Принцип работы и устройство современного автомобильного генератора

В стандартном исполнении в автомобиле существуют два источника питания – генератор и аккумулятор. Разница между ними заключается в том, что АКБ накапливает электроэнергию, а автомобильный генератор ее вырабатывает. То есть это устройство преобразует механическую энергию от двигателя в электрическую с целью дальнейшего питания всех потребителей и заряда аккумулятора.

Функции генератора

При запуске двигателя пусковой ток на стартер подается от аккумулятора. Но сам аккумулятор не вырабатывает энергию, а только ее накапливает и потом отдает. Если использовать для питания всех потребителей только АКБ, то она быстро разрядится. Автомобильный генератор производит электроэнергию, заряжает АКБ и питает бортовую сеть автомобиля во время работы двигателя (при достижении им определенных оборотов вращения коленчатого вала).

Автомобильный генератор

Генератор начинает вырабатывать электрический ток начиная с частоты вращения холостого хода, однако, на оптимальный режим работы он выходит при достижении двигателем 1600-1800 об/мин и более.

Виды генераторов

Выделяют два вида автомобильных генераторов:

• постоянного тока;
• переменного тока.

Первый вид генераторов в настоящее время уже не используется. Такие устройства устанавливались на старых моделях автомобилей (ГАЗ-51, Победа и др.). Они имеют много недостатков, такие как:

• малая мощность и эффективность;
• необходимость в постоянном контроле и обслуживании;
• небольшой срок службы.

Сейчас применяются генераторы переменного тока. Главное их отличие в том, что вне зависимости от режима работы двигателя автомобильную сеть питает постоянный ток. Это достигается благодаря полупроводниковому выпрямителю.

Устройство генератора переменного тока

Работу любого генератора можно сравнить с электродвигателем, который работает в обратном режиме, то есть не потребляет, а вырабатывает ток. По типу конструкции современные генераторы делятся на два вида: компактный и традиционный. Они имеют общее устройство, но различаются в компоновке корпуса, вентилятора, выпрямительного узла и приводного шкива. Также у современных устройств имеется три фазы.

Устройство генератора

Генератор состоит из следующих основных элементов:

• привод со шкивом, подшипниками и валом;
• ротор с обмоткой возбуждения и контактными кольцами;
• статор с сердечником и обмоткой;
• корпус, состоящий из двух крышек;
• регулятор напряжения;
• выпрямительный блок или диодный мост;
• щеточный узел.

Разберем каждый элемент устройства отдельно и подробно.

Корпус

В корпусе находятся все основные элементы генератора. Он состоит из двух крышек (передняя и задняя). Крышки соединяются между собой болтами. Для изготовления крышек используют легкие сплавы алюминия, которые не намагничиваются и хорошо отводят тепло. В крышках есть вентиляционные отверстия и крепежные фланцы.

В задней крышке установлен диодный мост и щеткодержатель со щетками. Также в задней крышке расположен выводной контакт, по которому ток поступает от генератора.

Привод

Вращение от коленчатого вала передается на шкив генератора и вращает ротор. Частота вращения шкива больше частоты вращения коленвала в 2-3 раза. Крутящий момент от двигателя передается посредством ременной передачи. Могут использоваться поликлиновый и клиновый ремень в зависимости от конструкции. Поликлиновый ремень считается более универсальным и современным.

Ротор

На валу ротора находится обмотка возбуждения, которая создает магнитное поле и, по сути, представляет собой обычный электромагнит. Обмотка находится между двух полюсных половин (сердечников), необходимых для регулирования и направления магнитного поля. Каждая из половин имеет по шесть треугольных выступов, называемых клювами. Также на валу ротора расположены два медных контактных кольца. Иногда они изготавливаются из стали или латуни. Через контактные кольца на обмотку возбуждения поступает питание от аккумулятора. Контакты обмотки припаяны к кольцам.

Ротор генератора

На переднем конце вала ротора находится приводной шкив, а на другом крепится крыльчатка вентилятора. Их может быть две. Они нужны для охлаждения внутренних деталей генератора. Также на обоих концах ротора установлены необслуживаемые шариковые подшипники.

Статор

Конструктивно статор имеет форму кольца. Это основная деталь, служащая для создания переменного тока от магнитного поля ротора. Состоит из обмотки и сердечника. В свою очередь, сердечник состоит из соединённых стальных пластин, в которых образуются 36 пазов. В пазы навивается три обмотки, которые образуют трехфазное соединение. Может быть две схемы соединения обмоток: «звезда» и «треугольник». По схеме «звезда» концы каждой из трех обмоток соединены в одной точке. По схеме «треугольник» концы обмоток выводятся отдельно.

Выпрямительный блок или диодный мост

Выпрямительный блок выполняет задачу по преобразованию переменного тока генератора в постоянный, который необходим для питания бортовой сети автомобиля. Другими словами, он выдает напряжение стабильной и одинаковой величины.

Диодный мост

Блок также называют диодным мостом, который состоит из двух радиаторных пластин (положительной и отрицательной) и диодов. На каждую фазу приходится по два диода. Сами диоды герметично вмонтированы в пластины. Диодный мост имеет форму подковы.

С обмотки статора ток поступает на диодный мост, затем «выпрямляется», и подается на выводной контакт на задней крышке.

Через диоды ток проходит только в одном направлении, при этом отсекаются токи обратной полярности. Диодный мост может находиться в корпусе генератора, а может быть вынесен за корпус. Но чаще всего он крепится на внутренней стороне задней крышки.

Регулятор напряжения

Регулятор поддерживает напряжение генератора в определенных пределах. В современных моделях применяются полупроводниковые электронные регуляторы напряжения. Они устанавливаются сверху блока щеткодержателей.

Регулятор напряжения и щеточный узел

Когда двигатель работает на больших оборотах, то напряжение на обмотке статора может доходить до 16В. Такое напряжение не должно поступать в бортовую сеть. Чтобы это исключить, регулятор напряжения, получая ток от АКБ, будет снижать его значение. Малый ток на обмотке ротора будет создавать такое же малое магнитное поле. Это значит, что на обмотке статора будет понижаться напряжение.

Щеточный узел

Щеточный узел в современных генераторах объединен с регулятором напряжения в один неразборный механизм. Он передает ток возбуждения на медные контактные кольца ротора. Это простая конструкция, которая состоит из щеткодержателя, двух графитовых щеток и прижимающих пружин.

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.

Параметры генератора

Работу генератора оценивают по нескольким параметрам:

• номинальный ток и номинальное напряжение;
• номинальная частота возбуждения;
• частота самовозбуждения;
• коэффициент полезного действия (КПД).

Номинальное напряжение для бортовой сети автомобиля от генератора 12В или 24В. Токоскоростная характеристика показывает зависимость силу тока от частоты вращения генератора.

Характеристика генератора

Напряжение генератора можно измерить мультиметром. При всех выключенных потребителях без нагрузки на холостом ходу мультиметр должен показывать напряжение в пределах 14,3В – 15,5В. Если напряжение после запуска двигателя свыше 14В, то это может говорить о разряде АКБ и зарядке его генератором. При поочередном включении потребителей (фары, подогрев, кондиционер и т.д.) напряжение уменьшается примерно на 0,2 после каждого включения. Но в итоге напряжение не должно снижаться ниже 12,8В. Если значение меньше, то аккумулятор начнет разряжаться. Если напряжение, наоборот, сильно высокое (14В и выше), то это может привести к выходу АКБ из строя. При этом на выходе самого аккумулятора напряжение должно быть в пределах 12,6В – 12,7В.

Напряжение генератора под нагрузкой может отличаться от номинальных значений 12В. После включения всех потребителей тока значение должно быть в пределах 13,5В – 14В. Если ниже, то это может указывать на неисправность устройства. Допустимым пределом считается 13В.

На картинке ниже показана подробная схема подключения генератора в автомобиле.

Схема подключения генератора

Мощность автогенератора

Если включить все энергоемкие приборы в автомобиле, то генератор может не справляться с нагрузкой и часть энергии будет отдавать аккумулятор.

Чтобы рассчитать мощность генератора достаточно воспользоваться простой формулой из школьного курса P = I * U, где Р – мощность, I – сила тока, U – напряжение.

Мы узнали, что напряжение на выходе генератора должно быть в районе 13,5В – 14,2В. Сила тока у разных моделей может отличаться. В среднем это от 80А до 140А. Возьмем среднее значение в 100А.

По формуле получаем 13,5В*100А = 1 350 Вт или 1,35 КВт. Это и есть мощность генератора, которая измеряется в Ваттах. Нужно также учитывать, что это максимальное значение, которое достигается при определенных оборотах двигателя, как правило, от 3000 об/мин и выше. На холостом ходе выдаваемая мощность равняется 75% от максимально возможной. Считается, что для автомобиля хватает 80А. Если применить более мощный автогенератор, то бортовая сеть может не справиться с нагрузкой. Нужно это учитывать. Большая мощность не всегда идет на пользу.

