Автомобильные генераторы переменного тока

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Тенденции развития

Долгое время основным источником электрической энергии на автомобилях являлись генераторы постоянного тока, которые обеспечивали требования эксплуатации автомобилей выпуска до 60-х годов по максимальной мощности, характеристикам и сроку службы. Начало 60-х годов в отечественном автомобилестроении характеризовалось значительным увеличением срока службы автомобилей, снижением эксплуатационных затрат на обслуживание и ремонт, повышением требований к безопасности дорожного движения и комфорту пассажиров. В связи с этим выявилась необходимость значительного увеличения мощности генератора, срока его службы, улучшения характеристик и снижения эксплуатационных затрат. Одновременно существенно повысились требования к максимальной частоте вращения и габаритным размерам генератора исходя из условий его компоновки в ограниченном подкапотном пространстве автомобиля.

Удовлетворение указанным требованиям путем совершенствования конструкции и технологии производства генераторов постоянного тока, учитывая низкую надежность работы в эксплуатации щеточно-коллекторного узла и малый срок его службы, а также большие габариты и массу генератора, практически оказалось неосуществимо. С помощью научного поиска и исследований было определено новое направление в развитии автомобильных генераторов. Ими явились генераторы переменного тока.

Название «генератор переменного тока» несколько условно и касается в основном особенностей внутренней его конструкции, так как этот генератор имеет встроенный полупроводниковый выпрямитель и питает потребителей постоянным (выпрямленным) током.

В генераторах постоянного тока таким выпрямителем является щеточно-коллекторный узел, выпрямляющий переменный ток, полученный в обмотках якоря. Развитие полупроводниковой техники позволило применить в генераторах переменного тока более совершенный выпрямитель на полупроводниковых вентилях (диодах). При этом генератор получил качества, которые обеспечили ему широкое распространение в автомобилестроении.

Основными технико-экономическими преимуществами генераторов переменного тока перед генераторами постоянного тока являются: уменьшение в 1,8 … 2,5 раза массы генератора при той же мощности и примерно в 3 раза расхода меди; большая максимальная мощность при равных габаритах; меньшее значение начальных частот вращения и обеспечение более высокой степени заряженности аккумуляторных батарей; значительное упрощение схемы и конструкции регулирующего устройства вследствие исключения из него элемента ограничения тока и реле обратного тока; уменьшение стоимости эксплуатационных затрат в связи с большей надежностью работы и повышенным сроком службы.

Первые автомобильные генераторы переменного тока были спроектированы для работы с отдельными селеновыми выпрямителями и вибрационными регуляторами напряжения. Селеновые выпрямители имели значительные размеры и их приходилось размещать отдельно от генератора в местах, где обеспечивалось хорошее охлаждение. Для соединения селенового выпрямителя с генератором требовалась дополнительная проводка.

Кроме того, селеновые выпрямители недостаточно теплостойки и допускают максимальную рабочую температуру не выше + 80⁰С. Поэтому в дальнейшем селеновые выпрямители были заменены выпрямителями, состоящими из кремниевых диодов, которые более теплостойки и имеют значительно меньшие размеры, что попозволяет размещать их внутри генератора.

На смену вибрационным регуляторам напряжения пришли сначала контактно-транзисторные, а затем бесконтактные на дискретных элементах и бесконтактные интегральные регуляторы. Габариты интегральных регуляторов позволяют встраивать их в генератор, который со встроенными регулятором и выпрямительным блоком называется генераторной установкой.

Для автомобильных генераторов надежность и срок службы определяются в основном тремя факторами: качеством электрической изоляции; качеством подшипниковых узлов; надежностью щеточно-контактных устройств.

Первые два фактора зависят от уровня развития смежных производств. Третий фактор может быть исключен посредством разработки бесконтактных генераторов, имеющих более высокую надежность и, следовательно, больший ресурс, чем контактные. Это обстоятельство стимулировало создание автомобильных бесконтактных генераторов переменного тока с электромагнитным возбуждением — индукторных генераторов и генераторов с укороченными полюсами.

Индукторные генераторы нашли широкое применение на тракторах и сельхозмашинах благодаря простоте конструкции, надежности при работе в тяжелых условиях эксплуатации (пыль, грязь, влага, вибрации) и невысокой стоимости.

Применение на автомобилях существующих конструкций индукторных генераторов сдерживается из-за их основных недостатков: — невысоких удельных показателей;

— повышенного уровня пульсации выпрямленного напряжения;

— повышенного магнитного шума.

Дальнейшее совершенствование конструкции и устранение вышеперечисленных недостатков позволят применять индукторные генераторы на автомобилях.

