Генераторы постоянного тока

Генераторы постоянного тока

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 небольшогопо 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 ксплуатации 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 генератора

Генератор состоит: 1. Крышка генератора со стороны контактных колец; 2. Выпрямительный блок; 3. Болт крепления выпрямительного блока и фазных выводов обмотки статора; 4. Контактные кольца; 5. Контактные кольца; 6. Шарикоподшипник вала ротора со стороны контактных колец; 7. Вал ротора; 8. Изолирующая втулка; 9. Винт крепления щеткодержателя; 10. Плюсовой клеммовый болт (вывод "30"); 11. Изолирующая втулка контактного болта; 12. Штекер центрального вывода обмотки статора; 13. Щеткодержатель; 14. Отрицательная щетка; 15. Положительная щетка; 16. Шпилька для крепления генератора к натяжной планке; 17. Крыльчатка шкива;18. Клювообразный полюсный наконечник ротора со стороны привода;19. Шкив привода генератора; 20. Гайка крепления шкива; 21. Дистанционное кольцо подшипника; 22. Шарикоподшипник вала ротора со стороны привода; 23. Крышка генератора со стороны привода; 24. Каркас обмотки ротора; 25. Обмотка ротора;26. Изоляция паза статора; 27. Статор; 28. Клин обмотки статора; 29. Обмотка статора; 30. Клювообразный полюсный наконечник ротора со стороны контактных колец; 31. Стяжной болт; 32. Буферная втулка; 33. Втулка; 34. Отрицательный диод; 35. Изолирующая пластина; 36. Провод фазного вывода обмотки статора; 37. Положительный диод; 38. Держатель положительных диодов; 39. Изолирующая втулка; 40. Держатель отрицательных диодов. (Рис.1.)

Рис.1. Генератор (Г221)

Назначение генератора

Генератор предназначен для питания электрическим током всех потребителей и для подзарядки аккумуляторной батареи при работе двигателя на средних и больших оборотах. На современные автомобили устанавливается генератор переменного тока. Он включен в электрическую цепь автомобиля параллельно аккумуляторной батарее. Однако питать потребителей и заряжать батарею генератор будет только в том случае, если вырабатываемое им напряжение превысит напряжение аккумуляторной батареи. А произойдет это тогда, когда двигатель автомобиля начнет работать на оборотах выше холостых, так как напряжение, вырабатываемое генератором, зависит от скорости вращения его ротора. При этом, по мере увеличения частоты вращения ротора генератора, вырабатываемое им напряжение может превысить требуемое. Поэтому генератор работает в паре с регулятором напряжения. Регулятор напряжения является электронным прибором, который ограничивает вырабатываемое генератором напряжение и поддерживает его в пределах 13,6 - 14,2 вольта.

Шкив - служит для передачи механической энергии от двигателя к валу генератора посредством ремня; (рис.2.)

Рис.2. Шкив генератора

Корпус генератора состоит из двух крышек: передняя (со стороны шкива) и задняя (со стороны контактных колец), предназначены для крепления статора, установки генератора на двигателе и размещения подшипников (опор) ротора. На задней крышке размещаются выпрямитель, щеточный узел, регулятор напряжения (если он встроенный) и внешние выводы для подключения к системе электрооборудования;

Ротор - стальной вал с расположенными на нем двумя стальными втулками клювообразной формы. Между ними находится обмотка возбуждения, выводы которой соединены с контактными кольцами. Генераторы оборудованы преимущественно цилиндрическими медными контактными кольцами; (рис.3.)

Рис.3. Ротор генератора

Статор - пакет, набранный из стальных листов, имеющий форму трубы. В его пазах расположена трехфазная обмотка, в которой вырабатывается мощность генератора; (рис.4.)

Рис.4. Статор генератора

Выпрямительные диоды в сборке (диодный мост) - объединяет шесть мощных диодов, запрессованных по три в положительный и отрицательный теплоотводы; (рис.5.)

Рис.5. Выпрямительные диоды в сборке

Диод - устройство с двумя контактами, которое позволяет электрическому потоку течь через него в одном направлении;

Регулятор напряжения - устройство, поддерживающее напряжение бортовой сети автомобиля в заданных пределах при изменении электрической нагрузки, частоты вращения ротора генератора и температуры окружающей среды; (рис.6.)

