Генератор (автомобильный)
Генератор переменного тока — это тип электрического генератора, используемый в современных автомобилях для зарядки аккумулятора и питания электрической системы при двигателе работающем .
До 1960-х годов в автомобилях использовались динамо- генераторы постоянного тока с коммутаторами . Когда кремниевые диодные выпрямители стали широко доступны и доступны по цене, генератор постепенно заменил динамо-машину. Этому способствовало увеличение электрической мощности, необходимой для автомобилей в этот период, а также увеличение нагрузки от более крупных фар, электрических дворников, подогрева задних стекол и других аксессуаров.
История
[ редактировать ]Автомобильные генераторы современного типа впервые были использованы в военных целях во время Второй мировой войны для питания радиооборудования специальных транспортных средств. [я] После войны другие транспортные средства с высокими требованиями к электричеству, такие как машины скорой помощи и радиотакси, также могли быть оснащены дополнительными генераторами переменного тока. [1]
Генераторы были впервые представлены в качестве стандартного оборудования на серийном автомобиле корпорацией Chrysler на модели Valiant в 1960 году, на несколько лет раньше, чем Ford и General Motors . [1] [2]
Магнето в ранних автомобилях
[ редактировать ]Некоторые ранние автомобили, такие как Ford Model T , использовали другой тип системы зарядки: магнето с приводом от двигателя , которое генерировало переменный ток низкого напряжения, который подавался на катушки тремблера , которые обеспечивали высокое напряжение, необходимое для генерации искр зажигания. (Это отличалось от настоящего магнето зажигания , которое напрямую генерирует высокое напряжение.) Поскольку такая система магнето зависела только от движения двигателя для выработки тока, ее можно было использовать даже при запуске двигателя, проворачиваемого вручную, при условии, что кривошип был резко потянут. , чтобы магнето производило достаточный ток для образования хорошей искры в катушках.
Модель Т имела магнето, встроенное в маховик двигателя. В первой модели T магнето использовалось исключительно для зажигания катушки тремблера. Начиная с 1915 модельного года, Форд добавил электрические фары, также работающие от магнето. [3] [4] Схема магнето работала исключительно на переменном токе, без батареи. (На катушках зажигания был переключатель для использования вместо батареи аккумулятора, что могло быть полезно при запуске двигателя в холодную погоду, но компания Ford не предоставила батарею и не поощряла ее использование до того, как в 1919 году представила электрический стартер. Владелец придется самому устанавливать аккумулятор и заряжать его снаружи.)
Начиная с 1919 модельного года, Форд модернизировал Модель Т, включив в нее электростартер, который был стандартным для некоторых моделей и дополнительным для других. Эта стартовая установка также включала батарею, заряжаемую обычной динамо-машиной, и фонари теперь питались от батареи. Однако магнето маховика по-прежнему приводило в действие зажигание, и, поскольку модели без стартера не имели аккумулятора, они продолжали использовать фары с магнитным питанием. [5] [6]
Преимущества перед динамо-машинами
[ редактировать ]Генераторы переменного тока имеют ряд преимуществ перед генераторами постоянного тока ( динамо-машинами ). Генераторы бывают:
- Легче, дешевле и прочнее
- Может обеспечить полезный заряд на холостом ходу
- Используйте контактные кольца , значительно продлевающие срок службы щеток по сравнению с коллектором (или полностью бесщеточные конструкции).
- Щетки генератора переменного тока проводят только постоянный ток возбуждения, который составляет небольшую часть тока, переносимого щетками генератора постоянного тока, которые несут всю выходную мощность генератора.
набор выпрямителей ( диодный мост необходим Для преобразования переменного тока в постоянный ) . Для обеспечения постоянного тока с малой пульсацией применяется многофазная . обмотка и полюсные наконечники ротора имеют профилированную форму (клешнево-полюсный) Автомобильные генераторы переменного тока обычно имеют ременный привод со скоростью, в 2–3 раза превышающей частоту вращения коленчатого вала, - скорости, которые могут привести к разлету коллектора в генераторе. Генератор работает на различных оборотах (которые меняют частоту), поскольку он приводится в движение двигателем. Это не проблема, поскольку переменный ток выпрямляется в постоянный .
Регуляторы генератора также проще, чем регуляторы генераторов. Регуляторы генератора требуют реле отключения для изоляции выходных катушек (якоря) от батареи на низкой скорости; эта изоляция обеспечивается диодами выпрямителя генератора переменного тока. Кроме того, большинство регуляторов генераторов имеют ограничитель тока; генераторы переменного тока по своей природе ограничены по току.
Операция
[ редактировать ]
Конструкция с когтевым полюсом создает сигнал переменного тока, который выпрямляется более эффективно, чем синусоидальный сигнал.
