Автомобильный генератор с повышенным кпд



Скачать 74.91 Kb.
Pdf просмотр
Дата02.02.2017
Размер74.91 Kb.
Просмотров151
Скачиваний0

12
Автомобильный генератор с повышенным кпд
к.т.н., доц. Гаранин А.Ю., к.т.н., доц. Пьянов М.А.
Тольяттинский государственный университет
Эксплуатационная надежность, экономичность, активная безопасность и комфортабельность автомобиля в значительной степени определяются работой его электрооборудования.
Несмотря на то, что многие автолюбители, когда речь заходит об источниках электроэнергии, в первую очередь вспоминают об аккумуляторной батарее, главной
“электростанцией” автомобиля является все-таки генератор.
Середина 90-х годов в автомобилестроении характеризовалась значительным увеличением срока службы автомобилей, снижением эксплуатационных затрат на обслуживание и ремонт, повышением требований к безопасности дорожного движения и комфорту пассажиров. В связи с этим выявилась необходимость значительного увеличения мощности генератора, срока его службы, улучшения характеристик и снижения эксплуатационных затрат. Одновременно существенно повысились требования по частоте вращения, максимальной и габаритным размерам генератора, исходя из условий его компоновки в ограниченном подкапотном пространстве автомобиля.
Поэтому совершенствование автомобильных генераторов является важнейшей задачей современной науки и техники.
Основные требования к автомобильным генераторам:
• Генератор должен обеспечивать бесперебойную подачу тока и обладать достаточной мощностью, чтобы: a. одновременно снабжать электроэнергией работающих потребителей и заряжать АКБ; b. при включении всех штатных потребителей электроэнергии на малых оборотах двигателя не происходил сильный разряд аккумуляторной батареи; c. напряжение в бортовой сети находилось в заданных пределах во всем диапазоне электрических нагрузок и частот вращения ротора.
• Генератор должен иметь достаточную прочность, большой ресурс, небольшие массу и габариты, невысокий уровень шума и радио-помех.
В современных автомобилях, как правило, применяются вентильные генераторы. Это синхронные трехфазные электрические машины переменного тока, которые — как отечественные, так и зарубежные – имеют очень похожие конструкции и отличаются, если оставить в стороне качество изготовления, только габаритами, расположением присоединительных мест и отдельных узлов.
В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. После замыкания контактов замка зажигания ток от плюсового зажима аккумуляторной батареи, через контакты замка зажигания, контрольную лампу заряда аккумуляторной батареи, обмотку возбуждения и выходной транзистор регулятора напряжения замыкается на массу.
Ток в обмотке возбуждения, расположенной на роторе, создает магнитное поле, силовые линии которого при вращении ротора, пересекают витки обмотки статора и индуктируя в них ЭДС. На выводе от трех дополнительных диодов (вывод +D) при увеличении частоты вращения ротора генератора нарастает напряжение и разность потенциалов между выводом
+В от силовых диодов, который подключен непосредственно к плюсу батареи, и выводом +D от дополнительных диодов уменьшается. Напряжение на контрольной лампе стремится к нулю, и она гаснет. Этим самым контролируется работа генератора. В дальнейшем питание обмотки ротора осуществляется от обмотки статора через три дополнительных диода, т.е. генератор работает в режиме самовозбуждения [1].
Такие генераторы имеют ряд недостатков, основным из которых является не высокий
КПД. Так, например, КПД генератора 94.3701 при средней частоте вращения коленчатого вала двигателя приблизительно составляет 50%.
С целью повышения КПД и надежности генератора, а также улучшения его массогабаритных показателей возможно применение бесконтактных генераторов с

