Характеристики, типы и принцип работы автомобильных генераторов

Поскольку для работы двигателя необходимо электричество, а запаса аккумулятора хватает лишь на его запуск, его постоянной выработкой занимается генератор автомобиля на холостом ходу и больших оборотах. Кроме подачи напряжения всем потребителям бортовой сети, электроэнергия расходуется на подзарядку АКБ и самовозбуждение якоря генератора.

Рис. 1 Генератор авто

Назначение автомобильного генератора

Кроме питания бортовой сети генератор автомобиля обеспечивает восполнение запаса электроэнергии, которую потратил аккумулятор при запуске ДВС. Первоначальное возбуждение обмотки так же производится за счет постоянного тока аккумулятора. Затем генератор начинает вырабатывать электричество самостоятельно при передаче вращения ремнем на шкив с коленвала двигателя.

Другими словами – без генератора машина заведется стартером от аккумулятора, но проедет недалеко, и не заведется в следующий раз, так как АКБ не получит подзарядки. На эксплуатационный ресурс генератора влияют факторы:

• емкость и апмераж аккумулятора;
• стиль и режим вождения;
• количество потребителей бортовой сети;
• сезонность эксплуатации транспортного средства;
• качество изготовления и сборки узлов генератора.

Простая конструкция позволяет диагностировать и устранить самостоятельно большинство поломок.

Принцип работы автомобильного генератора

По характеру работы автогенератор напоминает обыкновенный электродвигатель, однако принцип его действия диаметрально противоположен: если обычный мотор преобразует энергию в механическое движение, то генератор, получая вращающий импульс от ДВС, преобразует его в электроэнергию.

Принцип работы генератора автомобиля примерно следующий. После поворота ключа в замке зажигания на обмотку ротора поступает напряжение, оно проходит через контактные кольца и блок щеток. В результате, вокруг обмотки возникает магнитное поле. Данное поле постоянно вращается вместе с ротором двигателя, при этом взаимодейсвуя со статорными обмотками. На статорных обмотка появляется ток, который подается на диодный мост. На выходе диодного моста ток уже имеет стабильную величину. Далее ток подается на регулятор напряжения, после чего он используется для питания потребителей и аккумуляторной батареи.

Важным элементом в работе генератора автомобиля является реле-регулятор напряжения. Оно необходимо для поддержания требуемых значений тока, подаваемого на аккумулятор. Без использования регулятора при повышении оборотов двигателя генератор создавал бы избыточное напряжение, которое могло бы вывести батарею из строя. Также это реле обеспечивает термокомпенсацию – при низких температурах на аккумулятор подается повышенное напряжение, при повышении рабочих температур величина напряжения будет снижаться.

Особенности конструкции

Основан принцип работы генератора автомобиля на эффекте индукции электромагнитной, позволяющем получать электроток при наведении, а затем изменении магнитного поля вокруг проводника. Для этого в генераторе имеются необходимые детали:

• ротор – катушка внутри двух пар разнонаправленных магнитов, получающая вращение через шкив, и постоянный ток на обмотки возбуждения через щетки и коллекторные кольца
• статор – обмотки внутри магнитопровода, в которых наводится переменный электрический ток
• диодный мост – выпрямляет переменный ток в постоянный
• реле напряжения – регулирует эту характеристику в пределах 13,8 – 14,8 В

Рис. 2 Конструкция генератора

При неработающем двигателе в момент его запуска ток возбуждения подается на якорь с аккумулятора. Затем генератор начинает выработку электричества самостоятельно, переходит на самовозбуждение, полностью восстанавливает заряд аккумулятора при движении машины.

На холостых оборотах подзарядки не происходит, но бортовая сеть и все ее потребители (фары, музыка, кондиционер) обеспечиваются в полном объеме.

Статор

В генераторе самым сложным является устройство статора:

• из трансформаторного железа 0,8 – 1 мм толщины вырубаются штампом пластины;
• из них набирают пакеты (сварка или крепление заклепками), 36 пазов по периметру изолируются эпоксидной смолой или полимерной пленкой;
• затем в пакеты укладываются 3 обмотки, фиксируемые в пазах специальными клиньями.

