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.

Как работает автомобильный генератор: устройство, характеристики и неисправности

Любой автомобиль располагает собственной бортовой автономной электрической сетью со всеми присущими элементами, источником энергии, накопителем и потребителями. Каждый из узлов функционально закончен, они объединяются электрической проводкой, а параметры сети чётко стандартизованы благодаря накопленному опыту производства автомобильного электрооборудования.

В качестве источника питания электроники выступает генератор, о котором и пойдет речь в этой статье.

Для чего в машине нужен генератор

Вся энергия в бортовую сеть поступает от двигателя внутреннего сгорания. Механическая энергия вращения его коленчатого вала должна быть преобразована в электрическую. Эту роль и выполняет генератор.

В типовом варианте его ротор снабжён шкивом, на который надет гибкий ремень, передающий вращения от аналогичного шкива на носке коленчатого вала. Параллельно от того же ремня могут приводиться и прочие навесные агрегаты, но традиционно он именуется генераторным.

На выходе генератора образуется электрическое напряжение, способное поддерживаться в заданном диапазоне при отдаче любого тока от нуля до максимума, лимитированного номинальной мощностью.

Эту мощность прибор отдаёт при максимально допустимых оборотах ротора, привязанных к предельной частоте вращения коленвала путём подобранного передаточного соотношения ременного привода.

Выделяется два основных типа автомобильных генераторов:

• Постоянного тока, вырабатывается напряжение определённой полярности уже непосредственно на обмотках;
• Переменного тока, поскольку требуется всё же постоянное напряжение, то генератор снабжён внутренним полупроводниковым выпрямителем.

В настоящее время используется только второй тип, поскольку он обладает бесспорными преимуществами, причём его обмотки выдают трёхфазное напряжение, как легче поддающееся сглаживанию пульсаций и позволяющее эффективнее использовать массогабарит прибора.

Что находится внутри данного прибора разберем ниже.

Устройство

Внешне все генераторы на первый взгляд похожи, но те кто знаком с электротехникой легко определит с каким прибором имеет дело. Ситуация упрощается тем, что машины постоянного тока использовались только на совсем уж реликтовых автомобилях, давно снятых с производства.

Генератор постоянного тока

В состав динамомашины постоянного тока входят:

• корпус;
• обмотки возбуждения на статоре, неподвижно закреплённом в корпусе;
• силовые обмотки на вращающемся якоре;
• щёточный узел с меднографитовыми или угольными щётками, снимающими ток с коллектора вращающегося якоря;
• регулятор напряжения, стабилизирующий выход путём регулирования тока возбуждения в обмотках электромагнитов статора;
• приводной шкив на валу якоря;
• подшипники, в которых вращается вал якоря.

Для создания приемлемой мощности на выходе весь агрегат приходилось выполнять массивным и металлоёмким, поэтому с появлением качественных выпрямительных полупроводниковых приборов генераторы постоянного тока на автомобилях применять перестали.

Генератор переменного тока

Принципиально он устроен похоже, но выходная мощность образуется многофазными обмотками статора, выполненными толстым проводом и не нуждающимися в мощных и ненадёжных токосъёмниках.

Состав оборудования тоже похож:

• корпус с кронштейнами крепления и электрическими клеммами;
• обмотки статора, установленные в корпусе, могут извлекаться при рассоединении его половин;
• ротор с полюсами из мягкого электротехнического железа, медными обмотками и коллектором;
• щёточный узел, где обычно устанавливается пара угольных щёток и встраивается интегральный полупроводниковый регулятор напряжения, через который на щётки поступает питание возбуждения;
• блок выпрямителя, где расположен трёхфазный мост из шести силовых вентилей (диодов) и трёх относительно маломощных дополнительных диодов питания обмотки возбуждения, число диодов может отличаться в специфически устроенных современных конструкциях;
• подшипники на валу ротора;
• выходные разъёмы, силовой и управляющий, вторым силовым контактом выступает металлический корпус генератора;
• шкив привода и крыльчатка принудительного охлаждения.

Весь конструктив крепится к передней части двигателя для удобной организации ременного привода от шкива коленвала. Часто отклонением генератора в сторону производится регулировка натяжения ремня, в тех случаях, когда более сложная конструкция привода навесных агрегатов не подразумевает наличие отдельного натяжителя с роликом.

Схема подключения

Схема подразделяется на силовую и управляющую цепи. Мощный выход генератора через силовой разъём из закреплённого гайкой на шпильке провода большого сечения соединяется непосредственно с плюсовой клеммой аккумуляторной батареи.

