Устройство и работа двигателя генератора постоянного тока

• Оборудование

Современный окружающий нас мир трудно представить без электрической энергии. Одними из устройств, для производства с детства привычного нам электричества, и являются генераторы разных типов. Рассмотрим устройство генератора постоянного тока.

Любой генератор является механизмом, для преобразования любого вида механической энергии в электрическую. Любое механическое усилие, будь то рычаг, электрический или бензиновый двигатель, служит источником энергии. А подведение этого источника к генератору приводит к выработке им электрического тока.

Основное отличие от генераторов переменного тока заключается в необходимости присутствия аккумулятора или ИБП. Это значительно сужает их применение в промышленности и бытовой сфере.

В последнее время, в связи с повсеместным развитием электротранспорта их используют в качестве источника питания для электромобилей, погрузчиков, троллейбусов и прочего автотранспорта.

К достоинствам можно отнести малые габариты и вес, отсутствие потерь мощности на вихревых токах и малую зависимость от климатических условий. Чтобы понять, что представляет из себя это устройство, достаточно взглянуть на фото генератора постоянного тока.

Краткое содержимое статьи:

Функции генератора

При запуске двигателя пусковой ток на стартер подается от аккумулятора. Но сам аккумулятор не вырабатывает энергию, а только ее накапливает и потом отдает. Если использовать для питания всех потребителей только АКБ, то она быстро разрядится. Автомобильный генератор производит электроэнергию, заряжает АКБ и питает бортовую сеть автомобиля во время работы двигателя (при достижении им определенных оборотов вращения коленчатого вала).

Автомобильный генератор

Генератор начинает вырабатывать электрический ток начиная с частоты вращения холостого хода, однако, на оптимальный режим работы он выходит при достижении двигателем 1600-1800 об/мин и более.

Устройство автомобилей

Генераторная установка, или, как ее обычно называют – генератор, является основным источником электрического тока на автомобиле. Следует отметить, что генераторная установка включает не только генератор, как таковой, но и его привод, а также устройства для регулирования и преобразования вырабатываемого напряжения.

Генераторами называют электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую. В принципе генераторами электрической энергии являются машины, преобразующие любой вид энергии – тепловую, ядерную, химическую, световую и т. д. в электрическую. Но традиционно сложилось так, что генераторами обычно называют машины, преобразующие механическую энергию движения в электроэнергию.
Чаще всего для такого преобразования в генераторах используют механическую энергию вращения одного из элементов конструкции, называемого якорем или ротором.
Принципиально возможно преобразование механической энергии поступательного движения какого-либо тела в электрическую энергию, но такой тип генераторов на практике не используется из-за сложности конструкции и малой эффективности.

Автомобильный генератор получает механическую энергию от коленчатого вала двигателя, с которым связан приводом, чаще всего — клиноременным или плоскоременным. Полученная в результате работы генератора электрическая энергия используется для питания электропотребителей автомобиля — системы зажигания, освещения и сигнализации, электрических приводов и контрольно измерительных приборов, компьютерных устройств и т. п., а также для зарядки аккумуляторной батареи.
Поскольку количество и суммарная мощность потребителей электроэнергии в современных автомобилях прогрессивно растет, используемые для получения электрической энергии генераторы обладают высокой мощностью, которая может достигать 1 кВт и даже более. Эту мощность генератор «отнимает» у двигателя, снижая его динамические и экономические показатели. Тем не менее, с такими потерями приходится мириться, поскольку современный автомобиль, даже дизельный, без электрической энергии далеко не уедет.

На автомобилях могут применяться генераторы постоянного или переменного тока.

История изобретения генератора

Работа генератора, преобразующего механическую энергию в электроэнергию, основана на явлении магнитоэлектрической индукции, которое обычно (и не совсем правильно) называют явлением электромагнитной индукции.
Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Практически это может быть достигнуто, например, перемещением металлической рамки в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом.
Явление было открыто и описано английским физиком Майклом Фарадеем (Michael Faraday, 1791–1867) в 1831 году.
Изучением природы электрических явлений при воздействии на проводник постоянным магнитом занимались многие ученые, однако Фарадей первым опубликовал свои опыты и сделал надлежащие выводы.

Анализируя результаты опытов по изучению электромагнитной индукции Фарадей обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле.
Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Возникновение ЭДС объясняется действием сил магнитного поля на находящиеся в проводниках свободные электроны, которые начинают направленно перемещаться, скапливаясь на одном из концов проводника. В итоге этого движения электронов на одном конце проводника возникнет отрицательный электрический заряд, а на другом конце — положительный.

