Alternadores, Notas de estudo de Eletromecânica

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E Sistemas elétricos e eletrônicos para veículos automotivos Alternadores Edição 2001/2009 | | mia ca spice ii Apostila Técnica 529.064.5 B7g2a. Agora com alternador refrigerado por liquido BOSCH Alternadores As exigências de alimentação de energia para veículos cresceram muito: Somente entre 1970 e 1990 a demanda de capacidade dos alter- nadores aumentou em aproximada- mente duas vezes e meia e, até o ano 2000 devemos contar com mais uma duplicação da demanda média de capacidade. Desde a sua implantação e apesar do aumento da capacidade, o alter- nador ficou ainda menor e a sua fai- xa de rotação foi ampliada. As grandes mudanças de rotação e oscilações de carga de um motor à combustão também requerem um dispositivo de regulagem confiável para a tensão do alternador. Reguladores eletrônicos livres de desgaste, com peso muito baixo e minima necessidade de espaço es- tão em condições de manter a ten- são do alternador constante por toda a faixa de rotações do motor do vei- culo. À estrutura dos diversos alternado- res, em que diferem e como garan- tem a alimentação de corrente da rede de bordo com seus componen- tes, você ficará sabendo através des- ta apostila. Geração de energia elétrica no veículo Fundamentos Princípio do alternador, retificação, Circuito de corrente, Regulagem de tensão, Estrutura do alternador Tipos de alternadores Critérios, Dados, Tipos de alternadores, Alternadores de pólos tipo garra, Alternadores de pólos individuais, Alternadores com rotor quia 18 Tipos de reguladores Reguladores de tensão eletromecânicos, Reguladores de tensão eletrônicos 28 Proteção de sobretensão Causas de sobretensão, Tipos de proteção, Diodo supressor 32 Resfriamento e Ruído Resfriamento sem e com aspiração de ar fresco Resfriamento dos diodos, Ruido Perdas de potência Grau de eficiência, Fontes de potência dissipada Curvas caracteristicas Performance do allemador, Curva caracteristica da corrente, Curva caracteristica da potência de acionamento, Fórmula de identificação de tipo Circuitos do alternador Variantes de circuitos Funcionamento dos alternadores. em veículos Gerenciamento da energia, Definição do aitemador, Instalação e acionamento, Instruções de funcionamento, Percursos e intervalos de manulenção, Aparelhos de inspeção e teste 42 44 Figura 2 Demanda de potência dos consumidores no veículo (valores médios) Alternador Gerador de energia. Bateria Acumulador de energia Em funcionamento Carga Desligado 1 Consumidor contínuo Consumidor de longa duração Consumidor de curta duração 20w Bomba elétr. de combus- tível + 50... 70W Injeção eletrônica de combustível |< 50..70W Gerencia- mento do motor + 175 ...200W Autorádio 0... 15 W Lanternas de delimitação 4 Wcada Iluminação dos instrumentos 2W cada Luz(es) da(s) placa(s) 10 W cada Luz de estaciona- mento 3..5Wicada| Farol de luz baixa 55 W cada Farol de luz alta 60 W cada Lanternas traseiras 5 W cada Calefação 20 ...60W Luzes de Faróis de sinalização | (|, |neblina 35...55 W 21 Wcada cada Luzes de Luz de ré, freio faróis de ré 18..21W cada 21..25W cada lluminação de teto Limpador de | |pára-brisa SW 60...90 W Vidro elétrico Motor de +] | partida veíc. [| passeio 150W 800 8000 W Ventoinha el. do radiador Sistema e |limpador/ lavador de b 200W pára-brisa Motor de ventoinha E para calefação Acendedor ou ventilação| |, |de cigarros 8ow 100 W Desembaça- = dor do Farol vidro traseiro |+| | adicional bh 120W 55 W cada Limpador do vidro Luz de freio traseiro |4) |adicional > 30... 