آلترناتور چگونه ژنراتور را از چرخه خودرو حذف کرد؟ تاریخچه تحول سیستم برق‌رسانی خودرو
فهرست مطالب:
به گزارش مجله ماشین، تأمین برق، یکی از حیاتی‌ترین نیازهای خودروهای مدرن است. درحالی‌که اولین موتورهای احتراق داخلی (مانند بنز پتنت-موتورواگن ۱۸۸۵) فقط به یک باتری و کویل لرزاننده برای جرقه زدن نیاز داشتند، با ظهور تجهیزاتی چون چراغ‌های جلو، سیستم صوتی و مهم‌تر از همه، استارتر الکتریکی، نیاز به یک سیستم تولید برق قدرتمند و پایدار ضروری شد. در سال ۱۹۱۲، کادیلاک اولین خودرویی بود که با یک سیستم الکتریکی کامل و استارتر عرضه شد که این استارتر نقش ژنراتور را نیز ایفا می‌کرد.
ضعف‌های ژنراتورهای قدیمی (دینام‌ها)
ژنراتورها یا دینام‌های اولیه که حتی پیش از کادیلاک، در مدل‌هایی چون Semper Vivus ساخته فردیناند پورشه نیز استفاده شده بودند، یک ایراد اساسی داشتند: عدم پایداری و وابستگی شدید به دور موتور (RPM). این دستگاه‌ها برای تولید ولتاژ مناسب، به سرعت بالایی در چرخش نیاز داشتند.
علت اصرار اولیه بر استفاده از ژنراتورها این بود که آن‌ها مستقیماً جریان مستقیم (DC) تولید می‌کردند؛ شکلی از برق که مورد نیاز برای تغذیه قطعات و شارژ باتری خودرو است. در مقابل، آلترناتورها که از نظر ساختار ساده‌تر، بادوام‌تر و کارآمدتر هستند، جریان متناوب (AC) تولید می‌کردند که مستقیماً قابل استفاده در خودرو نبود. بنابراین، خودروسازان مجبور بودند با محدودیت‌های دینام‌ها کنار بیایند.
نقطه عطف: دیودهای سیلیکونی و پایان عصر ژنراتور
تغییردهنده اصلی بازی، نه در صنعت خودرو، بلکه در جریان جنگ جهانی دوم رخ داد. پیشرفت در ساخت یکسوسازهای دیود سیلیکونی (Silicon Diode Rectifiers)، امکان تبدیل ارزان و قابل اطمینان جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) را فراهم کرد.
با ظهور این فناوری، مزایای آلترناتورها آزاد شد. در نهایت، شرکت کرایسلر در سال ۱۹۶۰ و با معرفی پلیموث وایلیانت، اولین خودرویی را به بازار عرضه کرد که مجهز به آلترناتور بود و بدین ترتیب، دوران تولید برق بادوام در خودروها آغاز شد.
آناتومی شکست ژنراتور: مشکل در تماس فیزیکی
برای درک دلیل ناکارآمدی ژنراتورها، باید ساختار درونی آن‌ها را بررسی کرد. در یک ژنراتور، آرمیچر (Armature) یا روتور (Rotor) در داخل سیم‌پیچ‌های ثابت (استاتور) می‌چرخد و میدان مغناطیسی تولید می‌کند. جریان القایی از طریق کموتاتور (Commutator)—یک حلقه مسی با شکاف‌هایی برای جلوگیری از اتصال کوتاه—به جاروبک‌های کربنی (Carbon Brushes) منتقل شده و سپس وارد سیستم برقی خودرو می‌شود.
اشکال اصلی در همین تماس فیزیکی بود:
استهلاک جاروبک‌ها: جاروبک‌ها دائماً با کموتاتور در تماس هستند و به مرور زمان دچار سایش شده و نیاز به تعویض پیدا می‌کنند.
قطع جریان در دور بالا: در سرعت‌های بالا، احتمال جدا شدن جاروبک‌ها از کموتاتور افزایش می‌یافت و در نتیجه، انتقال برق متوقف می‌شد.
تولید حرارت و آسیب جدی: چرخش سریع ژنراتور، مقاومت تماسی بالا و افزایش حرارت می‌توانست باعث ذوب شدن لحیم‌کاری قطعات داخلی شود؛ پدیده‌ای که در اصطلاح قدیمی «ریختن لحیم» نامیده می‌شد و ژنراتور را از کار می‌انداخت.
برتری مطلق آلترناتورها
آلترناتورها با برطرف کردن ضعف‌های ژنراتورها، کارایی فوق‌العاده‌ای را ارائه دادند:
- کارایی بالاتر و قدرت بیشتر: برخلاف ژنراتورها که جریان توسط روتور منتقل می‌شود، در آلترناتورها سیم‌پیچ‌ها (استاتور) مستقیماً به خروجی متصل هستند. این ساختار انتقال برق را روان‌تر می‌کند.
- تولید برق بهتر در دور پایین: آلترناتورها قادرند در دورهای پایین موتور، برق بیشتری تولید کنند.
- توان خروجی سه‌برابری: به جای یک سیم‌پیچ، آلترناتورها سه مجموعه سیم‌پیچ استاتور دارند که در نتیجه، با همان میزان چرخش، سه برابر انرژی بیشتری تولید می‌کنند.
- طول عمر بیشتر: عدم تماس فیزیکی مداوم جاروبک‌ها با کموتاتور، سایش را به حداقل می‌رساند و دوام سیستم را به شدت افزایش می‌دهد.
اگرچه ایده جایگزینی ژنراتورهای DC با مدل‌های بدون جاروبک در سال ۱۹۶۲ مطرح شد، اما با ورود قاطع آلترناتورهای یکسوسازی‌شده با قطعات نیمه‌هادی (Solid-State Rectified Alternators)، دیگر نیازی به توسعه ژنراتورهای DC نبود.
آینده‌ای بدون آلترناتور؟
با وجود تمام مزایا، حتی آلترناتورها نیز ممکن است در آینده جایگاه خود را از دست بدهند. در حال حاضر، خودروهای هیبریدی از آلترناتور استفاده نمی‌کنند و برای تبدیل ولتاژ باتری‌ها از مبدل DC به DC بهره می‌برند. خودروهای تمام الکتریکی نیز به وضوح نیازی به این سیستم ندارند.
برای موتورهای احتراق داخلی، محققان به دنبال روش‌های نوینی مانند ژنراتورهای ترموالکتریک هستند که با استفاده از اختلاف دما و حرارت اتلافی موتور و اگزوز، برق تولید کنند. این روش‌ها با حذف بار اضافی از روی موتور، به کاهش مصرف سوخت و افزایش راندمان خودرو کمک خواهند کرد.