Рис. 3 Статор генератора

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

Ротор

При использовании подшипников качения цапфа закаливается, а сам вал создается из легированной стали. На вал намотана катушка, залитая специальным диэлектрическим лаком. Сверху на нее надеты и закреплены на валу магнитные полюсные половинки:

• имеют вид короны;
• содержат по 6 лепестков;
• изготавливаются штамповкой или литьем.

Рис. 4 Ротор генератора

Шкив фиксируется на валу шпонкой либо гайкой с головой под шестигранный ключ. Зависит мощность генератора от толщины провода катушки возбуждения и качества изоляции лаком обмоток.

При подаче напряжения на обмотки возбуждения вокруг них возникает магнитное поле, взаимодействующее с аналогичным полем постоянных полюсных половинок магнитов. Именно вращение ротора обеспечивает выработку электротока в обмотках статора.

Токосъемный узел

В щеточном генераторе устройство токосъемного узла следующее:

• щетки скользят по коллекторным кольцам;
• по ним передается постоянный ток на обмотку возбуждения.

Электрографитные щетки изнашиваются меньше меднографитных модификаций, но на коллекторных полукольцах наблюдается падение напряжения. Для снижения электрохимического окисления колец их могут изготавливать из нержавейки и латуни.

Рис. 5 Токосъемный узел генератора

Поскольку работа токосъемного узла сопровождается интенсивным трением, щетки и кольца коллекторные изнашиваются чаще прочих деталей, считаются расходниками. Поэтому к ним обеспечивается быстрый доступ для периодической замены.

Выпрямитель

Поскольку в статоре электроприбора вырабатывается переменное напряжение, а для бортовой сети нужен постоянный ток, в конструкцию добавлен выпрямитель, к которому и подключаются обмотки статора. В зависимости от характеристики генератора выпрямительный узел имеет различную конструкцию:

• диодный мостик распаян или впрессован в подковообразные пластины-теплоотводы;
• выпрямитель собран на плате, теплоотводы с мощным оребрением припаиваются к диодам.

Рис. 6 Выпрямитель генератора

Рис. 7 Вариант диодного мостика с независимыми радиаторами

Основной выпрямитель может дублироваться дополнительным диодным мостиком:

• герметичный компактный блок;
• диды-горошины или цилиндрической формы;
• включение в общую схему небольшими шинами.

Выпрямитель является «слабым звеном» генератора, так как любое инородное тело, проводящее ток, попавшее случайно между теплоотводами диодов, автоматически приводит к короткому замыканию.

Регулятор напряжения

После того, как переменная амплитуда преобразована выпрямителем в постоянный ток, электроэнергия генератора подается на реле регулятора напряжения по следующим причинам:

• коленвал ДВС вращается с разной скоростью в зависимости от типа вождения, дальностью поездки и циклом движения авто;
• поэтому автомобильный генератор по умолчанию не способен вырабатывать одинаковое напряжение в разные промежутки времени физически;
• устройство реле регулятора и отвечает за термокомпенсацию – отслеживает значение температуры воздуха, при его снижении повышает напряжение подзарядки и наоборот.

Стандартной величиной термокомпенсации принято значение 0,01 В/1градус. В некоторых генераторах имеются переключатели ручные лето/зима, выносимые в салон или пространство под капотом авто.

Рис. 8 Регулятор напряжения

Существуют реле регуляторов напряжения, в которых бортовая сеть подключается к обмотке возбуждения генератора «–» проводом или «+» кабелем. Эти конструкции являются не взаимозаменяемыми, путать их нельзя, чаще всего в легковых машинах установлены «минусовые» регуляторы напряжения.

Подшипники

Передним считается подшипник со стороны шкива, его корпус впрессовывается в крышку, а на валу используется скользящая посадка. Задний подшипник расположен возле коллекторных колец, его, наоборот, сажают на вал с натягом, в корпусе использована скользящая посадка.

В последнем случае могут применяться подшипники роликовые, передний подшипник всегда радиальный шариковый с одноразовой смазкой, закладываемой на заводе, которой хватает на весь эксплуатационный ресурс.

