Что вращает ротор в генераторе

Определение ротора и статора. Виды электромеханических устройств: асинхронные двигатели с короткозамкнутым или фазным ротором. Типы роторов: фазный и короткозамкнутый ротор.

Что вращает ротор в генераторе

Ротор — что это такое

Ротор – важная составляющая многих машин и механизмов. Наиболее важной деталью, обозначаемой при помощи данного понятия, является так называемый якорь электрического двигателя, генераторов переменного тока. Равно как и колесо, изобретение и использование ротора позволили сделать человечеству огромный шаг навстречу электрификации. Более подробно о том, что такое ротор, в каких механизмах и машинах он применяется, каких видов бывает, будет рассказано в этой статье.

Определение

С точки зрения электротехники, классический ротор – это вращающееся цилиндрическое тело, имеющее следующее строение:

  • Вал из прочной инструментальной стали с как минимум двумя подшипниками, расположенными по одному в передней и задней частях;
  • Сердечники из толстых металлических пластин;
  • Намотанные на собранные из пластин сердечники катушки;
  • Коллектор или пара специальных токопроводящих колец.

Для принудительного воздушного охлаждения вращающейся очень часто с большой скоростью детали служит расположенная в одном из его торцов крыльчатка. В генераторах вращение ротору передается от турбины, соединенной с ним через общий вал, или от работающего двигателя при помощи шкива, на который одет гибкий и прочный ремень (клинно-ременная передача).

Так, основная функция ротора – это вращение относительно неподвижной части. В электротехнике такой неподвижной частью является статор. Вместе ротор и статор являются важнейшими составляющими электродвигателей и генераторов переменного тока.

Виды электромеханических устройств

Используют ротор в таких электромеханических устройствах, как двигатели, работающие на постоянном и переменном электрическом токе, генераторы.

Агрегаты, работающие на переменном токе

К таким агрегатам относятся различные электродвигатели. Наиболее распространенная модель данного устройства состоит из следующих частей:

  • Алюминиевый или чугунный ребристый корпус с монтажной коробкой для подключения обмоток статора и ротора;
  • Статор – неподвижная часть в виде полого цилиндра, расположенная внутри корпуса. Обмотка статора состоит из 3 пар расположенных друг напротив друга намотанных в пазы корпуса катушек из медного изолированного провода
  • Цельнометаллический цилиндрический ротор с валом и пазами, в которые впаяны обладающие высокой токопроводящей способностью алюминиевые стержни.

Вращается ротор на двух опорных подшипниках, запрессованных на его валу. Охлаждение работающего на больших оборотах электродвигателя происходит, благодаря крыльчатке – небольшому вентилятору, состоящему из множества лопастей и расположенному на одном из концов вала ротора. Также эффективному охлаждению работающего агрегата способствует ребристая структура алюминиевого корпуса.

Принцип работы подобного двигателя заключается в следующем:

  1. При подключении тока к агрегату он попеременно проходит через одну из трех пар катушек статора.
  2. При протекании по парам статорных катушек электрического тока они создают магнитное поле, силовые линии которого пересекают ротор.
  3. Попеременно запитываемые пары катушек создают подвижное магнитное поле, которое по закону электромагнитной индукции провоцирует появление в неподвижных металлических стержнях ротора электрического тока.
  4. Индуцированный ток в роторе приводит к появлению силы, выталкивающей его из магнитного поля статора. Так как частота подачи тока на катушки статора в среднем составляет порядка 30 импульсов в секунду, появившаяся в роторе выталкивающая сила приводит к его вращению с большой скоростью.

Важно! В зависимости от одновременности вращения ротора и порождающего это движение магнитного поля электрический двигатель переменного тока может быть синхронный (ротор агрегата вращается синхронно с магнитным полем статора) и асинхронный (вращение якоря не синхронизировано с движением магнитного поля статора). Первый вид отличается высокой мощностью и надежностью, в то время как второй характеризуется большим разнообразием конструкций и областей применения.

Машины постоянного тока

Наиболее распространенный электродвигатель постоянного тока щеточного вида представляет собой электрический агрегат, состоящий из:

  • Чугунного корпуса с ребрами охлаждения и специальным монтажным коробом для подключения обмоток агрегата;
  • Вала из прочной инструментальной стали с двумя подшипниками;
  • Якоря, состоящего из сердечника (набора пластин из специальной электротехнической стали), якорной обмотки (размещенных в пазах сердечника катушек из медного провода);
  • Индуктора, состоящего из полюсов возбуждения с намотанными на них катушками из медного провода;
  • Коллектора – расположенных на валу медных пластин, к которым подключаются выводы катушек якорной обмотки;
  • Подпружиненных графитовых или металлографитовых щеток (щеточной группы).

Охлаждается такой двигатель, как и аналог, работающий от переменного тока, – расположенной на валу крыльчаткой.

Важно! В отличие от электродвигателя переменного тока частотой вращения ротора в таком силовом агрегате управляет специальный блок, который при помощи установленного на валу датчика Холла определяет положение ротора и его скорость.

Работает подобный агрегат следующим образом:

  1. На обмотку возбуждения подается напряжение, создавая тем самым постоянное магнитное поле;
  2. Через щетки и коллектор напряжение подается на катушки сердечника якоря – возникающее при этом магнитное поле отталкивается от такого же, образованного индуктором, вследствие чего двигатель начинает вращаться («запускается»);
  3. Впоследствии при вращении через щетки запитываются остальные катушки якорной обмотки, что приводит к равномерному вращению якоря с определённой скоростью.

Останавливают вращение такого агрегата прекращением подачи напряжения на щеточную группу.

