Генератор является источником электрической энергии на автомобиле при работающем двигателе. Когда двигатель не работает, электроэнергия поступает в бортсеть от аккумуляторной батареи. Таким образом, электрогенератор и аккумуляторная батарея образуют автономную бортовую электроэнергетическую установку, которую принято называть системой электроснабжения автомобиля. Когда в этой системе применялся генератор постоянного тока, то она обладала недостаточно высокой эксплуатационной надежностью и низким качеством* вырабатываемого электричества. Кроме того, технология изготовления генераторов постоянного тока сложная и дорогостоящая. Все это привело к необходимости применения на автомобилях генераторов переменного тока, дооборудованных мощным полупроводниковым выпрямителем и электронным регулятором напряжения.
Закон электромагнитной индукции
Принцип действия любого электрогенератора основан на первом законе электромагнитной индукции.
Для одновитковой токопроводной рамки, вращающейся в постоянном магнитном поле U-образного магнита, этот закон имеет вид Е = -В L V,
где Е — электродвижущая сила (ЭДС), наведенная в рамке; В — магнитная индукция поля постоянного магнита; L — длина той части рамки, которая находится в магнитном поле; V — вектор линейной скорости перемещения рамки относительно неподвижного магнитного поля.
Если рамка содержит несколько витков W, то индуцированная ЭДС Ек является суммой электродвижущих сил в этих витках и определяется как:
Ек = -W В L V. (5.1)
Знак "минус", который часто опускается, но всегда подразумевается, означает, что если под действием ЭДС Ек по рамке начнет протекать электрический ток (при подключении нагрузки), то созданное этим током магнитное поле будет противодействовать механической силе F, приводящей рамку во вращение.
Формула 5.1, отображающая закон электромагнитной индукции для многовитковых рамок, может быть представлена в другом виде, если линейную
скорость V перемещения витков рамки L относительно магнитного поля В выразить через путь dx перемещения витков W по периметру окружности вращения с диаметром X за время dt поворота рамки на соответствующий угол. Тогда V = dx/dt, и формула для ЭДС Ек несколько изменится: Ек = -W В L V =-W В L dx/dt.
Выражение В L dx соответствует изменению магнитного потока d© при повороте рамки на шаг dx за время dt.
Изменение магнитного потока реализуется вращением ротора с диаметром X в магнитопроводе статора, когда площадь витка ротора (S = LX), пронизанная магнитным потоком Ф = BS, постоянно изменяется во времени t, и тогда:
Ек = -WK d®/dt. (5.2)
Эта формула является основным расчетным выражением для определения индуцированной электродвижущей силы еф, возникающей в фазных обмотках электрических машин переменного тока под воздействием изменения магнитного потока через обмотки:
еф = -\Л/Ф dO/dt = -ЛЛ/ф dOm cos ort/dt = Ефт sin cot, где Фт и Ефт — амплитудные значения величин Ф и ЭДС еф.
При этом под фазной обмоткой подразумевают электропроводную катушку, в которой наводится ЭДС еф и которая в генераторах переменного тока всегда расположена на неподвижном статоре.
Модели автомобильных генераторов переменного тока
Генератор — это такая электрическая машина, которая способна непрерывно вырабатывать электрическую энергию из механической.
Генераторы бывают постоянного и переменного тока.
Наиболее просто непрерывность работы генератора переменного тока можно обеспечит можно обеспечить вращением постоянного магнита в неподвижном магнитопроводе статора, на котором размещена фазная обмотка. На рис. 5.1, ь вращением постоянного магнита в неподвижном магнитопроводе статора, на котором размещена фазная обмотка. На рис. 5.1, а представлена модель однофазного синхронного генератора переменного тока с возбуждением от постоянного магнита, в котором вращающийся ротор — это двухполюсный постоянный магнит NS, а неподвижный магнитопровод М с одной фазной обмоткой \Л/Ф — это статор. Синхронным он назван потому, что электрическая частота наведенной в фазной обмотке ЭДС еф строго соответствует (синхронна) частоте вращения постоянного магнита.
Так как в данном типе генераторов отсутствует коллекторно-щеточный механизм (КЩМ), то их тоже относят к группе бесконтактных генераторов переменного тока.
В реальных генераторах переменного тока с постоянными магнитами на роторе используются многополюсная система ротора (рис. 5.1, б) и многофазная (чаще всего трехфазная) система обмоток на статоре (рис. 5.1, в).
При определенной конфигурации полюсных наконечников (на роторе и статоре) можно получить изменение электродвижущей силы генератора по закону синуса еф = Еф sin cot, где со = 2 п f — круговая, а f — электрическая частота генератора.
Электрическая частота f генератора измеряется в герцах (1 Гц = 1/с = с-1) и связана с числом оборотов (п) ротора генератора выражением f = р п, где р — число пар полюсов постоянного магнита ротора.
Ясно, что для генератора, модель которого показана на рис. 5.1, а, — число пар полюсов ротора равно единице. В таком случае fr (Гц) = nR (об/с).
