Alternador (automotivo) - Alternator (automotive)

Alternador (prata) montado em um motor V8

Um alternador é um tipo de gerador elétrico usado nos automóveis modernos para carregar a bateria e alimentar o sistema elétrico quando o motor está funcionando.

Até a década de 1960, os automóveis usavam geradores de dínamo DC com comutadores . Conforme os retificadores de diodo de silício se tornaram amplamente disponíveis e baratos, o alternador gradualmente substituiu o dínamo. Isso foi incentivado pelo aumento da energia elétrica necessária para os carros neste período, com cargas crescentes de faróis maiores, limpadores elétricos, vidros traseiros aquecidos e outros acessórios.

História

O tipo moderno de alternadores de veículos foi usado pela primeira vez em aplicações militares durante a Segunda Guerra Mundial , para alimentar equipamentos de rádio em veículos especializados. Após a guerra, outros veículos com alta demanda elétrica - como ambulâncias e rádio-táxis - também puderam ser equipados com alternadores opcionais.

Os alternadores foram introduzidos pela primeira vez como equipamento padrão em um carro de produção pela Chrysler Corporation no Valiant em 1960, vários anos à frente da Ford e da General Motors .

Magnetos nos primeiros automóveis

Alguns automóveis antigos, como o Ford Modelo T , usavam um tipo diferente de sistema de carga: um magneto motorizado que gerava corrente alternada de baixa voltagem fornecida a bobinas trêmulas , que fornecia a alta voltagem necessária para gerar faíscas de ignição. (Isso era diferente de um magneto de ignição verdadeiro , que gera alta tensão diretamente.) Uma vez que tal sistema de magneto dependia apenas do movimento do motor para gerar corrente, ele poderia até mesmo ser usado ao dar partida em um motor com manivela manual, desde que a manivela fosse puxada bruscamente , de modo que o magneto produzisse corrente suficiente para que as bobinas produzissem boas faíscas.

O Modelo T incorporou seu magneto ao volante do motor. O primeiro Modelo Ts usava o magneto exclusivamente para a ignição da bobina trêmula. A partir do ano modelo de 1915, a Ford acrescentou faróis elétricos, também movidos a magneto. O circuito do magneto era estritamente AC, sem bateria incluída. (Havia um interruptor nas bobinas de ignição para usar uma bateria, o que poderia ser útil ao dar partida em climas frios, mas a Ford não forneceu uma bateria nem encorajou o uso de uma antes de lançar uma partida elétrica em 1919. O proprietário teriam que instalar a bateria e carregá-la externamente.)

Começando no ano do modelo de 1919, a Ford atualizou o Modelo T para incluir uma partida elétrica, que era padrão para alguns modelos e opcional para outros. Essa instalação inicial também incluía uma bateria, carregada por um dínamo convencional, e as luzes agora eram alimentadas pela bateria. No entanto, o magneto do volante ainda alimentava a ignição e, como os modelos sem o starter não tinham bateria, continuaram a usar lâmpadas movidas a magneto.

Vantagens sobre dínamos

Os alternadores têm várias vantagens sobre os geradores de corrente contínua ( dínamos ). Os alternadores são:

  • Mais leve, mais barato e mais robusto
  • Pode fornecer carga útil em velocidade de marcha lenta
  • Use anéis coletores , que estendem muito a vida útil da escova em um comutador (ou designs completamente sem escova)
  • As escovas em um alternador carregam apenas a corrente de excitação CC , que é uma pequena fração da corrente transportada pelas escovas de um gerador CC, que conduzem toda a saída do gerador

Um conjunto de retificadores ( ponte de diodo ) é necessário para converter CA em CC . Para fornecer corrente contínua com baixa ondulação , um enrolamento polifásico é usado e as peças polares do rotor são modeladas (polo em garra). Alternadores automotivos são geralmente acionados por correia a 2-3 vezes a velocidade do virabrequim, velocidades que podem fazer com que um comutador se separe em um gerador. O alternador funciona a várias RPM (o que varia a frequência), uma vez que é acionado pelo motor. Isso não é um problema porque a corrente alternada é retificada para corrente contínua .

