Генераторы различаются в первую очередь по роду тока и по способу их возбуждения на генераторы переменного или постоянного тока и на генераторы с независимым (принудительным) возбуждением или с самовозбуждением.

Для заряда батарей необходим постоянный ток, поэтому все автомобильные генераторы имеют выходное напряжение только постоянного тока. Деление генераторов по роду тока условное. К генераторам постоянного тока относятся те генераторы, выпрямление тока у которых осуществляется с помощью коллектора и щеток (щеточно-коллекторный узел таких генераторов является механическим выпрямителем).

К генераторам переменного тока относятся генераторы, выпрямление тока у которых осуществляется выпрямительным блоком на полупроводниковых диодах. Генераторы постоянного и переменного тока значительно отличаются по устройству и внешнему виду. В соответствии с рисунком 2 представлен внешний вид генераторов постоянного и переменного тока.

а б

а – генератор постоянного тока Г 6,5; б – генератор переменного тока Г 290

Рисунок 2 – Генераторы ВАТ и автотракторной техники

Любой генератор состоит из двух основных функциональных узлов: якоря и индуктора. Якорь та часть генератора, в которой наводится ЭДС. Индуктор создаёт магнитное поле, с помощью которого наводится ЭДС в обмотках якоря. У генераторов постоянного тока ротор является якорем, а статор – индуктором, у генераторов переменного тока – наоборот, ротор является индуктором, а статор – якорем.

Генераторы переменного тока имеют существенные достоинства по сравнению с генераторами постоянного тока, такие как:

- более высокая удельная мощность;

- меньший расход дорогостоящей меди и более простая технология изготовления генераторов;

- высокая надежность из-за отсутствия щеточно-коллекторного узла (ток нагрузки снимается с неподвижной части, так как якорем генератора является статор), а через щётки и контактные кольца подаётся небольшой ток в обмотку возбуждения;

- меньший объем работ по техническому обслуживанию.

Различные типы генераторов ВАТ и автотракторной техники существенно различаются по своему исполнению. Возбуждение генераторов может осуществляться от электромагнитов и постоянных магнитов. Генераторы с возбуждением от постоянных магнитов по ряду причин, главной из которых является их малая удельная мощность, не нашли широкого применения.

Генераторы с электромагнитным возбуждением классифицируются в зависимости от схемы включения обмотки возбуждения следующим образом:

- если обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока, то такой генератор называется генератором с независимым (принудительным) возбуждением (генераторы переменного тока);

- если же обмотка возбуждения питается от зажимов якоря самого генератора, то такой генератор называется генератором с самовозбуждением (генераторы постоянного тока).

Генераторы могут иметь различное исполнение. Обмотка возбуждения генератора должна быть включена параллельно обмотке якоря, чтобы обеспечить возможность регулирования напряжения генератора при изменении нагрузки и частоты вращения его ротора. Но генераторы постоянного тока большой мощности имеют смешанное возбуждение. Кроме основной параллельной обмотки у них имеется еще и дополнительная последовательная обмотка, которая снижает падение напряжения генератора при больших нагрузках и искрение между щетками и коллектором.

Номинальные напряжения генераторных установок, в состав которых входят автотракторные генераторы и генераторы ВАТ постоянного и переменного тока, должны быть 14 или 28 В. Такое напряжение необходимо для заряда аккумуляторных батарей машины, которые заряжаются от генераторной установки при постоянной величине зарядного напряжения из расчета (2,3 – 2,4) В на один аккумулятор. Для работы в бортовой сети с двумя уровнями регулируемого номинального напряжения применяются генераторы, имеющие разное конструкционное исполнение. Существуют генераторы на два уровня напряжения (в автомобилях с двумя последовательно соединенными аккумуляторными батареями и с приемниками электрической энергии различных уровней). В этом случае одни приемники питаются от напряжения 14 В (12 В при неработающем генераторе), а другие (в первую очередь система электростартеного пуска) – от 24 В. При заряде батарей применяется напряжение 28 В [1].

В каждой электрической цепи наряду с чисто активным сопротивлением имеется разной величины емкостные и индуктивные сопротивления. При всех процессах коммутации (включения-выключения) электрических цепей возникают большие перепады напряжения, которые ведут к образованию электромагнитных волн в диапазоне радиочастот.

Для надежной работы средств связи, которые устанавливаются на ВАТ для управления войсками на марше и поле боя, применяются средства подавления радиопомех, что позволяет обеспечить надежность управления войсками и скрытность их перемещения. Для подавления радиопомех, создаваемых электрооборудованием машины, применяются различные помехоподавляющие средства. Для снижения величины напряженности поля радиопомех на автомобилях и гусеничных машинах часто применяют экранирование.

По способу подавления радиопомех генераторы делятся на экранированные и неэкранированные.

