Меню

Самовозбуждающиеся бесколлекторные безщеточные генераторы тока

Бесколлекторные (бесконтактные) авиационные генераторы постоянного тока

Коллекторные генераторы постоянного тока имеют два существенных недостатка, связанных с наличием контактного узла-коллектора:

• повышенную трудоемкость технической эксплуатации;

В связи с этим после создания бесконтактных синхронных генераторов серии ГТ, по аналогии были разработаны бесконтактные генераторы постоянного тока. Такие генераторы конструктивно состоят из низковольтного бесконтактного генератора переменного тока и силового выпрямителя.

Все современные отечественные бесконтактные генераторы постоянного тока выполняются по одинаковой схеме (рис. 9, 10), рассмотрим их устройство на примере бесконтактного генератора ГСР-20БК (рис. 9).

Рис. 9. Внешний вид генератора ГСР-20БК

Рис. 10. Детали и узлы стартер-генератора ГСР-12БК КИС

ГЕНЕРАТОР ГСР-20БК

Маркировка ГСР-20БК обозначает:

Р – расширенный диапазон частоты вращения;

20 – мощность в киловаттах;

Генератор ГСР-20 БК (рис. 9) предназначен для питания бортовых приемников электроэнергии постоянным током стабилизированного напряжения.

На объекте генератор работает с блоком регулирования, защиты и управления БРЗУ-4В, токовым телеметрическим датчиком ТТД-800, датчиком направления тока ДТН-1, блоком защиты и управления БЗУ-6ВМ.

Генератор приводится во вращение от авиадвигателя. Направление вращения генератора – против часовой стрелки, если смотреть со стороны привода. Рабочее положение – горизонтальное.

Генератор ГСР-20 БК – бесколлекторная машина, выполненная на базе бесконтактного синхронного генератора с вращающимися диодами (8).

Продольный разрез конструкции генератора представлен на рис. 11.

Генератор конструктивно состоит из четырех каскадов: подвозбудителя (19); возбудителя (6); основного генератора (10); силового выпрямительного блока (3).

Подвозбудитель представляет собой нерегулируемый однофазный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов ПМ. ОЯП – обмотка якоря подвозбудителя расположена на статоре.

Возбудитель– синхронный генератор обращенного исполнения, т.е. индуктор с обмоткой возбуждения возбудителя ОВВ расположен на статоре, а якорь с обмоткой переменного тока ОЯВ – на роторе. Обмотка якоря возбудителя (ОЯВ) через роторное выпрямительное устройство (шесть диодов В4-25 с номинальным током 25 А) подключена к обмотке возбуждения основного генератора ОВГ. Соединение нейтрали ОЯВ со средней точкой ОВГ улучшает работу схемы.

Рис. 11. Конструктивная схема генератора ГСР-20БК:

1 – кронштейн; 2 – крышка; 3 – выпрямительный блок; 4 – элемент чувствительный; 5 – обмотка якоря возбудителя (ОЯВ); 6 – возбудитель; 7 – обмотка возбуждения возбудителя (ОВВ); 8 – вращающиеся диоды; 9 – обмотка возбуждения генератора (ОВГ); 10 – статор основного генератора; 11 – обмотка якоря основного генератора (ОЯГ); 12 – электромагнит; 13 – шток электромагнита; 14 – петля; 15 – шток расцепителя; 16 – упор; 17 – собачка; 18 – пружина; 19 – подвозбудитель; 20 – обмотка якоря подвозбудителя (ОЯП); 21 – ведомая муфта; 22 – ведущая муфта

Основной генератор – синхронная машина c ОВГ на роторе и ОЯГ на статоре. Его особенность заключается в том, что для усиления демпфирования явно полюсный индуктор снаружи покрыт слоем неферромагнитного металла. Якорная обмотка ОЯГ шестифазная, из двух трехфазных обмоток, уложенных в пазах статора со взаимным сдвигом в 30 электрических градусов. Каждая трехфазная ОЯГ через свое мостовое выпрямительное устройство (схема выпрямления Ларионова на диодах В7-200 с номинальным током 200 А) подключена на выходные клеммы генератора. Взаимный сдвиг трехфазных ОЯГ обеспечивает снижение пульсаций выходного (выпрямленного) напряжения.

Расцепительприводится в действие электромагнитом с обмоткой ОР (обмотка расцепителя).