Основные неисправности

Устройство довольно надежное и должно работать продолжительное время, но некоторые компоненты могут выходить из строя по разным причинам. Неисправности могут иметь механический или электрический характер.

Механические неисправности

Главной возможной поломкой может быть обрыв приводного ремня. В этом случае вращение от коленвала на ротор не будет передаваться. Всю нагрузку на себя берет аккумулятор, который начнет разряжаться. Это покажет контрольная лампа в салоне автомобиля. Чтобы избежать обрыва ремня, нужно периодически проверять его состояние и натяжение.

Также может случиться простой износ графитовых щеток. В этом случае надо менять весь щеточный узел.

Электрические неисправности

Неполадки с электрикой в генераторе случаются нередко, и заметить их трудно. Может возникнуть замыкание в обмотках возбуждения ротора или статора, обрыв обмотки. Может выйти из строя регулятор напряжения, что чревато большими проблемами для всей электроники и АКБ. Также случается так называемый пробой диодного моста по различным причинам. Нельзя отключать генератор или АКБ во время работы двигателя. Также нужно следить за надежностью соединений, чистить клеммы и т.д.

Каждому водителю нужно знать устройство и принцип работы автомобильного генератора. Это поможет избежать многих проблем, которые могут возникнуть с устройством. Нужно регулярно следить за компонентами генератора. Проверять натяжение и состояние приводного ремня, крепление устройства, напряжение и другое. При правильной эксплуатации устройство прослужит исправно долгие годы.

Генератор автомобиля: как работает и какие функции выполняет?

Для питания бортовой сети транспортного средства предусмотрено два источника тока. И водителю очень важно разбираться в принципах работы автомобильного генератора, который наряду с аккумуляторной батареей, предназначен для обеспечения энергией электрооборудования машины.

К надёжности и стабильности устройств такого рода предъявляются жесткие требования.

В Российской Федерации производимое и используемое электрооборудование должно соответствовать ГОСТ Р 52230-2004. Документ устанавливает общие технические условия, которые распространяются и на стартерные аккумуляторы автомобилей. Упомянутый национальный стандарт полностью соответствует международным нормативам, что позволяет использовать на отечественных машинах компоненты иностранного производства.

На заре автомобилестроения и вплоть до 60-х годов прошлого века в бортовых сетях использовались генераторы постоянного тока — капризные и маломощные. С появлением полупроводниковых (селеновых и кремниевых) выпрямителей на машины стали ставить агрегаты переменного тока. Они втрое меньше по массе и при той же нагрузке обеспечивают более высокую стабильность выходного 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.

Устройство и конструкция автомобильного генератора

Трехфазные электроагрегаты переменного тока, устанавливаемые на современных машинах, могут быть 2-х видов: стандартный и компактный. Общее устройство автомобильных генераторов 2-х видов одинаково — они состоят из следующих элементов:

• Шкива с валом и подшипниками.
• Ротора с контактными кольцами.
• Обмоток статора.
• Корпуса генератора.
• Регулятора напряжения.
• Выпрямительного устройства.
• Щеточного узла.

Конструкции автомобильных генераторов различаются только особенностями компоновки. При одинаковых электрических параметрах стандартные агрегаты значительно крупнее малоразмерных. Компактность обеспечивается за счет использования современных материалов и технологий.

Вот из чего состоит электрогенератор и какие функции выполняют его компоненты:

• Шкив обеспечивает передачу вращения от коленвала на ротор с помощью ремня.
• Корпус генератора имеет две крышки (переднюю, заднюю) и нужен для соединения элементов в единую конструкцию. На наружной поверхности размещены кронштейны, с помощью которых устройство крепится на двигателе.
• Ротор представляет собой вал, на котором установлены обмотки возбуждения и контактные кольца из электротехнической меди.
• Статор включает в себя магнитопровод из пакета стальных пластин, в которых вырезаны фигурные пазы. В них уложены трехфазные обмотки из одножильного медного провода, где и генерируется ток.
• Регулятор напряжения изготавливается в виде отдельного блока или комбинируется со щеточным узлом. Основное назначение — управление работой генератора путем изменения тока в обмотке возбуждения.
• Выпрямительное устройство по схеме Ларионова состоит из двух частей: алюминиевых теплоотводов, в каждый из которых запрессовано по три силовых диода. Вентили обеспечивают преобразование переменного напряжения в постоянное, что используется в бортовой сети для питания электрооборудования.
• Передача напряжения на обмотку возбуждения производится через специальный узел и цилиндрические контактные кольца. Щетки делаются из специальных сортов графита и устанавливаются в держателе с направляющими, изготовленными из диэлектриков. Для обеспечения плотного контакта они подпружинены, а напряжение на них подается по проводу, запрессованному в основание.

