Máy phát điện ô tô: Chức năng, Nguyên lý, Cấu tạo

Mục lục:

1. Vai trò hệ thống nạp điện trên xe ô tô

2. Cấu trúc hệ thống nạp điện trên ô tô

3. Máy phát điện ô tô là gì ?

4. Chức năng của máy phát điện ô tô

5. Nguyên lý máy phát điện

6. Cấu tạo máy phát điện

Nội dung:

1. Vai trò hệ thống nạp điện trên xe ô tô

Ô tô được trang bị một số hệ thống và thiết bị điện để đảm bảo an toàn và tiện nghi khi sử dụng. Chúng cần điện năng trong suốt thời gian họat động và cả khi động cơ đã dừng. Vì thế, chúng cần cả accu và nguồn điện một chiều như nguồn năng lượng. Một hệ thống cung cấp điện trang bị trên xe cung cấp nguồn một chiều cho những hệ thống và thiết bị vừa nêu. Tuy nhiên accu sẽ phóng điện khi động cơ dừng và dần hết điện.

Hệ thống cung cấp điện sử dụng sự quay của động cơ để phát sinh ra điện. Nó không những cung cấp điện năng cho những hệ thống và thiết bị điện khác mà còn nạp điện cho accu trong lúc động cơ đang hoạt động.

2. Cấu trúc hệ thống nạp điện trên ô tô

Máy phát điện : phát sinh ra điện.

Tiết chế : điều chỉnh điện áp do máy phát điện tạo ra.

Accu : dự trữ và cung cấp điện.

Đèn báo nạp : cảnh báo cho tài xế khi hệ thống sạc gặp sự cố.

Công tắc máy : đóng và ngắt dòng điện.

Khi bật công tắc máy, một dòng điện sẽ đi từ bình accu đến cuộn dây rotor trong máy phát điện. Dòng điện này làm rotor trở thành một nam châm điện. Khi động cơ hoạt động, nam châm điện này quay làm biến thiên từ thông qua cuộn dây trên stator. Từ thông biến thiên sinh ra sức điện động trên cuộn dây stator. Dòng điện do máy phát sinh ra sẽ được nạp cho bình accu và cung cấp cho các phụ tải điện. Đèn báo nạp nằm trên bảng đồng hồ của người lái để báo máy phát không phát điện hoặc có sự cố trong hệ thống nạp. 

Hệ thống nạp sản suất ra điện năng để cung cấp nguồn điện cần thiết cho các phụ tải điện và để nạp ắc quy khi động cơ của xe hoạt động. Ngay sau khi động cơ khởi động, dây đai dẫn động sẽ làm cho máy phát hoạt động.

Hình 3.1: Các bộ phận của hệ thống nạp.

1. Máy phát điện; 2. Ắc-quy; 3. Đèn báo nạp; 4. Công tắc máy

3. Máy phát điện ô tô là gì ?

Máy phát điện là một bộ phận quan trọng trong hệ thống nạp. Nó có nhiệm vụ nạp cho ắc - quy khi ắc - quy hết điện. Và cung cấp điện phụ với ắc - quy (khi động cơ đang hoạt động) khi tải cao (các phụ tải điện sử dụng nhiều).

-   Sơ lược về máy phát: Khi động cơ khởi động, dây đai dẫn động sẽ làm cho pu-ly của máy phát quay. Kết quả là rotor quay và dòng điện được phát ra từ cuộn sta-to.

Hình 3.2: Các chi tiết bên trong máy phát

1. Puly; 2. Rotor; 3. Stato; 4. Bộ chỉnh lưu; 5. Bộ ổn áp; 6. Cực B

4. Chức năng của máy phát điện ô tô

Máy phát điện thực hiện một số chức năng. Trên các máy phát đời cũ, thành phần của máy phát gồm bộ phận phát điện và chỉnh lưu. Chức năng ổn định điện áp được thực hiện bằng một tiết chế lắp rời thông thường là loại rung hay bán dẫn. Ngày nay, các máy phát bao gồm 3 bộ phận: phát điện, chỉnh lưu và hiệu chỉnh điện áp. Tiết chế vi mạch nhỏ gọn được lắp liền trên máy phát, ngoài chức năng điều áp nó còn báo một số hư hỏng bằng cách điều khiển đèn báo nạp.

Máy phát điện giữ một vai trò then chốt trong các thiết bị cung cấp điện. Nó thực hiện ba chức năng : phát điện, chỉnh lưu, hiệu chỉnh điện áp.

