Принцип работы и схемы подключения автомобильных генераторов постоянного и переменного тока

В конструкции транспортных средств широко используются электрические и электронные компоненты, питающиеся от бортовой сети. Источниками напряжения являются батарея и генератор. Понимание общего принципа работы генератора автомобиля поможет автовладельцу найти и устранить причину неисправности, которая может случиться в пути.

Что собой представляет генератор в машине?

Генератор является устройством восполнения заряда аккумуляторной батареи, без которой невозможен запуск двигателя.

Мощность генератора должна обеспечивать возможность заряда аккумулятора при одновременной работе других потребителей. При недостаточной мощности или повреждениях начинается недозаряд батареи или неполноценная работа электрических узлов автомобиля. Из-за этого возможна некорректная работа систем, повреждение и выход деталей из строя.

Виды автомобильных генераторов

На транспортных средствах, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, возможно применение двух типов генераторов:

• вырабатывающих постоянный ток, подобная конструкция была распространена до начала 60-х годов прошлого столетия;
• генерирующих переменное напряжение, устройство используется на современной технике.

Генераторы постоянного тока

Конструкция генераторов постоянного тока позволяет использовать их в роли электродвигателей. Для этого требуется подать электрическое питание на якорь.

Электрические машины постоянного тока могут быть следующих типов:

• с обмоткой самовозбуждения, подключаемой к аккумулятору;
• независимого типа с шунтовой схемой (параллельное возбуждение);
• независимой схемы последовательного подключения, под параллельным и последовательным подключением понимается схема соединения обмоток якоря и статора.

Генераторы постоянного тока обладают рядом недостатков:

• малая мощность;
• низкий КПД;
• необходимо регулярное обслуживание;
• недостаточный ресурс.

Все эти недостатки привели к тому, что электрические машины постоянного тока уступили место под капотами авто более совершенным установкам переменного напряжения. Машины постоянного тока дольше всего продержались на железнодорожном транспорте, но и там их вытеснили трехфазные устройства переменного тока.

Устройство

Генератор постоянного тока базируется на основе массивного корпуса 18, выполняющего роль статора. Внутри установлены полюсные обмотки 9. Пазы, предназначенные для размещения обмотки, имеют смещение относительно оси генератора по винтовой линии. За счет этого обеспечивается равномерность магнитного потока и снижается шум при работе. Обмотка статора выведена к клемме 6, промаркированной Ш, и к корпусу генератора. Между обмоток расположен вращающийся якорь 19, оснащенный коллекторной токосъемной частью 4.

Якорь имеет вал 10, который опирается на два шариковых подшипника 2. Подшипники установлены в передней и задней крышке — 16 и 1 соответственно. Для подачи смазки в подшипники предусмотрены масленки 5. От вытекания смазки и попадания пыли применены сальники 3, выполненные из фетра. Задняя крышка имеет точки крепления щеткодержателей 12, оснащенных графитовыми щетками 11. Для обеспечения прилегания щеток к коллектору использованы пружины 13.

Различаются положительные и отрицательные щетки. Положительная деталь располагается в щеткодержателе без изолятора и подключена к корпусу генератора. Отрицательная щетка изолирована от остальных деталей и имеет вывод на клемму 7 (промаркированную буквой Я). Доступ к щеткам для осмотра и профилактики возможен через смотровое окно, закрытое при эксплуатации устройства крышкой 20. Существуют модели генераторов, оснащенные двумя парами щеток и дополнительными обмотками статора. Щетки одинаковой полярности соединены между собой в единую цепь.

На передней части вала якоря установлен шкив 15, удерживающийся от проворачивания шпонкой. Шкив закреплен гайкой 14, которая на некоторых моделях генераторов фиксируется шплинтом. Для охлаждения внутреннего объема генератора применяется вентилятор, лопасти которого пролиты на приводном шкиве.

Электрическая схема

Ниже приведены три варианта схем генераторов, отличающихся типом возбуждения:

• независимый (а);
• параллельный (б);
• смешанный (в).