13
возбуждением от постоянных магнитов. Такие генераторы обладаю простой электрической схемой, не потребляют энергии на возбуждение и имеют повышенный КПД, отличаются высокой надежностью работы, менее чувствительны к действию реакции якоря, чем обычные генераторы.
Также отсутствие обмотки возбуждения дает возможность при равных габаритных размерах получить большую мощность и сократить расход меди в 2 раза по сравнению с генераторами переменного тока. Более низкая частота вращения начала отдачи генератора обеспечивает лучший заряд аккумуляторной батареи при эксплуатации автомобиля в городских условиях.
Все это увеличивает срок службы генераторной установки, а повышение срока службы генератора снижает стоимость эксплуатационных затрат.
Конструкция магнитоэлектрического генератора определяется магнитными и технологическими свойствами постоянного магнита, назначением и мощностью генератора.
Магнит с относительно высоким знанием коэрцитивной силы и относительно малой остаточной индукцией, например из феррита бария, необходимо выполнять с большим поперечным сечением и малой длины. Наоборот, магниты с относительно невысоким знанием коэрцитивной силы и высокой остаточной индукцией, например из магнико, амико, амии, необходимо выполнить с небольшим поперечным сечением и большой длины, чтобы предотвратить размагничивание постоянного магнита. Итак, характеристики материала определяют форму постоянного магнита, а выбор формы магнита определяет конструкцию генератора.
Магнитные сплавы обладают высокой твердостью и хрупкостью, поэтому самым распространенным видом механической обработки большинства магнитов является шлифование. Шлифование – процесс длительный и дорогостоящий, поэтому для магнитов следует выбирать форму, которую можно получить фасонной отливкой или прессованием из порошков. Следовательно, возможностями технологии определяются конфигурации постоянного магнита.
Чем мощнее генератор, тем большая часть объема постоянных магнитов требуется.
Удовлетворительные магнитные и механические характеристики можно получить только при определенных размерах магнита и определенных соотношениях между объемом магнита и площадью наружной поверхности. Поэтому при переходе к крупногабаритным магнитам их выполняют составными.
Постоянные магниты из-за малой механической прочности не выдерживают высоких окружных скоростей. Поэтому при большой окружной скорости следует применить или специальную конструкцию ротора, или переходить на специальные индукторные системы.
Большинство генераторов, применяемых в настоящее время на мотоциклах или ранее на тракторах, выполнены с параметрическим регулированием напряжения и имеют магнитную систему с вращающимся магнитом. Такие системы отличаются одна от другой конструкцией ротора.
Главным достоинством ротора является то, что постоянный магнит защищен магнитомягкими элементами от внешних полей, а его первоначальное намагничивание осуществляется в собранном виде внешним однородным полем. Поэтому степень использования магнита достаточно высокая и рабочие индукции составляют порядка
0,6…0,7 Тл. Кроме того, магнит имеет простую форму и расположен вблизи центра ротора, что позволяет реализовать окружные скорости до 80…100 м/с, поскольку, наружные магнитомягкие элементы обладают достаточной механической прочностью.
Недостатки ротора – пониженная степень его заполнения постоянным магнитом, повышенные радиальные размеры, возможность отгиба концов когтеобразных выступов из- за центробежных сил.
Основная особенность такого генератора состоит в том, что вместо обмотки возбуждения в межполюсном пространстве ротора размещен постоянный магнит, выполненный в виде полого или сплошного цилиндра.

