Как работает автомобильный генератор, для чего он нужен и что в нём может сломаться

Бензиновый двигатель и автомобиль в целом не могут работать без электричества — это факт. На первых машинах его обеспечивало простейшее устройство — магнето, а сегодня это делает электрический генератор. Рассказываем, какие генераторы бывают, как устроен этот важный узел и что может с ним случиться в процессе эксплуатации.

Электрический генератор — устройство, преобразующее механическую работу (вращение вала) в электричество. Приводится генератор от коленвала ДВС, обычно с помощью ремня, и, помимо питания электрических потребителей, заряжает автомобильный аккумулятор (АКБ).

По сути, генератор делает работу, обратную электродвигателю (тот расходует энергию, приводя во вращение другие агрегаты), но их конструкции максимально схожи. Более того, в гибридном автомобиле один агрегат может выполнять обе эти функции, в зависимости от команды блока управления — его называют стартер-генератор. 

Он запускает ДВС, может добавить тому крутящего момента на низких оборотах, а при замедлении автомобиля (торможении двигателем) переключается в режим генератора, «закачивая» электроэнергию в батарею для следующих запусков.

Генератор в автомобиле снабжает энергией все важные агрегаты. Электрические стеклоподъёмники, обогрев сидений, фары, вентилятор кондиционера и другие потребители могут какое-то время питаться от АКБ, но это приведёт к быстрому разряду батареи в отсутствие внешней подпитки. И если без вышеперечисленных приборов ещё можно ездить, то низкое напряжение в системе зажигания, на электрическом бензонасосе или блоке управления двигателем тут же обездвижит автомобиль.

Поэтому генератор включается в работу с первым оборотом коленвала и не только обеспечивает всю машину электричеством, но и поддерживает правильные параметры электросистемы благодаря встроенному реле-регулятору напряжения.

В автомобилях нашли применение два варианта этого агрегата:

• Генератор постоянного тока — довольно простое устройство, которое при вращении вала выдаёт постоянный ток, которым можно напрямую заряжать АКБ. Такие генераторы показали себя как низкоэффективные и тяжёлые. Их устанавливали до 1970-х, например, на ГАЗ-51 или Победу — легендарный ГАЗ-М20.
• Генератор переменного тока — более современный агрегат, он легче и компактнее «постоянника». Как ясно из названия, он вырабатывает переменный ток, как в бытовых электросетях, — и для питания аккумулятора и всей электросистемы автомобиля его необходимо преобразовать в постоянный. Для этого генератор дополняется системой полупроводниковых диодов. Генераторы этого типа намного эффективнее, соответственно, при той же мощности компактнее и легче. В СССР первые генераторы переменного тока получили автомобили ГАЗ-69 и УАЗ-469. 

Главный недостаток генератора постоянного тока в том, что он задействует всего одну обмотку, а выработанное электричество снимается с вращающегося ротора через угольные щётки. Это самое тонкое место системы, ограничивающее мощность генератора. Кроме того, нагрузку на него приходится снижать из-за нагрева обмотки.

В устройстве переменного тока он вырабатывается на обмотках неподвижного статора, а через щётки проходит только намного более слабый ток возбуждения обмоток. И этих обмоток может быть не одна — сегодня на автомобили устанавливаются синхронные трёхфазные генераторы переменного тока. Они дешевле в производстве, мощнее и к тому же не создают импульсные помехи.

Любой генератор имеет в своей конструкции:

1. Статор — неподвижный пластинчатый сердечник с медной обмоткой, окружающий ротор. В современном автомобильном генераторе обычно 3 статора с обмотками, размещённые по окружности внутри корпуса.
2. Ротор — вращающийся вал с полюсными сердечниками и контактными кольцами. Между сердечниками намотаны обмотки возбуждения, которые, в свою очередь, подсоединены к контактным кольцам на валу.
3. С кольцами соприкасается щёточный узел — подпружиненные графитовые стержни (щётки), через которые подаётся напряжение на ротор.
4. Диодный мост — элемент, который выполняет главную функцию по преобразованию тока из переменного в постоянный. Он состоит из силовых диодов.
5. Реле-регулятор напряжения — система, поддерживающая стабильное напряжение в бортовой сети вне зависимости от оборотов ДВС и, соответственно, генератора. Она реагирует и на нагрузку, не допуская просадки напряжения при подключении мощных потребителей.
6. Корпус — прочная оболочка, отвечающая за защиту всего узла. У корпуса есть передняя и задняя крышки, оборудованные подшипниками для свободного вращения ротора. В корпусе также сделаны отверстия для охлаждения прибора.
7. Шкив — элемент, который передаёт ротору механическую энергию вращения от коленвала. На шкив может устанавливаться обгонная муфта, снижающая ударные нагрузки при резком изменении оборотов двигателя.

