Eu não projeto alternadores de automóveis, então não posso dizer exatamente o que se passa nas decisões de engenharia. No entanto, aqui estão algumas especulações razoáveis.

A eficiência do alternador simplesmente não é um grande problema em um carro. A potência que o motor precisa para movimentar o carro supera o que o alternador exige. Se esta pequena fração da potência total do motor fosse 1/3 menor, não faria muita diferença. Portanto, a eficiência pode ser trocada por outros parâmetros mais importantes. Alguns deles provavelmente incluem alta confiabilidade em um ambiente hostil, operação encerrada uma ampla faixa de temperatura e continuar enquanto é salpicado com água contendo sujeira e sal de estrada e outros crude. Os volumes são muito altos, então manter os custos baixos também deve ser um desejo importante.

Primeiro, olhe para o custo de um gerador 90% eficiente com a mesma potência em comparação com o alternador de um carro. Espero que seja várias vezes mais. Em seguida, tente operar o gerador de alta eficiência em um ambiente hostil, como sob o capô de um carro, e veja quanto tempo ele sobrevive. Alternadores de carros normalmente sobrevivem a isso por 10-15 anos. O gerador eficiente de ponta que custa várias vezes mais provavelmente não durará um mês em más condições.

É tudo sobre o que está realmente importante e fazendo as compensações de engenharia adequadas no projeto.

Comentários

• Outro fator provavelmente está relacionado ao que se deve fazer para manter uma tensão de saída constante em velocidades diferentes. Conjuntos de motor e gerador especificamente desenvolvidos podem ser projetados para operar o motor em qualquer velocidade que funcione melhor para a geração. Alternadores automotivos têm que funcionar em qualquer velocidade do motor que faça o carro viajar com a velocidade desejada.
• Obrigado, eu sei que o motor de combustão interna em si é normalmente 25% eficiente. Minha pergunta é realmente no nível do design, não por que a indústria segue esse caminho. Algo que podemos supor são rolamentos superdimensionados devido à poeira, vibrações e temperatura. De qualquer forma, isso não levará eficiência a este ponto. Além disso, eles são resfriados a ar, como os outros, de qualquer forma, eu não ‘ t sei as temperaturas que experimenta no capô, isso vai alterar os parâmetros de enrolamento, e então pode ser um fator mais considerável. Eu ‘ m não nesta indústria também, mas com magnetismo e algum conhecimento mecânico, podemos especular.
• @supercat a tensão é regulada pela alteração da tensão de excitação. A eficiência varia muito com a velocidade se você ver o gráfico, menos de 40% perto de 8.000 rpm (bem, acho que ninguém vai colocar seu motor neste RPM).
• Correção, é acionado por correia, então pode ter uma relação diferente do RPM do eixo do motor.
• @Diego: Os motores dos carros não estão ‘ nem perto de 25% de eficiência.

Tensão: a 14v é muito difícil de ser eficiente.

• Perda de diodos: o alternador do carro opera em torno de 14v, com 0,6v para cada passagem de diodo você tem perda de 1,2v: quase 10% de perda somente este.

• enrolamentos: você perde muita potência devido à perda resistiva no enrolamento por causa da alta corrente para o tamanho do enrolamento (você poderia calcular essa perda com o medidor do enrolamento em uma determinada corrente)

• Conexões: é muito fácil perder alguns por cento de eficiência nesta corrente e tensão: a 0.A conexão de 1 ohm a 65A teria 6,5 V, perdendo quase 50% da energia!

• perda do núcleo: em velocidades mais altas, a perda do núcleo é provavelmente cada vez mais importante (grande suposição tentando explique o gráfico)

Acho que poderíamos obter uma eficiência muito melhor apenas operando o mesmo alternador em uma tensão mais alta.

