементів приводу генератора .
Певну перевагу генераторів змінного струму проявляється, також, в тому, що при необхідності отримання високої напруги (наприклад, для живлення високовольтних споживачів), досить використовувати невеликий трансформатор. Збільшити напругу постійного струму таким способом не вдасться. Незважаючи на те, що в автомобільних бортових мережах необхідність отримання високої напруги виникає вкрай рідко, таку можливість не можна скидати з рахунків.
Основні недоліки генератора змінного струму - необхідність випрямлення виробляється їм струму, а також деяке розсіювання потужності в оточуючих ротор і статор металевих деталях через виникнення вихрових і реактивних струмів в змінному електромагнітному полі. Проте, гідності генераторів змінного струму з лишком окупають зазначені недоліки.
Перші автомобільні генератори змінного струму були спроектовані для роботи з окремими селеновими випрямлячами і вібраційними регуляторами напруги. Селенові випрямлячі мали значні розміри, і їх доводилося розміщувати окремо від генератора, в місцях, де забезпечувалося гарне охолодження. Для приєднання такого випрямляча до генератора була потрібна додаткова проводка.
Крім того, селенові випрямлячі були недостатньо теплостойки, і допускали максимальну робочу температуру не вище +80 ˚С.
З цих причин в подальшому від селенових випрямлячів відмовилися, і стали застосовувати кремнієві діоди, які були менш габаритні, мали добру теплостійкість, що дозволяло розміщувати їх безпосередньо в генераторі.
На зміну вібраційних регуляторам напруги прийшли спочатку контактно-транзисторні, а потім з використанням безконтактної технології на дискретних елементах і безконтактні інтегральні регулятори.
Габаритні розміри інтегральних регуляторів дозволяють вбудовувати їх в генератор, який спільно з вбудованими регулятором і випрямним блоком називається генераторної установкою.
Принципове пристрій генератора змінного струму
На рис. 1 представлена спрощена схема генератора змінного струму, який складається з двох основних частин: статора з нерухомою обмоткою, в якій індукується змінний струм, і ротора, що створює магнітне поле.
Полюси ротора по черзі проходять повз нерухомих котушок статора, розміщених на пазах з внутрішньої сторони корпусу генератора. При цьому змінюється напрямок магнітного потоку, а, отже, і напрямок индуцируемой в котушці ЕРС.
Зазвичай число полюсів магніту на роторі і число котушок в корпусі дозволяє отримати трифазний струм. У трифазних генераторів обмотки мають одну спільну точку, де з'єднуються їх кінці, тому така схема з'єднання називається «зіркою», а загальна точка обмотки - нульовою точкою.
Другі кінці обмоток приєднують до двухполуперіодним випрямителю. Магнітне поле ротора може створюватися постійним магнітом або електромагнітом. В останньому випадку до обмотці збудження електромагніта підводиться постійна напруга.
Застосування в роторі електромагнітів ускладнює конструкцію генератора, так як необхідно підводити напруга до обертової деталі - ротора, але в цьому випадку можливе регулювання напруги зміною частоти обертання ротора. Крім того, магнітні властивості постійних магнітів істотно залежать від їх температури.
Більш детально пристрій і робота автомобільного генератора змінного струму наведені на наступній сторінці.
Безконтактні генератори з електромагнітним збудженням
Для автомобільних генераторів надійність і термін служби визначаються трьома факторами:
- якістю електричної ізоляції;
- якістю підшипникових вузлів;
- надійністю струмознімальних (щітково-контактних) пристроїв.
Перші два чинники залежать від рівня розвитку суміжних виробництв. Третій фактор може бути виключений шляхом використання безконтактних генераторів, що мають більш високу надійність і ресурс, ніж контактні генератори, що використовують щітково-контактні струмознімальних пристрою. Це стимулювало створення автомобільних безконтактних генераторів змінного струму з електромагнітним збудженням - індукторних генераторів і генераторів з укороченими полюсами.
До безконтактним генераторам з електромагнітним збудженням відносяться індукторні генератори і генератори з укороченими дзьобами. Працює генератор наступним чином. Обмотка збудження, по якій протікає постійний струм, створює в магнітній системі потік, який при обертанні ротора змінюється за величиною без зміни знака. Цей потік замикається, проходячи через повітряні зазори між валом і елементами ротора, зубці якого виконані у вигляді зірочки, повітряний зазор між ротором і статором, муздрамтеатр статора і кришку генератора.
Зміна магнітного потоку в якорі при обертанні ротора відбувається за рахунок зміни магнітного опору повітряного зазору між зубцями статора і ротора.
Магнітний потік Ф у індукторних генераторів пульсуючий. Магнітний потік в повітряному проміжку періодично змінюється від Фmах. коли осі зубців ротора і статора збігаються, до Фmin. коли осі зубців ротора і статора зміщені на кут 180˚ електричних градусів. Таким чином, магнітний потік має середню постійну і змінну складову з амплітудою
3убец і западина ротора (індуктора) генератора утворюють пару полюсів, тому частота струму якоря в індукторі генератора може бути визначена за формулою:
де z - число зубців ротора.
У генераторах з укороченими полюсами безконтактність досягається за рахунок нерухомого кріплення обмотки збудження за допомогою немагнітної обойми. Полюси клювообразную форми мають довжину менше половини довжини активної частини ротора. У процесі обертання ротора магнітний потік збудження перетинає витки обмотки статора, індукуючи в них ЕРС.
Генератори з укороченими полюсами прості за конструкцією, технологічні. Ротори таких генераторів мають мале розсіювання.
До недоліків можна віднести трохи більшу, ніж у контактних генераторів, масу при тій же потужності. Також слід відзначити труднощі кріплення обмотки збудження і забезпечення жорсткості і механічної міцності її кріплення.
Застосування на автомобілях існуючих конструкцій індукторних генераторів довго стримувалося наступними труднощами:
- невисокі питомі показники;
- підвищений рівень пульсації випрямленої напруги;
- підвищений рівень шуму.
Подальше вдосконалення конструкції і усунення перерахованих вище недоліків дозволило використовувати індукторні генератори змінного струму на автомобілях.
Вперше бесщеточние генератори з укороченими полюсами 45.3701 і 49.3701 були використані на автомобілях марки «УАЗ».