1. Генераторы постоянного тока устанавливались на автомобилях в течении многих лет, но сейчас полностью заменены генераторами переменного тока в силу ряда преимуществ.
Тем не менее, в эксплуатации еще много старых автомобилей с генераторами постоянного тока, поэтому знание основ их работы и обслуживания необходимо владельцам таких машин.
2. Интересно отметить, что обмотки ротора динамомашины при вращении в постоянном магнитном поле генерируют переменный ток, тогда как коллектор выполняет роль своеобразного выпрямителя: как только напряжение в каком-либо проводе ротора меняет полярность, так соответствующая ламель коллектора подключает его к нужной выходной клемме.
3. Принцип работы генератора постоянного тока показан на рис. 3.53. Проволочная рамка вращается между полюсами S и N постоянного магнита. Вообразим магнитные силовые линии, идущие из полюса N к полюсу S. При вращении рамки ее сторона “а” опускается вниз, пересекая силовые линии магнитного поля, тогда как сторона “b” пересекает их, поднимаясь вверх. В проводниках рамки индуцируется э.д.с, которая подводится к кольцам коллектора, вращающимся вместе с рамкой. Ток с коллектора снимается графитовыми щетками В1 и В2.
Рис. 3.53. Принцип работы генератора постоянного тока.
4. Как только рамка повернется на 90°, так что ее стороны займут крайние верхнее и нижнее положения, полукольца коллектора выйдут из контакта со своими щетками и войдут в контакт с противоположными. Теперь сторона “b” будет опускаться в области полюса N и ток в ней поменяет направление. То же случится и со стороной “а“. Однако, поскольку изменилось положение не только сторон рамки, но и полуколец коллекторе относительно щеток, то полярность напряжения на щетках не изменится и на выходе генератора мы будем наблюдать полупериоды синусоиды, направленные в одну сторону, как показано на рис. 3.53. Поскольку полярность напряжения во внешней цепи не изменяется, а лишь пульсирует, ток генератора можно использовать для заряда аккумулятора.
5. Якорь реального генератора состоит из нескольких рамок, подключенных к такому же числу коллекторных сегментов. Это, во-первых позволяет лучше использовать магнитное поле и повысить выходную мощность, а во-вторых, уменьшает пульсацию выходного напряжения генератора (см. рис. 3.54).
Рис. 3.54. Выходное напряжение генератора постоянного тока с несколькими рамками ротора.
6. Якорь генератора набран из тонких железных пластин, насаженных на стальной вал. Якорь имеет продольные пазы, в которые уложены “рамки” его обмотки (см. рис. 3.55). Железный сердечник якоря концентрирует магнитное поле статора и делает генератор еще более эффективным.
Рис. 3.55. Типичный якорь с коллектором генератора постоянного тока.
7. Железные пластины, из которых набран якорь, изолированы друг от друга. Если бы якорь был изготовлен из сплошного куска железа, его можно было бы представить как множество проводов, замкнутых между собой. При вращении якоря в магнитном поле в этих проводах индуцируются напряжения и токи (называемые вихревыми токами), которые не только будут зря разогревать якорь, но еще и потребуют для этого добавочную мощность от двигателя.
8. Коллектор генератора постоянного тока
состоит из некоторого числа медных сегментов (ламелей), собранных в цилиндр и тщательно обработанных для обеспечения хорошего контакта с графитовыми щетками (см. рис. 3.56). Каждая ламель коллектора изолирована от соседних такими материалами как миканит, стеннит или эпоксидная смола. Поскольку медь изнашивается быстрее изолятора, изолятор немного углублен по отношению к поверхности ламелей. По мере износа ламелей коллектора изоляционные прослойки приходится время от времени подрезать, что является одним из элементов обслуживания генератора.
Рис. 3.56. Многосегментный коллектор генератора постоянного тока.
9. Коллектор напрессован на вал якоря, а провода обмотки якоря припаяны к ламелям. Съем тока с ламелей осуществляется щетками, которые смонтированы в щеткодержателях (см. рис. 3.57). Щетки постоянно прижимаются к коллектору спиральными пружинами.
Рис. 3.57. Корпус щеткодержателей генератора постоянного тока.
10. В автомобильных генераторах магнитное поле создается электромагнитом. Обмотки электромагнита расположены в статоре генератора. Они создают поле, подобное полю постоянного магнита, но имеет то преимущество, что напряженностью поля можно управлять, меняя ток возбуждения. Ток, необходимый для возбуждения магнитного поля, снимается с якоря самого генератора.
