Alternador (automotriz)

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

Hasta la década de 1960, los automóviles utilizaban generadores de dinamo de corriente continua con conmutadores . Con la popularización y la asequibilidad de los rectificadores de diodos de silicio , el alternador fue reemplazando gradualmente a la dinamo. Este cambio se vio impulsado por la creciente demanda de energía eléctrica en los automóviles de la época, debido al aumento del consumo eléctrico derivado de faros más grandes, limpiaparabrisas eléctricos, lunetas traseras térmicas y otros accesorios.

Los alternadores modernos para vehículos se utilizaron por primera vez en aplicaciones militares durante la Segunda Guerra Mundial para alimentar equipos de radio en vehículos especializados. ^{[ i ]} Después de la guerra, otros vehículos con altas demandas eléctricas, como ambulancias y taxis con radio, también podían equiparse con alternadores opcionales. ^{[ 1 ]}

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

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 (en menos de una hora).
• Puede proporcionar una carga útil a velocidad de ralentí.
• Utilice anillos colectores , que prolongan considerablemente la vida útil de las escobillas en comparación con un conmutador (o diseños completamente sin escobillas).
• Las escobillas de un alternador solo transportan corriente de excitación de corriente continua (CC), que es una pequeña fracción de la corriente transportada por las escobillas de un generador de CC, que transportan la totalidad de la potencia de salida del generador.

Se requiere un conjunto de rectificadores ( puente de diodos ) para convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Para proporcionar corriente continua con baja ondulación , se utiliza un bobinado polifásico y los polos del rotor tienen forma de garra. Los alternadores automotrices suelen ser accionados por correa a 2-3 veces la velocidad del cigüeñal, velocidades que podrían provocar la rotura del conmutador en un generador. El alternador funciona a diferentes RPM (lo que varía la frecuencia) ya que es accionado por el motor, independientemente del sentido de giro. Esto no representa un problema porque la corriente alterna se rectifica a CC.

Los reguladores de alternador también son más sencillos que los de generador. Los reguladores de generador requieren un relé de desconexión para aislar las bobinas de salida (el inducido) de la batería a baja velocidad; este aislamiento lo proporcionan los diodos rectificadores del alternador. Además, la mayoría de los reguladores de generador incluyen un limitador de corriente; los alternadores, por su naturaleza, tienen una limitación de corriente.

El diseño de polos en forma de garra produce una forma de onda de corriente alterna que se rectifica de manera más eficiente que una onda sinusoidal.

A pesar de su nombre, tanto los generadores de corriente continua (o dinamos) como los alternadores producen inicialmente corriente alterna. En un generador de corriente continua, esta corriente 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 fijo y luego se convierte en corriente continua mediante los rectificadores (diodos).

Los alternadores típicos de vehículos de pasajeros y camionetas ligeras utilizan una construcción de campo Lundahl o de "polos en garra". Esta emplea un núcleo de hierro con forma específica en el rotor para producir un campo multipolar a partir de un único devanado de bobina. Los polos del rotor se asemejan a los dedos de dos manos entrelazadas. La bobina se monta axialmente en su interior y la corriente de campo se suministra mediante 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 acoplado a la polea de la correa de transmisión. ^{[ 7 ]}

Los vehículos modernos utilizan ahora un alternador compacto. Este es similar eléctrica y magnéticamente, pero cuenta con 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 aloja el ventilador. Se utilizan dos ventiladores, uno en cada extremo, y el flujo de aire es semirradial, entrando axialmente y saliendo radialmente hacia afuera. ^{[ 8 ]} Los devanados del estator ahora constan de una banda central densa donde el núcleo de hierro y los devanados de cobre están muy juntos, y bandas en los extremos donde los devanados están más expuestos para una mejor transferencia de calor. La menor separación del núcleo con respecto al rotor mejora la eficiencia magnética. Los ventiladores más pequeños y cerrados producen menos ruido, particularmente a velocidades más altas de la máquina. ^{[ 8 ]}

En los automóviles, los alternadores también pueden ser refrigerados por agua.

Los vehículos más grandes pueden tener alternadores de bobina de campo similares a los de máquinas más grandes. ^{[ 9 ]}

Los devanados de un alternador trifásico pueden conectarse utilizando la configuración en delta o en estrella ( Y ). ^{[ 10 ]}

Las versiones sin escobillas de este tipo de alternadores también son comunes en maquinaria pesada, como camiones de carretera y maquinaria de movimiento de tierras. Con dos cojinetes de eje sobredimensionados como únicas piezas de desgaste, ofrecen un servicio extremadamente prolongado y fiable, incluso superando los intervalos de revisión del motor.

Los alternadores automotrices requieren un regulador de voltaje que modula la pequeña corriente de campo para producir un voltaje constante en los terminales de la batería. Los primeros diseños (aprox. 1960-1970) utilizaban un dispositivo independiente montado en otra parte del vehículo. Los diseños intermedios (aprox. 1970-1990) incorporaron el regulador de voltaje en la carcasa del alternador. Los diseños modernos prescinden por completo del 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 baja corriente y la relativa suavidad de los anillos colectores garantizan una mayor fiabilidad y una vida útil más larga que la obtenida con un generador de CC con su conmutador y una corriente más alta que pasa a través de sus escobillas.

Los devanados de campo reciben energía de la batería a través del interruptor de encendido y el regulador. Un circuito en paralelo alimenta el indicador de advertencia de "carga" y está conectado a tierra a través del regulador (por eso el indicador está encendido cuando el encendido está activado pero el motor está apagado). 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, igualando la tensión en el indicador de advertencia, que se apaga. El cable que suministra la corriente de campo se suele denominar cable de "excitación". El inconveniente de esta configuración es que si la lámpara de advertencia se funde o el cable de "excitación" se desconecta, no llega corriente a los devanados de campo y el alternador no generará energía. Algunos circuitos de indicadores 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 funde. El conductor debe comprobar que el indicador de advertencia esté encendido cuando el motor esté parado; de lo contrario, podría no haber ninguna indicación de una falla en la correa, que también puede accionar la bomba de agua de refrigeración . Algunos alternadores se autoexcitan cuando el motor alcanza cierta velocidad.

En los últimos años, los reguladores del alternador se han conectado al sistema informático del vehículo y se han evaluado diversos factores, como 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 tener un alternador capaz de producir solo 30 amperios . Los alternadores típicos de automóviles de pasajeros y camionetas ligeras tienen una potencia nominal de entre 50 y 70  A, aunque las potencias más altas son cada vez más comunes, especialmente debido a la mayor carga en el sistema eléctrico del vehículo con aire acondicionado , dirección asistida eléctrica y otros sistemas eléctricos. Los alternadores muy grandes utilizados en autobuses, maquinaria pesada o vehículos de emergencia pueden producir 300 A. Los camiones semirremolques suelen tener alternadores que producen 140 A. Los alternadores muy grandes pueden ser refrigerados por agua o por aceite.  

La eficiencia de los alternadores automotrices está limitada por las pérdidas de refrigeración del ventilador, las pérdidas en los cojinetes, las pérdidas de hierro, las pérdidas 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 70-80%. ^{[ 11 ]} Esto supera a los alternadores de imanes permanentes de alto rendimiento muy pequeños, como los utilizados para sistemas de iluminación de bicicletas , que alcanzan una eficiencia de alrededor del 60%. Las máquinas eléctricas de imanes permanentes más grandes (que pueden funcionar como motores o alternadores) pueden alcanzar hoy eficiencias mucho mayores. Pellegrino et al., ^{[ 12 ]} por ejemplo, proponen diseños no particularmente costosos que muestran amplias regiones en las que la eficiencia es superior al 96%. Los grandes generadores de CA utilizados en centrales eléctricas funcionan a velocidades cuidadosamente controladas y no tienen restricciones de tamaño o peso. Tienen eficiencias muy altas, de hasta el 98%.

Los vehículos eléctricos híbridos reemplazan el alternador y el motor de arranque separados con uno o más motores/generadores combinados que arrancan el motor de combustión interna, proporcionan parte o la totalidad de la potencia mecánica a las ruedas y cargan una batería de gran capacidad. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Cuando hay más de un motor/generador, como en el Hybrid Synergy Drive utilizado en el Toyota Prius y otros, uno puede funcionar como generador y alimentar al otro como motor, proporcionando una vía electromecánica para que parte de la potencia del motor fluya a las ruedas. ^{[ 15 ]} Estos motores/generadores tienen dispositivos electrónicos para su control considerablemente más potentes que el alternador automotriz descrito anteriormente. ^{[ 14 ]}

• Unidad de potencia auxiliar (APU)
• batería de automóvil