Рис. 9 Комплект подшипников генератора

Чем выше мощность генератора, тем большие нагрузки испытывает обойма подшипника, чаще требуется замена обоих расходных деталей.

Крыльчатка

Детали трения внутри генератора охлаждаются принудительным воздушным способом. Для этого на вал надевается одна или две крыльчатки, засасывающих воздух через специальные щели/отверстия в корпусе изделия.

Рис. 10 Крыльчатка генератора

Существует три типа воздушного охлаждения автомобильных генераторов:

• при наличии узла щетки/коллекторные кольца и вынесения выпрямителя, регулятора напряжения из корпуса наружу эти узлы защищаются кожухом, поэтому воздухозаборные отверстия создаются в нем (позиция а) нижней схемы;
• если компоновка механизмов под капотом плотная, а окружающий их воздух слишком нагрет, чтобы нормально охладить внутреннее пространство генератора, используется защитный кожух специальной конструкции (позиция б) нижнего рисунка;
• в генераторах малогабаритных щели для забора воздуха создаются в обеих крышках корпуса (позиция в) на нижнем рисунке).

Рис. 11 Варианты схем воздушного охлаждения генератора

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

Корпус

Традиционно для большинства электроприборов корпус генератора имеет защитную функцию для всех расположенных внутри него узлов. В отличие от стартера машины, генератор не имеет натяжного устройства, провисание ремня передачи регулируется за счет смещения корпуса самого генератора. Для этого кроме монтажных лапок на корпусе имеется регулировочная проушина.

Корпус изготавливается из алюминиевого сплава, состоит из двух крышек:

• внутри передней крышки спрятан статор и якорь;
• внутри задней крышки размещен выпрямитель и реле регулятора напряжения.

Рис. 12 Корпус генератора состоит из двух крышек

От этой детали зависит корректная работа генератора, так как внутрь одной крышки впрессован подшипник ротора, а ремень натягивается в проушине корпуса.

Устройство автомобильного генератора

Основные части генератора

Генератор в разрезе

Статор и ротор
Статор (неподвижная часть генератора) представляет собой обмотки с магнитопроводом, в которых образуется электрический ток. Ротор – вращающаяся часть генератора. Ротор состоит из обмоток возбуждения с полюсной системой, вала и контактных колец. Кольца выполняются чаще всего из меди, с опрессовкой их пластмассой. Для снижения износа и предотвращения окисления они могут изготавливатья из латуни или нержавеющей стали. К кольцам присоединяются выводы обмотки возбуждения. Питание к обмоткам подается через щетки (скользящие контакты), которые прижимаются к кольцам с помощью пружин. Щетки бывают двух типов — меднографитные и электрографитные. Последние имеют более высокое электрическое сопротивление, что снижает выходные характеристики генератора, зато они обеспечивают значительно меньший износ контактных колец. Существуют и бесщеточные генераторы, у которых на роторе расположены постоянные магниты, а обмотки возбуждения – на статоре. Отсутствие щеток и контактных колец повышает надежность генератора, но увеличивает массу и шумность при работе.

При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно разнополярные полюсы, т. е. направление и величина магнитного потока, пронизывающего катушку, меняется, что и приводит к появлению в ней переменного напряжения. Так как потребители электрической сети автомобиля работают на постоянном напряжении, в схему генератора вводится диодный выпрямитель.

Диодный мост и регулятор напряжения

Конструкция и привод генераторов

Электронные регуляторы напряжения, как правило, встроены в генератор (“таблетка”) и объединены со щеточным узлом. Иногда они располагаются отдельно в подкапотном пространстве. Регуляторы изменяют ток возбуждения путем изменения времени включения обмотки ротора в питающую сеть. Устройства необслуживаемые, необходимо лишь контролировать надежность контактов. Существуют регуляторы напряжения, наделенные функцией термокомпенсации, – они измененяют напряжение зарядки в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для обеспечения оптимального заряда АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение подводится к батарее, и наоборот.

Генераторы выпускаются в двух конструктивных исполнениях – “классическом”, с вентилятором у приводного шкива, и компактном, с двумя вентиляторами внутри генератора. Так как “компактные” генераторы имеют привод с более высоким передаточным отношением, их называют еще высокоскоростными генераторами.