Производство бесщёточных генераторов с укороченными полюсами только начинается, а первыми моделями этого семейства являются генераторы 45.3701 и 49.3701, которые планируется устанавливать на автомобили семейства УА3.

Принцип действия генераторов переменного тока

Упрощенная схема устройства автомобильного генератора переменного тока с клювообразным ротором представлена на рис. 1.

Рис. 1. Автомобильный генератор переменного тока с клювообразным ротором

В крышке 4 со стороны контактных колец установлены пластмассовый щеткодержатель 8 с двумя прямоугольными меднографитовыми щетками 6 и выпрямительный блок 1. При помощи крыльчатки 15 создается притяжная вентиляция для охлаждения генератора. Привод генератора осуществляется при помощи шкива 13.

Принцип действия генератора заключается в следующем. При включении замка зажигания на обмотку возбуждения 2 подается напряжение аккумуляторной батареи, которое вызывает появление тока возбуждения. Ток возбуждения, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, рабочая часть которого распределяется по клювообразным полюсам одной полярности. Выходя из полюсов, магнитный поток пересекает воздушный зазор, проходит по зубцам и спинке статора 10, еще раз пересекает воздушный зазор, входит в клювообразные полюсы другой полярности и замыкается через втулку и вал.

При вращении ротора 3 под каждым зубцом статора 10 проходит попеременно то положительный, то отрицательный полюс, т. е. магнитный поток, пересекающий обмотку статора 11, изменяется по величине и направлению. При этом в обмотках фазы будет индуцироваться переменная по величине и направлению ЭДС, действующее значение которой

(1.1)

где f — частота; w — число витков обмотки одной фазы; k_об— обмоточный коэффициент; Ф — магнитный поток.

Частота

где p — число пар полюсов; n — частота вращения.

3начение обмоточного коэффициента k_об зависит от числа пазов

статора, приходящихся на полюс и фазу

q= z/(2pm)

где z — число пазов; m — число фаз.

Для отечественных генераторов характерны следующие параметры:

В фазах обмотки статора синхронного генератора индуцируется ЭДС, описываемая зависимостью, которую можно переписать в более простом виде:

(1.2)

где С_е= 4, 44 рwk_об/60 — постоянный коэффициент.

Характер изменения ЭДС в проводниках обмотки статора зависит от кривой распределения магнитной индукции в зазоре, которая определяется формой полюса. Форму полюса делают такой, чтобы форма ЭДС приближалась к синусоиде.

В автомобильных генераторах наибольшее применение нашли трехфазные мостовые двухполупериодные схемы выпрямления. В этих схемах наиболее благоприятное соотношение между выпрямленной мощностью Р_d. И мощностью генератора Р_г (теоретически Р_г = 1, 045Р _d)' Трехфазная мостовая схема выпрямления обеспечивает относительно небольшие пульсации выпрямленного напряжения, что является одним из важных требований к автомобильным генераторам в связи с широким применением электроники на автомобиле.

Работает мостовая трехфазная схема выпрямления следующим образом. Предположим, что обмотки статора генератора соединены по схеме «звезда» (рис. 2а). В каждый данный момент времени работает тот диод первой группы, у которого анодный вывод в это время имеет наибольший положительный потенциал относительно нейтральной точки N генератора, а вместе с ним — диод второй группы, у которого катодный вывод имеет наибольший по абсолютному значению отрицательный потенциал относительно этой же точки. Частота пульсации выпрямленного напряжения при такой схеме выпрямления равна удвоенному числу фаз генератора, т. е. шесть пульсаций за период (рис. 2б).

Для повышения мощности генератора в выпрямителе могут использоваться диоды, подключенные к нейтрали трехфазной обмотки статора, соединенного по схеме «звезда». Этот эффект достигается тем, что в реальных условиях форма напряжения, вырабатываемого генератором, отлична от синусоиды и потенциал нейтральной точки периодически отличается от нуля.

Рис. 2. Мостовая трехфазная схема выпрямления: а — электрическая схема; б — осциллограммы фазных и выпрямленного напряжений.

На современных генераторах для питания обмотки возбуждения применяется отдельный выпрямитель. Он состоит из трех дополнительных маломощных диодов (типа Д 223 А с номинальным током 2 А) и трех диодов, общих с силовым выпрямителем. Принцип действия выпрямителя для питания обмотки возбуждения такой же, как и у силового выпрямителя. Применение диодов с меньшим падением напряжения в прямом направлении позволяет повысить ток отдачи генератора. Кроме того, подключение обмотки возбуждения к дополнительному выпрямителю препятствует протеканию через нее тока разрядки аккумуляторной батареи при неработающем двигателе.

В выпрямительных блоках генераторов последних конструкций, например, в компактных генераторах Bosch, вместо обычных силовых диодов используются стабилитроны. Применение силовых стабилитронов позволяет ограничить пики напряжения генератора.

