2.7.1. Phân loại và đặc điểm cấu tạo.
* Công dụng:
Máy phát là nguồn điện chính trên ô tô máy kéo, nó có nhiệm vụ: - Cung cấp điện cho tất cả các phụ tải.
- Nạp điện cho ắc quy khi động cơ làm việc ở các số vòng quay trung bình và lớn.
* Phân loại:
- Máy phát trên ô tô máy kéo, theo tính chất dòng điện phát ra có thể chia làm hai loại chính:
+ Máy phát điện một chiều. + Máy phát điện xoay chiều.
- Máy phát điện một chiều, theo tính chất điều chỉnh chia ra: + Loại điều chỉnh trong (bằng chổi điện thứ ba).
+ Loại điều chỉnh ngoài (bằng bộ điều chỉnh điện kèm theo).
Các máy phát điện một chiều loại điều chỉnh trong có kết cấu đơn giản, có khả năng hạn chế và tự động điều chỉnh dòng điện máy phát theo số vòng quay. Tuy vậy nó có nhiều nhƣợc điểm nhƣ:
- Phải luôn luôn nối mạch điện với ắc quy chúng mới làm việc đƣợc. - Cản trở việc điều chỉnh hiệu điện thế của máy phát.
- Làm giảm tuổi thọ của ắc quy.
Hình 2.18: Sơ đồ hệ thống cung cấp.
1- Máy phát; 2- Bộ ắc quy; 3- Đồng hồ am pe; 4- Bộ điều chỉnh điện.
Đến các phụ tải 1
2 3
Do đó loại máy phát này hiện nay ít thấy. Vì vậy giáo trình chỉ đề cập đến loại máy phát điều chỉnh ngoài.
- Máy phát điện xoay chiều, theo phƣơng pháp kích từ chia ra: + Loại kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
+ Loại kích từ kiểu điện từ (bằng nam châm điện). * Yêu cầu:
Máy phát điện trên ô tô máy kéo làm việc trong những điều kiện đặc biệt, vì thế chúng phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu chính sau:
- Chịu đƣợc rung sóc bụi bẩn và làm việc tin cậy trong môi trƣờng có nhiệt độ cao, có nhiều hơi dầu mỡ nhiên liệu;
- Tuổi thọ cao.
- Kích thƣớc và trọng lƣợng nhỏ, giá thành thấp.
So với máy phát một chiều thì máy phát xoay chiều có nhiều ƣu điểm hơn, vì nó không có vòng đổi điện và cuộn dây rô to đơn giản hơn.
Trên ô tô máy kéo sử dụng hai loại máy phát điện xoay chiều là máy phát xoay chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (NCVC) và máy phát xoay chiều kích từ kiểu điện từ (bằng nam châm điện).
Các máy phát kích từ bằng NCVC, do công suất hạn chế nên chủ yếu chỉ đƣợc sử dụng trên xe máy và máy kéo. Gần đây, kỹ thuật đã chế tạo đƣợc những hợp kim từ mới có chất lƣợng cao, nên loại máy phát này bắt đầu có khả năng sử dụng đƣợc trên ô tô.
Máy phát kích từ bằng NCVC có loại một pha và ba pha. Loại ba pha công suất có thể đạt tới 400VA hoặc lớn hơn.
Máy phát NCVC có nhiều ƣu điểm hơn hẳn các máy phát kích từ kiểu điện từ, nhƣ: làm việc tin cậy, kết cấu đơn giản, không có cuộn dây quay, hiệu suất cao, ít nóng, mức nhiễu xạ vô tuyến thấp.
Nhƣng chúng cũng có một số nhƣợc điểm quan trọng là: khó điều chỉnh hiệu điện thế, công suất hạn chế, giá thành cao, trọng lƣợng lớn hơn loại kích từ kiểu điện từ cùng công suất. Ngoài ra từ thông của nó còn phụ thuộc nhiều vào chất lƣợng hợp kim và kim loại chế tạo nam châm.
- Máy phát kích bằng nam châm vĩnh cửu (NCVC). Đặc điểm cấu tạo:
Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều kích từ bằng NCVC gồm hai phần chính là rô to và sta to.