Если же постоянный магнит на роторе многополюсный, электрическая частота генератора fr (Гц) увеличивается в число пар полюсов. Так, для генератора с тремя парами полюсов на роторе (рис. 5.1, б) электрическая частота в три раза выше частоты генератора, отвечающего модели рис. 5.1а (fr = р п = 3 п).
Рис. 5.3.
Индукторный генератор переменного тока с расположением обмоток Wb электромагнитного возбуждения на статоре:
а — модель генератора; 6 — схема соединения обмоток на однофазном статоре; в —- упрощенная конструкция генератора; 1 — паз ротора; 2 — подшипник; 3 — вал ротора; 4 — полюс ротора; 5 — корпус генератора; Wb, W
Следует заметить, что число N полюсов у ротора с постоянными магнитами может быть только четным, т.е. N всегда равно 2р, где р — любое целое положительное число (1, 2, 3...).
Вращающийся постоянный магнит на роторе может быть и электромагнитом. Тогда на ротор помещается обмотка Wb возбуждения.
Вращающаяся обмотка возбуждения соединяется с внешней электрической цепью при помощи контактных колец на роторе и неподвижных щеток на крышке генератора, который в таком случае называется генератором переменного тока с контактными кольцами. Модель такого генератора показана на рис. 5.2, а.
Его принципиальным отличием от предыдущего генератора с постоянными магнитами является возможность изменения величины магнитодвижущей силы ротора, что позволяет регулировать величину выходного напряжения генератора. Необходимость управления напряжением автомобильного генератора связана с его работой в условиях непрерывно изменяющихся оборотов ротора. Так как в генераторе с роторной обмоткой возбуждения электродвижущая сила Ег есть функция двух переменных Ег = f (В, п), то увеличение электродвижущей силы при повышении оборотов (п) двигателя внутреннего сгорания можно компенсировать соответствующим уменьшением тока 1в возбуждения в роторной обмотке возбуждения.
Функцию управления В = f (lB) выполняет регулятор напряжения генератора.
Возможен и третий вариант конструктивного исполнения автомобильного генератора переменного тока, когда ротором является магнитомягкая пассивная ферромасса (например, спрессованный набор тонких пластин из трансформаторного железа), а обмотка возбуждения постоянного магнита помещена вместе с фазной обмоткой на статоре (рис. 5.3, а).
Такие генераторы называются индукторными и в последнее время находят применение на автомобилях.
Получение синусоидальной ЭДС в автомобильных генераторах
Несмотря на простоту приведенных моделей, они позволяют наглядно представить устройство и работу электрогенераторов переменного тока (ГПТ). Вращающая часть во всех ГПТ называется ротором R. Неподвижный магнитопровод М с рабочими обмотками Wj, и WB называется статором S; W0 — фазная статорная обмотка; WB — обмотка возбуждения (либо на роторе, либо на статоре). Если ротор выполнен как вращающийся электромагнит, то обмотка WB называется роторной обмоткой возбуждения.
Два магнитопровода (статорный и роторный) совместно образуют главную магнитную цепь генератора, в замкнутый контур которой обязательно входит воздушный зазор d между вращающимся ротором и неподвижным статором.
Как в электрической, так и в магнитной замкнутой цепи имеет место закон Ома: I = U/R. Только в магнитных цепях под током понимается магнитный поток Ф, под разностью потенциалов — магнитодвижущая сила (МДС) F, а резистивностью является магнитное сопротивление RM замкнутой магнитной цепи. Тогда Ф = F/RM = FGM.
По аналогии с электрической, магнитная проводимость Gm определяется как обратная величина рези-стивности: GM = 1/RM = 1/(R0 + R Так как в электрических машинах магнитное сопротивление воздушного зазора Rd всегда значительно больше магнитного сопротивления R0 маг-нитопровода, то вся магнитодвижущая сила главного магнитного поля машины приходится на воздушный зазор.
Тогда очевидно, что изменение магнитного потока d С учетом сказанного, электродвижущая сила, индуцированная в фазной обмотке \Л/Ф генератора переменного тока, может быть определена так:
e* = -w,d®/dt = -w*d(FdGd)/dt. (5.3)
Из выражения (5.3) следует, что ЭДС еф можно навести в фазной обмотке \Л/Ф на статоре генератора тремя способами:
а — изменением МДС Fd в воздушном зазоре, когда еф = -W„,Gd(dFd/dt);
б — изменением магнитной проводимости Gd воздушного зазора, когда еф = -W0Fd(dGd/dt);
в — изменением обоих параметров одновременно, когда еф = -W0(dGd/dt)(dFd/dt).
И то, и другое, и третье можно реализовать вращением ротора относительно неподвижного статора. В этом суть принципа действия любого генератора переменного тока, в котором всегда еф = \Л/Ф d/dt = -\Л/Ф йФт cos wt/dt = Ефт sin 2р f t.