Генератор устанавливается на специальном кронштейне двигателя и приводится в действие от шкива коленчатого вала через ременную передачу. Чем больше диаметр шкива на коленчатом валу и меньше диаметр шкива генератора, тем выше обороты генератора, соответственно, он способен отдать потребителям больший ток. На современных моделях, как правило, привод осуществляется поликлиновым ремнем. Благодаря большей гибкости он позволяет устанавливать на генераторе шкив малого диаметра. Привод генератора может осуществляться как отдельно, так и одним ремнем вместе с насосом охлаждающей жидкости (“помпой”). Натяжение ремня регулируется либо отклонением корпуса генератора, либо (в случае применения поликлинового ремня) натяжными роликами при неподвижном генераторе.

Возможна ли замена генератора одной марки на другой? Вполне, если выполняются следующие условия:

• энергетические характеристики заменяющего генератора не ниже, чем у заменяемого;
• передаточное число от двигателя к генератору одинаково;
• габаритные и крепежные размеры заменяющего генератора позволяют установить его на двигатель. Большинство генераторов зарубежного производства имеют однолапное крепление, а отечественные крепятся за две лапы, поэтому замена “иномарочного” генератора отечественным потребует замены кронштейна;
• электрические схемы генераторных установок аналогичны.

Режимы работы

При эксплуатации генератора машины существует 2 режима:

• запуск ДВС – в этот момент стартер авто и катушка ротора генератора являются единственными потребителями, расходуется энергия аккумулятора, пусковые токи значительно выше рабочих, поэтому от качества подзарядки аккумулятора зависит, заведется машина, или нет;
• рабочий режим – стартер в этот момент отключен, обмотка ротора генератора переходит в режим самовозбуждения, зато появляются прочие потребители (кондиционер, обогреватели стекол, зеркал, фары, автозвук), необходимо восстановить зарядку АКБ.

Внимание: При резком повышении суммарной нагрузки (аудиосистема с усилителем, сабвуфер) ток генератора становится недостаточным для удовлетворения потребностей бортовой системы, начинается расходоваться заряд АКБ.

Поэтому для снижения просадок напряжения владельцы автозвука часто ставят второй аккумулятор, увеличивают мощность генератора или дублируют его еще одним устройством.

Рис. 13 Два генератора на одном авто

Привод генератора

Обороты для выработки электричества генератор переменного тока получает клиноременной передачей от коленчатого вала двигателя. Поэтому натяжение ремня должно контролироваться регулярно, желательно перед каждой поездкой. Основными нюансами привода генератора являются:

• проверка натяжения производится усилием 3 – 4 кг, прогиб в этом случае не может превышать 12 мм;
• диагностика осуществляется линейкой, усилие к одному краю которой обеспечивается бытовым безменом;
• проскальзывать ремень может при попадании на него масла из-за негерметичности прокладок и сальников в соседних узлах под капотом;
• чересчур жесткий ремень вызывает повышенный износ подшипников;
• отсутствии соосности шкивов коленвала и генератора приводит к возникновению свиста и неравномерной выработке ремня в поперечном разрезе.

Рис. 14 Привод генератора

Средний ресурс шкивов 150 – 200 тысяч километров пробега авто. У ремня эта характеристика слишком отличается у разных производителей, модели авто и стиля вождения владельца.

История автомобильного генератора

Майкл Фарадей
История автомобильного генератора начинается приблизительно 200 лет назад. Истоки этой истории лежат в далеком 1831 году, когда одновременно английский физик Майкл Фарадей и американский физик Джозеф Генри обнаружили явление электромагнитной индукции. Сейчас это явление известно как закон Фарадея, но статья не об этом. Приблизительно смысл этого закона можно выразить так: Электродвижущая сила генерируется в электрическом проводнике, который окружает изменяющийся магнитный поток. Открыв закон электромагнитной индукции, Майкл Фарадей решил построить наглядный макет своего закона. Сейчас он известен как Диск Фарадея – первое устройство, которое преобразовывало механическое движение в электрическую энергию. Таким образом можно считать, что это устройство является первым генератором. Сам Диск Фарадея был чрезвычайно неэффективным, но он имел огромное значение для развития науки и промышленности в целом.

