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.

Автомобильный статор генератора: описание, принцип работы и схема

Без электрооборудования не может «прожить» ни один современный автомобиль. И основным компонентом из всего электрооборудования является самый главный источник – генератор. В свою очередь, он содержит не менее важную составляющую, которая способствует зарождению электроэнергии во время движения автомобиля. Речь идет о статоре генератора.

Для чего он нужен, каково его предназначение и какие неисправности могут быть? Об этом и кое-чем еще поговорим в данной статье.

Электрооборудование автомобиля

Все электрооборудование любого автомобиля представлено следующими компонентами:

• Источники тока:
  • аккумуляторная батарея;
  • генератор.
• Потребители тока:
  • основные;
  • длительные;
  • кратковременные.

Задача аккумулятора заключается в обеспечении потребителей током, пока «отдыхает» двигатель, на время его запуска или работы в режиме малых оборотов. В то время как генератор, по сути, является основным поставщиком электроэнергии. Он не только питает все потребители, но и производит зарядку аккумулятора.

Его емкость в сочетании с мощностью генератора должна соответствовать запросам всех потребителей независимо от режима работы двигателя. Иными словами, должен постоянно поддерживаться энергетический баланс. Это важно знать, так как позволит понять, как работает статор генератора.

К основным потребителям принято относить систему топлива, включая впрыск, зажигание, управление, АКПП. У некоторых автомобилей присутствует электроусилитель руля. То есть все то, что постоянно использует ток, начиная от запуска двигателя и до его полной остановки.

Длительными потребителями являются системы, которые не используются слишком часто. А это освещение, безопасность (пассивная, активная), приборы отопления, кондиционирования. Большинство автомобилей комплектуются противоугонными системами, мультимедийным оборудованием и навигацией.

Что касается кратковременных потребителей, то это прикуриватель, система запуска, свечи накаливания, сигнал, а также системы комфорта.

Конструктивные особенности

Генератор присутствует в каждом автомобиле и состоит из следующих компонентов:

• статор;
• ротор;
• щеточный узел;
• выпрямительный блок.

И статор генератора, и все остальное собрано в относительно компактный модуль, который устанавливается в непосредственной близости от двигателя и работает от вращения коленчатого вала, для чего используется ременная передача.

Функциональное назначение

Статор является неподвижным элементом всей конструкции и закреплен на корпусе генератора. В свою очередь, в нем присутствует рабочая обмотка, и во время работы генератора именно в ней пробуждается электроэнергия. Однако такой ток носит переменный характер, а всем потребителям необходимо прямое напряжение. Преобразование (выпрямление так сказать) происходит как раз благодаря выпрямительному блоку.

Среди главных задач статора – несущая функция для удерживания рабочей обмотки. Также он обеспечивает правильное распределение силовых линий магнитного поля. В процессе работы генератора рабочая обмотка может сильно нагреваться. И тут вступает в силу другая не менее важная функция – отвод лишнего тепла от обмотки.

Как правило, во всех современных автомобилях используется однотипная конструкция статора.

Устройство статора

Конструкция статора генератора образована следующими составляющими:

• кольцевым сердечником;
• рабочей обмоткой;
• изоляцией обмотки.

Рассмотрим более подробно эти компоненты.

Сердечник. Это кольцевые пластины, на внутренней части которых имеются пазы для расположения обмотки. Соединение пластин очень плотное, и в совокупности они образуют так называемый пакет. Жесткость монолитной конструкции придается за счет сварки или клепки.

Для изготовления пластин используются специальные марки железа либо ферросплавы, которые отличаются наличием определенной магнитной проницаемости. Их толщина составляет от 0,8 до 1 мм. Для лучшего отвода тепловой энергии предусмотрены ребра, которые располагаются на внешней стороне статора.

Обмотка. Как правило, в автомобилях используется трехфазный генератор, где присутствуют три обмотки по одной на каждую фазу. Для их изготовления применяется медная проволока, которая покрыта изоляционным материалом. Ее диаметр равен 0,9-2 мм, а в пазах сердечника она укладывается особым образом.

Каждая из обмоток статора генератора ВАЗ (или любой другой марки) располагает выводом для снятия тока. Как правило, количество этих выводов не превышает 3 или 4. Однако встречаются статоры, у которых 6 выводов. При этом у каждой обмотки свое количество выводов для определенного типа соединения.

Изоляция. В каждом пазу сердечника располагается изоляция в целях защиты провода от повреждений. В ряде случаев в пазы могут укладываться специальные изоляционные клинья для более надежной фиксации обмотки.

Статор пропитывается эпоксидными смолами или лаками. Это делается в целях обеспечения целостности и прочности всей монолитной конструкции, что исключает сдвиг витков обмотки. Также повышаются электроизоляционные характеристики.

Как работает статор?

Принцип действия статора, а следовательно и всего агрегата (генератора), любого современного автомобиля основывается на одном явлении, которое знакомо каждому из нас со времен уроков физики. На них частенько упоминались такие понятия, как генератор, ротор, статор. Речь идет об электромагнитной индукции. Ее суть в следующем: когда какой-либо проводник перемещается в области действия магнитного поля, то в нем рождается ток.