65W 21 W cada Buzinas pa Veículos 25..40W Diesel: Velas cada incandes- [*| centes para Antena a partida amotor Je! |100W ow cada Geração de energia elétrica Alternadores res depende da estação do ano (ar condi- cionado no verão, aquecimento de assen- tos no inverno). A fregúência de aciona- mento dos ventiladores elétricos de resfri- amenito depende da temperatura e da con- dição de operação. Cálculo do balanço de carga* O cálculo do balanço de carga” determina, com ajuda de um programa de computa- dor, a condição da bateria no final de um percurso característico. Ele deve conside- rar fatores como, p.ex., tamanho e condi- ção de carga da bateria, tamanho do alter- nador e potências dos consumidores. Um ciclo comum para veículos de passeio é o tráfego diário para o trabalho (baixa oferta de rotação) combinado com opera- ção de inverno (baixa admissão de corren- te de carga pela bateria). Para veículos com ar condicionado a ope- ração no verão pode ser ainda mais desfa- vorável. Rede de bordo O tipo de cablagem entre alternador, bate- ria e consumidores também influi no nível de tensão e, portanto, na condição da ba- teria. Se todos os consumidores estiverem co- nectados ao lado da bateria, no cabo de carga fluirá a corrente total, isto é, a soma de corrente de carga da bateria e corrente dos consumidores. Devido à intensa que- da de tensão, a tensão de carga é menor. Se no entanto todos os consumidores esti- verem ligados ao lado do alternador a que- da de tensão será pequena e a tensão de carga maior. Isto pode prejudicar consumi- dores sensíveis a picos ou ondulação de tensão (eletrônica). Recomenda-se que consumidores mais sensíveis a oscilações de tensão e maior consumo de energia sejam conectados à bateria. Diâmetros adequados de cabos e bons pontos de contato, cujas resistências de passagem não se alteram mesmo após um período prolongado de funcionamento, resultam em menores quedas de tensão. Geração de energia elétrica através de alternadores A disponibilidade de diodos de potência baratos (desde cerca de 1963) foi a condi- ção prévia para a introdução de alternado- res em série na Bosch. Devido ao seu me- lhor aproveitamento eletromagnético em função do seu tipo de construção e devido às suas faixas de rotação consideravel- mente maiores em relação ao dínamo, o alternador tem condições de fornecer ener- gia já na marcha lenta do motor à combus- tão e cobrir a elevada demanda de potên- cia no veículo. Devido à possibilidade de adaptar a rotação do alternador à rotação do motor através de transformação adequa- da, a bateria pode manter uma boa condi- ção de carga mesmo em frequente trânsi- to na cidade no inverno. A elevada demanda de potência deve-se ao maior número de equipamentos elétri- cos, às unidades de comando para siste- mas eletrônicos (como p.ex. controle do motor e da suspensão) e à eletrônica de segurança e conforto instalados no veícu- lo. A figura 3 mostra a expectativa de de- manda de potência até o ano 2000. Figura 3 Potência dos alternadores Expectativa de desenvolvimento para veículos de passeio até o ano 2000. 1 classe superior, 2 classe média. w [ potência dos alternadores + 1980 1990 2000 Alternadores Geração de energia elétrica por dínamos A bateria de chumbo comum de veículos levou originalmente ao desenvolvimento do dínamo. Por um longo tempo esse sistema de geração basicamente supriu as neces- sidades. Assim, até meados dos anos 70 a maioria dos veículos foi equipada com dínamos. Hoje tornaram-se insignificantes para a ins- talação em veículos novos e por isto não serão pormenorizados aqui. Para dínamos é conveniente deixar o sis- tema de enrolamento do induzido girar e acomodar o sistema magnético eletrica- mente excitado na carcaça estática. Desta forma é possível, de maneira relativamen- te simples, retificar a corrente alternada produzida no sistema de enrolamento ro- tativo e fornecê-la mecanicamente com um inversor, o comutador, para a rede de bor- do e para a bateria. Exigências dos alternadores de veículos Tipo e constituição de um alternador de veículo são determinados pela sua função, fornecer energia aos equipamentos elétri- cos da rede de bordo e para alimentação da bateria. Alternadores produzem inicialmente cor- rente alternada. A parte elétrica automoti- va precisa entretanto de corrente contínua para recarregar a bateria e para a ativação dos módulos e dispositivos eletrônicos. Conseqgientemente, a rede de bordo pre- cisa receber corrente contínua. As exigências que um alternador de veícu- lo deve satisfazer são muito diversificadas: — Alimentação de todos os consumidores conectados com corrente tensão contí- nua, — reservas de potência para carga e re- carga rápida da bateria, mesmo com consumidores contínuos ligados, — estabilidade da tensão do alternador por toda a faixa de rotação do motor do ve- ículo, independente da condição de car- ga do alternador do veículo, — estrutura robusta, resistente a todas as influências externas (p.ex. oscilações, altas temperaturas ambientais, mudan- ças de temperatura, sujeira, umidade eic.), — baixo peso, — dimensões favoráveis à instalação e — vida útil longa, — pouco ruído e — bom grau de eficiência Características (resumo) As principais características do alternador são: — Fornecimento de energia mesmo na marcha lenta. — Retificação da corrente trifásica com diodos de potência no circuito de três fases em ponte. — Diodos separam o alternador da bate- ria e da rede de bordo quando a tensão do alternador for menor que a tensão da bateria. — Maior aproveitamento elétrico (isto é, com a mesma potência, alternadores são mais leves que dínamos). — Longa vida útil (alternador de veículos de passeio possuem uma vida útil com- parável à vida útil do motor do veículo; 150 000 km, dispensando manutenção durante esse período. — Alternador para veículos utilitários de alta performance estão disponíveis na versão sem anel coletor, com possibili- dade de lubrificação ou mancais como engraxadeiras. — Influências externas como altas tempe- raturas, umidade, sujeira e oscilações ficam sem efeito. — O funcionamento em ambos os senti- dos de rotação em geral é possível sem medidas especiais quando o formato dos ventiladores estão adequados ao respectivo sentido de rotação. Fundamentos Princípio eletrodinâmico O princípio da geração de tensão é a “in- dução” eletro-magnética, que se baseia no seguinte processo: Quando um condutor elétrico (fio ou espi- ra) atravessa as linhas de força de um cam- po magnético, é produzida (induzida) uma tensão elétrica nesse condutor. É irrelevante se o campo magnético é es- tacionário e o condutor móvel ou, vice-ver- sa, se o condutor é estacionário e o cam- po magnético móvel. As extremidades de uma espira que gira entre o pólo norte e o pólo sul de um ímã permanente são liga- das através de anéis coletores e escovas de carvão a um dispositivo de medição de tensão. Devido à constante modificação da posição do enrolamento em relação aos pólos, é possível fazer a leitura de uma ten- são variável no medidor de tensão. Na ro- tação uniforme do enrolamento a curva de tensão tem forma sinuosa, onde os valo- res máximos se apresentam a cada meia volta. Em um circuito fechado de corrente flui uma “corrente alternada” (figura 1). Figura 1 Como é produzido o campo magnético? Ímãs permanentes fixamente embutidos podem gerar o campo magnético. Devido à execução simples eles têm a vantagem de não requererem grandes esforços téc- nicos. Nos alternadores pequenos (p.ex. dínamos de bicicletas) emprega-se esta solução. Eletroimãs, através dos quais flui corrente contínua, oferecem entretanto potências significativamente maiores e são regulá- veis, motivo pelo qual são empregados na geração do campo magnético (de excita- ção). O eletromagnetismo se baseia no fato físi- co de que condutores ou enrolamentos percorridos por uma corrente elétrica, são envolvidos por um campo magnético. O número de espiras do enrolamento e a intensidade da corrente determinam a in- tensidade do campo magnético. Esse cam- po magnético de excitação ainda pode ser intensificado com ajuda de um núcleo de ferro magnetizável. Na rotação ele induz uma tensão alternada na bobina do induzi- do. Para a multiplicação do efeito da indu- ção nos alternadores não é só uma espira mas um grande número delas que são ex- postas ao campo magnético variável. Tensão monofásica alternada induzida. A posição do rotor corresponde à posição 3. Curva de tensão durante uma volta de um enrolamento que gira no campo magnético. » a o , o o z| oo 2 N AT 1 N AN tensão v o NL o as 90 135º 1800 225 270º ais 360 ângulo de rotação do rotor Fundamentos é realizado pela “conexão em estrela” (figu- ra 3b) ou “conexão em triângulo” (figura 30). Na conexão em estrela as três fases do enrolamento são reunidas em um ponto, o ponto estrela (neutro). Sem o condutor do ponto estrela, a soma das três correntes para o ponto estrela se- ria zero a cada momento. As atuais considerações estão voltadas para a execução do alternador com campo de excitação estático e bobina do induzido ro- tativo, onde é induzida a corrente de carga. Em contrapartida, nos alternadores para veículos o sistema de enrolamentos de três fases em conexão estrela ou triângulo en- contra-se na carcaça fixa, portanto, no es- tator (por isso “enrolamento do estator”). Na parte giratória, o rotor, encontram-se os pólos magnéticos com o enrolamento de excitação. Assim que a corrente de excitação atraves- sa esse enrolamento forma-se o campo magnético do rotor. Quando o rotor gira, o campo magnético induz uma corrente alternada de três fa- ses nos enrolamentos do estator que, me- diante carga do alternador, fornece a cor- rente trifásica. Figura 3 Retificação da tensão alternada A tensão alternada gerada pelo alternador não é adequada nem para a bateria e nem para a alimentação das unidades de co- mando eletrônicas e componentes. É ne- cessário que ela seja retificada. Uma con- dição importante para a retificação são di- odos potentes, permitidos para uma larga faixa de temperatura. Diodos de retificação possuem um sentido de passagem e um sentido de bloqueio. O sentido da seta do símbolo de circuito iden- tifica o sentido de passagem. Um diodo pode ser comparado a uma válvula de re- tenção que permite a passagem de um meio líquido ou gasoso em apenas um sen- tido, bloqueando o seu retorno. O diodo de retificação suprime os semici- clos negativos, permitindo somente a pas- sagem dos semiciclos positivos, de modo que ocorra uma tensão contínua pulsante. Para aproveitar todos os semiciclos para a retificação, mesmo os negativos suprimidos, usa-se a retificação de onda completa. Tipos de conexão dos três enrolamentos. a) Enrolamentos não conectados V3=1,78 + U=U, N3.1=1, U=U,.I=1,.V3 A corrente 1 do alternador é igual à corrente de fase he E ER a SEIS é c) Conexão em triângulo. Tensão do alternador U é igual à tensão da fase U A corrente do alternador 1 e a corrente de fase /, distinguem-se pelo fator b) Conexão em estrela. Tensão do alternador U e tensão de fase U, (tensão parcial) distinguem-se pelo fator Fundamentos Alternadores 10 Conexão em ponte para retificação da corrente trifásica O modo de atuação básico dos diodos na retificação de uma tensão alternada está representado na figura 4. A figura 4a mos- tra a retificação de semiciclo e a figura 4b a retificação de onda completa. As tensões alternadas produzidas nos en- rolamentos do alternador são retificadas por seis diodos conectados em ponte. Em cada fase é feita a conexão de dois di- odos de potência - um diodo no lado posi- tivo (no borne B+) e um diodo no lado ne- gativo (no borne B-). Os seis diodos de potência formam a conexão trifásica em ponte. Os semiciclos positivos passam pe- Figura 4 los diodos no lado positivo, os semiciclos negativos no lado negativo, sendo assim retificados. A retificação de onda completa com a conexão em ponte promove a adi- ção das curvas envoltórias positivas e ne- gativas desses semiciclos para uma ten- são de alternador retificada, ligeiramente ondulada (figura 5). A corrente contínua que o alternador for- nece à rede de bordo mediante carga elé- trica através dos bornes B+ e B- não é to- talmente “plana” (filtrada) mas ligeiramen- te ondulada. Essa ondulação continua sen- do filtrada pela bateria disposta em parale- lo ao alternador e pelos capacitores na rede de bordo, desde que disponíveis. A corrente Circuitos de retificação. Uç- tensão alternada antes dos diodos, Ug- tensão contínua pulsante após os diodos + a) Retificação de semiciclo, b) Retificação de onda completa 1 bateria, 2 enrolamento de excitação (G), 3 enrolamento do estator, 4 diodos de. retificação Va. tensão V I+— o — + + É fo ' tensão V i+— o —» + tensão V I«— o —»+ + -s + + o 180º 360 seo 720" ângulo de rotação do rotor Alternadores 12 Diodos de retificação Os diodos de potência no lado positivo e negativo são plenamente iguais em sua função. Distinguem-se apenas pela finali- dade para retificação no alternador e são denominados de diodos positivos e nega- tivos. A carcaça metálica ranhurada dos diodos é executada uma vez como catodo e uma vez como anodo. A carcaça metáli- ca do diodo positivo prensada na placa positiva está ligado ao pólo positivo da ba- teria como catodo. O diodo é portanto con- dutor para a conexão B+ da bateria. A car- caça metálica do diodo negativo prensado na placa negativa está ligado à massa (B- ) como anodo. Os fios de conexão dos dio- dos estão conectados às extremidades do enrolamento do estator (figura 6). As pla- cas positiva e negativa também atuam como placas de arrefecimento para resfri- amento dos diodos. Diodos Zener (Zener) também podem ser empregados como di- odos de potência. Eles também limitam os picos de tensão que ocorrem no alterna- dor em caso de variações extremas de car- ga (proteção Load-Dump). Circuito de corrente do alternador Em sua versão standard os alternadores possuem três circuitos de corrente: — circuito de corrente de pré-excitação (excitação externa através da corrente da bateria), — circuito de corrente de excitação (auto- excitação) — circuito de corrente do alternador ou cir- cuito de corrente principal. Circuito de corrente de pré-excitação Após ligar a chave de ignição (4) a corren- te 7, da bateria, como mostra a figura 7, flui através da lâmpada piloto do alternador (3), pelo enrolamento de excitação (1d) no ro- tor e através do regulador (2) para a mas- sa. Essa corrente da bateria provoca, no rotor, a pré-excitação do alternador. Por que a pré-excitação é necessária? A tensão induzida pela remanescência no núcleo de ferro do enrolamento de excita- ção na maioria dos alternadores é muito Figure 6 Figura 7 Retificação da corrente de excitação Circuito de pré-excitação 1 bateria 1 alternador 2 enrolamento de excitação (G) 3 enrolamento do estator 4 diodos na placa positiva 5 diodos na placa negativa 6 diodos auxiliares 7 diodos de excitação PAN PAN A 1a diodos de excitação 1b diodos na placa positiva 1e diodos na placa negativa 1d enrolamento de excitação 2 regulador 3 lâmpada piloto do alternador 4 chave de ignição 5 bateria (e) Es E baixa durante o acionamento e na baixa rotação. Ela não é suficiente para a constituição do campo magnético de autoexcitação. A autoexcitação somente poderá ocorrer quando a tensão do alternador for maior que a queda de tensão nos dois diodos (2 x 0,7V=1,4V) Isto é apoiado pela corrente de excitação da bateria. Ela produz um campo magnéti- co no rotor que tem por consequência uma tensão crescente no estator do alternador, o que estimula a autoexcitação. Na primei- ra aceleração do motor após a partida é necessário atingir a “rotação de acionamen- to” para que a autoexcitação incida com segurança. A rotação de acionamento está acima da rotação da marcha lenta. O cam- po de excitação será então forte na mar- cha lenta que o alternador só fornece ener- gia através da autoexcitação. Lâmpada piloto do alternador A lâmpada piloto do alternador (3) no cir- cuito da corrente de pré-excitação atua como uma resistência no momento do aci- onamento da chave da ignição (4), que determina a amplitude da corrente de pré- excitação. Quando a potência da lâmpada é escolhida corretamente a corrente gera um campo magnético suficientemente for- te para induzir a autoexcitação. Se a po- tência da lâmpada for muito baixa, por exemplo, em caso de elementos de indica- ção eletrônicos, é necessário conectar um resistor em paralelo para assegurar uma autoexcitação segura do alternador. En- quanto a lâmpada estiver acesa, a tensão do alternador é menor que a tensão da bateria. A lâmpada se apaga ao ser atingida a ro- tação de acionamento, isto é, tão logo a rotação de geração da tensão total do al- ternador seja atingida e o alternador for- neça energia à rede de bordo. As potências para as lâmpadas piloto do alternador são: 2W para sistemas de 12 V, 3 W para sistemas de 24 V. Circuito da corrente de excitação A corrente de excitação 1... tem a função de produzir um campo magnético no enro- lamento de excitação durante todo o tem- po de funcionamento do alternador, indu- zindo assim nos enrolamentos do estator a tensão exigida do alternador. Como os alternadores são geradores autoexcitados, a corrente de excitação é derivada da cor- rente que flui do enrolamento trifásico. A corrente de excitação 1, . flui, como mos- traa figura 8, através dos diodos de excita- ção (1a), através das escovas de carvão e anéis coletores pelo enrolamento de exci- tação para o borne DF do regulador (2), do borne D- do regulador através dos diodos de potência (1c) de volta para o enrolamen- to do estator. Com o funcionamento do al- ternador, a fonte externa não é mais ne- cessária para a autoexcitação. Circuito de corrente do alternador A tensão alternada induzida nas três fases do alternador precisa ser retificada através da conexão em ponte equipada com dio- dos de potência e conduzida para a bate- ria e os consumidores. Figura & Circuito da corrente de excitação 1 alternador 1a diodos de excitação 1b diodos na placa positiva te diodos na placa positiva 1d enrolamento de excitação 2 regulador 3 lâmpada piloto do alternador 4 chave da ignição 5 Bateria Fundamentos 13 assegurar que mesmo em alta rotação e baixa carga a tensão seja limitada no valor exigido. Essa limitação protege os consu- midores de sobretensão e impede sobre- carga da bateria. Além disso, na carga da bateria é neces- sário considerar as propriedades eletroqui- micas da bateria. Normalmente o nível em que o regulador limita a tensão do alterna- dor é um pouco mais alto no frio do que no calor, para melhorar a difícil carga da bate- ria. Princípio da regulagem de tensão A tensão gerada no alternador será tanto maior quanto maiores forem a rotação do alternador e a corrente de excitação. Em um alternador com excitação plena mas sem carga e sem bateria, a tensão não re- gulada aumenta de modo linear com o au- mento da rotação e a p.ex. 10 000 min”, atinge um valor de cerca de 140 V. O regu- lador de tensão controla a amplitude da corrente de excitação e portanto a ampli- tude do campo magnético no rotor, depen- dendo da tensão gerada no alternador (fi- gura 11). Com isto a tensão dos bornes do alterna- Figura 11 dor U,, (entre os bornes B+ e B-) é manti- da constante até a corrente máxima na mudança de rotação e carga. redes de bordo com tensão de bateria de 12 V são reguladas no campo de tolerân- cia de 14V, aqueles com tensão de bateria de 24 V no campo de tolerância de 28 V. Enquanto a tensão gerada pelo alternador ficar abaixo da tensão de regulagem, o re- gulador não é ativado. Quando a tensão ultrapassa o valor nomi- nal superior estabelecido no âmbito da to- lerância de regulagem, o regulador inter- rompe a corrente de excitação. A excita- ção é enfraquecida, isto é, a tensão do al- ternador cai. Se em função disso a tensão do alternador ultrapassar o valor nominal inferior, o regulador ativa novamente a cor- rente de excitação. A excitação aumenta e consequentemen- te também a tensão do alternador. Se a tensão ultrapassar o valor limite superior, o ciclo de regulagem recomeça. Como os ciclos de regulagem estão na faixa de mi- lésimos de segundos, a tensão média do alternador é regulada de acordo com o mapa pré-determinado. A adaptação progressiva às diversas rota- Regulagem da corrente de excitação 1, excitação 1, A relação do fator operacional, T,, e do tempo de repouso T,, é padrão para o fator da corrente média de O aumento da corrente de excitação ocorre ao longo da curva a, a queda ao longo da curva b. Condição de regulagem na rotação m Condição de regulagem na rotação n2 Regulador des fig des [ig Imex Im |4—Tao —» corrente de excitação ler —» Ta [Te tempo, —» Fundamentos 15 Alternadores 16 ções é automática. A relação dos respecii- vos tempos de acionamento e repouso é determinante para o fator da corrente mé- dia de excitação. Em baixas rotações o tempo de aciona- mento é relativamente longo e o tempo de repouso é curto. A corrente de excitação é interrompida apenas por um curto período e seu valor médio é alto. Ao contrário, nas altas rotações o tempo de acionamento e curto e o tempo de repouso longo. A cor- rente de excitação que flui é baixa. Influência da temperatura ambiente A curva característica, a tensão do alter- nador na dependência da temperatura, é adaptada à propriedade química da bate- ria. Em baixas temperaturas a tensão do alternador é ligeiramente mais elevada, para melhorar a carga da bateria no inver- no. A tensão de entrada dos equipamen- tos eletrônicos & a vida útil de lâmpadas dependentes da tensão foram considera- das. Em altas temperaturas a tensão do alternador é mais baixa, para evitar uma sobrecarga da bateria no verão. A compensação da temperatura é obtida mediante escolha adequada dos compo- nentes, p.ex. dos diodos Zener. Uma curva Figura 12 Curva característica do regulador. Faixa de tolerância admis-sível da tensão do alterna- dor (14 V) na dependência da temperatura de aspiração do alternador a E tensão do alternador 1 Temperatura 1a, característica para tensão de 14 V do al- ternador está representada na figura 12.0 nível de tensão é de 15,4 V com uma incli- nação de -10 mV/K. Estrutura do alternador Os fundamentos teóricos e as relações comentados até agora estão envolvidos nos alternadores tecnicamente desenvol- vidos. As diversas versões variam entre si nos detalhes de acordo com o campo de aplicação. O alternador de pólos tipo garra e monobloco ainda é instalado na maioria dos veículos. Entretanto, o emprego do al- ternador compacto é cada vez mais acen- tuado. As principais diferenças na estrutura do alternador compacto em relação ao alter- nador monobloco são os dois ventiladores internos, os anéis coletores menores e a posição do retificador fora do mancal do lado do coletor. A estrutura básica está representada na figura 13: — estator fixo (2) com o enrolamento do estator de três fases. O estator consiste de chapas (lamelas) ranhuradas isola- das entre si, prensadas para um pacote firme. Os passos do enrolamento são acomodados nas ranhuras. — Rotor (3), em cujo eixo se encontram as metades das rodas polares com os pólos magnéticos em forma de garra, o enrolamento de excitação, os dois ven- tiladores, os rolamentos de esferas e os dois anéis coletores. O enrolamento de excitação consiste de um bobina, envol- vida pelos pólos em forma de garra. Através das escovas de carvão pressi- onadas contra os anéis coletores, flui somente a corrente de excitação relati- vamente baixa. — Além disso, a polia para o acionamento também está fixada ao eixo do rotor. Os rotores dos alternadores trifásicos po- dem ser movidos nos dois sentidos. De acordo com o sentido de rotação, é ne- cessário definir o formato dos ventila- dores e o sistema de campos magnéti- cos para rotação à direita ou à esquer- da. Alternadores 18 Tipos de alternadores Critérios Os seguintes critérios são decisivos na escolha dos alternadores: — tipo de veículo, condições de serviço — faixa de rotação do respectivo motor à combustão — tensão da bateria da rede de bordo — demanda de corrente dos possíveis con- sumidores — exigências do alternador em função de influências ambientais (calor, sujeira etc.) — expectativa de vida útil - condições de instalação, dimensões. De acordo com a aplicação e os critérios citados, as exigências feitas a um alterna- dor são muito diversas. Mesmo os critérios econômicos mudam com as áreas de apli- cação. Por isso não pode haver um alter- nador universal que satisfaçam a todas as exigências. Para as diversas condições de emprego e faixas de potência dos diversos tipos de veículos e seus respectivos moto- res de acionamento foram desenvolvidos diversos modelos básicos, descritos nos capítulos a seguir. Dados e tamanhos A potência necessária ao alternador de- pende exclusivamente dos consumidores instalados no veículo e não do tamanho do veículo em si. Para a escolha do alternador são primordi- almente decisivos: — a tensão do alternador (14 V/28 V) — a possível liberação de potência coma produto da tensão e corrente conforme a faixa de rotação — a corrente máxima Com base nestes dados é determinado q dimensionamento elétrico e o tamanho necessário do alternador. Como identificação para os tamanhos dos alternadores emprega-se letras. A sequên- cia alfabética indica o tamanho crescente do alternador. Uma outra característica prin- cipal é o sistema do alternador e do rotor (p.ex. alternador de pólos tipo garra em modelo compacto ou monobloco ou ainda como rotor de pólos individuais ou rotor guia). Esta característica fornece um indi- cativo alfanumérico para os diversos tipos de alternadores, como para carros de pas- seio (p.ex. GC, KC, NC, G1, K1, N1) e para utilitários e ônibus (p.ex. K1, Nt, T1). Ou- tras alternativas de variantes são forneci- das p.ex. pelo tipo de fixação, forma do ventilador, polia e conexões elétricas. Alternadores de pólos tipo garra Alternadores de pólos tipo garra com anéis coletores possuem uma construção com- pacta com boa característica de potência e pouco peso. O espectro das possibilidades de aplicação também é amplo. Estes alter- nadores são especialmente indicados para. carros de passeio, utilitários, tratores etc. A versão T1 com maior potência destina- se a veículos com alta demanda de cor- rente (p.ex. ônibus). A figura 1 mostra a estrutura básica. Tabela 1 Tipos de alternadores Tipo Aplicação Tipo Nº de pólos Ge, Compacto carro de passeio, motocicleta kc, 12 NC carro de passeio, utilitário, trator, moto G1 Monobloco | carro de passeio, utilitário, trator Ki, NI ônibus Tt 16 cavalos mecânicos, máqg. de construção N3 12 Standard Veículos especiais T8 14 veículos especiais, navios UZ 4,6 Características Através da opção de relação comprimento x diâmetro é obtido um valor máximo de potência com pouco gasto de material. Isto resulta numa construção tipicamente com- pacta para esses alternadores, com gran- de diâmetro e pouco comprimento. Esta forma permite ainda uma boa eliminação de calor. A denominação “alternador de pólos tipo garra” deve-se ao formato de garras dos seus pólos magnéticos. O eixo do rotor suporta as duas metades das ro- das polares opostamente polarizadas. Os terminais em forma de garra se encaixam alternadamente como pólo-Norte e pólo- Sul. Eles recobrem o enrolamento anular do estator que se encontra sobre o núcleo polar (figura 2). O número de pólos realizável é limitado. Um pequeno número de pólos resultaria em baixo aproveitamento da máquina, enquan- to um grande número de pólos aumentaria muito a perda de fluxo por dispersão mag- nética. Por essa razão estes alternadores são produzidos, de acordo com a potên- cia, com máquinas de doze ou dezesseis pólos. Alternadores Compactos Série GC, KC e NC Aplicação Alternadores trifásicos de construção com- pacta destinam-se a veículos de passagei- ros com alto consumo de energia. Eles são especialmente apropriados para os moder- nos motores de veículos com baixa rota- Figura 1 ção de marcha lenta. A rotação máxima elevada do alternador permite maior irans- formação, de modo que estes alternado- res podem fornecer até 25% mais potên- cia na mesma rotação do motor que p.ex. os alternadores monobloco. Modo de Operação A figura 3 mostra um alternador compacto de doze pólos. O fluxo magnético útil pas- sa pelo núcleo polar, a metade esquerda do pólo e seus terminais, através da colu- na de ar (entreferro) entre o pacote fixo das lamelas do estator com o enrolamento do estator e se fecha novamente com o nú- cleo polar através da metade direita da roda polar. No giro do rotor esse campo de for- ça corta as três fases do enrolamento es- tacionário do estator, o que induz seis on- das senoidais completas em cada fase a cada rotação (360º). A corrente gerada di- vide-se em corrente principal e de excita- ção. Após a retificação a corrente principal flui como corrente de serviço através do borne B+ para a bateria e para os consu- midores. Estrutura Alternadores compactos são alternadores trifásicos de doze pólos ventilados bidire- cionalmente, com rotor de pólos tipo garra sincronizados, pequenos anéis coletores e diodos de potência Zener. O estator con- tém o enrolamento trifásico com 12 pólos eo rotor o sistema de excitação com o mesmo número de pólos. Figura 2 Estrutura básica de um alternador de pólos tipo garra com anéis coletores. Partes de um rotor de doze pólos tipo garra. A polaridade desenhada serve para alternadores com regulador integrado. Tipos de alternadores 19