Для соединения фазных обмоток по схеме «звезда» справедливы следующие соотношения:

где U_л и U_ф — соответственно линейное и фазное напряжение;I_л I_ф соответственно линейная и фазная сила тока.

К выпрямителю подается линейное напряжение генератора. Выпрямленное напряжение U_{d -} пульсирует с частотой f_n, В 6 раз большей частоты переменного напряжения генератора, т. е. f_n = 6pn= 6pn/60 = 0,1 pn.

Минимальное значение выпрямленного напряжения равно 1,5 U_Фmax, а максимальное 1,73 U_Фmах. Пульсация выпрямленного напряжения при соединении обмоток генератора по схеме «звезда»

= (1,73−1,5) U_Фmах= 0,23 U_Фmах,

где U_Фmах — амплитудное значение фазного напряжения (рис. 1.4.6.)

Среднее значение выпрямленного напряжения (период пульсации Т/6)

где Т — период времени; (J) — угловая частота.

Следовательно, пульсация выпрямленного напряжения

Например, при среднем значении выпрямленного напряжения 14 В пульсация равна 1,95 В. При этом максимальное значение выпрямленного напряжения 14,65 В, а минимальное 12,7 В.

Ток при подключении к выпрямителю активной нагрузки где — R_H сопротивление нагрузки.

Форма выпрямленного тока имеет такой же вид, как и выпрямленного напряжения, т. е. выпрямленный ток будет пульсирующим с амплитудой

I_dтax = И_dтах / R_H

Среднее значение выпрямленного тока 6 Tl_r2

I_d = I_dmax costdt = 0,955I_dmax

Действующее значение фазного тока

I_ф = = O, 775I_dmax

или

I_ф = 0,815I_d.

При рассмотрении соотношений напряжений и токов генератора переменного тока со встроенным выпрямителем следует учитывать, что диоды выпрямителя не являются идеальными ключами и что форма кривой напряжения отлична от синусоиды. Поэтому в реальных условиях значения выпрямленного тока и напряжения будут отличаться от теоретических.

Характеристики генераторов переменного тока

Внешняя характеристика, т. е. зависимость напряжения генератора от тока И_Г (/г) при n = const, может определяться при самовозбуждении и независимом возбуждении.

Снижение напряжения при увеличении нагрузки происходит из-за падения напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях обмоток статора, размагничивающего действия реакции якоря, уменьшающей магнитный поток в воздушном зазоре. Из семейства внешних характеристик определяется максимальный ток, который обеспечивается при заданном или регулируемом значении напряжения.

Рис. 3. Характеристики генератора переменного тока: а — скоростная регулировочная; б — токоскоростная

Скоростная регулировочная характеристика Iв (n) (рис. 3а) обычно определяется при нескольких значениях тока нагрузки. Минимальное значение тока возбуждения определяется при токе нагрузки генератора, равном нулю, и максимальной частоте вращения. Скоростные регулировочные характеристики позволяют определить диапазон изменения тока возбуждения с изменением нагрузки при постоянном напряжении.

Токоскоростная характеристика Iг (n) (рис. 3б) имеет важное значение при разработке и выборе генератора.

Все современные автомобильные генераторы обладают свойством самоограничения максимального тока. Это связано с тем, что с увеличением частоты вращения ротора генератора, а следовательно, с увеличением частоты индуцированного в обмотке статора переменного тока увеличивается индуктивное сопротивление обмотки статора генератора, пропорциональное квадрату числа витков в фазе. Вследствие этого с увеличением частоты вращения ток генератора увеличивается медленнее, асимптотически стремясь к некоторому предельному значению. При замыкании внешней цепи на сопротивление нагрузки индуцированная в обмотке статора электродвижущая сила вызывает ток

(1.2)

где R_a, и X_L — соответственно активное и индуктивное сопротивление обмотки статора.

С увеличением частоты вращения индуктивная составляющая возрастает и становится значительно больше активной составляющей, следовательно, последней можно пренебречь. При этом ток будет постоянным, не зависящим от частоты вращения, а определяемым пара метрами обмоток генератора и магнитным потоком:

Бесконтактные генераторы с электромагнитным возбуждением

К бесконтактным генераторам с электромагнитным возбуждением относятся индукторные генераторы и генераторы с укороченными клювами. Работает генератор следующим образом.

Обмотка возбуждения 1, по которой протекает постоянный ток, создает в магнитной системе поток (показан пунктиром), который при вращении ротора изменяется по величине без изменения знака. Этот поток замыкается, проходя через воздушный зазор между втулкой 2 и валом 3, ротор 5, зубцы которого выполнены в виде звездочки, воздушный зазор между ротором и статором, магнитопровод статора 6 и крышку 4.

