آلترناتور خودرو چیست؟ اجزا و نحوه عملکرد دینام

در خودروهای مدرن، مصرف انرژی الکتریکی روز به روز در حال افزایش است. اگرچه باتری منبع اولیه برق است، اما توانایی تأمین انرژی برای مدت طولانی را ندارد. اینجاست که نقش کلیدی سیستم شارژ نمایان می‌شود؛ سیستمی که نه تنها برق مورد نیاز تمام تجهیزات خودرو را تأمین می‌کند، بلکه وظیفه شارژ مداوم باتری را نیز بر عهده دارد. مهم‌ترین عضو این سیستم، مولد برق است که در خودروهای امروزی «آلترناتور» (Alternator) نامیده می‌شود.

در این مقاله، به بررسی تخصصی اجزا و عملکرد آلترناتور در خودروهای بنزینی و دیزلی می‌پردازیم. توجه داشته باشید که خودروهای هیبریدی یا کاملاً برقی، به دلیل نوع ساختار فنی، از سیستم‌های مولد متفاوتی استفاده می‌کنند که در این راهنما به خودروهای احتراق داخلی (ICE) متمرکز هستیم. اگر می‌خواهید بدانید آلترناتور چگونه انرژی مکانیکی موتور را به جریان الکتریسیته تبدیل کرده و از بروز اختلال در سیستم برق خودرو جلوگیری می‌کند، تا انتهای این مقاله همراه ما باشید.

مهمترین عضو سیستم شارژ، مولد برق است که در خودرو های امروزی آلترناتور نامیده می‌شود مصرف انرژی الکتریکی در خودروها روز به روز در حال افزایش است. بنابراین نیاز به دستگاهی که تولید جریان برق را انجام دهد نیاز همیشگی است، همانطور که می دانید یکی از منابع تولید برق خودرو، باتری ها هستند. اما باتری ها نمیتوانند انرژی الکتریکی خودرو را برای مدت طولانی تامین کنند.بنابراین خودرو نیاز به سیستمی دارد که بتواند علاوه بر تامین برق مورد نیاز خود، باتری را هم شارژ کند. این کار، وظیفه سیستم شارژ میباشد. . این مقاله در مورد اجزا و عملکرد آلترناتور مورد استفاده در خودروها بنزینی یا گازوییلی است. خودروهای هیبریدی یا برقی میتوانند از نوع دیگری از مولد برق استفاده کنند.

آلترناتور یا دینام خودرو؛ کدام درست است؟

در دنیای خودرو، آلترناتور قلب تپنده سیستم برق است. اگرچه در بازار و بین تعمیرکاران، این دستگاه به نام دینام شناخته می‌شود، اما از نظر مهندسی تفاوت‌های کلیدی دارند. شکل زیر تفاوت ظاهری و ساختاری این دو را نشان می‌دهد:

سمت راست: دینام         سمت چپ آلترناتور
شکل 1- نمونه دینام

تفاوت آلترناتور و دینام خودرو

بد نیست بدانید: دینام‌ها نسل قدیم مولدها در خودروها بودند و تقریباً حدود 50 سال است که روی خودروها استفاده نمی‌شوند. اصطلاح دینام از همان زمان در بین تعمیرکاران متداول شده است.آلترناتورها و دینام‌ها از نظر عملکرد با هم متفاوت هستند بنابراین بهتر است برای هرکدام کلمه صحیح آن استفاده شود. همانطور که گفته شد حدود 50 سال است که روی خودروها به‌جای دینام، آلترناتور استفاده می‌شود. به همین دلیل در این مقاله اجزا و عملکرد دینام تشریح نخواهد شد.
آلترناتورها مولد جریان برق از نوع متناوب هستند به همین دلیل به آنها AC Generator نیز گفته می‌شود. جریان برق تولید در آلترناتورها معمولاً از نوع سه‌فاز است.
نکته: وقتی صحبت از سه‌فاز می‌شود ممکن است این تصور به وجود بیاید که ولتاژ بسیار بالایی دارند. اما در واقع ولتاژ آلترناتورها در خودروها به‌هیچ‌عنوان مانند ولتاژ برق سه‌فاز (صنعتی) نیست.

اجزا آلترناتور یا دینام خودرو

شکل 2 اجزا آلترناتورها را نشان می‌دهد. نظر به تنوع آنها ممکن است شکل برخی قطعات در هر آلترناتور نسبت به دیگری متفاوت باشد.

