Alternatör (otomotiv)

1960'lara kadar otomobiller komütatörlü DC dinamo jeneratörleri kullanıyordu. Uygun fiyatlı silikon diyot redresörlerin varlığıyla bunun yerine alternatörler kullanıldı. Bu daha büyük farlardan, elektrikli sileceklerden, ısıtmalı arka camlardan ve diğer aksesuarların yükleri ile bu dönemde otomobiller için gerekli elektrik gücü oluşturuldu.

Modern tip araç alternatörleri ilk olarak 2. Dünya Savaşı'ndan itibaren ordu tarafından özel araçlarda radyo ekipmanına güç sağlamak için kullanıldı. Savaş sonrası ambulanslar ve telsiz taksiler gibi yüksek elektrik ihtiyaçlı diğer araçlar da isteğe bağlı alternatörlerle donatıldı.

Alternatörler ilk olarak 1960 yılında Ford ve General Motors'tan birkaç yıl önce Chrysler Corporation tarafından Valiant'ta üretim arabasında standart ekipman olarak tanıtıldı.

Ford Model T gibi bazı eski otomobillerde farklı bir tür şarj sistemi kullanılırdı: ateşleme kıvılcımları oluşturmak için gerekli yüksek voltajı sağlayan titreyen (trembler) bobinlere sağlanan düşük voltajlı alternatif akım üreten motorla çalışan bir manyeto vardı. (Bu, doğrudan yüksek voltaj üreten gerçek ateşleme manyetosundan farklıydı.) Böyle bir manyeto sistemi sadece motorun akım üretme hareketine bağlı olduğundan, manyeto bobinlerin iyi kıvılcım yapmasına yeterli akım üretmesi için krank kasnak ipinin sert şekilde çekilmesi şartıyla elle döndürülen motoru marş yaptırırmakta bile kullanılabilir.

1919 model yılından başlayarak Ford bazı modeller için standart ve diğerleri için isteğe bağlı olan elektrikli marş motorunu içerecek şekilde Model T'nin özelliklerini artırdı. Bu başlangıç kurulumu aynı zamanda geleneksel bir dinamo ile şarj edilen bir akü içeriyordu ve ışıklar artık aküden güç alıyordu. Bununla birlikte volan manyetosu hala ateşlemeye güç veriyordu ve marş motoru olmayan modellerde akü olmadığından manyeto ile çalışan ışıklar kullanılmaya devam edildi.

Alternatördeki fırçalar yalnızca DC jeneratörün fırçaları tarafından taşınan akımın küçük bir kısmı olan ve jeneratörün tüm çıkışını taşıyan DC uyarma akımını taşır.

AC'yi DC'ye dönüştürmek için bir dizi doğrultucu ( diyot köprüsü) gereklidir. Düşük dalgalanma ile doğru akım sağlamak için çok fazlı sargı kullanılır ve rotorun kutup parçaları şekillendirilir (tırnaklı kutup). Otomotiv alternatörleri genellikle 5-10 kat krank mili hızıyla dönen bir kayıştan tahriklidir ve jeneratörden çok daha hızlıdır. Alternatör motor tarafından çalıştırıldığı için çeşitli devirlerde (frekansı değiştiren) çalışır. Bu bir sorun değildir çünkü alternatif akım doğru akıma doğrultulur.

Alternatör regülatörleri de jeneratörlerinkinden daha basittir. Jeneratör regülatörleri çıkış bobinlerini (armatür) düşük hızda bataryadan yalıtmak için kesme rölesi gerektirir; bu izolasyon alternatör doğrultucu diyotlarınca sağlanır. Ayrıca çoğu jeneratör regülatörü bir akım sınırlayıcı içerir; alternatörler doğal olarak akımla sınırlıdır.

