Poradnia alternator: budowa, zasada działania, objawy awarii i diagnostyka

Alternator jest prądnicą prądu przemiennego, która zamienia energię mechaniczną silnika spalinowego na energię elektryczną. Wytworzona energia służy do ładowania akumulatora oraz zasilania całego osprzętu elektrycznego samochodu podczas pracy silnika.

Alternator odpowiada więc za podstawowe funkcjonowanie układu elektrycznego pojazdu, a jego niesprawność może doprowadzić do rozładowania akumulatora, problemów z oświetleniem oraz unieruchomienia samochodu. Najczęściej awaria rozwija się stopniowo, dlatego warto znać budowę alternatora, zasadę jego działania i charakterystyczne objawy usterek.

Czym jest alternator?

Alternator to po prostu prądnica prądu przemiennego wykorzystywana do doładowywania akumulatora. Energia mechaniczna wytwarzana przez auto jest w nim przekazywana do wirnika, który wytwarza pole magnetyczne, dzięki któremu zamieniana jest ona na prąd przemienny.

Później specjalne diody alternatora przekształcają go w prąd stały przekazywany do akumulatora. Jego zadaniem jest wytwarzanie prądu stałego dla całej instalacji elektrycznej samochodu po włączeniu silnika.

Zasadniczym elementem dostarczającym energii dla układu elektrycznego jest alternator. Zadanie alternatora polega na zmianie energii mechanicznej w prąd elektryczny, które odbywa się dzięki przeniesieniu momentu obrotowego z silnika za pośrednictwem paska napędowego na wirnik alternatora.

Współczesne alternatory zastąpiły stosowane wcześniej w technice motoryzacyjnej prądnice prądu stałego. Zasadnicza różnica polega na budowie obu podzespołów, w alternatorze uzwojenie ulokowane zostało w stojanie, a nie jak w przypadku prądnic stałych w wirniku.

Rozwiązanie to pozwala na pominięcie komutatora. Alternator, lub bardziej naukowo prądnica prądu przemiennego, nie jest nowym wynalazkiem, natomiast przez lata był udoskonalany przez kolejne firmy motoryzacyjne.

Historia alternatora

Za wynalezienie alternatora odpowiada Nikola Tesla, który skonstruował go w roku 1891. Alternator to urządzenie niezbędne, by auto działało poprawnie.

Skonstruowany przez Nikolę Teslę w 1891 roku został uznany za jeden z jego ważniejszych wynalazków. Zasada działania alternatora samochodowego nie zmieniła się od czasu skonstruowania go przez Nikolę Teslę pod koniec XIX wieku.

Budowa również się nie zmieniła - przez lata zmieniano wyłącznie detale, które wpływają na efektywność alternatora i całego układu elektrycznego samochodu.

Budowa alternatora

Podstawowym elementem alternatora jest nieruchomy stojan. Najczęściej jest on wykonany z izolowanej, stalowej ramki, otoczonej trzema uzwojeniami.

Uzwojenia te są rozłożone co 120 na obwodzie stojana. Po obwodzie izolowanego stojana rozlokowane są trzy, rozłożone co 120 stopni uzwojenia.

W alternatorze rolę wirnika pełni elektromagnes zasilany przy pomocy szczotek i pierścieni ślizgowych, który w momencie obrotu wytwarza pole magnetyczne wywołujące produkcję energii elektrycznej.

W alternatorze prąd jest wytwarzany w nieruchomych uzwojeniach stojana przez wirujące magnesy na wirniku. Wirnik obraca się wewnątrz stojana i wytwarza zmienne pole magnetyczne, które indukuje prąd w uzwojeniach.

Podstawowe elementy alternatora

• Obudowa przednia i tylna
• Koło pasowe
• Wirnik
• Stojan
• Regulator napięcia
• Szczotkotrzymacz wraz ze szczotkami
• Łożyska
• Mostek prostowniczy
• Diody główne i diody wzbudzenia
• Wentylator

Obudowa alternatora

W zależności od konstrukcji jednostki napędowej, oprócz paska i koła pasowego, widoczna jest również z zewnątrz charakterystyczna obudowa alternatora, składająca się z dwóch części, z przeważnie dużą liczbą otworów.

