Почему произошел переход от генераторов постоянного тока к генераторам переменного тока?

Меня довольно часто спрашивают, почему автопроизводители перешли с генераторов постоянного тока на генераторы переменного тока (альтернаторы), и кто сделал это первым. Чтобы ответить на первую часть вопроса, нужно понять, как каждый из них — генератор постоянного тока и генератор переменного тока — вырабатывает электричество. Я постараюсь объяснить эти различия, не слишком усложняя. Что касается того, кто первым внедрил генераторы переменного тока, то это была компания Chrysler в 1964 году, а все остальные последовали ее примеру в следующем модельном году. Прочитав эту статью, вы должны получить хорошее базовое представление о причинах перехода от генераторов постоянного тока к генераторам переменного тока.

Генератор постоянного тока

Генератор постоянного тока (иногда называемый динамо-машиной) имеет один набор обмоток, используемый для выработки электроэнергии. Весь электрический ток, производимый генератором, проходит через две угольные щетки, которые скользят по коллектору на конце якоря.

Поскольку в генераторе постоянного тока используется только один набор обмоток, его выходная мощность ограничена на холостом ходу и низких оборотах (об/мин). Общая же выходная мощность ограничивается размером обмоток возбуждения (полюсных катушек) и остальных внутренних компонентов. Увеличение скорости вращения генератора на высоких оборотах (выше рекомендованных производителем) не приведет к увеличению выходной мощности (а фактически может ее снизить), так как щетки начнут отрываться от коллектора из-за центробежной силы.

Кроме того, генератор постоянного тока перегревается от избыточного напряжения, что приводит к плавлению припоя, удерживающего сегменты (ламели) коллектора на якоре. Когда это происходит, сегменты отсоединяются, могут заклинить с обмотками возбуждения, и вашему генератору приходит конец.

В старые времена это называли «выбросить припой из генератора...». То же самое может случиться, если вы отрегулируете реле-регулятор для увеличения выходной мощности сверх заводских настроек. Генератор перегреется, припой расплавится, а дальше вы знаете. Вы принесли больше вреда, чем пользы!

Логично также, что двумя наиболее изнашиваемыми деталями генератора постоянного тока являются щетки и подшипники (в некоторых конструкциях — втулки) на обоих концах якоря. Если пренебрегать их состоянием, то либо щетки износятся и станут настолько короткими, что перестанут обеспечивать хороший контакт с коллектором, либо подшипники (или втулки) износятся, и якорь перестанет вращаться ровно между полюсными катушками. В этом случае якорь может начать тереться об обмотки возбуждения, повреждая и их, и сам якорь. Это означает, что вам придется заменять и якорь, и обмотки возбуждения... если вы сможете их найти!

Наконец... новые или восстановленные генераторы постоянного тока часто страдают от неправильной установки. Механически установка проста, но с электрической точки зрения все немного сложнее. Когда генератор снимают с автомобиля для обслуживания, в его полюсных катушках сохраняется остаточная намагниченность. Полярность генератора определяется направлением тока, протекавшего в обмотках возбуждения в момент его снятия. Если... в процессе переборки или проверки ток по какой-либо причине (например, из-за неправильной процедуры тестирования) потечет в обратном направлении, полярность полюсных башмаков изменится.

Если затем такой генератор установить на автомобиль (и не выполнить его поляризацию), обратная полярность приведет к тому, что электрический ток от генератора потечет в неправильном направлении. Это повредит реле-регулятор (вы будете подавать ток с «плюсом» на массе на регулятор, рассчитанный на «минус» на массе) и разрядит аккумулятор, если автомобиль оставить на ночь. Поэтому все генераторы постоянного тока необходимо поляризовать (задавать правильную полярность) после установки и перед запуском двигателя автомобиля.

Альтернатор (Генератор переменного тока)

Как мы уже обсуждали ранее, генераторы постоянного тока вырабатывают постоянный ток, на котором и сегодня работают все электрические системы автомобиля. В отличие от них, альтернаторы (генераторы переменного тока) вырабатывают переменный ток, который затем преобразуется в постоянный. Причина кроется в эффективности... читайте далее!

Генератор переменного тока автомобиля

Важное преимущество альтернаторов заключается в том, что они способны вырабатывать больший ток на низких оборотах по сравнению с генераторами постоянного тока. В альтернаторе обмотки возбуждения расположены вокруг вращающегося центрального вала, а не на «полюсных башмаках», как в генераторе постоянного тока. Две железные полюсные части, отлитые с выступами («пальцами»), охватывают обмотки возбуждения, причем выступы входят друг в друга (чередуются). Выступы одной полюсной части образуют северные полюса, а выступы другой — южные. Эта сборка называется РОТОР.