İsimlerine rağmen hem 'DC jeneratörler' (veya 'dinamolar') hem de 'alternatörler' başlangıçta alternatif akım üretirler. 'DC jeneratöründe' bu AC akımı dönen armatürde üretilir ve daha sonra komütatör ve fırçalar tarafından DC'ye dönüştürülür. Bir 'alternatörde', AC akımı sabit statörde üretilir ve daha sonra doğrultucularla (diyotlar) DC'ye dönüştürülür.

Binek araç ve kamyonet alternatörleri Lundell veya 'tırnaklı-kutup' alan yapısını kullanır. Bu tek bobin sargısından çok kutuplu bir alan üretmek için rotor üzerinde şekillendirilmiş bir demir çekirdek kullanır. Rotorun kutupları birbirine kenetli iki elin parmakları gibi görünür. Bobin bunun içine eksenel olarak takılır ve alan akımı kayma halkaları ve karbon fırçalarla sağlanır. Bu alternatörlerin alan ve stator sargıları tahrik kayışı kasnağına bağlı bir harici fan tarafından üretilen eksenel hava akışı ile soğutulur.

Modern araçlar artık küçük alternatör düzenini kullanır. Bu elektriksel ve manyetik olarak benzerdir ancak hava soğutması gelişmiştir. Daha iyi soğutma daha küçük bir makineden daha çok güce izin verir. Muhafazanın her iki ucunda ayrı radyal havalandırma yuvaları vardır ve artık fanı çevreler. Her iki uçta birer adet olmak üzere iki fan kullanılır ve hava akışı yarı radyaldir, eksenel olarak girer ve radyal olarak dışarı doğru çıkar. Stator sargıları artık demir çekirdek ve bakır sargıların sıkı bir şekilde paketlendiği yoğun bir merkezi banttan ve daha iyi ısı transferi için sargıların daha fazla açıkta olduğu uç bantlardan oluşur. Rotordan daha yakın çekirdek aralığı manyetik verimliliği artırır. Daha küçük, kapalı fanlar, özellikle yüksek makine hızlarında daha az gürültü üretir.

Bu tip alternatörlerin fırçasız versiyonları karayolu kamyonları ve hafriyat makineleri gibi daha büyük makinelerde de yaygındır. Tek aşınan parça olarak iki büyük şaft yatağıyla bunlar son derece uzun ve güvenilir servis sağlayabilir hatta motor bakım aralıklarını aşabilir.

Otomotiv alternatörleri akü terminallerinde sabit voltaj üretmek için küçük alan akımını değiştirerek çalışan bir voltaj regülatörüne gerek duyar. İlk tasarımlar (yaklaşık 1960'lar – 1970'ler) aracın başka bir yerine takılı ayrı bir cihaz kullanıyordu. Ara tasarımlar (yaklaşık 1970'ler – 1990'lar) voltaj regülatörünü alternatör muhafazasına dahil etti. Modern tasarımlar voltaj regülatörünü tamamen ortadan kaldırır; voltaj ayarlaması artık motor kontrol ünitesinin (ECU) bir fonksiyonudur. Alan akımı alternatörün çıkış akımından çok daha azdır; örneğin 70 A alternatörün sadece 7 A alan akımına ihtiyacı olabilir. Alan akımı kayma halkaları tarafından rotor sargılarına sağlanır. Düşük akım ve nispeten pürüzsüz kayma halkaları, komütatörü ve fırçalarından daha yüksek akım geçen bir DC jeneratörden oluşturulandan daha çok güvenilirlik ve daha uzun ömür sağlar.