11. На рис. 3.58 схематично показан принцип возбуждения магнитного поля. В действительности обмотки выполнены более
Рис. 3.58. Схема возбуждения магнитного потока в генераторе постоянного тока.
плоскими и расположены вокруг полюсных башмаков, которые привинчены к корпусу генератора (см. рис. 3.59).
Рис. 3.59. Устройство полюсов генератора постоянного тока.
12. Обмотка возбуждения состоит из двух катушек, соединенных последовательно. Каждая катушка содержит несколько сотен витков изолированного медного провода, намотанного при изготовлении на прямоугольный каркас. Снаружи обмотка изолирована хлопчатобумажной лентой.
13. На рис. 3.60 показан путь силовых линий магнитного поля через корпус, полюсные башмаки и якорь. Проводники якоря проложены в его пазах. Обратите внимание на то, что стальной корпус является частью магнитопровода, поэтому для снижения рассеяния магнитного потока в переходе от ротора к статору, необходимо уменьшать зазор между якорем и полюсными башмаками до минимально возможного. Это обстоятельство предъявляет высокие требования к точности подшипников ротора.
Рис. 3.60. Схема силовых линий магнитного поля генератора постоянного тока.
На рис. 3.61 показано расположение и типы подшипников, применяемых в генераторах постоянного тока. Некоторые изготовители устанавливают шариковые подшипники не обоих концах вала.
Рис. 3.61. Подшипники генератора постоянного тока.
14. Якорь и обмотки возбуждения могут быть соединены параллельно. Такой вид соединения известен под названием генератора с параллельным возбуждением. Железо, из которого изготовлен корпус статора, сохраняет некоторый магнетизм, даже если обмотки возбуждения обесточены. Этот остаточный магнетизм позволяет генератору начать работу без внешнего источника возбуждения.
15. На рис. 3.62 показана схема генератора с параллельным возбуждением. Если начать вращать якорь, его обмотки будут пересекать силовые линии слабого остаточного магнитного поля. При этом в якоре будет генерироваться слабая э.д.с, и в нем возникнет слабый ток, часть которого пойдет на обмотку возбуждения и усилит магнитный поток. Это в свою очередь, приведет к увеличению э.д.с, якоря и к дальнейшему увеличению тока возбуждения. Таким образом, генератор лавинообразно повышает свое выходное напряжение до номинального.
Рис. 3.62. Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением.
16. Вы можете подумать, что описанное выше лавинообразное нарастание тока возбуждения должно продолжаться до бесконечности, пока не сгорят все обмотки генератора. Видимо, так бы и происходило на самом деле, если бы не одно удачное свойство магнитного потока в железе, которое называется насыщением. Железо может пропустить лишь ограниченный магнитный поток, каким бы интенсивным ни было его возбуждение. На рис. 3.63 показано, что происходит с генерированной э.д.с, при повышении тока возбуждения. Однако, несмотря на такое саморегулирование, все же напряжение на выходе генератора может стать слишком большим для заряда аккумулятора, поэтому регулятор напряжения необходим и в генераторах этого типа.
Рис. 3.63. Характеристика генератора постоянного тока с параллельным возбуждением.
Генератор с параллельным возбуждением может работать только при одном направлении вращения, поскольку при вращении в обратную сторону э.д.с, якоря будет уменьшать остаточный магнитный поток и генератор не сможет возбудиться.
17. Таким образом, правильное направление остаточного магнитного поля жизненно необходимо для работы генератора, поэтому при замене генератора необходимо убедиться в том, что магнитное поле направлено в нужную сторону. Для этого можно отсоединить провода от контактов генератора F и D, а затем на несколько секунд подсоединить клемму (+)
аккумулятора к контакту F.
18. При работе генератора выделяется тепло, поэтому важно обеспечить его хорошую вентиляцию. Для этого в торцевых крышках генератора прорезаны окна, а на ведущем шкиве ротора закреплена крыльчатка центробежного вентилятора, который продувает воздух внутри корпуса генератора (см. рис. 3.64).
Рис. З.64. Вентиляция генератора постоянного тока.
Некоторые типы генераторов делаются полностью герметичными, например, для работы в сельскохозяйственных машинах в условиях сильной запыленности. В таких случаях для предотвращения перегрева генераторы выполняются на пониженную выходную мощность.
