Генератор автомобиля, принцип работы и устройство, мощностные характеристики, напряжение выдаваемого тока, размеры и схема

Назначение автомобильного генератора

Помимо питания бортовой сети, генератор автомобиля восполняет запас энергии, который использовал аккумулятор при запуске двигателя внутреннего сгорания. Первоначальное возбуждение обмотки также осуществляется за счет постоянного тока батареи. Затем генератор начинает вырабатывать мощность самостоятельно, когда вращение передается ремнем на шкив от коленчатого вала двигателя.

Другими словами — без генератора машина заведется стартером от аккумулятора, но далеко не уедет, и в следующий раз не заведется, так как аккумулятор не получает заряд. Факторы, влияющие на срок службы генератора:

• емкость аккумулятора и сила тока;
• стиль и режим вождения;
• количество встроенных сетевых потребителей;
• сезонные условия эксплуатации транспортных средств;
• качество изготовления и сборки генераторных установок.

Простая конструкция позволяет диагностировать и устранять большинство поломок самостоятельно.

Особенности конструкции

Принцип работы автомобильного генератора основан на эффекте электромагнитной индукции, что позволяет при зависании получать электрический ток, а затем изменять магнитное поле вокруг проводника. Для этого генератор имеет необходимые детали:

• ротор — катушка внутри двух пар разнонаправленных магнитов, которая получает вращение через шкив, а постоянный ток на обмотки возбуждения через щетки и токосъемные кольца
• статор — обмотки внутри магнитопровода, в которых индуцируется переменный ток
• диодный мост — преобразовывает переменный ток в постоянный
• реле напряжения — регулирует эту характеристику в пределах 13,8 — 14,8 В

При неработающем двигателе при его запуске ток возбуждения подается на якорь от аккумуляторной батареи. Затем генератор начинает самостоятельно вырабатывать электроэнергию, переходит на самовозбуждение и полностью восстанавливает заряд аккумулятора при движении автомобиля.

На холостом ходу зарядка не происходит, но бортовая сеть и все ее потребители (фары, музыка, кондиционер) доступны в полном объеме.

Статор

В генераторе самое сложное это статорный узел:

• пластины из трансформаторного железа толщиной 0,8 — 1 мм вырубаются перфоратором;
• из них собираются пакеты (сваркой или клепкой), 36 пазов по периметру изолируются эпоксидной или полимерной пленкой;
• затем в пакеты укладывают по 3 обмотки, фиксируя в пазах специальными клиньями.

Именно в статоре вырабатывается переменное напряжение, которое автомобильный генератор в дальнейшем выпрямляет в постоянный ток для бортовой сети и аккумулятора.

Ротор

При использовании подшипников качения штифт закаляют, а сам вал изготавливают из легированной стали. На вал намотана катушка, залитая специальным диэлектрическим лаком. Сверху на него надеваются половинки магнитного полюса и закрепляются на валу:

• имеют форму короны;
• содержит 6 лепестков;
• изготавливаются методом штамповки или литья.

Шкив фиксируется на валу шпонкой или гайкой с шестигранной головкой. Мощность генератора зависит от толщины провода катушки возбуждения и качества изоляции обмоток лаком.

При подаче напряжения на обмотки возбуждения вокруг них создается магнитное поле, взаимодействующее с аналогичным полем постоянных полюсных половинок магнитов. Именно вращение ротора создает электрический ток в обмотках статора.

Токосъемный узел

В щеточном генераторе узел токосъемного узла выглядит следующим образом:

• щетки скользят по кольцам коллектора;
• через них постоянный ток передается на обмотку возбуждения.

Электрографитные щетки изнашиваются меньше, чем у медно-графитовых модификаций, но наблюдается падение напряжения на коллекторных полукольцах. Для уменьшения электрохимического окисления колец их можно изготавливать из нержавеющей стали и латуни.

Поскольку работа токосъемного узла сопровождается интенсивным трением, щетки и токосъемные кольца изнашиваются чаще других деталей, они считаются расходными материалами. Поэтому они быстро доступны для периодической замены.

