Alternador (automotriz)

Un alternador es un tipo de generador eléctrico utilizado en los automóviles modernos para cargar la batería y alimentar el sistema eléctrico cuando el motor está en funcionamiento.

Hasta la década de 1960, los automóviles utilizaban generadores de dinamo de corriente continua con conmutadores . A medida que los rectificadores de diodos de silicio se hicieron ampliamente disponibles y asequibles, el alternador reemplazó gradualmente al dinamo. Esto fue fomentado por la creciente potencia eléctrica requerida para los automóviles en este período, con cargas cada vez mayores de faros más grandes, limpiaparabrisas eléctricos, ventanas traseras con calefacción y otros accesorios.

Los alternadores de vehículos de tipo moderno se utilizaron por primera vez en aplicaciones militares durante la Segunda Guerra Mundial , para alimentar equipos de radio en vehículos especiales. ^[i] Después de la guerra, otros vehículos con altas demandas eléctricas, como ambulancias y radiotaxis, también pudieron equiparse con alternadores opcionales. ^[1]

Los alternadores fueron introducidos por primera vez como equipo estándar en un automóvil de producción por Chrysler Corporation en el Valiant en 1960, varios años antes que Ford y General Motors . ^{[1] [2]}

Algunos de los primeros automóviles, como el Ford Modelo T , utilizaban un tipo diferente de sistema de carga: un magneto accionado por el motor que generaba una corriente alterna de bajo voltaje que se suministraba a las bobinas vibratorias , que proporcionaban el alto voltaje necesario para generar chispas de encendido. (Esto era diferente de un magneto de encendido verdadero , que genera alto voltaje directamente). Dado que un sistema de magneto de este tipo solo dependía del movimiento del motor para generar corriente, incluso podía usarse para arrancar un motor accionado manualmente, siempre que se tirara de la manivela con fuerza, de modo que el magneto produjera suficiente corriente para que las bobinas produjeran buenas chispas.

El Modelo T incorporó su magneto al volante del motor. Los primeros Modelos T usaban el magneto únicamente para el encendido por bobina vibratoria. A partir del año modelo 1915, Ford agregó faros eléctricos, también alimentados por el magneto. ^{[3] [4]} El circuito del magneto era estrictamente de CA, sin batería incluida. (Había un interruptor en las bobinas de encendido para usar una batería en su lugar, lo que podía ser útil para arrancar en clima frío, pero Ford no proporcionó una batería ni promovió el uso de una antes de introducir un arranque eléctrico en 1919. El propietario tendría que instalar la batería él mismo y cargarla externamente).

A partir del año modelo 1919, Ford actualizó el Modelo T para incluir un arranque eléctrico, que era estándar para algunos modelos y opcional para otros. Esta instalación de arranque también incluía una batería, cargada por un dinamo convencional, y las luces ahora eran alimentadas por la batería. Sin embargo, el magneto del volante de inercia todavía alimentaba el encendido y, dado que los modelos sin el arranque no tenían batería, continuaron usando luces alimentadas por magneto. ^{[5] [6]}

Los alternadores tienen varias ventajas sobre los generadores de corriente continua ( dinamos ). Los alternadores son:

• Más ligero, más barato, más resistente, más rápido de reemplazar (menos de una hora) ^[7]
• Puede proporcionar una carga útil al ralentí.
• Utilice anillos colectores , que tienen una vida útil de las escobillas mucho más prolongada que la de un conmutador (o diseños completamente sin escobillas)
• Las escobillas de un alternador transportan únicamente corriente de excitación de CC , que es una pequeña fracción de la corriente transportada por las escobillas de un generador de CC, que transportan toda la salida del generador.

Se necesita un conjunto de rectificadores ( puente de diodos ) para convertir la corriente alterna en corriente continua . Para proporcionar corriente continua con baja ondulación , se utiliza un devanado polifásico y las piezas polares del rotor tienen forma (polos de garra). Los alternadores de los automóviles suelen accionarse por correa a una velocidad de entre 2 y 3 veces la del cigüeñal, velocidades que podrían hacer que un conmutador se rompa en pedazos en un generador. El alternador funciona a varias RPM (lo que varía la frecuencia) ya que es impulsado por el motor. Esto no es un problema porque la corriente alterna se rectifica a corriente continua .

Los reguladores de alternador también son más simples que los de generadores. Los reguladores de generador requieren un relé de corte para aislar las bobinas de salida (la armadura) de la batería a baja velocidad; ese aislamiento lo proporcionan los diodos rectificadores del alternador. Además, la mayoría de los reguladores de generador incluyen un limitador de corriente; los alternadores están limitados por la corriente de forma inherente.

El diseño del polo de garra produce una forma de onda de CA que se rectifica de manera más eficiente que una onda sinusoidal.

A pesar de sus nombres, tanto los "generadores de corriente continua" (o "dinamos") como los "alternadores" producen inicialmente corriente alterna. En un denominado "generador de corriente continua", esta corriente alterna se genera en la armadura giratoria y luego se convierte en corriente continua mediante el conmutador y las escobillas. En un "alternador", la corriente alterna se genera en el estator estacionario y luego se convierte en corriente continua mediante los rectificadores (diodos).

Los alternadores típicos de vehículos de pasajeros y camiones ligeros utilizan una construcción de campo Lundahl o de "polos de garra". Esta utiliza un núcleo de hierro moldeado en el rotor para producir un campo multipolar a partir de un único devanado de bobina. Los polos del rotor parecen dedos de dos manos entrelazados entre sí. La bobina está montada axialmente en el interior de este y la corriente de campo es suministrada por anillos colectores y escobillas de carbón. Estos alternadores tienen sus devanados de campo y estator refrigerados por un flujo de aire axial, producido por un ventilador externo conectado a la polea de la correa de transmisión. ^[8]

Los vehículos modernos utilizan ahora el diseño compacto del alternador. Este es similar eléctrica y magnéticamente, pero tiene una refrigeración por aire mejorada. Una mejor refrigeración permite obtener más potencia de una máquina más pequeña. La carcasa tiene ranuras de ventilación radiales distintivas en cada extremo y ahora encierra el ventilador. Se utilizan dos ventiladores, uno en cada extremo, y el flujo de aire es semirradial, entrando axialmente y saliendo radialmente hacia afuera. ^[9] Los devanados del estator ahora consisten en una banda central densa donde el núcleo de hierro y los devanados de cobre están compactados, y bandas finales donde los devanados están más expuestos para una mejor transferencia de calor. El espaciamiento más cercano del núcleo con el rotor mejora la eficiencia magnética. Los ventiladores más pequeños y cerrados producen menos ruido, particularmente a velocidades más altas de la máquina. ^[9]

Los alternadores también pueden refrigerarse por agua en los automóviles.

Los vehículos más grandes pueden tener alternadores de bobina de campo similares a las máquinas más grandes. ^[10]

Los devanados de un alternador trifásico se pueden conectar utilizando el régimen de conexión en delta o estrella . ^[11 ]

Las versiones sin escobillas de este tipo de alternadores también son comunes en maquinaria de mayor tamaño, como camiones de carretera y maquinaria de movimiento de tierras. Con dos cojinetes de eje de gran tamaño como únicas piezas de desgaste, estos pueden proporcionar un servicio extremadamente prolongado y confiable, que incluso supera los intervalos de revisión del motor.

Los alternadores de los automóviles requieren un regulador de voltaje que funciona modulando la pequeña corriente de campo para producir un voltaje constante en los terminales de la batería. Los primeros diseños (de los años 1960 a 1970) utilizaban un dispositivo discreto montado en otra parte del vehículo. Los diseños intermedios (de los años 1970 a 1990) incorporaban el regulador de voltaje en la carcasa del alternador. Los diseños modernos eliminan por completo el regulador de voltaje; la regulación de voltaje ahora es una función de la unidad de control del motor (ECU). La corriente de campo es mucho menor que la corriente de salida del alternador; por ejemplo, un alternador de 70 A puede necesitar solo 2-3 A de corriente de campo. La corriente de campo se suministra a los devanados del rotor mediante anillos colectores. La corriente baja y los anillos colectores relativamente lisos garantizan una mayor confiabilidad y una vida útil más larga que la obtenida por un generador de CC con su conmutador y una corriente más alta que pasa a través de sus escobillas.

