Что такое генератор в машине
Генератор в автомобиле (автомобильный генератор) представляет собой устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую. В конструкции транспортных средств автогенератор является генератором переменного тока и выполняет следующие функции:
Автомобильный генератор зачастую расположен в подкапотном пространстве, так как приводится в действие от коленвала двигателя. По этой причине решения устанавливаются спереди по отношению к силовому агрегату. На большинстве современных авто привод генератора выполнен в виде ременной передачи. Модели транспортных средств, которые оснащены гибридным двигателем, а также некоторые авто с системой start-stop, имеют особое устройство генератора, так как в подобных машинах он одновременно является стартером.
Устройство автомобильного генератора: особенности конструкции
Генераторы в автомобилях могут отличаться по размерам и схемам реализации тех или иных устройств (корпус генератора, привод и т.д.). Также под капотом решение может иметь различные места установки. Общими в устройстве являются следующие элементы:
Указанные составные части находятся в корпусе. Ключевыми параметрами генераторов для автомобилей являются следующие номинальные показатели: напряжение, ток, частота вращения, самовозбуждение на определенной частоте, КПД устройства.
Показатель номинального напряжения может составлять от 12 до 24 В, что зависит от устройства электросистемы транспортного средства. Номинальным током считается максимальный ток, который устройство отдает при условии номинальной частоты вращения на отметке 6 тыс. об/мин. Данные особенности представляют так называемую токоскоростную характеристику. Параллельно с номинальными показателями при выборе следует учитывать:
Теперь о самом устройстве. Корпус является парой крышек, которые стягиваются болтами. Наиболее частым материалом изготовления крышек является алюминиевый сплав, который не магнитится, обеспечивает малый вес и хорошее рассеивание тепловой энергии (теплоотдачу). В корпусе дополнительно выполнены отдельные прорези для вентиляции, а также имеется крепежный элемент для установки и фиксации генератора.
Еще одной функцией регулятора напряжения является изменение напряжения, которое необходимо для эффективной подзарядки АКБ с учетом наружной температуры. С понижением температуры за бортом устройство подает больше напряжения на аккумулятор.
Что касается привода генератора, данное решение представляет собой ременную передачу (с использованием клиновых или поликлиновых ремней), посредством которой вращается ротор. Ротор генератора по частоте вращения крутится до 3 раз быстрее самого коленвала. Добавим, что на современных авто используется поликлиновый ремень.
Также следует отметить, что на некоторых моделях автомобилей может быть установлен генератор индукторного типа. Индукторный генератор означает то, что в его устройстве отсутствуют щетки, местом установки обмотки является статор. Ротор такого генератора без щеток изготовлен из железных пластин небольшой толщины. Материалом для изготовления пластин выступает трансформаторное железо. Работает индукторный генератор по принципу того, что происходить изменение магнитной проводимости в воздушном зазоре, который присутствует между статором и ротором.
Как работает генератор автомобиля
Детальное рассмотрение функций отдельных составных элементов в устройстве генератора позволяет получить представление о принципах работы всего устройства. Водитель осуществляет поворот ключа в замке зажигания, после чего электричество от аккумулятора проходит через щетки генератора и контактные кольца, попадая на обмотку возбуждения. В результате на обмотке создается магнитное поле.
Создаваемое генератором переменное напряжение превращается в постоянное благодаря работе выпрямительного блока. Электрический ток от генератора питает бортовую сеть автомобиля, обеспечивает работу системы зажигания и других энергопотребителей. Также от генератора поступает ток для зарядки аккумулятора. В случае изменения частоты вращения коленвала и нагрузки подключается регулятор напряжения, определяя то время, на которое необходимо включить обмотки возбуждения с учетом тех или иных условий. Если частота вращения генератора растет и нагрузка падает, тогда временной промежуток активации обмотки возбуждения сокращается. При увеличении нагрузки и уменьшении оборотов регулятор увеличивает время включения обмоток.
Необходимо добавить, что если потребители используют больше электричества, чем способен выработать автомобильный генератор, тогда автоматически задействуется аккумулятор. Следить за состоянием генератора можно при помощи лампы контроля заряда на приборной панели. Указанная лампа чаще всего представляет собой пиктограмму в виде АКБ. Загорание лампы указывает на то, что батарея от генератора не заряжается. Возможными причинами может быть обрыв поликлинового ремня, выход из строя реле-регулятора генератора и т.д.
Автомобильный генератор: назначение, устройство и принцип работы
Любая автомашина оборудуется бортовой электросетью, на которую возлагается множество задач – от пуска двигателя посредством электрического стартера и выработки искры, которая воспламеняет топливовоздушную смесь до обеспечения работы фар, магнитолы, сигнализации и других устройств. Все перечисленное оборудование потребляет электроэнергию, которая вырабатывается двумя элементами – генератором и аккумулятором. В этой статье мы расскажем о том, как устроен и работает автомобильный генератор, каковы его основные неисправности и на что нужно обратить внимание при эксплуатации.