Помимо описанных выше электромоторов, к машинам, работающим на постоянном токе, относится также роторный стартер – устройство, необходимое для запуска бензиновых и дизельных автомобильных двигателей внутреннего сгорания.

Типы роторов

В зависимости от области применения и строения, роторы бывают следующих типов:

  • Фазный – якоря данного типа представляют собой совокупность намотанных на сердечник катушек, расположенных относительно друг другу под углом 1200. Концы проводов катушек выводятся к пластинам коллектора и запитываются при помощи щёточного узла.
  • Короткозамкнутый –ротор такого типа состоит из цельного цилиндра с пазами, в которые укладываются стержни из электролитической меди или алюминия. Концы таких стержней соединяются между собой кольцом. Коллектора и щеточного узла в агрегатах, оборудованных подобным якорем, не имеется.

Двигатели с фазным типом якоря отличаются большими размерами и весом, но при этом обладают прекрасным пуском и регулировкой. Агрегаты с короткозамкнутыми роторами имеют меньшие размеры, меньшую подверженность поломкам, простоту в эксплуатации.

Разобравшись в том, что такое собой представляют ротор и статор, можно получить не только полезные теоретические знания, но и практические навыки: зная устройство агрегатов, работающих на постоянном и переменном токе, можно при наличии неисправности проверить работоспособность их основных узлов, определить, виноваты ли в поломке намотка якоря, статор, щеточный или коллекторный узел.

Также ответив на вопрос «ротор что это такое» и углубившись в устройство данной детали, можно производить перемотку сгоревших обмоток самостоятельно, что, в свою очередь, является достаточно востребованной и высокооплачиваемой работой.

Видео

Как работает электрический генератор

Функция любого электрического генератора — вырабатывать электрический ток. Но на самом деле генератор ничего не производит, а лишь преобразует один вид энергии — в другой (как это и свойственно всем энергетическим процессам в природе). Чаще всего, произнося словосочетание «электрический генератор», имеют ввиду машину, преобразующую механическую энергию — в электрическую.

Механическая энергия может быть получена от расширяющегося под давлением газа или пара, от падающей воды или даже вручную. В любом случае для получения от генератора электрической энергии, ему необходимо сначала передать эту энергию в приемлемой форме, чаще всего в механической.

— А откуда у вас электричество?
— Два гигантских хомяка крутят колёса в секретном бункере.

Остаться в живых (Lost)

Генераторы, работающие посредством механического привода, — доминирующий вид генераторов в современном мире. Такие генераторы работают на атомных и гидроэлектростанциях, в автомобилях, в дизельных и бензиновых генераторах, на ветряках, в ручных динамо-машинах и т. д. Пар, бензин, ветер — служат источниками механической энергии, вращающей ротор генератора.

Пример работы простого электрогенератора:

На роторе генератора закреплена обмотка намагничивания или постоянные магниты. В последние годы широкое распространение получают генераторы с неодимовыми магнитами на роторе, так как современные неодимовые магниты не уступают по своим характеристикам мощной обмотке намагничивания.

Принцип выработки электрической энергии в генераторе основан на явлении электромагнитной индукции, которое заключается в том, что изменяющийся в пространстве магнитный поток индуцирует вокруг этого пространства электрическое поле.

И если в область где присутствует это индуцированное электрическое поле поместить проводник, то в нем наведется (будет индуцирована) ЭДС — электродвижущая сила, и между концами проводника можно будет наблюдать (измерить, использовать для питания нагрузки) соответствующее напряжение.

Изменяющийся магнитный поток получается в генераторе при помощи движущихся вместе с ротором магнитов или полюсных наконечников, намагничиваемых специальными обмотками — обмотками намагничивания. Обмотки намагничивания обычно получают питание через щетки и контактные кольца.

Применение генератора для электрификации модели железной дороги:

Провода, в которых наводится ЭДС (электрическое напряжение) в генераторе, представляют собой обмотку статора, расположенную, как правило, в магнитопроводе, закрепленном на неподвижной части электрической машины. Эта обмотка у генераторов разного типа может быть выполнена различным образом.

В трехфазных генераторах переменного тока приняты обмотки статора, изготовленные по трехфазной схеме, — три части такой трехфазной обмотки могут быть соединены «звездой» или «треугольником».

Соединение звездой позволяет получить от генератора напряжение большей величины, чем при соединении треугольником. Разница в напряжениях составит корень из 3 раз (около 1,73). Чем больше напряжение — тем меньше максимальный ток, который можно получить от данного генератора на нагрузке.

Работа электрического генератора на электростанции:

Номинальная мощность генератора зависит от нескольких факторов, которые определяют его номинальные ток и напряжение. Напряжение на выходных клеммах генератора зависит от длины обмотки (провода) статора, от скорости вращения ротора и от индукции магнитного поля на его полюсах. Чем эти параметры больше — тем большее напряжение получается с генератора на холостом ходу и под нагрузкой.

Портативный генератор (мини-электростанция) для автономного электроснабжения:

Максимальный ток, который можно получить от генератора, теоретически ограничен его током короткого замыкания. Практически при номинальных оборотах он зависит от толщины провода обмотки статора и от общего магнитного потока ротора.

Если магнитного потока не достаточно, в некоторых случаях прибегают к увеличению оборотов. Но тогда генератор обязательно должен быть оснащен автоматическим регулятором напряжения, как это реализовано в автомобильных генераторах, которые способны выдавать приемлемый для зарядки аккумулятора ток в широком диапазоне оборотов.

Принцип действия генератора

Принцип действия генератора.

В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку, например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется переменное электрическое напряжение. И, наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток.

Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются катушка, по которой протекает постоянный электрический ток, образующий магнитный поток — называемая обмоткой возбуждения, и стальная полюсная система, назначение которой подвести магнитный поток к внешним катушкам, называемым обмоткой статора, в которых наводится переменное напряжение.

Эти катушки помещены в пазы стальной конструкции, магнитопровода (пакета железа) статора. Обмотка статора с его магнитопроводом образует собственно статор генератора, его важнейшую неподвижную часть, в которой образуется электрический ток, а обмотка возбуждения с полюсной системой и некоторыми другими деталями (валом, контактными кольцами) — ротор, его важнейшую вращающуюся часть.

Читайте также  Форсировка возбуждения синхронных генераторов

Питание обмотки возбуждения может осуществляться от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении. При этом остаточный магнитный поток в генераторе,

т. е. поток, который образуют стальные части магнитопровода при отсутствии тока в обмотке возбуждения, невелик и обеспечивает самовозбуждение генератора только на слишком высоких частотах вращения. Поэтому в схему генераторной установки, там, где обмотки возбуждения не соединены с аккумуляторной батареей, вводят такое внешнее соединение, обычно через лампу контроля работоспособного состояния генераторной установки. Ток, поступающий через эту лампу в обмотку возбуждения, после включения зажигания и обеспечивает первоначальное возбуждение генератора.

Сила этого тока не должна быть слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею, но и не слишком малой, т. к. в этом случае генератор возбуждается при слишком высоких частотах вращения, поэтому фирмы-изготовители оговаривают необходимую мощность контрольной лампы обычно 2. 3 Вт.

Обычно сила тока катушки возбуждения 1..5% от выходного тока. То есть, что получается. На обмотку возбуждения подаем (для примера возят авто генератор) 12В 3…5А, а получаем 13..14В 55А (в зависимости от генератора). Получаемый КПД более 1!

Ага!, скажите вы, а как же мощность, затрачиваемая на то, что бы вращать этот генератор?

Вот это мы и рассмотрим дальше:

При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно «северный», и «южный» полюсы ротора, т. е. направление магнитного потока, пронизывающего катушку, меняется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения. Частота получаемого напряжения f зависит от частоты вращения ротора генератора N и числа его пар полюсов р: f=p*N/60. За редким исключением зарубежные или отечественные автогенераторы имеют по шесть «южных» и шесть «северных» полюсов в магнитной системе ротора. В этом случае частота f в 6 раз больше частоты вращения ротора генератора.

То есть, что получается: ротор это постоянный магнит и с помощью движения этого магнита воздается вращающееся поле. Получается эффект электромагнитной индукции. Если катушку, например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется переменное электрическое напряжение. Вопрос, а можно ли сделать так, что бы заставить магнитное поле вращаться без механического вращения ротора?

Из физики нам известно, что вращающееся магнитное поле возникает как результирующее поле при наложении двух или более переменных магнитных полей, имеющих одинаковую частоту и сдвинутых одно относительно другого по фазе и в пространстве.

Если поставить две катушки под углом 90 градусов между их осями и подключить к ним два источника постоянного тока, то поля этих катушек, складываясь, будут образовывать результирующее магнитное поле. Общий вектор индукции катушек, будет представлять собой геометрическую сумму векторов индукции полей двух катушек. Поэтому направление результирующего поля можно изменять в пределах 360 градусов путем изменения направления тока в катушках и поочередного их отключения.

Короче, что бы создать вращающее поле, нужно просто переключать пару катушек, что и делается в коллекторных двигателях при вращении ротора. Да, только, что бы переключать катушки не обязательно вращать для этого ротор.

Ведь, что получается? Достаточно вынуть ротор и вставить две катушки развернутых относительно друг друга на 90 градусов, переключая их создать вращающее поле и все. Ни какого вращения не надо.

Да, но почему это не применяют, подумал я, может ошибаюсь? И тогда я провел свой первый эксперимент:

Я взял коллекторный двигатель, подключил к щеткам постоянное напряжение и от руки крутанул. На выходе получил напряжение, естественно малое. То есть, у меня уже как бы был генератор. Потом я взял такой же двигатель, снял с него коллектор и щетки. Щетки насадил на отдельный двигатель и подключил к ним постоянное напряжение, а коллектор спаял с коллектором моего новоиспеченного генератора. Включил двигатель щеток, и все получилось. Мой генератор не вращался и давал напряжение. Вращались только отдельно вынесенные щетки, которые можно заменить на электронный эквивалент, что и было сделано в дальнейшем.

Получается, что достаточно взять щеточный генератор (надо смотреть, как намотан ротор) и не вращать его ротор, а подавать на щетки переключающее напряжение. Да, положение ротора по отношению к статору надо будет выставлять.

Вот вам направление для размышления и без нарушения законов физики. На самом деле вращающие поля это широкое поле для деятельности, о которых говорил в свое время Тесла, а к нему стоит прислушаться. Новый генератор работает по тем же принципам, как и всякий генератор, только мы вращаем не ротор, а поле, а так все тоже самое. Ротор это постоянный магнит и с помощью движения этого магнита воздается вращающее поле. Получается эффект электромагнитной индукции. Если катушку, например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется переменное электрическое напряжение. При вращении ротора, вращаем поле.

Переключая катушки, вращаем поле, вот и вся разница. Заменили вращение ротора на электронное или механическое (что хуже) переключение катушек обмотки (электротехника).

Вращающее магнитное поле возникает как результирующее поле при наложении двух или более переменных магнитных полей, имеющих одинаковую частоту и сдвинутых одно относительно другого по фазе и в пространстве.

