Синхронный бесщеточный генератор: Бесщеточные генераторы. Почему они мало используются

Бесщеточные генераторы. Почему они мало используются

  • Главная
  • Статьи
  • Щетки – слабое место генератора. Есть бесщеточные варианты, но их мало используют. Почему?

Автор:
Евгений Балабас

Если автомобильный генератор выходит из строя, то самой распространенной причиной является износ щеточного узла. Однако давным-давно изобретены бесщеточные генераторы – почему же они до сих пор не вытеснили своих якобы менее продвинутых «конкурентов»?

 

Самая распространенная и массовая на сегодня конструкция автомобильного генератора – с использованием графитовых щеток, подающих напряжение на обмотку ротора (так называемую «катушку возбуждения») через пару вращающихся скользящих контактов в виде медных колец на валу ротора. Подобное решение применяется на большинстве автомобилей за редким исключением, ибо оно отработано и за десятилетия подтвердило свою практичность.

В такой конструкции крайне просто и эффективно реализовано поддержание стабильного напряжения в бортсети автомобиля на любых оборотах двигателя и, соответственно, генератора – электронный блок стабилизации напряжения (который по старинке принято именовать «реле-регулятором») отслеживает уровень напряжения на выходе и уменьшает или увеличивает ток в катушке возбуждения. Как только напряжение проседает, ток увеличивается. Как только оно приближается к верхнему пределу 14,2 вольта – уменьшается. Этот процесс идет быстро и непрерывно, и в результате мы имеем стабильное напряжение и на холостых оборотах, и на высокой скорости.

Щеточный узел – сухой и слабо защищенный от песка и влаги. А все, что открыто и трется без смазки, постепенно изнашивается и отказывает. Именно щеточный узел является наиболее частым источником выходов генератора из строя. Тем более что он обычно еще и неразборно совмещен с электронным блоком стабилизации напряжения («реле-регулятором»).

Однако в последние годы слово «БЕСщеточный» (или его аналог «бесколлекторный») на слуху у «широких народных масс» (с) – оно стало известно даже относительно далеким от техники людям. В самых разных сферах быта активно пропагандируются бесщеточные электромоторы – сегодня на них летают квадрокоптеры, крутятся шуруповерты, косят газоны триммеры и работают прочие механизмы и гаджеты. Даже откровенным гуманитариям уже успешно внушили, что «щетки – это плохо: они изнашиваются, отказывают, греются и вызывают потери тока». Почему же в автомобильном генераторе щеточный узел до сих пор не исчез, тогда как в последнее время от него все чаще отказываются даже в моторчиках дешевых детских игрушек?!

Может быть, потому, что на бесколлекторные (или же бесщеточные – как больше нравится) технологии массово переводятся электромоторы, а мы-то ведем речь про генератор? Нет, дело не в этом. Тут как раз никаких препятствий нет. Электромотор и электрогенератор – чрезвычайно похожие по своей сути электрические машины, вдобавок зачастую обратимые: мотор способен вырабатывать ток, если его вращать принудительно, а генератор может выполнять роль мотора, если на него опять же подать ток извне. 

Использовать бесщеточный генератор в автомобиле можно, это давно реализовано и практикуется. Однако выпускаются подобные генераторы весьма ограничено и массовыми почему-то не стали… Почему?

Сделать автомобильный генератор бесщеточным в принципе не так сложно. Для чего, собственно, нужны щетки? Чтобы подать через них питание 12 вольт на катушку возбуждения внутри вращающегося ротора. После чего сегментный ротор с катушкой, на которую подан постоянный ток от аккумулятора, становится многополюсным электромагнитом и порождает возникновение тока в неподвижной обмотке – в статоре. 

Убрать скользящий щеточный контакт в автомобильном генераторе возможно за счет особой конструкции ротора. Для этого ротор делают удлиненным, а катушку возбуждения выполняют в виде внешнего кольца и неподвижно закрепляют на статоре. Ведь для работы генератора ротор должен стать магнитом, а как намагничивать ротор – катушкой внутри, или катушкой снаружи – непринципиально… 

Первые бесщеточные генераторы с неподвижной катушкой возбуждения встречались на автомобилях и полвека назад, и даже раньше. Как правило, ставили их на коммерческий транспорт (дальнобойные грузовики) и сельскохозяйственные и строительные машины (комбайны, трактора, бульдозеры и т. п.). Первым была важна увеличенная надежность и уменьшенная вероятность отказов на длинных перегонах пути, а вторым – защита от постоянно сопровождающих их при работе абразивной пыли и влаги, способных быстро убивать щеточный узел, проникая в генератор через вентиляционные щели. В принципе, в ограниченных объемах используются они в подобных машинах и по сей день. 

Однако, согласитесь: генератор, не боящийся воды и пыли, с увеличенным сроком службы благодаря отказу от трущихся насухую деталей – это весьма недурственно! Причем неплохо для любого генератора, а не только для установленного на грузовике или комбайне! Почему же технология не распространилась на массовый легковой сегмент? Причин тут несколько.  

  • Технология производства бесщеточных генераторов более многоэтапна, и генераторы в конечном итоге существенно дороже.
  • При сопоставимых технологиях производства (без дорогостоящих инноваций) бесщеточный генератор в итоге получается крупнее и тяжелее щеточного с теми же характеристиками.
  • Большинство грузовых и сельскохозяйственных «бесщеточников» имели относительно узкий диапазон рабочих оборотов, на которых они эффективны, и на холостом ходу и просто на пониженных передачах толком не заряжали аккумулятор.
  • Современные «бесщеточники» существенно усложнились, дабы сохранить компактность, одновременно получив возможность выдавать большие токи с малых оборотов и не бояться оборотов высоких. Вдобавок к неподвижной обмотке возбуждения в конструкцию добавились постоянные магниты, позволяющие увеличить токоотдачу на малых оборотах, специальные размагничивающие обмотки, нейтрализующие действие постоянных магнитов на высоких оборотах, многофазные статоры, усложненные диодные мосты.

Все это и ряд других факторов ограничивали и продолжают ограничивать распространение таких генераторов. А после эволюционной оптимизации генераторов со щетками (ставших мощнее, компактнее, линейнее и т. п.) преимущества «бесщеточников» оказались еще менее выраженными. Несмотря на явно изнашивающиеся пары трения медь-графит, реально щеточные генераторы ходят весьма долго и их не принято считать потенциально проблемным узлом автомобиля, требующим инновационных вмешательств.

Впрочем, в ряде случаев бесщеточные генераторы имеют актуальность не только на фурах и тракторах. К примеру, щеточного узла нет на некоторых генераторах ряда дизельных кроссоверов BMW и Mercedes. В их моторах применяются генераторы повышенной мощности (180-190 ампер) с водяным охлаждением, которые прикручиваются своей задней крышкой к крышке водяной рубашки двигателя с соответствующим отверстием, как бы «затыкая его своим задом», и, таким образом, частично омываются антифризом. В конструкции мощных водоохлаждаемых генераторов щетки сильно затрудняют компоновку и обслуживание, поэтому от них иногда отказываются. Также серийно встречаются такие генераторы в некоторых комплектациях серьезных рамных внедорожников типа Nissan Patrol. А уазисты любят внедрять в свои тюнингованные «котлеты» не боящиеся купания в болоте 110-амперные бесщеточные генераторы от автобусов ПАЗ. Ну а алтайский завод тракторного электрооборудования еще с советских времен (и, кажется, по сей день!) производит небольшими тиражами бесщеточный генератор для моделей ВАЗ классического (01-07) и раннего переднеприводного (08-099) семейств. 

Тем не менее в конечном итоге все решает экономика и отчасти инжиниринг. На сегодняшний день в массовом потребительском автопроме надежность простейшего щеточного генератора принята за образец баланса цены, живучести и ремонтопригодности. И отходят от этого канона лишь в относительно редких случаях, когда проектирование технически сложного, продвинутого и достаточно дорогого автомобиля неизбежно требует усложненных и недешевых решений…

практика

 

Новые статьи

Статьи / Практика

Пол-литра, картошка и горчица по вкусу: народные рецепты заменителей автохимии

В нынешних условиях легко закрыть глаза и представить, что все иностранные производители автохимии по каким-то причинам ушли из России. Ну или просто мысленно перенестись на несколько десяти…

395

0

1

21.10.2022

Статьи / Электромобиль

Дорого, опасно и негде заряжаться: 5 главных заблуждений, мешающих купить электромобиль

Бояться чего-то нового – нормально. Когда-то люди боялись инжектора или автоматической коробки передач, хотя сейчас эти агрегаты никого напугать не могут. Приблизительно то же самое когда-то…

1812

5

0

21.10.2022

Статьи / Финвопрос

Какие автомобили можно купить по госпрограмме льготного кредитования и сколько сэкономить

Рынок новых машин с марта пребывает в кризисе. О темпах падения судите сами: в феврале было продано 121 442 новых легковых автомобиля, а в мае – только 24 837. Все это заставило правительств…

2354

0

1

19.10.2022

Популярные тест-драйвы

Тест-драйвы / Тест-драйв

Haval Dargo против Mitsubishi Outlander: собака лает, чужестранец идет

В дилерском центре Haval на юге Москвы жизнь кипит: покупатели разглядывают машины, общаются с менеджерами и подписывают какие-то бумаги. Пока я ждал выдачи тестового Dargo, такой же кроссов…

14140

7

188

13.09.2022

Тест-драйвы / Тест-драйв

Мотор от Mercedes, эмблема от Renault, сборка от Dacia: тест-драйв европейского Logan 1,0

Казалось бы, что нового можно рассказать про Renault Logan второго поколения, известный каждому российскому таксисту, что называется, вдоль и поперёк? Однако конкретно в этом автомобиле есть. ..

12105

10

41

13.08.2022

Тест-драйвы / Тест-драйв

Geely Coolray против Haval Jolion: бесплатный сыр? Если бы!

Хотите купить сегодня  машину с полноценной гарантией, в кредит по адекватной ставке, без диких дилерских накруток? Сейчас это та еще задачка, ведь полноценную цепочку «представительство – з…

9097

25

30

10.08.2022

устройство, принцип работы, преимущества и недостатки

Генераторы — это электрические машины для трансформации механической, тепловой и других типов энергии в электрическую.

Среди всех прочих, наиболее популярны генераторы, преобразующие в электричество энергию вращения. Источников данного вида движения можно назвать множество:

  • двигатели внутреннего сгорания;
  • вращающиеся колеса вагона;
  • льющаяся на лопасти водяной мельницы вода и т.д.

Обычно, в конструкции генераторов используются щеточные узлы для передачи постоянного тока на вращающийся якорь, который выступает в роли постоянного магнита. Щетки, в силу механической конструкции, являются их слабым звеном.

Щеточный узел требует регулярного обслуживания, чистки и замены подверженных износу деталей. Этого недостатка лишены бесщеточные схемы возбуждения.

Устройство

Самыми распространенными, за счет простоты конструкции и практической надежности, являются бесщеточные синхронные генераторы с компаундной системой возбуждения.

Как любая другая электрическая машина, данный генератор состоит из двух ключевых узлов:

  • вращающийся ротор, с расположенными на нем обмотками возбуждения с выпрямительными диодами;
  • неподвижный статор, с основной обмотки которого снимается напряжение для питания потребительской нагрузки, а дополнительная обмотка с компенсирующим конденсатором предназначена для усиления магнитного потока. Обмотки статора питаются напрямую от ступенчатого стабилизатора напряжения и, как правило, соединены по схеме «звезда».

При пуске генератора, ток в обмотках ротора индуцируется остаточной намагниченностью железа генератора. За счет кремниевых выпрямительных диодов, ток индуцирует постоянное магнитное поле, которое при вращении приводит к возбуждению ЭДС в статорных обмотках. Замкнутая через компенсирующий конденсатор дополнительная обмотка, усиливает начальную намагниченность и запускает процесс лавинообразного возбуждения генератора, продолжающийся до момента насыщения магнитного потока. После этого, к генератору можно подключать потребительские устройства и агрегаты.

Чтобы подключение нагрузки не приводило к понижению выдаваемого напряжения, применяется компаундное регулирование. Оно осуществляется за счет того, что обмотки статора располагаются таким образом, чтобы оси их магнитных полей были смещены на 90 градусов. При этом, увеличение тока в цепи нагрузки приводит к повороту магнитного поля ротора в сторону основной обмотки и, следовательно, увеличению индуцируемой в ней ЭДС. Выходное напряжение стабилизируется.

Преимущества и недостатки

По сравнению с обычными генераторами бесщёточный имеет ряд преимуществ:

  1. Нет угольной пыли, являющейся причиной электрических пробоев.
  2. Нет необходимости в замене изношенных щеток и проточке коллектора якоря.
  3. Меньшее количество механических конструкций даёт более высокую надежность при минимальных трудозатратах на обслуживание.
  4. На  работу бесщёточного синхронного генератора не влияют окружающие климатические условия, его применение экономически целесообразно.
  5. Бесщёточные генераторы просты по конструкции и недороги.

К недостаткам можно отнести то, что данные генераторы могут быть только однофазными и имеют невысокий КПД, что, впрочем, устранимо путем применения системы независимого возбуждения с электронными регуляторами.

Бесщёточный синхронный генератор в настоящее время активно используется в бензиновых электростанциях, в речных и морских судах — везде, где их применение оправдано требованиями повышенной надёжности и долгого срока эксплуатации.

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. Всего доброго.


Добавить отзыв

Диагностика бесколлекторного синхронного генератора с помощью численного моделирования

Чтобы прочитать полную версию этого контента, выберите один из вариантов ниже:

Мехди Рахнама
(Школа электротехники, Иранский университет науки и технологий, Тегеран, Иран)

Аболфазл Вахеди
(Кафедра электротехники, Иранский университет науки и технологий, Тегеран, Иран)

Арта Мохаммад-Алихани
(Школа электротехники, Иранский университет науки и технологии, Тегеран, Иран)

Нуреддин Такорабет
(GREEN-ENSEM, Universite de Lorraine ENSEM, Vandoeuvre-les-Nancy, France)

COMPEL — международный журнал по вычислениям и математике в электротехнике и электронной технике.

ISSN :
0332-1649

Дата публикации статьи: 27 ноября 2020 г.

Дата публикации выпуска: 15 декабря 2020 г.

Загрузки

1

Аннотация

Назначение

Своевременная диагностика неисправностей в электрических машинах является критически важной задачей, поскольку она может предотвратить развитие неисправности, а также сократить время и стоимость ремонта. В бесщеточных синхронных генераторах значение диагностики неисправностей еще больше, поскольку они широко используются для выработки электроэнергии по всему миру. Таким образом, это исследование направлено на то, чтобы предложить подход к обнаружению неисправностей для бесщеточного синхронного генератора. В этом подходе разработано новое расширение метода выбора элементов рельефа.

Дизайн/методология/подход

В этой статье, используя преимущества метода конечных элементов (МКЭ), моделируется бесщеточная синхронная машина для оценки производительности машины в двух условиях. Эти условия включают в себя нормальное состояние машины и обрыв одного диода вращающегося выпрямителя. Следовательно, в этих ситуациях достигается гармоническое поведение напряжения на клеммах машины. Затем гармонические компоненты ранжируются с использованием расширения Relief для выделения наиболее подходящих компонентов для обнаружения неисправностей. Поэтому предлагается подход к обнаружению неисправностей, основанный на ранжированных гармонических компонентах и ​​классификаторе опорных векторов.

Результаты

Предлагаемый подход к диагностике проверяется с помощью экспериментального теста. Результаты показывают, что при таком подходе обрыв цепи диодного выпрямителя может быть эффективно обнаружен с точностью 98,5 % и использованием пяти гармонических составляющих напряжения на клеммах [1].

Оригинальность/значение

В этой статье предлагается новый метод выбора признаков для выбора наиболее эффективных компонентов БПФ, основанный на расширении метода рельефа, а кроме того, МКЭ-моделирование бесщеточного синхронного генератора для нормального состояния и однодиодного разомкнутого контура. вина.

Ключевые слова

  • Электрическая машина
  • Метод конечных элементов
  • Машины опорных векторов
  • Обнаружение неисправности
  • Бесщеточный синхронный генератор
  • Выбор функции

Цитата

Рахнама, М. , Вахеди, А., Мохаммад-Алихани, А. и Такорабет, Н. (2020), «Диагностика бесщеточного синхронного генератора с использованием численного моделирования», COMPEL — Международный журнал вычислений и математики в электротехнике и электронике машиностроение , том. 39 № 5, стр. 1241-1254. https://doi.org/10.1108/COMPEL-01-2020-0018

Издатель

:

Изумруд Паблишинг Лимитед

Copyright © 2020, Изумруд Паблишинг Лимитед

Related articles

Models of Brushless Synchronous Generator for Studying Autonomous Electrical Power System

Details
Format
Book
First Published
06 Jul 2020
Languages ​​
English
Pages
161
Иллюстрация
75
Copyright
©
Формат
PDF
ISBN
978-83-957713-4-7
First Published
03 Jun 2020
E-Pub
ISBN
978-83-957713-8-5
First Published
03 июня 2020
в мягкой обложке
ISBN
978-83-957713-3-0
Первая опубликованная книжная ключевая слова

Синхринг

Synchron

Systemsing

Systemons

Synchron

. 0079

Инженерное дело, Электротехника, Основы электротехники, Промышленная химия, Сбор и преобразование энергии, Материаловедение, Моделирование и моделирование

Это докторская диссертация. Работа, представленная в этой монографии, была выполнена на кафедре силовой электроники и электрических машин факультета электротехники и управления Гданьского технологического университета. Разработанные в ходе исследований модели бесколлекторного синхронного генератора проверены с помощью моделирования на основе МКЭ и измерений, проведенных на генераторе-прототипе. Основное внимание в исследованиях было уделено бесщеточному синхронному генератору в современных более электрических авиационных системах с переменной частотой. Был разработан прототип генератора и проанализированы его характеристики с акцентом на более высокую скорость вращения компонентов прототипа и качество вырабатываемой электроэнергии. Для этого были разработаны модели генератора на основе FEM и схемы, а также были измерены и смоделированы характеристики машины. Предложенная модель цепи позволила учесть несинусоидальное пространственное распределение магнитного потока вдоль воздушного зазора, что, в свою очередь, позволило провести анализ качества электроэнергии на основе моделирования.

Аннотация и индексация

Модели бесщеточного шроронного генератора для изучения автономной электроэнергетической системы охватываются следующими услугами:

  • Baidu Scholar
  • Google Books
  • Google Scholar
  • Google
  • Google Scholar
  • ECA
  • Google Scholar
  • ECA (Sipe Books
  • . Primo Central (ExLibris)
  • ReadCube
  • Semantic Scholar
  • Summon (ProQuest)
  • TDOne (TDNet)
  • WorldCat (OCLC)

Филип Кутт Доктор философии: Гданьский технологический университет, факультет электротехники и систем управления, кафедра силовой электроники и электрических машин, Польша.

Синхронный бесщеточный генератор: Бесщеточные генераторы. Почему они мало используются