Введение

Генераторы постоянного тока долгое время были единственным типом источников электрической энергии, применявшихся для питания потребителей и заряда аккумуляторной батареи на автомобилях.

В обмотке якоря генератора постоянного тока индуктируется ток переменного направления (переменный ток), который затем преобразуется в ток постоянного направления (постоянный ток) коллектором. Коллектор, таким образом, играет
'роль выпрямителя. Однако процесс выпрямления тока коллектором связан с искрением под щетками, которое вызывает повышенный износ коллектора и щеток, особенно при большой частоте вращения якоря.

С увеличением мощности и количества потребителей электрической энергии на автомобиле размеры и масса генераторов постоянного тока настолько возросли, что размещать их на двигателях стало трудно, а повышение частоты вращения коленчатого вала двигателя и передаточного числа привода генератора увеличило износ коллектора и щеток. В связи с этим вместо генераторов постоянного тока стали применять автомобильные генераторы переменного тока, в которых преобразование переменного тока в постоянный осуществляется полупроводниковыми выпрямителями. Комплектно с генераторами переменного тока спроектированы и внедрены в производство новые системы регулирования напряжения вместо прежних вибрационных электромагнитных регуляторов напряжения. К ним относятся контактно-транзисторные и бесконтактные транзисторные регуляторы напряжения.

В последние годы разработаны и освоены в производстве бесконтактные транзисторные регуляторы напряжения на интегральных схемах, очень малые габариты которых позволяют встроить их в генератор.

Комплект генератора постоянного тока с реле-регулятором или регулятором напряжения, а также комплект генератора переменного тока с выпрямителем и регулятором напряжения будем называть генераторной установкой.

Генераторные установки переменного тока обладают рядом преимуществ по сравнению с генераторными установками постоянного тока.

В генераторе переменного тока отсутствуют коллектор и щетки, снимающие с коллекторных пластин весь ток нагрузки. Вместо них имеются контактные кольца и щетки, служащие для подвода во вращающуюся обмотку лишь небольшого по величине тока возбуждения генератора. Поэтому износ контактных колец и щеток невелик. В транзисторных регуляторах напряжения вообще нет вибрационных контактов, а в контактно-транзисторных регуляторах напряжения вибрационные контакты значительно разгружены и разрывают лишь небольшой ток.
Все это увеличивает срок службы генераторной установки переменного тока почти вдвое по сравнению с генераторной установкой постоянного тока, а повышение срока службы генераторной установки снижает стоимость эксплуатационных затрат.
Сосредоточенная цилиндрическая обмотка возбуждения и клювообразные полюса ротора автомобильного генератора переменного тока, а также отсутствие коллектора дают возможность при равных габаритных размерах получить большую мощность и сократить расход меди в 3 раза по сравнению с генераторами постоянного тока. Более низкая частота вращения начала отдачи генератора переменного тока обеспечивает лучший заряд аккумуляторной батареи в условиях эксплуатации автомобиля в городских условиях.
Первые автомобильные генераторы переменного тока были спроектированы для работы с отдельными селеновыми выпрямителями и вибрационными регуляторами напряжения. Селеновые выпрямители громоздки и их приходилось размещать отдельно от генератора в местах, обеспечивающих их хорошее охлаждение, из-за чего требовалась дополнительная проводка от генератора к выпрямителю. Кроме того, они недостаточно теплостойки и допускают максимальную рабочую температуру не выше +80°С. Поэтому селеновые выпрямители в дальнейшем были заменены кремниевыми выпрямителями, более теплостойкими и малогабаритными, допускающими их размещение внутри генератора. Вибрационные регуляторы напряжения также заменяются контактно- транзисторными и бесконтактными регуляторами напряжения.
В настоящее время закончен перевод всех типов отечественных автомобилей на комплектацию генераторными установками переменного тока. Мощность генераторных установок для массовых автомобилей увеличилась более чем в 2 раза — с 250 Вт до 500—1000 Вт; ресурс увеличен со 100—150 до 150—300 тыс. км. Начат выпуск генераторов для автобусов ПАЗ и КАвЗ с встроенным выпрямительным блоком и встроенным интегральным регулятором напряжения. В дальнейшем все типы автомобильных генераторов будут иметь встроенные выпрямители и регуляторы напряжения. Развитие применения этих новых конструкций требует изучения принципов работы, характеристик, правил эксплуатации и ремонта автомобильных генераторов переменного тока.

1. Устройство генераторной установки

Генераторная установка переменного тока состоит из трехфазного синхронного генератора с электромагнитным возбуждением, выпрямителя и регулятора напряжения вибрационного, контактно-транзисторного или бесконтактного типа.

В зависимости от способа контроля заряда аккумуляторной батареи существуют две схемы соединения генераторной установки: схема с амперметром
(рис. 1) и схема с контрольной лампой (рис. 2). Во избежание разряда аккумуляторной батареи на обмотку возбуждения генератора регулятор напряжения включают в общую цепь через выключатель зажигания.

Особенностью автомобильного трехфазного синхронного генератора (рис. 3) является применение клювообразных полюсов и обмотки возбуждения, состоящей из одной катушки.

В отличие от синхронных явнополюсных генераторов общепромышленного назначения в автомобильных генераторах с клюво-образными полюсами магнитные потоки отдельных полюсов (показаны на рис. 3 пунктиром) замыкаются через сердечник ротора и образуют полный магнитный поток генератора, равный сумме магнитных потоков всех полюсов одинаковой полярности. Это дает возможность применить одну сосредоточенную обмотку возбуждения простой формы и расходовать на ее изготовление минимальное количество проводникового материала — меди. Концы обмотки возбуждения выводят к контактным кольцам, расположенным на валу ротора.

