Принципы работы и конструктивные схемы вентильных генераторов

Преобразование механической энергии, которую генератор получает от двигателя автомобиля, в электрическую происходит в соответствии с явлением электромагнитной индукции. Сущность явления заключается в следующем: если с определенной скоростью менять магнитный поток, пронизывающий контур из токопроводящего материала, то на выводах контура появляется электродвижущая сила (ЭДС). Если изменяющийся магнитный поток пронизывает катушку с изолированными друг от друга витками токопроводящего провода, то на выводах катушки возникает ЭДС, пропорциональная произведению числа витков на скорость изменения магнитного потока.

Наведение ЭДС в катушках автомобильных генераторов осуществляется при изменении магнитного потока:

• по величине и направлению, что характерно для щеточной конструкции вентильного генератора;
• только по величине, что характерно для бесщеточного генератора, в частности индукторного.

Основные узлы генератора, в которых происходит преобразование механической энергии в электрическую, - магнитная система с обмоткой возбуждения и стальными участками магнитопровода, по которым протекает магнитный поток Ф, и обмотка статора, в которой индуктируется ЭДС при изменении магнитного потока.

В щеточном вентильном генераторе магнитный поток создается обмоткой возбуждения 4 (рис. 1) при протекании по ней электрического тока и системой полюсов 3. В автомобильных генераторах их, как правило, двенадцать.




Полюса с обмоткой возбуждения, кольца, через которые ток от щеток подводится к обмотке возбуждения, вал и другие конструктивные элементы образуют вращающийся ротор.

Обмотка 2 (рис. 2), в которой вырабатывается электрический ток, уложена в пазы неподвижного магнитопровода 7 и вместе с ним представляет собой статор. Обмотка 2 статора состоит из трех независимых обмоток фаз. В каждой фазе имеется по шесть катушек, включенных последовательно. Если обмотка фазы образована из двух параллельных ветвей, то в каждой ветви находится по шесть катушек. Обмотки фаз могут быть соединены между собой в звезду или треугольник (пятиугольник).



Выводы фаз обмотки статора соединяются с выпрямителем 6 (см. рис. 1). При вращении ротора напротив зубцов статора с расположенными на них обмотками фаз оказываются то северный N, то южный 5 полюсы ротора. Магнитный поток Ф, пронизывающий обмотки статора, изменяется по величине и направлению, что по закону Фарадея достаточно для появления на их выводах переменного электрического напряжения.


Частота f изменения напряжения связана с частотой n_р вращения ротора и числом р пар полюсов ротора соотношением

f = pn_p / 60

В отечественных автомобильных вентильных генераторах р равно 6, поэтому частота их переменного тока в 10 раз меньше частоты вращения ротора.

В обмотках фаз вырабатывается трехфазный ток, т.е. напряжение и ток в них смещены относительно друг друга на 1/3 периода (120°).

Чем выше частота вращения ротора и больше величина магнитного потока, тем быстрее происходит его изменение внутри катушек фаз статора и тем выше значения наводимого в них напряжения.

Ротор автомобильного генератора состоит из двух полюсных половин (рис. 3), выступы (клювы) которых образуют у одной половины северную, а у другой - южную систему полюсов. Клювообразная система полюсов характерна для автомобильных генераторов, выпускаемых во всем мире. При сборке южные полюса располагаются между северными, а обмотка возбуждения, надетая на стальную втулку, оказывается зажатой между полюсными половинами. Клювообразное исполнение ротора позволяет с помощью одной катушки образовать многополюсную систему.




Вентильные генераторы с клювообразным ротором (рис. 4) представляют собой синхронную электрическую машину со встроенным полупроводниковым выпрямителем. Основные узлы и детали генератора - статор 4, ротор с клювообразными полюсами, втулкой 1 и сосредоточенной вращающейся обмоткой 2 возбуждения, крышки со стороны привода и контактных колец 7, щетки 6, шкив, вентилятор и выпрямительный блок.



Пакет статора набран из пластин электротехнической стали. В пазах статора размещены катушки трехфазной (или с большим числом фаз) обмотки. Число пазов на полюс и фазу для вентильных генераторов с клювообразным ротором вычисляется по формуле

q = z₁ / 2pm

где z₁ - число пазов статора; 2р - число полюсов генератора; m - число фаз генератора.

Большие значения q позволяют удовлетворить высокие требования к синусоидальности выходного напряжения и КПД. Статоры автомобильных генераторов выполняют с малыми значениями q(q≤1, q=2). При меньших q можно получить высокотехнологичную и надежную в эксплуатации конструкцию генератора при малой ее стоимости.


Иногда в вентильных генераторах используют две самостоятельные обмотки. Обмотка с большим числом витков обеспечивает необходимую отдачу по мощности при низкой частоте вращения ротора, обмотка с меньшим числом витков - при большей частоте вращения ротора генератора.

На рис. 5 показана схема трехфазной обмотки статора с q=0,5. Каждая катушка расположена на своем зубце статора. Число зубцов (пазов) и катушек восемнадцать. В каждом пазу находятся две стороны катушек разных фаз. В обмотке на рис. 5, а в каждой фазе расположены шесть последовательно соединенных катушек. В схеме обмотки статора на рис. 5, б в одной половине пазов размещены катушки, образующие одну звезду, а в другой половине пазов - другую звезду. Каждая фаза состоит из двух параллельных ветвей, в каждой ветви находится по три непрерывно намотанные катушки.



На рис. 6 показана схема трехфазной обмотки статора при q=1. Число пазов - 36, катушек - 18. Каждая катушка охватывает три зубца, в каждом пазу находится одна сторона катушки. В обычной обмотке (рис. 6, а) полное число витков первой катушки наматывают, например, в первый и четвертый пазы, а второй катушки - в седьмой и десятый и т.д. Размер лобовой части (вылет обмотки) определяется двойным числом витков катушки. В обмотке (рис. 6, б) в первый и четвертый пазы наматывают только половину витков первой катушки, а вторую половину наматывают в четвертой и седьмой пазы в обратном направлении. Далее наматывают половину витков второй катушки в седьмой и десятый пазы, а вторую половину витков второй катушки наматывают в обратном направлении в десятый и тринадцатый пазы и т.д. При таком способе намотки вылет лобовой части катушки определяется только полуторным числом витков катушки, что позволяет уменьшить массу и габаритные размеры генератора.



Ток к вращающейся обмотке возбуждения подводится через щетки и контактные кольца. Вал ротора вращается в двух подшипниках, установленных в крышках. Крышки расположены по торцам статора и стянуты винтами. Применение клювообразных полюсов определенной формы обеспечивает близкое по форме к синусоиде изменение ЭДС.

Существенным недостатком генераторов, выполненных по схеме на рис. 1, является наличие контактного узла, состоящего из электрощеток и колец. Пыль, грязь, топливо, масло и вода, попадая на контактный узел, быстро выводят его из строя. Специальная защита от загрязнения кардинально не решает проблему и существенно усложняет конструкцию генератора. Поэтому более долговечными являются бесщеточные вентильные генераторы индукторного типа.