Рис. 112. Схема электромагнитной индукции
Поместим в магнитное поле проводник, подключив его концы к зажимам гальванометра (чувствительному прибору, определяющему наличие тока), и будем перемещать проводник вниз (рис. 112, б), чтобы он пересекал магнитные силовые линии. Стрелка гальванометра отклонится, указывая, что но проводнику проходит ток.
При перемещении проводника вверх ток будет проходить в обратном направлении, а стрелка гальванометра отклонится в противоположную сторону (рис. 112, в). При неподвижном проводнике тока в цепи нет.
Отсюда вывод: чтобы получить электрический ток, необходимо затратить энергию, перемещая проводник в магнитном поле. Единственное условие возникновения тока магнитные силовые линии должны пересекать проводник. Явление индуктирования ЭДС в проводнике при пересечении им магнитных силовых линий получило название электромагнитной индукции.
На основе электромагнитной индукции работает генератор в электрооборудовании автомобиля.
Если изолированный проводник намотать в виде катушки и пропустить по нему электрический ток, то магнитные силовые линии образуют в плоскости поперечного сечения проводников концентрические окружности (см. рис. 112, а), которые, складываясь внутри катушки, приобретают вид линий, параллельных оси катушки (рис. 112, г) и напоминающие магнитные силовые линии постоянного магнита (рис. 112, д). Если к торцу катушки приложить стальной предмет и пропустить электрический ток, он притянется. Магнитное ноле резко усилится, если внутрь катушки поместить сердечник из мягкой стали.
Со временем аккумуляторная батарея разряжается и ее необходимо заряжать. Заряд ее в мастерской или гараже, конечно, возможен, но это вызовет много неудобств: тяжелую батарею нужно снимать, переносить, снова ставить на автомобиль. Проще и надежнее ее заряжать непосредственно на автомобиле, используя механическую энергию двигателя. Так на автомобиле появился генератор, ротор которого приводится во вращение от коленчатого вала двигателя.
Во время работы двигателя часть его мощности используется для превращения механической энергии в электрическую. Эта энергия идет не только на заряд аккумуляторной батареи, но и для непосредственного питания всех потребителей электрической энергии во время работы двигателя.
На современных автомобилях используются генераторы переменного тока, т. е. генераторы, вырабатывающие переменный по величине и направлению электрический ток. Однако еще достаточно много в эксплуатации находится генераторов постоянного тока.
Как превращается механическая энергия в электрическую?
Возьмем рамку из провода (рис. 113, а) и поместим ее в магнитное поле, т. е. между полюсами магнита. Если рамку вращать по часовой стрелке, то правая ее сторона пойдет влево, а левая — вправо, пересекая магнитные силовые линии.
Рис. 113. Схема генератора: а - переменного тока; б - постоянного тока; в - якорь
В момент пересечения проводником магнитных линий в нем происходит сдвиг свободных электронов на один из его концов, где и создается отрицательный заряд. На другом конце проводника недостаток электронов создает положительный заряд, т. е. индуктируется ЭДС, под действием которой в замкнутом проводнике будет проходить электрический ток.
Если теперь каждый конец рамки соединить с кольцами, а к каждому кольцу подвести скользящий контакт — щетку, и щетку соединить с прибором, измеряющим напряжение вольтметром, то по цепи потечет ток. Как только рамка займет горизонтальное положение, магнитные силовые линии ее не пересекают и индуктирование ЭДС прекращается. После прохождения рамкой этого положения магнитные силовые линии вновь начинают пересекать рамку и в ней фиксируется ток, только противоположного направления. Максимальной величины сила тока достигает, когда рамка проходит вертикальное положение. Таким образом, при каждом полуобороте рамки ток меняет свое направление и величину. Такой ток называется переменным.
В действительности используется не одна рамка, а катушка с большим числом витков. Это необходимо для индуктирования большой ЭДС. Однако и такая конструкция несовершенна, так как ЭДС все время изменяется от нуля до максимальной величины, когда катушка проходит мимо полюсов магнита. Кроме того, переменным током нельзя зарядить аккумуляторную батарею.