Выпрямитель

Поскольку в статоре электроприбора образуется переменное напряжение, а для бортовой сети необходим постоянный ток, в конструкцию добавляется выпрямитель, к которому подключаются обмотки статора. В зависимости от характеристик генератора выпрямительный блок имеет разную конструкцию:

• диодный мост впаян или запрессован в подковообразные пластины радиатора;
• на плате установлен выпрямитель, к диодам припаяны радиаторы с мощными ребрами.

Основной выпрямитель можно продублировать дополнительным диодным мостом:

• герметичный компактный блок;
• диди-горох или цилиндрической формы;
• включение в общий контур с небольшими шинами.

Выпрямитель является «слабым звеном» генератора, так как любой посторонний предмет, проводящий ток, случайно попавший между теплоотводами диодов, автоматически приводит к короткому замыканию.

Регулятор напряжения

После преобразования переменной амплитуды в постоянный ток выпрямителем питание генератора подается на реле регулятора напряжения по следующим причинам:

• коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания вращается с разной скоростью в зависимости от режима вождения, расстояния и цикла движения автомобиля;
• поэтому автомобильный генератор по умолчанию физически не способен выдавать одинаковое напряжение через разные промежутки времени;
• устройство реле регулятора отвечает за тепловую компенсацию — следит за значением температуры воздуха, при ее снижении повышает зарядное напряжение и наоборот.

Стандартное значение температурной компенсации составляет 0,01 В/1 градус. Некоторые генераторы имеют ручные переключатели лето/зима, которые можно переместить в салон или под капот автомобиля.

Бывают реле регулятора напряжения, где бортовая сеть подключается к обмотке возбуждения генератора проводом «-» или кабелем «+». Эти конструкции не взаимозаменяемы, их невозможно спутать, чаще всего в легковых автомобилях устанавливаются «отрицательные» регуляторы напряжения.

Подшипники

Передним подшипником считается подшипник со стороны шкива, корпус запрессован в крышку, а на валу используется скользящая посадка. Задний подшипник расположен возле контактных колец, наоборот, насажен на вал с натягом, в корпусе используется скользящая посадка.

В последнем случае можно использовать роликовые подшипники, передний подшипник всегда представляет собой канавочный шарикоподшипник с нанесенной на заводе одноразовой смазкой, которой хватает на весь срок службы.

Чем выше мощность генератора, тем больше нагрузка на подшипник, тем чаще требуется замена обоих расходников.

Крыльчатка

Трущиеся детали внутри генератора охлаждаются нагнетаемым воздухом. Для этого на вал надеваются одна или две крыльчатки, и всасывают воздух через специальные щели/отверстия в корпусе изделия.

Существует три типа автомобильных генераторов с воздушным охлаждением:

• при наличии щеточного узла/коллекторных колец и выносе выпрямителя и регулятора напряжения из корпуса эти узлы защищаются кожухом, так что в нем образуются воздухозаборные отверстия (позиция а) в нижнем контуре;
• если конструкция механизмов под капотом герметична, а окружающий их воздух слишком горячий, чтобы нормально охлаждать внутренности генератора, применяют защитный кожух специальной конструкции (поз б) на нижнем рисунке;
• в небольших генераторах воздухозаборные отверстия выполнены в обеих крышках корпуса (точка с на нижнем рисунке).

Перегрев обмоток и подшипников резко снижает производительность генератора, может привести к заклиниванию, короткому замыканию и даже возгоранию.

Корпус

Традиционно для большинства электроприборов корпус генератора выполняет защитную функцию для всех узлов внутри него. В отличие от стартера машины генератор не имеет натяжителя, провисание зубчатого ремня регулируется сдвигом корпуса самого генератора. Для этого помимо шпилек крепления на корпусе имеется регулировочное ушко.

Корпус выполнен из алюминиевого сплава и состоит из двух крышек:

• статор и якорь скрыты внутри передней крышки;
• внутри задней крышки находится выпрямитель и реле регулятора напряжения.

От этой детали зависит правильная работа генератора, так как подшипник ротора запрессован в одну крышку, а ремень протянут в проушину корпуса.