Изменение магнитного потока в якоре при вращении ротора происходит за счет изменения магнитного сопротивления воздушного зазора между зубцами статора и ротора. Магнитный поток Ф у индукторных генераторов пульсирующий (рис. 1.8). Магнитный поток в воздушном зазоре периодически изменяется от Ф_mах, когда оси зубцов ротора и статора совпадают, до Ф_miп, когда оси зубцов ротора и статора смещены на угол 180 электрических градусов. Таким образом, магнитный поток имеет среднюю постоянную

Ф_ср = 0,5(Ф_mах + Ф_miП)

И переменную составляющую с амплитудой

Ф_пер = 0,5(Ф_mах — Ф_miП)·

Если принять изменение переменной составляющей магнитного потока в зубце по синусоидальному закону

Действующее значение ЭДС холостого хода

Е_о = 2,22 fz_s w_K (Ф_mах -Ф_miП) = 4,44fZsWкФ_пер'

3убец и впадина ротора (индуктора) генератора образуют пару полюсов, поэтому частота тока якоря в индукторе генератора

f=znl60,

где zчисло зубцов ротора.

В генераторах с укороченными полюсами бесконтактность достигается за счет неподвижного крепления обмотки возбуждения 4 с помощью немагнитной обоймы 1. Полюсы 2 клювообразной формы имеют длину меньше половины длины активной части ротора. В процессе вращения ротора магнитный поток возбуждения пересекает витки обмотки статора 3, индуцируя в них ЭДС. ЭТИ генераторы просты по конструкции, технологичны. Роторы имеют малое рассеяние. К недостаткам можно отнести несколько большую, чем у контактных генераторов, массу при той же мощности. Также следует отметить трудность крепления обмотки возбуждения и обеспечения жесткости и механической прочности ее крепления.

Электрооборудование автомобилей. Система электросна6жения

Разные полюсы и контактные кольца В. Обмотка возбуждения изолирована от полюсов пластмассовым каркасом. Концы обмотки возбуждения припаяны к контактным кольцам. Для предотвращения проворачивания и междувиткового замыкания обмотка пропитана лаком, а ротор в сборе для снижения вибрации сбалансирован в двух плоскостях. Обмотка имеет следующие параметры: число витков 420, диаметр медного провода 0,8 мм и сопротивление обмотки в холодном состоянии 2,6 Ом.

Крышки генератора 4 и 14 литые, выполнены из алюминиевого сплава. В крышках установлены шарикоподшипники 5 и 16, причём в канавке крышки со стороны контактных колец для предотвращения проворачивания наружной обоймы шарикоподшипника установлено резиновое кольцо 6. Крышки имеют вентиляционные окна. Со стороны при вода крышка имеет стальной болт 13 крепления натяжной планки генератора и армированную стальную втулку в крепежной лапе генератора. В крепежной лапе со стороны контактных колец вставлена резиновая армированная втулка 1, позволяющая выбирать осевой зазор при креплении генератора на двигателе. На крышке со стороны контактных колец расположены щеткодержатель 7 с двумя щетками, конструктивно объединенный с интегральным регулятором напряжения, выпрямительный блок стремя дополнительными диодами для питания обмотки возбуждения помехоподавительный конденсатор 3 емкостью 2,2 мкФ подсоединенный к генератору с помощью флажкового штекера.

Интегральный регулятор напряжения и конденсатор имеют герметичное исполнение. Протяжная вентиляция генератора осуществляется центробежным вентилятором 17, насаженным через сегментную шпонку 15 на вал ротора.

Электрическая схема генератора 37.3701 показана на рис. 1.11. Показатели использования материалов генератора 37.3701 улучшены по сравнению с генераторами Г221 (14 В, 590 Вт) и Г222 (14 В, 660 Вт) за счет совершенствования электромагнитной системы и увеличения тока возбуждения, что позволило получить требуемое повышение мощности практически без увеличения массы и основных размеров генератора.

Для оценки использования материалов генераторов применяют коэффициент использования (максимальный)

К_тах = Ргтах / G_p

Генератор состоит из статора, ротора, крышки со стороны привода, крышки со стороны контактных колец с выпрямительным блоком и шкива с вентилятором.

Пакет статора набран из пластин электротехнической стали толщиной 1 мм, соединенных при помощи сварки в четырех точках. Трехфазная обмотка 1 В статора расположена в пазах полузакрытой формы. Обмотка трехплоскостная, двухслойная, с числом пазов на полюс и фазу, равным 1. Фазовые обмотки соединены в двойную «звезду». Число витков В фазе 54. Диаметр провода фазы 0,95 мм, сопротивление фазы в холодном состоянии 0,155 Ом.