Если поставить две катушки под углом 90 градусов между их осями и подключить к ним два источника постоянного тока, то поля этих катушек, складываясь, будут образовывать результирующее магнитное поле. Общий вектор индукции катушек, будет представлять собой геометрическую сумму векторов индукции полей двух катушек. Поэтому направление результирующего поля можно изменять в пределах 360 градусов путем изменения направления тока в катушках или поочередного их отключения.

Теперь нам не надо тратить энергию на вращение ротора преодолевая трение и всякие другие силы и т. д.

Я предлагаю крутить не ротор целиком, а щетки!

Посчитай КПД генератора с вычетом затрачиваемой мощности на вращение. Вот представь, что работает генератор, крутиться, выдает напряжение. Если не брать в расчет вращение, то какой КПД? Что такое генератор? Это магнит, который вращается между обмотками статора.

С помощью вращения этого магнита мы создаем вращающее поле, то есть, тратим энергию вращения на то, Что бы создать вращающее поле. Вопрос, а можно ли создать вращающее поле без вращения? Да. Оказывается можно, и на этом принципе работают все двигатели. Надо только на роторе симулировать процесс создания вращающего поля как в двигателях, то есть, переключением полярности в катушках. Что у нас получиться? Да тоже, самое, будет вращаться поле между обмотками статора, но только при этом мы не будем применять механических усилий на вращение.

Я приводил простой пример автомобильного генератора. Обмотка возбуждения 12В 3А, выход 14В 55А. Вопрос, откуда лишняя мощность? (не считая затрачиваемой на вращение) Описать физику процесса слабо?

Исследуя процесс, на первый взгляд напрашивается решение разделить обмотки ротора и статора на пары. После чего рассмотреть систему из нескольких трансформаторов – но это не правомерно, так как в предложенном генераторе имеется вращающееся магнитное поле, а в трансформаторах используется пульсирующее магнитное поле. Эти поля различны, хотя бы тем что вращающееся поле может работать в режиме перенасыщения сердечника, а пульсирующее на перенасыщаемом сердечнике сильно теряет энергию.

В принципе можно создать трансформатор на вращающемся магнитном поле, но его не следует путать с промышленными 3-х фазными трансформаторами, где магнитное поле все же пульсирует.

Патенты на трансформаторы с вращающемся магнитным полем встречаются, и в них явно намекается на необычные характеристики в отличии от обычных трансформаторов.

Трансформатор на вращающемся магнитном поле интересен еще тем, что имеет возможность выдавать напряжение более высокой частоты, чем подводящее, если добавить дополнительные выходные обмотки с разным пространственным расположением — это похоже основной признак использования вращающегося магнитного поля.

Снимать энергию с вращающегося магнитного поля необходимо с полного круга, иначе часть энергии теряется в пространстве пропорционально пропущенному участку.

Генераторы: как они устроены, и как их ремонтируют

Уважительное «геннадий» или панибратское «гена» неспроста написаны с маленькой буквы! Это не имя автослесаря, а шутливо-жаргонное прозвище электрогенератора – одного из важнейших узлов автомобиля, практически не изменившего свою конструкцию за несколько десятилетий. Давайте познакомимся с «геннадием» поближе, изучив его сильные и слабые стороны и поняв, с каких фронтов можно ждать сюрпризов по электрической части автомобиля.

«Дитя света»

А втомобильный генератор в современном понимании порожден любовью человечества к электрическому свету. Машины эпохи зари автомобилизма имели лишь простейший узел под названием «магнето» – миниатюрный генератор, совмещенный с прерывателем зажигания, интегрированный в корпус двигателя и выдающий исключительно высоковольтные импульсы для работы свечей. Ни лампу, ни какой-то иной потребитель электроэнергии к магнето подключить было нельзя, поэтому машины XIX века освещали дорогу карбидными лампами, в которых горел ацетилен – от двигателя внутреннего сгорания помощи ждать не приходилось.

Однако достаточно скоро стало очевидно, что двигатель автомобиля должен порождать больше электричества: не только для собственной работы, но и для работы внешних потребителей – фар, клаксона, измерительных приборов передней панели, зарядки батареи и тому подобного. Поэтому рядом с высоковольтной «искровой» обмоткой магнето появилась дополнительная обмотка – низковольтная, дающая бортовое напряжение. МАГнето + ДИНамО-машина = магдино. Так стали называться первые генераторы.

Но поскольку магнето и магдино традиционно встраиваются непосредственно в двигатель, мощность их ограничена небольшими габаритами. И как только стало ясно, что рост мощности генераторов неизбежен, «гена» стал внешним – он переехал на кронштейн на блоке цилиндров и вращение стал получать от внешней передачи – ременной, а иногда цепной или шестеренчатой.

Первые генераторы вырабатывали постоянный ток, однако после развития в середине ХХ века полупроводниковой промышленности и появления мощных выпрямительных диодов генераторы стали производить переменный ток, который затем выпрямлялся до постоянного диодными мостами. Смена типа тока позволила скачкообразно в несколько раз и понизить габариты и массу генераторов, и поднять их мощность.

Собственно, современный генератор практически идентичен тому, что стоял на машинах, разработанных и 10, и 20, и 30, и более лет тому назад. Двигатели и КПП год за годом усложняются, а едва ли не главный внешний электроагрегат остается практически неизменным. Его конструкция неидеальна, но являет собой золотой баланс свойств и стоимости. Появляются, правда, дополнительные узлы и усовершенствования – например, вместо элементарного шкива для ремня на генератор может устанавливаться обгонная муфта, как в стартерном бендиксе, или в обмотке статора увеличивается количество катушек и усложняется диодный мост, но большинство генераторов все же по-прежнему обходятся классической конструкцией.