Для чего нужен генератор?
Подача электроэнергии для питания бортовой сети до момента запуска ДВС осуществляется аккумуляторной батареей. Однако АКБ не может вырабатывать ток, она лишь хранит его в себе, отдавая по необходимости. По этой причине использовать аккумулятор для постоянного обеспечения работы автомобильного электрооборудования нельзя – он довольно быстро отдаст всю электроэнергию и полностью разрядится. Даже при пуске силового агрегата батарея отдает значительную часть заряда, так как стартер потребляет очень много электричества.
Генератор авто обеспечивает восстановление заряда АКБ и подачу питания ко всем потребителям, подключенным к бортовой сети. Он не хранит в себе электричество, как аккумулятор, а непрерывно производит его в ходе работы двигателя. Но пока ДВС не запущен, этот узел не работает, и функция питания бортовой сети выполняется аккумуляторной батареей.
Работа автомобильного генератора напоминает действие электродвигателя, только в обратном порядке. Электромотор получает энергию и преобразует ее в механическое действие, в то время как автогенератор преобразует механическое вращение ротора в электроэнергию.
Кратко принцип, по которому работает автомобильный генератор, можно объяснить так: вращение ротора приводит к образованию магнитного поля, а оно воздействует на обмотку статора. Это приводит к возникновению в последней электротока, который затем подается для питания включенных в бортовую сеть ТС потребителей.
Однако работа автогенератора имеет некоторые особенности, которые необходимо учитывать. Современный электрогенератор, устанавливаемый в машинах, имеет три фазы и вырабатывает переменный ток, в то время как для питания бортовой сети необходим постоянный. Кроме того, вырабатываемый электроток должен иметь строго определенные параметры, иначе велика вероятность того, что он выведет из строя оборудование. Чтобы не допустить этого, узел комплектуется дополнительными элементами.
Устройство автомобильного генератора
Автогенератор включает в себя несколько составляющих:
1 — задний подшипник; 2 — выпрямительный блок; 3 — контактные кольца; 4 — щетка; 5 — щеткодержатель; 6 — кожух; 7 — диод; 8 — втулка подшипника; 9 — винт; 10 — задняя крышка; 11 — крыльчатка; 12 — винт; 13 — ротор; 14 — обмотка ротора; 15 — передняя крышка; 16 — вал ротора; 17 — шайба; 18 — гайка; 19 — шкив; 20 — передний подшипник; 21 — обмотка ротора; 22 — статор.
Ротор
Ротором (от англ. rotation — вращение) называется подвижная часть автогенератора. Она представляет собой вал с расположенной на ней обмоткой возбуждения, находящейся между двумя полюсными половинками. Последние изготавливаются штамповкой, на каждой из них имеется шесть выступов в форме клюва, расположенных сверху обмотки. Эти половинки образуют систему полюсов и контактные кольца. Задача колец заключается в подаче электротока на обмотку через ее выводы.
Обмотка возбуждения предназначена для создания магнитного поля. Для решения этой задачи на нее должен быть подан слабый электроток. До запуска силового агрегата подачу тока для образования магнитного поля осуществляет АКБ. Когда ДВС заработает, и число оборотов достигнет нужной величины, подача тока на обмотку возбуждения будет производиться генератором
На роторе, кроме того, размещены:
Ротор располагается внутри статора, зажатого между крышками корпусной части. Крышки снабжены посадочными местами, в которых помещаются роторные подшипники. Кроме того, в крышке, расположенной со стороны приводного шкива, имеются отверстия для вентиляции.
Схема вентиляции генераторов
Статор
Этот элемент, в отличие от вышеописанного, неподвижен (статичен), из-за чего и получил свое название. Его задача заключается в получении электротока переменной величины, возникающего под влиянием магнитного поля ротора. Статор состоит из обмоток и сердечника. Последний изготавливается из листовой стали и имеет пазы для укладки трех обмоток (по количеству фаз). Обмотки могут укладываться одним из двух способов: петлевым или волновым. Схема их соединения также может быть разной – в форме звезды или треугольника.
1 — сердечник; 2 — обмотка; 3 — пазовый клин; 4 — паз; 5 — вывод для соединения с выпрямителем.
При подключении по схеме «звезда» все обмотки соединяются вместе одним из концов в общей точке. Их вторые концы выполняют роль выводов. Схема «треугольник» предусматривает соединение обмоток по другому принципу: 1-я со 2-й, 2-я – с 3-ей, а 3-я, в свою очередь – с 1-й. В этом случае функцию выводов выполняют точки соединения. Наглядно обе схемы показаны на рисунке.