Разность потенциалов на концах проводника численно равна индуцированной в проводнике ЭДС. Индуцирование ЭДС в проводнике происходит независимо от того, включен ли он в какую-либо электрическую цепь либо нет. Если присоединить концы этого проводника к какому-либо приемнику электрической энергии, то под воздействием разности потенциалов по замкнутой цепи потечет электрический ток.

Считается, что первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен в 1832 г. парижским изобретателем Ипполитом Пикси (Hippolyte Pixii, 1808–1835). Этот генератор годился лишь для демонстрационных целей, а не для практического использования, поскольку приходилось вручную вращать тяжёлый постоянный магнит, благодаря чему в двух проволочных катушках, укрепленных неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток.
В дальнейшем генератор Пикси был усовершенствован, и стал применяться в различных областях машиностроения.

Генераторы постоянного тока

До 60-х годов основным источником энергии автомобилей являлись генераторы постоянного тока, в которых, как и следует из названия, механическая энергия преобразуется в электрическую энергию постоянного тока.

Генератор постоянного тока состоит из статора — неподвижного корпуса с размещенными в нем электромагнитными элементами, вращающегося якоря с обмотками, и коллектора со щеточным узлом.
Якорь снабжен несколькими обмотками из токопроводящих катушек, которые при вращении якоря пересекают магнитное поле неподвижного статора, в результате чего в обмотках индуцируется электродвижущая сила — ЭДС.
Величина ЭДС в обмотках при вращении якоря постоянно изменяется по величине и по направлению в зависимости от положения катушек относительно магнитного поля статора.
Посредством коллекторного узла индуцируемая в обмотках статора ЭДС снимается в электрическую цепь для дальнейшей обработки и приведения к требуемым параметрам.

Принцип работы генератора постоянного тока основан на том, что если в постоянном магнитном поле вращать токопроводящую рамку с разомкнутыми концами, в ней индуцируется ЭДС, а на ее концах рамки появляется разность потенциалов.

Упрощенная схема генератора постоянного тока приведена на рис. 1.
В магнитном поле постоянного магнита вращается стальной цилиндрический сердечник, в продольных пазах которого размещен диаметральный виток abcd. Начало d и конец a этого витка присоединены к двум взаимно изолированным медным полукольцам, образующим коллектор, который вращается вместе со стальным сердечником.
По коллектору скользят неподвижные контактные щетки А и В, от которых отходят провода к потребителю энергии R. Стальной сердечник с витком (обмоткой) и коллектором образует вращающуюся часть генератора постоянного тока – якорь.

Если с помощью какой-либо внешней силы вращать якорь, то стороны витка будут пересекать магнитное поле, и в обмотках якоря будет возникать ЭДС, величина которой определяется по формуле:

где B – индукция; l – длина стороны витка; v – скорость перемещения пазовых сторон витка.

Так как длина и скорость перемещения пазовых сторон обмотки якоря неизменны, то ЭДС обмотки якоря прямо пропорциональна B, а форма графика ЭДС определяется законом распределения магнитной индукции B, размещенной в воздушном зазоре между поверхностью якоря и полюсом самого магнита. Так, например, магнитная индукция в точках зазора, лежащих на оси полюсов, имеет максимальные значения (рис. 2, а): под северным полюсом (N) – положительное значение и под южным полюсом (S) – отрицательное. В точках n и n’, лежащих на линии, проходящей через середину межполюсного пространства, магнитная индукция равна нулю.

Допустим, что магнитная индукция в воздушном зазоре рассматриваемой схемы распределяется синусоидально:

Тогда ЭДС витка при вращении якоря будет также изменяться по синусоидальному закону. Угол α определяет изменение положения якоря относительно исходного положения.

На рис. 2, а показан ряд положений витка abcd (обмотки) в различные моменты времени за один оборот якоря.
При α = 360˚ ЭДС якоря равна нулю, а при α = 270˚ — имеет максимальное значение, причем отрицательное.
Таким образом, в обмотке якоря генератора постоянного тока наводится переменная ЭДС, и, следовательно, при подключении нагрузки в обмотке будет действовать переменный ток (рис. 2, б – линия 1).

