Na początku historii przemysłu motoryzacyjnego można było sobie wyobrazić, że napędzany silnikiem samochód, traktor lub motocykl może działać bez choćby jednego ampera prądu. Współcześnie samochodu – czy to elektrycznego, czy spalinowego – nie da się nawet uruchomić bez prądu. Akumulatory pojazdów zapewniają energię elektryczną potrzebną do rozruchu, ale wyczerpują się podczas podróży. Aby przezwyciężyć to zjawisko, producenci wykorzystali do generowania energii elektrycznej technologię, która istniała jeszcze przed pierwszymi automobilami.

Początki

Na początku warto wspomnieć, że do lat sześćdziesiątych XX w. źródłem prądu w samochodach była prądnica, inaczej zwana „dynamo.”

Jest to urządzenie elektryczne, które wytwarza prąd stały z energii mechanicznej. Sama zasada działania została opracowana przez węgierskiego naukowca Ányosa Jedlika w 1861 r.

Zasada dynamo to nic innego jak zasada samowzbudzenia. Każdy element żelazny poddany działaniu magnesu będzie przez jakiś czas wytwarzał pole magnetyczne. Jeśli w tym stosunkowo słabym polu znajdzie się przewodnik, czy też nawinięta wokół niego cewka, to siła pola znacznie się zwiększy. W konsekwencji wzrasta również napięcie – można je zwiększać, aż żelazo zostanie magnetycznie nasycone lub do momentu, gdy zostanie ograniczone przez regulator.

Część wirnikowa dynama samochodowego była wykonana z miękkiego żelaza, aby zmniejszyć jego rozproszenie magnetyczne. Cewki umieszczono w rowkach wirnika, a ich końce podłączono do komutatora. Część prądu była kierowana z powrotem do stojana przez regulator napięcia, zwiększając w ten sposób wzbudzenie.

Ostatecznie jego konstrukcja sprawiła, że urządzenie stało się przestarzałe: wysoka masa własna, niewystarczająca żywotność szczotek komutatora i niższa moc w porównaniu z generatorami doprowadziły do ich wyparcia.

Budowa i działanie generatora

Generator, podobnie jak dynamo, jest wirnikowym urządzeniem elektrycznym. Kluczowa różnica między nimi polega na tym, że generator wytwarza prąd zmienny, a dynamo – stały.

Urządzenie składa się ze wzbudzonego wirnika i stojana z jedno- lub wielofazowym układem uzwojeń. W niektórych przypadkach wirnik jest trwale namagnesowany, choć nie jest to częste rozwiązanie. Wirnik jest umieszczony na stałe wewnątrz stojana i połączony z wałkiem napędowym łożyskami, a całość zamknięta w obudowie.

Podobnie jak w przypadku dynamo, energia kinetyczna zawsze pochodzi z jakiegoś źródła mechanicznego. Wirnik jest obracany przez silnik, w wyniku czego linie indukcyjne wirnika przecinają układ uzwojeń stojana, co wywołuje w nich napięcie.

Stojan jest zasadniczo wykonany z uzwojenia trójfazowego. Istnieje kilka praktycznych rozwiązań zapewniających niezbędne do pracy pole magnetyczne: w maszynach synchronicznych prąd stały jest wprowadzany przez zewnętrzną strukturę ze szczotkami węglowymi i pierścieniami ślizgowymi, a w maszynach asynchronicznych jest wytwarzany za pomocą prądu wirowego indukowanego w zwartym wirniku.

Generator ma znaczną przewagę nad dynamem, bowiem napięcie indukowane może być pobierane bezpośrednio ze stojana, nie wymaga zespołu szczotek węglowych, więc nie potrzebne są również elementy cierne, które mogą się zużyć, ulec awarii lub uszkodzeniu. Jednocześnie jest znacznie bardziej wydajny w porównaniu do swojej wagi, a jego instalacja jest mniej kłopotliwa.

Należy jednak zauważyć, że w przeciwieństwie do dynama, generator nie jest w stanie wytworzyć napięcia stałego, więc aby zasilać urządzenie prądu stałego, prąd w cewkach musi przejść przez prostownik. Takie rozwiązanie jest właśnie stosowane w samochodach osobowych.

Generator czy alternator?

Urządzenia prądotwórcze używane w samochodach są również nazywane generatorami, choć oczywiście znacznie częściej spotykamy się z terminem „alternator”.

Jego konstrukcja cechuje się „kompaktową” budową, z charakterystycznymi promieniowymi otworami wentylacyjnymi na obu końcach obudowy.

Istotnym czynnikiem w alternatorach samochodowych są straty wskutek chłodzenia, zużycie elementów metalowych i żelaznych oraz spadek napięcia na mostkach diodowych. Powyżej pewnej prędkości wydajność znacznie spada, w idealnym zakresie wynosi około 70-80%.

Awaria

Alternator jest znany kierowcom jako stały element samochodów, którego żywotność jest równa żywotności silnika – raczej nie przewiduje się jego wymiany. Niekoniecznie pokrywa się to z rzeczywistością.

Podstawową i najczęstszą awarią jest uszkodzenie łożyska. W większości przypadków towarzyszy temu charakterystyczny dźwięk z wnętrza urządzenia. Jednocześnie, w przypadku nowoczesnych silników, coraz częściej zdarza się, że psuje się koło zamachowe alternatora.

Znacznie bardziej nieprzyjemną usterką jest awaria regulatora napięcia. Zjawisko to jest znacznie trudniejsze do zdiagnozowania. Jedną z pierwszych oznak jest migająca kontrolka błędu ładowania na desce rozdzielczej, ale zdarzają się również przypadki, gdy komputer pokładowy nie podaje żadnej informacji, ale zjawisko nadal występuje. Wówczas alternator ładuje akumulator, ale zbyt słabo, czego efektem w końcowym rozrachunku jest rozładowanie.

Łatwiej zidentyfikować można usterkę prostownika, ponieważ w tym przypadku kontrolka ładowania na desce rozdzielczej zawsze się świeci.

Pasek napędowy alternatora także jest często przyczyną usterek – jeśli pęknie, alternator przestaje ładować.

Zjawiskiem podobnym do pierwszego jest problem z łożyskiem napinacza. Paski napędowe nowoczesnych silników spalinowych napędzają nie tylko alternator, ale także wiele innych odbiorników (pompa wspomagania kierownicy, klimatyzacja itp.), więc pasek pokonuje stosunkowo skomplikowaną drogę. Podobnie jak łożyska, rolki napinające mogą ulec awarii, a ich wymiana jest od czasu do czasu uzasadniona.

Renowacja i przyszłość

Dziś trudno uwierzyć, że taka część jeszcze istnieje, ale alternator należy do wąskiej już grupy urządzeń, którą da się jeszcze naprawić. Wymieniając odpowiednie części wewnętrzne, odzyskujemy pełnowartościowy alternator, w wielu przypadkach za ułamek ceny nowego.

Systemy start-stop i znacznie bardziej zaawansowane systemy sterowania silnikiem postawiły nowe zadania przed alternatorami, które w wielu przypadkach są obecnie jedynie zintegrowanym podsystemem większego układu elektrycznego. Ich konstrukcja jest znacznie bardziej skomplikowana, a ich konserwacja znacznie bardziej złożona niż w przypadku ich starszych odpowiedników.