Бесконтактные генераторы переменного тока автомобиля

Устройство автомобилей

Генераторы переменного тока

Развитие автомобилестроения сопровождалось ростом требований к безотказности и увеличению срока службы автомобилей, комфорту их эксплуатации, снижению эксплуатационных затрат на техническое обслуживание и ремонт, а также соответствие все возрастающим требованиям безопасности движения.
В связи с этим появилась необходимость существенного увеличения мощности и срока службы автомобильных генераторов, как основных источников электрического тока, улучшения их эксплуатационных характеристик и снижения эксплуатационных затрат. Появилась необходимость уменьшения габаритных размеров и массы генераторов, как, впрочем, и многих других агрегатов и устройств, что позволяло гибко проектировать компоновку и внешний дизайн автомобилей, а также получать экономию дорогостоящих металлов.

Удовлетворение перечисленных требований путем совершенствования конструкции и технологии производства генераторов постоянного тока, учитывая низкую надежность и малый срок службы щеточно-коллекторного узла, а также габаритные размеры и массу генераторов постоянного тока, стало неосуществимо. Поэтому было выбрано новое направление в развитии автомобильных генераторов – создание генераторов переменного тока.

Название «генератор переменного тока» несколько условно, и касается в основном особенностей конструкции генератора, поскольку они оснащены встроенными полупроводниковыми выпрямителями и питают потребители постоянным (выпрямленным) током.
В генераторах постоянного тока таким выпрямителем является щеточно-коллекторный узел, осуществляющий выпрямление переменного тока, полученного в обмотках якоря.
Развитие полупроводниковой техники позволило применить в генераторах переменного тока более совершенный и надежный выпрямитель на полупроводниковых диодах, в котором отсутствовали механические детали и узлы, подверженные износу и отказам.

Преимущества и недостатки генераторов переменного тока

К основным преимуществам генераторов переменного тока по сравнению с генераторами постоянного тока можно отнести следующие свойства:

• при одинаковой мощности их масса в 1,8…2,5 раза меньше, причем примерно в три раза меньше расходуется ценного цветного металла – меди;
• при одинаковых габаритах генераторы переменного тока выдают большую мощность;
• ток начинает вырабатываться при меньшей частоте вращения ротора;
• проще схема и конструкция регулирующего устройства вследствие отсутствия элемента ограничения силы тока и реле обратного тока;
• проще и надежнее конструкция токосъемного устройства, особенно, в бесконтактных генераторах переменного тока;
• меньше эксплуатационные затраты из-за высокой надежности работы и увеличения срока службы.

С практической точки зрения преимущества генератора переменного тока проявляются в том, что вырабатываемый им ток снимается с неподвижных обмоток, закрепленных на корпусе-статоре. Обмотка возбуждения, выполненная на вращающемся роторе, существенно легче неподвижных обмоток статора, поэтому ротор можно вращать с большей скоростью, не опасаясь явлений дисбаланса вращающихся масс. Да и ток возбуждения в этом случае подвести проще, поскольку он небольшой. В результате щетки и контактные кольца служат дольше.

Кроме того, генератор постоянного тока, в отличие от генератора переменного тока, начинает вырабатывать ток при относительно большой частоте вращение якоря. По этой причине для его полноценного функционирования, например, на холостых оборотах двигателя, необходимо значительное передаточное число привода, что в дальнейшем (на рабочей частоте коленчатого вала) может привести к дисбалансу (из-за значительной массы якоря), износу подшипников и элементов привода генератора.

Определенное преимущество генераторов переменного тока проявляется, также, в том, что при необходимости получения высокого напряжения (например, для питания высоковольтных потребителей), достаточно использовать небольшой трансформатор. Увеличить напряжение постоянного тока таким способом не удастся. Несмотря на то, что в автомобильных бортовых сетях необходимость получения высокого напряжения возникает крайне редко, такую возможность нельзя сбрасывать со счетов.