Для ВАТ и автотракторной техники под термином «экранирование электромагнитное» подразумевается способ ослабления электромагнитной помехи, излучаемой прибором электрооборудования машины, с помощью экрана с высокой электрической и (или) магнитной проводимостью. Экранирование создается установкой на приборы металлических корпусов и коробок (экранов) и заключением проводов в металлические оболочки (экраны), которые надежно соединяются с корпусом автомобиля. Магнитные силовые линии замыкаются в экране и не распространяются наружу. Нарушение электрического контакта между экраном и корпусом машины сводит на нет эффект экранирования и даже приводит к увеличению радиопомех.

Генераторы переменного тока могут быть со щетками и без щеток. Щетки применяются для обеспечения электрического контакта между подвижными и неподвижными деталями. Поскольку в них имеют место трение скольжения, то они истираются, имеют ограниченный ресурс и низкую надежность. Бесщеточные генераторы лишены вышеуказанных недостатков. Они применяются там, где возникают требования повышенной надежности и долговечности, главным образом на магистральных тягачах, междугородных автобусах и т. п. Повышенная надежность этих генераторов обеспечивается тем, что у них отсутствуют щетки и контактные кольца, а обмотка возбуждения неподвижна. Недостатком генераторов этого типа являются увеличенные габариты и масса. Безщеточные генераторы также применяются на двигателях бронетанковой техники (например, безщеточный двухкаскадный генератор переменного тока
ГП-10А-1С, который устанавливается на двигателе 2В-06 боевой машины десанта БМД-3).

Степени защиты электротехнических изделий регламентируются

ГОСТ 14254-96. Этим стандартом предусматриваются шесть степеней защиты от случайного соприкосновения человека с токоведущими и движущимися частями, а также от проникновения посторонних твердых тел внутрь корпуса. Кроме того, предусматривается восемь степеней защиты от проникновения воды внутрь корпуса.

Автотракторные генераторы и генераторы военной автомобильной техники имеют степени защиты по ГОСТ 14254-80:

- IP20 (защищенное исполнение) – вращающиеся и токоведущие части защищены от случайных внешних механических воздействий, а генератор – от попадания в него посторонних тел среднего размера;

- IP54 (пылебрызгозащищенное исполнение) – корпус генератора защищен от попадания внутрь отложения пыли, вредных для работы, и от брызг воды любого направления;

- IP67 (пылеводонепроницаемое исполнение) – корпус генератора защищен от попадания пыли и капель воды при погружении в воду на определенную глубину.

Генераторы могут выполняться в водостойком исполнении, обеспечивающем кратковременное (до 20 мин) погружение генератора в воду без повреждений. При этом после выхода из воды работоспособность генератора должна сразу же восстановиться.

По способу охлаждения генераторы переменного тока бывают с воздушным и жидкостным охлаждением. Генераторы постоянного тока выполняются с воздушным охлаждением. В соответствии с рисунком 3 представлена схема воздушного охлаждения генератора переменного тока. Воздушный поток охлаждает выпрямительный блок, щетки и контактные кольца, обмотки статора и ротора.

При жидкостном охлаждении в качестве охлаждающего агента может применяться охлаждающая жидкость системы охлаждения или масло системы смазывания двигателя. Применение жидкостного охлаждения хотя и осложняет конструкцию, существенно дороже при изготовлении и эксплуатации [2], однако значительно повышает удельную мощность генератора.

На ряде многоцелевых гусеничных и колесных машин, с целью экономии забронированного объема и массы, используя свойство обратимости машин постоянного тока, устанавливаются комбинированные стартер-генераторы, предназначенные для пуска двигателя внутреннего сгорания (в стартерном режиме), питания всех приемников электрической энергии и подзаряда аккумуляторных батарей при работающем двигателе (в генераторном режиме). Стартер-генератор СГ-10-1С (рисунок 4) в стартерном режиме развивает мощность 14 700 Вт, а в генераторном – 10 000 Вт.

Технические характеристики генераторов оцениваются приведенными ниже основными параметрами.

Под номинальной мощностью генератора понимается полезная мощность на выходе. Мощности автомобильных генераторов находятся в широком диапазоне: от долей кВт до нескольких киловатт. Генераторы мощностью до 4 кВт изготавливаются, в основном, переменного тока, а большей мощности – постоянного тока.

Номинальное напряжение генераторов машин с дизельным двигателями равно 28 В, а с бензиновыми, как правило, 14 В. Значения номинального тока автомобильных генераторов находятся в большом диапазоне: от десятков до нескольких сотен ампер.

Рисунок 3 – Генератор переменного тока с воздушным охлаждением

Рисунок 4 – Стартер-генератор СГ-10-1С

Удельная мощность генераторов переменного тока выше, чем у генераторов постоянного тока, и составляет (100-150) Вт/кг, в связи с чем их масса от 1,5 до 2,5 раз, а расход меди от 2,5 до 3 раз меньше, чем в генераторах постоянного тока.

Начальная частота вращения ротора (начало отдачи) характеризует возбуждение генератора до напряжения 14 В или 28 В соответственно для 12-вольтового и 24-вольтового электрооборудования при отсутствии тока нагрузки. Начальная частота вращения ротора генераторов переменного тока меньше, чем генераторов постоянного тока.