Устройство и конструкция генератора переменного тока

Стандартный электрогенератор состоит из следующих компонентов:

• Рама, к которой крепится статор с электромагнитными полюсами. Он изготовлен из металла и должен выполнять защитную функцию всех элементов механизма.
• Статор, к которому прикреплена обмотка. Изготовлен из ферромагнитной стали.
• Ротор представляет собой подвижный элемент, на сердечнике которого имеется обмотка, образующая электрический ток.
• Соединительное устройство, проводящее ток от ротора. Это система подвижных токопроводящих колец.

В зависимости от назначения генератор имеет определенные конструктивные особенности, но есть два компонента, которые есть у любого устройства, преобразующего механическую энергию в электрическую:

1. Ротор представляет собой цельную подвижную железную деталь;
2. Статор представляет собой неподвижный элемент из железных пластин. Внутри него имеются пазы, внутри которых размещается проволочная обмотка.

Для достижения большей магнитной индукции между этими элементами должно быть небольшое расстояние. По своей конструкции генераторы бывают:

• С подвижным якорем и постоянным магнитным полем.
• С неподвижным якорем и вращающимся магнитным полем.

В настоящее время более распространена техника с вращающимся магнитным полем, потому что снимать электрический ток со статора гораздо практичнее, чем с ротора. Блок генератора имеет много общего с конструкцией электродвигателя.

Режимы работы

При использовании машинного генератора есть 2 режима:

• пуск двигателя внутреннего сгорания — в этот момент стартер автомобиля и обмотка ротора генератора являются единственными потребителями, расходуется энергия аккумуляторной батареи, пусковые токи значительно выше, чем при эксплуатации, поэтому зависит от качества аккумулятор заряжается независимо от того, заведется автомобиль или нет;
• режим работы — стартер в этот момент выключен, обмотка ротора генератора переходит в режим самовозбуждения, но появляются другие потребители (кондиционер, подогревы стекол и зеркал, фары, автозвук), необходимо восстановить заряд аккумулятора.

Внимание: При резком увеличении общей нагрузки (аудиосистема с усилителем, сабвуфер) ток генератора становится недостаточным для обеспечения нужд встроенной системы, начинает расходоваться заряд аккумулятора.

Поэтому для уменьшения падения напряжения владельцы автомагнитол часто устанавливают дополнительный аккумулятор, увеличивают мощность генератора или дублируют его другим устройством.

Для чего нужен регулятор напряжения

Ситуация: при работающем двигателе сильно снижается заряд аккумулятора или происходит перезаряд. Для начала нужно проверить аккумулятор и если он рабочий, то проблема в регуляторе напряжения. Регулятор может быть внешним или встроенным в щеточный узел.

При высоких оборотах двигателя напряжение от генератора может подниматься до 16 вольт, а это негативно сказывается на элементах аккумуляторной батареи. Регулятор «снимает» лишний ток, получая его от аккумулятора, а также регулирует напряжение в роторе.

Привод генератора

Генератор получает обороты для выработки электроэнергии посредством клиноременной передачи от коленчатого вала к двигателю. Поэтому натяжение ремня нужно проверять регулярно, желательно перед каждой поездкой. Основными нюансами работы генератора являются:

• натяжение проверяют усилием 3 – 4 кг, прогиб при этом не может превышать 12 мм;
• диагностика проводится линейкой, мощность которой до одного края обеспечивает дворовая сталь бытовая;
• ремень может проскальзывать при попадании на него масла из-за течи прокладок и уплотнений в соседних узлах под капотом;
• слишком жесткий ремень вызывает повышенный износ подшипников;
• несоосность шкивов коленчатого вала и генератора приводит к свисту и неравномерному износу ремня в сечении.

Средний ресурс шкивов 150 — 200 тысяч километров автомобиля. У ремня эта характеристика слишком разная для разных производителей, моделей автомобилей и стиля вождения владельца.

 Основные параметры и характеристики

Для любого электрогенератора важны следующие характеристики:

1. Эффективность, %;
2. напряжение, В;
3. выходной ток, А;
4. частота и направление вращения ротора, об/мин;
5. мощность, Вт (ватт).