Чтобы получить постоянный ток, одноконтактное кольцо в рассмотренной схеме разрезают вдоль оси на две части и к каждому полукольцу припаивают концы рамки или катушки (рис. 113, б). При вращении рамки щетки снимают поочередно с каждого полукольца постоянный по направлению электрический ток. А чтобы ток был постоянным и по величине, используется несколько катушек, намотанных на стальной сердечник под разными углами друг к другу, а сами катушки соединяют последовательно. Каждая катушка — есть секция обмотки якоря и соединяется с парой рядом расположенных пластин. Комплект пластин называется коллектором, а сердечник вместе с катушками, коллектором и валом якорем генератора постоянного тока (рис. 113, в). Для усиления и изменения магнитного поля используют электромагниты: на полюсы наматывают катушки обмотки возбуждения и соединяют их со щетками.
Мы рассматривали одну рамку, в которой индуктируется ЭДС переменного направления и величины тока. Если взять не одну, а три рамки и разместить их под углом 120° друг к другу, то при вращении в каждой из них будет индуктироваться ЭДС. Если вместо рамок взять обмотки (рис. 114, а), то полученный ток от каждой обмотки можно использовать для питания потребителей. Для этого необходимо к каждой обмотке подсоединить по два провода, т. е. всего подключить шесть проводов. Однако можно три конца соединить вместе, как показано на (рис. 114, 6). Тогда вместо шести проводов будет достаточно четырех, а если общий провод присоединить к корпусу автомобиля, то и трех. Такое соединение получило название соединения звездой.
По одному концу каждой катушки выводится в цепь потребителей. Каждая отдельная катушка и включенный в ее цепь потребитель называются фа зой.
Между зубцами статора вращается намагниченный ротор (рис. 114, в). За каждые 120° поворота ротора к зубцам статора с катушками подходят попеременно то северный, то южный полюсы ротора. Катушки пересекаются магнитными линиями, и в них индуктируется переменная по направлению ЭДС, которая и создает переменный ток в цепи трех фаз.
Рис. 114. Схема генератора переменного тока
Автомобильный генератор переменного тока (рис. 115) состоит из статора, ротора, двух крышек, выпрямительного блока и шкива с крыльчаткой. На зубцах стального сердечника статора закреплена обмотка, включающая 18 катушек трех фаз. Сердечник статора набран из стальных пластин, изолированных друг от друга лаком, что уменьшает его нагрев вихревыми токами.
Рис. 115. Генератор переменного тока
На вал ротора напрессованы два стальных наконечника с шестью зубцами, имеющих соответственно северный и южный магнитный полюсы. Между наконечниками на стальной втулке находится обмотка возбуждения, концы которой припаяны к двум латунным изолированным от вала контактным кольцам. К ним пружинами прижимаются две графитовые щетки, установленные в пластмассовом щеткодержателе. Одна щетка соединена с корпусом, а другая, изолированная от корпуса, присоединена к зажиму III.
На автомобильных двигателях генератор обычно закрепляется на кронштейне. На валу ротора генератора и коленчатом валу двигателя установлены шкивы, на которые натянут ремень. При вращении коленчатого вала через ременную передачу вращение передается ротору генератора.
В самом начале работы двигателя, когда частота вращения ротора генератора небольшая, обмотка возбуждения, расположенная на сердечнике ротора, питается от аккумуляторной батареи постоянным током. Каждая фазная обмотка статора поочередно пересекается вращающимся магнитным потоком ротора, вследствие чего в обмотке статора индуктируется ЭДС, изменяющаяся по величине и направлению. По мере увеличения частоты вращения ротора генератора напряжение электрического тока возрастает. Когда его величина превысит напряжение аккумуляторной батареи, обмотка возбуждения начнет питаться от генератора через выпрямитель.
Выпрямитель
Все приборы электрооборудования работают на постоянном токе, а генератор вырабатывает переменный, следовательно, переменный ток необходимо выпрямить.
Для выпрямления переменного тока обычно используют полупроводниковые приборы диоды. Собранные по так называемой мостовой схеме, они образуют выпрямитель. Прежде чем говорить о работе выпрямителя, рассмотрим принцип работы диода. Основной элемент этого прибора - кристалл кремния или германия.