Obudowa alternatora, jego swoista tarcza ochronna, najczęściej wykonana jest z lekkiego aluminium. Jej zadaniem jest ochrona podzespołów oraz umożliwienie przepływu powietrza potrzebnego do chłodzenia pracującego urządzenia.

Koło pasowe i pasek napędowy

Najbardziej widocznym elementem w alternatorze jest koło pasowe, na którym umieszczony jest pasek wielorowkowy lub klinowy napędzający alternator przez wał korbowy.

Ten element, odpowiadający za ładowanie akumulatora i zasilanie osprzętu w samochodzie, zamontowany jest blisko jednostki napędowej. Jest napędzany przez pasek wielorowkowy, który przekazuje napęd z koła pasowego na wale korbowym na koło pasowe alternatora.

Pasek klinowy ma określoną długość i musi mieć właściwe napięcie. W starszych samochodach stosowany jest pasek klinowy, natomiast we współczesnych konstrukcjach najczęściej wykorzystuje się pasek wielorowkowy.

W niektórych konstrukcjach koło pasowe wyposażone jest w sprzęgło OAD. Koło pasowe / sprzęgło OAD przyjmuje napęd z paska wielorowkowego.

Wirnik

Kolejnym elementem jest elektromagnes, zwany w tym wypadku wirnikiem. Zasilają go pierścienie ślizgowe i szczotki.

Wirnik jest obracającym się elektromagnesem wytwarzającym pole magnetyczne. Kiedy wirnik zaczyna wytwarzać pole elektromagnetyczne, w pierścieniach i szczotkach indukowany jest prąd o przebiegu sinusoidalnym, czyli zmiennym.

W alternatorze rolę wirnika pełni elektromagnes zasilany przy pomocy szczotek i pierścieni ślizgowych, który w momencie obrotu wytwarza pole magnetyczne wywołujące produkcję energii elektrycznej.

Stojan

Stojan jest nieruchomym elementem alternatora, zbudowanym z uzwojonej stalowej ramy. Otaczają go trzy uzwojenia rozłożone na obwodzie co 120 stopni.

Stojan to nieruchome uzwojenia, w których indukowany jest prąd przemienny. Obracające się pole magnetyczne wirnika indukuje prąd przemienny w uzwojeniach stojana.

Szczotki i pierścienie ślizgowe

Szczotki węglowe oraz pierścienie ślizgowe przewodzą prąd wzbudzający do wirnika. Wirnik jest zasilany przez pierścienie ślizgowe i szczotki.

Elementy te pracują w warunkach stałego tarcia, dlatego należą do podzespołów podlegających naturalnemu zużyciu eksploatacyjnemu. Do najczęściej spotykanych usterek alternatorów należą uszkodzenia pierścieni, szczotek i łożysk.

Regulator napięcia

Z tego względu, że występuje zróżnicowanie siły pola magnetycznego, wymagana jest kontrola napięcia na wyjściu, a także podtrzymywanie prądu ładującego akumulator. Stąd zastosowany jest również regulator napięcia w postaci czujnika, który monitoruje napięcie akumulatora.

Regulator napięcia odpowiada za monitorowanie i w razie potrzeby zwiększanie poziomu prądu wzbudnego. Jest to ważny podzespół, ponieważ napięcie generowane przez alternator zależy między innymi od prędkości obrotowej silnika i obciążenia instalacji elektrycznej.

Gdy napięcie akumulatora jest niskie, dochodzi do zwiększenia prądu wzbudnego podczas pracy alternatora. Regulator napięcia utrzymuje stałe napięcie 13,8-14,5 V.

Przeważnie regulator napięcia jest wyposażony w układ kompensacji temperatury odpowiadający za podniesienie napięcia wymaganego do naładowania akumulatora w przypadku niskiej temperatury zewnętrznej.

Regulator napięcia posiada zwykle dodatek w postaci układu kompensacji temperatury. Ma to duże znaczenie szczególnie zimą, gdy do pełnego naładowania akumulatora wymagane są nieco wyższe wartości napięcia niż latem.

Mostek prostowniczy i diody

Zmiana prądu przemiennego w stały odbywa się za pomocą diod krzemowych, które są wykorzystywane do budowy mostków. To one umożliwiają ładowanie akumulatora w napięciu od 13,8 do 14,5 V.