Os reguladores do alternador também são mais simples do que os dos geradores. Os reguladores do gerador requerem um relé de corte para isolar as bobinas de saída (a armadura) da bateria em baixa velocidade; esse isolamento é fornecido pelos diodos retificadores do alternador. Além disso, a maioria dos reguladores de gerador inclui um limitador de corrente; alternadores são inerentemente limitados por corrente.

Operação

Corte de um alternador, mostrando a construção do bastão de garra; dois dos pólos de campo em forma de cunha, alternando N e S, são visíveis no centro e o enrolamento da armadura estacionária é visível na parte superior e inferior da abertura. A correia e a polia na extremidade direita acionam o alternador.

O projeto do pólo em garra produz uma forma de onda CA que é retificada com mais eficiência do que uma onda senoidal.

Apesar de seus nomes, tanto 'geradores DC' (ou 'dínamos') e 'alternadores' inicialmente produzem corrente alternada. Em um chamado 'gerador DC', esta corrente AC é gerada na armadura rotativa e então convertida em DC pelo comutador e escovas. Em um 'alternador', a corrente CA é gerada no estator estacionário e, em seguida, é convertida em CC pelos retificadores (diodos).

Alternadores típicos de veículos de passageiros e caminhões leves usam construção de campo Lundahl ou 'claw-pole'. Ele usa um núcleo de ferro moldado no rotor para produzir um campo multipolar a partir de um único enrolamento de bobina. Os pólos do rotor parecem dedos de duas mãos entrelaçadas. A bobina é montada axialmente dentro dela e a corrente de campo é fornecida por anéis coletores e escovas de carvão. Esses alternadores têm seus enrolamentos de campo e estator resfriados por fluxo de ar axial, produzido por um ventilador externo acoplado à polia da correia motriz.

Alternador compacto

Os veículos modernos agora usam o layout do alternador compacto. Isso é eletricamente e magneticamente semelhante, mas melhorou o resfriamento do ar. Melhor resfriamento permite mais potência de uma máquina menor. A caixa possui slots de ventilação radiais distintos em cada extremidade e agora envolve o ventilador. São usados ​​dois ventiladores, um em cada extremidade, e o fluxo de ar é semirradial, entrando axialmente e saindo radialmente para fora. Os enrolamentos do estator agora consistem em uma faixa central densa onde o núcleo de ferro e os enrolamentos de cobre são compactados, e faixas finais onde os enrolamentos são mais expostos para melhor transferência de calor. O espaçamento mais próximo do núcleo do rotor melhora a eficiência magnética. Os ventiladores menores e fechados produzem menos ruído, especialmente em velocidades mais altas da máquina.

Os alternadores também podem ser refrigerados a água nos carros.

Veículos maiores podem ter alternadores de pólo saliente semelhantes a máquinas maiores.

Os enrolamentos de um alternador trifásico podem ser conectados usando o regime de conexão delta ou estrela ( estrela ).

Versões sem escova desses alternadores de tipo também são comuns em máquinas maiores, como caminhões rodoviários e máquinas de terraplenagem. Com dois rolamentos de eixo superdimensionados como as únicas peças de desgaste, eles podem fornecer um serviço extremamente longo e confiável, excedendo até mesmo os intervalos de revisão do motor.

Regulação de campo

Alternadores automotivos requerem um regulador de voltagem que opera modulando a pequena corrente de campo para produzir uma voltagem constante nos terminais da bateria. Os primeiros projetos (c.1960s – 1970) usavam um dispositivo discreto montado em outra parte do veículo. Projetos intermediários (c.1970s – 1990) incorporaram o regulador de tensão na carcaça do alternador. Os designs modernos eliminam totalmente o regulador de tensão; a regulação da tensão agora é uma função da unidade de controle do motor (ECU). A corrente de campo é muito menor do que a corrente de saída do alternador; por exemplo, um alternador de 70 A pode precisar de apenas 2-3 A de corrente de campo. A corrente de campo é fornecida aos enrolamentos do rotor por anéis coletores. Os anéis coletores de baixa corrente e relativamente lisos garantem maior confiabilidade e vida útil do que a obtida por um gerador CC com seu comutador e maior corrente passando por suas escovas.

Os enrolamentos de campo são alimentados com energia da bateria por meio da chave de ignição e do regulador. Um circuito paralelo fornece o indicador de advertência de "carga" e é aterrado através do regulador (é por isso que o indicador está aceso quando a ignição está ligada, mas o motor não está funcionando). Uma vez que o motor está funcionando e o alternador está gerando energia, um diodo alimenta a corrente de campo da saída principal do alternador equalizando a tensão através do indicador de advertência que apaga. O fio que fornece a corrente de campo é freqüentemente chamado de fio "excitador". A desvantagem desse arranjo é que se a lâmpada de advertência queimar ou o fio da "excitatriz" for desconectado, nenhuma corrente chega aos enrolamentos de campo e o alternador não gera energia. Alguns circuitos indicadores de advertência são equipados com um resistor em paralelo com a lâmpada que permite que a corrente de excitação flua se a lâmpada de advertência queimar. O motorista deve verificar se o indicador de advertência está aceso quando o motor é desligado; caso contrário, pode não haver qualquer indicação de falha da correia que também pode acionar a bomba de água de resfriamento . Alguns alternadores se autoexcitam quando o motor atinge uma determinada velocidade.

Nos últimos anos, os reguladores do alternador estão ligados ao sistema de computador do veículo e vários fatores, incluindo a temperatura do ar obtida do sensor de temperatura do ar de admissão, sensor de temperatura da bateria e carga do motor, são avaliados no ajuste da tensão fornecida pelo alternador.

Corrente de saída

Automóveis mais antigos com iluminação mínima podem ter um alternador capaz de produzir apenas 30 amperes . Alternadores típicos de automóveis de passageiros e caminhões leves são avaliados em torno de 50–70 A, embora classificações mais altas estejam se tornando mais comuns, especialmente porque há mais carga no sistema elétrico do veículo com ar condicionado , direção assistida elétrica e outros sistemas elétricos. Alternadores muito grandes usados ​​em ônibus, equipamentos pesados ​​ou veículos de emergência podem produzir 300 A. Semi-caminhões geralmente têm alternadores que produzem 140 A. Alternadores muito grandes podem ser refrigerados a água ou a óleo.

Eficiência

A eficiência dos alternadores automotivos é limitada pela perda de resfriamento do ventilador, perda de rolamento, perda de ferro, perda de cobre e queda de tensão nas pontes de diodo. A eficiência reduz drasticamente em altas velocidades, principalmente devido à resistência do ventilador. Em velocidades médias, a eficiência dos alternadores de hoje é de 70-80%. Isso melhora alternadores de ímã permanente muito pequenos de alto desempenho, como os usados ​​para sistemas de iluminação de bicicletas , que alcançam uma eficiência em torno de 60%. Máquinas elétricas de ímã permanente maiores (que podem operar como motores ou alternadores) podem alcançar hoje eficiências muito mais altas. Pellegrino et al., Por exemplo, propõem projetos não particularmente caros que mostram regiões amplas nas quais a eficiência está acima de 96%. Grandes geradores CA usados ​​em estações de energia funcionam em velocidades cuidadosamente controladas e não têm restrições de tamanho ou peso. Eles têm eficiências muito altas, de até 98%.

Veículos híbridos

Os automóveis híbridos substituem o alternador separado e o motor de partida por um ou mais motores / geradores combinados (M / Gs) que dão partida no motor de combustão interna, fornecem parte ou toda a energia mecânica para as rodas e carregam uma grande bateria de armazenamento . Quando mais de um M / G está presente, como no Hybrid Synergy Drive usado no Toyota Prius e outros, um pode operar como um gerador e alimentar o outro como um motor, fornecendo um caminho eletromecânico para que parte da potência do motor flua para as rodas. Esses motores / geradores têm dispositivos eletrônicos consideravelmente mais poderosos para seu controle do que o alternador automotivo descrito acima.

Notas de rodapé

Referências