Силовой выпрямительный блок размещен на статоре и служит для выпрямления переменного напряжения основного генератора. Конструкция блока силового выпрямителя генератора ГСР-20БК представлена на рис. 12. Он выполнен конструктивно совместно с задним щитом 10 и расположен непосредственно у входного воздушного патрубка 4.

Блок силового выпрямителя состоит из шести идентичных групп, каждая из которых включает в себя два вентиля 6 типа В-7-200 с номинальным током 200 А, рассчитанных на работу при температуре окружающей среды до 180°С и трех радиаторов 7.

К средним радиаторам подключаются выводы 8 трехфазных обмоток якоря синхронного генератора.

Радиаторы, расположенные со стороны входного воздушного патрубка, объединяются кольцевой медной шиной 5, соединенной с положительной клеммой генератора.

Рис. 12. Конструкция блока силового выпрямителя

Радиаторы, расположенные непосредственно у заднего щита также объединяются кольцевой шиной 11 и связаны с отрицательной клеммой генератора.

Пружинные шайбы 5 обеспечивают необходимое контактное давление в группе вентилей.

Каждая группа вентилей с помощью накладки из изоляционного материала 12 и шпилек 13 прикреплена к специальной кольцевой поддержке 9, отлитой совместно с крестовиной заднего щита.

Со стороны входного воздушного патрубка все группы вентилей объединяются специальной кольцевой поддержкой 14.

Вентили вращающегося трехфазного мостового выпрямителя 7 укреплены попарно на трех специальных радиаторах 8. На рис. 13 показано расположение на радиаторах одной группы вентилей. Каждый радиатор соединен с соответствующей фазой обмотки якоря возбудителя.

Радиаторы устанавливаются вдоль оси полого вала 1 и изолиро-ваны от него специальной втулкой из изоляционного материала 6. Между радиаторами расположены изоляционные прокладки 9.

Рис. 13. Конструкция блока вращающихся выпрямителей

Радиаторы с укрепленными вентилями и изоляционными прокладками соединены в единый конструктивный узел с помощью шпилек 2 и изоляционных фланцев 4 и 10. Шпильки 2 одновременно являются выводными клеммами вращающегося выпрямителя, к которым подключаются выводы 3 обмотки возбуждения синхронного генератора.

Фланец 4 (см. рис. 13) имеет центральное вентиляционное отверстие, связанное с распределительной втулкой 1 комбинированной испарительной системы охлаждения (КИС).

В центральную часть изоляционного фланца 10 запрессован стальной сердечник 11, который совместно с болтом 12 и пружиной 13 удерживает гибкий валик 15 в шлицевом соединении с внутренней частью составного полого вала 14. Изоляционный фланец 10 образует между собой и изоляционной втулкой 6 вентиляционные каналы (на рис13 не показаны) для прохождения охлаждающего потока воздуха или жидкости.

Радиаторы 8 имеют развитую поверхность и выполнены таким образом, что образуют продольные вентиляционные каналы, наличие которых обеспечивает интенсивное охлаждение вентилей.

Соединение генератора с блоком регулирования, защиты и управления БРЗУ-4В и другими элементами системы электропитания осуществляется через штепсельный разъем, а генератора с приводом – посредством стяжного хомута.

В генераторе применены шарикоподшипники закрытого исполнения с консистентной смазкой, обеспечивающие работоспособность генератора без дополнительного обслуживания до первого планового ремонта.

Для обеспечения развозбуждения генератора в аварийном режиме, а также сигнализации о включении и выключении генератора от бортовой сети на выводах обмотки якоря основного генератора установлены два чувствительных элемента 4, представляющих собой токовые насыщающиеся трансформаторы.

Для автоматического отсоединения вала генератора от вала привода при разрушении шарикоподшипника генератора в конструкции генератора предусмотрена расцепная муфта. Отказ шарикоподшипника вызывает смещение ротора относительно статора. При зацеплении ротора о статор и последующем закорачивании обмотки якоря основного генератора срабатывает блок БРЗУ-4В и формирует сигнал на включение расцепной муфты.

Расцепная муфта состоит из ведущей 22 и ведомой 21 муфт. В рабочем состоянии с ведущей муфтой. При этом на штоке расцепителя 15 видна кольцевая проточка, окрашенная в желтый цвет.

