Dínamo

Tópicos:

Geral
Operação
Rotor
Estator
Pré-excitação, autoexcitação e corrente de carga
Regulador de voltagem
Conexões do Dínamo
Diodos retificadores
Tensão de ondulação
Regulador de voltagem
Polia de roda livre
Ventilador
Recuperação de energia
Possíveis defeitos no alternador
Verificando a tensão de carga e a corrente de carga

Geral:
Quando o motor está funcionando, o dínamo (chamado de “alternador” em inglês) garante que a bateria seja carregada e os consumidores recebam energia (como rádio, iluminação, etc.). O dínamo é acionado pelo multi- cinto. A correia múltipla aciona a polia do alternador, que está conectada ao interior por um eixo. A energia cinética é convertida em energia elétrica (e calor) no dínamo.
A velocidade do motor afeta a tensão do alternador. Quanto mais rápido o motor gira, mais rápido a polia gira, permitindo que mais energia seja gerada. A tensão não pode ser muito alta e, portanto, é limitada pelo regulador de tensão.
Mais sobre o regulador de tensão posteriormente.

A tensão alternada é gerada no dínamo. A tensão DC é aplicada em todo o circuito eletrônico do carro. A bateria também só pode ser carregada com corrente contínua. A tensão alternada é convertida em tensão contínua usando os diodos da ponte de diodos. A magnitude da tensão gerada depende de:

A velocidade com que o condutor e o campo magnético se separam
O comprimento dos enrolamentos
A força do campo magnético

É possível dirigir sem alternador. Por exemplo, se estiver com defeito e não fornecer mais tensão, você poderá continuar dirigindo até que a bateria esteja completamente descarregada. É claro que isto não é recomendado porque a descarga profunda pode causar falha na bateria, mas o carro pode ser conduzido (uma curta distância) sem alternador e sem correia múltipla (de modo que possa ser conduzido até um reboque para transporte) .

Operação:
A corrente é gerada pelo rotor girando no estator. O rotor é um eletroímã; só se torna magnético quando uma corrente flui através dele. O alternador, portanto, precisa da ajuda da bateria antes de começar a carregar. O magnetismo restante no alternador é insuficiente para permitir que uma corrente elétrica flua através dos diodos.

A corrente para tornar o rotor magnético vai da bateria, através da fechadura de ignição e da luz indicadora de corrente de carga, até a conexão D+ do alternador. A corrente então flui para o rotor. Do rotor, a corrente flui através do regulador para o solo. Ao ligar a ignição, a luz indicadora da corrente de carga acende e ao mesmo tempo ocorre a magnetização do alternador. Quando o alternador começar a carregar, a luz indicadora da corrente de carga apagará.
Quando o alternador é carregado, os pólos norte e sul se movem em relação ao estator. Isso gera uma tensão alternada no estator. Com uma revolução do ímã, a tensão induzida no condutor assume a forma de uma onda senoidal, conforme mostrado na figura.

Como se trata de uma tensão alternada e todos os consumidores do carro funcionam apenas com tensão CC, a retificação ainda precisa ser realizada. Os diodos garantem que a tensão alternada seja convertida em tensão contínua.
A tensão e a corrente de carga também devem ser limitadas; Quando o motor está funcionando em alta velocidade e poucos consumidores estão ligados, o alternador só precisa ser carregado muito pouco. Quando mais consumidores estão ligados, o alternador deve fornecer mais corrente de carga. Em plena carga, isso pode chegar a 75 a 120 amperes (dependendo do tipo de carro). Como tudo isso funciona é descrito nos capítulos abaixo.

rotor:
O rotor não é um ímã permanente, mas um eletroímã. Ao passar a corrente pelo rotor, ela se torna magnética e uma tensão alternada pode ser gerada. A tensão gerada pode ser controlada aumentando ou diminuindo a corrente do rotor. Este é o trabalho do regulador de tensão.
O rotor possui garras polares (pólos norte e sul). Cada metade com garras polares geralmente consiste em 6 ou 7 hastes. A outra metade consiste no mesmo número de pólos, portanto há 6 ou 7 pólos norte e 6 ou 7 pólos sul. Estamos então falando de 12 ou 14 pares de pólos. O número de pares de pólos influencia a tensão gerada no estator.

O campo magnético no alternador é criado quando o rotor é energizado. Isso já acontece quando a ignição do carro é ligada. Para energizar o rotor, uma corrente de campo é enviada através dos enrolamentos de campo. Esta corrente vem da bateria e é transferida para os enrolamentos de campo através dos anéis coletores e escovas de carvão. Este vai do pólo norte ao pólo sul, porque um anel coletor está conectado ao pólo norte e o outro ao pólo sul.

Depois que o rotor for removido, ele poderá ser medido para verificar se há defeitos. A resistência do rotor geralmente fica em torno de 3 Ohm. Para o valor exato, consulte os dados de fábrica.

Estator:
O alternador usado em quase todos os carros é um alternador trifásico. Isso significa que o alternador é composto por três bobinas do estator conectadas a um núcleo do estator e um rotor. Cada bobina do estator produz sua própria tensão alternada gerada. Como todas as bobinas do estator são montadas em um ângulo de 120 graus entre si, as tensões geradas também são defasadas em 120 graus. Essas tensões são retificadas pelos três diodos negativos e três positivos (totalizando seis diodos).

O núcleo do estator é composto por placas empilhadas, separadas umas das outras por material isolante. O núcleo do estator fortalece o campo magnético no alternador e assim aumenta a tensão gerada. As bobinas do estator podem ser conectadas de duas maneiras; por meio de uma conexão triangular (reconhecível por conexões 3×2) e uma conexão em estrela (4 conexões, das quais 3 são conexões soltas e uma conexão onde as 3 extremidades das bobinas estão conectadas entre si. A conexão em estrela é mais comum , porque permite que uma alta tensão seja alcançada mais rapidamente.A conexão delta é usada para dínamos que precisam fornecer muita energia.
No momento em que uma bobina do estator entra em contato com o núcleo do estator (curto-terra) ou se uma das bobinas for interrompida (fio rompido), o estator não funciona mais corretamente. Um multímetro pode ser usado para verificar se há curto-circuito à terra ou ruptura de fio. Sob uma condição; as bobinas do estator devem estar desconectadas; ambas as extremidades não devem entrar em contato com outros componentes. Muitas vezes a dessolda é suficiente. A resistência das bobinas deve ser muito pequena; cerca de 0,05 ohms. A resistência entre as bobinas do estator e o núcleo do estator deve ser infinitamente grande. Se houver resistência (se for extremamente alta), então há uma conexão.

A imagem abaixo mostra um estator e rotor desmontados. Na realidade, o rotor gira no estator e eles simplesmente não se tocam.

Corrente de pré-excitação, autoexcitação e carga:

Pré-potência:
O motor está desligado e a luz indicadora está acesa. A corrente de pré-excitação vai para a terra através da bateria, fechadura de ignição, rotor e controlador. Isso é possível porque o diodo Zener no regulador de tensão é cortado e a corrente de base T1 torna-se condutiva porque T2 para de conduzir.

Auto-capacitação:
Quando o motor é ligado, o rotor torna-se suficientemente magnético para mudar para autoexcitação. A corrente de autoexcitação passa então através dos diodos retificadores (lado negativo) para a bobina do estator, depois através dos diodos de campo para o rotor e através do regulador para o terra.

Corrente de carregamento:
Uma tensão alternada é gerada na bobina do estator porque o rotor gira através dela. A linha verde marca o caminho que a corrente flui da bobina do estator V. A corrente é retificada por um diodo retificador (de tensão alternada para tensão contínua) e passa pela conexão B+ até a bateria e os consumidores.

A corrente de carga que vai para a bateria e os consumidores através da conexão B+ do alternador fornece toda a alimentação do carro. Quando o motor está desligado, o alternador não fornece energia. Todos os consumidores utilizarão, portanto, a energia da bateria.
Quando o motor está funcionando, o alternador deve ser capaz de fornecer energia suficiente para abastecer todos os consumidores. Quando o motor está funcionando, a energia da bateria nunca deve ser usada. A corrente de carga de um alternador depende do número de consumidores e do estado de carga da bateria. A corrente máxima de carga é indicada no alternador (normalmente entre 60 e 90A).

A tensão de carga do alternador pode ser facilmente verificada se houver alguma dúvida se o alternador está carregando corretamente ou não. Medindo o pólo positivo e o pólo negativo da bateria com um medidor de tensão (multímetro) enquanto o motor está funcionando (a tensão do alternador está diretamente sobre ele), você pode verificar se o alternador está carregando corretamente:

Se a tensão estiver em torno de 14,2 volts quando o motor estiver funcionando, o alternador está funcionando como deveria
Se a tensão for 13,8 volts, a bateria está quase cheia e os consumidores estão desligados. O alternador não precisa fornecer muita tensão e, portanto, não o faz. A tensão de carga está boa
Se a tensão for 12,4 volts ou inferior, você sabe que o alternador não está carregando corretamente. Essa é a voltagem que uma bateria cheia também possui. Portanto, há um problema com o alternador.
Se a tensão for inferior a 12,4 volts, o alternador não carregará mais. A bateria continuará a descarregar até que a tensão atinja 8 volts. Então o motor irá parar e nada funcionará mais.

Neste último caso, ou seja, quando o alternador já não carrega, pode optar por substituir o alternador. Muitas vezes isso é muito caro e é mais barato procurar um alternador recondicionado. Existem muitas empresas de revisão que desmontam completamente o alternador e o deixam como novo novamente. Isso pode economizar (mais) da metade do novo preço.
Certifique-se sempre de desconectar o terminal negativo da bateria ao substituir o alternador! Se você não fizer isso e a conexão B+ (que você remove do alternador) tocar na carroceria ou no bloco metálico do motor, você obterá faíscas devido a um curto-circuito. Unidades de controle eletrônico caras podem então ficar com defeito.

Regulador de voltagem:
Quando a tensão sobe acima da tensão regulada, o diodo Zener (no diagrama acima) liga, fazendo com que a base de T1 seja conectada ao terra por T2. T1 desliga, o campo magnético desaparece, fazendo com que a tensão do alternador caia.
Isso faz com que a corrente do rotor falhe, fazendo com que o alternador não recarregue por um curto período. Ao ligar e desligar continuamente o T1, a tensão é ajustada.

A figura mostra um rotor solto com um regulador de tensão solto preso contra ele. O regulador de tensão é montado entre as conexões D+ e DF do alternador e arrasta suas escovas de carvão sobre o rotor. Quando um consumidor é ligado (por exemplo, iluminação), a corrente de carga cai brevemente de 14,4 para 13,8 Volts. O regulador de tensão absorve isso e ajustará rapidamente a tensão para 14,4 volts.

Abaixo você pode ver 2 imagens de osciloscópio que foram medidas na conexão DF do alternador. Esses sinais são transmitidos à unidade de controle do motor. Para ficar claro, o rotor é magnético na parte inferior de ambas as imagens.

O sinal no gráfico foi medido enquanto poucos ou nenhum consumidor estava ligado. O rotor é, portanto, minimamente magnético. O ciclo de trabalho aqui é de aproximadamente 10%.

O sinal no gráfico abaixo foi medido enquanto muitos consumidores estavam ligados. O rotor é energizado muito mais aqui para atingir a corrente de carga de 14,4 volts. O ciclo de trabalho aqui é de aproximadamente 50%.

Conexões do Dínamo:

B+ vai para a bateria; A tensão de carga e a corrente de carga passam por isso.
D+ é a tensão de controle do rotor para ajustar a tensão do alternador.
D- é a massa do alternador.
W é uma conexão que era usada anteriormente para tacômetros de motores diesel antigos. Hoje em dia não existe mais.
DF ou LIN são a conexão possível para o controle da excitação do rotor a partir do sistema de gerenciamento do motor.

Diodos retificadores:
O alternador fornece tensão alternada, mas como apenas a tensão contínua é usada no carro, a tensão alternada (CA) deve ser convertida em tensão contínua (CC). Isso é feito pelos diodos retificadores. diodos permitir que a corrente flua apenas em uma direção. A parte positiva da corrente alternada é aproveitada, a parte negativa é perdida.

A imagem mostra uma ponte de diodos desmontada. O pino de medição vermelho aponta para um dos três minidiodos.
Os diodos positivos estão do outro lado da ponte de diodos. O pino é a conexão B+, na qual é montado o cabo grosso que vai para a bateria.

Este é o princípio de um alternador monofásico. Na imagem acima (à direita) você pode ver que a fase é constantemente interrompida, não há tensão por um tempo e depois há fase novamente. Portanto, nenhuma tensão é gerada na parte entre as fases. Para evitar isso, são utilizadas conexões estrela e delta em alternadores trifásicos. Isso produz o resultado abaixo.
A imagem abaixo mostra 3 cores diferentes; preto, vermelho e azul. Todas essas são fases separadas. A imagem mostra que há muito espaço entre, por exemplo, as fases pretas. Este espaço é interligado conectando as outras fases. Isso cria uma fonte de alimentação gradual.

Tensão de ondulação:
Depois de retificar a tensão pelos diodos retificadores, sempre permanece uma pequena ondulação. O sinal nunca é bom e plano. A tensão de ondulação nunca deve exceder 500 mV, pois isso pode causar mau funcionamento ou defeitos na eletrônica do carro.
A imagem mostra uma imagem do osciloscópio que foi medida na bateria. Esta imagem mudará quando a rotação do motor mudar ou quando os consumidores forem ligados.

Regulador de voltagem:
O regulador de tensão liga e desliga o campo magnético, ligando e desligando a corrente através do rotor. O regulador de tensão garante que a tensão de carga permaneça constante (entre 13,2 e 14,6 volts). O nível da tensão de carga depende, entre outras coisas, da velocidade. Quanto mais rápido o virabrequim girar, mais rápido o rotor girará. Se a tensão não fosse ajustada, poderia subir para 30 volts em alta velocidade. Isso é evitado pelo regulador de tensão. A imagem mostra um regulador de tensão separado. Na maioria dos casos, isso está visivelmente ligado ao alternador.

A tensão gerada depende não apenas da velocidade do motor, mas também do número de voltas do estator e da intensidade do campo magnético do rotor. O número de voltas do estator é determinado quando o alternador é projetado, mas a intensidade do campo magnético do rotor pode ser controlada. Isto pode ser reduzido desligando e ligando o rotor muito rapidamente. Se a tensão aumentar, o rotor desliga. Se a tensão for muito baixa, o rotor é ligado novamente. Ao fazer isso muito rapidamente e em sucessão, é criada uma intensidade de campo média. A tensão de carga, portanto, permanece constante tanto quanto possível.

Quando a tensão no terminal positivo do alternador (D+) é inferior à tensão de ajuste, uma corrente flui de D+ através do rotor para D- (terminal negativo) e uma tensão é gerada no alternador. A tensão gerada é ajustada novamente para D+. Quando a tensão em D+ é superior à tensão de ajuste, a tensão Zener é atingida (veja a imagem abaixo), fazendo com que o transistor T2 ligue. O transistor T1 então não conduz, de modo que nenhuma corrente mais pode fluir através do rotor. O campo magnético é assim desligado, de modo que a tensão de carga cai. Esta tensão continua a cair até que a tensão Zener não seja mais atingida. Posteriormente, o transistor T2 será desligado e T1 conduzirá novamente. Este ciclo se repete constantemente.

Polia de roda livre:
Hoje em dia muitos alternadores estão equipados com polia livre (ver imagem abaixo). Essas polias só podem ser acionadas em uma direção. Quando a correia multi-nervurada é removida da polia e você gira a polia manualmente, notará que o interior do alternador gira apenas em uma direção e permanece estacionário na outra direção. Este sistema serve para proteger a correia múltipla. Quando o motor estiver funcionando em alta velocidade e o acelerador for liberado de uma só vez, a rotação do motor cairá rapidamente. Um dínamo para serviço pesado pode desacelerar um pouco menos rapidamente. Essa velocidade cai mais lentamente que a rotação do motor. O resultado disto é que a correia múltipla fica sob maior tensão e, no pior dos casos, é cortada ao meio, porque a correia múltipla tem então de desacelerar o alternador. Com uma polia de roda livre, o alternador se moverá ao acelerar, mas funcionará em sua própria velocidade ao desacelerar.

A polia é montada com rosca no eixo do rotor (ver imagem acima). A parte externa da polia carrega apenas a parte interna em uma direção de rotação. O dispositivo de bloqueio garante que a parte interna fique presa à parte externa. A polia completa será então travada, para que o alternador seja acionado pela correia múltipla. Ao soltar o pedal do acelerador, a parte interna gira a uma velocidade maior que a parte externa; a velocidade do motor caiu mais rápido que a velocidade do rotor. O dispositivo de bloqueio não está então em funcionamento, o que significa que os rolamentos de esferas permitem que o rotor tenha uma velocidade diferente da cambota.

A imagem mostra um alternador equipado com polia livre.

Ventilador:
O alternador aquece quando precisa fornecer energia. Para evitar superaquecimento, deve ser resfriado. O ventilador interno do alternador fornece resfriamento. Hoje em dia também existem alternadores que estão ligados ao sistema de refrigeração do motor. O refrigerante fornece resfriamento.

Recuperação de energia:
Se o alternador estiver carregando em sua capacidade máxima (com muitos consumidores ligados), ocorrerá um consumo adicional de combustível. Isso ocorre porque o alternador girará mais fortemente porque o campo magnético no estator será maior. O campo magnético fará com que o rotor gire com mais força e o virabrequim terá que puxar com mais força a correia múltipla para movê-la. Hoje em dia, os fabricantes de automóveis encontraram uma solução útil para isso. O alternador sempre carrega, mas não recarrega simplesmente até sua capacidade máxima durante a condução (a menos que a bateria esteja realmente vazia). A recarga máxima ocorre quando o carro freia com o motor. Assim, quando o condutor tira o pé do acelerador e deixa o carro rodar (por exemplo, num semáforo ou numa saída de autoestrada). O carro não consome combustível nesse momento e a energia cinética (energia de movimento) do veículo garante que o carro continue a rolar. A bateria está agora totalmente carregada até que o acelerador seja pressionado novamente. Nesse momento, o alternador garante que a alimentação de tensão permaneça estável.
Este método de carregamento leva a um menor consumo de combustível.

Possíveis defeitos no alternador:
Pode haver vários problemas ou defeitos típicos no alternador. O técnico geralmente sabe o que pode verificar ou medir a seguir. Abaixo estão algumas reclamações típicas:

A luz indicadora da corrente de carga acende normalmente durante a pré-excitação, mas só apaga quando o motor está funcionando em rotação mais elevada; defeito no alternador (provavelmente um diodo de campo com defeito).
A mesma reclamação acima, só que também acende fracamente quando o motor está funcionando em alta rotação ou quando muitos consumidores estão ligados; defeito no alternador (provavelmente um diodo com defeito).
A luz indicadora da corrente de carga acende fracamente durante a pré-excitação, mas só apaga quando o motor está funcionando em rotação mais elevada; (provavelmente um defeito no alternador ou um defeito na fiação ou em suas conexões).
A luz indicadora da corrente de carga não acende durante a pré-excitação ou quando o motor está funcionando; (alternador com defeito, fiação/conexões ruins ou luz indicadora de corrente de carga com defeito).

Verificando a tensão de carga e a corrente de carga:
A quantidade de energia que o alternador fornece depende da sua capacidade e do que necessitam os consumidores e a bateria que está ligada. Por exemplo, o alternador deve ser capaz de fornecer 100A para abastecer todos os consumidores e carregar uma bateria vazia ao mesmo tempo. A quantidade de energia fornecida pelo alternador cai para quase zero quando a bateria está cheia e nenhum consumidor está ligado. A capacidade máxima do alternador é frequentemente indicada na placa de características ou num autocolante no alternador. Geralmente fica entre 65A e 120A. Isso geralmente é mostrado da seguinte forma: 14V 17/85A. Isto significa: tensão regulada (14V), corrente de carga (17A) a 1800 rpm e corrente de carga (85A) a 6000 rpm do alternador (não a velocidade do virabrequim).

Se houver algum defeito no alternador ou na cablagem, a capacidade máxima poderá não ser alcançada com carga máxima. Isso pode ser verificado verificando a corrente de carga. Isto pode ser feito carregando o alternador o mais alto possível com equipamento de teste especial quando o motor está funcionando ou ligando o maior número possível de consumidores (como o aquecimento dos bancos, o aquecimento do vidro traseiro, todas as luzes, o motor do ventilador na configuração mais alta , etc.). O valor da corrente de carga pode ser determinado usando um pinça de corrente ser verificado. O valor medido deve corresponder ao valor indicado no alternador.
A tensão ajustada pode ser verificada usando o multímetro meça a tensão entre a conexão B+ e o terra em uma rotação do motor aumentada (2000 rpm). A tensão regulada deve estar entre 13.8 volts e 14.5 volts.
Para verificar se a fiação está correta, pode-se medir a diferença de tensão entre o pólo positivo da bateria e a conexão B+ do alternador; a tensão deve ser inferior a 0,3V. Caso contrário, há um problema com o cabo ou com as conexões do cabo.
Se o circuito de aterramento não estiver bom, você não terá problemas apenas com o sistema de carregamento, mas também com outros sistemas. O circuito de terra pode ser verificado ligando o motor a 2000 rpm e conectando o voltímetro entre o terminal negativo da bateria e a carcaça do alternador. Esta tensão também deve ser inferior a 0,3V.