- Chức năng phát điện: Khi động cơ khởi động, dây đai dẫn động sẽ truyền chuyển động quay của động cơ đến pu-ly máy phát, nó làm cho rotor (ký hiệu trên hình là số 1) quay. Kết quả là cuộn stato (ký hiệu trên hình là số 2) phát ra dòng điện xoay chiều.

Hình 3.3: Chức năng phát điện của máy phát.

- Chức năng chỉnh lưu: Hệ thống điện của ôtô sử dụng dòng điện một chiều. Do đó một bộ chỉnh lưu (nắn dòng; ký hiệu trong hình là số 1) sẽ thay đổi dòng điện xoay chiều do sta-to phát ra thành dòng điện một chiều.

Hình 3.4: Chức năng chỉnh lưu của máy phát

- Chức năng hiệu chỉnh điện áp: Điện áp của hệ thống điện ôtô được cố định là 12 V. Một bộ ổn áp IC (ký hiệu trong hình là số 1) được sử dụng để điều chỉnh dòng điện ở một điện áp không đổi bất chấp sự thay đổi về tốc độ của máy phát. 

Hình 3.5: Chức năng ổn áp của máy phát

Ghi nhận tổng quát:

- Ghi nhận bên ngoài máy phát (có bị hư hỏng bên ngoài gì không? Tình trạng máy phát như thế nào?...)

- Vệ sinh tổng quát.

5. Nguyên lý máy phát điện

Có nhiều phương pháp tạo ra dòng điện, trong những máy phát điện, người ta sử dụng cuộn dây và nam châm làm phát sinh ra dòng điện trong cuộn dây. Sức điện động sinh ra trên cuộn dây càng lớn khi số vòng dây quấn càng nhiều, nam châm càng mạnh và tốc độ di chuyển của nam châm càng nhanh.

Khi nam châm được mang lại gần cuộn dây, từ thông xuyên qua cuộn dây tăng lên. Ngược lại, khi đưa cuộn dây ra xa, đường sức từ xuyên qua cuộn dây giảm xuống.

Bản thân của cuộn dây không muốn từ thông qua nó biến đổi nên cố tạo ra từ thông theo hướng chống lại những thay đổi xảy ra.

- Máy phát điện trong thực tế :

Nam chân vĩnh cửu được thay thế bằng nam châm điện nên từ thông có thể thay đổi được.
Có thêm lõi thép sẽ làm tăng từ thông qua cuộn dây.
Sinh ra từ thông móc vòng làm từ thông thay đổi liên tục.

- Mối quan hệ giữa máy phát điện một chiều và động cơ điện :

Nối bóng đèn nhỏ vào một động cơ điện và xoay động cơ điện bằng tay, bóng đèn sáng nhẹ, điều này chứng tỏ động cơ điện có cấu tạo giống như máy phát điện một chiều. Cơ năng và điện năng có thể được tạo ra từ cùng một nam châm và khung dây.

Khi chạy một chiếc xe đạp có gắn máy phát điện vào ban đêm, ta cảm thấy bàn đạp cần lực đạp lớn hơn. Điều đó xảy ra vì máy phát điện có chức năng giống như một động cơ điện, tạo ra một lực theo chiều ngược lại ngoài chức năng phát điện của nó nên cần lực đạp trên bàn đạp lớn hơn.

Khi động cơ điện quay, nó có chức năng như máy phát điện, tạo ra dòng điện ngược làm giảm dòng điện từ accu.

Khi máy phát điện hoạt động và nối với tải điện, nó giống như động cơ điện nên phát sinh lực theo chiều ngược lại làm cản trở sự quay.

6. Cấu tạo máy phát điện

Máy phát điện kích từ bằng nam châm điện có vòng tiếp điện :

• Rotor máy phát điện

Chức năng : tạo ra từ trường và xoay để tạo ra sức điện động trong cuộn dây stator.

Các thành phần chính : cuộn dây rotor, cực từ, trục

• Chổi than và vòng tiếp điện của máy phát

- Chức năng: cho dòng điện chạy qua rotor để tạo ra từ trường.

- Các thành phần chính: Chổi than, Lò xo, Vòng kẹp chổi than, Vòng tiếp điện

Chổi than làm bằng grafít - kim loại với tính chất đặc biệt có điện trở nhỏ và được phủ một lớp đặc biệt chống mòn.

• Stator máy phát

Chức năng: tạo ra điện thế xoay chiều 3 pha nhờ sự thay đổi từ thông khi rotor quay.

Các thành phần chính: Lõi stator, cuộn dây stator, đầu ra

Nhiệt sinh ra lớn nhất ở stator so với các thành phần khác của máy phát, vì vậy dây quấn phải phủ lớp chịu nhiệt.