Ротор окружен набором обмоток, намотанных на шихтованные (наборные) железные кольца (сердечник), прикрепленные к корпусу альтернатора. Эта сборка называется СТАТОР. Коленчатый вал двигателя вращает ротор внутри статора.

Постоянный ток от аккумуляторной батареи подается в обмотку возбуждения ротора через щетки, скользящие по так называемым контактным кольцам. Один конец обмотки возбуждения подключен к изолированной щетке, а другой — к щетке, соединенной с «массой» (заземленной). Когда полюса ротора проходят мимо обмоток статора, в них электромагнитным путем индуцируется ток (так же, как в генераторе постоянного тока). Но поскольку ротор состоит из чередующихся северных и южных полюсов, вырабатываемый ток меняет свое направление каждые 180 градусов поворота ротора. Другими словами, ток является «переменным».

Почему это эффективнее? Потому что обмотки статора состоят из трех отдельных секций. Это позволяет получать так называемый трехфазный переменный ток. При использовании только одной обмотки (как в генераторе постоянного тока) получается однофазный ток. Фактически, при одинаковых усилиях со стороны двигателя альтернатор вырабатывает в три раза больший ток, чем генератор постоянного тока. Кроме того, альтернаторы значительно легче и компактнее генераторов постоянного тока и способны выдавать больший электрический ток для питания возросшей нагрузки бортовой сети.

Преобразование переменного тока в постоянный

Электрическая система вашего старинного автомобиля, включая аккумуляторную батарею, работает на постоянном токе (DC). Альтернатор же вырабатывает переменный ток (AC). С помощью так называемых «диодов» переменный ток на выходе альтернатора «выпрямляется», то есть преобразуется в постоянный.

Это достигается путем пропускания переменного тока через кремниевые диоды. Диоды обладают свойством легко пропускать ток только в одном направлении, блокируя его при попытке течения в обратном направлении. В альтернаторах используется несколько диодов (диодный мост), включенных таким образом, чтобы ток мог течь от альтернатора к аккумуляторной батарее только в одном направлении, создавая постоянный ток. Диод является твердотельным (полупроводниковым) прибором, то есть не имеет движущихся частей.

Регулятор напряжения

Как и генераторы постоянного тока, которые им предшествовали, большинство ранних альтернаторов использовали внешний регулятор напряжения, установленный на моторном щите. В 1970-х годах эти регуляторы стали твердотельными (полупроводниковыми), что означало отсутствие движущихся частей, подверженных износу.

Проблема «внешних» регуляторов, то есть установленных отдельно от альтернатора, заключается в передаче сигнала. Часто возникает небольшая задержка при обмене данными между двумя устройствами. Загрязненные или корродировавшие соединения, а также пережатые или оборванные провода — две распространенные проблемы, возникающие со временем.

В 1973 году компания Delco представила альтернатор со встроенным твердотельным регулятором напряжения. Это значительно повысило надежность системы зарядки. Реакция системы зарядки стала мгновенной, и исчезла проблема оборванных, пережатых или корродировавших проводов.

Когда я начал конструировать альтернаторы в 1985 году, я взял за основу конструкцию Delco с внутренним регулятором. Это обеспечивает исключительную («пуленепробиваемую») надежность. Я разработал собственные статор и ротор, чтобы мой альтернатор начинал зарядку уже при 300 об/мин коленчатого вала двигателя, а не при 1200 об/мин (что было типичной частотой вращения холостого хода для большинства двигателей, когда альтернаторы появились в середине 1960-х). Большинство старинных автомобилей, выпущенных до 1955 года, имеют частоту вращения холостого хода от 400 до 600 об/мин.

Теперь мы имеем лучшее из двух миров. Вы можете установить 6-вольтовый или 12-вольтовый альтернатор Fifth Avenue (помните, 6-вольтовых альтернаторов не существовало, пока я их не создал) и получить надежную систему зарядки с минимальными доработками при установке («прикрутил и поехал») на ваш старинный автомобиль. Вы получите более яркие фары, облегченный запуск двигателя и забудете о разряженных аккумуляторах. Лучше и быть не может!

Краткая история автомобильных электрических систем

Мы должны благодарить Алессандро Вольта за изобретение аккумуляторной батареи в 1796 году. Он и не подозревал тогда, что изобретает то, что станет важной частью современной автомобильной электрической системы. Вольта сделал свое открытие за 89 лет до того, как первый автомобиль был предложен для продажи. Пройдет еще 25 лет, прежде чем аккумуляторная батарея получит хотя бы беглое признание со стороны автопроизводителей.