Рис.6. Регулятор напряжения

Щеточный узел - съемная пластмассовая конструкция. В ней установлены подпружиненные щетки, контактирующие с кольцами ротора

Рис.7. Щёточный узел

Характеристика и принцип работы генератора

Основные характеристики генератора

- Максимальная сила тока отдачи (при 13 В и 5000 мин^-1), А 55 (45 *)

Пределы регулируемого напряжения, В 14,1 ± 0,5

Максимальная частота вращения ротора, мин^-1 13000

Передаточное отношение двигатель-генератор 1:2,04

Принцип работы генератора

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 полюсы другой полярности и замыкается через втулку и вал. При вращении ротора под каждым зубцом статора проходит попеременно то положительный, то отрицательный полюс, т. е. магнитный поток, пересекающий обмотку статора, изменяется по величине и направлению. При этом в обмотках фазы будет индуцироваться переменная по величине и направлению ЭДС.

Рис.8. Принципиальная электрическая схема генераторной установки: 1. Включатель зажигания; 2. Помехоподавляющий конденсатор; 3. Аккумуляторная батарея; 4. Лампа-индикатор исправности генератора; 5. Положительные диоды силового выпрямителя; 6. Отрицательные диоды силового выпрямителя; 7. Диоды обмотки возбуждения; 8. Обмотки трех фаз статора; 9. Обмотка возбуждения(ротор); 10. Щеточный узел; 11. Регулятор напряжения; B+ Выход генератора "+"; B- "Масса" генератора; D+ Питание обмотки возбуждения, опорное напряжение для регулятора напряжения.

Материалы, применяемые при изготовлении, ТО и ремонте

Крышки генератора литые, выполнены из алюминиевого сплава.

Обмотка возбуждения изолирована от полюсов пластмассовым каркасом.

Пакет статора набран из пластин электротехнической стали толщиной 1 мм, соединённых при помощи сварки в четырёх местах.

Стальной вал с расположенными на нем двумя стальными втулками клювообразной формы.

Для предотвращения проворачивания и междувиткового замыкания обмотка пропитана лаком.

Щетки бывают двух типов - меднографитные и электрографитные.

2. ТО и ремонт генератора

Перечень выполняемых работ в объёме ЕТО, ТО-1 ТО-2 и СТО

При ЕТО по амперметру проверяют наличие и величину зарядного тока. При средней частоте вращения коленчатого вала двигателя амперметр должен показывать зарядный ток, величина которого уменьшается по мере восстановления заряда аккумуляторной батареи. При исправных и полностью заряженных батареях и отключенных потребителях отсутствие зарядного тока или малый зарядный ток не свидетельствует о неисправности генератора.

При ТО-1 проверяют крепление генератора и натяжение ремня привода. Натяжение ремня осуществляется поворотом генератора вокруг нижних опор его крепления. Регулировка считается правильной, если от усилия 30...40Н, приложенном между шкивами, прогиб ремня составляет 8...14мм.

При ТО-2 генератор продувают воздухом, подтягивают детали крепления генератора и гайку крепления его шкива, проверяют частоту наконечников проводов и их крепление к выводам регулятора напряжения.

При СТО проверяют регулируемое напряжение. Для этого вольтметр постоянного тока класса точности не ниже 1,5 подключают между выводами "+" и "-" генератора. Проверка производится при включенных аккумуляторных батареях. При средней частоте вращения коленчатого вала двигателя и включенном дальнем свете фар, дающем нагрузку на генератор. Показания вольтметра должны быть 27,6... 29В у генератора Г288-Е и 14,0, .14,6В у генератора Г 287.

Один раз осенью генератор снимают с двигателя, проверяют состояние щеточного узла (при износе щеток до высоты менее 7мм их меняют), подшипников (заедание и шум подшипников не допускается); делают контрольную проверку Генератора на специальном стенде. Работа эта выполняется в мастерской специалистами по электрооборудованию автомобиля.

Регулятор напряжения какого-либо технического обслуживания не требует.

Обслуживание генераторной установки сведено к минимуму и не требует каких-либо специальных знаний и навыков, эти работы может выполнить каждый автолюбитель.

Обслуживание генератора начните с очистки наружных поверхностей. Проверьте крепление генератора к двигателю, надежность присоединения проводов к генератору и регулятору напряжения, а также натяжение приводного ремня вентилятора. Если натяжение слабое, то генератор работает неустойчиво, если сильное - ремень и подшипники быстро изнашиваются. Также проверьте состояние приводного ремня. На нём не должно быть трещин и расслоений.