После поступления на электромагнит 12 электрического сигнала о расцеплении шток электромагнита 13 сталкивает собачку 17 с упора 16 и сектор штока 15 под действием пружины 18 входит в зацепление с упорной резьбой, вращающейся ведомой муфты 21.

Благодаря продолжающемуся вращению ведомой муфты, ее торцевые зубья выходят из зацепления с торцевыми зубьями ведущей муфты 22. Ведущая муфта продолжает вращаться вместе с приводом, а вал генератора останавливается. Включить ведомую муфту можно лишь при неподвижной ведущей муфте. Для этого шток 15 следует вывести в исходное положение до отказа, в котором его снова будет удерживать защелкивающий механизм. Эта операция выполняется вручную путем приложения осевого усилия к штоку через петлю 14.

Читайте также:  Электролиты растворы которые плохо проводят электрический ток

Рис. 14. Принципиальная электрическая схема ГСР-20БК

Принцип действия ГСР-20БК

Принцип действия рассмотрим по принципиальной электрической схеме, представленной на рис. 14. При вращении генератора под действием магнитного поля постоянных магнитов ПМ в обмотке якоря подвозбудителя (ОЯП) 20 наводится переменная ЭДС. Переменный ток, возникающий в цепи ОЯП, выпрямляется блоком регулирования, защиты и управления и подается в обмотку возбуждения возбудителя (ОВВ) 7.

Под действием магнитного поля, возбужденного током ОВВ, в обмотке якоря возбудителя (ОЯВ) 5 наводится переменная ЭДС. Переменный ток, возникающий в цепи ОЯВ, выпрямляется блоком вращающихся диодов 8 (VD1…VD6) и подается в обмотку возбуждения основного генератора (ОВГ) 9. Под действием магнитного поля индуктора основного генератора в обмотке якоря генератора (ОЯГ) 11 наводится переменная ЭДС. Переменный ток, возникающий в цепи ОЯГ, выпрямляется блоком силовых диодов 3 (VD7…VD18). Когда напряжение генератора достигает 15…17 В, рабочая обмотка подвозбудителя ОЯП отключается, и генератор продолжает работать в режиме самовозбуждения.

Чувствительные элементы (Э1, Э2) 4 служат для выдачи сигнала в блок БРЗУ-4В для обеспечения развозбуждения генератора в аварийном режиме, а также сигнализации о включении и выключении от бортовой сети. Работа генератора с блоком БРЗУ-4В описана в руководстве по технической эксплуатации БРЗУ-4В.

Вывод: генераторы постоянного тока являются основными источниками тока на летательном аппарате, стартеры-генераторы служат для запуска двигателя ВС. В настоящее время коллекторные генераторы постоянного тока заменяются бесколлекторными.

Источник

Какой генератор лучше щеточный или безщеточный

Бесщеточные генераторы существенно отличаются от генераторов с клювообразной магнитной системой.

В генераторе, показанном на рисунке использован интегральный регулятор напряжения. Статор 8 генератора имеет пазы, в которых расположены катушки обмотки статора, закрепленные там пазовыми клиньями. Катушки фаз соединены между собой последовательно, а фазы – в треугольник или, при пятифазной конструкции, в пятиугольник. Сердечник статора зажат между двумя крышками — задней 2, выполненной из алюминиевого сплава, и передней 1. Передняя крышка выполнена из стали, поскольку она является магнитопроводом (проводит магнитный поток, образованный неподвижной обмоткой возбуждения расположенной на втулке индуктора генератора). Индуктор 10 фланцем прижат к торцу передней крышки 1.

В бесщеточном вентильном генераторе с неподвижной обмоткой возбуждения (индукторный генератор) ротор представляет собой многолучевую стальную звездочку, насаженную на вал. Обмотка возбуждения соосна с ротором и закреплена в стальной крышке. На вал ротора генератора надеты втулка 9, в которую через дополнительный воздушный зазор проходит магнитный поток из втулки индуктора; звездочка пакета 6 ротора с шестью зубцами, набранная из стальных листов; алюминиевый фланец 7, в выступах которого, расположенных между зубцами пакета ротора, за­литы постоянные магниты. Эти магниты кроме повышения мощности генератора обеспечивают надежное его самовозбуждение, т. е. возможность работы генератора при отключенной аккумуляторной батарее.

