Alternator samochodowy przerobiony na prądnicę do wiatraka
- Poziomśredni
- Czas czytania9 min
- Aktualizacja
Alternator jest po pralce drugim najczęstszym punktem startu. Leży w garażu, kosztuje kilkadziesiąt złotych na giełdzie, ma gotowe łożyska, gotową obudowę i wyprowadzone końcówki. Wygląda jak prądnica, którą wystarczy zakręcić.
Problem polega na tym, że alternator nie jest prądnicą w tym sensie, w jakim jest nią przerobiony silnik z pralki. Przeróbka jest inna, trudniejsza w jednym miejscu i łatwiejsza w innym niż przy silniku od pralki. Poniżej po kolei, od przyczyny, dla której alternator sam z siebie nic nie da.
1. Dlaczego alternator zakręcony wiatrem nie daje prądu
Sedno całej sprawy: alternator samochodowy ma wzbudzenie elektromagnetyczne, a nie magnesy trwałe. Na wirniku nie ma żadnego magnesu — jest tam uzwojenie, do którego przez pierścienie i szczotki doprowadza się prąd z akumulatora. Dopiero ten prąd tworzy pole magnetyczne, które kręcąc się indukuje napięcie w stojanie.
Bez prądu wzbudzenia wirnik jest kawałkiem stali. Można go kręcić dowolnie szybko i na wyjściu nie pojawi się nic poza szczątkowym napięciem od magnetyzmu resztkowego blach — rzędu ułamka wolta, bezużytecznym.
W samochodzie to nie przeszkadza, bo akumulator jest zawsze pod ręką: przy przekręceniu kluczyka prąd idzie na szczotki, alternator się wzbudza i po chwili sam zasila własne wzbudzenie. W wiatraku ten łańcuch jest przerwany w dwóch miejscach naraz. Po pierwsze przy bezwietrznej pogodzie wzbudzenie wysysa akumulator, bo pobiera prąd niezależnie od tego, czy alternator cokolwiek produkuje. Po drugie stanowi stałą stratę: przy rezystancji uzwojenia wzbudzenia około 4 Ω i napięciu 12 V mamy prąd rzędu 3 A, czyli 36 W traconych bezpowrotnie. Przy prądnicy, która realnie oddaje 150 W, to jedna czwarta produkcji zjadana przez samą siebie.
Stąd cała przeróbka: wymieniamy wzbudzenie elektromagnetyczne na magnesy trwałe. Znika pobór 36 W, znikają szczotki i pierścienie — czyli jedyna część alternatora, która zużywa się na wiatraku szybciej niż na samochodzie, bo pracuje bez przerwy przez cały sezon.
2. Które alternatory się nadają
Kryterium pierwsze i najważniejsze: moc z tabliczki znamionowej. Z przeróbki amatorskiej wychodzi realnie 25–50% wartości znamionowej — resztę zjada niższa indukcja magnesów naklejonych ręcznie w porównaniu z fabrycznym wzbudzeniem, straty w regulatorze i praca poniżej obrotów nominalnych. Alternator od małego samochodu o mocy 500 W przy 1000 obr/min da po przeróbce rzędu 120–250 W, i to przy dobrym wietrze. Alternator ciężarowy o mocy 1440 W daje nadzieję na 350–700 W.
Kryterium drugie: obroty znamionowe. Alternatory samochodowe są projektowane na 1500–2000 obr/min przy pracy z silnikiem — bo napędza je pasek z przełożeniem podnoszącym obroty względem wału. To najpoważniejszy problem całej przeróbki i wraca w punkcie 7.
Kryterium trzecie: dostęp do wirnika. Alternator trzeba rozebrać, a to znaczy, że musi dać się rozebrać — bez wybijania zaprasowanych łożysk i bez rozcinania obudowy. Starsze konstrukcje ze śrubami przechodzącymi przez całą obudowę rozbiera się w kwadrans. Nowsze, kompaktowe, z regulatorem i prostownikiem zalanymi w jednym module, potrafią się nie rozebrać wcale bez zniszczenia.
Po czym poznać kandydata: duża, ciężka jednostka, widoczne śruby obudowy, wyprowadzone osobno końcówki B+, D+ i masa. Odpada wszystko, co ma jednolitą, zalaną tylną pokrywę i jedno gniazdo wtykowe.
3. Wirnik pazurowy — co z nim zrobić
Wirnik alternatora nie wygląda jak wirnik silnika od pralki. Zamiast pakietu blach z klatką ma dwie stalowe gwiazdy o zazębiających się palcach (stąd nazwa: wirnik pazurowy, kłowy). Uzwojenie wzbudzenia jest schowane w środku, między gwiazdami, a palce prowadzą jego strumień na zewnątrz — jeden zestaw palców tworzy wszystkie bieguny północne, drugi wszystkie południowe. Liczba palców na gwiazdę odpowiada liczbie par biegunów.
