Принципы работы автомобильного генератора

Генератор автомобиля прнято считать одним из самых незаметных в работе устройств, однако важность его не поддаётся переоценке. Хотя бы потому, что без него аккумуляторная батарея казалась бы практически бесполезной: её заряда хватило бы на несколько дней работы, после чего её пришлось бы подзаряжать вне автомобиля. А это по вполне понятным причинам для большинства горожан – недоступная функция. Но если взять любой современный автомобиль, то окажется, что без генератора его работоспособность также окажется парализованной, ведь мозги авто, бортовой компьютер, работает именно от генератора. Что уж говорить о массе других устройств, требующих подключения к бортовой сети. Так что сведения о том, из каких компонентов состоит генератор и каковы принципы его функционирования окажутся полезными для большинства автолюбителей.

Назначение генератора автомобиля

Зачем нужен генератор в машине? О двух его основных функциях мы уже упоминали – это питание бортовой электросети и подзарядка АКБ. В сущности, энергия аккумулятора используется только в момент пуска силового агрегата, а затем все функции по снабжению автомобиля электричеством взваливает на свои плечи генератор. Технические характеристики этого устройства должны обеспечивать подзарядку АКБ при любых режимах работы двигателя, не допуская его прогрессивного разряда ни при каких обстоятельствах. Не менее важной является способность автогенератора обеспечивать работу потребителей электроэнергии в достаточно обширном диапазоне нагрузок. Дело в том, что большинство приборов, в том числе и аккумуляторная батарея, крайне чувствительны к показателю стабильности входного напряжения. Так что генератор в машине нужен и для обеспечения выравнивая выходных параметров по току и напряжению в заданных пределах, с чем он справляется очень хорошо.

• Автогенератор в принципе – очень надёжное устройство, однако его эксплуатационный ресурс зависим от целого ряда факторов:
• ёмкости аккумулятора, его выходного ампеража;
• качества заводского изготовления;
• совокупной электронагрузки (количества потребителей);
• стиля вождения автовладельца;
• сезонности эксплуатации ТС.

Найти устройство в моторном отсеке достаточно просто – генератор расположен в машине в передней части подкапотного пространства, крепясь к мотору болтами, прикручиваемыми к кронштейнам.

Устройство автомобильного генератора

Обязательная компонента любого автогенератора – статор, который монтируется между фронтальной/задней крышками. Фронтальная крышка выходит к приводной части, задняя расположена со стороны установки контактных колец. Обе крышки, как правило, изготавливаются из облегчённых алюминиевых сплавов и снабжены вентиляционными отверстиями, через которые вентилятор прогоняет воздух внутри автогенератора, охлаждая его. На задней крышке монтируется щёточный и выпрямительный узлы, которые подсоединены к регулятору напряжения. Типовая конструкция устройства – статор, расположенный между крышками, удерживаемый посредством 3-4 длинных винтов.

Статор представляет собой неподвижно закреплённую обмотку, внутри которой находится вращающийся ротор. Его конструкция более сложна, он состоит из ряда обмоток, контактных колец, приводного вала. Кольца, изготовляемые из меди или латуни, подключаются одной стороной к обмотке возбуждения, другой – к щёткам, на которые в момент пуска силового агрегата подается напряжение от АКБ. Некоторые модели генераторов характеризуются бесщёточным исполнением, что увеличивает их ресурс (и надёжность), но достигается это за счёт увеличения веса устройства и показателей шумности при работе электрогенераторной автомобильной установки. Следствием вращения ротора является изменение величины и направленности магнитного потока в статоре, что в итоге приводит к генерации тока переменного напряжения. Но поскольку подавляющее большинство бортовых потребителей современного автотранспортного средства рассчитано на работу с постоянным напряжением, электрогенератор автомобиля состоит также из выпрямителя, задача которого – преобразовывать напряжение из переменного в постоянное.

Регуляторы напряжения обычно встраиваются в электрогенератор, конструктивно соединяясь со щёточным узлом. Их задача – влияние на ток возбуждения с целью его изменения посредством манипулирования временем включения обмоток к электросети. Некоторые модели регуляторов напряжения умеют изменять номинал напряжения, учитывая текущую температуру воздуха в моторном отсеке, что позволяет обеспечить наиболее оптимальные характеристика зарядка АКБ. Генераторы автомобиля устроены и производятся либо в компактном (с парой внутренних вентиляторов), либо в классическом исполнении (с вентилятором, находящимся у шкива). Рассмотрим особенности конструкции отдельных компонентов электрогенератора.

Статор

От конструкции этого неподвижного элемента во многом зависит ресурс работы генератора. Статор изготовляется по следующей технологии:

• в качестве основы для монтажа обмотки используются штампованные пластины, изготавливаемые из специального трансформаторного металла толщиной около одного миллиметра;
• определённое количество таких пластин (обычно 36) посредством клёпки или сварки собирается в пакеты, которые по всему периметру изолируются, покрываясь полимерной плёнкой (более современный вариант) или эпоксидкой;
• в пакеты укладывается обмотка стартера, фиксируясь с помощью клиньев.