1- پولی 2- بلبرینگ جلو 3- روتور 4- استاتور 5- درپوش عقب
6- رگولاتور و ذغال 7- درپوش پلاستیکی 8- صفحه دیود 9- درپوش جلو

شکل 2- اجزا عمومی آلترناتور یا دینام

لیست قطعات اصلی به تفکیک:

1. پولی: دریافت‌کننده نیروی چرخشی از موتور.

2. بلبرینگ جلو: برای کاهش اصطکاک روتور.

3. روتور: بخش چرخان که میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند.

4. استاتور: بخش ثابت که برق در آن القا می‌شود.

5. درپوش‌های جلو و عقب: محافظت از ساختار داخلی.

6. رگولاتور و زغال: کنترل‌کننده ولتاژ خروجی و انتقال جریان.

7. صفحه دیود: تبدیل‌کننده جریان متناوب (AC) به مستقیم (DC).

8. درپوش پلاستیکی: محافظت از بخش‌های الکترونیکی عقب.

در ادامه به شرح وظیفه هر یک از اجزا پرداخته می‌شود.

نکته : به دلیل اینکه آلترناتورها برق متناوب تولید می‌کنند، وجود صفحه دیود (Rectifier) حیاتی است. اگر این قطعه آسیب ببیند، برق متناوب وارد سیستم شده و می‌تواند به ECU و باتری خودرو صدمات جبران‌ناپذیری بزند

1- پولی (Pully)

نیروی گردشی آلترناتور توسط موتور تأمین می‌شود برای انتقال این نیروی دورانی از تسمه تجهیزات جانبی و پولی استفاده می‌شود. متناسب با نوع تسمه معمولاً دو نوع پولی برای آلترناتورها استفاده می‌شود. شکل 3 این دو نوع را نشان می‌دهد.

سمت راست: پولی شیاردار سمت چپ: پولی ساده
شکل 3- انواع پولی آلترناتور

پولی‌های شیاردار برای تسمه از نوع شیاردار و پولی‌های ساده برای تسمه از نوع ذوزنقه‌ای استفاده می‌شود. نظر به راندمان بالاتر در تسمه و پولی شیاردار عموماً خودروهای روز از این نوع استفاده می‌کنند.

2- درپوش‌ها در عملکرد دینام

درپوش‌ها شامل درپوش جلو (شماره 9- شکل 2)،درپوش عقب (شماره 5- شکل 2)و درپوش پلاستیکی (شماره 7- شکل 2) می‌باشند. وظیفه نگهداری اجزا آلترناتور بر عهده این درپوش‌ها است. روی درپوش جلو و عقب جای برای قرارگرفتن بلبرینگ‌ها در نظر گرفته می‌شود. از طریق دسته‌هایی که روی درپوش‌ها قرار داده می‌شود. آلترناتور به موتور متصل می‌شود.

3- روتور

قسمت متحرک داخل دینام است. در بازار به نام آرمیچر نیز شناخته می‌شود. وظیفه روتور تولید میدان مغناطیسی (آهنربایی) است. شکل 4 اجزا روتور را نشان می‌دهد.

شفت (محور) 2- چنگکی 3- سیم‌پیچ (بوبین) 4 – پروانه 5- بلبرینگ 6- کلکتور
شکل 4- روتور و اجزا آن

جریان برق توسط زغال‌ها به کلکتورها می‌رسد. ابتدا و انتهای سیم‌پیچ (شماره 3- شکل 4) روی کلکتورها است بنابراین برق به سیم‌پیچ‌ها رسیده آنها آهنربا می‌شوند. چنگک‌هایی که در سمت N سیم‌پیچ قرار دارند همه N و چنگک‌هایی که در سمت S سیم‌پیچ قرار دارند همه تبدیل به قطب S می‌شوند. شکل 5 این مورد را نشان می‌دهد.

شکل 5- نحوه مغناطیس شدن روتور

4- استاتور

جریان برق در استاتور تولید می‌شود. شکل 6 استاتور و اجزا آن را نشان می‌دهد.

1- سیم‌پیچ (بالشتک) 2- بدنه استاتور
شکل 6 – استاتور و اجزا آن

نظر به اینکه دینام‌ها سه‌فاز هستند، حداقل سه دسته سیم مجزا در قسمت سیم‌پیچ وجود دارد به‌ازای هر فاز یک (حداقل) یک دسته سیم یعنی حداقل 6 سر سیم در هر استاتور وجود دارد بنابراین این یکی از نکات مهم در هر استاتور نحوه اتصال این سرسیم‌ها به هم است که به آن سربندی می‌گویند. شکل 7 انواع معروف سربندی‌های استاتور را نشان می‌دهد.