За время второго полуоборота якоря, когда ЭДС и ток в обмотке якоря отрицательны, ЭДС и ток во внешней цепи генератора (в нагрузке) не меняют своего направления, т. е. остаются положительными, как и в течение первой половины оборота якоря.

Действительно, при α = 90˚ щетка А соприкасается с коллекторной пластиной проводника d, расположенного под полюсом N, и имеет положительный потенциал, а щетка В – отрицательный, так как она соприкасается с пластиной коллектора, соединенной со стороной a витка, находящейся под полюсом S.

При α = 270˚, когда стороны a и d поменялись местами, щетки А и В сохраняют неизменной свою полярность, так как полукольца коллектора также поменялись местами и щетка А по-прежнему имеет контакт с коллекторной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полюсом N, а щетка В – с коллекторной пластиной, связанно со стороной, находящейся под полюсом S.
В результате ток во внешней цепи не изменяет своего направления (рис. 2, б – линия 2), т. е. переменный ток обмотки якоря с помощью коллектора и щеток преобразуется в постоянный ток.
Ток во внешней цепи постоянен лишь по направлению, а его величина изменяется, т. е. он пульсирует, как показано на графике рис. 2, б.

Пульсация тока и ЭДС значительно ослабляются, если обмотку якоря выполнить из большого числа равномерно расположенных и распределенных по поверхности сердечника витков и увеличить соответственно число коллекторных пластин.
Например, в двух витках на сердечнике якоря (четырех пазовых сторонах), оси которых смещены относительно друг друга на угол 90˚, и четырех пластинах в коллекторе (рис. 3, а).
В этом случае ток во внешней цепи генератора пульсирует с удвоенной частотой, но глубина пульсации значительно меньше (рис. 3, б). Если витков в обмотке якоря от 12 до 16, то ток на выходе из генератора практически постоянен.

На рис. 4 приведена конструкция генератора постоянного тока.

Обмотка возбуждения

Обмотка возбуждения генераторов автобусов ЛАЗ и ПАЗ питается постоянным тоном от аккумуляторной батареи или от селенового выпрямителя Выпрямитель преобразует вырабатываемый генератором переменный ток в постоянный.

В 18 пазах статора уложено 18 катушек трехфазной обмотки 3 статора. Катушки соединены между собой «звездой»2 Один вывод каждой катушки припаян к общему кольцу А (рис 85,6), а второй к секциям Б В и Г соответствующих фаз и далее к изолированным клеммам фаз 1 2 и 3 на корпусе генератора.

Генератор Г2-Б ЛАЗ-695

Ротор состоит из двух шестиполюсных клювообразных наконечников (рис 86,6) из мягкой стали. Наконечники одной половины ротора с северной магнитной полярностью входят между наконечниками второй половины ротора с южной полярностью.

Обмотка возбуждения 8 (см. рис. 85, а) разделена на две параллельно соединенные катушки Выводы катушек присоединены к контактным кольцам 11. К среднему кольцу подведены общие концы катушек замыкающиеся На массу. Постоянный ток к обмотке возбуждения подводится через щетки и проходит через обмотку возбуждения В.

Полюсные сердечники сильно намагничиваются. При вращении ротора его магнитное поле пересекает витки катушек статора и индуктирует в них э. д. с. переменного направления. Переменный трехфазный ток от фазных изолированных клемм 1, 2, 3, (см. рис.85, б) подводится к клеммам селенового выпрямителя РС ЗОО, где преобразуется в постоянный. В электротехнике известно несколько способов преобразования переменного тока в постоянный.

Генератор Г2-Б

СМОТРИТЕ ВИДЕО

Простейший генератор представляет собой обыкновенную прямоугольную рамку, которая размещена между магнитами с разными полюсами. Для снятия напряжения с вращающейся рамки используют токосъемные кольца.

В автомобилестроение используют электромагниты – катушки индуктивности или обмотки медного провода. При прохождении электрического тока через обмотку, последняя насыщается электромагнитными свойствами. Для возбуждения обмотки используется аккумуляторная батарея.

Устройство автомобильного генератора переменного тока

Автомобильный генератор состоит из корпуса с крышками, в которых имеются отверстия для вентиляции. Ротор устанавливается в подшипниках 2 и вращается в них. Привод ротора осуществляется путем ременной передачи (ремень одевается на шкив). Ротор выступает электромагнитом (обмоткой). Ток на обмотку поступает с помощью двух медных колец и графитных щеток, которые соединены с электронным регулятором. Электронный реле регулятор отвечает за напряжение на выходе, которое должно находиться в пределах 12 Вольт вне зависимости от частоты вращения шкива привода генератора. Реле регулятор может встраиваться в корпус, а может находиться отдельно.