Cuộn dây stator có thể mắc theo hai cách:

Cách mắc kiểu hình sao: cho ra điện thế cao, được sử dụng phổ biến.

Cách mắc kiểu tam giác: cho ra dòng điện lớn.

• Bộ chỉnh lưu

Cuộn dây stator gồm 3 cuộn dây riêng biệt. Trong cách mắc hình sao, đầu chung của 3 cuộn dây được nối thành đầu trung hòa.

Vai trò của bộ chỉnh lưu: Biến dòng điện xoay chiều ba pha trong stator thành dòng điện 1 chiều.                  

Các thành phần chính: Đầu ra, dode âm, diode dương

Đặc điểm: Sáu diode (tám diode nếu bộ chỉnh lưu có nối với dây trung hòa) được sử dụng để chỉnh lưu toàn kỳ,  phiến tản nhiệt có hai mặt.

Bản thân diode chỉnh lưu sinh ra nhiệt khi có dòng điện chạy qua. Tuy nhiên chất bán dẫn tạo ra diode lại không chịu nhiệt nên diode bị hư khi quá nhiệt. Vì vậy phiến tản nhiệt phải có diện tích lớn. Khi tốc độ máy phát khoảng 3000v/p, nhiệt độ của diode là cao nhất.

• Tiết chế vi mạch

- Vai trò của tiết chế: Điều chỉnh dòng điện kích từ (đến cuộn dây rotor) để kiểm soát điện áp phát ra, theo dõi tình trạng phát điện và báo khi có hư hỏng.

- Các thành phần chính: Vi mạch, Phiến tản nhiệt, Giắc cắm

Tiết chế và vi mạch có hai loại tùy thuộc vào cách nhật biết điện áp sạc:

Loại D: Nhận biết điện áp sạc ở đầu ra của máy phát và điều chỉnh nó luôn ở một khoảng xác định.

Loại M: Nhận biết điện áp tại accu đồng thời điều chỉnh dòng ra ở một khỏang xác định.

• Quạt

Vai trò của quạt: Khi quạt quay, không khí được hút qua các lỗ trống làm mát cuộn rotor, stator và bộ chỉnh lưu làm giảm nhiệt độ của các bộ phận này ở mức cho phép.

Đặc điểm:

Có hai quạt hút từ hai phía để cung cấp đủ lượng gió cần thiết.
Không khí mát được hướng vào cuộn stator, nơi phát sinh ra nhiều nhiệt nhất.
Một phụ tải điện sẽ sinh ra nhiệt khi dòng đi qua. Bộ xông kính chẳng hạn, nó đã sử dụng nhiệt này. Máy phát sinh nhiệt ở nhiều dạng khác nhau như trình bày ở phần trên. Chúng bao gồm : nhiệt sinh ra trên vật dẫn (ở các cuộn dây và diode), trên các lõi thép do dòng fuco và do ma sát (ở ổ bi, chổi than và với không khí). Nhiệt sinh ra làm giảm hiệu suất của máy phát.

Các loại máy phát điện khác

• Máy phát đời cũ và tiết chế loại rung

Máy phát điện đời cũ thường nặng hơn và có kích thước lớn hơn so với máy phát loại mới có cùng công suất.Nó thường được sử dụng với tiết chế loại rời.

Cấu trúc bên trong của máy phát đời cũ về cơ bản giống như loại đời mới nhưng nó có một số đặc điểm khác:

- Không có bộ tiết chế lắp chung

- Chỉ lắp một quạt bên ngoài

- Cuộn dây stator và bộ chỉnh lưu được hàn thành một khối trên thân.

Tiết chế loại rung có kích thước lớn nên không thể lắp thành một khối với máy phát.

• Máy phát có bơm chân không

Máy phát có bơm chân không thường được lắp trên xe có động cơ diesel. Bơm chân không được trang bị để cung cấp chân không cho trợ lực lái và các thiết bị khác. Bơm chân không được lắp chung nên quay cùng với trục của máy phát. Có hai loại, loại có bơm chân không đặt phía puli và loại đặt phía đối diện puli.

Loại máy phát có bơm chân không giống như các loại máy phát khác nhưng có thêm bơm chân không. Cấu tạo của bơm chân không gồm có: Vỏ, Rotor, Cánh, Van an toàn (van một chiều).

• Máy phát không có vòng tiếp điện

Máy phát không có vòng tiếp điện được sử dụng trên máy kéo, xe tải lớn, xe công trình. Nó không sử dụng chổi than và vòng tiếp điện để nâng cao tuổi thọ. Nó chỉ có các cực từ xoay còn cuộn dây phần cảm đứng yên.