Упрощенная схема устройства автомобильного генератора переменного тока с клювообразным ротором представлена на рисунке 1. Генератор имеет следующие основные конструктивные элементы: неподвижный статор 1, набранный из пластин электротехнической стали; обмотку статора 2; вращающийся ротор с клювообразными полюсами 9 и расположенную между ними втулку 15; обмотку возбуждения 8, выводы которой припаяны к двум изолированным от вала и друг от друга медным контактным кольцам 13; крышку со стороны привода 3 и крышку со стороны контактных колец 10, выполненные из алюминиевого сплава, в которых установлены шарикоподшипники 5 и 11 с двусторонним резиновым уплотнителем и одноразовой закладкой смазки на весь срок службы. Крышки имеют вентиляционные отверстия и крепежные лапы для крепления генератора на двигателе.
В крышке со стороны контактных колец установлен пластмассовый щеткодержатель 14 с двум я прямоугольными медно-графитовыми щетками 12 и выпрямительный блок 7. При помощи крыльчатки 6 создается протяжная вентиляция для охлаждения генератора. Привод генератора осуществляется при помощи шкива 4.
|
|
Принцип действия генератора заключается в следующем. При включении замка зажигания на обмотку возбуждения подается напряжение аккумуляторной батареи, которое вызывает появление тока возбуждения. Ток возбуждения, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, рабочая часть которого распределяется по клювообразным полюсам одной полярности. Выходя из полюсов, магнитный поток пересекает воздушный зазор, проходит по зубцам и спинке статора, еще раз пересекает воздушный зазор, входит в клювообразные полюса другой полярности и замыкается через втулку и вал.
Рисунок 1 Автомобильный генератор переменного тока
При вращении ротора под каждым зубцом статора проходит попеременно то южный (S), то северный (N) полюс ротора, т. е. магнитный поток, пересекающий обмотку статора, изменяется по величине и направлению (рис. 2).
Рисунок 2 Изменение магнитного потока в генераторе переменного тока
При этом в обмотках фазы будет индуцироваться переменная по величине и направлению ЭДС, действующее значение которой равно:
где f − частота; w − число витков обмотки одной фазы; Ф − магнитный поток; − обмоточный коэффициент.
Частота ЭДС равна:
р - число пар полюсов: п — частота вращения.
Значение обмоточного коэффициента зависит от числа пазов статора q, приходящихся на полюс и фазу:
.
где z – число пазов, m – число фаз.
В фазных обмотках статора генератора индуцируется ЭДС вида:
,
где - постоянный коэффициент.
|
|
У всех автомобильных генераторов отечественного производства и, за редким исключением, генераторов зарубежных фирм шесть пар полюсов, при этом частота переменного тока в обмотке статора, выраженная в Гц, меньше частоты вращения ротора генератора, измеряемой в мин-1, в 10 раз.
С учетом передаточного числа ременной передачи i от двигателя к генератору, частота переменного тока, выраженная через частоту вращения коленчатого вала двигателя nдв определяется соотношением:
Характер изменения ЭДС в проводниках обмотки статора зависит от кривой распределения магнитной индукции в зазоре, которая определяется формой полюса. Форму полюса делают такой, чтобы форма ЭДС приближалась к синусоиде.
По частоте переменного тока генератора можно измерять частоту вращения коленчатого вала двигателя, что и используется в реальных схемах подключением тахометра или любого другого устройства, реагирующего на частоту вращения коленчатого вала, к выводу обмотки статора.
Обмотка статора как отечественных, так и зарубежных генераторов - трехфазная. Она состоит из трех обмоток фаз, которые иногда называют просто фазами, токи и напряжения в которых смещены на 120 электрических градусов.
Фазы могут соединяться в «звезду» или «треугольник». При этом различают фазные и линейные напряжения и токи. Фазные напряжения действуют между выводами обмоток фаз, а токи протекают в этих обмотках, линейные напряжения действуют между проводами, соединяющими обмотку статора с выпрямителем. В этих проводах протекают линейные токи. Естественно, выпрямитель выпрямляет те величины, которые к нему подводятся, т.е. линейные.
При соединении в «треугольник» фазные токи в раза меньше линейных, в то время как у «звезды» линейные и фазные токи равны. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе, ток в обмотках фаз при соединении в «треугольник» значительно меньше, чем у «звезды».
Поэтому в генераторах большой мощности довольно часто применяют соединение типа «треугольник», т.к. при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Однако линейное напряжение у «звезды» в раз больше фазного, в то время как у «треугольника» они равны, и для получения такого же выходного напряжения при тех же частотах вращения ротора «треугольник» требует соответствующего увеличения числа витков его фаз по сравнению со «звездой».
В автомобильных генераторах наибольшее применение нашли трехфазные мостовые двухполупериодные схемы выпрямления и обмотки генератора соединены «звездой» (рис. 3). В этих схемах наиболее благоприятное соотношение между выпрямленной мощностью Рdи мощностью генератора Р(теоретически Р =1,045 Рd). Трехфазная мостовая схема выпрямления обеспечивает относительно небольшие пульсации выпрямленного напряжения, что является одним из важных требований к автомобильным генераторам в связи с широким применением электроники на автомобиле.
Рисунок 4 Мостовая трехфазная схема выпрямления:
а− электрическая схема; б − осциллограммы фазных и выпрямленного напряжений
К выпрямителю подается линейное напряжение генератора. Среднее значение выпрямленного напряжения равно:
Часто обмотки возбуждения генератора подключаются к собственному выпрямителю.
Для соединения фазных обмоток по схеме «звезда» справедливы следующие соотношения:
;
Выпрямленное напряжение пульсирует с частотой fn, в 6 раз большей частоты переменного напряжения генератора:
Минимальное значение выпрямленного напряжения равно , а максимальное . Пульсация выпрямленного напряжения при соединении обмоток генератора по схеме «звезда»:
Среднее значение выпрямленного напряжения (период пульсации Т/6):
|
|
Следовательно, пульсация выпрямленного напряжения:
Например, при среднем значении выпрямленного напряжения 14 В пульсация равна 1,95 В. При этом максимальное значение выпрямленного напряжения равно 14,65 В, а минимальное – 12,7 В. Можно, например, определить, какова была амплитуда фазного напряжения генератора, если необходимо получить среднее значении выпрямленного напряжения 14 В:
Ток при подключении к выпрямителю активной нагрузки:
где Rн – сопротивление нагрузки.
Форма выпрямленного тока имеет такой же вид, как и выпрямленного напряжения, т.е. выпрямленный ток будет пульсирующим с амплитудой:
Среднее значение выпрямленного тока: