Glauco Diniz Duarte Empresa – Alternador e sistema elétrico

Glauco Diniz Duarte Empresa – Alternador e sistema elétrico

Segundo o Dr. Glauco Diniz Duarte, Apesar de possuir um acumulador de energia (bateria), o sistema elétrico automotivo não pode apenas contar com a bateria para alimentar a si mesmo e tão pouco a rede bordo, que com o passar dos tempos está se tornando cada vez mais maior e moderna. Para isso, é necessário que seja gerada energia para recarga da bateria, e assim suprir a demanda de energia elétrica do automóvel. Essa função é delegada ao Alternador. Como o próprio nome diz, o alternador é um gerador de corrente elétrica alternada, e portanto necessita de um retificador de tensão para enviar a todo o sistema elétrico do veículo a tensão contínua necessária para suprir sua demanda.

O alternador é instalado junto ao motor e ligado a este por sua polia e a polia do virabrequim através de correia, esta correia pode ser trapezoidal ou Poly-V. Consequentemente o alternador está exposto a um ambiente de altas temperaturas e influências externas, não descartando também que por estar ligado ao motor, o alternador precisa resistir a forças centrífugas e ao desgaste gerado pelas rotações e ainda funcionar silenciosamente. Mesmo assim o alternador precisa alimentar todos o sistema elétrico e consumidores, manter a carga da bateria em nível máximo mesmo em situações de baixa rotação do motor e manter o nível de tensão nominal do sistema elétrico independente da velocidade do motor.

Componentes

1. Carcaça;

2. Estator;

3. Rotor;

4. Anéis Coletores;

5. Escovas;

6. Placa de diodos (Retificador de tensão);

7. Polia;

8. Hélice de refrigeração

Carcaça

A carcaça do alternador tem a função de proteção e suporte dos componentes internos, é feita de ligas leves e geralmente é constituída de duas partes aparafusadas uma na outra por longos parafusos. Serve de mancal para o eixo do rotor, aloja o estator e a placa de diodos. Esta última necessitando de refrigeração, motivo pelo qual é instalado uma hélice de refrigeração no mesmo eixo do rotor, mesmo assim a carcaça deve possuir aberturas estratégicas para que esse refrigeração seja obtida.

Estator

Feito em ligas de ferro ou silício e fios de cobre esmaltado, o estator possui forma circular e internamente possui ranhuras em todo seu diâmetro. Entre as ranhuras se encontram fios de cobre esmaltado que constituem a bobina do estator. São nessas bobinas que é induzida a corrente proveniente do rotor girando. As bobinas do estator estão defasadas 120º uma da outra, e podem estar ligadas em estrela(Y) ou delta(∆). Esses tipos de ligações se diferem entre si pelos valores de corrente e tensão de linha e de fase. Em ligações do tipo estrela as correntes de linha e de fase são iguais, mas a tensão de linha é igual ao produto da tensão de fase pela raiz quadrada de três. Por outro lado nas ligações do tipo delta as tensões de fase e de linha são iguais, enquanto que a corrente de linha é igual a corrente de fase multiplicada pela raiz quadrada de três. Quando o rotor gira, o polos norte e sul passam pelas bobinas do estator, o que geraria uma tensão monofásica, caso o estator possuísse apenas uma bobina, mas o estator possui três bobinas caracterizando uma saída de tensão alternada trifásica.

Rotor

Constituído de um eixo de aço, uma bobina, dois polos em forma de garras feitos de ligas de ferro ou silício e anéis coletores. Na parte central do eixo é montada a bobina de excitação. Esta é feita de fios de cobre esmaltado, e envolta por dois polos em forma de garra. Quando a corrente proveniente bateria percorre a bobina de excitação, o campo magnético gerado por ela envolve os polos e forma polos norte e sul.

Anéis Coletores

Fabricado em cobre, os anéis coletores possuem a função de de conduzir a corrente elétrica proveniente da bateria para a bobina de excitação montada no rotor. É posicionado na extremidade eixo do rotor, são ligados à bobina de excitação e estão em contato com as escovas.

Escovas

São pequenas peças feitas de com ligas à base de carvão, e são um dos poucos componentes de desgaste do alternador. Pois estão em constante contato com os anéis coletores, que giram e geram um pequeno desgaste das escovas. Uma vez ligado o chicote da bateria ao alternador, são as escovas que alimentam os anéis coletores com a corrente proveniente da bateria.

Saiba mais em: https://www.turbobrasil.com.br/

Placa de diodos/Retificador de tensão

Também chamado de regulador de tensão, a função da placa de diodos é transformar a corrente alternada transformada pelo alternador em corrente contínua. Além disso os diodos protegem a bateria de uma possível descarga, impedindo a passagem de corrente da bateria para o alternador. A placa onde estão montados os diodos é feita em alumínio para trocar rapidamente de calor, pois os diodos não são resistentes a altas temperaturas (130 ºC), assim a placa possui função dissipadora de calor. Os diodos são feitos em silício ou germânio, e sua característica é permitir passagem de corrente em apenas um sentido. Para estatores conectados em Y a placa de diodos possui seis diodos, três ligados positivamente a cada uma das três bobinas e três ligados negativamente a cada uma das três bobinas. Além disso, o diodo se divide em duas partes, anodo e catodo.

Polia/Ventoinha de refrigeração

É o componente que está montado no eixo do rotor do alternador, e por meio de uma correia de distribuição, o alternador gira conforme a velocidade do rotação do motor(Rpm). Esta correia pode ser do tipo trapezoidal ou do tipo poly-V.

Sua função é prover uma ventilação forçada a todos os componentes internos do alternador. É montada no eixo do rotor do alternador, e consequentemente gira com ele, além disso pode estar montada fora(alternador tipo garra) ou dentro(alternador compacto) do alternador.

Fatores influentes

Existem três fatores diretamente influentes no desempenho do alternador:

1. Rotação;

2. Temperatura;

3. Fatores externos.

Rotação

O alternador é acionado pelo motor, através de uma correia de borracha, polia e tensionador. Para atingir o regime de rotações necessário para suprimento da demanda da rede de bordo e do sistema de injeção eletrônica, é definido uma relação de transmissão adequada. Normalmente utiliza-se de 1:2 até 1:3 em veículos de passeio, e 1:5 para utilitários, pois são relações que proporcionam ao alternador maior rotação em relação ao eixo virabrequim, e assim garantindo que o fornecimento de energia não seja tão prejudicado em condições extremas. Por outro lado, a alta rotação também impõe ao alternador altas cargas centrífugas, que por consequência desgastam anéis coletores, rolamentos e escovas. A inércia dos componentes à rotação também põe a prova a correia de acionamento, as constantes reduções e acelerações do motor geram esforços(torque de inércia dos componentes) sobre a correia de acionamento.

Temperatura

Nos automóveis atuais a busca pelo maior aproveitamento do espaço teve como consequência a redução do cofre do motor. O espaço para comportar o motor e seus sistemas ficou menor, embora bem aproveitado. Somando-se ao fato das marcas terem aderido de vez ao downsizing, componentes como turbocompressor e intercooler, além de radiadores de óleo, mangueiras e tubulações do turbo dividem espaço com o motor e seus sistemas gerando maiores temperaturas no alternador. Assim torna-se necessário que o alternador possua uma ventoinha de refrigeração para garantir que haja a troca de calor entre os componentes internos do alternador e o ar aspirado pela ventoinha. Em aplicações extremas utilizam-se alternadores com refrigerado por fluído de arrefecimento.

Fatores externos

Novamente, por estar montado no motor e sofrer com a atmosfera do cofre do motor durante seu funcionamento, o alternador encontra-se exposto a vibrações, poeiras, água, vapores de combustível e óleo. A contaminação dos componentes internos do alternador com detritos acima citados ocorre pelas ranhuras de refrigeração, e além de causarem a oxidação desses componentes, podem comprometer a vida útil do alternador com a passagem de corrente através de soluções, chamada de eletrólise. Mesmo sabendo que os motores são suportados por eficientes bases feitas de borracha e material metálico, e que absorvem grande parte das vibrações do motor, este vibra, com oscilações aceitáveis. Como o alternador está fixado ao motor, as oscilações são transmitidas ao alternador gerando esforços também em seus componentes de fixação.

Características

O alternador é uma máquina elétrica trifásica, mais precisamente uma gerador elétrico trifásico(três bobinas no estator) síncrono de 12 ou 16 pólos. É capaz de alimentar o sistema elétrico do automóvel dentro de uma variação de 13,5V até 14,5V. Acima ou abaixo dos limites inferiores e superiores, problemas como descarga de bateria e sobrecarga da bateria respectivamente poderão acontecer.

Como o próprio nome sugere, o alternador fornece tensão alternada em forma de ondas senoidais com períodos de 120°, que também é o ângulo de disposição das bobinas do estator. A corrente do alternador é fornecida em pulsos positivos e negativos, ou seja, uma onda completa inicia-se em zero, atinge seu máximo valor (positivo) e caí até seu menor valor (negativo).

