Alternatör (otomotiv)

V8 motora takılı alternatör (gümüş renkli)

Alternatör modern otomobillerde aküyü doldurmak ve motor çalışırken elektrik sistemine elektrik vermek için kullanılan bir tür elektrik jeneratörüdür.

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

Tarihçe

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 çok elektrik ihtiyacı olan diğer araçlar da isteğe bağlı alternatörlerle donatıldı.

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

İlk otomobillerde manyetolar

Ford Model T gibi bazı eski otomobillerde farklı tür şarj sistemi kullanılırdı: ateşleme kıvılcımlarını oluşturmak için gerekli yüksek voltajı sağlayan titreyen (trembler) bobinlere sağlanan alçak 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.

Model T manyetosu motor volanına dahil edildi. İlk Model T’ler, manyetoyu yalnızca titreyen bobin ateşlemesi için kullandı. 1915 model yılından başlayarak, Ford yine manyeto ile çalışan elektrikli farlar ekledi. Manyeto devresi AC idi ve akü yoktu. Ateşleme bobinlerinde bunun yerine akü kullanmak için bir anahtar vardı ve bu soğuk havalarda motoru çalıştırırken yardımcı olabilirdi ancak Ford 1919'da marş motorunu piyasaya sürmeden önce araca ne akü koydu ne de akü kullanımını teşvik etti. Araç sahibinin aküyü kendisinin takması ve haricen aküyü şarj etmesi gerekirdi.

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

Dinamolara göre alternatörün avantajları

Alternatörlerin doğru akım jeneratörlerine (dinamolar) göre çeşitli avantajları vardır.

Alternatörler:

• Daha hafif, daha ucuz ve daha sağlamdır
• Rölanti hızında faydalı şarj sağlayabilir
• Komütatöre göre büyük ölçüde uzatılmış fırça ömürlü kayma halkaları kullanır
• 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 çok doğrultucu (diyot köprüsü) gereklidir. Az dalgalı doğru akım sağlamak için çok fazlı sargı kullanılır ve rotorun kutup parçaları şekillendirilir (tırnaklı kutup). Otomotiv alternatörleri genellikle krank milinin 5-10 kat hızıyla dönen kayışla döner ve jeneratörden daha hızlıdır.

Alternatör motor tarafından döndürüldüğü için çeşitli devirlerde (frekansı değiştiren) çalışır. Bu sorun değildir çünkü alternatif akım doğru akıma doğrultulur.

Alternatör regülatörleri de dinamolarınkinden daha basittir. Dinamo regülatörleri çıkış bobinlerini (armatür) düşük hızda aküden yalıtmak için kesme rölesi gerektirir; bu izolasyon alternatör doğrultucu diyotlarınca sağlanır. Ayrıca çoğu dinamo regülatöründe akım sınırlayıcı vardır; alternatörler ise doğal olarak akımla sınırlıdır.

Operasyon

Tırnaklı yapıyı gösteren bir alternatörün kesiti; N ve S dönüşümlü kama şeklindeki alan kutuplarından ikisi merkezde görülebilir ve sabit armatür sargısı açıklığın üstünde ve altında görülebilir. Sağ taraftaki kayış ve kasnak alternatörü tahrik eder.

İsimlerine rağmen hem DC jeneratörler (veya dinamolar) hem de alternatörler önce alternatif akım üretir. DC jeneratöründe bu AC akım dönen armatürde üretilir ve sonra komütatör ve fırçalar tarafından DC'ye dönüştürülür. Alternatörde ise AC akımı sabit statorda üretilir ve 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 harici fan tarafından üretilen eksenel hava akışı ile soğutulur.

Küçük alternatör

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 imkan 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, hava 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. Küçük, kapalı fanlar, özellikle yüksek makine hızlarında daha az gürültü çıkarır.

Alternatörler bazı arabalarda su ile de soğutulabilir.

Büyük araçlar daha büyük makinelere benzer şekilde çıkıntılı kutup alternatörlerine sahip olabilir.

3 fazlı bir alternatörün sargıları Üçgen veya Yıldız (Wye) bağlantı rejimi kurulumu kullanılarak bağlanabilir. Bu tip alternatörlerin fırçasız versiyonları kamyonlar 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.

Alan düzenlemesi

Otomotiv alternatörleri akü terminallerinde sabit gerilim üretmek için küçük alan akımını değiştirerek çalışan bir voltaj regülatörüne gerek duyar. İlk tasarımlarda (yaklaşık 1960'lar – 1970'ler) aracın başka bir yerine takılı ayrı bir cihaz kullanılırdı. Ara tasarımlar (yaklaşık 1970'ler – 1990'lar) voltaj regülatörünü alternatör muhafazasına dahil etti.

Modern tasarımlar voltaj regülatörünü tamamen ortadan kaldırmıştır, voltaj ayarlaması artık motor kontrol ünitesinin (ECU) bir fonksiyonudur. Alan akımı alternatörün çıkış akımından daha azdır; örneğin 70 A alternatörün sadece 7 A alan akımına ihtiyacı olabilir. Alan akımı kayma halkaları tarafından rotor sargılarına verilir.

Az akım ve nispeten pürüzsüz kayma halkaları, komütatörü ve fırçalarından daha yüksek akım geçen DC jeneratörden oluşturulandan daha çok güvenilirlilik ve daha uzun ömür sağlar.

Alan sargılarına kontak anahtarı ve regülatör aracılığıyla aküden elektrik verilir. Paralel bir devre "şarj" uyarı göstergesini çalıştırır ve regülatör aracılığıyla topraklanır (bu nedenle kontak açıkken motor çalışmıyorken gösterge yanar).

Motor çalışıp alternatör elektrik ürettikten sonra bir diyot sönen uyarı göstergesi boyunca voltajı eşitleyerek alternatör çıkışından alan akımını besler. Alan akımını veren tele genellikle "uyarıcı" tel denir. 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.

Çıkış akımı

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 gelmiştir. 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.

Verimlilik

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 veren bisiklet aydınlatma sistemleri için kullanılanlar gibi çok küçük, yüksek performanslı kalıcı mıknatıslı alternatörleri daha iyi hale getirir. 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 araçlar

Hibrit otomobiller ayrı alternatörü ve marş motorunu içten yanmalı motoru çalıştıran, tekerleklere mekanik gücün bir kısmını veya tamamını sağlayan ve büyük bir aküyü dolduran bir veya daha çok kombine motor/jeneratör (ler) (M/Gler) ile yer değiştirirler. Toyota Prius ve diğerlerinde kullanılan Hybrid Synergy Drive'da olduğu gibi birden çok 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.