Состояние подшипников можно проверить, вращая ротор генератора от руки при снятом приводном ремне. При нормальном состоянии подшипников вращение вала должно происходить плавно, без заеданий, сильного люфта, шумов и щелчков. В принципе этими работами можно и ограничиться до тех пор, пока не появятся какие-либо неисправности.

Нормальный прогиб "А" ремня должен быть в пределах 10-15 мм при усилии 98 Н (10 кгс).

Для увеличения натяжения ремня сделайте следующее:

отпустите гайку 1 крепления генератора к натяжной планке 2;

сместите генератор в сторону от двигателя и затяните гайку;

поверните коленчатый вал на два оборота и проверьте натяжение ремня.

Избегайте излишнего натяжения ремня, чтобы не вызвать повышения нагрузок на подшипники генератора. (Рис.9.)

Рис.9. Проверка натяжения ремня генератора: 1 - гайка; 2 - натяжная планка; 3 - генератор; 4 - ремень; А - прогиб ремня

Неисправности генератора. Причины их возникновения и способы устранения

Симптом неисправности генератора:  Контрольная лампа не загорается при включении зажигания. Вольтметр показывает нормальное напряжение при работе двигателя

Симптом неисправности генератора: Контрольная лампа горит при работе двигателя. Стрелка вольтметра находится в красной зоне в начале шкалы или. постепенно отклоняется к началу шкалы

Симптом неисправности генератора: Контрольная лампа не горит при работе двигателя. Стрелка вольтметра находится в красной зоне в начале шкалы или постепенно отклоняется к началу шкалы

Симптом неисправности генератора: Стрелка вольтметра находится а красной зоне в конце шкалы при работе двигателя

Симптом неисправности генератора: Повышенная шумность генератора

Замена щеткодержателя

Если щетки износились и выступают из щеткодержателя меньше, чем на 5 мм, то замените щеткодержатель в сборе с регулятором напряжения, так как этот узел является неразборным.

Перед установкой нового щеткодержателя с регулятором напряжения продуйте гнездо в генераторе от угольной пыли и протрите от масла, смешанного с угольной пылью.

Замена подшипников ротора

Чтобы извлечь неисправный подшипник из крышки со стороны привода, отверните гайки винтов, стягивающих шайбы крепления подшипника, снимите шайбы с винтами и на ручном прессе выпрессуйте подшипник. Если гайки винтов не отворачиваются (концы винтов раскернены), то спилите концы винтов.

Устанавливать новый подшипник в крышку генератора можно только в том случае, если отверстие для подшипника не деформировано и диаметр его не более 42 мм. Если отверстие имеет больший диаметр или деформировано, замените крышку новой.

Подшипник в крышку запрессовывается на прессе и затем зажимается между двумя шайбами, стянутыми винтами с гайками. После затягивания гаек концы винтов раскерните. При замене подшипника ротора со стороны контактных колец необходимо одновременно заменять и крышку, так как если подшипник поврежден, то повреждается и гнездо в крышке. Подшипник снимается с ротора съемником и напрессовывается на прессе.

Сборочно-разборочные работы, осуществляемые в процессе ремонте

Разборка и сборка генератора

Очистите и продуйте генератор сжатым воздухом. Застопорьте шкив генератора захватом, входящим в комплект приспособления, отверните гайку крепления шкива и съемником спрессуйте шкив. Снимите шпонку и коническую шайбу шкива. В комплект приспособления входит обычный съемник и захват. Последний состоит из двух стальных полуколец, которые вкладывают в ручей шкива. Полукольца имеют такое же сечение, как и ремень привода генератора. С одной стороны они соединены шарнирно, а с другой снабжены рычагами, которые сжимаются одной рукой при снятии шкива.

Рис.10. Генератор в разборе

Отсоедините провод от штекера "В" регулятора напряжения. Отсоедините провода регулятора и конденсатора от клеммы "30" генератора, отверните винты крепления регулятора 2 напряжения и снимите его. Снимите конденсатор 1, отвернув винт крепления. Отверните гайки стяжных болтов 14 и снимите крышку 11 генератора и ротор 8. Отверните гайки болтов, соединяющих наконечники вентилей с выводами обмотки статора, и извлеките статор 7 из крышки 17 генератора. Отверните гайку контактного болта 6, отсоедините от колодки 3 штекер провода дополнительных диодов и снимите выпрямительный блок 5.