Подшипниковый щит 12 генератора выполнен из алюминиевого сплава. Задняя крышка 2 стянута с ним шпильками. Выпрямитель­ный блок 4 расположен во внутренней полости задней крышки 2 и закреплен на ней тремя изолированными болтами. Блок регулятора напряжения 5, содержащий интегральный регулятор напряжения и подстроенный резистор, расположен на наружной поверхности задней крышки и закрыт пластмассовым кожухом.

Рис. Бесщеточный генератор:
1 – передняя крышка; 2 – задняя крышка; 3 – кожух; 4 – выпрямительный блок; 5 – блок регулятора напряжения; 6 – пакет ротора; 7 – фланец с посто­янными магнитами; 8 – статор; 9 – втулка ротора; 10 – индуктор; 11– обмотка возбуждения; 12 – подшипниковый щит

Магнитный поток, проходящий из ротора в статор через зубцы звездочки ротора, велик, а в промежутках между зубцами (по воздуху) мал. При вращении ротора напротив катушек обмоток фаз статора последовательно оказываются то зубцы, то впадины рото­ра. Пронизывающий их магнитный поток изменяется по величине, и в катушках появляется переменное напряжение. Для увеличения степени изменения магнитного потока и, следовательно, повышения мощности генератора во впадинах звездочки ротора закреплены постоянные магниты.

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Чем отличается бесщеточный (бесколлекторный) электродвигатель от щеточного (коллекторного)

Электродвигатели сегодня широко распространены во многих отраслях, в частности в промышленности и робототехнике. Кроме того, существует большой спрос на малые, эффективные электромоторы с высоким и низким крутящим моментом, а также на электродвигатели различных мощностей для автомобильного сектора.

Инженеры, работающие в этих областях, могут выбирать между коллекторными (щеточными) и бесколлекторными (бесщеточными) электродвигателями. Все они работают в соответствии с законом индукции Фарадея, тем не менее, между этими моторами есть ключевые различия, которые могут быть неочевидны для новичков в электроприводе.

Коллекторные и бесколлекторные электродвигатели постоянного тока различаются тем, как электрический ток передается на коммутатор или электромагниты, которые заставляют ротор продолжать вращаться. По сути, в щеточном двигателе ток передается механически через металлические щетки, тогда как в бесколлекторном двигателе ротор поворачивается благодаря электронике, без необходимости физических контактов.

Электродвигатели постоянного тока функционируют посредством создания магнитных полей, притяжение и противодействие которых поддерживают центральное вращение. В щеточном двигателе фиксированные магниты располагаются с обеих сторон вращающегося электромагнита, один ориентирован на положительный полюс, а другой – на отрицательный. Электромагнит формируется рядом катушек или обмоток (обычно три обмотки, размещенные в равноотстоящих точках вокруг ротора), и называется коммутатором. Когда электрический ток проходит через эти обмотки, они генерируют собственное магнитное поле, которое отталкивается и притягивается к магнитным полям, генерируемым фиксированными магнитами. Ток передается на обмотки коммутатора металлическими щетками, которые вращаются вместе с ротором. Когда двигатель включен, ток подается на электромагниты, магнитные поля которых отталкиваются одним неподвижным магнитом и притягиваются к другому, заставляя ротор вращаться. Когда ротор вращается, металлические щетки контактируют с каждой обмоткой последовательно, поэтому сопротивление и притяжение между полученными магнитными полями и полями статических магнитов поддерживают вращение электромагнита.

В бесщеточном двигателе постоянного тока позиции фиксированных магнитов и электромагнитных катушек меняются на противоположные. Теперь фиксированные магниты размещаются на роторе, а обмотки размещаются в окружающем его корпусе. Двигатель работает благодаря току, проходящему через каждую обмотку последовательно. Это отталкивает и притягивает поля неподвижных магнитов и поддерживает вращение ротора, к которому они прикреплены. Для работы такого двигателя обмотки коммутатора необходимо синхронизировать с неподвижными магнитами, чтобы поля постоянно находились в оппозиции, а ротор продолжал вращаться. Для этого требуется электронный контроллер или микропроцессор для координации приложения тока к каждой электромагнитной катушке.