Comentários

• Bem-vindo ao EE.SE! Infelizmente, sua resposta não ‘ t parece muito realista. Para tratar dos dois pontos intermediários: os enrolamentos são projetados para as correntes e as conexões têm uma resistência muito menor do que 0,1 ohm, quando parafusadas corretamente.
• Acho que ‘ s mais uma compensação (das perdas I2R) entre custo e eficiência. Mas, o que você diz ser a tensão (potencial elétrico), não é diretamente a questão, é ‘ é a corrente no caso de perdas I2R. E grandes geradores funcionam com correntes ainda maiores e são muito mais eficientes. De qualquer forma, hoje os alternadores tendem a ser mais eficientes à medida que o mercado automotivo usa mais dispositivos elétricos.
• Esqueci um ponto: aquele gráfico está na potência máxima para um determinado RPM. Acho que ‘ é por isso que a eficiência é tão baixa e a perda resistiva é alta. No caso de corrente mais baixa, a eficiência vai ser melhor, pois as perdas resistivas são RI2.

Alternadores automotivos são ineficientes porque estão usando um projeto de proteção de sobrecarga passiva de 50 anos. Você pode colocar carga ilimitada em um gerador com a corrente de campo no máximo e contanto que a tensão não caia abaixo de 12 Volts, ele não será danificado por superaquecimento, pelo menos não imediatamente. Há uma grande quantidade de indutância perdida nos enrolamentos. No modo inativo, ele pode estar produzindo 16 Volts CA, mas internamente (se medido sem carga) ele estaria liberando 28 Volts. Em alta RPM com carga de 100 Amp a 16 AC Volts produzidos, internamente o alternador pode estar produzindo mais de 100 Volts, se você medisse sem carga. À medida que o RPM aumenta, a indutância perdida se torna mais eficaz na redução da corrente de saída.

Se você pode obter 24 Volts de um alternador com o motor em marcha lenta, pode facilmente obter 150 Volts dele com o motor em alta velocidade. Obviamente, se ele está produzindo 150 Volts, mas você está obtendo apenas 14 Volts devido à reatância indutiva, então há uma grande quantidade de ineficiência acontecendo.

O estator também apresenta muitas perdas. Se você aplicar tensão de campo total a um alternador, poderá até sentir a resistência se tentar girá-lo com a mão sem qualquer carga. Isso é tudo devido à perda do campo magnético para o stater. A corrente elétrica está sendo induzida para o estator e está gerando calor. Uma grande quantidade de fluxo de ar criada pelo alternador girando a milhares de RPM mantém esse calor sob controle. Algumas pessoas instalam um interruptor de desativação do alternador que é ativado em aceleração total para não desperdiçar essa potência extra.

Então, o retificador cairá cerca de 2 Volts em cargas mais altas. 16 Volts caindo para 14 Volts é 12,5% de perda em além de todo o resto.

Se você puder obter muito mais potência de um alternador que está girando em altas RPMs, deixando-o produzir uma tensão mais alta, isso também o tornaria muito mais eficiente. Os diodos retificadores são diodos TVS, portanto, eles manterão a saída abaixo de 40 Volts e se destruirão no processo se necessário. Sem diodos TVS, se o alternador estava operando em alta RPM e carga total, e a carga estava desconectado de repente, a saída pode aumentar para mais de 100 Vo É antes do reajuste do regulador. Portanto, você terá que substituir o retificador por um retificador trifásico regular e fornecer uma maneira de lidar com os surtos. Em seguida, controlar manualmente a corrente de campo. Deixar a saída ir de 14 volts para 28 volts com o alternador produzindo internamente 150 volts seria quase o dobro a potência e a eficiência de saída.

Em vez de proteção passiva contra sobrecarga, eles poderiam fazer um estator mais eficiente e apenas ter uma detecção de corrente na saída para fazer o regulador recuar e protegê-lo de sobrecargas.