Статор – представляет собой три медные обмотки, которые соединяются в треугольник. К точкам соединения обмоток подключается выпрямительный мост, который состоит из 6 полупроводниковых диодов, которые служат для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Генера́тор (с латыни generator означает «производитель») — устройство, что вырабатывает электроэнергию, производит продукты или преобразует один вид энергии в другой.

Автомобильный генератор — устройство, которое преобразует механическую энергию вращения коленчатого вала двигателя автомобиля в электрическую.

Автомобильный генератор применяется для питания потребителей электроэнергии, таких как система зажигания, приборы освещения, бортовой компьютер автомобиля, системы диагностики, а также для зарядки аккумуляторной батареи (АКБ).

От надежности работы генератора зависит бесперебойность работы остальных систем автомобиля и других его компонентов. Мощность современного автомобильного генератора составляет 1 кВт.

Принцип работы автомобильного генератора

Первые автомобильные генераторы были генераторы постоянного тока. Они требовали много внимания к себе, что обуславливалось частым обслуживанием и контролем работы устройства.

Затем был придуманы диодные выпрямители, что значительно увеличило ресурс работы генератора и увеличило срок его работы. Генераторы с диодными выпрямителями тока стали называться генераторами переменного тока. На производство генератора переменного тока уходило меньше материалов, соответственно он стал легче и значительно меньше, а КПД вырос, обеспечивая более стабильный ток на выходе.

В современных иномарках используют синхронные трехфазные генераторы переменного тока, а в качестве выпрямителя – трехфазный выпрямитель Ларионова.

От поворота ключа до выдачи напряжения…

Во время поворота ключа замка зажигания в рабочее положение питание подается на обмотку возбуждения и генератор начинает отдавать ток в нагрузку. За управление током в обмотке возбуждения отвечает стабилизатор напряжения, который входит в щеточный узел генератора. Питание стабилизатора напряжения осуществляется от выпрямителя.

Ротор генератора приводится во вращение от коленчатого вала через шкив посредством клинового ремня. В обмотке возбуждения создается электромагнитное поле, которое индуцирует электрический ток в фазовых обмотках статора.

Выдаваемый ток – скачкообразный и зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, поэтому для его стабилизации применяется стабилизатор напряжения.

Напряжение бортовой сети в работающей системе должно находится в пределах 13,8-14,2 В, что обеспечит нормальную подзарядку АКБ.

На крупногабаритных автомобилях используются автомобильные генераторы повышенной мощности 24 В.

Выясняем, как устроен агрегат

Как любая электрическая машина, генератор постоянного тока состоит из якоря и статора.

Якорь собирается из стальных пластин с углублениями, в которые укладываются обмотки. Их концы подсоединяются к коллектору, состоящему из медных пластин, разделенных диэлектриком. Коллектор, якорь с обмотками и вал электрической машины после сборки становятся единым целым.

Статор генератора является одновременно и его корпусом, на внутренней поверхности которого закрепляется несколько пар постоянных или электрических магнитов. Обычно используются электрические, сердечники которых могут быть отлиты вместе с корпусом (для машин малой мощности) или набраны из металлических пластин.

[attention type=yellow]Также на корпусе предусматривается место для крепления токосъемных щеток. [/attention]В зависимости от количества полюсов магнитов на статоре меняется и количество графитовых элементов. Сколько пар полюсов, столько и щеток.

Устройство генератора и расчёт

Устройства этого типа вытесняются аналогичными установками переменного тока, которые менее критичны к нагрузкам, обладают хорошими эксплуатационными характеристиками. Расчёт промышленного генератора выполняется специализированным конструкторским бюро.

На следующем рисунке приведена конструкция типичного генератора.

Конструкция генератора постоянного тока в разрезе

Использованы следующие обозначения:

• 1, 2 – сердечник и катушка основного полюса;
• 3 – наконечник;
• 4, 5 – сердечник и катушка добавочного полюса;
• 6 – станина;
• 7 – ярмо;
• 8 – подшипник;
• 9, 11 – сердечник и обмотка якоря;
• 10 – вентилятор;
• 12 – коллектор;
• 13 – щёточный палец.