Сборка генератора

Собирается генератор в последовательности, обратной разборке. Несносность отверстий в лапах крышек генератора должна быть не более 0,4 мм. Поэтому при сборке необходимо вставлять в эти отверстия специальный калибр. Коническая пружинная шайба шкива выпуклой стороной должна соприкасаться с гайкой. Гайку шкива затягивайте моментом 38,4-88 Н·м (3,9-9,0 кгс·м).

. Безопасность организации труда

генератор постоянный ток электрический

Техническое обслуживание и ремонт генераторов автомобилей необходимо производить только на постах технического обслуживания и электроотделениях. Лица, допускающиеся к таким работам, должны пройти инструктаж по технике безопасности.

При выполнении работ по техническому обслуживанию генератора непосредственно на автомобиле необходимо соблюдать следующее:

контрольно-регулировочные работы, выполняемые при работающем двигателе (проверка работы генератора, регулировка реле-регулятора и др.), проводят на специальном посту, оборудованном местным отсосом отработавших газов;

во избежание попадания одежды или рук во вращающиеся части (шкив генератора, лопасти вентилятора и др.) перед работой застегнуть обшлага рукавов, убрать свисающие концы одежды, заправить волосы под головной убор;

использовать передвижные подставки и переходные мостики через смотровые канавы;

пользоваться специализированным инструментом;

для транспортировки пользоваться тележками с упорами, предохраняющими генератор от падения;

работать только исправным, чистым и незамасленным инструментом;

при работе гаечными ключами подбирать их по размеру;

приржавевшие и трудно отворачиваемые гайки предварительно обстучать легкими ударами молотка, смочить керосином, после чего отворачивать;

пользоваться молотками, надежно насажанными на рукоятки;

при осмотре автомобиля пользоваться переносной лампой с напряжением не выше 36 В, а в смотровой канаве - не выше 12В. Лампа должна быть с предохранительной сеткой.

При необходимости выполнения работ с электроинструментом, питающемся напряжением выше 36В, следует пройти специальное обучение.

При поверках генераторов на испытательных стендах необходимо правильно центрировать, надежно закреплять генераторы в зажимных устройствах.

Выпрессовку втулок, подшипников и других деталей производить с помощью съемника и пресса. При выполнении работ, при которых выделяются вредные газы, пыль, искры и отлетают частицы металла и стружки, пользоваться очками, масками и т.п. В электроотделении должна быть аптечка с медикаментами, необходимыми для оказания первой помощи.

Заключение

Литература

1. Михайловский Е.В., Серебряков К.Б., Тур Е.Я., Устройство автомобиля, Учебник. - М.: "Машиностроение" 1987. - 350 с.

. Боровских Ю.И., Кленников В.М., Сабинин А.А., Устройство автомобилей, Учебник. - М.: "Машиностроение" 1983. - 320 с.

. Роговцев В.Л., Пузанков А.Г., Олдфильд В.Д., Устройство и эксплуатация автотранспортных средств, Учебник. - М.: "Транспорт" 1996. - 430 с.

. Игнатов А.П., Новокшенов К.В., Пятков К.Б., Альбом по устройству и эксплуатации автомобилей ВАЗ-2108, ВАЗ-2109. - М.: "Третий Рим" 1996. - 80 с.

. Вершигора В.А., Пятков К.Б., Автомобили ВАЗ. - М.: "Транспорт" 1973. - 366 с.

. Резник А.М., Орлов В.П., Электрооборудование автомобилей, Учебник. - М.: "Транспорт" 1981. - 253 с.

7. Василевский В.И., Купеев Ю.А. Автомобильные генераторы. М., "Транспорт", 1978. - 200 с.

. Данов Б.А., Рогачев В.Д. Электронные приборы автомобилей. М., "Транспорт", 1996. - 250 с.

. Резник А. М., Орлов В.П. Электрооборудование автомобилей: Учебник для средних ПТУ. М., "Транспорт", 1981. - 256 с.

. Карагодин В.И. Митрохин Н.Н. Ремонт автомобилей и двигателей. М., 2001. - 495с.