Тонкий управляющий провод чаще всего просто соединён с цепью зажигания через контрольную лампочку. Встречаются и иные схемы, когда лампочка имеет собственное управление от специально предназначенного контакта на корпусе.

Принцип работы

Перед началом работы в автомобиле включается зажигание, и на управляющий контакт генератора поступает напряжение через лампочку. Поскольку энергию генератор в этот момент не вырабатывает, то напряжение на контакте отсутствует, и лампочка оказывается под потенциалом аккумуляторной батареи. Индикатор светится, через обмотку возбуждения протекает начальный ток.

После запуска мотора вращающееся поле обмотки возбуждения на роторе создаёт ответную индукцию в обмотках статора и генератор начинает вырабатывать электроэнергию. Дополнительные диоды поднимают напряжение на контакте лампочки, перепад на ней отсутствует, и она перестаёт светиться, сигнализируя, что всё в порядке, генератор работает.

Электронная схема в реле-регуляторе щёточного узла отслеживает выходное напряжение, увеличивая или уменьшая ток возбуждения, таким образом поддерживая выход на заданном уровне, обычно это 14-15 вольт, в зависимости от типа применённого аккумулятора и его температуры.

Батарея под таким напряжением перестаёт отдавать ток и переходит в режим заряда или удержания, выполняя роль дополнительного фильтрующего элемента, поскольку напряжение генератора пульсирует с частотой трёхфазного выпрямителя.

Если включено много потребителей, а обороты двигателя малы, прибор не в состоянии отдавать требуемую мощность, напряжение уменьшается, а часть потребителей начинает питаться от аккумулятора.

При добавлении оборотов генератор увеличивает мощность, питает потребителей, а избыток её идёт на зарядку аккумулятора. Если батарея заряжена, а мощность избыточна, то реле-регулятор уменьшает ток возбуждения, чтобы не допускать опасного роста напряжения в сети.

Основные неисправности

Проявлением неисправностей становится выход напряжения в сети из заданных пределов, а также посторонние звуки из работающего генератора.

Причины могут быть различными:

• износ щёточного узла, он заменяется вместе с интегральным реле;
• глубокий износ коллектора щётками, если его уже невозможно устранить шлифовкой, меняются контактные кольца или якорь в сборе;
• выход из строя подшипников якоря, их несложно заменить после полной или частичной разборки генератора;
• выгорание диодов выпрямителя, в настоящее время их не меняют поодиночке, замене подлежит весь диодный мост;
• короткие межвитковые замыкания или обрывы в якоре или статоре, соответствующие детали меняются;
• обгорание или коррозия контактов, их тоже можно заменить или очистить.

Не относящейся непосредственно к генератору, но частой неисправностью является сильный свист при добавлении оборотов двигателя. Это свидетельствует о проскальзывании ремня на приводных шкивах, натяжение можно отрегулировать, но лучше такой ремень заменить.

При снятии генератора для ремонта целесообразно сразу поменять диодный мост, подшипники и реле-регулятор со щётками. Так отремонтированный прибор обретёт максимально возможную надёжность, хотя полную гарантию может дать только новый генератор от солидного производителя.

Как проверить автомобильный генератор

В идеале генератор надо проверять на стенде, где он будет раскручен до номинальных оборотов и максимально нагружен с проверкой отдаваемой в таком режиме мощности.

Но можно приблизительно проверить его и не снимая с автомобиля.

1. К выходной клемме генератора подключается цифровой вольтметр (например, в составе мультиметра).
2. Двигатель запускается. Показания вольтметра должны увеличиться до номинальных 14 – 14,5 вольт. Исключением станет случай, когда батарея сильно разряжена, тогда напряжение будет расти постепенно, по мере заряда.
3. Двигатель выводится на средние или высокие обороты, а в автомобиле включаются фары и другие мощные потребители, общей потребностью не превышающие полную мощность генератора. Напряжение должно остаться стабильным, значит генератор отдаёт свою положенную мощность.
4. От генератора не должно раздаваться характерных воющих звуков изношенных подшипников. При появлении сомнений достаточно снять ремень и прокрутить шкив вручную. Ротор должен вращаться абсолютно плавно, без вибраций и люфтов.

Новый генератор очень надёжен и первые проблемы могут возникнуть лишь после пробега в 100-150 тысяч километров. Но часто эти приборы ходят значительно больше, особенно с промежуточной заменой щёточного узла.