+ Rô to: Phần lớn các máy phát đang đƣợc sử dụng hiện nay đều có nam châm
quay, tức nam châm là rô to. Các máy phát loại này khác nhau chủ yếu ở kết cấu của rô to và có thể chia ra một số loại chính:
Rô to nam châm hình trụ;
Rô to nam châm hình sao (có các má cực hoặc không); Rô to nam châm hình móng.
Đơn giản nhất là loại rô to hình trụ (hình 2.19). Nó có ƣu điểm là chế tạo đơn giản, nhƣng nhƣợc điểm là hiệu suất sử dụng nam châm thấp. Vì thế chúng chỉ
36 đƣợc sử dụng ở các máy phát cỡ nhỏ công suất 100 VA.
Thông dụng nhất là loại rô to nam châm hình sao (hình 2.20 và 2.21). Loại này có ƣu điểm là hệ số sử dụng vật liệu lớn. Số cực nam châm thƣờng là sáu, vì nếu tăng số cực lên nữa thì hệ số sử dụng vật liệu lại kém đi.
Nhƣợc điểm của rô to nam châm hình sao là khó nạp từ cho rô to, cƣờng độ từ trƣờng và từ cảm yếu, độ bền cơ học thấp.
Rô to nam châm hình sao đƣợc sử dụng chủ yếu trong các máy phát điện của máy kéo với công suất giới hạn khoảng 180VA.
Hình 2.21: Máy phát xoay chiều với nam châm vĩnh cửu hình sao.
1 2
1
2
Hình 2.20: Rô to nam châm hình sao. Hình 2.19: Rô to nam châm hình trụ rỗng.
Nam châm Các má cực
Nam châm hình sao Hợp kim không dẫn từ
Trục
Rô to nam châm hình móng (hình 2.22) ra đời khi xuất hiện các vật liệu từ
mới có lực từ kháng lớn, cho phép chế tạo các nam châm mạnh.
Nam châm có dạng hình trụ rỗng đƣợc nạp từ theo chiều trục. Hai đầu của nó đặt hai tấm bích bằng thép ít các bon, có các vấu cực nhô ra nhƣ những chiếc móng. Các móng cực của hai bích đƣợc bố trí xen kẽ nhau. Do chịu ảnh hƣởng của hai cực từ khác dấu ở hai mặt đầu của nam châm, nên các móng cực của mỗi tấm bích cũng mang cực tính của cực từ tiếp xúc với nó. Nhƣ vậy các móng của hai tấm bích trở thành những cực khác tên xen kẽ nhau của rô to.
Để tránh mất mát từ, thƣờng thƣờng trục rô to đƣợc chế tạo bằng thép không dẫn từ hay nam châm đƣợc đặt lên trục qua một ống lót không dẫn từ.
Rô to hình móng có một loạt các ƣu điểm, nhƣ: - Nạp từ có thể tiến hành sau lắp ghép;
- Từ trƣờng phân bố đều hơn;
- Tốc độ vòng có thể cho phép tới 100 m/s và cao hơn;
- Có thể lắp đồng thời một số nam châm nhỏ hơn lên trục theo phƣơng án đặc biệt để đảm bảo từ thông tổng cần thiết. Do đó giảm đƣợc kích thƣớc đƣờng kính của nam châm hoặc tăng công suất của máy phát.
+ Sta to: của máy phát là một khối thép từ hình trụ rỗng, ghép từ các lá thép điện kỹ thuật đƣợc cách điện với nhau bằng sơn cách điện để giảm dòng fucô. Mặt trong của sta to có các vấu cực để quấn các cuộn dây phần ứng (hình 2.23).
Hình 2.22: Rô to nam châm hình móng.
Hình 2.23: Hệ thống từ của máy phát với nam châm hình sao. 1- Sta to; 2- Rô to-Nam châm.
Đầu nối chung
1 2
- Máy phát kích kiểu điện từ có vòng tiếp điện.
Cấu tạo của máy phát điện loại có vòng tiếp điện gồm những bộ phận chính là: rô to, sta to, các nắp, puli, cánh quạt và bộ chỉnh lƣu (bộ chỉnh lƣu có thể tính hoặc không tính vào thành phần cấu tạo của máy phát, tuỳ theo nó đƣợc đặt trong máy phát hay riêng biệt bên ngoài).