Предельно допустимая частота вращения ротора ограничивает передаточные отношения привода генератора. Генераторы переменного тока имеют большую предельно допустимую частоту вращения ротора из-за отсутствия коллектора и меньших вращающихся масс.

На дизель ЯМЗ-238М2 автомобиля Урал-4320-31 устанавливается трехфазный синхронный генератор переменного тока со встроенным выпрямительным блоком, с независимым (принудительным) возбуждением, напряжением
28 В, со щетками, в пылебрызгозащищенном исполнении IP54, неэкранированный, с воздушным охлаждением.

Рисунок 1 – Условная схема преобразования обычного электродвигателя в линейный: 1 –статор (индуктор), 2 ротор (реактивная полоса)

Линейный электродвигатель является основной частью прямого электропривода. Он создан для преобразования электрической энергии в энергию поступательного движения, т. е. без механической передачи. Такой электропривод состоит из средств управления и изменения скорости, что значительно упрощает конструкцию исполнительных органов и позволяет усовершенствовать различные технологические процессы [6, 8]. В линейном электродвигателе имеется, питаемый электрическим током, индуктор, который является первичным элементом, и специальная реактивная полоса – вторичный элемент (рисунок 1). Эти элементы отделены воздушным зазором. Магнитная система линейного электродвигателя представлена обмоткой определенной длинны, которая необходима для создания движущегося вдоль нее магнитного поля. Это и есть неподвижный элемент. Подвижный элемент благодаря взаимодействию с магнитным полем, перемещается вдоль обмотки.

Линейные электродвигатели подразделяются на асинхронные и синхронные. В асинхронном линейном электродвигателе реактивная полоса, выполненная в виде бруска прямоугольного сечения без обмоток, закрепленная вдоль путепровода, над которым перемещается электровоз, перемещающий подвижную часть (индуктор) двигателя. Его магнитопровод выполнен с развернутыми многофазными обмотками, питаемыми от источника переменного тока. Благодаря взаимодействию магнитного поля индуктора с полем реактивной полосы, возникают силы, заставляющие перемещаться с ускорением индуктор относительно неподвижной реактивной полосы. Это перемещение происходит до тех пор, пока скорости перемещения индуктора и бегущего магнитного поля реактивной полосы не сравняются. Преимуществом такой конструкции является размещение более простой в изготовлении реактивной полосы.

Основные достоинства линейного электропривода – это отсутствие механической передачи и вращающихся частей, простота в эксплуатации, большой технический ресурс. К основным недостаткам можно отнести сложность устройства и высокую стоимость изготовления, плохие энергетические показатели, связанные с наличием больших воздушных зазоров в магнитной цепи и ее разомкнутостью.

Наиболее часто используются линейные двигатели в электрическом транспорте. Этому способствует ряд преимуществ. Прямолинейный характер движения подвижной части, подходящий для движения различных транспортных средств. Энергия магнитного поля непосредственно преобразуется в механическую, что позволяет добиться высокого КПД. Важное преимущество линейных электродвигателей состоит в независимости силы тяги от силы сцепления колес с путем. Это невозможно для обычных систем электрической тяги. Благодаря использованию линейных электродвигателей проскальзывание колес исключается, а скорости движения транспорта могут быть довольно высокими и ограничиваются лишь комфортабельностью движения, максимально допустимой скоростью вращения колес, и динамической устойчивостью транспорта и пути.

В приводе механизмов транспортировки грузов различных изделий также применяются линейные асинхронные двигатели. Как правило, это конвейеры, имеющие ленту из металла, которая проходит внутри статоров линейного двигателя, являясь при этом вторичным элементом. Использование линейного электродвигателя позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить ее проскальзывание, повысить скорость и надежность работы конвейера.

В сваезабивных молотах, используемых при дорожных работах или строительстве, также применяется линейный электропривод. Статор электродвигателя перемещается вдоль стрелы в вертикальном направлении при помощи лебедки. Ударная часть молота является одновременно вторичным элементом двигателя. Для ее подъема двигатель включается таким образом, чтобы бегущее поле было направлено вверх. Когда ударная часть поднимется к крайнему верхнему положению, двигатель отключается, и она опускается вниз на сваю под действием силы тяжести. Иногда двигатель не отключается, а реверсируется, это позволяет увеличить ударную энергию. При заглублении сваи статор двигателя перемещается вниз с помощью лебедки. Электрический молот прост в изготовлении, не требует повышенной точности изготовления деталей, нечувствителен к изменению температуры и может вступать в работу практически мгновенно.

Благодаря появлению линейных электродвигателей, усовершенствованы многие технологические процессы, начиная от создания нового вида гидравлических насосов и заканчивая усовершенствованием машинного доения животных [2, 4, 5]. Развитие науки и техники позволяет упростить выполнение технологических процессов и в конечном итоге снизить издержки производства, что необходимо для повышения конкурентоспособности отечественных производителей товаров.