شکل 7- انواع سربندی استاتور

نکته: دانستن نوع سربندی در بررسی و عیب‌یابی آلترناتور اهمیت فراوانی دارد.

5- رگولاتور (آفتامات) در عملکرد دینام

باتوجه‌به اینکه آلترناتور با کمک تسمه به موتور متصل است بنابراین دور آن متناسب با دور موتور تغییر می‌کند، در دورهای بالا باعث افزایش ولتاژ تولیدی برق خواهد شد. وظیفه رگولاتور تنظیم حداکثر ولتاژ تولیدی در دینام است. رگولاتور در بازار ایران به نام آفتامات نیز شناخته می‌شود. شکل 8 چند نمونه رگولاتور را نشان می‌دهد.

شکل 8- چند نمونه رگولاتور

نکته: معمولاً آفتامات و ذغال و جا ذغالی در یک مجموعه قرار دارند.
آفتامات‌های قدیمی معمولاً شامل چند مقاومت، خازن، دیود و ترانزیستور بودند اما در رگولاتورهای آلترناتورهای امروزی عموماً فرایند کنترل توسط یک IC انجام می‌شود. به همین دلیل ابعاد رگولاتورهای امروزی بسیار کوچک‌تر از انواع قدیمی‌تر می‌باشند

6- صفحه دیود

یکی دیگر از اجزا مهم در دینام صفحه دیود یا صفحه یکسوکننده (رکتیفایر) است. معمولاً روی صفحه دیود بین 6 الی 21 دیود قرار گرفته است. وظیفه صفحه دیود تبدیل برق سه‌فاز متناوب به برق مستقیم است.

عملکرد آلترناتور خودرو؛ از میدان مغناطیسی تا جریان مستقیم

همانطور که ذکر شد، آلترناتورها مولد جریان برق متناوب می‌باشند. اساس عملکرد آلترناتور بر این است بصورت بسیار ساده به‌این‌ترتیب است که با برق دادن (مقدار کم) به سیم‌پیچ روتور، روتور تبدیل به آهنربا می‌شود. سپس با چرخاندن میدان آهنربایی، جریان الکتریکی در قسمت ثابت شده روی بدنه آلترناتور که استاتور نام دارد تولید می‌شود. انیمیشن 9 این حالت را نشان می‌دهد.

شکل 9- انیمیشن تولید جریان برق سه‌فاز

خطوط قوای مغناطیسی توسط سیم‌هایی که از داخل استاتور گذشته است قطع می‌شوند این عمل باعث می‌شود که جریان الکتریکی در جهت عقربه‌های ساعت در سیم‌پیچ تولید شود. متناسب با زاویه بین خطوط میدان مغناطیسی و ولتاژ تولیدی می‌تواند صفر، حداکثر مثبت و یا حداکثر منفی باشد. شکل 10 این موارد را در یک فاز نشان می‌دهد.

شکل 10 – رابطه بین ولتاژ تولیدی و زاویه میدان در یک فاز

حالت شکل 10 برای هر سه‌فاز اتفاق می‌افتند بنابراین مطابق شکل 11 یک جریان برق سه‌فاز خواهیم داشت.

شکل 11- ترکیب سه‌فاز و ایجاد جریان متناوب 3 فاز

همانطور که گفته شد جریان برق سه‌فاز در خودرو قابل‌استفاده نمی‌باشد بنابراین لازم است که با کمک صفحه دیود به جریان برق مستقیم تبدیل شود. با استفاده از یک دیود می‌توان نیم موج منفی را از برق تولیدی حذف کرد. این حالت در شکل 12 نشان‌داده‌شده است.

شکل 12- یک‌سوسازی نیم موج برق تک‌فاز با کمک یک دیود

یک‌سوسازی نیم موج کیفیت مناسبی ندارد بنابراین ضروری است برای یک‌سوسازی تمام موج از تعداد بیشتری دیود استفاده کرد. معمولاً برای هر فاز حداقل دو دیود برای یک‌سوسازی تمام موج ضروری است. همانطور که در شکل 13 مشاهده می‌شود. خروجی صفحه دیود جریان برق تمام موج است.