O alternador gera apenas a tensão necessária para todo os sistema elétrico do veículo, a tensão elétrica medida nos terminais do alternador pode ser calculada sabendo o produto do valor do fluxo magnético das bobinas indutoras pela rotação do motor. Mas mesmo que este seja acelerado ao máximo, o alternador possui um limite para alimentação de tensão. Pois o campo magnético reverso gerado pela corrente de carga com o alternador girando a toda velocidade impedirá o aumento na corrente fornecida pelo alternador.

A eficiência ou rendimento de um alternador é prejudicada pelas diversas perdas inevitáveis que toda máquina possui. As principais perdas de um alternador são o atraso entre a indução magnética e o campo magnético a ser gerado (histerese), que é uma propriedade dos materiais ferromagnéticos, as perdas por correntes parasitas ou de Foucault, que são as perdas relacionadas ao movimento do rotor em relação ao estator, pois no estator está fluindo corrente alternada e esse fluxo gera um campo magnético variável no núcleo do estator, que induz uma tensão e esta, por sua vez gera uma corrente parasita no estator. Por conta disso, os estatores são cobertos por um verniz isolante para reduzir a incidência do efeito joule, que nada mais é que o superaquecimento do respectivo componente. Além disso ocorre também as perdas ohmicas nos enrolamentos do rotor e do estator, que neste caso é uma dissipação da potência em forma de calor. E finalmente as perdas mecânicas, ou perdas por atrito, que estão ligadas a resistência ao dos rolamentos, mancais, escovas e até mesmo o ar de ventilação da ventoinha, que gera atrito entre o rotor e o estator. Depois de calculadas as perdas, e uma vez sabendo a potência do alternador, dizemos que a eficiência deste é a potência desenvolvida dividida pela massa de seus componentes ativos (enrolamento e rotor).

Por estar instalado no motor, o alternador utiliza o ar contido no cofre do motor para seu arrefecimento. Dotado de uma ventoinha, seja ela integral ou montada no alternador, o alternador não pode ter seus componentes com temperatura acima de valores pré-determinados. Embora na grande maioria das aplicações automotivas, a refrigeração por ventoinha seja efetiva, há casos de refrigeração por líquido de arrefecimento do motor. Casos extremos como esse em que o alternador é completamente fechado, sem ranhuras. Mangueiras conduzem o fluído de arrefecimento do motor para o alternador. A aplicação de alternadores refrigerados a fluído de arrefecimento contempla vantagens como supressão do ruído, adequação à altas temperaturas e capacidade de serem mergulhados (veículos off-road).

O acionamento do alternador é feito por uma correia de borracha, e esta deve estar bem tensionada para não saltar e interromper a geração de energia para o motor. Esse tensionamento poder ser feito por um braço móvel ou tensionador de correia. A correia do alternador pode ser de dois tipos, em V (trapezoidal) ou nervurada (estriada), mais conhecida como poly-V. Atualmente as correias poly-V predominam no mercado, enquanto que as correias trapezoidais pertencem a projetos mais antigos. Para se obter rotações maiores, é usual reduzir o diâmetro da polia do alternador, e assim obter relações que o beneficie. No entanto na concepção do projeto de um alternador é necessário dimensionar o sistema polias e correia, além de seus rolamentos, para suportar a variação do torque e rotação do motor. Uma vez sabendo a que torque e rotação o sistema será submetido, e quais agregados a correia do alternador irá acionar, pode-se definir a geometria da correia.

Tipos

Basicamente existem dois tipos de alternadores:

1. Alternador de pólos tipo garra;

2. Alternador de construção compacta.

Alternador de pólos tipo garra

Trata-se da versão clássica do alternador, o primeiro a substituir o dínamo. É chamado dessa forma pois os pólos da bobina do rotor possuem forma de garra,e quando estão sob ação do campo magnético desta forma os pólos norte e sul. Alternadores de pólos tipo garra possuem ventilação forçada por ventoinha externa, que promove fluxo axial de ar de refrigeração para os componentes internos do alternador.

Alternador de construção compacta

A evolução do alternador de pólos tipo garra é um alternador com menores dimensões. Partindo deste ponto é possível ter um alternador que gire mais rápido para mesma velocidade do motor em relação ao alternador de pólos tipo garra. Seu peso também é reduzido pois seus componentes internos tiveram suas dimensões reduzidas. Nesta construção não é mais possível visualizar a ventoinha, esta agora é montada dentro do alternador promovendo também um fluxo axial de ar de refrigeração. Entretanto, esse ar sai de dentro do alternador de forma radial. Desta forma a construção compacta do alternador possibilitou menores ruídos e desgaste de componentes como escovas e maiores velocidades.

Desconto na conta de luz da Cemig!