Основные недостатки генератора переменного тока — необходимость выпрямления вырабатываемого им тока, а также некоторое рассеивание мощности в окружающих ротор и статор металлических деталях из-за возникновения вихревых и реактивных токов в переменном электромагнитном поле. Тем не менее, достоинства генераторов переменного тока с лихвой окупают отмеченные недостатки.

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 присоединения такого выпрямителя к генератору требовалась дополнительная проводка.
Кроме того, селеновые выпрямители были недостаточно теплостойки, и допускали максимальную рабочую температуру не выше +80 ˚С.
По этим причинам в дальнейшем от селеновых выпрямителей отказались, и стали применять кремниевые диоды, которые были менее габаритны, обладали хорошей теплостойкостью, что позволяло размещать их непосредственно в генераторе.

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

Принципиальное устройство генератора переменного тока

На рис. 1 представлена упрощенная схема генератора переменного тока, который состоит из двух основных частей: статора с неподвижной обмоткой, в которой индуцируется переменный ток, и ротора, создающего магнитное поле.

Полюсы ротора поочередно проходят мимо неподвижных катушек статора, размещенных на пазах с внутренней стороны корпуса генератора. При этом изменяется направление магнитного потока, а, следовательно, и направление индуцируемой в катушке ЭДС.

Обычно число полюсов магнита на роторе и число катушек в корпусе позволяет получить трехфазный ток. У трехфазных генераторов обмотки имеют одну общую точку, где соединяются их концы, поэтому такая схема соединения называется «звездой», а общая точка обмотки – нулевой точкой.

Вторые концы обмоток присоединяют к двухполупериодному выпрямителю. Магнитное поле ротора может создаваться постоянным магнитом или электромагнитом. В последнем случае к обмотке возбуждения электромагнита подводится постоянное напряжение.

Применение в роторе электромагнитов усложняет конструкцию генератора, так как необходимо подводить напряжение к вращающейся детали – ротору, но в этом случае возможно регулирование напряжения изменением частоты вращения ротора. Кроме того, магнитные свойства постоянных магнитов существенно зависят от их температуры.

Более подробно устройство и работа автомобильного генератора переменного тока приведены на следующей странице.

Бесконтактные генераторы с электромагнитным возбуждением

Для автомобильных генераторов надежность и срок службы определяются тремя факторами:

• качеством электрической изоляции;
• качеством подшипниковых узлов;
• надежностью токосъемных (щеточно-контактных) устройств.

Первые два фактора зависят от уровня развития смежных производств. Третий фактор может быть исключен путем использования бесконтактных генераторов, имеющих более высокую надежность и ресурс, чем контактные генераторы, использующие щеточно-контактные токосъемные устройства. Это стимулировало создание автомобильных бесконтактных генераторов переменного тока с электромагнитным возбуждением – индукторных генераторов и генераторов с укороченными полюсами.

К бесконтактным генераторам с электромагнитным возбуждением относятся индукторные генераторы и генераторы с укороченными клювами. Работает генератор следующим образом. Обмотка возбуждения, по которой протекает постоянный ток, создает в магнитной системе поток, который при вращении ротора изменяется по величине без изменения знака. Этот поток замыкается, проходя через воздушные зазоры между валом и элементами ротора, зубцы которого выполнены в виде звездочки, воздушный зазор между ротором и статором, магнитопровод статора и крышку генератора.

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. Магнитный поток в воздушном зазоре периодически изменяется от Ф_mах, когда оси зубцов ротора и статора совпадают, до Ф_min, когда оси зубцов ротора и статора смещены на угол 180˚ электрических градусов. Таким образом, магнитный поток имеет среднюю постоянную и переменную составляющую с амплитудой

3убец и впадина ротора (индуктора) генератора образуют пару полюсов, поэтому частота тока якоря в индукторе генератора может быть определена по формуле:

где z — число зубцов ротора.

В генераторах с укороченными полюсами бесконтактность достигается за счет неподвижного крепления обмотки возбуждения с помощью немагнитной обоймы. Полюсы клювообразной формы имеют длину меньше половины длины активной части ротора. В процессе вращения ротора магнитный поток возбуждения пересекает витки обмотки статора, индуцируя в них ЭДС.