Главным преимуществом бесщеточных двигателей является то, что передача тока в коммутатор не является механической. Поскольку коллекторные двигатели зависят от физического контакта металлических щеток с обмотками коммутатора, они подвержены снижению эффективности из-за трения с контактами, а также, как и все механические детали, изнашиваются после длительного периода использования. Поскольку бесщеточные двигатели меньше греются (из-за отсутствия трения), они могут работать на больших скоростях (потому что большое тепло мешает магнитным полям).

Главным преимуществом коллекторных двигателей постоянного тока является то, что они дешевле и проще в конструкции и обслуживании, чем бесколлекторные двигатели, поскольку их механизм менее сложный.

При выборе электростанции любой здравомыслящий человек в первую очередь определяется с мощностью, скрупулезно делая расчеты. И это правильно. Но нужно помнить, что выбирать такое оборудование – все равно что строить сложную геометрическую фигуру: стоит упустить из виду одну-единственную грань, и все разрушится.

Читайте также:  Период угловая скорость переменного тока

Чтобы оборудование работало долго и бесперебойно, нужно (в том числе) не ошибиться с типом альтернатора.

Альтернаторы: конструкция, назначение, виды

Первые приборы для генерации электротока назывались альтернаторами. Позднее всю конструкцию из двигателя и альтернатора, помещенную в корпус или закрепленную на раме, стали именовать генератором.

Альтернатор является важнейшей составляющей ГУ, поскольку на него возложена функция преобразования механической энергии оборотов коленвала в электроэнергию. Его основными механизмами являются ротор (подвижный) и статор (статичный).

По способу передачи магнитного поля все ГУ делятся на:

  • синхронные или щеточные – с обмотками на роторе, по которым передается магнитное поле на статор с применением скользящих контактов – щеток;
  • асинхронные – не имеющие обмоток и передающие остаточную намагниченность бесконтактным способом (другое название АА – бесщеточные).

СА более сложны по строению, поскольку имеют обмотки и щеточные узлы, соответственно более дорогостоящие и выносливые в эксплуатации. Именно они составляют львиную долю продаж ИБП – более 90% от общего количества. Но это вовсе не означает, что асинхронные альтернаторы хуже. Есть несколько технических нюансов, которые уравновешивают достоинства и недостатки обоих типов оборудования. Все зависит от того, где и с какой целью его применять.

Плюсы и минусы синхронных альтернаторов

Качественные СА должны комплектоваться медной, а не слабой алюминиевой обмоткой (будьте внимательны: некоторые производители таким образом пытаются снизить расходы на производство). Именно качественная обмотка и щеточный механизм обеспечивают равномерность тока на выходе (с отклонением не более 5 %), позволяют легко переносить повышенные нагрузки при запуске и непродолжительные колебания напряжения.

Чистый электроток очень важен для таких высокочувствительных пользователей, как ноутбуки, компьютеры, принтеры, телефоны, лабораторное и медицинское оборудование. И даже для такой привычной бытовой техники, как холодильники, ТВ, стиральные машинки также предпочтительным будет электроток, вырабатываемый синхронным генератором. Кроме того, только к щеточным ИБП можно подключать АВР (автоматический ввод резерва).

Итак, к неоспоримым плюсам щеточного узла и медной обмотки СА отнесем:

  • стабильность напряжения;
  • качественный электроток;
  • надежность в работе.

При этом постоянное движение щеток способствует чрезмерному нагреву генератора. Применяющаяся в СА воздушная система охлаждения с вентилятором в целом достаточно надежна, но имеет существенный недостаток – эффект пылесоса. Активное втягивание вовнутрь пыли, грязи, влаги часто становится причиной неполадок в системе.

Но прогресс не стоит на месте, и сегодня ведущие производители находят все новые способы защиты оборудования от внешних факторов.

Выбирая генератор, обязательно интересуйтесь, к какому классу защиты он относится.

Минусы щеточных альтернаторов:

  • попадание пыли и влаги;
  • необходимость периодического техосмотра и замены щеток;
  • высокая стоимость;
  • создание помех для радиоволн.

Сильные и слабые стороны асинхронных альтернаторов

Подвижная часть бесщеточного АА не имеет обмотки и внешне напоминает маховик. Работу таких устройств обеспечивают только магнитное поле и конденсаторы. Технически они предельно просты, долговечны, не требуют постоянных техосмотров. Пыль и засоры в бесщеточные альтернаторы не проникают, как и осадки, под каким бы углом они ни шли. Охлаждение также не требуется. Поэтому АА обладают высоким уровнем защиты. Отсутствие вентилятора и медной обмотки делают вес таких агрегатов намного меньше. Но самый главный плюс бесщеточных конструкций – невосприимчивость к КЗ, что в особенности важно для сварочных генераторов.

