مولد التيار المتردد (للسيارات)

المولد الكهربائي هو نوع من أنواع المولدات الكهربائية المستخدمة في السيارات الحديثة لشحن البطارية وتزويد النظام الكهربائي بالطاقة عند تشغيل المحرك .

حتى ستينيات القرن العشرين، كانت السيارات تستخدم مولدات دينامو تعمل بالتيار المستمر مع مبدلات . ومع انتشار مقومات ثنائيات السيليكون وانخفاض أسعارها، حلّ المولد الكهربائي تدريجيًا محل الدينامو. وقد شجع على ذلك ازدياد الطاقة الكهربائية المطلوبة للسيارات في تلك الفترة، مع تزايد الأحمال الناتجة عن المصابيح الأمامية الأكبر حجمًا، والمساحات الكهربائية، والنوافذ الخلفية المدفأة ، وغيرها من الملحقات.

استُخدمت مولدات التيار المتردد الحديثة للمركبات لأول مرة في التطبيقات العسكرية خلال الحرب العالمية الثانية ، لتشغيل أجهزة الراديو في المركبات المتخصصة. ^{[ i ]} بعد الحرب، أصبح من الممكن أيضًا تزويد المركبات الأخرى ذات الاحتياجات الكهربائية العالية - مثل سيارات الإسعاف وسيارات الأجرة اللاسلكية - بمولدات تيار متردد اختيارية. ^{[ 1 ]}

تم تقديم المولدات الكهربائية لأول مرة كمعدات قياسية في سيارة إنتاجية من قبل شركة كرايسلر في سيارة فاليانت عام 1960، قبل عدة سنوات من فورد وجنرال موتورز . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تتمتع المولدات الكهربائية المتناوبة بعدة مزايا مقارنةً بمولدات التيار المستمر ( الدينامو ). المولدات الكهربائية المتناوبة هي:

• أخف وزناً، وأرخص ثمناً، وأكثر متانة، وأسرع في الاستبدال (أقل من ساعة واحدة)
• يمكن أن يوفر شحنة مفيدة عند سرعة الخمول
• استخدم حلقات الانزلاق ، التي تتميز بعمر فرشاة أطول بكثير من المبدل (أو التصاميم الخالية تمامًا من الفرش).
• لا تحمل فرشات المولد الكهربائي سوى تيار الإثارة المستمر (DC)، وهو جزء صغير من التيار الذي تحمله فرشات مولد التيار المستمر، والتي تحمل كامل خرج المولد.

يلزم استخدام مجموعة من المقومات ( جسر ثنائي ) لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر. ولتوفير تيار مستمر ذي تموج منخفض ، يُستخدم ملف متعدد الأطوار ، وتُصمم أقطاب الدوار على شكل مخلب. عادةً ما تُدار مولدات التيار المتردد في السيارات بواسطة سير بسرعة تتراوح بين ضعفين إلى ثلاثة أضعاف سرعة عمود المرفق، وهي سرعات قد تتسبب في تفكك المبدل في المولد. يعمل المولد بسرعات دوران مختلفة (مما يؤدي إلى تغيير التردد) لأنه يُدار بواسطة المحرك، بغض النظر عن اتجاه الدوران. لا يُشكل هذا مشكلة لأن التيار المتردد يُقوّم إلى تيار مستمر.

تُعدّ منظمات التيار المتردد أبسط من منظمات المولدات. تتطلب منظمات المولدات مرحل فصل لعزل ملفات الخرج (العضو الدوار) عن البطارية عند السرعات المنخفضة؛ ويتم توفير هذا العزل بواسطة ثنائيات مقوم التيار المتردد. كما تتضمن معظم منظمات المولدات محددًا للتيار؛ بينما تتميز المولدات بوجود حد للتيار فيها بطبيعتها.

يُنتج تصميم القطب المخلبي شكل موجة تيار متردد يتم تقويمها بكفاءة أكبر من الموجة الجيبية.

على الرغم من تسميتهما، فإن كلاً من مولدات التيار المستمر (أو الدينامو) والمولدات المتناوبة تُنتج في البداية تيارًا متناوبًا. في ما يُسمى "مولد التيار المستمر"، يُولّد هذا التيار المتناوب في العضو الدوار، ثم يُحوّل إلى تيار مستمر بواسطة المبدل والفرش. أما في "المولد المتناوب"، فيُولّد التيار المتناوب في العضو الثابت، ثم يُحوّل إلى تيار مستمر بواسطة المقومات (الثنائيات).