Несмотря на свои названия, и «генераторы постоянного тока» (или «динамо-машины»), и «генераторы переменного тока» изначально производят переменный ток. В так называемом «генераторе постоянного тока» этот переменный ток генерируется во вращающемся якоре, а затем преобразуется в постоянный ток с помощью коммутатора и щеток. В генераторе переменного тока переменный ток генерируется в неподвижном статоре, а затем преобразуется в постоянный с помощью выпрямителей (диодов).
Типичные генераторы переменного тока для легковых автомобилей и легких грузовиков используют конструкцию Lundahl или «когтевую опору». При этом на роторе используется профилированный железный сердечник для создания многополюсного поля из одной обмотки катушки. Полюса ротора выглядят как сцепленные друг с другом пальцы двух рук. Катушка установлена внутри нее аксиально, а ток возбуждения подается с помощью контактных колец и угольных щеток. Обмотки возбуждения и статора этих генераторов охлаждаются осевым потоком воздуха, создаваемым внешним вентилятором, прикрепленным к шкиву приводного ремня. [7]
Современные автомобили теперь используют компактную компоновку генератора переменного тока. Он аналогичен электрически и магнитно, но имеет улучшенное воздушное охлаждение. Лучшее охлаждение позволяет получить больше мощности от машины меньшего размера. Корпус имеет характерные радиальные вентиляционные прорези на каждом конце и теперь закрывает вентилятор. Используются два вентилятора, по одному на каждом конце, а воздушный поток является полурадиальным, входит в осевом направлении и выходит радиально наружу. [8] Обмотки статора теперь состоят из плотной центральной ленты, в которой железный сердечник и медные обмотки плотно упакованы, и концевых полос, где обмотки более открыты для лучшей теплопередачи. Меньшее расстояние между сердечниками ротора улучшает магнитную эффективность. Закрытые вентиляторы меньшего размера производят меньше шума, особенно на более высоких скоростях машины. [8]
Генераторы переменного тока также могут иметь водяное охлаждение в автомобилях.
Более крупные транспортные средства могут иметь генераторы переменного тока с катушкой возбуждения, аналогичные более крупным машинам. [9]
Обмотки трехфазного генератора переменного тока могут быть соединены по треугольника или звезды ( звезда ). схеме [10]
Бесщеточные версии генераторов этого типа также распространены в более крупной технике, такой как шоссейные грузовики и землеройные машины. Благодаря двум подшипникам вала увеличенного размера, являющимся единственными изнашиваемыми деталями, они могут обеспечить чрезвычайно длительную и надежную работу, даже превышающую интервалы между капитальными ремонтами двигателя.
Регулирование поля
[ редактировать ]Автомобильным генераторам переменного тока требуется регулятор напряжения , который работает путем модуляции небольшого тока возбуждения для создания постоянного напряжения на клеммах аккумулятора. В ранних конструкциях (около 1960–1970-х годов) использовалось дискретное устройство, установленное в другом месте автомобиля. В промежуточных конструкциях (около 1970–1990-х годов) регулятор напряжения был встроен в корпус генератора. В современных конструкциях регулятор напряжения вообще отсутствует; регулирование напряжения теперь является функцией блока управления двигателем (ECU). Ток возбуждения намного меньше выходного тока генератора; например, генератору переменного тока на 70 А может потребоваться ток возбуждения всего 2–3 А. Ток возбуждения подается на обмотки ротора через контактные кольца. Низкий ток и относительно гладкие контактные кольца обеспечивают большую надежность и более длительный срок службы, чем у генератора постоянного тока с коллектором и более высоким током, пропускаемым через его щетки.
Обмотки возбуждения питаются от аккумуляторной батареи через замок зажигания и регулятор. Параллельная цепь питает сигнализатор «зарядки» и заземлена через регулятор (поэтому индикатор горит, когда зажигание включено, но двигатель не работает). Когда двигатель работает и генератор вырабатывает мощность, диод подает ток возбуждения с основного выхода генератора, выравнивая напряжение на предупреждающем индикаторе, который гаснет. Провод, подающий ток возбуждения, часто называют проводом «возбудителя». Недостаток такой схемы заключается в том, что если контрольная лампа перегорит или провод «возбудителя» отсоединится, ток не достигнет обмоток возбуждения и генератор не будет вырабатывать мощность. Некоторые цепи сигнальных индикаторов оснащены резистором, включенным параллельно лампе, который пропускает ток возбуждения, если контрольная лампа перегорает. Водителю следует проверить, горит ли предупредительный индикатор при остановленном двигателе; в противном случае не будет никаких признаков неисправности ремня, который также может привести к охлаждению. водяной насос . Некоторые генераторы переменного тока автоматически возбуждаются, когда двигатель достигает определенной скорости.