Генераторы с укороченными полюсами просты по конструкции, технологичны. Роторы таких генераторов 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.

Применение на автомобилях существующих конструкций индукторных генераторов долго сдерживалось следующими трудностями:

• невысокие удельные показатели;
• повышенный уровень пульсации выпрямленного напряжения;
• повышенный уровень шума.

Дальнейшее совершенствование конструкции и устранение вышеперечисленных недостатков позволило использовать индукторные генераторы переменного тока на автомобилях.

Впервые бесщеточные генераторы с укороченными полюсами 45.3701 и 49.3701 были использованы на автомобилях марки «УАЗ».

Небольшой видеоролик позволит наглядно понять основные принципы работы и устройство автомобильного генератора переменного тока.

Источник статьи: http://k-a-t.ru/mdk.01.01_elektro/21-generator/index.shtml

Бесконтактные индукторные генераторы. Принцип работы

Переменная ЭДС индуктиру­ется в неподвижных катушках фазных обмоток 3 при пересечении витков изменяющимся электромагнитным полем, которое создается вращением шестилучевой звездочки ротора 4, намагниченной одно­именными полюсами обмоткой возбуждения 5. Обмотка возбуждения намотана на стальную втулку 7, закрепленную на крышке 6 генератора так, что лучи звездочки движутся у торца катушки возбужде­ния. Обмотка возбуждения питается постоянным током через клем­мы «Ш» и «М».

Катушки с одинаковой по фазе ЭДС со­единены между собой последовательно. Фазы включены между собой в «треугольник» На автомобильных генераторах широко применяют включение фаз в «звезду»: концы всех фаз соединяют вместе в общую нулевую точ­ку, которую иногда выводят отдельным (нулевым) проводом или изо­лируют в генераторе, а начала трех фаз подводят к выпрямителю.

Выпрямление переменного тока в автотракторных генераторах осуществляется кремниевыми полупроводниковыми диодами (венти­лями). Диоды для встроенных в автотракторные генераторы выпрямите­лей выпускаются двух типов — прямой и обратной полярности. У дио­да прямой полярности (VI, V2, V3 на рисунке) катодным выводом является корпус, а анодный вывод пропущен через изолятор. Эти диоды проводят ток от анодного вывода к корпусу. У диодов обрат­ной полярности с корпусом соединен анод, а катод выведен через изолятор. Диоды обратной полярности проводят ток от корпуса к выводу. Диоды прямой и обратной полярности не взаимозаменяемы. Диоды прямой полярности (серии ВА) помечены на корпусе красной краской, а обратной полярности — черной.

Рис. Схемы трехфазного индукторного генератора

Источник статьи: http://ustroistvo-avtomobilya.ru/akkumulyator-generator-starter/generator/beskontaktny-e-induktorny-e-generatory/

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Бесконтактный генератор

Бесконтактный генератор имеет встроенный в одном с ним корпусе 1 ( рис. 14) возбудитель, выполненный в виде синхронной машины с вращающимся якорем 7, который расположен на одном валу с индуктором 10 генератора. Индуктор 3 возбудителя расположен в одном корпусе с якорем 2 генератора. При питании постоянным током обмотки 4 возбуждения в воздушном зазоре 5 возбудителя возникает неподвижный магнитный поток. В обмотке 6 якоря возбудителя при вращении вырабатывается переменный ток, который через блок 8 вращающихся вместе с ротором выпрямителей питает обмотку 9 возбуждения генератора. Бесконтактную машину постоянного тока можно получить преобразованием переменного тока якоря 2 в постоянный, встроив в бесконтактный синхронный генератор блок неподвижных выпрямителей. [2]