Итак, перечислим все достоинства АА:

  • хорошая защита;
  • небольшие габариты и масса;
  • низкая стоимость;
  • отсутствие необходимости менять щетки.

Основной недостаток бесщеточных конструкций – нестабильность выходного напряжения, связанная в первую очередь с непереносимостью пусковых реактивных нагрузок. В сопроводительных документах к АА указывается возможность отклонения от нормы в 10 %, но в реальности скачки могут быть еще больше. Подключение системы АВР к таким агрегатам не предусмотрено.

Перепады напряжения в сети могут стать причиной поломки дорогого компьютерного и другого высокоточного оборудования, поэтому при покупке электростанций с асинхронными альтернаторами необходимо дополнительно устанавливать стартовый усилитель для нормализации выходного тока. Следует отметить, что у некоторых известных производителей двигатели способны поддерживать стабильность оборотов при колебаниях в сети, что также помогает добиться стабилизации выходного напряжения.

Так какой же тип альтернатора лучше?

Это зависит от того, как именно вы будете использовать оборудование.

  1. Для подключения компьютерной и бытовой техники, а также для лабораторий, медучреждений, офисов необходим щеточный генератор, желательно с АВР.
  2. Для строительных площадок, цехов и других мест, где возможно попадание в двигатель пыли, влаги, грязи, а также для сварочных работ на сто процентов подойдет бесщеточный генератор.

Как уже было сказано, синхронные генераторные установки все же более популярны даже несмотря на высокую стоимость. Ведь если испортится подключенное к ним электронное оборудование, это обойдется намного дороже. При этом инженеры продолжают работать над совершенствованием обоих типов альтернаторов. Так, у асинхронных напряжение на выходе становится все более стабильным, а синхронные постепенно улучшают уровень защиты.

Источник

Щетки – слабое место генератора. Есть бесщеточные варианты, но их мало используют. Почему?

Если автомобильный генератор выходит из строя, то самой распространенной причиной является износ щеточного узла. Однако давным-давно изобретены бесщеточные генераторы – почему же они до сих пор не вытеснили своих якобы менее продвинутых «конкурентов»?

Самая распространенная и массовая на сегодня конструкция автомобильного генератора – с использованием графитовых щеток, подающих напряжение на обмотку ротора (так называемую «катушку возбуждения») через пару вращающихся скользящих контактов в виде медных колец на валу ротора. Подобное решение применяется на большинстве автомобилей за редким исключением, ибо оно отработано и за десятилетия подтвердило свою практичность.

В такой конструкции крайне просто и эффективно реализовано поддержание стабильного напряжения в бортсети автомобиля на любых оборотах двигателя и, соответственно, генератора – электронный блок стабилизации напряжения (который по старинке принято именовать «реле-регулятором») отслеживает уровень напряжения на выходе и уменьшает или увеличивает ток в катушке возбуждения. Как только напряжение проседает, ток увеличивается. Как только оно приближается к верхнему пределу 14,2 вольта – уменьшается. Этот процесс идет быстро и непрерывно, и в результате мы имеем стабильное напряжение и на холостых оборотах, и на высокой скорости.

Щеточный узел – сухой и слабо защищенный от песка и влаги. А все, что открыто и трется без смазки, постепенно изнашивается и отказывает. Именно щеточный узел является наиболее частым источником выходов генератора из строя. Тем более что он обычно еще и неразборно совмещен с электронным блоком стабилизации напряжения («реле-регулятором»).

Однако в последние годы слово «БЕСщеточный» (или его аналог «бесколлекторный») на слуху у «широких народных масс» (с) – оно стало известно даже относительно далеким от техники людям. В самых разных сферах быта активно пропагандируются бесщеточные электромоторы – сегодня на них летают квадрокоптеры, крутятся шуруповерты, косят газоны триммеры и работают прочие механизмы и гаджеты. Даже откровенным гуманитариям уже успешно внушили, что «щетки – это плохо: они изнашиваются, отказывают, греются и вызывают потери тока». Почему же в автомобильном генераторе щеточный узел до сих пор не исчез, тогда как в последнее время от него все чаще отказываются даже в моторчиках дешевых детских игрушек?!