Ta konstrukcja ma dla nas jedną zaletę i jedną wadę. Zaleta: liczba biegunów jest widoczna gołym okiem — wystarczy policzyć palce. Wada: palce są klinowe, nie płaskie, więc nie ma na nich powierzchni pod płytkowy magnes. Nie da się położyć magnesu na palcu i liczyć, że to zadziała.
Praktykowane rozwiązania są trzy. Można obtoczyć palce na płasko, uzyskując cylindryczną powierzchnię o mniejszej średnicy i naklejając na niej magnesy — pod warunkiem, że po obtoczeniu zostanie dość stali, żeby wirnik nie stracił sztywności. Można wyciąć palce całkowicie i naciąć rowki w pozostałym walcu, robiąc z wirnika alternatora zwykły wirnik magnetyczny. Można wreszcie zrobić nowy wirnik z rury stalowej albo pręta, wykorzystując z alternatora tylko wał i łożyska.
Zasady doboru samych magnesów są te same, co przy każdym innym wirniku — liczba biegunów musi odpowiadać liczbie cewek stojana, a podziałkę liczy się z obwodu. Rozpisałem to na stronie dobór magnesów neodymowych i nie powtarzam tu wzorów. Jedna rzecz specyficzna dla alternatora: wirnik po obtoczeniu ma małą średnicę — rzędu 60–90 mm — więc podziałka wypada ciasna i wchodzą raczej magnesy typu MPL 25x10x5 / N38 niż czterdziestki używane przy pralkach.
4. Trzy drogi przeróbki
Droga pierwsza: magnesy na wirniku, stojan bez zmian. Najczęściej wybierana i najszybsza. Zaleta: stojan zostaje fabryczny, z równym uzwojeniem i prawidłową izolacją. Wada: fabryczne uzwojenie alternatora jest nawinięte grubym drutem na niską liczbę zwojów, bo miało pracować przy wysokich obrotach i dawać 14 V. Przy obrotach wiatrakowych napięcie wyjdzie za niskie, żeby cokolwiek naładować, i trzeba je podnosić przekładnią albo przetwornicą.
Droga druga: magnesy na wirniku plus przewinięcie stojana. Więcej zwojów cieńszym drutem podnosi napięcie przy tych samych obrotach. To jest droga do prądnicy pracującej wolno, bez przekładni. Kosztuje najwięcej roboty: trzeba wyjąć stare uzwojenie, policzyć zwoje, nawinąć nowe i nie uszkodzić izolacji żłobków. Zysk jest realny — ale nakład pracy zaczyna być zbliżony do przeróbki silnika od pralki, który ma większą średnicę i wygodniejszy stojan.
Droga trzecia: wymiana całości poza wałem i łożyskami. Nowy wirnik, nowy stojan, z alternatora zostaje obudowa i łożyskowanie. Bywa wybierana, gdy wirnik pazurowy okazał się nie do obtoczenia albo gdy zależy nam na konkretnej liczbie biegunów, której alternator nie ma. Wtedy warto zadać sobie pytanie z punktu 8: czy nie taniej zacząć od czegoś innego.
5. Prostownik wbudowany — zostawić czy wyrzucić
Alternator ma w środku mostek prostowniczy — sześć diod, które zamieniają trójfazowe napięcie przemienne ze stojana na napięcie stałe. To najbardziej wartościowa część, którą dostajemy w komplecie, i w większości przypadków warto ją zostawić.
Powód: diody są dobrane do prądu tego konkretnego alternatora, przykręcone do radiatora i mają odprowadzanie ciepła. Zewnętrzny mostek trzeba by kupić, zamocować i zapewnić mu chłodzenie. Do tego wewnętrzny prostownik jest już połączony z uzwojeniem, więc nie trzeba wyprowadzać trzech faz na zewnątrz.
Powody, dla których czasem trzeba go wyrzucić, są dwa. Pierwszy: przy bardzo niskich napięciach spadek na diodach zaczyna być procentowo duży — na krzemowej diodzie tracimy około 0,7 V, a w mostku trójfazowym prąd idzie przez dwie diody, czyli około 1,4 V. Przy napięciu 5 V to prawie 30% straty i wtedy diody Schottky'ego z osobnym mostkiem dają wymierny zysk. Drugi: jeśli przewijamy stojan na dużo wyższe napięcie, fabryczne diody mogą nie mieć wystarczającego napięcia wstecznego.
6. Regulator napięcia — dlaczego fabryczny przestaje pasować
Regulator w alternatorze samochodowym nie reguluje napięcia wyjściowego wprost. Reguluje prąd wzbudzenia: gdy napięcie na wyjściu rośnie powyżej około 14,4 V, regulator zmniejsza prąd na szczotkach, pole słabnie i napięcie spada. To pętla sprzężenia zwrotnego działająca przez wirnik.
Po wstawieniu magnesów trwałych ta pętla przestaje istnieć. Pole magnetyczne jest stałe i nie ma czego regulować — napięcie zależy już tylko od obrotów i obciążenia. Fabryczny regulator zostaje bez wpływu na cokolwiek i można go usunąć razem ze szczotkami.