Проверка неисправного генератора

Сколько поломок, столько и решений, например в одном случае поможет замена диодов в генераторе, а в другом куда более важные детали. Перечислим самые важные поломки. Если цепь вышла из строя (обрывы, короткие замыкания и другие обрывы), она проверяет, сколько ампер и какое напряжение выдает генератор вашего автомобиля, а затем выбирает решение. Также причиной поломки может послужить выход из строя графитовых щеток, регулятора или диодного моста. Все это легко изменить своими руками.

Удобство использования регулятора особенно важно, ведь именно он отвечает за интенсивность зарядки аккумулятора в зависимости от того, сколько градусов составляет температура под капотом. Это тепловая компенсация. От этого зависит, сколько вольт будет оптимальным для аккумулятора в данных условиях. Это тип регулятора с ручным сезонным изменением, тогда не страшны даже отрицательные температуры.

повышенный шум вызывает дефекты подшипниковых узлов, в том числе недостаточную смазку. Также может быть износ сепараторов, дорожек качения, перекручивание наружных колец и т.д. Кроме того, при «воющих» звуках в кратчайшие сроки анализируется схема подключения проблемного автомобильного генератора, так как причина может крыться в межвитковом цепь обмоток статора или тягового реле. Плохие контакты также провоцируют появление посторонних звуков, и на их проверку уходит пара минут.

Рабочая температура исправного автомобильного генератора может достигать 90°С. И если наблюдается перегрев, то это либо неисправность диодного моста, либо проверьте, сколько электроприборов в сети, много ли? Если температура превысила норму, изоляция фазной обмотки статора темнеет или даже «кипит». О поломке также свидетельствует слабый заряд аккумулятора или его полное отсутствие, некорректная работа индикации и электрооборудования, слабая искра и чрезмерно высокое напряжение. Важно помнить, что чем выше температура устройства, тем ниже напряжение, это нежелательно.

Маркировка клемм на корпусе

В случае самодиагностики мультиметром для владельца актуальна информация о том, как промаркированы клеммы, изображенные на корпусе генератора. Единого обозначения нет, но общие принципы соблюдаются всеми производителями:

• от выпрямителя выходит «плюс», обозначенный «+», 30, V, B+ и BAT, «минус», обозначенный «-», 31, D-, B-, E, M или GRD;
• клемма 67, W, F, DF, E, EXC, FLD отклоняются от обмотки возбуждения;
• «плюсовой» провод от дополнительного выпрямителя к контрольной лампочке имеет маркировку D+, D, WL, L, 61, IND;
• фазу можно узнать по волнистой линии, буквам R, W или STA;
• нулевая точка обмотки статора обозначается «0» или МП;
• вывод реле регулятора для подключения к «плюсу» бортовой сети (обычно аккумуляторной) обозначают 15, В или S;
• кабель от замка зажигания необходимо подключить к клемме регулятора напряжения с маркировкой IG;
• бортовой компьютер подключается к выводу реле регулятора с обозначением F или FR.

Других обозначений нет, а вышеперечисленных нет на корпусе генератора в целом, так как они встречаются на всех существующих модификациях электроприборов.

Большинство конструктивных элементов генератора расположены в корпусе. Состоит из двух крышек — передней и задней. Передний расположен со стороны ведущего шкива, задний — со стороны контактных колец. Крышки скреплены болтами. Производство крышек чаще всего практикуется из алюминиевого сплава. Он немагнитный, легкий и может легко рассеивать тепло. На поверхности крышек имеются вентиляционные окошки и две или одна монтажная лапка. В зависимости от количества лап насадка-генератор называется однолапной или двухлапной. Щеточный узел служит для обеспечения передачи тока возбуждения на контактные кольца. Он состоит из двух графитовых щеток, прижимающих их пружин и щеткодержателя. В генераторах современных машин щеткодержатель расположен с регулятором напряжения в едином неразборном узле. Выпрямительный блок выполняет функцию преобразования синусоидального напряжения, вырабатываемого генератором, в постоянное напряжение бортовой сети автомобиля. Это пластины, которые действуют как радиаторы с прикрепленными диодами. В блоке шесть силовых полупроводниковых диодов, по два диода на каждую фазу, один на «плюс», другой на «минус» выхода генератора. На многих генераторах обмотка возбуждения подключается через отдельную группу, состоящую из двух диодов. Эти выпрямители предотвращают протекание тока разряда аккумулятора через катушку, когда двигатель не работает. При соединении обмоток по принципу «звезда» на нулевой вывод устанавливаются два дополнительных токовых диода, что позволяет увеличить мощность генератора до 15 процентов. Блок выпрямителя подключается к цепи генератора в специальных точках крепления пайкой, сваркой или болтовым соединением.

