Генераторы со щеточным узлом

Генератор

Устройство и принцип действия. В щеточном вентильном ге­нераторе магнитный поток создается обмоткой возбуждения 4 при протекании по ней электрического тока и системой полюсов 3 (рис. 7.9.). В автомобильных генераторах их, как правило, двена­дцать. Полюса с обмоткой возбуждения, кольца, через которые ток подводится к обмотке возбуждения, вал и некоторые другие конст­руктивные элементы образуют вращающийся ротор.

Рис. 7.9. Схема вентильного генератора:

1 – магнитопровод статора; 2 – обмотка статора; 3 – полюсы ротора; 4 – обмотка возбуждения; 5 – кольца и щетки; 6 – выпрямитель; 7 – направле­ние магнитного потока

Обмотка 2, в которой вырабатывается электрический ток, уло­жена в пазы неподвижного магнитопровода 1. Вместе с магнитопроводом она представляет собой статор (якорь). Обмотка 2 ста­тора состоит из трех независимых обмоток фаз. Наиболее распро­страненные автомобильные генераторы имеют 36 пазов. В каждой обмотке фаз имеется по шесть катушек, включенных последова­тельно. Если обмотка фазы образована из двух параллельных ветвей, то в каждой ветви расположено по шесть катушек. Обмотки могут быть соединены между собой в звезду или треугольник.

Полюса ротора и магнитопровод статора изготовлены из стали, которая не оказывает существенного сопротивления прохождению основного магнитного потока. При вращении ротора у катушек об­моток фаз статора последовательно находятся то северный N, то южный S полюса ротора, а магнитный поток изменяется по вели­чине, что по закону Фарадея достаточно для появления на выводах обмоток фаз переменного электрического напряжения. Частота f напряжения связана с частотой п_р вращения ротора и числом р пар полюсов ротора простым соотношением: f = рп_р/60.

Выпрямление переменного тока генератора. Выпрямитель 1 (рис. 7.10, а) содержит шесть диодов VD1 - VD6, образующих два пле­ча: в одном аноды трех диодов VD1 - VD3 соединены с выводом «+» генератора, а в другом катоды диодов VD4 - VD6 – с выводом «-». В принятой на автомобилях однопроводной схеме минусовой вывод соединен с массой. К выпрямителю подведены выводы фазных обмоток статора генератора (на рисунке показано соединение в звезду). Наведенные в обмотках фаз переменные напря­жения и _ф1 - и_фз сдвинуты на 1/3 периода, что характерно для трехфазной системы.

Диоды выпрямителя при изменении трехфазного напряжения во времени переходят из закрытого состояния в открытое, в результа­те ток нагрузки имеет только одно направление - от вывода «+» генератора к выводу «-».

Рис. 7.10. Схема генераторной установки (а) и диаграммы напряжений(б):

1– трехфазный мостовой выпрямитель; 2 – дополнительный выпрями­тель; 3 – регулятор напряжения

Как видно из рис. 7.10, б, в момент времени 0, напряжение в об­мотке L1 отсутствует; в обмотке L3 положительное, а в обмотке L2 отрицательное. За положительное напряжение принято направле­ние стрелки к средней точке 0 обмотки статора. Вы­прямленный ток поступает к потребителям в направлении стрелок через находящиеся в открытом состоянии диоды VD3 и VD4.

В момент времени t₁ напряжение в обмотке L2 отсутствует, в обмотке L1 положительное, а в обмотке L3 отрицательное. Вы­прямленный ток поступает к потребителям через диоды VD1 и VD5. В каждом плече выпрямителя в течение приблизительно 1/3 периода открыт один диод.

Линейное напряжение при соединении в звезду в 1,73 раза больше, чем при соединении в треугольник. Поэтому при соедине­нии в треугольник в обмотке статора должно быть больше витков, чем при соединении в звезду. Однако ток фазы при соединении в треугольник в 1,73 раза меньше, чем при соединении в звезду. Со­единение обмотки статора в треугольник для генераторов большой мощности позволяет выполнить ее из более тонкого провода.

Выпрямители некоторых генераторов имеют дополнительное плечо, соединенное со средней точкой 0 обмотки статора. Такая схема позволяет увеличить мощность генератора на 15...20% за счет действия третьих гармонических составляющих фазного на­пряжения.

Выпрямленное напряжение U_d имеет пульсирующий характер. Аккумуляторная батарея GB служит своеобразным фильтром, сглаживающим выпрямленное напряжение генератора, при этом ток батареи получается пульсирующим.

В вентильном генераторе диоды выпрямителя не проводят ток от аккумуляторной батареи к обмотке статора, в связи с чем отсут­ствует необходимость в реле обратного тока. Это значительно уп­рощает схему генераторной установки. При длительной стоянке автомобиля возможна разрядка аккумуляторной батареи на обмот­ку возбуждения. Поэтому в некоторых моделях автомобильных ге­нераторов обмотку возбуждения подсоединяют к дополнительному выпрямителю 2. Дополнительный выпрямитель выполнен на трех диодах VD7- VD9, аноды которых соединены с выводом Д. На об­мотку возбуждения в этом случае подается только напряжение от генератора через дополнительный выпрямитель 2 и плечо выпря­мителя 1 с диодами VD4-VD6.