В период с 1885 по 1910 год большинство легковых и грузовых автомобилей с бензиновыми двигателями не нуждались в аккумуляторных батареях, поскольку у них не было дополнительного оборудования, требующего электричества. Зажигание питалось от магнето, которое само вырабатывало ток. В редких случаях, когда требовалось дополнительное электричество, его обеспечивал сухой гальванический элемент.

К 1911 году аккумуляторные батареи достигли определенной степени надежности, будучи способными держать заряд в течение 30 дней и дольше. В отличие от сухих элементов, которые выбрасывались, разряженную аккумуляторную батарею можно было перезарядить и снова использовать. Такая надежность была достигнута в значительной мере благодаря исследованиям и разработкам в индустрии электромобилей, которым требовались надежные батареи, чтобы их транспортные средства могли конкурировать с бензиновыми моделями.

Те немногие производители бензиновых автомобилей, которые внедрили аккумуляторную батарею, начали искать, как еще можно использовать избыточный ток, и нашли применение в виде электрических фар.

Электромобиль Columbia 1898 года выпуска

Первые электрические фары были представлены на автомобиле Columbia в 1898 году. Это был электромобиль, питавшийся от аккумуляторных батарей. Производители автомобилей с бензиновыми двигателями обычно использовали другой способ освещения — систему Prest-O-Lite, представленную в 1904 году. Она представляла собой стальной баллон с ацетиленом под давлением, который подавался в фары и поджигался пламенем.

С внедрением аккумуляторных батарей автопроизводители возродили динамо-машину (генератор постоянного тока), которая существовала уже некоторое время. (Сегодня мы называем ее генератором постоянного тока, но в те ранние дни «генераторами» часто называли магнето). Теперь аккумуляторную батарею не нужно было каждый месяц снимать с автомобиля для перезарядки.

Проблемой, с которой столкнулись ранние электрические системы с динамо-машиной, была перезарядка аккумулятора. Эта проблема вскоре была решена с разработкой компанией Delco регулятора напряжения, поддерживающего стабильное выходное напряжение при переменной скорости вращения. Этот новый регулятор выходного напряжения впервые был использован на Cadillac 1912 года, который продемонстрировал еще одну новинку, произведшую фурор в автомобильной индустрии, — «стартер».

Электрический стартер Cadillac 1912 года выпуска

Как только автопроизводители внедрили стартер, им пришлось адаптировать систему «аккумулятор/генератор» для его работы. Однако эта система вырабатывала гораздо больше тока, чем требовалось стартеру, фарам и звуковому сигналу. Автопроизводители вскоре поняли, что могут использовать этот избыточный ток для системы зажигания, тем самым сделав магнето устаревшим.

Как появился стартер

Стартер появился в результате несчастного случая — в буквальном смысле. Зимой 1910 года на деревянном мосту на острове Бель-Айл (штат Мичиган) заглох автомобиль Cadillac, за рулем которого была женщина. Не имея сил самостоятельно завести двигатель пусковой рукояткой, она была вынуждена ждать помощи на мосту, на холоде.

Вскоре мимо проезжал другой автомобилист, тоже на Cadillac. Его звали Байрон Т. Картер, и он был близким другом главы компании Cadillac, Генри М. Лиланда. Картер предложил завести машину женщины, но она забыла установить позднее зажигание. Двигатель дал обратный удар («чихнул»), рукоятка сорвалась, ударила Картера по лицу и сломала ему челюсть.

По иронии судьбы, через несколько мгновений подъехал другой автомобиль, в котором находились два инженера Cadillac: Эрнест Суит и Уильям Фольц. Они завели машину женщины и срочно доставили Картера к врачу, но возникли осложнения, и через несколько недель Картер скончался.

Лиланд был потрясен. Он созвал специальное совещание своих инженеров и объявил, что поиск способа избавиться от пусковой рукоятки является главным приоритетом. «Автомобили Cadillac больше не будут убивать людей, если мы сможем это предотвратить», — заявил он.

Когда инженеры Cadillac не смогли предложить работоспособное решение, Лиланд пригласил Чарльза Ф. Кеттеринга и его инженеров из компании Delco (в то время еще независимой от GM) поработать над этой задачей. Delco представила готовое устройство как раз к моменту его установки на модели Cadillac 1912 года.

Решение Кеттеринга

Устройство Кеттеринга представляло собой комбинацию стартера и генератора, оснащенную обгонной муфтой и понижающим редуктором. Зубья шестерни входили в зацепление с маховиком, обеспечивая понижение передачи примерно 25 к 1 между стартером и коленчатым валом, что давало достаточный крутящий момент для успешного запуска двигателя. Руководство General Motors поначалу не доверяло новой системе и потребовало устанавливать резервное магнето и пусковую рукоятку.