Los devanados de campo se alimentan con energía de la batería a través del interruptor de encendido y el regulador. Un circuito paralelo alimenta el indicador de advertencia de "carga" y se conecta a tierra a través del regulador (por eso el indicador está encendido cuando el encendido está activado pero el motor no está en marcha). Una vez que el motor está en marcha y el alternador está generando energía, un diodo alimenta la corriente de campo desde la salida principal del alternador ecualizando el voltaje a través del indicador de advertencia que se apaga. El cable que suministra la corriente de campo a menudo se conoce como el cable "excitador". El inconveniente de esta disposición es que si la lámpara de advertencia se quema o el cable "excitador" se desconecta, no llega corriente a los devanados de campo y el alternador no generará energía. Algunos circuitos de indicador de advertencia están equipados con una resistencia en paralelo con la lámpara que permite que fluya la corriente de excitación si la lámpara de advertencia se quema. El conductor debe verificar que el indicador de advertencia esté encendido cuando se detiene el motor; de lo contrario, es posible que no haya ninguna indicación de una falla de la correa que también puede impulsar la bomba de agua de enfriamiento . Algunos alternadores se autoexcitan cuando el motor alcanza una determinada velocidad.

En los últimos años, ^{[¿ cuándo? ]} los reguladores del alternador están vinculados al sistema informático del vehículo y se evalúan varios factores, incluida la temperatura del aire obtenida del sensor de temperatura del aire de admisión, el sensor de temperatura de la batería y la carga del motor, para ajustar el voltaje suministrado por el alternador.

Los automóviles más antiguos con iluminación mínima pueden haber tenido un alternador capaz de producir solo 30 amperios . Los alternadores típicos de los automóviles de pasajeros y camiones ligeros tienen una potencia nominal de alrededor de 50 a 70 A, ^{[ cita requerida ]} aunque las potencias nominales más altas se están volviendo más comunes, especialmente porque hay más carga en el sistema eléctrico del vehículo con aire acondicionado , dirección asistida eléctrica y otros sistemas eléctricos. Los alternadores muy grandes utilizados en autobuses, equipos pesados ​​​​o vehículos de emergencia pueden producir 300 A. Los semirremolques generalmente tienen alternadores que generan 140 A. Los alternadores muy grandes pueden estar refrigerados por agua o por aceite.

La eficiencia de los alternadores de automóviles está limitada por la pérdida de refrigeración del ventilador, la pérdida de cojinetes, la pérdida de hierro, la pérdida de cobre y la caída de tensión en los puentes de diodos. La eficiencia se reduce drásticamente a altas velocidades, principalmente debido a la resistencia del ventilador. A velocidades medias, la eficiencia de los alternadores actuales es del 70 al 80 %. ^[12] Esto supera a los alternadores de imán permanente de alto rendimiento muy pequeños, como los que se utilizan para los sistemas de iluminación de bicicletas , que alcanzan una eficiencia de alrededor del 60 %. Las máquinas eléctricas de imán permanente más grandes (que pueden funcionar como motores o alternadores) pueden alcanzar hoy en día eficiencias mucho mayores. Pellegrino et al., ^[13] por ejemplo, proponen diseños no especialmente costosos que muestran amplias regiones en las que la eficiencia es superior al 96 %. Los grandes generadores de CA utilizados en las centrales eléctricas funcionan a velocidades cuidadosamente controladas y no tienen restricciones de tamaño o peso. Tienen eficiencias muy altas, de hasta el 98 %.

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Los vehículos eléctricos híbridos reemplazan el alternador y el motor de arranque por uno o más motores/generadores combinados que ponen en marcha el motor de combustión interna, proporcionan parte o toda la potencia mecánica a las ruedas y cargan una gran batería de almacenamiento. Cuando hay más de un motor/generador, como en el sistema Hybrid Synergy Drive utilizado en el Toyota Prius y otros, uno puede funcionar como generador y alimentar al otro como motor, lo que proporciona una ruta electromecánica para que parte de la potencia del motor fluya a las ruedas. Estos motores/generadores tienen dispositivos electrónicos considerablemente más potentes para su control que el alternador automotriz descrito anteriormente.

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