Alternatory – prądnice prądu przemiennego (cz. 1)

Alternator jest trójfazową prądnicą prądu przemiennego napędzaną od wału korbowego silnika za pomocą przekładni pasowej. Aby umożliwić współpracę alternatora z instalacją elektryczną pojazdu napięcie przemienne musi zastać wyprostowane, czyli przekształcone na napięcie stałe. Służy do tego układ diod prostowniczych wbudowany w alternator. Tak więc, mimo iż alternator wytwarza prąd przemienny, to „wychodzi” z niego już prąd stały 😀

W pierwszej części opiszemy budowę alternatorów, w drugiej – zasadę działania.

Konstrukcyjnie wszystkie alternatory są do siebie bardzo podobne, aczkolwiek jak zawsze „diabeł” tkwi w szczegółach. I tak alternatory mogą mieć różną liczbą diod prostowniczych, inne połączenie uzwojeń twornika, odmienny typ regulatora napięcia, a także charakterystyczny sposób chłodzenia i zamontowania w pojeździe.

Budowę alternatora przedstawia poniższa ilustracja:

Poznajmy nieco więcej szczegółów budowy najważniejszych podzespołów alternatora:

1. Twornik – stojan

Można napisać, że jest „sercem” alternatora. Jak sama nazwa wskazuje – twornik, jest wytwornikiem prądu. Ma postać pierścienia z naciętymi wewnątrz wyżłobieniami, na które nawinięte są trzy uzwojenia połączone w gwiazdę lub trójkąt. Uzwojenia narysowane schematycznie wyglądają tak:

W rzeczywistości, twornik alternatora z nawiniętymi uzwojeniami wygląda tak:

2. Wirnik – magneśnica

I w tym przypadku, nazwa również mówi wszystko – wirnik, bo wiruje, magneśnica – bo wytwarza pole magnetyczne. Na jego wale osadzone są dwie tarcze z biegunami pazurowymi, wewnątrz których umieszczone jest uzwojenie będące źródłem pola elektromagnetycznego. Końce uzwojenia połączone są do pierścieni ślizgowych współpracujących ze szczotkami, za pośrednictwem których do uzwojenia doprowadzone jest napięcie z akumulatora.

3. Zespół prostowniczy

Zwany również mostkiem prostowniczym, składa się z kilku, a czasami nawet kilkunastu półprzewodnikowych diod prostowniczych tworzących układ, który umożliwia zamianę trójfazowego napięcia przemiennego, na napięcie stałe.

Przykładowe schematy alternatorów z zespołami prostowniczymi 6 i 9 diodowymi przedstawiają rysunki:

Alternator dziewięciodiodowy

Alternator sześciodiodowy

W alternatorze z ośmioma diodami z środka połączenia uzwojeń stojana wyprowadzony jest przewód neutralny, połączony z dodatkowymi, dwoma diodami:

Diody występujące w układzie prostowniczym alternatora możemy podzielić na trzy grupy:

• dodatnie
• ujemne
• wzdbudzenia

Diody dodatnie i ujemne mają podobną konstrukcję, ale różnią się kierunkiem przewodzenia. Diody wzbudzenia są diodami małej mocy.

W starszych konstrukcjach alternatorów diody ujemne osadzone były w pokrywie tylnej alternatora, obecnie wszystkie diody tworzą jeden zespół:

4. Pokrywa przednia i tylna

Wykonane są ze stopów aluminium, zapewniają prawidłowe ułożyskowanie wirnika wewnątrz stojana (twornika). Stanowią również obudowę alternatora. Do osadzenia wirnika w obudowie alternatora stosuje się łożyska toczne (kulkowe).

Poprzez odpowiednio ukształtowane wsporniki, pokrywy umożliwiają zamontowanie alternatora do kadłuba silnika.

5. Szczotkotrzymacz wraz ze szczotkami

Osadzony jest najczęściej w tylnej pokrywie. Jego dwie szczotki za pomocą sprężyn dociskane są do pierścieni ślizgowych wirnika, co umożliwia doprowadzenie napięcia do jego uzwojenia. W wielu rozwiązaniach wraz ze szczotkotrzymaczem zintegrowany jest również regulator napięcia.

6. Koło pasowe i wentylator

Koło pasowe jest elementem układu napędowego alternatora, który umożliwia przekazanie momentu obrotowego z wału korbowego silnika na wirnik alternatora. W starszych rozwiązaniach stosowane były paski klinowe, obecnie stosuje się paski wielorowkowe (zwane również wieloklinowymi).

Rysunki przedstawiają alternatory z kołami pasowymi: wielorowkowym (rys. 1), klinowym (rys. 2) i klinowym-podwójnym (rys 3).

Wentylator ma za zadanie wymusić przepływ powietrza przez wnętrze alternatora w celu jego chłodzenia. Może znajdować się  na zewnątrz, tuż za kołem pasowym (rys. 2) lub wewnątrz obudowy (rys. 1 i 3) – takie rozwiązanie stosuje się we współczesnych konstrukcjach alternatorów nazywanych kompaktowymi:

Koło pasowe osadzone może być na wale wirnika alternatora za pomocą połączenia wielowypustowego lub wpustowego. Może być wyposażone również w sprzęgło jednokierunkowe.

7. Regulator napięcia

Nie dopuszcza do wzrostu napięcia ponad dopuszczalną wartość, która dla instalacji samochodów osobowych wynosi 14,6 V. W starszych pojazdach stosowane były regulatory elektromechaniczne (wibracyjne). Obecnie stosuje się wyłącznie regulatory elektroniczne jako osobny podzespół montowany na tylnej pokrywie alternatora lub zintegrowane ze szczotkotrzymaczem.

Regulator elektroniczny

Regulator elektroniczny zintegrowany

Regulator wibracyjny

Ponieważ regulator jest podzespołem skomplikowanym jego szczegółowy opis znajdziecie w osobnym temacie (już niebawem).

Poznaliśmy już budowę, teraz możemy przejść do zasady działania. Ale zanim to nastąpi jeszcze ciekawostka – w niektórych konstrukcjach wałek alternatora stanowi źródło napędu dla innych urządzeń pojazdu. Przykładem takiego rozwiązania jest alternator Fiata 126p, który po przeciwnej stronie koła pasowego zamontowany miał wentylator układu chłodzenia silnika.

Współczesne konstrukcje również mogą mieć dodatkowe wyposażenie, np w silnikach z zapłonem samoczynnym zintegrowane pompy podciśnienia powietrza (tzw. Vaccum)