Регулятор напряжения — его назначение поддерживать напряжение генератора в определенных пределах. В настоящее время генераторы оснащаются полупроводниковыми электронными (или встроенными) регуляторами напряжения.

Конструкции регуляторов напряжения:

• гибридная конструкция – использование радиоэлементов и электронных устройств в электронной схеме совместно;
• интегрированная конструкция – все компоненты регулятора (не считая выходного каскада) выполнены по технологии тонкопленочной микроэлектроники.

Стабилизация напряжения, необходимая при изменении частоты вращения коленчатого вала нагрузки и двигателя, осуществляется автоматически путем воздействия на ток в обмотке возбуждения. Регулятор управляет частотой импульсов тока и длительностью импульсов. Регулятор напряжения производит изменение напряжения, подаваемого на зарядку аккумулятора, за счет температурной компенсации напряжения (в зависимости от t возд.). Чем выше температура воздуха, тем меньшее напряжение уходит на аккумулятор. Генератор приводится в движение ременной передачей, она обеспечивает вращение ротора со скоростью, превышающей частоту вращения коленчатого вала в два-три раза. В различных конструкциях генератора может использоваться поликлиновой или клиновой ремень:

1. Клиновой ремень подвержен быстрому износу (в зависимости от конкретного диаметра шкива), поскольку протяженность клинового ремня ограничена размером ведомого шкива.
2. Поликлиновой ремень считается более универсальным, подходит для малых диаметров ведомого шкива, с его помощью достигается большее передаточное число. Современные модели генераторов имеют в своей конструкции поликлиновой ремень.

Это генератор, называемый индуктором, т.е бесщеточный. Он имеет ротор, состоящий из набора сжатых тонких пластин из трансформаторного железа, так называемый магнитомягкий пассивный ротор из ферромассы. Обмотка возбуждения расположена на статоре. За счет изменения магнитной проводимости воздушного зазора между статором и ротором в таком генераторе получается электродвижущая сила.

Виды

Существует два основных типа автомобильных генераторов:

• Постоянный ток, напряжение с определенной полярностью уже формируется непосредственно на обмотках;
• Переменный ток, так как все равно требуется постоянное напряжение, генератор оснащен внутренним полупроводниковым выпрямителем.

На данный момент используется только второй тип, так как он имеет неоспоримые преимущества, к тому же обмотки выдают трехфазное напряжение, что легче сглаживает пульсации и позволяет более эффективно использовать массу и габариты устройства.

О том, что находится внутри этого устройства, пойдет речь ниже.

Основные неисправности

Поломка «бортовой электростанции» вызвана неправильной эксплуатацией автомобиля, исчерпанием ресурса трущихся деталей или ошибками электриков. Сначала проводится визуальная диагностика и выявление посторонних звуков, затем мультиметром (тестером) проверяется электрическая часть. Наиболее важные ошибки сведены в таблицу:

Ломать	причина	Ремонт
свист, потеря мощности на высоких скоростях	недостаточное натяжение ремня, сломан подшипник/втулка	регулировка натяжения, замена втулки/подшипника
недооцененный	неисправное реле регулятора	замена реле
перезарядка	неисправное реле регулятора	замена реле
люфт вала	выход из строя подшипника или износ втулки	замена расходников
утечка тока, падение напряжения	пробой диода	замена диодов в выпрямителе
отказ генератора	подгорание или износ коллектора, обрыв обмотки возбуждения, примерзание щеток, заклинивание ротора в статоре, обрыв провода, идущего от аккумулятора	исправить ущерб

При диагностике тестер измеряет напряжение генератора при разных оборотах двигателя — в режиме холостого хода, под нагрузкой. Проверяется целостность обмоток и соединительных проводов, диодного моста и регулятора напряжения.