Mostek prostowniczy, złożony z diod, prostuje prąd AC na DC. Mostek prostowniczy, składający się z sześciu diod, zamienia prąd przemienny na prąd stały niezbędny do ładowania akumulatora.

Alternator wyposażony jest również w diody zmieniające prąd przemienny na prąd stały. Tworzą one tak zwane mostki.

W nowoczesnych samochodach stosuje się również trzy dodatkowe diody, wykorzystywane do zmiany prądu używanego podczas wybudzania alternatora. Rozwiązanie to gwarantuje, że na niskich obrotach silnika i włączonej instalacji elektrycznej samochód nie będzie pobierał prądu z akumulatora, przez co unikniemy jego rozładowania.

Łożyska

Łożyska podtrzymują wał wirnika i umożliwiają jego obrót. Pracują przy wysokich prędkościach obrotowych, dlatego ich zużycie może objawiać się hałasem dochodzącym z okolicy alternatora.

Do najczęściej występujących usterek alternatora należy zaliczyć z pewnością wytarte szczotki oraz zatarte łożyska. Zużyte łożyska wymagają naprawy szczególnie wtedy, gdy pojawia się dźwięk wycia.

Jak działa alternator?

Pasek wielorowkowy napędza koło pasowe alternatora. Koło pasowe przekazuje moment obrotowy na wał wirnika, który zaczyna się obracać wraz z pracą silnika.

Obraca się wirnik, czyli elektromagnes zasilany przez szczotki. Obracające się pole magnetyczne wirnika indukuje prąd przemienny w uzwojeniach stojana.

Prąd przemienny wytwarzany w stojanie trafia do mostka prostowniczego. Mostek prostowniczy zamienia prąd AC na DC, a regulator napięcia utrzymuje napięcie na właściwym poziomie.

Prąd stały jest następnie przekazywany do akumulatora i instalacji elektrycznej samochodu. Alternator wytwarza więc prąd niezbędny do ładowania akumulatora i zasilania innych podzespołów w pojeździe.

Etapy pracy alternatora

1. Pasek wielorowkowy lub klinowy przekazuje napęd z wału korbowego na koło pasowe alternatora.
2. Koło pasowe wprawia w ruch wał i wirnik.
3. Szczotki oraz pierścienie ślizgowe doprowadzają prąd wzbudzający do wirnika.
4. Wirnik wytwarza obracające się pole magnetyczne.
5. Pole magnetyczne indukuje prąd przemienny w uzwojeniach stojana.
6. Mostek prostowniczy przekształca prąd przemienny w prąd stały.
7. Regulator napięcia kontroluje napięcie i prąd ładowania.
8. Prąd stały zasila urządzenia elektryczne samochodu oraz ładuje akumulator.

Dlaczego alternator wytwarza prąd przemienny?

Alternator wytwarza prąd przemienny, ponieważ prąd AC jest wydajniejszy w generacji przy zmiennych obrotach. Samochodowa instalacja elektryczna oraz akumulator wymagają jednak prądu stałego.

Mostek prostowniczy, złożony z sześciu diod, zamienia prąd przemienny na prąd stały niezbędny do ładowania akumulatora. Dzięki temu alternator może skutecznie pracować przy różnych prędkościach obrotowych silnika.

Rola alternatora w układzie elektrycznym samochodu

Sam akumulator utrzymywany jest w stanie naładowania właśnie dzięki alternatorowi i ma jedynie zapewnić rozruch pojazdu oraz utrzymanie zasilania w momencie postoju, bądź też wtedy, gdy prędkość obrotów silnika jest niewystarczająca.

Akumulator nie jest więc podstawowym źródłem energii elektrycznej podczas normalnej jazdy. Zasadniczym elementem dostarczającym energii dla układu elektrycznego jest alternator.

Alternator to podstawowy element układu elektrycznego w samochodzie, będący rodzajem prądnicy prądu przemiennego. Jego zadaniem jest wytwarzanie prądu stałego dla całej instalacji elektrycznej samochodu po włączeniu silnika.

Bez alternatora pojazd może korzystać wyłącznie z energii zgromadzonej w akumulatorze. Gdy akumulator się rozładuje, silnik zgaśnie, a ponowne uruchomienie samochodu nie będzie możliwe.

Najczęstsze usterki alternatora

Eksploatacja samochodu w naturalny sposób sprawia, że części alternatora stopniowo zaczynają się psuć. Najczęściej przyczyną awarii tego urządzenia jest zużycie szczotek lub łożysk, ale nierzadko zdarzają się także uszkodzenia mostka diodowego lub regulatora napięcia, zwarcia czy też zatarcia w wyniku gromadzącego się brudu.

Do najczęściej spotykanych usterek alternatorów należą uszkodzenia pierścieni, szczotek i łożysk, objawiające się hałaśliwą pracą, a także zwarcia na wirniku, stojanie bądź przepalenie się mostka diodowego.

Zużyte szczotki

Najbardziej narażone na zużycie elementy to szczotki i łożyska. Zużyte szczotki węglowe są jedną z najczęstszych usterek alternatora.

W niektórych opisach eksploatacyjnych zużycie szczotek wskazywane jest po przebiegu 150-200 tys. km. Ich wymiana jest zwykle prostszą naprawą niż wymiana wirnika, stojana lub całego alternatora.

Uszkodzone łożyska

Zatarte lub zużyte łożyska mogą powodować nadmierny hałas wywołany wraz ze wzrostem obrotów. Szum i metaliczne zgrzyty mogą być generowane przez zepsute łożysko alternatora albo przez inny podzespół, na przykład pompę cieczy chłodzącej.

Jeżeli hałas narasta wraz ze zwiększaniem obrotów silnika, należy sprawdzić alternator oraz inne elementy napędzane paskiem. Sam dźwięk nie zawsze pozwala jednoznacznie wskazać źródło problemu.

Uszkodzony regulator napięcia

Uszkodzenie regulatora napięcia może prowadzić do zbyt niskiego albo zbyt wysokiego napięcia ładowania. Zbyt niskie napięcie powoduje niedoładowanie akumulatora, natomiast zbyt wysokie może doprowadzić do jego szybkiego uszkodzenia.

Nieprawidłowe napięcie alternatora nie musi występować cały czas. Może się również zdarzyć, że zbyt wysokie lub zbyt niskie napięcie będzie się objawiać w określonym przedziale obrotowym silnika.

Uszkodzony mostek diodowy

Popularną usterką jest uszkodzenie mostka diodowego. Przepalone diody mostka prostowniczego mogą powodować nieprawidłowe przekształcanie prądu przemiennego w stały.

Uszkodzenie mostka diodowego może skutkować problemami z ładowaniem akumulatora oraz nieprawidłowym działaniem urządzeń elektrycznych. W zależności od zakresu uszkodzeń możliwa jest naprawa albo wymiana alternatora.

Zwarcie wirnika lub stojana

Do grona mniej oczywistych usterek można przyjąć przebicia w uzwojeniu, uszkodzenia regulatora napięcia, zwarcia wirnika lub stojana, przepalenia się uzwojenia, a także uszkodzenia mostka diodowego.

Zwarcie wirnika lub stojana może ograniczyć albo całkowicie zatrzymać wytwarzanie energii elektrycznej. Ocena takiej usterki wymaga demontażu alternatora i zastosowania specjalistycznych urządzeń diagnostycznych.

Uszkodzone koło pasowe

Zdarza się również sytuacja, w której może dojść do problemów z kołem pasowym, zwłaszcza wyposażonym w sprzęgło, którego zadaniem jest eliminowanie szarpania paska podczas wyłączania silnika.

Problemy z alternatorem mogą być spowodowane przez pasek napędowy. Często jest to sygnalizowane piszczeniem paska po uruchomieniu silnika.

Pęknięta obudowa i zabrudzenie

Zdarza się również sytuacja, w której może dojść do pęknięcia obudowy alternatora. Na żywotność alternatora wpływa miejsce, w którym się znajduje - gdy jest zbyt nisko, narażony jest na brud, który zmniejsza wytrzymałość komponentu.

Zatarcia mogą wystąpić w wyniku gromadzącego się brudu. Jakość pracy alternatora i jego żywotność zależna jest również od narażania komponentu na wilgoć, na przykład podczas mycia samochodu czy jazdy po wielkich kałużach.

Objawy uszkodzenia alternatora

Najbardziej oczywistym objawem awarii jest zaświecenie się kontrolki ładowania akumulatora. Zapalona lub migająca kontrolka alternatora na desce rozdzielczej zapala się przy nieprawidłowym napięciu ładowania akumulatora.

Najbardziej prozaicznym objawem mogącym wskazywać na problem z alternatorem jest zapalająca się kontrolka akumulatora na desce rozdzielczej oznaczająca „problem z ładowaniem akumulatora”. Pojawienie się jej oznacza nieprawidłowe napięcie ładowania baterii przez alternator.

Przeważnie jest to zbyt niskie napięcie, które prowadzi do rozładowania akumulatora. Natomiast zbyt wysokie może doprowadzić do jej szybkiego uszkodzenia.

Kontrolka akumulatora

Kontrolka może świecić stale albo migać. Nieprawidłowość może pojawiać się tylko w określonych warunkach pracy silnika, na przykład przy konkretnym zakresie obrotów.

Kontrolka ładowania nie zawsze wskazuje wyłącznie na uszkodzenie samego alternatora. Powodem może być również problem z paskiem napędowym, połączeniami elektrycznymi albo innym elementem układu ładowania.

Hałas narastający wraz z obrotami

Uszkodzony alternator może się objawiać również poprzez nadmierny hałas wywołany wraz ze wzrostem obrotów. Mogą pojawić się szum, wycie albo metaliczne zgrzyty.

Pierwszy przypadek zwiastuje problemy na przykład z łożyskami lub kołem pasowym. Hałas może jednak pochodzić również z innego podzespołu napędzanego paskiem.

Przygasanie i migotanie oświetlenia

Brak ładowania będzie z pewnością widoczny przez „szalejącą” elektronikę pojazdu, na przykład przygasanie lub migotanie oświetlenia wnętrza, zegarów lub wyłączające się radio.

Problemy z alternatorem mogą objawiać się także przez przepalanie się żarówek lub ich nierówne świecenie. Nieprawidłowe napięcie może wpływać na pracę oświetlenia zewnętrznego oraz innych podzespołów zasilanych elektrycznie.

Szybkie rozładowywanie akumulatora

Stałe niedoładowanie akumulatora jest jednym z typowych objawów niesprawnego alternatora. Akumulator może rozładowywać się szybko mimo prawidłowej pracy rozrusznika i pozostałych elementów.

Jeżeli alternator przestaje działać prawidłowo, jedynym źródłem zasilania w trakcie jazdy pozostaje akumulator. Jeśli jest naładowany do pełna, uda się przejechać kilka kilometrów, a następnie samochód może przestać działać.

Z reguły, jeśli samochód ma mocny akumulator, pozwoli na pracę jednostki napędowej najwyżej przez kilka minut, w zależności od rodzaju napędu. Brak ładowania może więc szybko doprowadzić do zatrzymania pojazdu.

Od czego zależy trwałość alternatora?

Na żywotność alternatora wpływa co najmniej kilka czynników. Pierwszy z nich to jakość komponentu i rozwiązania zastosowane przez producenta przy jego tworzeniu.

Ogromne znaczenie ma również miejsce, w którym znajduje się alternator. Gdy jest zbyt nisko, narażony jest na brud, który zmniejsza wytrzymałość komponentu.

Właściciele niektórych modeli aut muszą liczyć się z tym, że alternator może uszkodzić się w wyniku zbyt dużej różnicy temperatur - po prostu pęknie.

Jakość pracy alternatora i jego żywotność zależna jest również od paska wieloklinowego, a także narażania komponentu na wilgoć, na przykład podczas mycia samochodu czy jazdy po wielkich kałużach.

Jak sprawdzić alternator?

Najprostszym sposobem sprawdzenia sprawności alternatora w samochodzie jest pomiar napięcia wykonany na pracującym silniku. Miernik podłączony do przewodu alternatora i masy powinien wskazać odczyt mieszczący się w granicach od 13,8 do 14,3 V.

Po naprawie i zamontowaniu alternatora mechanik powinien uruchomić silnik i za pomocą woltomierza sprawdzić, czy na klemach akumulatora utrzymuje się odpowiednie napięcie - od 13,8 do 14,5 V.

Wyższe lub niższe wskazanie świadczy o niesprawności alternatora. Jest to działanie niezwykle ważne, ponieważ jeśli napięcie będzie przekraczać 14,6 V, może dojść do zabarwienia elektrolitu, utraty właściwości baterii, a w konsekwencji nawet wymiany akumulatora.

Sam pomiar napięcia nie zawsze wystarcza do wskazania konkretnego uszkodzonego elementu. Część usterek można rozpoznać dopiero po wymontowaniu, rozebraniu alternatora i wykonaniu pomiarów specjalistycznymi urządzeniami diagnostycznymi.

Naprawa i regeneracja alternatora

Jeśli alternator przestaje działać prawidłowo, nie zawsze oznacza to konieczność kupna nowego. Często równie skutecznym rozwiązaniem jest poddanie go regeneracji.

Regeneracja alternatora polega na jego wymontowaniu, rozłożeniu na części i oczyszczeniu, po którym następuje diagnoza. Za pomocą odpowiednich urządzeń specjaliści oceniają stan wszystkich części i stwierdzają, które z nich są zużyte lub niesprawne.

Potem następuje ich wymiana. Po naprawie alternator powinien zostać ponownie złożony, zamontowany i sprawdzony pod obciążeniem oraz przy różnych prędkościach obrotowych silnika.

Regenerowany alternator jest sprawny, a jego praca może nie różnić się jakością od pracy nowego urządzenia. Zakres i opłacalność regeneracji zależą od stanu wirnika, stojana, obudowy, łożysk, szczotek, regulatora i mostka prostowniczego.

Jak przebiega naprawa?

Naprawa każdej z wymienionych usterek wymaga od mechanika wymontowania i rozebrania alternatora. Po wykonaniu tych operacji można przejść do usunięcia problemu.

Choć część usterek kierowca teoretycznie mógłby usunąć sam, nie da rady określić problemu bez specjalistycznych urządzeń diagnostycznych. W przypadku zwarć, uszkodzeń uzwojeń i problemów z diodami konieczne są odpowiednie pomiary.

Po wymianie zużytych elementów alternator jest składany i poddawany kontroli. Następnie sprawdza się napięcie na akumulatorze oraz zachowanie układu ładowania podczas pracy silnika.

Naprawa, wymiana czy nowy alternator?

Alternator to element w pojeździe, który oczywiście można naprawić. Aby ocenić skalę uszkodzeń, mechanik musi mieć dobry dostęp do alternatora.

Po ocenie stanu komponentu możliwa jest wymiana alternatora bądź regeneracja alternatora. Wybór zależy od zakresu uszkodzeń oraz stanu pozostałych elementów.

Zakup używanego urządzenia o nieznanej historii niesie za sobą ryzyko, że nie będzie działał lepiej od poprzedniego, który wymieniamy. Wymiana może więc nie przynieść oczekiwanego rezultatu, jeśli przyczyna problemu pozostanie nierozpoznana.

Przed wymianą alternatora warto sprawdzić również pasek napędowy, przewody, połączenia masowe, stan akumulatora oraz elementy współpracujące z układem ładowania.

Kiedy nie kontynuować jazdy?

Jeśli na desce rozdzielczej pojawi się kontrolka ładowania, a jednocześnie wystąpią przygasanie świateł, migotanie elektroniki, szybko narastający hałas albo problemy z działaniem urządzeń elektrycznych, należy możliwie szybko przeprowadzić diagnostykę.

Jeżeli alternator odmówi posłuszeństwa, wówczas jedynym źródłem zasilania w trakcie jazdy pozostanie akumulator. Jego energia może wystarczyć tylko na krótki czas, szczególnie przy włączonych światłach, wentylatorze, ogrzewaniu szyby i innych odbiornikach.

Ignorowanie objawów może doprowadzić do całkowitego rozładowania akumulatora oraz zwiększyć zakres uszkodzeń. Zamiast kontynuować jazdę z niepewnym układem ładowania, należy sprawdzić alternator i pasek napędowy.

tags: #poradnia #alternator #budwa