Схема «звезда» и «треугольник»
Блок щеток
Задача этой составляющей генератора заключается в передаче электричества на обмотку возбуждения. Конструктивно блок представляет собой корпус с расположенной в нем парой подпружиненных графитных щеток. Последние прижимаются с помощью пружин к контактным кольцам, но жестко с ними не скреплены.
Регулятор напряжения
Регулятор нужен для того, чтобы поддерживать величину напряжения на выходе в установленных пределах. Это необходимо, поскольку количество тока, как и его параметры, зависит от числа оборотов двигателя, а долговечность аккумулятора напрямую связана с подаваемой разностью потенциалов. Недостаточное напряжение приведет к «хроническому» недозаряду АКБ, а избыточное – к перезаряду. Как в первом, так и во втором случае срок службы батареи заметно снизится. Современные автомобили комплектуются электронными полупроводниковыми регуляторами.
Диодный мост (выпрямительный блок)
Принцип работы автомобильного генератора
Разберемся теперь, как работает автогенератор. При повороте ключа в замке зажигания напряжение поступает на обмотку, проходя при этом через контактные кольца, а также через блок щеток. Результатом становится возникновение вокруг обмотки возбуждения магнитного поля. Оно постоянно вращается вместе с ротором, воздействуя на статорные обмотки. На выводах последних возникает переменный электроток, подающийся затем на диодный мост. На выходе выпрямительного блока ток уже имеет постоянную величину. Далее он подается на регулятор напряжения, от которого идет на графитные щетки, обеспечивает питание потребителей, включенных в бортовую сеть, и подзарядку аккумуляторной батареи.
Напряжение на выходе устройства регулируется следующим образом. Регулятор, функционирующий совместно с блоком щеток, меняет величину напряжения, которое поступает на обмотку. Это приводит к изменению параметров магнитного поля, а также количества вырабатываемой электроэнергии. Кроме того, регулятор осуществляет термокомпенсацию, суть которой заключается в том, что напряжение меняется обратно пропорционально температуре (чем она ниже, тем разность потенциалов больше, и наоборот).
Основные неисправности автомобильного генератора
Этот узел достаточно надежен, и при правильной эксплуатации не ломается долго. Тем не менее, выходы его из строя все же случаются, и причины неполадок могут иметь электрический или механический характер.
Электрические неисправности
Такие неполадки случаются чаще механических, правильно определить их и устранить достаточно сложно. Это может быть замыкание обмоток возбуждения на статоре или роторе, их обрыв, поломка регулятора напряжения или пробой диодов на выпрямительном блоке. Подобные проблемы опасны еще и тем, что они отрицательно сказываются на аккумуляторе до тех пор, пока не будут выявлены и устранены. Так, вышедший из строя регулятор напряжения приведет к тому, что батарея будет постоянно перезаряжаться. При этом внешних признаков неисправности практически не имеется, чаще всего ее выявляют при комплексной диагностике, измерив на автогенераторе величину выходного напряжения, или заподозрив неладное, когда аккумуляторы один за другим выходят из строя, отработав всего несколько месяцев.
Обрыв или замыкание обмоток возбуждения устраняется с помощью перемотки. Остальные электрические неисправности исправляют, меняя вышедшую из строя деталь.
Механические неисправности
Причиной появления неполадок механического характера, как правило, является износ графитовых щеток, приводного шкива или щеток, а также обрыв ремня привода генератора. Эти неисправности довольно легко диагностировать по посторонним шумам, раздающимся при работе автогенератора. Устраняются эти неполадки заменой нерабочего элемента.
Напоследок остается дать совет периодически проводить диагностику генератора, проверяя на износ его составляющие и измеряя величину напряжения на выходе узла. Это позволит своевременно выявить и устранить возникшие неисправности, тем самым избежав проблем с аккумулятором и электрическими устройствами, включенными в бортовую сеть транспортного средства.
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).
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:
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:
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.
Генератор состоит из следующих основных элементов:
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.
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.
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.
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:
Номинальное напряжение для бортовой сети автомобиля от генератора 12В или 24В. Токоскоростная характеристика показывает зависимость силу тока от частоты вращения 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.
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.
Так как генератор автомобиля и аккумулятор работают неотъемлемо друг от друга, при неисправности любого из устройств загорится лампа разряда аккумулятора, а также может загореться индикатор “Check Engine”. Проверить состояние аккумулятора и диагностировать неисправность можно с помощью универсального автомобильного сканера Rokodil ScanX Pro.
На неисправность, связанную с генератором или плохим электрическим соединением в цепи управления часто указывают ошибки P0620 и P0622.
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.