Alternátor (automobily)

Alternátor je zdroj striedavého napätia a pomocou usmerňovača sa používa ako zdroj jednosmerného napätia v automobiloch. V automobiloch sa používa na nabíjanie batérie a na napájanie elektrického systému, keď je motor automobilu v chode.
Elektrická inštalácia v automobile je obvykle jednosmerná. Keďže samotný alternátor je zdrojom striedavého napätia, je automobilový alternátor kombinovaný s usmerňovačom. Trojfázový alternátor v spojení s Graetzovým mostíkom vytvorí 12 V pulzný zdroj jednosmerného prúdu, ktorý sa využíva na dobíjanie akumulátora, pokrytie spotreby svetiel a ostatných spotrebičov. Na zabezpečenie jednosmerného prúdu s nízkym zvlnením sa používa polyfázové vinutie (stator obsahuje niekoľko fázovo posunutých vinutí) s tvarovanými a pólmi.
Alternátor v automobile je obvykle poháňaný klinovým remeňom z kľukového hriadeľa automobilu. Vzhľadom na široké spektrum pracovných otáčok motora automobilu a závislosť výstupného napätia alternátora od otáčok rotora je nutné alternátor doplniť o regulačný člen, ktorý tieto rozdiely vyrovnáva.
Výhody oproti dynamám.
Alternátor nahradil dynamo generátor s komutátorom ktorý sa používal do šesťdesiatich rokov 20-tého storočia. V porovnaní s dynamom je alternátor ľahší, odolnejší a poskytuje dostatočný výkon už pri voľnobežných otáčkach motora automobilu. Na rozdiel od dynama alternátor používa klzné krúžky ktoré majú vyššiu životnosť a prenášajú iba radiaci prúd namiesto celého výkonu generátora. Regulátory alternátorov sú tiež jednoduchšie ako regulátory pre dynamá. Regulátor dynama potrebuje odpájacie relé na izoláciu výstupných cievok (kotvy) od batérie pri nízkej rýchlosti; táto izolácia u alternátorov je zabezpečená usmerňovacími diódami alternátora. Väčšina regulátorov dynám obsahuje tiež obmedzovač prúdu; alternátory majú zo svojej podstaty obmedzený prúd.
Funkcia.
V alternátore je generovaný striedavý prúd ktorý sa konvertuje do jednosmerného prúdu pomocou usmerňovača. Typické alternátory osobných a ľahkých nákladných vozidiel používajú konštrukciu poľa Lundell alebo „pazúrovu“. Tato konštrukcia využíva tvarované železné jadro na rotore na výrobu viacpólového poľa z jedného vinutia cievky. Póly rotora vyzerajú ako prsty dvoch rúk vzájomne prepletené. Cievka je vo vnútri namontovaná axiálne a prúd poľa je privádzaný pomocou klzných krúžkov a uhlíkových kefiek. Tieto alternátory majú svoje vinutia poľa a statora ochladené axiálnym prúdením vzduchu, ktoré vytvára vonkajší ventilátor pripevnený k remenci hnacieho remeňa.
Moderné vozidlá teraz používajú kompaktné usporiadanie alternátorov zo zlepšeným chladením vzduchom. Lepšie chladenie umožňuje väčší výkon menšieho stroja. Kryt má na každom konci výrazné radiálne vetracie výrezy a obklopuje ventilátor. Používajú sa dva ventilátory, jeden na každom konci, a vzduchu vstupuje axiálne a vystupuje radiálne von. Vinutia statora teraz pozostávajú z hustého stredného pásu, v ktorom sú železné jadro a medené vinutia pevne uzavreté, a koncových pásov, kde sú vinutia viac exponované kvôli lepšiemu chladeniu. Bližší odstup jadra od rotora zlepšuje magnetickú účinnosť. Menšie uzavreté ventilátory produkujú menej hluku, najmä pri vyšších otáčkach stroja. Bezkontaktné verzie alternátorov sú bežné vo väčších strojoch a vozidlách, ako sú nákladné autá a zemné stroje.
Regulácia poľa.
Automobilové alternátory vyžadujú regulátor napätia, ktorý pracuje modulovaním malého poľného prúdu, aby sa na batériových termináloch vytvorilo konštantné napätie. Rané návrhy (1960 - 1970) používali diskrétne zariadenie namontované niekde inde vo vozidle. Stredné konštrukcie (cca 1970 - 1990) zahŕňali regulátor napätia do krytu alternátora. Moderný dizajn úplne odstraňuje regulátor napätia; regulácia napätia je teraz funkciou riadiacej jednotky motora (ECU). Prúd poľa je oveľa menší ako výstupný prúd alternátora; napríklad alternátor 70 A môže potrebovať iba 7 A prúdu poľa. Prúd poľa je dodávaný do vinutia rotora pomocou klzných krúžkov.
Cievky vinutia sú napájané z batérie pomocou spínača štartovania a regulátora. Výstražný indikátor „nabíjanie“ je napájaný paralelným obvodom a je uzemnený prostredníctvom regulátora (čo je dôvod, prečo je tento indikátor zapnutý, keď je zopnuté štartovanie, ale motor ešte nebeží). Ak je motor v chode a alternátor vyrába energiu, dióda privádza prúd poľa z hlavného výstupu alternátora, čím vyrovnáva napätie cez výstražný indikátor, ktorý zhasne. Vodič dodávajúci prúd poľa sa často označuje ako vodič budiča. Nevýhodou takéhoto usporiadania je to, že ak kontrolka zhasne alebo je odpojený vodič budiča, prúd nedosiahne žiadny prúd vinutia poľa a alternátor nebude vyrábať energiu. Niektoré obvody výstražných svetiel sú vybavené odporom paralelne so žiarovkou, ktorá umožňuje, aby v prípade vyhorenia výstražnej žiarovky pretekal budiaci prúd. Vodič by mal skontrolovať, či je výstražný indikátor zapnutý, keď je motor zastavený; v opačnom prípade nemusí existovať náznak poruchy remeňa, ktorý poháňa alternátor. Niektoré alternátory sa samočinne vybudia, keď motor dosiahne určitú rýchlosť. Regulátory alternátora sú v posledných rokoch prepojené s počítačovým systémom vozidla a pri nastavovaní napätia dodávaného alternátorom sa vyhodnocujú rôzne faktory vrátane teploty vzduchu získané zo snímača teploty nasávaného vzduchu, snímača teploty akumulátora a podľa zaťaženia motora.
Výstupný prúd.
Staršie automobily s minimálnym osvetlením mohli mať alternátor schopný vyrábať iba 30 A. Typické alternátory osobných a ľahkých nákladných automobilov sú ohodnotené okolo 50 - 70 A, ale vyššie hodnoty sa stávajú bežnejšie, lebo sa na elektrický systém vozidla pridávajú nove zaťaženia (klimatizácia, elektrický posilňovač riadenia, atď.). Veľmi veľké alternátory používané v autobusoch, ťažkých strojoch alebo núdzových vozidlách môžu produkovať 300 A. Nákladne vozidla majú obvykle alternátory s výkonom 140 A. Veľmi veľké alternátory môžu byť chladené vodou alebo olejom.
Efektívnosť.
Účinnosť automobilových alternátorov je obmedzená stratou chladenia ventilátora, stratou ložiska, stratou železa, stratou medi a poklesom napätia v diódových mostoch. Účinnosť sa dramaticky znižuje pri vysokých rýchlostiach, hlavne kvôli odporu ventilátora. Pri stredných rýchlostiach je účinnosť súčasných alternátorov 70 - 80%. . Väčšie elektrické stroje s permanentnými magnetmi (ktoré môžu pracovať ako motory alebo alternátory) môžu dnes dosiahnuť oveľa vyššiu účinnosť. Veľké generátory striedavého prúdu používané v elektrárňach, ktoré fungujú pri starostlivo regulovaných rýchlostiach a nemajú žiadne obmedzenia týkajúce sa veľkosti alebo hmotnosti, majú veľmi vysokú účinnosť až 98%.
Hybridné vozidlá.
Hybridné automobily nahradzujú samostatný alternátor a štartovací motor jedným alebo viacerými kombinovanými motormi / generátormi , ktoré spúšťajú spaľovací motor, dodávajú kolesám určitú alebo všetku mechanickú silu a nabíjajú veľkú akumulátorovú batériu . Ak je prítomných viac ako jeden motor / generátor , napríklad v hybridnej pohonnej jednotke používanej v automobile Toyota Prius a ďalších, jeden môže fungovať ako generátor a napájať druhý ako motor, čím poskytuje určitú elektromechanickú cestu pre tok určitej sily motora na kolesá. Tieto motory / generátory majú podstatne výkonnejšie elektronické zariadenia na riadenie ako alternátor automobilov opísaný vyššie.