Factores que influyen en el calentamiento del alternador y su efecto en la evolución de las soluciones de diseño

En aplicaciones de automoción, el propósito principal del alternador es satisfacer las demandas eléctricas del equipo instalado y recargar la batería. En vehículos motorizados, la cantidad de equipo instalado está creciendo constantemente, y la consecuencia es un mayor consumo de electricidad suministrada por el alternador. El aumento del papel de la automatización y la mejora sistemática del confort de los usuarios del vehículo son los motivos más importantes para los cambios que se están produciendo. En algunos casos, un solo alternador no puede cubrir toda la demanda de electricidad y, en tales casos, se instalan alternadores adicionales, por ejemplo, en autobuses. En cuanto a los sistemas de 12 voltios, mientras que a finales de la década de 1950 la potencia del alternador más grande era de 600 W, ahora es de alrededor de 3.000 W y no se espera que exceda este valor en el futuro cercano.

Uno de los factores importantes que limita un aumento adicional de potencia es la cantidad de calor liberado durante la conversión de energía mecánica a energía eléctrica. El principal factor que causa la generación de calor es la corriente que fluye a través del devanado del estator y los diodos rectificadores. El aumento de temperatura del alternador depende de la tasa de disipación de calor generada. La temperatura dentro del alternador se estabilizará en un valor que corresponde a una situación donde la cantidad de calor liberado es igual a la cantidad de calor disipado.

En alternadores modernos, la temperatura permitida depende de la resistencia térmica del componente más débil utilizado y, generalmente, no excede los 200°C. Dado que el alternador suele estar montado en un motor caliente, el aire de enfriamiento está cerca de la temperatura del motor de combustión interna. En la actualidad, se asume que la temperatura del aire de enfriamiento puede ser de 130°C, lo que limita significativamente el aumento de temperatura permitido del alternador. El funcionamiento confiable de un alternador depende de que su diseño permita disipar eficazmente una cantidad considerable de calor generado hacia el exterior. Inicialmente (hasta la década de 1970), los alternadores tenían un ventilador externo como se muestra en la Figura 1, pero este método de enfriamiento resultó inadecuado con corrientes de carga elevadas.

Los años siguientes vieron un cambio completo en el método de enfriamiento. En lugar de un ventilador externo, se utilizaron dos ventiladores colocando cuchillas apropiadas en ambos lados del rotor (Figura 2). Este cambio, junto con la carcasa enrejada, facilitó el flujo de aire de enfriamiento. Este tipo de diseño se conoce como compacto (fig.3).

El diseño del alternador continúa evolucionando. Esto también se aplica a los métodos de bobinado del estator y al diseño del radiador rectificador. Mientras que el calentamiento del alternador apenas sorprende, la magnitud del calor liberado puede ser sorprendente. La eficiencia de los alternadores comúnmente utilizados varía entre el 60% y el 75%, lo que significa que no menos del 25% al 40% de la energía mecánica extraída debe perderse adicionalmente para generar la electricidad requerida. Actualmente, algunos diseños recientes de alternadores, gracias a numerosas modificaciones adicionales, logran una eficiencia de alrededor del 80%.

La forma de consumo de energía mecánica por parte del alternador se muestra en la Figura 4. Para los cálculos estimados, se seleccionó un alternador actualmente utilizado y fabricado con un voltaje nominal de 12 V y corriente nominal de 140 A, cuya eficiencia según los datos del fabricante no es inferior al 65%. Basándose en numerosas publicaciones y experimentos propios, se pueden extraer las siguientes conclusiones:

• Aproximadamente la mitad de la energía eléctrica producida por el alternador se pierde en forma de calor generado internamente.
• La mayor cantidad de calor se libera en los devanados del estator.
• Los diodos en el puente rectificador emiten una cantidad significativa de calor.
• Inesperadamente, se producen pérdidas de energía muy altas en el hierro, es decir, en la parte metálica del estator.

Las pérdidas de energía durante el procesamiento son siempre consecuencia de las soluciones de diseño adoptadas. Debido a la producción en masa de alternadores, la elección del diseño está influenciada fundamentalmente no solo por la eficiencia de conversión, sino sobre todo por su facilidad de fabricación y el coste de producción. Todos estos hallazgos tienen un impacto significativo en las soluciones de diseño del alternador. La mayor pérdida de energía se debe al calentamiento de los devanados del estator. Consideraciones económicas y limitaciones de tamaño han llevado a los diseñadores a asumir una densidad de corriente relativamente alta en los devanados del estator.

Gracias al cambio constructivo introducido, las cuchillas colocadas en el rotor proporcionan una mejor refrigeración de las partes laterales de los devanados del estator que sobresalen sobre las cuchillas del rotor (Figura 3). El movimiento de aire más intenso también enfría los diodos en el rectificador. Un diodo rectificador no es un rectificador perfecto. Hay una caída de voltaje a través de cada diodo durante la conducción de corriente. En cualquier momento, la corriente de carga fluye a través de al menos dos diodos. Para el alternador en cuestión, el calor liberado en el rectificador corresponde a un calentador de 280 W.

En un estator, se genera calor no solo en sus devanados, sino también en el núcleo metálico en sí. Un intento de reducir la pérdida de hierro también tiene consecuencias en el diseño del estator. La parte metálica del estator es parte del circuito del campo magnético producido por el rotor móvil del alternador. En fragmentos individuales del núcleo, el campo magnético cambia sistemáticamente su dirección con una frecuencia de hasta varios cientos de hertzios (a 3.000 rpm, la velocidad del motor es de aproximadamente 600 Hz). Este campo magnético alternante causa pérdida de energía por sobreexcitación y resulta en corrientes de Foucault que dependen, en el contexto de la segunda potencia, de la frecuencia. El uso práctico de este fenómeno se utiliza comúnmente en las placas de inducción en nuestros hogares. Para obtener los efectos térmicos necesarios, se utiliza una frecuencia de variación de campo de 24 kHz.

En el caso de un alternador, el calor generado es indeseable. Si el núcleo del estator estuviera hecho de material sólido (como en una sartén), la pérdida de energía y su calentamiento serían mucho mayores. Para limitar estos fenómenos, el núcleo del estator está hecho de láminas delgadas, aisladas eléctricamente entre sí. El flujo magnético que circula dentro de las láminas delgadas provoca corrientes de Foucault mucho más pequeñas, reduciendo en gran medida las pérdidas de energía inevitables. Para reducir aún más las corrientes de Foucault y deteriorar la conductividad eléctrica, las láminas están hechas de una calidad especial de acero que contiene un mayor contenido de compuestos de silicio. Esta forma de limitar los efectos de las corrientes de Foucault se utiliza en todos los circuitos magnéticos de corriente alterna.

La búsqueda de soluciones mejores continúa. Los principales fabricantes de alternadores ya tienen productos en sus catálogos con eficiencias que se acercan al 80%. Cualquier éxito en esta área es parte de una tendencia global hacia un mejor cuidado del medio ambiente. Una mayor eficiencia significa un menor consumo de combustible. En un esfuerzo por reducir el consumo de combustible, los embragues de rueda libre se han utilizado en alternadores durante muchos años, aprovechando la energía cinética del rotor del alternador cuando la velocidad del motor de combustión interna se reduce. En desarrollos recientes, el alternador puede ayudar al motor de combustión interna en aceleraciones rápidas, asistir en el frenado y utilizar la energía de frenado para recargar la batería, y puede arrancar el motor de combustión interna caliente en lugar del motor de arranque.