Читайте также:  Производство автономных источников тока

Может быть, потому, что на бесколлекторные (или же бесщеточные – как больше нравится) технологии массово переводятся электромоторы, а мы-то ведем речь про генератор? Нет, дело не в этом. Тут как раз никаких препятствий нет. Электромотор и электрогенератор – чрезвычайно похожие по своей сути электрические машины, вдобавок зачастую обратимые: мотор способен вырабатывать ток, если его вращать принудительно, а генератор может выполнять роль мотора, если на него опять же подать ток извне.

Использовать бесщеточный генератор в автомобиле можно, это давно реализовано и практикуется. Однако выпускаются подобные генераторы весьма ограничено и массовыми почему-то не стали… Почему?

Сделать автомобильный генератор бесщеточным в принципе не так сложно. Для чего, собственно, нужны щетки? Чтобы подать через них питание 12 вольт на катушку возбуждения внутри вращающегося ротора. После чего сегментный ротор с катушкой, на которую подан постоянный ток от аккумулятора, становится многополюсным электромагнитом и порождает возникновение тока в неподвижной обмотке – в статоре.

Убрать скользящий щеточный контакт в автомобильном генераторе возможно за счет особой конструкции ротора. Для этого ротор делают удлиненным, а катушку возбуждения выполняют в виде внешнего кольца и неподвижно закрепляют на статоре. Ведь для работы генератора ротор должен стать магнитом, а как намагничивать ротор – катушкой внутри, или катушкой снаружи – непринципиально…

Первые бесщеточные генераторы с неподвижной катушкой возбуждения встречались на автомобилях и полвека назад, и даже раньше. Как правило, ставили их на коммерческий транспорт (дальнобойные грузовики) и сельскохозяйственные и строительные машины (комбайны, трактора, бульдозеры и т. п.). Первым была важна увеличенная надежность и уменьшенная вероятность отказов на длинных перегонах пути, а вторым – защита от постоянно сопровождающих их при работе абразивной пыли и влаги, способных быстро убивать щеточный узел, проникая в генератор через вентиляционные щели. В принципе, в ограниченных объемах используются они в подобных машинах и по сей день.

Однако, согласитесь: генератор, не боящийся воды и пыли, с увеличенным сроком службы благодаря отказу от трущихся насухую деталей – это весьма недурственно! Причем  неплохо для любого генератора, а не только для установленного на грузовике или комбайне! Почему же технология не распространилась на массовый легковой сегмент? Причин тут несколько.

  • Технология производства бесщеточных генераторов более многоэтапна, и генераторы в конечном итоге существенно дороже.
  • При сопоставимых технологиях производства (без дорогостоящих инноваций) бесщеточный генератор в итоге получается крупнее и тяжелее щеточного с теми же характеристиками.
  • Большинство грузовых и сельскохозяйственных «бесщеточников» имели относительно узкий диапазон рабочих оборотов, на которых они эффективны, и на холостом ходу и просто на пониженных передачах толком не заряжали аккумулятор.
  • Современные «бесщеточники» существенно усложнились, дабы сохранить компактность, одновременно получив возможность выдавать большие токи с малых оборотов и не бояться оборотов высоких. Вдобавок к неподвижной обмотке возбуждения в конструкцию добавились постоянные магниты, позволяющие увеличить токоотдачу на малых оборотах, специальные размагничивающие обмотки, нейтрализующие действие постоянных магнитов на высоких оборотах, многофазные статоры, усложненные диодные мосты.

Все это и ряд других факторов ограничивали и продолжают ограничивать распространение таких генераторов. А после эволюционной оптимизации генераторов со щетками (ставших мощнее, компактнее, линейнее и т. п.) преимущества «бесщеточников» оказались еще менее выраженными. Несмотря на явно изнашивающиеся пары трения медь-графит, реально щеточные генераторы ходят весьма долго и их не принято считать потенциально проблемным узлом автомобиля, требующим инновационных вмешательств.