Использование дополнительного выпрямителя имеет и негатив­ную сторону, связанную с самовозбуждением генератора. Генера­тор может самовозбудиться при наличии в нем остаточного маг­нитного потока и достаточно низком сопротивлении цепи возбуж­дения. Поэтому для появления напряжения в рабочем диапазоне частот вращения его ротора в схеме используется контрольная лампа HL обеспечивающая надежное возбуждение генератора.

Существенным недостатком щеточных генераторов, является наличие контактного узла, со­стоящего из электрических щеток и колец, через который к вращающейся обмотке возбуждения подводится ток. Узел этот подвержен изна­шиванию. Пыль, грязь, топливо и масло, попадая на контактный узел, быстро выводят его из строя.

Бесщеточные генераторы.

Бесщеточные генераторы сущест­венно отличаются от генераторов с клювообразной магнитной сис­темой.

В генераторе, показанном на рис. 7.11 использован интегральный регулятор на­пряжения. Статор 8 генератора имеет пазы, в которых расположены катушки обмотки статора, закрепленные там пазовыми клиньями. Ка­тушки фаз соединены между собой последовательно, а фазы – в треугольник или, при пятифазной конструкции, в пятиугольник. Сердеч­ник статора зажат между двумя крышками - задней 2, выполненной из алюминиевого сплава, и передней 1. Передняя крышка выполне­на из стали, поскольку она является магнитопроводом (проводит магнитный поток, образованный неподвижной обмоткой возбужде­ния, расположенной на втулке индуктора генератора). Индуктор 10 фланцем прижат к торцу передней крышки 1.

В бесщеточном вентильном генераторе с неподвижной обмот­кой возбуждения (индукторный генератор) ротор представляет со­бой многолучевую стальную звездочку, насаженную на вал. Обмот­ка возбуждения соосна с ротором и закреплена в стальной крышке. На вал ротора генератора надеты втулка 9, в которую через дополнительный воздушный зазор проходит магнитный поток из втулки индуктора; звездочка пакета 6 ротора с шестью зубцами, набранная из стальных листов; алюминиевый фланец 7, в высту­пах которого, расположенных между зубцами пакета ротора, за­литы постоянные магниты. Эти магниты кроме повышения мощно­сти генератора обеспечивают надежное его самовозбуждение, т. е. возможность работы генератора при отключенной аккумуляторной батарее.

Подшипниковый щит 12 генератора выполнен из алюминиевого сплава. Задняя крышка 2 стянута с ним шпильками. Выпрямитель­ный блок 4 расположен во внутренней полости задней крышки 2 и закреплен на ней тремя изолированными болтами. Блок регулято­ра напряжения 5, содержащий интегральный регулятор напряже­ния и подстроенный резистор, расположен на наружной поверхно­сти задней крышки и закрыт пластмассовым кожухом.

Рис. 7.11. Бесщеточный генератор:

1 – передняя крышка; 2 – задняя крышка; 3 – кожух; 4 – выпрямительный блок; 5 – блок регулятора напряжения; 6 – пакет ротора; 7 – фланец с посто­янными магнитами; 8 – статор; 9 – втулка ротора; 10 – индуктор; 11– обмотка возбуждения; 12 – подшипниковый щит

Магнитный поток, проходящий из ротора в статор через зубцы звездочки ротора, велик, а в промежутках между зубцами (по воз­духу) мал. При вращении ротора напротив катушек обмоток фаз статора последовательно оказываются то зубцы, то впадины рото­ра. Пронизывающий их магнитный поток изменяется по величине, и в катушках появляется переменное напряжение. Для увеличения степени изменения магнитного потока и, следовательно, повыше­ния мощности генератора во впадинах звездочки ротора закрепле­ны постоянные магниты.

Привод генератора

Современные системы энергопотребления автомобиля требуют больших расходов энергии, поэтому должны применяться генераторы повышенной мощности. Одним из направлений развития генераторов повышенной мощности является применение повышенной частоты вращения генератора с помощью повышающей шестеренчатой передачи. В качестве примера можно привести привод генератора автомобиля Touareg с двигателем V10 TD (рис.7.12). Здесь генератор приводится через шестерни раздаточного механизма и двухступенчатую передачу с передаточным числом i = 3,6. На валу генератора установлена муфта с упругой шайбой Hardy. Двухступенчатая передача повышает частоту вращения ротора генератора, в соответствии с которой увеличивается его электрическая мощность. Это позволяет обеспечивать потребности всех потребителей электроэнергии даже при работе двигателя на холостом ходу.

Генератор включен в систему жидкостного охлаждения двигателя, благодаря чему предотвращается его перегрев, повышается срок службы и увеличивается к. п. д.

Рис. 7.12. Генератор с повышающей передачей:

1 – раздаточный механизм; 2 – подвод охлаждающей жидкости; 3 – эластичная муфта; 4 – промежуточный вал зубчатой передачи