Бесконтактный генератор и объединенный с ним полупроводниковый выпрямитель ( ПВ) должны быть согласованы. Если в качестве бесконтактного генератора применяется генератор с постоянными магнитами, то для регулирования и стабилизации выходного напряжения рационально использовать управляемый ПВ, схема которого должна предусматривать также быстрый сброс выходного напряжения при коротких замыканиях, поскольку магнитный поток генератора не может быть резко снижен. При использовании бесконтактного генератора с обмоткой возбуждения ПВ может быть неуправляемым или управляемым. В первом случае ПВ прост и надежен, а напряжение регулируется изменением тока в обмотке возбуждения. Недостатком такого способа регулирования является невысокое быстродействие из-за больших постоянных времени цепи возбуждения. Во втором случае, когда используются управляемые ПВ, напряжение может регулироваться как током возбуждения, так и управлением ПВ, что увеличивает быстродействие, но существенно усложняет схему управления. [3]

Бесконтактные генераторы импульсов , используемые в системах телемеханики, не отличаются от генераторов прямоугольных импульсов, применяемых в других дискретных системах и устройствах. К специфическим требованиям, которые к ним предъявляются, относятся: работа в определенных случаях при больших изменениях температур, относительно высокая стабильность частоты, особенно в случае систем с автономной синхронизацией, относительно низкая частота, большой срок службы и большая надежность работы. [4]

Бесконтактный генератор типа сексин был изобретен в США в 1957 г. Наименование сексин представляет собой начальные буквы слов Stationary Exited Coil Synchronous — синхронная машина с неподвижной катушкой возбуждения. На статоре генератора ( рис. 1.3) размещены две неподвижные кольцевые обмотки возбуждения 2, создающие аксиальное магнитное поле. Статор 6 с обмоткой переменного тока 5 выполняется, как в обычных генераторах. [6]

Бесконтактные генераторы импульсов ( мультивибраторы) на полупроводниковых триодах или тиратронах — обеспечивают высокую частоту импульсов и надежность работы с большим сроком службы. [7]

Схема бесконтактного генератора на четыре команды, разработанная инж. [8]

Статор бесконтактного генератора не имеет отличия от статоров обычных синхронных и асинхронных машин. В генераторе имеется тепловая защита от возможных перегрузок и короткого замыкания в цепи возбуждения. [9]

В бесконтактном генераторе с системой гармонического компаундирования скорость нарастания напряжения генератора определяется постоянными времени форсировки напряжения в системе гармонического компаундирования, цепей возбуждения возбудителя и генератора. Значение напряжения генератора с системой гармонического компаундирования определяется приращением напряжения в системе гармонического компаундирования. [10]

Рассмотрим более подробно бесконтактный генератор импульсов , выполненный по принципиальной схеме рис. 4 — 6 а. Здесь ПТР включен в цепь управляющей обмотки щ, а нагреватель — — в цепь обратной связи. При замыкании ключа Л подается напряжение на цепь управления. [12]

Известные типы бесконтактных генераторов с электромагнитным возбуждением могут быть разделены на две основные группы: бесконтактные генераторы с вращающимися выпрямителями и генераторы с неподвижными обмотками возбуждения. [13]

Выпрямление переменного напряжения подвозбудителя бесконтактного генератора осуществляется мостовой трехфазной схемой выпрямления А.Н.Ларионова, которая является наилучшей с точки зрения использования мощности подвозбудителя. Выпрямитель входит функциональным узлом в блок регулирования напряжения. Применяемая система возбуждения обеспечивает хорошие условия регулирования напряжения. Выбор высокой частоты подвозбудителя и возбудителя ( 800 — 1600Гц) позволяет значительно уменьшить их массу, а также снизить постоянную времени регулятора напряжения на магнитных усилителях. Полупроводниковые регуляторы напряжения являются практически безынерционными элементами, и постоянная времени системы регулирования напряжения определяется только постоянными времени обмотки возбуждения возбудителя и генератора. [14]

Эти условия определяют самовозбуждение и бесконтактного генератора с гармоническим возбуждением. При исследовании условий и процессов самовозбуждения предполагаем, что частота вращения выше критической. ЭДС основного генератора создается полем остаточной намагниченности генератора и полем, создаваемым током в обмотке возбуждения от действия ЭДС остаточной намагниченности возбудителя. [15]

Источник статьи: http://www.ngpedia.ru/id639768p1.html