Для чего нужны щетки в генераторе

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

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…

Замена щеток генератора

Автомобильный генератор предназначен для преобразования механической энергии вращения коленчатого вала двигателя в электрическую. Он выполняет две основные функции: подзарядки аккумулятора и питания выработанной электроэнергией систем электроснабжения автомобиля. В корпусе генератора переменного тока наряду с ротором и статором также размещены щеточный узел, регулятор напряжения и выпрямительный блок.

Щетки – наиболее уязвимый элемент генератора. В момент их контакта с токосъемными кольцами скорость вращения вала генератора достигает 12-14 тыс. об/мин, из‐за чего возникает ускоренный износ контактирующих поверхностей. Своевременная замена щеток генератора позволяет предупредить поломку щеточного узла и обеспечить бесперебойное электроснабжение автомобиля в процессе движения.

Щётки генератора: какую функцию выполняют?

При контакте с расположенными на валу вращающегося ротора токосъемными кольцами щетки генератора передают ток от аккумуляторной батареи на обмотки возбуждения ротора. Так создаётся электромагнитное поле.

Под воздействием переменного магнитного поля вращающегося ротора в катушках обмоток статора наводится электродвижущая силаи создается переменный электрический ток. Ток, проходя через диодный мост (выпрямительный блок генератора) преобразуется в постоянный. Именно такой необходим для подпитки аккумулятора и обеспечения функциональности электрооборудования автомобиля.

Когда нужно менять щётки: основные признаки

Замену рекомендуется выполнять по мере их износа, но не реже 1 раза в 4 года (или по достижении пробега в 50 тыс. км). Однако в сложных условиях эксплуатации критический износ щеточных стержней, изготовленных из графита или его соединений с медью (бронзой, алюминием), может наступить раньше названного срока. Щётки должны выступать не менее чем на 5 мм (норма – 8-10 мм). Именно этот показатель является самым важным — замерив длину, можно понять, есть ли проблема.

На то, что нужна замена щеток, может указывать появление некоторых симптомов, в том числе:

• отсутствие реакции стартера при повороте ключа зажигания в положение ON — это может произойти, если стержни перекошены, отсутствует их достаточное прилегание к поверхности токосъемных колец;
• медленное вращение маховика двигателя стартером;
• снижение мощности освещения салона, слабый или мигающий свет фар, габаритных огней;
• внезапное отключение электроприборов;
• быстрая разрядка аккумуляторной батареи, после которой зарядить ее становится практически невозможно.

Чтобы определить причину нарушений в работе генератора, необходимо провести точную диагностику неисправностей генератора и, в частности, щеточного узла.

Как проверить щётки генератора?

Щеточный узел, как правило, объединен с регулятором напряжения. Контакт с токосъемными кольцами ротора осуществляется за счет усилия пружин. Неисправность щеток генератора легко определить при визуальном осмотре (признак — длина выступающих концов менее 5 мм). Также нужно проверить диаметр токосъемных колец (норма – 14,2-14,4 мм, минимум – 12,8 мм). Не допускается наличие выработок на контактных поверхностях. Изношенные токосъемные кольца нужно менять.

Проблемы с генератором могут возникнуть также из‐за повышенного сопротивления щеток, которое должно составлять не более 0,5 ом. Заменить щетки придется, если при проверке мультиметр показывает увеличенное сопротивление.

Однако, учитывая, что в большинстве современных автомобилей щеточный узел совмещен с регулятором напряжения, проблемы генератора бывают связаны с неисправностью реле‐регулятора, рассчитанного на напряжение 15 В и ток до 5 А. Для диагностики используются замеры мультиметром. При заведенном двигателе величина напряжения на клеммах АКБ или на выходах генератора должна быть в пределах 14–14,2 В. Допускается изменение напряжения не более чем на 0,5 В. Если колебания оказываются более значительными, это признак того, что реле‐регулятор неисправен и подлежит замене.

Полезно также проверить регулятор напряжения.

Для этого собирают схему, объединяющую при помощи проводов регулируемый блок питания, лампочку, регулятор напряжения со щеточным узлом и мультиметр (вольтметр). Блок питания и мультиметр подключают с соблюдением полярности к контактам регулятора напряжения. Провода лампочки крепят к щеткам. Путем включения блока питания подается напряжение (от 3 В), лампочка загорается. При постепенном увеличении напряжения и по достижении 14 В лампочка должна погаснуть — это говорит о нормальной работе регулятора.

Как поменять щётки на генераторе?

Выполнить замену можно, не снимая генератор – достаточно снять регулятор напряжения вместе со щеточным узлом. Перед этим следует отключить генератор от питания (отсоединить минусовую клемму от АКБ). После этого открутить зажимную гайку, снять регулятор напряжения со щеткодержателем. При критическом значении износа (вынос менее 5 мм) понадобится замена щеток (графитовых стержней). Вот как это делают:

• отсоединить контакты (отпаять провода) и вытащить старые щетки, выполнить очистку места пайки, проверить упругость пружин;
• установить новый комплект в щеткодержатель, припаять контакты;
• проверить свободное перемещение щеток в щеткодержателе;
• установить щеточный узел на место и закрепить его гайкой.

Иногда решение может быть проще: возможно, контакт между щетками и кольцами ротора был нарушен из‐за залипания первых. Причина может быть в грязевых или графитовых отложениях, которые легко удалить путём продувки загрязненных мест сжатым воздухом.

Можно ли восстановить щётки?

В экстренных ситуациях, когда на помощь рассчитывать не приходится, можно воспользоваться советами мастеров по аварийному восстановлению щеточного узла. Однако в полной мере обеспечить надежное функционирование щеточного узла можно только с использованием качественных запчастей, рекомендуемых производителями. Восстановление — всегда временное решение; как только появляется возможность, нужно ехать в сервис.

Процедура замены щеток, несмотря на кажущуюся простоту, требует определенных навыков и специальных знаний. Поэтому лучше поехать в автосервис, где диагностику и техобслуживание электрооборудования вашего автомобиля выполнят быстро и с гарантией качества.

Генератор. Устройство и назначение. Щетки генератора

Автомобиль – это сложное техническое устройство, в котором сочетаются и слаженно работают все механизмы. Благодаря ему человек может наслаждаться качественной и комфортной ездой.

В основном в машине используются механические и электрические устройства. И если с первыми более-менее понятно, то со вторыми следует разобраться детально.

Генератор

Существует распространенное заблуждение, что сердце автомобиля – это аккумулятор. На самом деле главной «электростанцией» является генератор. Он служит для переработки энергии вращения в электрическую. Подпитывая аккумулятор, генератор не дает ему разряжаться. Причем заряд должен быть всегда постоянным, без скачков напряжения.

Генератор состоит из следующих частей:

• Корпус.
• Шкив.
• Передняя и задняя крышка.
• Якорь. Также называется ротором.
• Выпрямительный блок.
• Щетки генератора.
• Статор.
• Подшипники ротора.
• Контактные кольца.

Щетки генератора

Это один из основных элементов электрической системы автомобиля. Устанавливается на транспортных средствах, работающих на любых видах топлива и энергии.

предназначается для подвода и отвода тока. По этой причине, если щетки генератора выйдут из строя, в автомобиле исчезнет все напряжение. А без него это просто «мертвый» механизм. Поэтому указанным элементам уделяется особое внимание.

Изготавливаются они из графита, из-за чего имеют еще одно название — «угольные». Щетки производятся с одинаковыми характеристиками и не отличаются друг от друга. Исключением являются механизмы, которые работают в тяжелых условиях. Например, устройства, установленные в двигателях с высокими оборотами, пропитываются специальными составами.

Внешний осмотр и симптомы выхода из строя

Перед тем как приступить к самостоятельной замене, нужно удостовериться, что проблема заключается в этом элементе. К сожалению, в электрические механизмы автолюбители или специалисты на сервисных центрах заглядывают только при серьезных неполадках. В плановое ТО осмотр и замена щеток генератора не входят.

По этой причине для проверки электрического устройства необходимо, чтобы в автомобиле начались появляться серьезные неполадки. К ним можно отнести:

1. Спонтанное отключение устройств.
2. Уменьшение яркости внешних световых приборов и освещенности в салоне автомобиля.
3. Недостаточное напряжение.
4. Моментальная разрядка и/или плохая зарядка аккумуляторной батареи.

Наличие хотя бы одного из этих симптомов сигнализирует о том, что щетки генератора следует осмотреть, а при необходимости заменить. На автомобилях отечественного производства проверка работоспособности выполняется без демонтажа. Визуально осмотреть генератор можно открыв крышку капота. В прямой видимости будут находиться его обмотка и две крышки, похожие на консервные банки. Сняв регулятор напряжения, следует оценить высоту, на которую выступают графитовые детали. Если она меньше 5 мм, то требуется срочный ремонт.

Замена

Сам процесс не является трудным. Чтобы заменить щетки генератора «ВАЗ 2114», понадобится следующий инструмент:

1. Накидной ключ.
2. Плоская отвертка.
3. «Трещотка» с торцевой головкой.

Необходимо откинуть минусовую клемму и отсоединить провода. Затем снять регулятор, который находится на противоположной стороне. Выкрутить два болта, которые держат корпус щеткодержателя. Извлечь механизм и тщательно протереть от пыли с грязью. Для этого подойдет простая щетка. Очистив прижимные пружины и контактное гнездо, установите новые элементы. Сборка проводится строго в обратной последовательности.

После замены могут присутствовать небольшие сбои в работе электрических приборов. Это нормально, т. к. щеткам необходима притирка. Через небольшой промежуток времени все исправится, и автомобиль будет готов к работе.