Читайте также  Шток натяжителя генератора 1118

Как устроен генератор

Две половинки корпуса, отлитые из алюминия, образуют «бочонок» и стянуты друг с другом болтами. Внутри «бочонка» расположена кольцевая обмотка – катушка статора, с которой мы снимаем переменное напряжение. Снаружи к этой обмотке подключен диодный мост, прикрытый пластиковой защитной полукрышкой и делающий из переменного напряжения постоянное. Через корпус генератора проходит ось – вал, вращающийся на двух подшипниках и приводимый в движение за шкив ремнем от коленвала двигателя.

На валу генератора установлен и вращается вместе с ним ротор с катушкой внутри – электромагнит. Через пару скользящих контактов и угольные щетки на него подает управляющий ток регулятор напряжения, следящий за тем, чтобы генератор выдавал на выходе 14 вольт – без регулятора величина напряжения будет зависеть от оборотов и способна достичь нескольких десятков вольт, опасных для 12-вольтового автомобильного электрооборудования.

Неисправности генератора

Генератор на большинстве машин достаточно прост по конструкции, и благодаря этому количество разновидностей его неисправностей невелико, а диагностика несложна. «Плавающих» проблем, которые затруднительно выловить и локализовать, в нем практически никогда не бывает.

Самые слабые узлы генератора – не механические, а электронные: это диодный мост, состоящий из шести мощных диодов, объединенных в три группы на алюминиевой пластине-радиаторе, и регулятор напряжения. Выходят из строя они из-за перегрузки (из-за систематической работы с перегрузкой от нештатных потребителей тока, если прикуривать чужую машину, не заглушив свой двигатель, или из-за короткого замыкания в банках аккумулятора), из-за появления микротрещин от постоянной смены подкапотной температуры в широких пределах и проникновения в трещины влаги, а также иногда и вовсе без видимых причин – с электроникой это случается… В регуляторе напряжения еще вдобавок со временем стачиваются графитовые щетки. При этом и диодный мост, и регулятор напряжения в сборе со щетками могут быть заменены на новые.

На втором месте по выходу из строя – подшипники. Их в генераторе два — более мощный и массивный передний, а также задний – меньших габаритов. Страдает чаще всего передний, поскольку на него приходятся и нагрузка от туго натянутого ремня, и проникновение пыли и влаги извне. Подшипники проявляют себя гулом и визгом, который исчезает, если завести мотор при снятом ремне генератора. Они также могут быть заменены новыми.

На третьем месте – более неприятные неисправности, хотя и, к счастью, более редкие. Могут сточиться до основания два медных колечка на валу – контакты для питания обмотки ротора, по которым скользят графитовые щетки регулятора напряжения. Колечки эти достаточно долговечны, поскольку пружины щеток слабенькие, но, отработав несколько комплектов щеток, кольца с годами могут прийти в негодность. В качестве запчастей встречаются не всегда, и для конкретной модели генератора их можно не найти… Если же купить удалось, то снимаются с вала они единым блоком (залиты в пластик), и одним блоком же ставятся новые.

Еще от старости может произойти разрушение изоляции проводов обмотки статора и возникнуть короткое замыкание между витками. Как правило, такое ремонтировать невыгодно, хотя в принципе перемотка возможна. Неисправности типа разрушения корпуса рассматривать, наверное, не стоит, хотя и они, безусловно, случаются, и, как ни странно, некоторые отечественные производители генераторов поставляют в розничную продажу половинки «бочонка».

Ремонт генератора

Теперь рассмотрим ремонт генератора на живом примере. Автомобиль ВАЗ-2115 приехал на сервис с проблемой отсутствия зарядки аккумулятора. Электрик, к его чести, не приговорил, не глядя (как это часто делается), диодный мост и регулятор скопом, а сперва проверил проводку к генератору, затем (не снимая генератор с машины) извлек из него регулятор напряжения и проверил его при помощи внешнего источника напряжения 15-16 вольт и нагрузочной лампы, сымитировав штатную работу – регулятор оказался исправен. Целыми оказались и щетки регулятора, контактные кольца на валу и обмотка ротора. После этого мастер посветил фонариком на диодный мост, увидел обугленный диод, сделал вывод о неисправности моста… и предложил полную замену генератора!

Почему? Все просто: на наш генератор, рожденный Ржевским заводом автотракторного электрооборудования ЭЛТРА, модели 5102.3771, устанавливается 80-амперный диодный мост МП13-80-3-2, который стоит в магазине… 909 рублей, и меняется он не так, как, скажем на старой-доброй «девятке», где это делалось при помощи отвертки и без снятия генератора с машины. В нашем случае мост меняется с использованием мощного паяльника, и генератор для этого, по-хорошему, должен лечь на верстак. Это изрядная возня, требующая к тому же определенной аккуратности. Мастер не захотел связываться с этим менее, чем за 2 000 рублей, и намекнул владельцу, что стоимость запчасти и ремонта почти в 3 000 рублей на генератор 2006 года выпуска выглядят бледно на фоне цены нового генератора в сборе в 4 450 рублей. Иначе говоря, можно за 3 000 починить, а можно за дополнительные 1 500 рублей к цене ремонта получить нового «гену» на гарантии, с новыми подшипниками, обмотками, гарантированно лишенными усталостных трещин лака, и так далее. Владелец согласился с такими доводами, и генератор был заменен на новый.

Вот такой неожиданный исход… Мы хотели понаблюдать за недорогим восстановительным ремонтом, а столкнулись с крупноузловой дорогостоящей заменой. Впрочем, ремонт уже завершен, машина восстановила подвижность и уехала, и у нас появилась возможность в спокойной обстановке внимательно взглянуть на генератор изнутри, изучить конструкцию и разобраться, прав ли был мастер. Более того, нам никто не запрещает починить его самостоятельно.