Условные обозначения:

• Я1 и Я2 — обмотки, установленные на якоре;
• Д1 и Д2 — дополнительные обмотки добавочных полюсов;
• Ш1 и Ш2 — шунтовая обмотка;
• С1 и С2 — последовательная обмотка возбуждения;
• RH — нагрузка.

Принцип работы

В основе принципа работы генератора автомобиля лежит процесс индуцирования электродвижущей силы во вращающихся обмотках якоря в результате воздействия магнитного поля статора. Снятие напряжения ведется с отдельных полуколец, что позволяет формировать выпрямленный ток без дополнительных устройств.

Крепление и привод

Генераторы переменного тока устанавливались на автомобилях через отдельный кронштейн или непосредственно на боковой части картера двигателя. На нижнеклапанных моторах устройство монтировалось на головке блока и использовалось для установки вентилятора системы охлаждения. При подобной схеме монтажа для привода используется ременная передача от шкива, установленного на коленчатом валу двигателя. Опора генератора позволяет изменять угол установки, обеспечивая натяжение ремня. На крупногабаритных моторах генераторы могли иметь привод от распределительных шестерен механизма газораспределения.

Генераторы переменного тока

Абсолютное большинство находящихся в эксплуатации автомобилей оснащено генераторами переменного тока. Прибор имеет иную конструкцию и схемы подключения. Устройство обеспечивает высокую мощность, способно работать на повышенных оборотах. Ресурс деталей машин переменного тока значительно выше, чем у агрегатов постоянного тока.

Устройство

В качестве примера приведен генератор от автомобиля ВАЗ 2110. Устройства других машин могут иметь небольшие конструктивные отличия.

Перечень деталей, приведенных на схеме:

• 1 — защитный кожух;
• 2 — вывод для подключения генератора к сети;
• 3 — помехоподавительный конденсатор;
• 4 — вывод дополнительных диодов, подключаемый к регулятору напряжения;
• 5 — кронштейн диодов положительного полюса;
• 6 — аналогично для отрицательного полюса;
• 7 — выводы обмоток статора;
• 8 — регулятор напряжения;
• 9 — держатель щеток;
• 10 — тыльная крышка;
• 11 — лобовая крышка;
• 12 — сердечник статора;
• 13 — обмотки статора;
• 14 — дистанционная втулка;
• 15 — шайба;
• 16 — конусная вставка;
• 17 — приводной шкив;
• 18 — гайка крепления;
• 19 — вал;
• 20 — передняя опора;
• 21 — полюсные наконечники;
• 22 — обмотка якоря;
• 23 — втулка;
• 24 — винт крепления крышек;
• 25 — задняя опора;
• 26 — втулка подшипника;
• 27 — контактные кольца;
• 28 — отрицательный диод;
• 29 — положительный диод;
• 30 — дополнительный диод;
• 31 — вывод блока дополнительных диодов.

Электрическая схема

Ниже приведена принципиальная электрическая схема генератора вместе с регулятором напряжения и выпрямителем.

Принцип работы

Генератор работает на принципе электромагнитной индукции. При прохождении токопроводящего проводника через магнитный поток возникает разность потенциалов, которую можно снять с концов проводника. Генерируемое напряжение прямо пропорционально скорости изменения магнитного потока. Источником переменного магнитного поля в генераторе переменного тока является ротор.

Схема ротора:

• 1 — вал;
• 2 — полюса;
• 3 — контактные кольца;
• 4 — обмотка.

Показанный на схеме ротор оснащен контактными кольцами для подвода напряжения, с которыми контактируют щетки. Есть варианты роторов, набранных из металлических намагниченных пластин. Подобные конструкции не требуют подвода напряжения, но генерируемый ток машин невелик.