Впрочем, в ряде случаев бесщеточные генераторы имеют актуальность не только на фурах и тракторах. К примеру, щеточного узла нет на некоторых генераторах ряда дизельных кроссоверов BMW и Mercedes. В их моторах применяются генераторы повышенной мощности (180-190 ампер) с водяным охлаждением, которые прикручиваются своей задней крышкой к крышке водяной рубашки двигателя с соответствующим отверстием, как бы «затыкая его своим задом», и, таким образом, частично омываются антифризом. В конструкции мощных водоохлаждаемых генераторов щетки сильно затрудняют компоновку и обслуживание, поэтому от них иногда отказываются. Также серийно встречаются такие генераторы в некоторых комплектациях серьезных рамных внедорожников типа Nissan Patrol. А уазисты любят внедрять в свои тюнингованные «котлеты» не боящиеся купания в болоте 110-амперные бесщеточные генераторы от автобусов ПАЗ. Ну а алтайский завод тракторного электрооборудования еще с советских времен (и, кажется, по сей день!) производит небольшими тиражами бесщеточный генератор для моделей ВАЗ классического (01-07) и раннего переднеприводного (08-099) семейств.

Тем не менее в конечном итоге все решает экономика и отчасти инжиниринг. На сегодняшний день в массовом потребительском автопроме надежность простейшего щеточного генератора принята за образец баланса цены, живучести и ремонтопригодности. И отходят от этого канона лишь в относительно редких случаях, когда проектирование технически сложного, продвинутого и достаточно дорогого автомобиля неизбежно требует усложненных и недешевых решений…

Источник



Бесщеточный генератор. Устройство и принцип работы

Бесщеточные генераторы существенно отличаются от генераторов с клювообразной магнитной системой.

В генераторе, показанном на рисунке использован интегральный регулятор напряжения. Статор 8 генератора имеет пазы, в которых расположены катушки обмотки статора, закрепленные там пазовыми клиньями. Катушки фаз соединены между собой последовательно, а фазы – в треугольник или, при пятифазной конструкции, в пятиугольник. Сердечник статора зажат между двумя крышками — задней 2, выполненной из алюминиевого сплава, и передней 1. Передняя крышка выполнена из стали, поскольку она является магнитопроводом (проводит магнитный поток, образованный неподвижной обмоткой возбуждения расположенной на втулке индуктора генератора). Индуктор 10 фланцем прижат к торцу передней крышки 1.

В бесщеточном вентильном генераторе с неподвижной обмоткой возбуждения (индукторный генератор) ротор представляет собой многолучевую стальную звездочку, насаженную на вал. Обмотка возбуждения соосна с ротором и закреплена в стальной крышке. На вал ротора генератора надеты втулка 9, в которую через дополнительный воздушный зазор проходит магнитный поток из втулки индуктора; звездочка пакета 6 ротора с шестью зубцами, набранная из стальных листов; алюминиевый фланец 7, в выступах которого, расположенных между зубцами пакета ротора, за­литы постоянные магниты. Эти магниты кроме повышения мощности генератора обеспечивают надежное его самовозбуждение, т. е. возможность работы генератора при отключенной аккумуляторной батарее.

Подшипниковый щит 12 генератора выполнен из алюминиевого сплава. Задняя крышка 2 стянута с ним шпильками. Выпрямитель­ный блок 4 расположен во внутренней полости задней крышки 2 и закреплен на ней тремя изолированными болтами. Блок регулятора напряжения 5, содержащий интегральный регулятор напряжения и подстроенный резистор, расположен на наружной поверхности задней крышки и закрыт пластмассовым кожухом.

Бесщеточный генератор

Рис. Бесщеточный генератор:
1 – передняя крышка; 2 – задняя крышка; 3 – кожух; 4 – выпрямительный блок; 5 – блок регулятора напряжения; 6 – пакет ротора; 7 – фланец с посто­янными магнитами; 8 – статор; 9 – втулка ротора; 10 – индуктор; 11– обмотка возбуждения; 12 – подшипниковый щит

Магнитный поток, проходящий из ротора в статор через зубцы звездочки ротора, велик, а в промежутках между зубцами (по воздуху) мал. При вращении ротора напротив катушек обмоток фаз статора последовательно оказываются то зубцы, то впадины рото­ра. Пронизывающий их магнитный поток изменяется по величине, и в катушках появляется переменное напряжение. Для увеличения степени изменения магнитного потока и, следовательно, повышения мощности генератора во впадинах звездочки ротора закреплены постоянные магниты.

Источник