شکل 13- یک‌سوسازی تمام موج سه‌فاز با کمک 6 دیود

همانطور که در شکل 13 مشاهده می‌شود منحنی خروجی صفحه دیود هنوز دارای نوسان است. برای کاهش این نوسانات و نزدیک‌تر شدن به جریان برق مستقیم معمولاً از یک خازن استفاده می‌شود. شکل 14 اثر استفاده از خازن را نشان می‌دهد.

شکل 14- استفاده از خازن برای کاهش دامنه نوسان

ولتاژ تولیدی با افزایش دور موتور افزایش میابد بنابراین لازم است به نحوی این افزایش ولتاژ کنترل شود. رگولاتور این کار را با کنترل ولتاژ ارسالی روتور کنترل می‌کند. هرگاه دور موتور زیاد شود و ولتاژ خروجی شروع به زیادشدن کرد، رگولاتور ولتاژ برق ورودی به روتور را کاهش می‌دهد. در نتیجه میدان آهنربایی ضعیف شده و در نهایت ولتاژ تولیدی حتی پس از افزایش دور موتور نیز در یک محدوده ثابت می‌ماند. شکل 15 عملکرد آفتامات در مدار را به‌صورت بسیار ساده نشان می‌دهد.

شکل 15- نحوه کنترل ولتاژ تولیدی توسط کنترل ولتاژ روتور

در این مقاله بررسی کردیم که آلترناتور (دینام) چگونه با استفاده از اصول الکترومغناطیس، انرژی مکانیکی موتور را به جریان الکتریسیته تبدیل می‌کند. از تفاوت‌های فنی میان آلترناتور و دینام‌های قدیمی گرفته تا نقش حیاتی رگولاتور و دیودها در حفظ سلامت سیستم برق خودرو، همگی نشان‌دهنده پیچیدگی و ظرافتِ این قطعه به ظاهر ساده هستند.

سوالات متداول

آیا دینام و آلترناتور یکی هستند؟

از نظر فنی خیر؛ دینام نسل قدیمی مولدهای برق (DC) است که دهه‌هاست جای خود را به آلترناتورها (AC) داده است. اما در بازار ایران، اصطلاح دینام به اشتباه برای هر دو قطعه استفاده می‌شود. بنابراین وقتی تعمیرکار از خرابی دینام صحبت می‌کند، احتمالاً منظور همان آلترناتور خودروی شماست.

مهم‌ترین وظیفه آلترناتور در خودرو چیست؟

وظیفه اصلی آلترناتور تأمین برق مورد نیاز تمام مصرف‌کننده‌ها (مثل چراغ‌ها، سیستم صوتی، ECU) در زمان روشن بودن موتور و همزمان شارژ کردن مجدد باتری است.

علائم اصلی خرابی آلترناتور چیست؟

روشن شدن چراغ باتری در صفحه کیلومتر، کم‌نور شدن چراغ‌های جلو در دور آرام، شنیده شدن صدای نویز (خرخر) از سمت موتور و در نهایت استارت نخوردن یا ضعیف استارت خوردن خودرو، از مهم‌ترین نشانه‌های نقص در سیستم شارژ هستند. اگر می‌خواهید بدانید چگونه با استفاده از یک مولتی‌متر ساده، سلامت این قطعه را بررسی کنید و از خرابی‌های پرهزینه پیشگیری کنید، پیشنهاد می‌کنیم حتماً مقاله راهنمای جامع عیب‌یابی آلترناتور را مطالعه کنید.

چرا آلترناتورها به جای جریان مستقیم، برق متناوب تولید می‌کنند؟

آلترناتورها به دلیل ساختار داخلی (روتور و استاتور) ذاتاً برق متناوب تولید می‌کنند. این طراحی باعث می‌شود آلترناتورها در دور موتورهای پایین نیز بازدهی بسیار بالایی داشته باشند؛ چیزی که دینام‌های قدیمی در آن ضعیف بودند.

 آیا می‌توان با دینام (آلترناتور) خراب رانندگی کرد؟

خیر؛ اگر آلترناتور کار نکند، خودرو تنها از انرژی ذخیره شده در باتری استفاده می‌کند. با اتمام شارژ باتری، خودرو در عرض چند دقیقه خاموش شده و دیگر روشن نمی‌شود. ادامه رانندگی با آلترناتور خراب می‌تواند به باتری و سیستم‌های الکترونیکی حساس خودرو آسیب بزند.

نویسنده:مهندس بهروز خطیبی