Конструкция ротора обеспечивает сохранение остаточного магнитного поля, существующего при отсутствии питания в обмотках возбуждения. Значение поля невелико и способно обеспечивать самовозбуждение генератора только при высокой частоте вращения ротора. Для стартового намагничивания применяется кратковременная подача тока в обмотку через цепь, к которой подключена контрольная лампа работы устройства. После достижения параметров напряжения требуемого значения происходит отключение питания, контрольная лампа гаснет, а генератор начинает работать за счет самовозбуждения.

Снятие электроэнергии осуществляется с обмоток статора. Поскольку при вращении ротора происходит чередование обмоток, то на катушку статора оказывает влияние разнонаправленный магнитный поток, вызывающий переменное напряжение. Частота напряжения находится в зависимости от числа оборотов ротора и количества пар полюсов, смонтированных на нем. Обмотка на статоре трехфазная, соединена «звездой» или «треугольником». Тип соединения зависит от мощности генератора.

Более подробно принцип работы генератора показан в видеоролике от канала Halyk Smart.

Выводы обмотки подключены к полупроводниковому выпрямителю, который способен преобразовывать переменный ток в постоянный. Стандартный прибор должен состоять из шести диодов, подключенных по три штуки к положительному полюсу и массе. На современных генераторах вместо диодов применяются стабилитроны, защищающие электрику автомобиля от скачков напряжения. Дополнительно устанавливается регулятор напряжения электронного типа. Он нужен для удержания напряжения в заданных пределах.

Существуют различные модификации регуляторов напряжения, которые обеспечивают компенсацию потерь напряжения, например, на участках проводки между генератором или аккумулятором. Есть модели, регулирующие напряжение в зависимости от температуры воздуха. Подобная схема обеспечивает оптимизацию процесса зарядки и увеличивает срок службы батареи.

Крепление и привод

Приборы переменного тока устанавливаются на передней части двигателя. Корпус крепится через специальные кронштейны, которые могут оснащаться устройством для натяжения приводного ремня. На некоторых автомобилях натяжение обеспечивается отдельным автоматическим механизмом, генератор закрепляется на корпусе двигателя жестко при помощи 2-4 болтов. В точках крепления встречаются дистанционные втулки, компенсирующие зазоры между деталями.

Привод выполняется поликлиновым ремнем. На старых конструкциях автомобилей встречаются клиновые изделия. От подобной схемы отказались ввиду неспособности работать на шкивах малого диаметра. Поликлиновый ремень хорошо функционирует на любых шкивах, что позволяет использовать генераторы с большой частотой вращения якоря.

Какой ток выдает генератор автомобиля?

На генераторах имеется заводская маркировочная табличка, указывающая предельный ток, который может выдать устройство. Для замера реального тока используется мультиметр и специальные клещи, надеваемые на проводку генератора. Клещи позволяют с высокой точностью определить силу тока в проводнике без разрушения изоляционного слоя.

После установки измерителя двигатель запускается и выводится на высокие обороты, обеспечивающие максимальную отдачу генератора. Затем требуется включать потребители и отслеживать изменение тока в проводке. Эти же потребители включаются одновременно, при этом отмечается изменение параметров тока в цепи. Результат не может быть меньше суммы, полученной при раздельном подключении устройств.

Замер тока, необходимого для работы обмоток самовозбуждения, производится на проводе, идущем к этим обмоткам. Измерение ведется при высоких оборотах коленчатого вала. Нормой считается ток в пределах 3-7 А.

Неисправности автогенераторов и способы их устранения

При работе генераторов могут возникать неисправности механического и электрического характера. Зачастую одна вовремя не исправленная поломка становится причиной других.

Признаки повреждения генератора:

• мигание или постоянная работа лампы зарядки при работающем моторе;
• недостаточная зарядка или перезаряд аккумулятора;
• тусклый свет внешней световой сигнализации;
• пульсации свечения ламп;
• значительное увеличение яркости свечения ламп при повышении оборотов;
• посторонние звуки, источником которых является генератор или привод.

