Электрические машины: стартер и генератор

Что может быть лучше нестареющей классики! Именно такой вывод можно сделать, ознакомившись с типом электрических машин на большинстве серийных автомобилей. Безусловно, приоритеты меняются, и устройство постоянно совершенствуется, однако на фоне настоящей революции, которую совершили компании ISAD Systems и Bosch еще в конце прошлого века, возникает закономерный вопрос: «Почему так медленно?»

Впрочем, возможно, дело не в косности мышления большинства автопроизводителей, а в банальном соотношении цена/качество. За столь огромное время, что стартер и генератор применялись на автомобиле, их конструкция полностью устоялась. Само собой, по мере появления новых возможностей, вроде изобретения полупроводников, изменения происходили, но без резких телодвижений. Что может быть проще и дешевле двух обмоток с набором дополнительного функционала: обгонными муфтами, диодными мостами и тому подобными копеечными фишками? В общем, пока основная часть воза и ныне там, вспомним все этапы совершенствования систем пуска и снабжения бортовой сети электроэнергией.

В самом начале автомобильной эпопеи стартер назывался в народе «кривым» – это была заводная ручка под косозубое зацепление, которое функционировало как обгонная муфта благодаря осевым векторам сил при работе подобной передачи. К электрическим машинам такая простая, но эффективная штука никакого отношения не имела, однако вспомнили мы ее не просто так, поскольку первые бортовые сети не отличались стабильностью и данная безотказная железка всегда прилагалась к автомобилю, да и в багажнике много места не занимала. Даже жигулевская «классика» поначалу выпускалась с отверстием под «кривой стартер». Это уже, конечно, перебор, им мало кто пользовался, но вот в эпоху коллекторных генераторов постоянного тока, примерно до 60-х годов прошлого века, во всяком случае в России «кривого стартера» не было лишь у самых беспечных водителей.

В автомобиле все взаимосвязано, а генератор постоянного тока мало того, что был громоздким и тяжелым, так еще и давал серьезные ограничения тока нагрузки. Коллектор требовал постоянного обслуживания – в общем, чтобы не встать в один прекрасный момент на дороге с посаженным аккумулятором, и использовался сей запасной вариант в виде заводной ручки.

Если генератор все ж таки со временем претерпевал некоторые изменения, то конструкция классического стартера устоялась быстро. Разница была лишь в нюансах, вроде расположения пусковой шестерни, но это непринципиально. Две обмотки, щеточный узел, втягивающее реле, обгонная муфта да шестерня – вот, пожалуй, и все, модернизировать практически нечего.

С генератором так по-простому не получилось. С ненадежным коллекторным узлом вопрос в конце концов решился, когда появились сначала селеновые, а затем кремниевые диодные выпрямители и генератор наконец стал трехфазным синхронным. В чем плюсы? Трехфазный агрегат значительно меньше, легче и мощнее, а уж о надежности, наверное, не стоит и говорить. Стали ненужным реле и ограничитель обратного тока, еще и устройство значительно упростилось. В общем, куда ни глянь – всюду плюсы. Но с появлением новомодных систем вроде «старт-стоп» понадобилось дополнительное усовершенствование конструкции – стабильный ток. Так что от аналоговых схем перешли к цифровым, сигналы теперь идут по CAN-шинам.

Но и на этом проекты по модернизации не остановились – пока есть что улучшать, работы ведутся. Генератор, в отличие от стартера, работает постоянно, поэтому инженеры стараются учесть все детали и исключить слабые узлы. Одним из таких узлов разработчики посчитали щеточный узел. Кроме того, появилась возможность дополнительно увеличить надежность агрегата в целом и получить более стабильный ток на выходе. В результате на свет появились индукторные генераторы – бесконтактные машины переменного тока с электромагнитным возбуждением. Один из полюсов сажается на ротор, другой на статор. Все бы хорошо, но, к сожалению, для легковой техники такой замечательный механизм слишком габаритен и тяжел, поэтому широкое распространение он получил пока лишь на грузовиках и автобусах. А там как знать – может, со временем индукторная электрическая машина станет меньше и легче, а может, в массе своей и нет. Не исключено, что рано или поздно отдельный генератор и стартер вообще посчитают тупиковым путем эволюционного развития бортовой сети. Такое ощущение, что вопрос лишь в широкой доступности современных технологий. У кого они будут доступнее, в том числе и в материальном воплощении, тот и победит.

Впрочем, на данный момент существует еще одна проблема – возможность модульной замены и смены поставщика. Перекинуть заказ другому производителю компонентов не составит труда, если тот, что есть, «поймал звезду» и гонит узлы сомнительного качества и/или увлекся ценообразованием. Но это в случае раздельного стартера с генератором, а если нет?