Генератор изнутри

Разборку генератора начинаем со снятия шкива с вала: 6-ручьевой шкив под поликлиновый ремень аккуратно зажимаем в тисках через алюминиевые прокладки и откручиваем гайку пневмогайковертом. Легкие следы замятия на шкиве не страшны, если они контролируемы и прогнозируемы – ни канавки, ни кромки не деформированы.

На валу виден паз под шпонку, однако шпонки самой нет, как нет и паза для нее в шкиве. На данном генераторе шкив крепится трением – затяжкой гайки с гровером с упором во внутреннее кольцо подшипника, а через него – в ротор.

Снимаем пластиковую «полукрышку», под которой прячутся диодный мост и регулятор напряжения. Видим, что мост неисправен – пробит как минимум один диод из шести. Это заметно даже без проверки тестером – видно, что диод обуглен.

Регулятор напряжения снимается легко – откручиванием двух гаек М8. Электрически его уже проверяли, визуально тоже видно, что щетки изношены незначительно. Продуваем, вытираем и откладываем в сторону.

Что вращает ротор в генераторе

Воропаев Е.Г.
Электротехника

Если в рассмотренных выше асинхронных машинах ротор имел частоту вращения, отличную от частоты вращения магнитного поля статора, то в синхронных эти частоты равны между собой.
Синхронные машины могут работать как генераторами, так и двигателями.
В зависимости от типа привода синхронные генераторы получили и свои названия.
Турбогенератор, например, — это генератор, приводимый в движение паровой турбиной, гидрогенератор вращает водяное колесо, а дизель — генератор механически связан с двигателем внутреннего сгорания.
Синхронные двигатели широко применяют для привода мощных компрессоров, насосов, вентиляторов.
Синхронные микродвигатели используют для привода лентопротяжных механизмов регистрирующих приборов, магнитофонов и т.д.

6.1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Статор синхронной машины по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя. В пазах статора размещается трехфазная, двухфазная или однофазная обмотки.
Заметное отличие имеет ротор, который принципиально представляет собой постоянный магнит или электромагнит.
Это налагает особые требования на геометрическую форму ротора. Любой магнит имеет полюса, число которых может быть два и более.
На рис. 6.1.1 приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.

Быстроходными бывают, как правило, турбогенераторы. Количество пар магнитных полюсов у них равно единице. Чтобы такой генератор вырабатывал электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц, его необходимо вращать с частотой

На гидроэлектростанциях вращение ротора зависит от движения водяного потока. Но и при медленном вращении такой генератор должен вырабатывать электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц.
Поэтому для каждой гидроэлектростанции конструируется свой генератор, на определенное число магнитных полюсов на роторе.
В качестве примера приведем параметры синхронного генератора, работающего на Днепровской ГЭС.
Водяной поток вращает ротор генератора с частотой n = 33,3 об / мин. Задавшись частотой f = 50 Гц, определим число пар полюсов на роторе:

Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, кото-рое, пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. При подключении к генератору нагрузки генератор будет являться источником переменного тока.

6.2. ЭДС СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Как было показано выше, величина наводимой в обмотке статора ЭДС количественно связана с числом витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:

Переходя к действующим значениям, выражение ЭДС можно записать в виде:

где n — частота вращения ротора генератора,
Ф — магнитный поток,
c — постоянный коэффициент.
При подключении нагрузки напряжение на зажимах генератора в разной степени меняется. Так, увеличение активной нагрузки не оказывает заметного влияния на напряжение. В то же время индуктивная и емкостная нагрузки влияют на выходное на-пряжение генератора. В первом случае рост нагрузки размагничивает генератор и снижает напряжение, во втором происходит его подмагничивание и повышение напряжения. Такое явление называется реакцией якоря.
Для обеспечения стабильности выходного напряжения генератора необходимо регулировать магнитный поток. При его ослаблении машину надо подмагнитить, при увеличении — размагнитить. Делается это путем регулирования тока, подаваемого в обмотку возбуждения ротора генератора.

6.3. СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

6.3.1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Конструкция синхронного двигателя такая же, как и у синхронного генератора.
При подаче тока в трехфазную обмотку статора в нем возникает вращающееся магнитное поле. Частота вращения его определяется формулой:

где f — частота тока питающей сети,
р — число пар полюсов на статоре.
Ротор, являющийся часто электромагнитом, будет строго следовать за вращаю-щимся магнитным полем, т.е. его частота вращения n2 = n1.
Рассмотрим принцип действия синхронного двигателя на следующей условной модели (рис. 6.3.1.). Пусть магнитное поле статора будет смоделировано системой вращающихся магнитных полюсов N — S.

Ротор двигателя тоже представляет собой систему электромагнитов S — N, кото-рые «сцеплены» с полюсами на статоре. Если нагрузка на двигателе отсутствует, то оси полюсов статора будут совпадать с осями полюсов ротора ( = 0).
Если же к ротору подключена механическая нагрузка, то оси полюсов статора и ротора могут расходиться на некоторый угол .
Однако «магнитное сцепление» ротора со статором будет продолжаться, и частота вращения ротора будет равна синхронной частоте статора (n2 = n1). При больших значениях ротор может выйти из «сцепления» и двигатель остановится.
Главное преимущество синхронного двигателя перед асинхронным — это обеспечение синхронной скорости вращения ротора при значительных колебаниях нагрузки.