Или этот проводник (статор) может находиться в переменном магнитном поле (ротор). Именно этот принцип используется в автомобильных генераторах. Во время запуска двигателя начинает вращение ротор генератора. Вместе с этим напряжение от АКБ доходит до рабочей обмотки. А поскольку ротор является многополюсным стальным сердечником, то при поступлении на обмотку напряжения он становится электромагнитом.

В результате вращения ротора создается переменное магнитное поле, силовые линии которого пересекают статор. И тут вступает сердечник «проводника». Он особым образом начинает распределять магнитное поле, и его силовые линии пересекают витки рабочей обмотки. И благодаря электромагнитной индукции возникает ток, снимаемый выводами статора. Далее полученное переменное напряжение поступает в выпрямительный блок.

Стоит только увеличить количество оборотов коленвала, ток частично от обмотки статора генератора поступает к обмотке ротора. Таким образом, генератор переходит в режим самовозбуждения, и ему уже не нужен сторонний источник напряжения.

Основные неисправности статора

Как правило, главные поломки статора — это:

1. «Обрыв» рабочей обмотки.
2. Наличие короткого замыкания.

Характерный признак, по которому можно судить о неправильной работе статора, это пропажа зарядного тока. На это может указывать не погасший индикатор разряда аккумулятора после запуска двигателя. Стрелка вольтметра при этом будет ближе к красной зоне.

При измерении вольтажа на АКБ, когда работает двигатель, напряжение будет меньше требуемого значения. Для самой батареи это не менее 13.6 В, а для генератора – 37.3701 В. Иногда в случае короткого замыкания на обмотках можно услышать характерный вой, издаваемый генератором.

В процессе эксплуатации автомобиля генератор может нагреваться и находиться под воздействием электрических нагрузок. Помимо этого, ему приходится работать в негативных условиях внешних факторов. Со временем это неизбежно приводит к ухудшению состояния изоляции обмоток, из-за чего случаются электрические пробои. Тогда решить проблему можно ремонтом (перемотка статора генератора) или полной его заменой.

Проверка исправности статора

Некоторых новичков все чаще волнует вопрос о том, как можно проверить, в рабочем ли состоянии находятся все детали генератора. Для этого понадобится специальное небольшое оборудование в виде мультиметра (в народе просто цешка). Можно использовать автотестер либо другой прибор, у которого есть режим омметра. В крайнем случае подойдет лампочка напряжением 12 В с припаянными к ней проводами.

Для начала стоит снять генератор с автомобиля и разобрать его. В зависимости от марки машины могут быть трудности, поскольку на некоторых моделях бренда Lexus источник тока находится в труднодоступном месте. Добравшись до статора и сняв его, необходимо провести чистку от грязи. Далее можно переходить к самой проверке.

Проверка на обрыв цепи

Как проверить статор генератора на обрыв? Для начала стоит перевести измерительный прибор в режим омметра, после чего подводим щупы к выводам обмотки. При отсутствии обрыва мультиметр будет показывать значения ниже 10 Ом. В противном случае показания будут стремиться к бесконечности. Таким образом, ток по обмотке не проходит, что говорит о наличии обрыва. Так нужно проверить все выводы.

В случае использования лампочки делаем проверку в следующей последовательности. Для начала соединяем проводом (лучше изолированным) минусовую клемму аккумулятора с одним из выводов обмотки. Плюс батареи подаем к другому выводу через лампу. Ее свет укажет на полный порядок, если же лампа не загорелась, значит, обрыву быть. Так нужно поступить с каждым выводом.

Проверка на КЗ

Теперь стоит проверить статор на короткое замыкание. В режиме омметра отрицательный щуп подносим к корпусу статора, а положительный – к любому из выводов рабочей обмотки. В норме показания должны стремиться к бесконечности. Повторить процедуру для каждого из выводов.

С лампочкой проверка статора генератора происходит таким образом:

• Минус АКБ соединяем проводом с корпусом статора.
• Плюсовая клемма подается на любой вывод через лампочку.

На короткое замыкание укажет горящая лампочка. Если же она не загорелась, значит, все в полном порядке.

Небольшое примечание

Перечисленные неисправности характерны не только для статора генератора, под сомнение могут попасть и регулятор напряжения, и диодный мост, и ротор генератора. При этом стоит заметить, что плохая работа именно статора встречается гораздо реже, чем у перечисленных компонентов любого генератора.

Поэтому, перед тем как заняться статором, необходимо провести проверку регулятора напряжения и диодного моста. И если они окажутся в полном порядке, то в последнюю очередь заниматься обмоткой.

Для надежной работы всего электрооборудования автомобиля следует проводить регулярное техническое обслуживание и при необходимости сразу заменять статор генератора. Цена в итоге покажется не такой высокой, как при замене всего генератора.

Что касается стоимости, то цены на новые детали начинаются с отметки в 1500 рублей с тремя выводами. Изделия с шестью контактами обойдутся дороже — в 6-7 тысяч рублей, хотя встречаются варианты подешевле. Однако все зависит от марки автомобиля.