+ Rô to: gồm hai chùm cực hình móng lắp then trên trục. Giữa các chùm cực có cuộn dây kích từ (3) đặt trên trục qua ống lót bằng thép. Các đầu của cuộn dây kích từ đƣợc nối với các vòng tiếp điện (9) gắn trên trục máy phát. Trục của rô to đƣợc đặt trên các ổ bi lắp trong các nắp (6) và (7) bằng hợp kim nhôm.
Trên nắp, phía vòng tiếp điện còn bắt giá đỡ chổi điện 10. Một chổi điện đƣợc nối với vỏ máy phát, chổi còn lại nối với đầu ra cách điện với vỏ.
Hình 2.24: Máy phát xoay chiều kích kiểu điện từ có vòng tiếp điện.
1- Sta to và cuộn dây; 2- Rô to; 3- Cuộn kích thích; 4- Quạt gió; 5- Puli; 6, 7- Nắp; 8- Bộ chỉnh lưu; 9- Vòng tiếp điện; 10- Chổi điện và giá đỡ.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Hình 2.25: Các chi tiết chính của rô to máy phát. 1,2- Các nửa rô to trái và phải; 7- Đai ốc và vòng đệm; 3- Cuộn kích thích; 8- Trục lắp vòng tiếp điện;
4- Mạch từ; 9- các vòng tiếp điện;
5- Đầu ra cuộn kích thích; 10- Các đầu; 6- Then;dây dẫn. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4
Trên trục còn lắp cánh quạt 4 và pu li dẫn động 5.
+ Sta to (hình 2.26): là mạch từ ghép từ các lá thép điện kỹ thuật, phía trong có xe rãnh phân bố đều để đặt cuộn dây phần ứng (tƣơng tự sta to của máy phát kích từ bằng NCVC).
Cuộn dây phần ứng thƣờng có 3 pha nối theo hình sao. Mỗi pha gồm một số cuộn nhỏ mắc nối tiếp. Đầu của các cuộn dây pha đƣợc nối ra bộ chỉnh lƣu đặt trong vỏ máy phát theo sơ đồ chỉnh lƣu cầu.
Trong điều kiện sử dụng thực tế hiệu điện thế máy phát có thể đƣợc sử dụng một phần hay toàn bộ (hình 2.27).
- Máy phát kích kiểu điện từ không vòng tiếp điện.
Về những phần kết cấu chính, máy phát điện loại không có vòng tiếp điện nói chung không có gì khác so với loại có vòng tiếp điện. Nó chỉ khác ở chỗ: với mục đích tăng tuổi thọ và độ tin cậy của máy phát, ngƣời ta loại bỏ các vòng tiếp điện và
Hình 2.26: Sta to và sơ đồ cuộn dây của máy phát điện xoay chiều. 1- Mạch từ; 2- Cuộn dây 3 pha.
1
2
Hình 2.27: Sơ đồ lắp đặt máy phát xoay chiều trên ô tô. a. Sử dụng một phần công suất máy phát; b. Sử dụng toàn bộ công suất máy phát.
a) b) Máy phát Máy phát Bộ chỉnh lƣu Phụ tải Bộ chỉnh lƣu Phụ tải
chổi điện hay hƣ hỏng, bằng cách cho các cuộn dây kích từ đứng yên.
Do những ƣu điểm trên, máy phát điện loại này đƣợc sử dụng ngày càng nhiều trên các ô tô làm việc trong điều kiện nặng nhọc và trên các máy kéo nông nghiệp.
Từ các sơ đồ ta thấy: các bộ phận của máy phát không có vòng tiếp điện đều có kết cấu tƣơng tự nhƣ ở máy phát điện loại có vòng tiếp điện. Chỉ có điểm khác biệt là: cuộn dây kích từ (3) đƣợc đặt ngay trên phần ống nhô ra của nắp sau hay lắp cố định trên đĩa (6) bắt chặt vào khối thép từ của sta to. Tức là cuộn dây kích từ trở thành một bộ phận của sta to và điện đƣợc dẫn vào cuộn kích từ qua các đầu nối cố định trên sta to.
