В автомобилните приложения основната задача на алтернатора е да покрие нуждата от електричество на инсталираните устройства и да зареди акумулатора. В моторните превозни средства постепенно се увеличава броят на инсталираните устройства, а в резултат на това се увеличава консумираната електроенергия, доставяна от алтернатора. Увеличаването на дела на автоматизацията и постоянното подобряване на комфорта на потребителите на автомобили са най-важните движещи сили на настъпващите промени. В някои случаи един алтернатор не е в състояние да покрие пълната нужда от електрическа енергия и в такива случаи се монтират допълнителни алтернатори, например в автобусите. По отношение на инсталацията 12 V – докато в края на 50-те години мощността на най-големия алтернатор беше 600 W, в момента тя е около 3 000 W и не очакваме тази стойност да бъде надвишена в близко бъдеще.

Един от важните фактори, ограничаващи по-нататъшното увеличаване на мощността, е количеството топлина, отделяно по време на преобразуването на механичната енергия в електрическа. Основният фактор, предизвикващ генериране на топлина, е токът, протичащ през намотките на статора и диодите на токоизправителя. Повишаването на температурата на алтернатора зависи от интензивността на разсейване на отделяната топлина. Температурата вътре в алтернатора ще се стабилизира на стойността, съответстваща на ситуацията, когато количеството отделена топлина съвпада с количеството разсеяна топлина.

В съвременните алтернатори допустимата температура зависи от термичната устойчивост на най-слабия използван елемент и най-често не надвишава 200°C. Като се има предвид, че алтернаторът обикновено е прикрепен към горещия корпус на двигателя, охлаждащият въздух е с температура, близка до тази на двигателя с вътрешно горене. Понастоящем се приема, че температурата на охлаждащия въздух може да бъде 130°C и вследствие на това допустимото повишаване на температурата на алтернатора е значително ограничено. Надеждността на работата на алтернатора зависи от проектирането на такава конструкция, която да може ефективно да отвежда навън това значително количество отделена топлина. Първоначално (до 70-те години на миналия век) алтернаторите са имали външен вентилатор, както е показано на фиг. 1, но този метод на охлаждане при увеличени токове на натоварване се оказва недостатъчен.

Фиг. 1 Първоначален метод за охлаждане на вътрешността на алтернатора. Снимка AS-PL

Фиг. 2 Метод за охлаждане на съвременните алтернатори. Снимка AS-PL

През следващите години настъпва коренна промяна на начина на охлаждане. Вместо външния вентилатор бяха използвани два вентилатора, благодарение на подходящо подбраните
лопатки от двете страни на ротора (фиг. 2). Тази промяна, заедно с ажурния корпус, улеснява потока на охлаждащия въздух. Този тип конструкция се нарича компактна конструкция (фиг. 3).

Фиг. 3. Най-важната еволюция в конструкцията на алтернаторите и техните ротори. Снимки AS-PL

Еволюцията на конструкцията на алтернатора продължава непрекъснато. Тя обхваща също така и начините на навиване на намотките на статора и конструкцията на радиаторите на изправителя. Докато загряването на алтернатора не е нещо необичайно, мащабът на генерираната топлина може да се окаже изненадващ. Ефективността на често използваните алтернатори варира от 60% до 75%, което означава, че за да се генерира необходимото електричество, е необходимо да се загубят допълнително не по-малко от 25% до 40% от консумираната механична енергия. Понастоящем някои от най-новите конструкции на алтернаторите, благодарение на множество допълнителни модификации, постигат ефективност от около 80%.

Начинът, по който е консумирана механичната енергия, доставяна до алтернатора, е показан на фиг. 4. За прогнозните изчисления бе избран използваният и произвеждан понастоящем алтернатор с номинално напрежение 12 V, номинален ток 140 A, чиято ефективност по каталог според данните на производителя е не по-малка от 65%. Въз основа на множество публикации и собствени експерименти могат да се направят следните изводи:

• Около половината от електрическата енергия, генерирана от алтернатора, се губи чрез отделяната във вътрешността му топлина;
• По-голямата част от топлината се генерира в намотките на статора;
• Диодите в токоизправителния мост отделят значителни количества топлина;
• Неочаквано големи загуби на енергия в желязото – тоест в металната част на статора.

Загубите на енергия по време на преобразуване винаги са следствие от приетите конструктивни решения. Поради масовото производство на алтернатори, изборът на конструкцията е значително повлиян не само от ефективността на преобразуването, но преди всичко от сложността и цената на производството. Всички изброени заключения оказват значително влияние върху проектирането на алтернатори. Най-големите загуби на енергия са свързани с нагряването на намотките на статора. Поради икономически причини и габаритни ограничения, конструкторите приемат относително висока плътност на тока в намотките на статора.

Фиг. 4. Загуби при преобразуване на енергия. AS-PL
Благодарение на въведената конструктивна промяна, разположените върху ротора лопатки охлаждат по-добре страничните части на намотките на статора, стърчащи над лопатките на ротора (Фиг. 3). По-интензивното движение на въздуха охлажда също така и токоизправителните диоди. Токоизправителният диод не е идеален токоизправител. По време на провеждането на ток върху всеки диод се наблюдава пад на напрежението. Във всеки момент токът на натоварване протича през минимум два диода. За разглеждания алтернатор отделената в изправителя топлина съответства на нагревател с мощност 280W.

В статора топлината се генерира не само в неговите намотки, но и в самата метална сърцевина. Стремежът за ограничаване на загубите в метала влияе върху конструкцията на статора. Металната част на статора е елемент от веригата на магнитното поле, генерирано от въртящия се ротор на алтернатора. В отделните сегменти на сърцевината магнитното поле постоянно променя посоката си с честота до няколкостотин херца (при 3000 об./мин. на двигателя честотата е около 600 Hz). Това променливо магнитно поле води до загуби на енергия за премагнетизиране и е причина за появата на ефекта на вихрови токове, който зависи във втора степен от честотата. Практическото използване на това явление се прилага широко в индукционните кухненски плотове в нашите домове. За да се получат необходимите топлинни ефекти, там е използвана честота на полето 24 kHz.

При алтернатора генерирането на топлина е нежелателно. Ако сърцевината на статора е изработена от масивен материал (като тиган например), загубата на енергия и нагряването й биха били много по-големи. За да се ограничат тези явления, сърцевината на статора е изработена от тънки ламаринени листове, електрически изолирани помежду си. Магнитният поток, протичащ вътре в тънките ламаринени листове, причинява много по-ниски вихрови токове, намалявайки значително неизбежните загуби на енергия. За да се ограничат допълнително вихровите токове и да се влоши електрическата проводимост, листовете са изработени от специален клас стомана, с повишено съдържание на силициеви съединения. Този начин за ограничаване на въздействието на вихровите токове се използва във всички магнитни вериги на променлив ток.

Търсенето на по-съвършени решения продължава. Водещите производители на алтернатори вече предлагат в своите каталози продукти с ефективност близо 80%. Всеки успех в тази област е в съответствие с глобалната тенденция за по-добра грижа за околната среда. По-високата ефективност означава по-нисък разход на гориво. В стремежа за намаляване на разхода на гориво в алтернаторите от много години се използват задвижващи колела с еднопосочен съединител, които използват кинетичната енергия на ротора на алтернатора за намаляване на скоростта на въртене на двигателя с вътрешно горене. В най-новите решения алтернаторът може да подпомага двигателя с вътрешно горене при внезапно ускорение, да подпомага спирачната система и да използва спирачната енергия за зареждане на акумулатора, а също така може да стартира топъл двигател с вътрешно горене вместо стартер.