Еще двадцать лет назад компанией ISAD Systems разработан единый стартер-генератор, который реально закрывает все вопросы с нехваткой электроэнергии в самых пиковых случаях (подключены все потребители), в случае и с электротрансмиссией, и с гибридным приводом. Он способен существенно помогать ДВС на разгоне, подзаряжать аккумуляторы во время торможения, выдавать разную силу тока в зависимости от задач. Правда, для того, чтобы интегрировать подобную систему в ДВС, придется мало того, что залезть в механическую часть мотора, необходимо подружить еще единый блок ЭБУ с системой управления стартером-генератором. Дорого, сложно, и в случае разногласий по-простому демонтировать сей узел не выйдет.

Остановимся поподробнее на продукте Continental ISAD Systems – именно она на настоящий момент самая сложная и многофункциональная. Итак, на венце маховика зубьев теперь нет, поскольку маховик – ротор, снаружи него, как и положено, размещается статор. Управляющая электроника по сигналам с датчиков сама определяет, какой режим в настоящий момент требуется мотору – стартера или генератора. Ременного привода тоже нет, что увеличивает надежность, но снижает ремонтопригодность. Ну а дальше все просто, пусть и в теории.

Кроме стандартного аккумулятора в распоряжении ISAD имеются конденсаторы большой емкости, и все вместе помогает раскручиваться узлу в режиме стартера до 800 об/мин за 0,2 сек, одновременно кратковременно добавляя ДВС около 50 кВт на разгоне (если нужно). Собственно, изначально ISAD был и заточен под систему «старт-стоп», что неудивительно – разработчики зрели в корень, понимая, какая чехарда скоро начнется с экологией.

С генераторной функцией единого блока еще интереснее: благодаря большой мощности он питает аж четыре раздельные сети. Одна на привычные 12 В, обеспечивающая стандартные потребители, отдельно выделена сеть на 42 В для питания кондиционера, на 100 В для систем запуска и впрыска и 220 В для бытовых внешних электроприборов, которым теперь тоже есть откуда запитаться.

Кто бы мог первым из автопроизводителей рискнуть, поставив на серийную машину такой инновационный узел? Ну конечно, компания Citroen, им мейнстрим был всегда чужд. Так что впервые ISAD был интегрирован в модель Citroen Xsara. Судя по всему, данная модификация была выпущена малой серией, толковых отзывов о работе системы, к сожалению, нет.

Но у ISAD System тут же появился конкурент – вездесущий немецкий Bosch. Чем всегда подкупал этот концерн, так это работой на перспективу сразу в нескольких направлениях, причем фирма закрывает тупиковую ветвь проекта обычно без особых сожалений. И еще. На волне всеобщей эйфории они оставляли по сравнению с конкурентами лишь необходимое и достаточное, без излишеств. Возможно, скоро мы узнаем, кто был прав, а пока Bosch не стал концентрироваться только на едином стартере-генераторе, а создал под «старт-стоп» свою систему запуска, когда в один из цилиндров остановленного мотора, поршень которого находится в положении начала рабочего хода, впрыскивается топливо и подается искра.

Но такую разработку, как блок стартера-генератора, игнорировать было нельзя, поэтому компания создала собственную версию узла. Они предложили двухуровневую систему напряжения: на 42 и 14 В, причем генератор вырабатывает только 42 В, 14 В получаются с помощью преобразователя. 42 В питают подогрев катализатора, сервоприводы, топливный и водяной насосы, а также обеспечивают работу блока в момент пуска двигателя. Все остальные потребители используют 14 В.

Интересно, что стартер-генератор представлен в двух исполнениях – выбирай какое хочешь. Одно – как у ISAD System: маховик является ротором, а узел интегрирован в ДВС. И другой вариант, не менее интересный: он сочетает преимущество модульной конструкции с возможностью легкой замены или ремонта, поскольку стоит отдельно. Приводится такая электрическая машина по-прежнему, поликлиновым ремнем, но мы с вами знаем, что подобная передача достаточно надежна. Отдельный стартер-генератор представляет собой индукторный электродвигатель с электромагнитным возбуждением, о котором выше уже упоминалось. В зависимости от целей тот работает в соответствующем режиме, получая команды от блока ЭБУ.

В общем, развитие идет своим путем – иногда медленно, иногда быстро, однако в серию попадают лишь те разработки, которые на данный момент являются оптимальными для производителя/потребителя. Так что не стоит торопиться с оценками, прихотливый эволюционный путь может изменить привычное направление или вообще повернуть в другую сторону.