В нем различают две области (p и n), характеризующиеся определенными свойствами: p — наличием свободных электронов и n — так называемых дырок, которые притягивают электроны и в определенный момент могут быть заполнены ими. Граничный слой между этими областями называют полупроводниковым переходом. Этот переход обладает замечательным свойством: если к области p подключить плюс источника электрической энергии, а к области n — минус, то ток проходит свободно, сопротивление перехода небольшое (составляет всего несколько десятых долей Ома) (рис. 116, а). Если же полюса поменять местами (рис. 116, б), т. е. пропустить ток в обратном направлении, то сопротивление полупроводникового перехода резко возрастает (до 50000 Ом) и ток практически не идет.
Рис. 116. Мостовая схема выпрямителя
Прохождение тока в полупроводниковом приборе можно сравнить с работой обыкновенного клапана. Под действием давления клапан открывается и свободно пропускает жидкость (рис. 116, в), но как только направление тока жидкости изменится, клапан закроется и не будет пропускать ее в обратном направлении (рис. 116, г). Естественно, при очень большом давлении клапан может быть разрушен. Точно так же при очень большом напряжении полупроводниковый переход может быть пробит, и тогда диод необходимо менять.
Использовать для выпрямления переменного тока только один диод неразумно, так как генератор все время индуктирует ЭДС, изменяющуюся по величине и направлению. Один диод пропускает ток лишь в одном направлении, т. е. только половину энергии, вырабатываемой генератором, а половина мощности генератора не будет использоваться.
Чтобы использовать всю электрическую энергию, можно взять четыре диода и соединить их по мостовой схеме, как показано на рис. 116, д. Если ток течет по мосту справа налево от генератора (плюс генератора справа, минус — слева (рис. 116, д), то проходит он по одной половине моста (направление показано стрелками), при смене полярности (плюс генератора слева, минус справа) работает другая половина моста (рис. 116, е), т. е. к зажимам аккумулятора подается ток постоянного направления. Однако эта схема может быть использована для выпрямления тока только однофазного генератора.
Для выпрямления трехфазного переменного тока можно использовать рассмотренную мостовую схему, но для этого понадобится 12 диодов (для сборки трех выпрямителей на каждую фазу). Проще, да и экономичнее, использовать выпрямитель из шести диодов, соединенных но трехфазной мостовой схеме. Конструктивно может быть несколько вариантов соединения диодов (в виде блоков, попарных соединений кристаллов в одном корпусе и др). Неизменным остается одно условие: мостовая схема соединения (рис 117).
Рис. 117. Выпрямитель трехфазного тока
Нетрудно проследить, что при такой схеме ток любой обмотки, текущей в любом направлении, проходит через соответствующий диод и направляется в строго определенном направлении.
Чтобы легче проследить путь тока, запомним, что диод пропускает его в направлении стрелки, образуемой символом диода — треугольником.
Теперь, поняв принцип работы выпрямителя, вернемся к рассмотрению устройства современного автомобильного генератора переменного тока. В крышке генератора со стороны контактных колен монтируются не только щетки и щеткодержатели, но и выпрямительный блок. Собирается он по двухполупериодной схеме на специальном каркасе из изоляционного материала на задней крышке генератора. Для выпрямителя используются три диода так называемой прямой (положительной) полярности, в которых P-область соединена с корпусом, и три диода обратной (отрицательной ) полярности, в которых с корпусом соединена п-область. Смежные (противоположные) области диодов при помощи выводов соединены со специальными шинами (пластинами).
В роли пластины, соединяющей выводы диодов с обратной полярностью, часто выступает крышка генератора, в которую запрессованы диоды с отрицательной полярностью; в роли пластины, соединяющей выводы диодов с положительной полярностью,— держатель диодов с прямой полярностью. Естественно, держатель изолирован от крышки.
Фазовые обмотки генератора соединены звездой, т. е. их начальные концы, образующие нулевую точку трехфазной системы, спаяны вместе. Другие их концы подключаются к вводным болтам выпрямителя. По ним переменный ток поступает к выпрямителю. Выпрямленный ток по шинам отводится к потребителям электрической энергии.
Генераторы переменного тока по сравнению с генераторами постоянного тока проще по конструкции, более надежны в эксплуатации, обеспечивают отдачу мощности на малой частоте вращения коленчатого вала двигателя. Кроме того, генераторы переменного тока имеют меньшую массу и габаритные размеры при той же мощности по сравнению с генераторами постоянного тока.