Именно стартер является местом, где вырабатывается переменное электричество, которое после обработки на других узлах генератора поступают в бортовую сеть или к аккумулятору.

Ротор

Состоит из вала, производимого из легированной стали или других материалов с аналогичными характеристиками, и обмотки возбуждения (катушки), также покрываемой полностью диэлектрическим лаком. На катушки монтируются полюсные магнитные половинки, характерной особенностью которых является:

• клювообразный вид, напоминающий корону;
• наличие шести лепестков;
• изготовление методом литья или штамповки.

Вал ротора крепится на подшипниках качения (в этом случае вал подвергается закалке), на одном его конце имеется паз для шпонки, посредством которой крепится приводной шкив. Вместо шпонки может использоваться гайка, у которой имеется головка, рассчитанная под шестигранный ключ, что позволяет избежать проворачивания вала, если потребуется демонтаж генератора или снятие шкива. Вращаясь, ротор обеспечивает генерацию электроэнергии статором, поэтому это также один из основных элементов устройства.

Токосъёмный узел

Автогенератор щёточного типа комплектуется токосъёмным узлом, конструкция которого предусматривает скольжение щёток по кольцам коллектора, через которые и поступает ток на статорную обмотку возбуждения. Классические щётки изготавливаются из меди и графита. Им на смену пришли электрографитные компоненты, которые отличаются меньшим износом, однако при их использовании наблюдается эффект падения напряжения на полукольцах коллектора. Последние изготавливают из латуни/нержавейки, дабы уменьшить степень электрохимического окисления. Токосъёмный узел работает в режиме усиленного трения его деталей, поэтому кольца и щётки причисляются к категории расходных материалов – они изнашиваются на порядок быстрее других узлов. Поэтому конструкция автогенератора предусматривает наличие облегчённого доступа к щёткам для возможности проведения их периодической замены.

Реле регулятора

Переменный ток, вырабатываемый статором, после преобразования в постоянный поступает на реле регулятора. Его включение в состав генератора вызвано по следующей причине: коленвал силового агрегата может вращаться с разной скоростью, в зависимости от потребностей автовладельца в конкретный момент времени. Однако конструктивно автогенератор не способен формировать одинаковое напряжение в соответствии с временной диаграммой. Реле регулятора и предназначено для осуществления термокомпенсации, то есть отслеживания текущей температуры в подкапотном пространстве с целью искусственного снижения/повышения величины напряжения подзарядки, что положительно сказывается на ресурсе АКБ. Но умолчанию номинал термокомпенсации – 0.1 В/градус. Некоторые модели электрогенераторов, в составе которых нет реле-регулятора, комплектуются переключателями ручного типа лето/зима. Их располагают в салоне (редко) или в моторном отсеке.

Отметим, что в легковых авто регуляторы напряжения подключаются к статору минусовым проводом бортовой электросети, однако существуют и антагонистичные варианты, и они не взаимозаменяемы. Так что при замене генераторов этот момент нужно обязательно отслеживать.

Выпрямительный (диодный) мост

Именно эта компонента автогенератора отвечает за сглаживание переменной амплитуды напряжения в постоянную кривую. Конструктивно такой выпрямитель может изготовляться в двух вариантах:

• диодный мостик представляет собой отдельный электронный узел, впаиваемый или запрессовываемый в пластинчатые теплоотводы, имеющие вид подковы;
• выпрямитель впаян на плату, а теплоотводы, характеризующиеся наличием достаточно внушительных рёбер, припаиваются непосредственно к диодам.

В некоторых случаях основной выпрямитель дополняется ещё одним, вторичным диодным мостиком, для улучшения характеристик выходного напряжения. Он представляет собой компактный электронный блок с миниатюрными диодами круглой или вытянутой цилиндрической формы. Подключение дополнительного мостика осуществляется с помощью шинной технологии. Выпрямитель считается наиболее частой причиной выхода из строя генератора, поскольку любой металлический предмет, случайно попадающий в пространство между теплоотводами мостика, может спровоцировать короткое замыкание.

Крепление автогенератора

Как мы уже отмечали, в большинстве случаев автогенераторы устанавливают в передней части подкапотного пространства, что вызвано необходимостью соединения вала ротора с валом коленвала. Делается это с помощью шкива (в древних моделях и на мототехнике для этого применяется цепня передача). На крышках устройства имеется натяжная пружина, крепящаяся посредством лап. Привод автогенератора осуществляется с помощью шкива, идущего от коленвала. Величина оборотов генератора зависит именно от геометрии шкива. На большинстве автомобилей последних поколений в качестве соединительного элемента между генератором и коленвалом выступает поликлиновый ремень. Его характерной особенностью является прекрасная гибкость, а также возможность работы с генераторным шкивом относительного небольшого диаметра. Такая конструкция позволяет получить намного более высокие передаточные значения, позволяя комплектовать автомобили высокооборотистыми генераторными установками. В условиях всё возрастающей насыщенности транспортных средств электрическими и электронными приборами возможность получения тока большего номинала является совсем не лишней.