Acredito que boa parte da baixa eficiência pode ser atribuída ao fato de que as bobinas individuais não carregam a bateria até sua tensão excede a tensão da bateria + 2 quedas de diodo. Se a tensão de pico da bobina for 16 V e a tensão da bateria for 12,6 V, então nenhuma corrente flui de uma bobina até que a forma de onda CA dessa bobina exceda cerca de 14,6 V (12,6 V + 1 V + 1 V). Portanto, cada enrolamento não produz nenhuma corrente até que sua tensão esteja acima de 14,6. Embora seja verdade que existem 3 fases, o que reduz bastante a corrente ondulada da bateria, isso não muda o fato de que cada bobina individual não produz qualquer corrente na maior parte de cada ciclo. Uma utilização tão baixa da bobina teria que ter um impacto negativo na eficiência geral.

A menos que um alternador seja uma fonte de corrente constante e não uma fonte de tensão constante …

Comentários

• alternadores não são projetados para eficiência – eles são normalmente aparafusados a um motor de cerca de 150+ bhp e, portanto, quem se importa se eles levam 10 ou 15 … Ah, e eles também não têm corrente constante …
• Mas eu acho que quando os carros estão perdendo todo o peso que podem, cada HP economizado faria uma diferença mensurável na quilometragem. Esta parece ser uma área pronta para a aplicação da eletrônica.
• E é por isso que alguns sistemas de controle de carregamento do alternador fazem exatamente isso, ou seja, combinam a saída precisamente com as necessidades do carro e da bateria, não apenas que alguns também operam a carga do ar condicionado também, mas depende muito do preço e da qualidade do carro: o sistema de carga do meu carro se ajusta perfeitamente à carga e às necessidades da bateria, na verdade também carrega até 15,2 v em alguns pontos – antes de perguntar, sim, tenho um medidor preciso …
• @solarmike Sim, alguma ECU controla o alternador, acredito que controlando a corrente de excitação. Mas 10 HP é muito poder, alguns sistemas de entrada de ar não são baratos, são projetados para adicionar menos do que isso. Também hoje com mais dispositivos eletrônicos, a demanda por corrente elétrica está crescendo, bem como uma melhor eficiência.
• Fiz uma simulação LTSPICE e descobri que poderia aumentar muito a eficiência usando FETs para atuar como conversores de impulso , usando a indutância das bobinas como os ‘ indutores do conversor. Eu executei o switcher em cerca de 22 Khz e usei retificação síncrona.

Alternadores de carro são muito melhores do que Geradores CC porque são mais eficazes e produzem eletricidade suficiente para alimentar cada vez que você precisar em todas as faixas de rpm. O problema é que eles, como você sabe, produzem CA, enquanto tudo em seu carro precisa de CC. Portanto, ao entrar você perde alguma eficiência. A corrente também deve ser estabilizada – próximas perdas. Apesar de todas as perdas, eles ainda são melhores do que os geradores DC que mal podem alimentar os faróis de um carro. E quando algo funciona bem, por que consertar?

Comentários

• Não estou promovendo deneradores DC, mas está errado dizer que geradores DC mal acendem os faróis. O dimensionamento adequado pode fazer com que os geradores DC produzam energia mais do que suficiente. Em vez disso, os geradores CC estavam errados porque a regulação de tensão exigia uma conversão CC para CC cara e ineficaz e a comutação causava mais desgaste da escova do que os anéis coletores em um alternador. A eficiência e o custo da conversão de CC para CC garantidos podem ter diminuído. Mas você ainda tem mais ware e a despesa de ímãs perminados que precisam funcionar em altas temperaturas sob o capô.
• Como Keith mencionou acima ‘ não é verdade que um gerador DC não pode acender uma lâmpada corretamente. Os carros mais antigos costumavam ter um gerador CC antes do sistema do alternador ser usado. Lembro-me que no carro antigo do meu avô, ele usava um gerador DC. Uma das razões pelas quais os alternadores se tornaram comuns mais tarde foi quando o custo dos retificadores de silício caiu, o alternador é mais leve (aqueles geradores CC antigos são superpesados em alguns carros a diesel -_-), a potência é muito maior no alternador e na escova o desgaste é menor em um alternador, pois os anéis coletores são lisos em comparação com o comutador no gerador DC.