Диск Фарадея

Слухи о законе Фарадея начали распространяться и уже в 1832 году французский производитель инструментов Ипполит Пикси построил первый в мире динамо-генератор. Его модель создавала электрические импульсы, разделенные отсутствием тока. Таким образом, он случайно создал генератор переменного тока. Так как он не знал, что с ним делать(изменяющимся током), Пикси решил избавиться от переменного тока и сосредоточился на постоянном. Конечной задачей такого генератора являлось использование в промышленности, но это не представлялось возможным, так как генератор Пикси было довольно затруднительно использовать. Для получения электроэнергии нужно постоянно вращать вручную тяжелый магнит.

Электрическая схема

Производители учитывают конкретное количество потребителей в модели авто, поэтому в каждом случае применяется индивидуальная электрическая схема генератора. Наиболее востребованы 8 схем «мобильных электроустановок» под капотом машины с одинаковым обозначением элементов:

1. генераторный блок;
2. обмотка ротора;
3. магнитопровод статора;
4. мост диодный;
5. переключатель;
6. реле лампы;
7. реле регулятора;
8. лампа;
9. конденсатор;
10. блок трансформатора и выпрямителя;
11. АКБ;
12. стабилитрон;
13. сопротивление.

Рис. 15 Схема 1

В схемах 1 и 2 возбуждающая обмотка получает напряжение через замок зажигания, чтобы АКБ не разряжалась на стоянке. Недостатком является коммутация 5 А тока, снижающего эксплуатационный срок.

Рис. 16 Схема 2

Поэтому на схеме 3 контакты разгружены промежуточным реле, а потребление тока снижено до десятых долей ампера. Минусом в этом варианте является сложный монтаж генератора, понижение надежности конструкции, возрастает частота переключения транзистора. Фары могут моргать, а стрелки приборов подрагивать.

Рис. 17 Схема 3

В схеме 5 из трех диодов изготовлен дополнительный выпрямитель на пути к обмотке возбуждения. Однако при длительной парковке рекомендуется снимать «+» с клеммы аккумулятора, так как возможен разряд батареи. Зато при первичном возбуждении обмотки в момент запуска ДВС расход тока АКБ минимальный. Опасное для электроники машины повышение напряжения гаси стабилитрон.

Рис. 18 Схема 5

Для дизельных моторов применяются генераторы, использующие 6 схему. Они рассчитаны на напряжение 28 В, возбуждающая обмотка получает вдвое меньший заряд за счет подключения в «нулевую» точку статора.

Рис 19 Схема 6

На схеме 7 ликвидирован разряд АКБ при длительной парковке за счет снижения разницы потенциалов на «Д» и «+» клеммах. Из стабилитронов создано дополнительное крыло диодного мостика выпрямителя для ликвидации всплесков напряжения.

Рис. 20 Схема 7

Схема 8 обычно применяется в генераторах производителя Бош. Здесь усложнен регулятор напряжения, зато упрощена схема самого генератора.

Рис. 21 Схема 8

Маркировка клемм на корпусе

При самостоятельной диагностике мультиметром для владельца актуальна информация, как маркируются клеммы, выведенные на корпус генератора. Единого обозначения не существует, но общие принципы соблюдаются всеми производителями:

• с выпрямителя выходит «плюс», маркирующийся «+», 30, В, В+ и ВАТ, «минус», обозначенный «–», 31, D-, B-, E, M или GRD;
• от возбуждающей обмотки отходит клемма 67, Ш, F, DF, E, EXC, FLD;
• «плюсовой» провод от дополнительного выпрямителя на контрольную лампу обозначен D+, D, WL, L, 61, IND;
• фазу можно узнать по волнистой линии, буквам R, W или STA;
• нулевая точка статорной обмотки обозначена «0» или МР;
• клемма реле регулятора для подключения к «плюсу» бортовой сети (обычно АКБ) обозначена 15, Б либо S;
• кабель от замка зажигания должен подключаться к клемме регулятора напряжения, маркированной IG;
• бортовой компьютер подсоединяется к выводу реле регулятора с обозначением F или FR.