Принцип работы генератора автомобиля

Промышленность в целом использует два типа генераторов – переменного и постоянного тока. Однако в автомобилестроении последние практически не используются. Распространённость автогенераторов переменного тока вызван простой их конструкции. Для генерации напряжение используется пара ротор-статор, причём вращается только электромагнит, который волнообразно изменяет напряжение магнитного поля (по амплитуде и направлению) в разных точках катушки статора. В результате и вырабатываемая электроэнергия имеет синусообразную природу. Переменный ток генерируется в районе полюсов статора.

При этом конструкция автогенератора позволяет вырабатывать электроэнергию с необходимыми параметрами независимо от скорости вращения приводного шкива. Другими словами, мощности автомобильного генератора хватает для нормальной работы потребителей даже при минимальных оборотах коленвала. Это достигается благодаря использованию большого количества пар ротор-катушка и использованием электромагнита вместо обычного ферримагнитного сплава. Принцип функционирования автомобильных электрогенераторов одинаков для всех марок и моделей. Конструктивные различия проявляются на уровне конкретной реализации. В основном они вызваны особенностями компоновки конкретного силового агрегата. Современный автомобиль имеет две различные по назначению электроцепи:

• первичная – это, грубо говоря, обмотка генератора;
• вторичная формирует бортовую сеть, питающую всех потребителей электроэнергии (ЭБУ, климатическую систему, панель приборов, световые устройства. мультимедийный центр и пр.).

Между первичной/вторичной цепью располагается регулятор напряжения, задача которого сводится к осуществлению контроля за номиналом напряжения во вторичной сети и выполнением корректирующих действий в первичной при возникновении такой необходимости. Строго говоря, именно реле-регулятор является тем третейским судьёй, который решает, кому и сколько в конкретный момент времени требуется электроэнергии. Если в бортовой сети наблюдается резкое снижение величины тока, генератор способен зафиксировать это, а реле-регулятор – повысить ток возбуждения на роторе. В результате величина напряжённости магнитного поля растёт, что и приводит к повышению номинала выходного напряжения. При достижении определённого значения регулятор снижает величину поступающего на обмотку возбуждения тока до номинальных значений.

Отметим, что номинальный режим, то есть сколько ампер выдаёт автомобильный генератор, зависит от степени нагрузки мотора и конкретной модели автомобиля. Следует упомянуть, что на холостом ходу генератор автомобиля должен выдавать напряжение порядка 13.50-14.00В. Если отключить всех потребителей, то напряжение автогенератора должно возрасти до 14.30-15.50В, при этом каждый включённый потребитель будет отбирать от этого значения примерно 0.20В. При всех включённых потребителях величина измеряемого напряжения на выходе автогенератора не должно быть ниже 12.8В. Именно это значение является пороговым для нормальной подзарядки аккумуляторной батареи. Если оно ниже – имеет место недозаряд, грозящий полным разряжением АКБ.

Сколько вольт выдает генератор автомобиля в номинальном режиме работы, указывается в руководстве пользователя, однако в большинстве случаев номинальный параметр весьма далёк от реального. Под фактическим напряжением понимают параметр, требуемый для зарядки аккумулятор, но при подключённых потребителях говорят о напряжении под нагрузкой, и это динамическая величина, изменяемая со временем.

Ещё раз отметим, что номинал выдаваемого напряжения автогенератором практически не связан с текущими оборотами двигателя, однако он сильно зависит от количества одновременно подключённых потребителей. Если в бортовой электросети наблюдаются проблемы, это может свидетельствовать о неисправности либо регулятора, либо самого генератора. Искать проблемы в силовом агрегате при этом – пустое занятие. Схематически работу электрогенератора можно представить как трансформацию механической энергии в её электрический аналог. Механическая энергия – это вращение коленвала на работающем моторе, которое посредством ременной передачи с минимальными потерями трансформируется во вращения вала ротора, а дальше уже вступает в действие связка ротор-статор.

Отметим, что технический прогресс остановить невозможно, особенно это касается появления материалов с новыми, более совершенными характеристиками. Их использование при производстве автомобильных генераторов будет способствовать дальнейшему увеличению производительности этих устройств. Но революционного прорыва, по крайней мере в ближайшее десятилетие, ожидать не стоит – все перспективные разработки в данной сфере предполагают эволюционный тип развития.

Основные неисправности

Даже сааме надёжные и технически совершенные устройства не вечны. Тем более нельзя говорить о супернадёжности тех устройств, конструкция которых предусматривает наличие вращающихся/трущихся узлов. Генератор, конечно же, относиться именно к этой категории. Но большинство проблем с работоспособностью «бортовой электростанции» вызваны либо естественным старением (выработкой ресурса), либо неправильной эксплуатацией транспортного средства, либо поломкой электрической компоненты. Первичная диагностика генератора заключается в проведении визуального и акустического осмотра на предмет выявления очевидных неисправностей, после чего имеет смысл проверить входные/выходные параметры тока/напряжения мультиметром. Все основные неисправности автогенератора сведены в следующую таблицу:

Во время тестирования генератора мультиметром следует измерять выходное напряжение на всех режимах работы силового агрегата, с минимальной и максимальной потребительской нагрузкой.