So với các máy phát loại có vòng tiếp điện, máy phát loại không có vòng tiếp điện nói chung có khối lƣợng và kích thƣớc lớn hơn. Tuy vậy, độ tin cậy cao và tuổi thọ lớn hoàn toàn có thể bù lại đƣợc cho những nhƣợc điểm trên của chúng.
- Chỉnh lƣu và ký hiệu.
Chỉnh lƣu có nhiệm vụ biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều cung cấp cho hệ thống điện ô tô. Bộ chỉnh lƣu thƣờng đƣợc lắp đặt bên trong máy phát. Cấu tạo bộ chỉnh lƣu bao gồm: các đi ốt, giá đỡ và cánh tản nhiệt.
Hình 2.28: Sơ đồ các máy phát xoay chiều không có vòng tiếp điện.
1- Sta to; 4,5- Mạch từ;
2- Vòng không dẫn từ; 6- Đĩa lắp cuộn kích từ. 3- Cuộn kích từ cố định; 1 2 3 4 5 1 6 5 3 4 a) b) Đầu ra Mặt âm Mặt dƣơng Đi ốt Phiến tản nhiệt
Ký hiệu bộ chỉnh lƣu trong sơ đồ máy phát.
2.7.2. Đặc tính máy phát điện.
Đặc tính của các máy phát điện xoay chiều kích từ kiểu điện từ.
Đặc tính của máy phát xoay chiều kích từ kiểu điện từ có dạng gần tƣơng tự các đặc tính của máy phát xoay chiều kích từ bằng NCVC. Có sự sai khác ít nhiều giữa chúng là do ảnh hƣởng của sự thay đổi dòng kích từ.
Do dùng nam châm điện từ nên việc điều chỉnh hiệu điện thế có thể thực hiện giống nhƣ đối với các máy phát điện một chiều, tức là bằng cách thay đổi dòng kích từ nhờ rơ le điều chỉnh hiệu điện thế.
Do cuộn dây sta to có hệ số tự cảm lớn nên máy phát có đặc tính tự hạn chế dòng. Đƣờng đặc tính tải theo tốc độ Imf=f(n) khi hiệu điện thế chỉnh lƣu Ucl=const
Hình 2.31: Đặc tính tải - tốc độ I = f(n) khi U = const của máy phát xoay chiều.
a- Đặc tính máy phát khi có bộ hạn chế dòng; b- Đặc tính máy phát có tính chất tự hạn chế. a) b) Hình 2.30: Ký hiệu bộ chỉnh lưu Bộ chỉnh lƣu Cuộn rô to
và dòng kích từ Ikt=const, có dạng nhƣ trên hình 2.31.
Đặc tính trên cho thấy: dòng điện do máy phát phát ra, đến một lúc nào đó sẽ hầu nhƣ không tăng hoặc tăng không đáng kể.
Tính chất tự hạn chế dòng của máy phát thể hiện trong hai trƣờng hợp:
- Khi dòng tải tăng lớn: lúc đó từ thông của sta to mạnh lên và do phản ứng phần ứng, từ thông tổng qua lõi thép sta to giảm, làm giảm sức điện động cảm ứng và bởi vậy, hạn chế cƣờng độ dòng của máy phát.
- Khi tăng số vòng quay: tần số dòng điện cảm ứng trong cuộn dây sta to tăng lên, làm tăng trở kháng của nó và vì thế, giá trị dòng điện cũng bị hạn chế.
Nếu cuộn dây sta to có số vòng dây lớn, máy phát sẽ có tính chất tự hạn chế dòng mạnh, đƣờng đặc tính I = f(n) của nó sẽ thoải hơn, dòng điện bị hạn chế ở gần giá trị định mức (hình 2.31b). Trong trƣờng hợp đó có thể không cần sử dụng rơ le hạn chế dòng điện. Ngoài ra, số vòng quay ban đầu còn giảm đi làm tăng khả năng nạp ắc quy khi ô tô máy kéo chuyển động trong điều kiện thành phố với tốc độ thấp.
Nếu máy phát có tính tự hạn chế dòng kém, dòng điện bị hạn chế ở giá trị dòng lớn hơn giá trị cho phép nhiều (hình 2.31a) thì phải sử dụng rơ le hạn chế dòng điện.