Частичный ремонт своими руками

Некоторые поломки в генераторе можно устранить своими силами. В случае перегорания предохранителя, отказа реле регулятора или ослабления контактов ремонт заключается в замене неработающих деталей и зачистке контактов. Если поломка произошла внутри корпуса, его необходимо разобрать. Генераторы разных марок автомобилей разбираются по-разному, но общий алгоритм одинаков, и состоит из действий, выполняемых в следующем порядке:

1. Очистите корпус от пыли и продуйте его сжатым воздухом.
2. Снятие щеток и щеткодержателя удерживается одним винтом. При этом проверяется их состояние: если щетки выступают менее чем на 5 мм, их необходимо заменить новыми. Также очищают монтажные контакты, которые в процессе эксплуатации забиваются угольной пылью, смешанной с маслом.
3. Если вам нужно полностью разобрать блок, вы должны разобрать шкив. Для этого используют специальный захват, выполненный в виде двух полуколец, предварительно закрутив гайку шкива. Эта работа требует определенного опыта и навыков.
4. Демонтаж задней крышки со стороны привода и тормозных колец. Статор, корпус выпрямителя и ротор также были удалены.
5. Отсоедините провода от выпрямительного блока, после чего он снимается, и статор.

При отсутствии опыта ремонта генераторов или аналогичных изделий ремонт своими руками возможен только при незначительных неисправностях, таких как замена блока реле напряжения, щеток, простая пайка или зачистка контактов. Замена обмоток, подшипников, ремонт блока управления или диодного моста производится в мастерской на специальном оборудовании квалифицированным специалистом.

Выбор генератора для легкового авто

За счет разного диаметра шкивов клиноременной передачи генератору придается большая угловая скорость по сравнению с оборотами коленчатого вала. Скорость ротора достигает 12 – 14 тысяч оборотов в минуту. Поэтому ресурс генератора составляет как минимум половину двигателя внутреннего сгорания автомобиля.

Машина комплектуется генератором на заводе, поэтому при его замене выбирайте модификацию со схожими характеристиками и крепежными отверстиями. Но при тюнинге автомобиля мощность генератора может не устроить владельца. Например, после увеличения количества потребителей (обогрев сидений, зеркал, окон), установки сабвуфера, аудиосистемы с усилителем необходимо выбрать новый, более мощный генератор или установить другое электроустройство в комплекте с дополнительным аккумулятором.

В первом случае следует выбирать мощность, достаточную для зарядки аккумулятора с запасом 15%. Когда вы устанавливаете второй генератор, ваш стартовый и эксплуатационный бюджет резко увеличивается:

• для дополнительного генератора нужно установить дополнительный шкив на коленчатый вал;
• найти место для крепления корпуса электроприбора так, чтобы шкив располагался в одной плоскости со шкивом коленчатого вала;
• обслуживать и менять расходные материалы для двух «передвижных электростанций» одновременно».

С появлением моделей бесколлекторных генераторов некоторые владельцы заменяют этим блоком стандартный блок.

Рекомендации по замене

Практика эксплуатации показывает, что заменить автомобильный генератор несложно, но для решения проблемы необходимо соблюдать ряд правил:

• Новый блок должен иметь те же параметры текущего расхода, что и заводской блок.
• Энергетические показатели должны быть идентичными.
• Передаточное отношение старого и нового блока питания должно совпадать.
• Устанавливаемый блок должен быть подходящего размера и легко крепиться к двигателю.
• Схемы нового и старого автомобильного генератора должны совпадать.

Обратите внимание, что устройства, устанавливаемые на автомобили иностранного производства, крепятся иначе, чем на отечественные, например, на генератор TOYOTA COROLLA

 
и Лада Гранта
. Соответственно, при обмене иностранного устройства на отечественный, потребуется установка нового крепления.