Механические поломки

Распространенные неисправности механического характера:

• появление трещин на приводном шкиве;
• обрыв ремня привода;
• износ подшипников якоря, который приводит к заклиниванию генератора.

Трещины и сколы на шкиве обнаруживаются при визуальном осмотре узла. Острые кромки начинают разрушать приводной ремень, который может сойти со шкива по поврежденным кромкам. Поломанный или лопнувший шкив требуется заменить новым, ремонт узла невозможен. Новый шкив должен иметь такие же геометрические параметры, как и изношенный.

Поврежденные подшипники якоря начинают издавать при работе характерный свист. Затягивать с ремонтом не следует, поскольку нарушается режим работы генератора из-за изменения зазора между якорем и статором. В итоге якорь может заклинить, что приведет к обрыву ремня и повреждениям щеток и обмотки.

Электрические поломки

Поломки электрической части генераторов:

• истирание токосъемных щеток;
• протирание коллекторной части ротора генератора;
• выход из строя регулятора напряжения;
• межвитковые замыкания обмотки статора;
• выгорание выпрямительного диодного моста;
• разрушение соединительной проводки;
• обгорание или окисление мест подключения проводки.

Для проверки работоспособности генератора применяется мультиметр или вольтметр, предназначенный для измерения постоянного напряжения 0-20 В. Перед началом замеров рекомендуется прогреть агрегат, дав ему поработать 10-15 минут при холостых оборотах двигателя и работающем потребителе (например, ближнем свете фар). Замер напряжения между положительной клеммой генератора и массой автомобиля должен показать значение в пределах 13,5-14,5 В. Более точная информация имеется в инструкции по ремонту и обслуживанию машины. При отклонении напряжения от норматива требуется замена реле-регулятора.

Проверка напряжения на клеммах батареи позволяет обнаружить повреждения соединительной проводки. Для полноценного замера требуется увеличить обороты двигателя до высоких и подключить мощные потребители энергии (например, дальний свет фар, обогревы стекол и сидений). В этом случае напряжение должно быть близким к значению на реле-регуляторе. В противном случае требуется провести проверку проводов и точек подключения.

Исправность диодного моста проверяется путем установки мультиметра на положительный вывод генератора и массу в режиме замера переменного тока. Значение напряжения должно находиться в пределах до 0,5 В. Более высокое напряжение является признаком неисправности диодного моста.

Процесс замены генератора на Форд Фокус 2 показан в видео, предоставленном каналом «Азбука Форд».

Замер пробоев обмоток генератора производится при отключенном аккумуляторе и отсоединенной от положительной клеммы устройства проводке. Тестер, переключенный в режим амперметра, подключается между клеммой и проводкой. Допустимым считается значение до 0,5 мА. При повышенном токе возможен пробой деталей диодного моста либо обмоток.

Для проверки обмоток возбуждения необходимо снять генератор с автомобиля. Работы ведутся при удаленном регуляторе напряжения и щеточном узле. Перед началом проверки контактные кольца очищаются от грязи. Тестирование выполняется мультиметром, переведенным в режим омметра. Подключение ведется к контактным кольцам. Нормальное значение сопротивления находится в интервале 5-10 Ом. Для замера пробоя на массу омметр цепляется к кольцам и корпусу. В исправном состоянии значение сопротивления будет бесконечным, при иных значениях — имеется пробой.

Категорически запрещается проверять работу генераторов методом короткого замыкания. Подобные действия приводят к выходу из строя не только агрегата, но и электронных блоков. Диагностику устройства рекомендуется проводить на стендах, имеющихся в специализированных центрах. Самостоятельные действия могут стать причиной дорогостоящего ремонта.

Доводилось ли вам своими руками ремонтировать генератор?

Опрос

• Да
• Нет

 Загрузка ...

Фотогалерея

Видео «Принцип работы автомобильных генераторов»

Видеоурок об устройстве и принципах работы автомобильных генераторов предоставлен каналом zrenie2015.