تستخدم مولدات التيار المتردد النموذجية في سيارات الركاب والشاحنات الخفيفة تصميم لوندال أو تصميم "الأقطاب المخلبية" للمجال المغناطيسي. يعتمد هذا التصميم على قلب حديدي مُشكّل على الدوار لإنتاج مجال مغناطيسي متعدد الأقطاب من ملف واحد. تبدو أقطاب الدوار كأصابع يدين متشابكة. يُثبّت الملف محوريًا داخل هذا القلب، ويتم تزويد تيار المجال بواسطة حلقات انزلاق وفرش كربونية. تُبرّد ملفات المجال والجزء الثابت لهذه المولدات بتدفق هواء محوري، ينتج عن مروحة خارجية متصلة ببكرة سير المحرك. ^{[ 7 ]}

تستخدم المركبات الحديثة الآن تصميم المولد الكهربائي المدمج. وهو مشابه كهربائيًا ومغناطيسيًا، ولكنه يتميز بتبريد هوائي مُحسّن. يسمح التبريد المُحسّن بإنتاج طاقة أكبر من محرك أصغر. يحتوي الغلاف على فتحات تهوية شعاعية مميزة في كل طرف، ويُحيط الآن بالمروحة. تُستخدم مروحتان، واحدة في كل طرف، ويكون تدفق الهواء شبه شعاعي، حيث يدخل محوريًا ويخرج شعاعيًا إلى الخارج. ^{[ 8 ]} تتكون ملفات الجزء الثابت الآن من شريط مركزي كثيف حيث يكون القلب الحديدي وملفات النحاس متراصة بإحكام، وأشرطة طرفية تكون فيها الملفات أكثر انكشافًا لتحسين نقل الحرارة. يُحسّن تقارب المسافة بين القلب والدوار الكفاءة المغناطيسية. تُنتج المراوح الأصغر حجمًا والمُغلقة ضوضاء أقل، خاصةً عند سرعات المحرك العالية. ^{[ 8 ]}

يمكن أيضًا تبريد المولدات الكهربائية بالماء في السيارات.

قد تحتوي المركبات الأكبر حجماً على مولدات كهربائية ذات ملفات مجال مشابهة لتلك الموجودة في الآلات الأكبر حجماً. ^{[ 9 ]}

يمكن توصيل ملفات مولد التيار المتردد ثلاثي الأطوار باستخدام نظام التوصيل المثلثي أو النجمي ( الواي ). ^{[ 10 ]}

تُستخدم مولدات التيار المتردد عديمة الفرش من هذا النوع أيضاً في الآلات الكبيرة مثل شاحنات النقل البري وآلات الحفر. وبفضل وجود محملين كبيرين للعمود كأجزاء قابلة للتآكل فقط، يمكنها توفير خدمة طويلة الأمد وموثوقة للغاية، حتى أنها تتجاوز فترات الصيانة الدورية للمحرك.

تتطلب مولدات التيار المتردد في السيارات منظم جهد يعمل عن طريق تعديل تيار المجال الصغير لإنتاج جهد ثابت عند أطراف البطارية. استخدمت التصاميم المبكرة (حوالي ستينيات وسبعينيات القرن العشرين) جهازًا منفصلاً مثبتًا في مكان آخر من السيارة. أما التصاميم المتوسطة (حوالي سبعينيات وتسعينيات القرن العشرين) فقد دمجت منظم الجهد في غلاف المولد. وتستغني التصاميم الحديثة عن منظم الجهد تمامًا؛ إذ أصبح تنظيم الجهد وظيفة لوحدة التحكم الإلكترونية في المحرك (ECU). يكون تيار المجال أصغر بكثير من تيار خرج المولد؛ فعلى سبيل المثال، قد يحتاج مولد بقدرة 70 أمبير إلى 2-3 أمبير فقط من تيار المجال . يتم تزويد ملفات الدوار بتيار المجال عبر حلقات انزلاق. يضمن التيار المنخفض وحلقات الانزلاق الناعمة نسبيًا موثوقية أكبر وعمرًا أطول مقارنةً بمولد التيار المستمر ذي المبدل والتيار الأعلى الذي يمر عبر فرشاته.

تُغذّى ملفات المجال بالطاقة من البطارية عبر مفتاح الإشعال ومنظم الجهد. وتُغذّي دائرة موازية مؤشر تحذير الشحن، وهي مؤرضة عبر منظم الجهد (ولهذا السبب يضيء المؤشر عند تشغيل الإشعال دون تشغيل المحرك). بمجرد تشغيل المحرك وتوليد المولد للطاقة، يُغذّي صمام ثنائي تيار المجال من خرج المولد الرئيسي، مُعادلاً الجهد عبر مؤشر التحذير الذي ينطفئ. يُشار غالبًا إلى السلك الذي يُغذّي تيار المجال بسلك "الإثارة". عيب هذا الترتيب هو أنه في حال احتراق مصباح التحذير أو فصل سلك "الإثارة"، لن يصل أي تيار إلى ملفات المجال، ولن يُولّد المولد الطاقة. بعض دوائر مؤشر التحذير مُجهزة بمقاومة موصولة بالتوازي مع المصباح، تسمح بتدفق تيار الإثارة في حال احتراق مصباح التحذير. يجب على السائق التأكد من إضاءة مؤشر التحذير عند إيقاف المحرك؛ وإلا فقد لا يكون هناك أي مؤشر على تلف الحزام الذي قد يُشغّل أيضًا مضخة مياه التبريد . بعض المولدات الكهربائية تقوم بتشغيل نفسها ذاتيًا عندما يصل المحرك إلى سرعة معينة.