W jego miejsce potrzebna jest regulacja po stronie wyjścia: przetwornica obniżająca albo podnoszące napięcie, ładowarka akumulatorowa albo — przy prostszych układach — obciążenie balastowe włączane, gdy akumulator jest pełny. Bez tego przy silnym wietrze napięcie rośnie bez ograniczenia, bo nic go już nie trzyma. Przy alternatorze nieobciążonym mierzono 62 V przy 5000 obr/min i to jest wartość, którą trzeba brać poważnie przy doborze elementów za prostownikiem.
Trzeba też pamiętać, że każdy stopień przetwarzania kosztuje. Sprawność przetwornicy to typowo 80–90%, a przy bardzo niskich napięciach wejściowych spada do rzędu 70%. To wchodzi wprost w bilans mocy.
7. Obroty — największy problem całej przeróbki
Alternator chce 1500–2000 obr/min. Wiatrak o średnicy kilku metrów kręci się z prędkością rzędu 200–400 obr/min, a przy słabym wietrze i mniej. Różnica jest pięcio- do dziesięciokrotna i nie da się jej zignorować: napięcie indukowane jest proporcjonalne do obrotów, więc alternator kręcony cztery razy za wolno da cztery razy niższe napięcie niż zakładał producent.
Rachunek na konkretnym przypadku pokazuje, jak to boli. Alternator, który bez obciążenia daje 62 V przy 5000 obr/min, kręcony z prędkością 1380 obr/min odda proporcjonalnie mniej — nieco ponad jedną czwartą tej wartości. Moc, która przy pełnych obrotach wychodziła w rachunku na blisko 1800 W, spada wtedy do około 490 W, a po uwzględnieniu słabszego pola magnesów naklejonych ręcznie — do 120–250 W. I to jest realistyczny wynik, a nie pesymistyczny.
Drogi wyjścia są trzy i każda ma cenę.
Przekładnia mechaniczna. Najprostsza koncepcyjnie i opisana szerzej na stronie skrzynia biegów. Przełożenie rzędu 1:20 podnosi 60 obr/min do 1380 obr/min, czyli wchodzi w zakres roboczy. Cena: strata sprawności na przekładni, hałas, konieczność smarowania, dodatkowy punkt awarii i — co najważniejsze — wzrost momentu wymaganego do rozruchu, przenoszony na łopaty przez to samo przełożenie.
Przewinięcie stojana na więcej zwojów. Podnosi napięcie przy tych samych obrotach, więc pozwala pominąć przekładnię. To droga druga z punktu 4. Cena: robota i to, że przy grubszej liczbie zwojów cieńszym drutem rośnie rezystancja uzwojenia, a razem z nią straty przy dużym prądzie.
Przetwornica podnosząca napięcie. Elektronika zamiast mechaniki. Cena: sprawność 80–90% i to, że przetwornica potrzebuje napięcia wejściowego na poziomie kilku woltów, żeby wystartować — przy bardzo słabym wietrze nie ruszy wcale.
8. Kiedy alternator to zły wybór
Ten punkt jest w tym poradniku najważniejszy, bo oszczędza najwięcej pracy.
Alternator nie ma sensu, jeśli nie zamierzamy robić przekładni. Cały jego problem sprowadza się do niedopasowania obrotów. Silnik od pralki ma dużo większą średnicę wirnika, więcej biegunów i uzwojenie nawinięte na wyższe napięcie — nadaje się do napędu bezpośredniego znacznie lepiej. Jeśli plan przewiduje wiatrak bez przekładni, punktem startu powinien być silnik z pralki, nie alternator.
Alternator nie ma sensu, jeśli szukamy mocy powyżej kilkuset watów z jednostki samochodowej. Rachunek z punktu 7 jest nieprzekraczalny: 25–50% tabliczki, a tabliczka rzadko przekracza 1 kW. Do 500 W realnych potrzebna jest jednostka ciężarowa.
Alternator nie ma sensu, jeśli trafiła nam się konstrukcja kompaktowa z zalanym modułem regulatora i prostownika. Rozbieranie takiej jednostki kończy się zwykle zniszczeniem czegoś, czego nie da się kupić osobno, a wtedy zostaje z niej obudowa i wał — czyli droga trzecia z punktu 4, przy której alternator nie wnosi już żadnej przewagi nad zrobieniem prądnicy od zera.
Alternator ma sens, gdy mamy go już w garażu, potrzebujemy 100–200 W do ładowania akumulatora, akceptujemy przekładnię i chcemy skorzystać z gotowej obudowy, łożysk i prostownika. W tym scenariuszu jest naprawdę dobrym wyborem — i to jest scenariusz, w którym większość takich przeróbek faktycznie powstaje.
Więcej o dopasowaniu prądnicy do wiatru i o tym, dlaczego przy słabym wietrze nic nie rusza, na stronie regulacja mocy. Magnesy do wirnika — w kategorii magnesy neodymowe płytkowe, a przy nietypowej geometrii warto sprawdzić też walcowe.