Разбираясь с устройством генератора современного автомобиля, следует выделить в нем механическую и электрическую часть. Первая (к которой относятся шкив и два подшипника ротора) обеспечивает его вращение в корпусе. Вторая часть собственно генерирует электрический ток для запитывания бортовой сети. Описываемая схема автомобильного генератора впервые была применена в изделиях американской фирмы «Невиль» в 1946 году. Такими устройствами комплектовались военные машины и автобусы.

Основные параметры генератора

Основные номинальные параметры определяются исходя из технических требований к конструкции конкретной модели транспортного средства:

• Напряжение. В соответствии с ГОСТ 52230-2004 выбирается из диапазона от 7,14 и до 28 В.
• Ток отдачи.
• Частота возбуждения и самовозбуждения.

Токоскоростная характеристика определяет зависимость номинального тока генератора от частоты его вращения. Напряжение в бортовой сети легковых и коммерческих автомобилей, а также автобусов составляет 12 В, особо мощных и специальных машин — 24 В. Максимальный ток отдачи определяется при частоте вращения ротора в 6 000 мин-1.

Еще одна важнейшая характеристика данного агрегата — КПД. Для современных моделей этот показатель находится на уровне 50-60%.

Как работает автомобильный генератор?

Устройство начинает функционировать только после запуска двигателя стартером, который запитывается напрямую от аккумуляторной батареи. Ключевой принцип работы генератора автомобиля состоит в преобразовании механической энергии в электрическую. На коленчатом валу силового агрегата установлен шкив, который раскручивает через ременную передачу установленный на необслуживаемых подшипниках ротор.

Питание обмотки возбуждения, расположенной на вращающемся якоре, осуществляется от аккумулятора через щеточный узел и контактные кольца. Для защиты батареи от саморазряда подключение производится через специальный выпрямитель, состоящий из трех диодов. Величина напряжения в этой цепи регулируется электронным или электромеханическим стабилизатором, интегрированным или выполненным в виде отдельного устройства.

Вращающийся якорь создает электромагнитные поля, которые индуцируют в обмотках статора переменный ток. Он поступает на выпрямитель, представляющий собой блок диодов. В него входят шесть вентилей: по три отрицательных и положительных. Они обеспечивают преобразование фазного напряжения в линейное. Соединение обмоток генератора осуществляется по схеме «треугольника» или «звезды». В первом случае величина тока в 1,7 раза ниже, нежели во втором. Треугольник применяется на моделях авто повышенной мощности.

Описываемый принцип действия автомобильного генератора обеспечивает поддержание в бортовой сети напряжения в диапазоне от 13,9 до 14,5 В. Точная величина зависит от частоты вращения коленчатого вала и уровня нагрузки. Потребители (например, аккумулятор) к электроагрегату подключаются через вывод «В+».

Для чего в генераторе регулятор напряжения?

При изменении частоты оборотов коленчатого вала и соответственно ротора в бортовой сети могут возникнуть скачки напряжения, которые негативно сказываются на работе потребителей. Скачки устраняются за счет ограничения тока возбуждения, передаваемого через щетки с регулятора напряжения на ротор. Управление осуществляется путем изменения времени подключения обмотки якоря в зависимости от нагрузки на бортовую сеть.

Если возникает неисправность регулятора или повреждение щеточного узла и контактных колец, возможен недозаряд или перезаряд аккумуляторной батареи. Длительная эксплуатация машины с таким дефектом приведет к выходу из строя АКБ.

Неисправность генератора можно определить по индикатору на панели приборов. Горение лампочки заряда аккумулятора после запуска говорит о недостаточном напряжении в сети, а мигание указывает на превышение.

Заключение

Даже самое общее представление об устройстве и принципах работы автомобильного генератора может помочь избежать неисправностей электрооборудования. Генератор начинает работать после запуска двигателя и выполняет функции основного источника тока в автомобиле.

В процессе эксплуатации автомобиля необходимо тщательно следить за натяжением приводного ремня, которое влияет на положение генератора. На ряде современных автомобилей агрегат закреплен прочно, и изношенный клиновый или поликлиновый ремень необходимо сразу менять. Поддержание генератора в исправном состоянии позволит избежать крупных трат на капитальный ремонт авто.