14
Стабилизация напряжения на выходе генератора при переменных нагрузке или частоте вращения вала производится за счет изменения насыщения спинки статора с помощью специальной тороидальной обмотки подмагничивания.
В отличии от генераторов с электромагнитным возбуждением объем активных частей магнитоэлектрического генератора определяется в первую очередь требуемым объемом постоянного магнита. Постоянный магнит как источник намагничивающий силы возбуждения в силу своих физических свойств не способен обеспечить форсировку потока и не может работать в условиях перегрузки. Если в процессе эксплуатации нагрузка генератора превысит максимальную расчетную, в магните под действием повышенных размагничивающих влияний внешних магнитных полей произойдут необратимые изменения, он размагнитится, поток его уменьшится ниже допустимых значений и генератор не будет обеспечивать заданные выходные параметры. Для восстановления свойств магнита требуется его повторное намагничивание. В связи с этим объем постоянного магнита рассчитывается исходя из максимально возможной в процессе эксплуатации намагничивающий силы и потока, т.е. исходя из максимально возможной мощности генератора вне зависимости от длительности этого режима.
Недостатки генераторов с магнитоэлектрическим возбуждением связаны с невысокими регулировочными качествами из-за того, что рабочий поток постоянных магнитов нельзя изменять в широких пределах. Однако во многих случаях эта особенность не играет определяющей роли и не препятствует применению бесконтактных генераторов с постоянными магнитами в качестве источником электрической энергии в системе электропитания и заряда аккумуляторной батареи на автомобилях и специализированном транспорте.
Тем не менее актуальна задача разработки генератора, совмещающего достоинства и электромагнитной, и магнитоэлектрической систем, а именно высокий КПД, улучшенные массогабаритные показатели и возможность регулирования потока возбуждения в широком диапазоне.
В общем случае, потери являются неизбежными для всех процессов, при которых механическая энергия преобразуется в электрическую. Показатель эффективности или КПД представляет собой отношение мощности, которая подается на какое-либо устройство, к мощности на выходе. Тремя основными источниками снижения КПД являются потери в стали, в меди и механические потери. Потери в стали - результат явления гистерезиса и вихревых токов, наводимых переменными магнитными полями в железе статора и ротора.
Потери в меди возникают из-за сопротивления в обмотках статора и ротора. Их величина пропорциональна мощности на единицу массы, т.е. отношению генерируемой электрической энергии к массе эффективных компонентов. Механические потери включают трение, возникающее в роликовых подшипниках и контактных кольцах, аэродинамическое трение в вентиляторе. Прежде всего, имеются потери мощности, необходимой для приведения в действие самого вентилятора, которые увеличиваются с повышением частоты вращения
(рисунок 1).
Повышение КПД генератора возможно за счет снижения потерь в стали и медном проводе, а также за счет уменьшения тока, необходимого для самовозбуждения генератора.
Снижение потерь в стали возможно в основном за счет применения более качественной и, соответственно, более дорогой стали магнитопровода, а также уменьшения толщины листов пакета статора, что увеличивает трудоемкость его изготовления. Таким образом, снижение этих потерь существенно повышает себестоимость генератора.
Сокращение потерь в меди связано с повышением эффективности системы охлаждения генератора и увеличением расхода дорогостоящего медного провода, что также увеличивает стоимость готового изделия.
Следовательно, наиболее перспективным направлением повышения КПД генератора, не влияющим существенно на его себестоимость, является уменьшение тока, потребляемого обмоткой ротора, величина которого достигает в современных генераторах 8 А. Автором

15
предложена конструкция автомобильного генератора, позволяющая снизить необходимый ток возбуждения до 50% [2].

Рисунок 1 – Мнемосхема мощностного баланса: Р
1
– мощность на входе,
Р
2
– мощность на выходе, Р
СТ
– потеря мощности в стали, Р
МЕХ
– механические
потери, Р
ЭЛ
– потеря мощности в меди
Магнитная система такого генератора с повышенным КПД представлена на рисунке 2.
Она включает в себя статор 1 с трехфазной обмоткой и ротор. Между ротором и статором 1 имеется воздушный зазор 2. Ротор содержит выполненные из магнитно-мягкого материала полюсные половины 3, 4 и втулку 5. Магнитный поток в магнитной системе создается обмоткой возбуждения 6 и постоянными магнитами 7 и 8, выполненными в виде колец. Одна из торцевых поверхностей каждого постоянного магнита 7 и 8 примыкает к внешней стороне полюсных половин 3 и 4. Постоянные магниты 7 и 8 намагничены в осевом направлении согласно с обмоткой возбуждения 6. К другой торцевой поверхности каждого постоянного магнита 7 и 8 примыкают магнитные шунты 9 и 10 тарельчатой формы, охватывающие своей цилиндрической частью постоянные магниты 7 и 8 со стороны наружного диаметра.
Цилиндрическая часть магнитных шунтов 7 и 8 примыкает торцевой поверхностью к соответствующей полюсной половине 3 и 4, образуя магнитную цепь для прохождения магнитного потока постоянных магнитов 7 и 8.
Рисунок 2 – Генератор с повышенным КПД
Когда обмотка возбуждения 6 выключена, магнитный поток в магнитной системе генератора создается только постоянными магнитами 7 и 8. В этом случае большая часть магнитного потока Ф1 постоянного магнита 7 замыкается через примыкающую к нему полюсную половину 3 и магнитный шунт 9, так как этот путь имеет наибольшую магнитную
Р
2
Р
эл
Р
мех
Р
ст
Р
1