В последние годы, [ когда? ] Регуляторы генератора связаны с компьютерной системой автомобиля, и при регулировании напряжения, подаваемого генератором, оцениваются различные факторы, включая температуру воздуха, полученную от датчика температуры всасываемого воздуха, датчика температуры аккумулятора и нагрузку двигателя.
Выходной ток
[ редактировать ]Старые автомобили с минимальным освещением могли иметь генератор переменного тока, способный выдавать только 30 ампер . Типичные генераторы переменного тока для легковых автомобилей и легких грузовиков рассчитаны на ток около 50–70 А. [ нужна ссылка ] хотя более высокие рейтинги становятся все более распространенными, особенно в связи с увеличением нагрузки на электрическую систему автомобиля с кондиционером , электроусилителем рулевого управления и другими электрическими системами. Очень большие генераторы переменного тока, используемые в автобусах, тяжелом оборудовании или машинах скорой помощи, могут вырабатывать ток 300 А. Полугрузовики обычно имеют генераторы переменного тока мощностью 140 А. Очень большие генераторы переменного тока могут иметь водяное или масляное охлаждение.
Эффективность
[ редактировать ]Эффективность автомобильных генераторов ограничена потерями на охлаждение вентилятора, потерями в подшипниках, потерями в железе, потерями в меди и падением напряжения на диодных мостах. Эффективность резко снижается на высоких скоростях, главным образом из-за сопротивления вентилятора. На средних оборотах КПД современных генераторов составляет 70–80%. [11] Это лучше, чем очень маленькие высокопроизводительные генераторы переменного тока с постоянными магнитами, например те, которые используются в системах освещения велосипедов , которые достигают эффективности около 60%. Более крупные электрические машины с постоянными магнитами (которые могут работать как двигатели или генераторы переменного тока) сегодня могут достичь гораздо более высокого КПД. Пеллегрино и др., [12] например, предложите не особо дорогие конструкции, показывающие обширные области, в которых эффективность превышает 96%. Большие генераторы переменного тока, используемые на электростанциях, работают на тщательно контролируемых скоростях и не имеют ограничений по размеру или весу. Они имеют очень высокий КПД, достигающий 98%.
Гибридные автомобили
[ редактировать ] |
Гибридные электромобили заменяют отдельные генератор переменного тока и стартер одним или несколькими комбинированными двигателями/генераторами, которые запускают двигатель внутреннего сгорания, передают часть или всю механическую мощность колесам и заряжают большую аккумуляторную батарею. Когда присутствует более одного двигателя/генератора, как в гибридном синергическом приводе, используемом в Toyota Prius и других автомобилях, один может работать как генератор и питать другой как двигатель, обеспечивая электромеханический путь для передачи некоторой мощности двигателя. к колесам. Эти двигатели/генераторы имеют значительно более мощные электронные устройства для управления, чем описанный выше автомобильный генератор переменного тока.
Сноски
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]
- ^ Jump up to: а б «Альтернаторы и генераторы» . Аллпар .
- ^ «Валиант от Крайслера» (PDF) . Доблестный рекламный буклет . Крайслер Корпорейшн (Австралия). 1962.
Еще один «первый» Chrysler… потрясающий новый генератор переменного тока.
- ^ «Энциклопедия: 1915 год» . Модель Т Форд Клуба Америки .
- ^ «Энциклопедия: 1915 и 1916 годы [подробное описание]» . Модель Т Форд Клуба Америки .
- ^ «Энциклопедия: 1919 год» . Модель Т Форд Клуба Америки .
- ^ «Энциклопедия: 1917 по 1920 годы [подробное описание]» . Модель Т Форд Клуба Америки .
- ^ «Электрические системы и электроснабжение». Автомобильный справочник (3-е изд.). Бош . 1993. стр. 770–1. ISBN 0-8376-0330-7 .
- ^ Jump up to: а б Босх и 3-й , с. 771
- ^ Босх и 3-й , стр. 771–772.
- ^ «Понимание трехфазных генераторов переменного тока…» windstuffnow.com . Проверено 24 июля 2012 г.
- ^ Хорст Бауэр (ред.) Автомобильный справочник, 8-е издание , Robert Bosch GmbH, Штутгарт, 2011 г., ISBN 978-0-8376-1686-5 , стр. 993
- ^ Г. Пеллегрино, А. Вагати, П. Гульельми, «Сравнение производительности накладных и внутренних приводов с постоянными магнитами для электромобилей» IEEE Transactions по промышленной электронике, том 59, № 2, февраль 2012 г., стр. 809
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