По мере роста доверия общественности к надежной системе «аккумулятор-генератор-стартер», она вскоре вытеснила магнето на всех автомобилях General Motors. Продажи General Motors резко выросли, и остальная часть автомобильной промышленности вскоре переняла эту систему. Из 462 моделей, представленных на Нью-Йоркском автосалоне 1911 года, только 19 имели систему «аккумулятор-генератор», и все они были оснащены резервным магнето. Из 119 марок, показанных на Нью-Йоркском автосалоне 1924 года, 110 уже имели системы с аккумуляторной батареей, генератором и стартером.

Другие важные этапы в развитии автомобильного электрооборудования

В 1939 году были представлены первые герметичные фары (sealed-beam), которые сделали ночное вождение намного безопаснее. За этим в 1949 году последовало внедрение компанией Chrysler комбинированного замка зажигания и стартера, управляемого ключом, который со временем переняли все производители.

До 1949 года на большинстве автомобилей стартер приводился в действие отдельной кнопкой на приборной панели или кнопкой на полу, расположенной над педалью акселератора. Запуск автомобиля с помощью напольной кнопки стартера иногда был непростой задачей: левая нога на педали тормоза, пятка правой ноги на акселераторе, а носок правой ноги нажимает на кнопку стартера.

Это требовало выполнения множества действий одновременно... особенно если вы трогались с места на подъеме. С тех пор мы действительно прошли долгий путь.

Компания Delco

Компания Dayton Engineering Laboratories Co. (Delco) была основана в Дейтоне, штат Огайо, Чарльзом Кеттерингом и Эдвардом А. Дидсом в 1909 году.

В 1918 году General Motors (GM) приобрела United Motors Company, которая была создана несколькими годами ранее Уильямом К. Дюрантом для объединения нескольких известных производителей автокомпонентов, включая Delco, Dayton-Wright и Dayton Metal Products Company.

Все эти компании были связаны с Чарльзом Кеттерингом, Эдвардом А. Дидсом и Гарольдом Э. Тэлботтом. В 1920 году Кеттеринг стал вице-президентом General Motors Research Corporation. Он занимал пост руководителя исследовательского подразделения GM в течение 27 лет.

Радиоприемники Delco...

В 1936 году Delco начала производить первые автомобильные радиоприемники, устанавливаемые в приборную панель. Компания Delco Electronics, базирующаяся в Кокомо, штат Индиана, на пике своего развития насчитывала более 30 000 сотрудников.

В начале 1956 года Delco разработала гибридный автомобильный радиоприемник с автоматической настройкой на транзисторах, в схеме которого использовались как вакуумные лампы, так и транзисторы. Транзисторы заменили выходные вакуумные лампы радиоприемника, а также вибратор (преобразователь напряжения). Этот гибридный транзисторный радиоприемник был доступен в качестве опции на моделях Chevrolet Corvette 1956 года.

В 1957 году Delco выпустила полностью транзисторный автомобильный радиоприемник с автоматической настройкой, который предлагался для моделей Cadillac Eldorado Brougham 1957 года. В 1997 году Delco стала частью Delphi Group в составе General Motors.

Delphi Automotive

История Delphi Automotive восходит к компании New Departure Bell Company, основанной в Бристоле, штат Коннектикут, в 1888 году для производства первого известного устройства дверного звонка. Инновационный потенциал компании вскоре распространился и на транспорт: в 1897 году был представлен первый велосипедный ножной тормоз (coaster brake).

Другие предшественники Delphi занимались автомобильным освещением с 1906 года и производством деревянных автомобильных кузовов с 1908 года.

В 1908 году Альберт Чемпион, производивший свечи зажигания в Америке с 1899 года, присоединился к Buick Motor Co. для производства свечей зажигания в подразделении AC Spark Plug Division, которое было приобретено основателем General Motors Билли Дюрантом в 1909 году. В 1914 году Дюрант приобрел Dayton Engineering Laboratories, которая впоследствии стала Delco.

Другие инновации до появления Delphi включали кольцевую клемму (Ring Terminal), разработанную в 1930 году; первый автомобильный радиоприемник (1936); первый радиоприемник с механическими кнопками предварительной настройки (1939); и механический усилитель рулевого управления (1951).

Как говаривал Пол Харви каждый день в полдень... «а теперь вы знаете и остальную часть истории...»

Перевод статьи: https://fifthaveinternetgarage.blogspot.com/2016/10/i-get-asked-quite-often-to-explain.html