Čimbenici koji utječu na zagrijavanje alternatora i njihov utjecaj na razvoj projektnih rješenja

U automobilskim aplikacijama, primarni zadatak alternatora je zadovoljiti potrošnju električne energije instaliranih uređaja i napuniti bateriju. U motornim vozilima broj instaliranih uređaja sustavno se povećava, a posljedica toga je povećanje električne energije koju troši alternator. Povećanje udjela automatizacije i sustavno poboljšanje udobnosti korisnika vozila najvažniji su pokretači promjena koje se sad događaju. U nekim slučajevima jedan alternator ne može pokriti punu potrošnju električne energije, a u takvim slučajevima ugrađuju se i dodatni alternatori, npr. u autobusima. Što se tiče instalacije od 12 V, dok je krajem 1950-ih snaga najvećeg alternatora bila 600 W, trenutno je oko 3 000 W i ne očekujemo da će ta brojka biti premašena u skoroj budućnosti.

Jedan od važnih čimbenika koji ograničava daljnje povećanje snage je količina topline koja se oslobađa tijekom pretvorbe mehaničke u električnu energiju. Glavni faktor koji uzrokuje stvaranje topline je struja koja teče kroz namote statora i ispravljačke diode. Povećanje temperature alternatora ovisi o intenzitetu rasipanja topline. Temperatura unutar alternatora će se stabilizirati kada količina oslobođene topline odgovara količini odvođene topline.

U modernim alternatorima dopuštena temperatura ovisi o toplinskom otporu najslabijeg elementa koji se koristi i najčešće ne prelazi 200°C. S obzirom na to da je alternator najčešće pričvršćen na vruće tijelo motora, rashladni zrak je na temperaturi blizu temperature motora s unutarnjim izgaranjem. Trenutno se pretpostavlja da temperatura rashladnog zraka može biti do 130°C, pa je kao posljedica toga dopušteno povećanje temperature alternatora značajno ograničeno. Pouzdanost rada alternatora ovisi o dizajnu takve strukture da se ta značajna količina topline oslobođene iznutra može učinkovito rasipati prema van. U početku (do 70-tih) alternatori su imali vanjski ventilator kako je prikazano na slici 1, ali se ovaj način hlađenja s povećanim strujama opterećenja pokazao nedovoljnim.

Slika 1 Početna metoda hlađenja unutrašnjosti alternatora. Fotografija AS-PL

Slika 2 Način hlađenja suvremenih alternatora. Fotografija AS-PL

Sljedećih godina došlo je do potpune promjene načina hlađenja. Umjesto vanjskog ventilatora, korištena su dva ventilatora, zahvaljujući odgovarajućim lopaticama s obje strane rotora (slika 2). Ta je promjena, zajedno s otvorenim kućištem, olakšala protok zraka za hlađenje. Ova vrsta konstrukcije naziva se kompaktna (slika 3).

Slika 3. Najvažniji razvoj dizajna alternatora i njihovih rotora. Fotografije AS-PL

Evolucija dizajna alternatora je u tijeku. Također se odnosi na metode namota statora i konstrukciju toplotnih odvoda ispravljača. Iako zagrijavanje alternatora nije iznenađenje, razmjeri proizvedene topline mogu biti i iznenađenje. Učinkovitost često korištenih alternatora kreće se od 60% do 75%, što znači da je za proizvodnju potrebne električne energije potrebno izgubiti najmanje 25% do 40% utrošene mehaničke energije. Trenutno neki od najnovijih dizajna alternatora, zahvaljujući brojnim dodatnim izmjenama, postižu učinkovitost od oko 80%.

Mehanička energija koju troši alternator prikazana je na slici 4. Za procijenjene izračune odabran je trenutno korišteni i proizvedeni alternator nazivnog napona 12 V, nazivne struje 140A čija je učinkovitost prema podacima proizvođača ne manja od 65%. Na temelju brojnih publikacija i vlastitih eksperimenata mogu se donijeti sljedeći zaključci:

• Otprilike polovica električne energije koju generira alternator gubi se unutarnjom toplinom;
• Većina topline nastaje u namotima statora;
• Diode mosta ispravljača emitiraju znatne količine topline;
• Neočekivano veliki gubici energije u željezu – odnosno u metalnom dijelu statora.

Gubici energije tijekom prerade uvijek su posljedica usvojenih projektnih rješenja. Zbog masovne proizvodnje alternatora, na izbor dizajna značajno utječe ne samo učinkovitost obrade, već ponajviše jednostavnost njegove izrade i troškovi proizvodnje. Svi ti zaključci imaju značajan utjecaj na dizajn alternatora. Najveći gubici energije povezani su s zagrijavanjem namota statora. Zbog ekonomskih razloga i ograničenja veličine, dizajneri su pretpostavili relativno veliku gustoću struje u namotima statora.

Slika 4. Gubici pretvorbe energije. AS-PL

Zbog konstrukcijskih promjena, lopatice postavljene na rotor hlade bočne dijelove namota statora koji strše iznad lopatica rotora (slika 3). Intenzivnije kretanje zraka također hladi diode u ispravljaču. Ispravljačka dioda nije savršeni ispravljač. Svaka dioda doživljava pad napona tijekom provođenja struje. U svakom trenutku struja opterećenja teče kroz najmanje dvije diode. Za dotični alternator toplina koja se rasipa u ispravljaču odgovara grijaču snage 280W.

U statoru se toplina stvara ne samo u njegovim namotima, već i u samoj metalnoj jezgri. Nastojanje da se smanje gubici željeza također ima posljedice u dizajnu statora. Metalni dio statora dio je kruga magnetskog polja koje generira rotirajući rotor alternatora. U pojedinim dijelovima jezgre magnetsko polje sustavno mijenja svoj smjer s frekvencijom do nekoliko stotina herca (pri 3000 okr/min frekvencija je oko 600 Hz). Ovo izmjenično magnetsko polje rasipa energiju iz magnetiziranja i proizvodi efekt vrtložne struje koji je iz druge ruke ovisan o frekvenciji. Praktična uporaba ovog fenomena naširoko se koristi u indukcijskim pločama za kuhanje u našim domovima. Kako bi se dobili zahtijevani toplinski učinci, tamo se koristilo frekvencijske promjene polja 24kHz.

U slučaju alternatora, generirana toplina je nepoželjna. Kad bi jezgra statora bila napravljena od čvrstog materijala (kao u posudi), gubitak energije i njeno zagrijavanje bili bi mnogo veći. Kako bi se ovi fenomeni ograničili, jezgra statora izrađena je od tankih limova koji su međusobno električno izolirani. Magnetski tok koji teče unutar tankih ploča uzrokuje mnogo manje vrtložne struje, značajno smanjujući neizbježne gubitke energije. Kako bi se dodatno smanjili vrtložni tokovi i pogoršala električna vodljivost, limovi su izrađeni od posebne vrste čelika s povećanim sadržajem spojeva silicija. Ova metoda ograničavanja učinaka vrtložnih struja koristi se u svim izmjeničnim magnetskim krugovima.

Potraga za savršenijim rješenjima je u tijeku. Vodeći proizvođači alternatora već u svojim katalozima imaju proizvode s učinkovitošću blizu 80%. Svaki uspjeh na ovom polju u skladu je sa svjetskim trendom ka boljoj brizi za okoliš. Veća učinkovitost znači manju potrošnju goriva. U nastojanju da smanje potrošnju goriva, alternatori već dugi niz godina koriste pogonske kotače s jednosmjernom spojkom, koji koriste kinetičku energiju rotora alternatora za smanjenje brzine vrtnje motora s unutarnjim izgaranjem. U najnovijim rješenjima alternator može podupirati motor s unutarnjim izgaranjem tijekom brzog ubrzanja, podržavati kočenje i koristiti energiju kočenja za punjenje baterije te može umjesto startera pokrenuti topli motor s unutarnjim izgaranjem.