В отечественных генераторах число полюсов ротора равно 12. Ротор генератора (рис. 3) состоит из вала с закрепленными на нем втулкой с катушкой возбуждения и полюсными наконечниками (клювами). Роторы всех генераторов проходят динамическую балансировку. Для балансировки в полюсах надсверливают на небольшую глубину отверстия диаметром 4—8 мм в зависимости от размеров генератора. У некоторых типов генераторов, например Г502, полюсные наконечники отжигают для улучшения их магнитных свойств.

Пакет статора набирают из листов электротехнической стали. В пазах статора размещают трехфазную обмотку. Число пазов может быть различным при одном и том же числе полюсов ротора и определяется типом трехфазной обмотки и электрическими характеристиками генератора.

При открытом пазе (рис. 4, а) витки обмотки удерживаются текстолитовым клином. При полузакрытом пазе (рис. 4, б) провода обмотки при многовитковых катушках закрепляют хлорви ниловыми трубками, деревянными или бумажными клиньями. Если катушка обмотки статора имеет один виток, то размеры паза подбирают таким образом, что какого-либо закрепления проводов в пазу не требуется (рис. 4, в).
Рис. 1. Схема соединений генераторной установки переменного тока с амперметром дя контроля заряда аккумуляторной батареи:
1 - генератор: 2 - выпрямительное устройство; 3 - регулирующее устройство:
4 - выключатель зажигания; 5 – амп- ерметр;
Ш - вывод обмотки возбуждения: плюсовой вывод выпрямителя
Пазы всех типов изолируются электрокартоном, пленкокартоном или специальным компаундом. Для обмоток статора и возбуждения используют провода с изоляцией различными лаками марок ПЭВ1, ПЭВ2, ПЭТВ, ПЭТВТ, ПЭС и др. Обмотки грех фаз статора при мощности генератора до 500—700 Вт соединяются в звезду, при большей мощности — в треугольник или в двойную звезду. Это вызвано тем, что при возрастании мощности генератора увеличивается диаметр провода обмотки статора и намотка становится затруднительной — толстый провод трудно гнется. Соединение в треугольник или в двойную звезду позволяет уменьшить силу тока в проводе обмотки и, следовательно, использовать более тонкий провод.
Схему обмотки статора по типу одинарной звезды можно использовать для генераторов с числом пазов на полюс и фазу 0,5; 1 и 2. Каждая фаза содержит шесть непрерывно намотанных катушек (рис. 5 и 6), содержащих, каждая несколько витков.
Рис. 2. Схема соединений генераторной установки переменного тока с контрольной лампой заряда аккумуляторной батареи:
1 — генератор; 1 — выпрямительное устройство; 3 — регулирующее устройство;
4 — реле контроля заряда; 5 — контрольная лампа; 6 - выключатель зажигания

Поскольку схема соединения катушек между собой не зависит от числа витков в катушке, то все катушки изображены одновитковыми. Начала и концы всех трех фаз обмотки статора обозначены соответственно буквами Н и К. Для соединения в звезду концы всех фаз K1, К2 и К3. соединяются между собой и образуют нулевую точку обмотки. Начала трех фаз Н1, Н2 и Н3 соединяются с выводами. Соединение треугольником применяется редко из-за сложности монтажа катушек: конец первой фазы К1 соединяется с началом второй фазы Н2, конец второй К2 — с началом третьей Н3; конец третьей К3 с началом первой фазы К1 и от всех этих точек соединения подводятся провода к выводным зажимам.

Рис. 3. Схема устройства автомобильного генератора переменного тока: 1 - обмотка возбуждения; 2 - клювообразные полюса; 3 - контактные кольца; 4 - щеткодержатешь; 5 - статор; 6 – трехфахзная обмотка статора; 7 – крышка со стороны привода; 8 – шкив; 9 – вентилятор; 10 – крышка со стороны контактных колец

При соединении в двойную «звезду» каждая фаза состоит из двух параллельных ветвей, в каждой ветви по три непрерывно намотанных катушки
(рис. 7).
С целью уменьшения размеров лобовых частей катушек и, следовательно, уменьшения габаритов генератора иногда используют обмотку, в которой каждую катушку делят на две части (намотка «в развал») и укладывают, как показано на рис. 8.

Вместо того чтобы, например, полное число витков первой катушки первой фазы наматывать в пазы 1—4, а второй — в пазы 7—10, наматывают в пазы 1—4 только половину витков первой катушки. Затем в пазы 4—7 наматывают вторую половину витков первой катушки в обратном направлении и т.д. (рис. 8). При таком способе намотки торцевые части катушек 1—4 и 4—7 будут иметь только половинное число витков и будут, следовательно, иметь меньший размер
(«вылет») в осевом направлении. Таким же образом наматывают катушки остальных фаз.
На рис. 8 более детально показана намотка катушек только первой фазы.

Рис. 4. Форма пазов статора: а — открытая; б — полузакрытая; в — полузакрытая при одновитковых катушках

Рис. 5. Схема обмотки статора при соединении фаз в звезду и числе пазов 18:
Н1, Н2 Н3 — начала фаз;
К1 K2, K2 — концы фаз

Рис. 6. Схема обмотки статора при соединении фаз в звезду и числе пазов 36:
Н1, H2 Н3 — начала фаз;
K1 К2. К3 — концы фаз

Рис. 7. Схема соединений обмоток фаз статора в двойную звезду (число пазов
18): Н1 H2, Н3 К1 K2 К3 — начала и концы фаз первой звезды; Н4 Н5. Н6: К4,
K5,К6 — начала и концы фаз второй звезды;

HI , HII ,HIII – выводы фаз обмоток статора