Alan sargılarına kontak anahtarı ve regülatör aracılığıyla aküden güç verilir. Paralel bir devre "şarj" uyarı göstergesini sağlar ve regülatör aracılığıyla topraklanır (bu nedenle kontak açıkken motor çalışmıyorken gösterge yanar). Motor çalışıp alternatör güç ürettikten sonra bir diyot sönen uyarı göstergesi boyunca voltajı eşitleyerek alternatör ana çıkışından alan akımını besler. Alan akımını sağlayan tel genellikle "uyarıcı" tel olarak adlandırılır. Bu düzenlemenin dezavantajı uyarı lambasının yanması veya "uyarıcı" telin bağlantısının kesilmesi durumunda alan sargılarına hiçbir akım ulaşmaması ve alternatörün güç üretmemesidir. Bazı uyarı gösterge devreleri uyarı lambasının bozulması durumunda uyarma akımının akmasına izin veren lambaya paralel bir dirençle donatılmıştır. Sürücü motor durdurulduğunda uyarı göstergesinin yandığını kontrol etmelidir aksi takdirde soğutucu su pompasını da çalıştırabilecek kayış arızasına dair herhangi bir belirti olmaz. Bazı alternatörler motor belirli bir hıza ulaştığında kendi kendini uyarır.

Son yıllarda alternatör voltaj regülatörleri aracın bilgisayar sistemine bağlıdır ve alternatör tarafından sağlanan voltajın ayarlanmasında emilen hava sıcaklık sensöründen, akü sıcaklık sensöründen ve motor yükünden elde edilen hava sıcaklığına kadar çeşitli faktörler değerlendirilir.

Minimum aydınlatmaya sahip eski otomobillerde yalnızca 30 Amper üretebilen bir alternatör vardı. Tipik binek otomobili ve hafif kamyon alternatörleri 50–70 A arasında derecelendirilmiştir ancak özellikle klima, elektrikli direksiyon ve diğer elektrik sistemleriyle birlikte aracın elektrik sisteminde daha fazla yük olduğu için daha yüksek derecelendirmeler daha yaygın hale geliyor. Otobüslerde, ağır ekipmanlarda veya acil durum araçlarında kullanılan çok büyük alternatörler 300 A üretebilir.Yarı-kamyonlar genellikle 140 A çıkış veren alternatörlere sahiptir. Çok büyük alternatörler suyla veya yağla soğutulabilir.

Otomotiv alternatörlerinin verimliliği; fan soğutma kaybı, yatak kaybı, demir kaybı, bakır kaybı ve diyot köprülerindeki voltaj düşüşü ile sınırlıdır. Verimlilik esasen fan direnci nedeniyle yüksek hızlarda önemli ölçüde azalır. Orta hızlarda günümüz alternatörlerinin verimliliği % 70-80'dir. Bu % 60 civarında bir verimlilik sağlayan bisiklet aydınlatma sistemleri için kullanılanlar gibi çok küçük, yüksek performanslı kalıcı mıknatıslı alternatörleri daha iyi hale getirir. Daha büyük sabit mıknatıslı elektrik makineleri (motor veya alternatör olarak çalışabilen) bugün çok daha yüksek verimlilikler elde edebilir. Örneğin Pellegrino ve diğerleri, verimliliğin % 96'nın üzerinde olduğu geniş bölgeler gösteren özellikle pahalı olmayan tasarımlar önermektedir. Güç istasyonlarında kullanılan büyük AC jeneratörleri dikkatlice kontrol edilen hızlarda çalışır ve boyut veya ağırlık konusunda hiçbir kısıtlaması yoktur. % 98'e varan çok yüksek verime sahiptirler.

Hibrit otomobiller ayrı alternatörü ve marş motorunu içten yanmalı motoru çalıştıran, tekerleklere mekanik gücün bir kısmını veya tamamını sağlayan ve büyük bir aküyü şarj eden bir veya daha fazla kombine motor/jeneratör (ler) (M/Gler) ile yer değiştirirler. Toyota Prius ve diğerlerinde kullanılan Hybrid Synergy Drive'da olduğu gibi birden fazla M/G mevcut olduğunda biri jeneratör olarak çalışıp diğerini motor olarak besleyerek motor gücünün bir kısmının tekerleklere akması için elektromekanik bir yol sağlayabilir. Bu motor/jeneratörler yukarıda tarif edilen otomotiv alternatöründen çok daha güçlü elektronik cihazlara sahiptir.