Рис. 22 Расположение клемм на корпусе генератора

Других обозначений не существует, а вышеуказанные присутствуют на корпусе генератора не в полном объеме, поскольку встречаются на всех существующих модификациях электроприборов.

Основные неисправности

Поломки «бортовой электростанции» вызваны неправильной эксплуатацией транспортного средства, выработкой ресурса деталей трения либо выходом из строя электрики. Вначале производится визуальная диагностика и выявление посторонних звуков, затем проверяется электрическая часть мультиметром (тестером). Основные неисправности сведены в таблицу:

Поломка	Причина	Ремонт
свист, потеря мощности на высоких оборотах	недостаточная натяжка ремня, поломка подшипника/втулки	регулировка натяжения, замена втулки/подшипника
недозаряд	неисправно реле регулятора	замена реле
перезарядка	неисправно реле регулятора	замена реле
люфт вала	отказ подшипника или выработка втулки	замена расходника
утечка тока, снижение напряжения	пробой диода	замена диодов выпрямителя
отказ генератора	подгорание или износ коллектора, обрыв обмотки возбуждения, зависание щеток, заклинивание ротора в статоре, обрыв ведущего от АКБ провода	устранить указанные поломки

При диагностике тестером измеряется напряжение генератора на разных оборотах двигателя – в режиме холостого хода, под нагрузкой. Проверяется целостность обмоток и соединительных проводов, диодного мостика и регулятора напряжения.

Сколько вольт должен выдавать генератор?

Для корректной работы авто необходимо регулярно проверять функциональность автомобильного генератора. При выходе из строя данного узла аккумуляторная батарея перестанет получать основное питание. Такое положение дел (когда автомобиль “питается” только от АКБ) приводит к быстрому обесточиванию всей машины.

Своевременное отслеживание технического состояния электроисточника позволит избежать случайного отказа элемента, сэкономив ваши деньги и душевные силы.

Поломку силового агрегата, вырабатывающего ток, определяют по одному из следующих признаков:

• непрерывно горит лампочка на приборной панели (сигнал о недостаточности тока);
• АКБ постоянно садится;
• электрооборудование работает со сбоями или вовсе не работает при включенном моторе;
• запах гари из моторного отсека;
• перегревается статор;
• УЗЕЛ издает нехарактерные звуки (например, шелест).

Выбор генератора для легкового авто

За счет разного диаметра шкивов клиноременной передачи генератору придается большая угловая скорость в сравнении с оборотами коленвала. Частота вращения ротора достигает 12 – 14 тысяч оборотов ежеминутно. Поэтому ресурс генератора минимум вдвое меньше, чем у ДВС авто.

Генератором машина комплектуется на заводе, поэтому при замене подбирается модификация с аналогичными характеристиками и крепежными отверстиями. Однако при тюнинге авто мощность генератора может не устроить владельца. Например, после увеличения количества потребителей (подогрев сидений, зеркал, стекол), установки сабвуфера, аудиосистемы с усилителем требуется именно выбор нового, более мощного генератора или монтаж второго электроприбора в комплекте с дополнительным аккумулятором.

В первом случае следует выбрать мощность, достаточную для подзарядки аккумулятора с 15% запасом. При установке второго генератора начальный и эксплуатационный бюджет резко увеличиваются:

• для дополнительного генератора придется установить дополнительный шкив на коленвал;
• найти место для крепления корпуса электроприбора таким образом, чтобы его шкив размещался в одной плоскости со шкивом коленвала;
• обслуживать и менять расходники сразу двух «мобильных электростанций».

С возникновением бесщеточных моделей генератора некоторые владельцы производят замену штатного прибора этим девайсом.

Устройство генератора

Шкив передает энергию от двигателя к валу при помощи ремня.

Крышки на корпусе нужны для размещения опор ротора, установки узла на моторе и крепления статора. Задняя крышка нужна для щеточного узла и выходов для питания электрического оборудования. В статоре производится мощность за счет трехфазной обмотки. Ротор — вал из стали с двумя втулками. Выводы этой обмотки связаны с медными кольцами. Регулятор стабилизирует напряжение при разных факторах:

• скачках электронагрузки;
• дельты частоты вращения ротора;
• изменений температуры в природе.