Генераторные установки постоянного тока

До 60-х годов основным источником электрической энергии на автомобилях являлись генераторы постоянного тока.

Схема электроснабжения автомобиля показана на рис. 4.1.

Генератор постоянного тока состоит из статора — неподвижно­го корпуса, вращающегося якоря с обмотками и коллектора со ще­точным узлом. Вращающийся якорь, снабженный обмотками, пере­секающими магнитное поле статора, индуцирует в обмотках ЭДС. В каждой секции обмотки якоря ЭДС меняется и по величине и по направлению в зависимости от ее положения относительно магнит­ного поля.

Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока, где подводимая механическая энергия преобразуется в электрическую энергию постоянного тока. Для этого воспользуемся упрощенной схемой генератора постоянного тока (рис. 4.2). В магнитном поле постоянного магнита вращается стальной сердечник, в продольных пазах которого расположен диаметральный виток abcd Начало d конец а этого витка присоединены к двум взаимно изолиро­ванным медным полукольцам. Образующим коллектор, который вращается вместе со стальным цилиндром. По коллектору сколь­зят неподвижные контактные щетки А и В, от которых отходят провода к потребителю энергии R. Стальной сердечник с витком (обмоткой) и коллектором обра­зует вращающуюся часть машины постоянного тока — якорь.

Рис. 4. 1. Структурная схема системы электроснабжения автомобиля

Если с помощью какой-либо внешней силы вращать якорь, то стороны витка будут пересекать магнитное поле и в обмотке якоря будет возникать ЭДС:

e = 2Blu

где В — индукция; l — длина стороны витка; u — скорость переме­щения пазовых сторон витка.

Рис. 4.2. Упрощенная схема генератора постоянного тока.

Так как длина и скорость перемещения пазовых сторон обмотки якоря неизменны, то е обмотки якоря прямо пропорциональна В, а форма графика ЭДС определяется законом распределения магнит­ной индукции S, размещенной в воздушном зазоре между поверх­ностью якоря и полюсом самого магнита. Так, например, магнитная индукция в точках зазора, лежащих на оси полюсов, имеет макси­мальные значения (рис. 4.3, а): под северным магнитным полюсом (N) — положительное значение и под южным магнитным полюсом (S) — отрицательное. В точках n и n’ лежащих на линии, проходя­щей через середину межполисного пространства, магнитная индук­ция равна нулю.

Допустим, что магнитная индукция в воздушном зазоре рас­сматриваемой схемы распределяется синусоидально:B=B_maxsin£. Тогда ЭДС витка при вращении якоря будет также изменяться по синусоидальному закону. Угол а определяет изменение положения якоря относительно исходного положения. На рис. 4.3, а показан ряд положений витка abcd (обмотки) в различные моменты времени за один оборот якоря. При а, равном 360°, ЭДС якоря равна нулю, а при а, равном 270°, имеет максимальное значение, причем отрица­тельное. Таким образом, в обмотке якоря генератора постоянного тока наводится переменная ЭДС, и, следовательно, при подключении нагрузки в обмотке будет переменный ток (рис. 4.3, б, линия 7). За время второго полуоборота якоря, когда ЭДС и ток в обмотке якоря отрицательны, ЭДС и ток во внешней цепи генератора (в на­грузке) не меняют своего направления, т. е. остаются положитель­ными, как и в течение первой половины оборота якоря.

Рис. 4.3. Принцип действия генератора постоянного тока: а — различные поло­жения витка обмотки; б — преобразование переменного тока якоря в постоян­ный ток внешней цепи; 1 — ток в обмотке якоря; 2 — ток во внешней цепи

Действительно, при a = 90° щетка А соприкасается с коллектор­ной пластиной проводника d, расположенного под полюсом N, и имеет положительный потенциал, а щетка В — отрицательный, так как она соприкасается с пластиной коллектора, соединенной со стороной а витка, находящейся под полюсом S. При a = 270°, когда стороны а и d поменялись местами, щетки А и В сохраняют неиз­менной свою полярность, так как полукольца коллектора также по­менялись местами и щетка А по-прежнему имеет контакт с коллек­торной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полю­сом N₉ а щетка В — с коллекторной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полюсом 5. В результате ток во внеш­ней цепи не изменяет своего направления (рис. 4.3, б, линия 2), т. е. переменный ток обмотки якоря с помощью коллектора и щеток преобразуется в постоянный. Ток во внешней цепи постоянен лишьпо па-правлению, а его величина изменяется, т. е. ток пульсирует.

Рис. 4.4. Генератор с двумя витками в обмотке якоря: a — схема генератора; б — пульса­ция тока; 1,2 — ток в обмот­ках якоря; 3 — ток во внеш­ней цепи

Пульсации тока и ЭДС значительно ослабляются, если обмотку якоря вы­полнить из большого числа равномерно распределенных по поверхности сер­дечника витков и увеличить соответст­венно число коллекторных пластин. Например, при двух витках на сердеч­нике якоря (четырех пазовых сторо­нах), оси которых смещены относи­тельно друг друга на угол 90°, и четырех пластинах в коллекторе (рис. 4.4, а). В этом случае ток во внешней цепи ге­нератора пульсирует с удвоенной часто­той, но глубина пульсации значительно меньше (рис. 4.4, б). Если витков в об­мотке якоря от 12 до 16, то ток на выхо­де генератора практически постоянен.

На рис. 4.5 представлена конструк­ция генератора постоянного тока.

Рис. 4.5. Генератор постоянного тока: 1 и 16 — крышки; 2 и 12 — шариковые подшипники; 3 и 10 —масленки; 4 — корпус; 5 — соединительный провод; 6 — защитная лента; 7 и 11 — стяжные болты; 8 — щеткодержатель положительной щетки; 9 и 25— уплотнительные манжеты; 13 — защитный колпачок; 14— отра­жательная шайба; 15— отрицательная щетка; 17 — щеткодержатель отрицатель­ной щетки; 18— коллектор; 19 — обмотка якоря; 20— конец обмотки возбужде­ния; 21 — сердечник якоря; 22 — вал якоря; 23 — полюсный сердечник; 24 — ка­тушка обмотки возбуждения; 26— крыльчатка шкива; 27 — шкив.