16
проводимость по сравнению с параллельным путем замыкания магнитного потока от постоянного магнита 7: полюсная половина 3, втулка 5, полюсная половина 4, воздушный зазор 2, сердечник статора 1, воздушный зазор 2, полюсная половина 3, магнитный шунт 9, по которому проходит меньшая часть Ф2 потока постоянного магнита 7. Таким же образом, большая часть создаваемого магнитного потока Ф3 от постоянного магнита 8 замыкается через примыкающую к нему полюсную половину 4 и магнитный шунт 10, так как этот путь имеет наибольшую магнитную проводимость по сравнению с параллельным путем замыкания магнитного потока от постоянного магнита 8: магнитный шунт 10, полюсная половина 4, воздушный зазор 2, сердечник статора 1, воздушный зазор 2, полюсная половина
3, втулка 5, полюсная половина 4 по которому проходит меньшая часть Ф4 потока постоянного магнита 8.
Так как части Ф2 и Ф4 магнитного потока постоянных магнитов 7 и 8, проходящие через воздушный зазор 2 в сердечник статора 1 при выключенной обмотке 6 незначительны,
ЭДС, индуктируемая потоками Ф2 и Ф4 в обмотке статора 1 мала и выходное напряжение генератора минимально.
При включении обмотки 6, проходящий по ней ток, создает свой магнитный поток Фк, который замыкается через втулку 5, полюсную половину 4, воздушный зазор 2, сердечник статора 1, воздушный зазор 2, полюсную половину 3.
Магнитный поток Фк в полюсных половинах 3 и 4 ротора направлен навстречу магнитным потокам Ф1 и Ф3 . Поэтому под действием намагничивающей силы обмотки 6 эти магнитные потоки в полюсных половинах 3 и 4 исчезают, за счет чего потоки Ф2 и Ф4 возрастают и составляют (пренебрегая потоками рассеивания) полный магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами 7 и 8.
Таким образом, при включенной обмотке возбуждения 6, магнитный поток Ф2, создаваемый постоянным магнитом 7, проходит от через полюсную половину 3, втулку 5, полюсную половину 4, воздушный зазор 2, сердечник статора 1, воздушный зазор 2, полюсную половину 3, магнитный шунт 9. Магнитный поток Ф4, создаваемый постоянным магнитом 8 проходит через магнитный шунт 10, полюсную половину 4, воздушный зазор 2, сердечник статора 1, воздушный зазор 2, полюсную половину 3, втулку 5, полюсную половину 4.
При этом магнитный поток в сердечнике статора 1, индуктирующий в трехфазной обмотке ЭДС, имеет максимальную величину и состоит из суммы магнитных потоков Фк, созданного обмоткой возбуждения 6 и магнитных потоков Ф2 и Ф4, созданных постоянными магнитами 7 и 8.
Регулирование выходного напряжения генератора производится путем включения и выключения тока в обмотке возбуждения 6. В соответствии с этим магнитный поток в сердечнике статора 1, индуктирующий ЭДС в трехфазной обмотке, изменяется от минимального значения, когда обмотка 6 выключена, до максимального, когда обмотка 6 включена.
Так как магнитный поток в сердечнике статора является суммой потоков Фк, Ф2 и Ф4 , намагничивающая сила обмотки возбуждения 6 при той же величине магнитного потока в сердечнике статора может быть снижена на величину (Ф2 + Ф4). Снижение требуемой намагничивающей силы обмотки возбуждения 6 позволит уменьшить потребляемый обмоткой ток, что приведет к увеличению КПД генератора, а также создаст условия для снижения расхода медного провода при изготовлении обмотки.
Разработанная конструкция нового компактного автомобильного генератора обладает повышенным КПД. Увеличение КПД получено за счет применения новой конструкции ротора генератора, в которой часть магнитного потока возбуждения создается постоянными магнитами, закрепленными с двух сторон полюсных половин ротора. Необходимость в разработке генератора с повышенным КПД вызвана ужесточением требованиями к эксплуатационной надежности и экономичности автомобиля в целом и его отдельных узлов и агрегатов в частности.

17
С совершенствованием технологии и появлением новых дешевых сплавов с улучшенными характеристиками и высокой магнитной энергией возможно дальнейшее повышение КПД автомобильных генераторов за счет замены применяемых материалов.
Литература
1. Автомобильный справочник, Перевод с англ., Первое русское издание. – М.: Издательство "За рулем", 2000. – 896 с.
2. Автомобильный генератор: пат. 2319278 Рос. Федерация. № 2006133430/11; заявл.
18.09.2006; опубл. 10.03.2008, Бюл. № 7. 8 с.


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал