Dzisiejsze ciężarówki przejeżdżają codziennie setki kilometrów, co w rocznym rozliczeniu zmienia się w setki tysięcy kilometrów. Mając to na uwadze, oprócz takich cech jak ładowność, niskie zużycie paliwa, zasięg czy komfort pracy kierowcy niezwykle istotna jest bezawaryjność podzespołów składowych pojazdu, a nie jest ich mało. Szereg z nich do swej pracy wymaga energii elektrycznej jako medium wykonawczego bądź sterującego, dostarcza jej alternator ciężarówki. Alternator to połączenie elementów mechanicznych, elektrycznych oraz elektronicznych. Coraz częściej stosowana jest także technologia mikroprocesorowa. Generator pracujący w nowoczesnej ciężarówce może dostarczyć do sieci elektrycznej pojazdu kilka megawatów energii rocznie, co przekłada się nawet na miliard obrotów jego wirnika. Powyższe fakty stawiają bardzo wysoko poprzeczkę jakości przed producentami alternatorów stosowanych w takich pojazdach.

Zagadnienia związane z zapewnieniem wysokiej jakości i długotrwałości produktów można podzielić na grupy zgodnie z przytoczonym już wcześniej podziałem: mechanika, elektrotechnika i elektronika. W  dziedzinie mechaniki cechą niezwykle ważną jest dokładność przekładająca się zarówno na dokładność wymiarów jak i chropowatość powierzchni elementów mechanicznych w strategicznych punktach. Zachowanie wymiarów komponentów współpracujących z łożyskami to obok jakości samych łożysk,  czynnik warunkujący ich trwałość w aplikacji. Zarówno zbyt luźne, jak i zbyt ciasne pasowanie części, powoduje drastyczne skrócenie ich trwałości, co może doprowadzić także do uszkodzenia innych elementów (np. kolizja wirnika z karkasem stojana). Dobrym przykładem zależności między chropowatością powierzchni elementów mechanicznych, a żywotnością alternatora jest chropowatość wałka współpracującego z uszczelniaczem. Oddziałuje ona w jednakowym stopniu na poprawność uszczelnienia połączenia,  jak i na tempo zużywania się wargi zabezpieczenia.

Kolejnym trafnym odniesieniem do powiązania długotrwałości maszyny synchronicznej (jaką jest nowoczesny alternator) i chropowatości powierzchni jest ta ostatnia, w aspekcie pierścieni ślizgowych wirnika. Element ten współpracując ze szczotkami odpowiada za zasilanie rotora, efektem ubocznym jest zużywanie szczotek (w mniejszym stopniu kolektorów). W wyniku zbyt wysokiej chropowatości ruchomego elementu ślizgowego, element statyczny  (szczotki) ulegają eksploatacji w tempie znacznie przekraczającym optymalne. Zbyt mała chropowatość pierścieni skutkuje osadzaniem się na powierzchni styku elementów warstwy zanieczyszczeń zwiększających rezystancje połączenia. Efekt to ograniczenie mocy alternatora, wzmożone wydzielanie się ciepła na elementach układu ślizgowego, wcześniejsza konieczność wymiany urządzenia. Na szybkość zużywania się szczotek alternatora oddziałują także „twardość” sprężyn dociskających szczotki oraz bicie promieniowe pierścieni. W drugą stronę, zbyt wysoka twardość szczotek i/lub zawyżony współczynnik sprężystości elementów dociskowych odznaczają się wycieraniem pierścieni.

Jeśli mowa o pierścieniach ślizgowych wirnika nie można zapomnieć o wyważeniu dynamicznym samego rotora. Ta obracająca się kilka tysięcy razy na minutę masa ułożyskowana jest w obudowach. Generowane przez nią drgania, wynikające ze złego wyważenia, znowu pomniejszają lifetime maszyny.

Kontrola jakościowa przytaczanych tu elementów generatora oraz ich parametrów charakterystycznych  wymaga zastosowania aparatury pomiarowej zawansowanej w technologie mechaniki precyzyjnej  i mechatroniki.

Do elektrycznych podzespołów alternatora zaliczyć można, poza wymienianym już wcześniej wirnikiem, stojan oraz diodowy mostek prostowniczy. Dwie pierwsze części, poza elementami rdzenia, składają się z cewek nawiniętych drutem emaliowanym. Ich najważniejszymi parametrami elektrycznymi są rezystancja uzwojenia cewek oraz rezystancji izolacji. Dla stojanów niezwykle ważna jest także symetria uzwojeń fazowych. Niewłaściwa dla danej aplikacji rezystancja uzwojeń stojana przekłada się niekorzystnie na parametr mocy oraz charakterystykę wydajności alternatora. Doprowadzić to może na przykład do niedoładowywania akumulatora pojazdu, szybszej eksploatacji akumulatora lub awarii mostka prostowniczego czy instalacji pojazdu. Gdy mowa o stojanie warto wrócić do parametru symetrii uzwojeni stojana. Niezrównoważenie elektryczne uzwojeń bądź ich fizyczna niesymetria prowadzą do przeciążenia części uzwojeń, gdy pozostałe nie generują odpowiedniego przepływu prądu. Odbija się to dokładnie w ten sam sposób na diodach mostka prostowniczego. Część z nich przenosi nieproporcjonalnie duża ilość prądu nawet ponad swe parametry znamionowe, natomiast potencjał pozostałych zostaje niewykorzystany.  Odnosząc rezystancję uzwojenia do rotora oczywistym jest iż zarówno jej zbyt niska jak wysoka wartość dla danej aplikacji jest niekorzystne dla komponentów samego alternatora jak i dla podzespołów pojazdu zasilanych elektrycznie. Zbyt wysoka wartość tego parametru objawiać się będzie obniżeniem mocy alternatora co jest prawie równoznaczne z niedoładowanym akumulatorem. Zbyt niska rezystancja (zbyt duże natężenie pola magnetycznego wytwarzanego przez wirnik) powodować może niestabilność napięcia ładowania, przeciążenie elementów wykonawczych regulatora napięcia itp. Innym przytaczanym wcześniej parametrem uzwojeń jest rezystancja izolacji, świadczy ona jakości wykonania samego uzwojenia i jest odpowiedzialna na przykład za zapewnienie bezawaryjnej pracy urządzeń w warunkach podwyższonej wilgotności. Wirnik i stojana alternator współpracują z diodowym mostkiem prostowniczym. Znaczącym parametrem  samych diod prostowniczych jest, niezależnie od ich typu, spadek napięcia na diodzie w kierunku przewodzenia. Jego wartość jest proporcjonalna do ilości ciepła wydzielanego przed diodę w określonych warunkach pracy. W celu zapewnienia optymalnej temperatury pracy dla elementów półprzewodnikowych ciepło to należy odprowadzić do otoczenia poprzez radiator. Jego wydajność ograniczona jest warunkami konstrukcyjnymi, zastosowanymi materiałami oraz strumieniem powietrza opływającym powierzchnie. Dodatkowo w zależności od rodzaju diod, wspomnieć warto o prądzie wstecznym diody oraz napięciu przebicia lawinowego.

Pracą całego alternatora zawiaduje regulator. Nowoczesne generatory wyposażone są zazwyczaj w regulatory oparte o technikę mikroprocesorową. Do ich zadań należą poza oczywistą regulacją napięcia ładowania także wymiana informacji z komputerem pokładowym pojazdu oraz reakcja na zmiany napięcia w różnych punktach instalacji pojazdu bądź podwyższoną temperaturę akumulatora. Z tych powodów poza istotnymi parametrami elektrycznymi regulatora (np. spadek napięcia na tranzystorze wykonawczym regulatora, wypełnienie przebiegu prądu szczotki w różnych warunkach i stanach pracy) uwagę należy zwrócić na działanie terminali wejściowych reg.,  sterowanie terminalami wyjściowymi, w tym sposób w jaki przekazywane są informację między alternatorem,  a ECU sterującym.  Spotkać tutaj można poza transmisją czysto analogową, różne rodzaje transmisji cyfrowej oraz regularną  komunikację szeregową jedno- bądź dwukierunkową.

Kontrola wszystkich przytoczonych powyżej parametrów i funkcji alternatora jest koniecznym działaniem w celu zapewnienia długotrwałości tych urządzeń. Lucas Electrical Europe podczas swoich procesów produkcyjnych oraz procesu testowania wykorzystuje technologie dostarczane przez firmy klasy OEM, a także własne Centrum rozwojowe badawcze.

www.LucasEE.com
opracował: Michał Pietras