في السنوات الأخيرة، تم ربط منظمات المولد بنظام الكمبيوتر الخاص بالسيارة، ويتم تقييم عوامل مختلفة بما في ذلك درجة حرارة الهواء التي يتم الحصول عليها من مستشعر درجة حرارة الهواء الداخل، ومستشعر درجة حرارة البطارية، وحمل المحرك في ضبط الجهد الذي يوفره المولد.

قد تحتوي السيارات القديمة ذات الإضاءة المحدودة على مولد كهربائي قادر على إنتاج 30 أمبير فقط . تتراوح قدرة مولدات التيار الكهربائي في سيارات الركاب والشاحنات الخفيفة عادةً بين 50 و70  أمبير، مع أن القدرات الأعلى أصبحت أكثر شيوعًا، خاصةً مع ازدياد الحمل على النظام الكهربائي للمركبة نتيجةً لتشغيل مكيف الهواء ، ونظام التوجيه المعزز كهربائيًا ، وأنظمة كهربائية أخرى. قد تنتج المولدات الكبيرة جدًا المستخدمة في الحافلات، والمعدات الثقيلة، ومركبات الطوارئ 300 أمبير. أما الشاحنات الكبيرة، فعادةً ما تحتوي على مولدات تيار كهربائي تُنتج 140 أمبير. وقد تكون المولدات الكبيرة جدًا مبردة بالماء أو بالزيت.  

تتأثر كفاءة مولدات التيار المتردد في السيارات بفقدان الطاقة الناتج عن تبريد المروحة، وفقدان الطاقة في المحامل، وفقدان الطاقة في الحديد والنحاس، وانخفاض الجهد في جسور الثنائيات. تنخفض الكفاءة بشكل كبير عند السرعات العالية، ويعود ذلك أساسًا إلى مقاومة المروحة. عند السرعات المتوسطة، تتراوح كفاءة مولدات التيار المتردد الحالية بين 70 و80%. ^{[ 11 ]} وهذا أفضل من كفاءة مولدات التيار المتردد الصغيرة جدًا عالية الأداء ذات المغناطيس الدائم، مثل تلك المستخدمة في أنظمة إضاءة الدراجات ، والتي تصل كفاءتها إلى حوالي 60%. أما الآلات الكهربائية الأكبر حجمًا ذات المغناطيس الدائم (التي يمكن تشغيلها كمحركات أو مولدات تيار متردد) فتُحقق اليوم كفاءات أعلى بكثير. على سبيل المثال، يقترح بيليغرينو وآخرون ^{[ 12 ]} تصاميم غير مكلفة نسبيًا تُظهر نطاقات واسعة تتجاوز فيها الكفاءة 96%. تعمل مولدات التيار المتردد الكبيرة المستخدمة في محطات الطاقة بسرعات مضبوطة بدقة، ولا توجد قيود على حجمها أو وزنها. وتتميز هذه المولدات بكفاءة عالية جدًا تصل إلى 98%.

تستبدل المركبات الكهربائية الهجينة المولد الكهربائي ومحرك التشغيل المنفصلين بمولد/محرك واحد أو أكثر، حيث يقوم هذا المولد بتشغيل محرك الاحتراق الداخلي، وتوفير جزء من الطاقة الميكانيكية أو كلها للعجلات، وشحن بطارية تخزين كبيرة. ^{[ 13 ] [ 14 ]} وعند وجود أكثر من مولد/محرك، كما هو الحال في نظام القيادة الهجين المتكامل المستخدم في سيارة تويوتا بريوس وغيرها، يمكن لأحدها أن يعمل كمولد كهربائي ويغذي الآخر كمحرك، مما يوفر مسارًا كهروميكانيكيًا لتدفق جزء من طاقة المحرك إلى العجلات. ^{[ 15 ]} تتميز هذه المولدات/المحركات بأجهزة إلكترونية أكثر قوة للتحكم بها مقارنةً بمولد التيار المتردد في السيارات المذكور أعلاه. ^{[ 14 ]}

• وحدة الطاقة المساعدة (APU)
• بطارية السيارة