Читайте также  Электромашинное возбуждение синхронных генераторов

6.3.2. СИСТЕМА ПУСКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Как мы показали выше, синхронное вращение ротора обеспечивается «магнитным сцеплением» полюсов ротора с вращающимся магнитным полем статора.
В первый момент пуска двигателя вращающееся магнитное поле статора возникает практически мгновенно. Ротор же, обладая значительной инерционной массой, прийти в синхронное вращение сразу не сможет. Его надо «разогнать» до подсинхронной скорости каким-то дополнительным устройством.
Долгое время роль разгонного двигателя играл обычный асинхронный двигатель, механически соединенный с синхронным.
Ротор синхронного двигателя приводится во вращение до подсинхронной скорости. Далее двигатель сам втягивается в синхронизм.
Обычно мощность пускового двигателя составляет 5-15 % от мощности синхронного двигателя. Это позволяет пускать в ход синхронный двигатель только вхолостую или при малой нагрузке на валу.
Применение пускового двигателя мощностью, достаточной для пуска синхронного двигателя под нагрузкой делает такую установку громоздкой и дорогой.
В последнее время используется так называемая система асинхронного пуска синхронных двигателей. С этой целью в полюсные наконечники забивают стержни, напоминающие собою короткозамкнутую обмотку асинхронного двигателя (рис. 6.3.2.1).

В начальный период пуска синхронный двигатель работает как асинхронный, а в последующем — как синхронный. В целях безопасности обмотку возбуждения в начальном периоде пуска закорачивают, а на заключительном подключают к источнику по-стоянного тока.

6.4. РЕАКТИВНЫЙ СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

В лабораторной практике, в быту и в маломощных механизмах применяют так называемые реактивные синхронные двигатели.
От обычных классических машин они отличаются лишь конструкцией ротора. Ротор здесь не является магнитом или электромагнитом, хотя по форме напоминает собой полюсную систему.
Принцип действия реактивного синхронного двигателя отличен от рассмотренного выше. Здесь работа двигателя основана, на свободной ориентации ротора таким образом, чтобы обеспечить магнитному потоку статора лучшую магнитную проводимость (рис. 6.4.1).

Действительно, если в какой-то момент времени максимальный магнитный поток будет в фазе А — X, то ротор займет положение вдоль потока ФА. Через 1/3 периода максимальным будет поток в фазе В — У. Тогда ротор развернется вдоль потока ФВ. Еще через 1/3 периода произойдет ориентация ротора вдоль потока. ФС. Так непрерывно и синхронно ротор будет вращаться с вращающимся магнитным полем статора.
В школьной практике иногда, при отсутствии специальных синхронных двигателей, возникает необходимость в синхронной передаче.
Эту проблему можно решить с помощью обычного асинхронного двигателя, если придать ротору следующую геометрическую форму (рис. 6.4.2).

6.5. ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Этот тип двигателя является машиной постоянного тока, хотя принцип действия его напоминает синхронный реактивный двигатель.
Как видно из рис. 6.5.1, статор двигателя имеет шесть пар выступающих полюсов.

Каждые две катушки, расположенные на противоположных полюсах статора, образуют обмотку управления, включаемую, в сеть постоянного тока. Ротор — двухполюсный.
Если подключить к источнику постоянного тока катушки полюсов 1 — 1′, то ротор расположится вдоль этих полюсов. Если задействовать катушки полюсов 2 — 2′, а ка-тушки полюсов 1 — 1′ обесточить, то ротор повернется и займет положение вдоль полю-сов 2 — 2′. Такой же поворот ротора произойдет, если включить в сеть катушки полюсов 3 — 3′. Так, шагами, ротор будет «следовать» за своей обмоткой управления.
Преимуществом шаговых двигателей является то, что в них совершенно отсутствует «самоход». Они поворачиваются и строго фиксируются с шагом, пропорциональ-ным числу полюсов на статоре. Это качество делает его незаменимым в особо точных механизмах (для привода часов, механизмов подачи ядерного топлива в реакторах, в станках с ЧПУ и т.д.).
Управление шаговыми двигателями ведется с применением различных электронных устройств (триггеров Шмидта и др.).

6.6. КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Безколлекторные асинхронные и синхронные двигатели при многих положительных качествах имеют существенные недостатки. Они не допускают достаточно плавного и экономичного регулирования вращения.
Этот пробел частично восполняют коллекторные двигатели переменного тока.
Коллекторные двигатели бывают однофазными и трехфазными.
Ротор однофазного коллекторного двигателя выполнен в виде цилиндра с фазными обмотками, статор — явнополюсный.
Так как обмотка полюсов статора, подключаемая к сети переменного тока, создает пульсирующее магнитное поле, то все элементы магнитной цепи машины набираются из отдельных листов электротехнической стали.
Вращающий момент в однофазном коллекторном двигателе создается взаимодействием токов в обмотке ротора с магнитным потоком полюсов. На рис. 6.6.1- показана схема подключения к сети коллекторного двигателя.

Коллекторные двигатели могут работать как от сети переменного тока, так и от сети постоянного тока. Это обстоятельство послужило для присвоения им наименования универсальных коллекторных двигателей. Коллекторные двигатели широко при-меняются для привода швейных машин, пылесоса и т.д.

Принцип работы и устройство генератора переменного тока

В настоящее время для вырабатывания электрической энергии применяются в основном синхронные генераторы. Асинхронные машины используются чаще всего как двигатели.

Генераторы, производящие переменный ток, в общем случае состоят из неподвижной обмотки — статора и подвижной – ротора.

Отличие синхронной машины от асинхронной состоит в том что в первых магнитное поле статора вращается одновременно с движением ротора, а в асинхронных либо опережает либо запаздывает от поля в ротора.