Работа генератора основана на явлении электромагнитной индукции. Ротор с обмоткой возбуждения (проводником под напряжением), приводимый в движение коленвалом, создаёт вращающееся магнитное поле.

Оно, в свою очередь, генерирует в обмотках статора переменный ток. Он снимается с обмоток, а затем диодный мост преобразует его в постоянный.

Чем выше обороты ротора, тем сильнее магнитное поле и выше создаваемое электрическое напряжение. Корректным перераспределением энергии занимается реле-регулятор. Его главная задача — сделать так, чтобы бортовая сеть не перегружалась. В генераторе переменного тока это можно делать, управляя напряжением на роторе. В первый момент оно подаётся с аккумулятора, но на заведённом моторе реле ограничивает ток возбуждения и тем самым — выходную мощность генератора в целом.  Аккумулятор при этом служит и резервом энергии, и своеобразным буфером, сглаживающим возможные скачки в сети. При восполнении заряда и включении нескольких серьёзных потребителей автомобилю требуется больше энергии. В этот момент генератор выдаёт полную мощность, которая расходуется на обеспечение работоспособности систем. По мере накопления заряда аккумулятором потребность в энергии снижается, и тогда реле-регулятор должно ограничить её поступление во избежание перезаряда АКБ.

При этом, если потребности автомобиля в пике превосходят мощность генератора, обеспечение системы частично возьмёт на себя батарея. Такая «взаимопомощь» происходит регулярно, но при нормальной работе узлов остаётся незаметной для водителя.

Подробнее о том, как проверить генератор, и о причинах его поломок мы уже рассказывали, но кратко напомним.

Если генератор неисправен, он обязательно подаст вам сигнал — на панели загорится значок аккумулятора, сообщающий о падении напряжения в бортсети или отсутствии заряда АКБ.

Опытный водитель отметит и вторичные признаки отказа — тусклый свет фар, быстро разряжающийся АКБ и/или неприятные звуки — свист, шуршание, хруст.

Для диагностики лучше всего приобрести мультиметр — инструмент, который поможет измерить напряжение бортовой сети и проверить цепи обмоток на пробой или обрыв. При двигателе, работающем на холостом ходу, и включённых потребителях напряжение должно быть не меньше 13 и не больше 14,2 В для легковых автомобилей. Показания снимаются с клемм аккумулятора.

Вот несколько основных причин неисправности генератора.

Обрыв приводного ремня

Эта поломка устраняется легче всего. Достаточно просто заменить ремень. Но в процессе есть важный нюанс: для корректной работы и сохранения ресурса его нужно натягивать так, чтобы под нагрузкой примерно в 10 кг его прямой участок прогибался на определённую величину, прописанную в инструкции.

Если ремень будет надет слишком свободно, он будет проскальзывать (и быстро изнашиваться) и может просто соскочить с роликов. Ещё один симптом ослабленного ремня — его свист под нагрузкой, когда включаются мощные энергопотребители или разряжена батарея — например, после трудного зимнего пуска мотора.

А при излишнем натяжении начнут образовываться трещины, которые в итоге приведут к разрыву ремня. Помимо него, пострадают подшипники генератора. Поэтому в отсутствие достаточного опыта и оборудования для корректного монтажа рекомендуем поручить эту работу сотрудникам СТО. Впрочем, на многих современных машинах натяжители приводного ремня автоматические, и это упрощает автовладельцу жизнь.

Короткое замыкание

Это внутренняя поломка генератора, требующая его снятия и осмотра. В данном случае лучше всего обратиться за помощью в сертифицированный центр или СТО. Как правило, короткое замыкание возникает при выходе из строя регулятора. На это есть несколько причин:

• нарушение полярности при включении АКБ (высока вероятность повреждения диодного моста);
• разрушение графитовых щёток;
• в корпус попала влага.

Обрыв проводки

Обычно это случается от тряски и вибраций, особенно на внедорожниках. Реже — в процессе излишне агрессивной мойки подкапотного пространства.

Износ подшипников 

Это как раз тот случай, когда владелец автомобиля слышит хруст или писк. Обычно подшипники служат долго, но неправильный натяг ремня или грязь и влага могут снизить их ресурс до 100 000–120 000 километров. 

Чтобы избежать проблем, важно контролировать и вовремя менять ремень генератора. Также рекомендуется хотя бы раз в месяц заглядывать под капот, чтобы удостовериться в целостности всех агрегатов. Генератор должен быть хорошо закреплён, а его шкив не иметь биений.