Широкое распространение синхронных машин обусловлено их качественными параметрами. Синхронные генераторы вырабатывают высокостабильное напряжение, пригодное для подключения широкого спектра электроприборов.

При КЗ в нагрузке или большой потребляемой мощности, по обмоткам статора протекает значительный ток, который может привести к выходу генератора из строя. Для таких машин обязательно наличие охлаждения – на вал ротора помещают турбину, охлаждающую всю конструкцию.

В виду этого синхронные генераторы чувствительны к условиям окружающей среды.

Асинхронные генераторы в большинстве случаев имеют закрытый корпус и нечувствительны к большому пусковому току энергопотребителей.

Однако для их работы нужен внешний мощный подмагничивающий ток. В целом асинхронные генераторы вырабатывают нестабильное напряжение. Достаточно широко такие генераторы распространены как источники энергии для сварочных аппаратов.

Синхронные генераторы распространены как преобразователи механической энергии в электрическую на гидростанциях, ТЭЦ, в качестве бытовых бензо- и дизельгенераторов, в качестве бортовых источников энергии на транспорте.


Принцип работы и устройство генератора переменного тока

Статоры синхронного и асинхронного генератора не отличаются друг от друга по конструкции.

Сердечник статора состоит из нескольких пластин электротехнической стали, изолированных между собой и собранных в единую конструкцию (Рис. 1 ). На пазы с внутренней стороны статора устанавливаются катушки обмоток.

Для каждой фазы обмотка включает в себя две катушки, установленные напротив друг друга и соединенные последовательно. Такая схема обмоток называется двухполюсной.

Всего на статоре установлено три катушечные группы (Рис. 2), со сдвигом в 120 градусов. Фазовые группы соединены между собой в «звездой» или «треугольником». Встречаются катушечные группы с большим числом полюсов. Угол сдвига катушки относительно друг друга рассчитывается в общем случае по формуле (2π/3)/n, где n–количество полюсов обмотки.

Ротор генератора представляет собой электромагнит, возбуждающий в статоре переменное магнитное поле. Для малогабаритных генераторов небольшой мощности зачастую на роторе расположены обычные магниты
.

Ротор синхронного генератора нуждается во внешнем возбудителе – генераторе постоянного тока, в простейшем случае установленному на том же валу что и ротор.

Возбудитель должен обеспечивать изменение тока в роторе для регулирования режима работы и возможность быстрого гашения магнитного поля при аварийном отключении.

Роторы различаются на явнополюсные и не явнополюсные. Конструкция явнополюсных роторов (Рис. 3)состоит из полюсов электромагнитов 1, образованных полюсными катушками 2, соединенными с сердечником 3. Возбуждение на обмотку подается через кольцевые контакты 4.

Такие роторы применяются при небольшой частоте вращения, например в гидротурбинах. При более быстром вращении вала, возникают значительные центробежные силы, которые могут разрушить ротор.

В этом случае используют не явнополюсные роторы (Рис. 4). Не явнополюсный ротор содержит пазы 1, образованные в сердечнике 2. В пазах закрепляются роторные обмотки (на Рис. 4 условно не показаны). Внешнее возбуждение также передается через контакты 3. Таким образом, ротор с неявными полюсами представляет собой статор «наизнанку».

Магнитное двухполюсное поле вращающего ротора можно заменить аналогичным полем постоянного магнита, вращающегося с угловой скоростью ротора. Направление тока в каждой обмотке определяется по правилу буравчика.

Если ток, например направлен от начала обмотки А к точке X, то такой ток будет условно принят за положительный (Рис. 5 ). При вращении ротора в обмотке статора возникает переменный ток, со сдвигом по фазе в 2 π/3.

Для привязки изменения тока фазы А к графику рассмотрим вращение по часовой стрелки. В начальный момент времени, магнитное поле ротора не создает ток в катушечной группе фазы А, (Рис. 6, положение а).

В обмотке фазы B действует отрицательный (от конца обмотки к началу), а в обмотке фазы С – положительный токи. При дальнейшем вращении ротор сдвигается на 90 градусов вправо (Рис.6, б). Ток в обмотке А занимает максимальное положительное значение, а в фазовых обмотках Bи С – промежуточное отрицательное.

Магнитное поле ротора сдвигается еще на четверть периода, ротор сдвинут на угол в 180 градусов(Рис. 6, в). Ток в обмотке А снова достигает нулевого значения, в обмотке В положительный, в обмотке фазы С – отрицательный.

При дальнейшим вращении ротора в точке фазовый ток обмотке А достигает максимального отрицательного значения, ток в обмотках В и С – положительный (Рис. 6, г). Дальнейшее вращение ротора повторяет все предыдущие фазы.

Синхронные генераторы предназначены для подключения нагрузки с большим коэффициентом мощности (cosϕ>0.8). При росте индуктивной составляющей нагрузки возникает эффект размагничивания ротора, приводящий к снижению напряжения на выводах.

Для его компенсации, приходится увеличивать ток возбуждения, приводящий к увеличению температуры обмоток. Емкостная нагрузка напротив, увеличивает подмагничивание ротора и увеличивает напряжение.

Однофазные генераторы достаточно мало распространены в промышленности. Для получения однофазного тока фазовые обмотки трехфазного соединяют в общую цепь. При этом возникают небольшие потери по мощности по сравнению с трехфазным включением.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Яков Кузнецов/ автор статьи

Приветствую! Я являюсь руководителем данного проекта и занимаюсь его наполнением. Здесь я стараюсь собирать и публиковать максимально полный и интересный контент на темы связанные ремонтом автомобилей и подбором для них запасных частей. Уверен вы найдете для себя немало полезной информации. С уважением, Яков Кузнецов.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
NEVINKA-INFO.RU
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: