Alternadores, Motores de Arranque y Sistemas Eléctricos en Vehículos: Componentes y Funcionamiento

El Alternador

El alternador es un generador de corriente eléctrica que transforma la energía mecánica que recibe en su eje en energía eléctrica, la cual sirve para cargar la batería y proporcionar corriente eléctrica a los distintos consumidores del vehículo.

Principio de Funcionamiento

Magnetismo + Movimiento = Tensión

Elementos del Alternador

• Rotor o inductor: Su función es generar flujo magnético.
• Comprobaciones: Medir resistencia entre anillos rozantes (+- 6Ω). Medir aislamiento respecto de masa (continuidad entre el eje y los anillos rozantes). Si falla, no hay flujo magnético, por lo que nunca carga.
• Estator o inducido: Su función es generar fuerza motriz.
• Comprobaciones: Resistencia de las bobinas (+- 0,3Ω entre cada una de ellas). Comprobar aislamiento respecto a masa.
• Tipos de inducidos: Trifásico en estrella o en triángulo.
• Puente de diodos: Su función es rectificar la corriente alterna trifásica en corriente continua.
• Comprobaciones: Comprobar continuidad entre positivos y negativo.
• Tipos: 6 diodos, 9 diodos, 9 diodos + condensador, 15 diodos, 17 diodos.
• Regulador: Su función es mantener constante la tensión del alternador y, con ella, la del sistema eléctrico del vehículo, en todo el margen de revoluciones del motor e independientemente de la carga y de la velocidad de giro. Regula el flujo magnético del rotor para obtener una tensión en bornes continua y estabilizada de 13,8 a 14,2 V. Es un elemento muy delicado que se puede estropear por cortocircuitos, soldaduras, etc.

Tipos de Refrigeración

• Aire de un flujo.
• Aire de dos flujos.
• Refrigeración por agua.

La polea libre para el alternador es un componente presente en las motorizaciones diésel de última generación y en motores de gasolina de altas prestaciones. Compensa las altas inercias garantizando al sistema diferentes ventajas: reduce vibraciones sobre la correa, reduce variaciones de tensión, aumenta la duración del sistema y reduce el ruido del sistema.

Cuidados en el Alternador

• No desconectar la batería con el motor funcionando.
• No invertir la polaridad de los cables en la batería (destruye el puente de diodos y el regulador).
• Cuando se usa soldadora eléctrica, es recomendable desconectar la batería.
• No desconectar el enchufe del alternador con el motor funcionando.

Funcionamiento de STARS (Sistema de Arranque y Alternador)

Cuando el conductor reduce la velocidad y baja de 6 km/h, y si se dan las condiciones, el Stop & Start ordena apagar el motor, y así será mientras el piloto mantenga pisado el freno.

• Arranque silencioso: Al soltar el pedal, un controlador electrónico envía al alternador una orden de arranque y el motor vuelve a ponerse en marcha. Lo hace en menos de 400 milisegundos (la mitad del tiempo con un arranque convencional) y se hace en completo silencio.
• Potencia del sistema: 2 kW.
• El alternador gira a menos rpm que el motor de arranque.

ADIVI (Alternador - Arranque Integrado al Volante de Inercia)

Se sustituye el alternador y el motor de arranque por una máquina eléctrica que hace ambas funciones, integrada en el volante de inercia.

Ventajas

• Menor peso.
• Arranque más suave.
• Arranque y paro en semáforos.
• Mayor simpleza mecánica.
• Posibilidad de utilizar como acelerador y freno motor en diferentes ocasiones.

Inconveniente

Sistema no muy probado por el momento.

Equipos Eléctricos de 42 V

Elevar a 42 V el equipo eléctrico del automóvil. Una solución propuesta por Renault se basa en la sustitución del sistema eléctrico actual, que funciona con una tensión de 14 V, por otro que lo haga a 42 V, lo que reduce las pérdidas y el alto consumo de los elementos.

• Alternadores refrigerados por agua para evitar el calentamiento del inducido y amortiguar ruidos.

Función del Regulador

Su función es mantener constante la tensión del alternador y, con ella, la del sistema eléctrico del vehículo, en todo el margen de revoluciones del motor e independientemente de la carga y de la velocidad de giro. La producción de tensión aumenta con la velocidad (rpm). La batería no puede recibir valores altos de tensión, pudiendo ser destruida. La regulación se hace en la corriente de excitación del rotor. De esta forma, al aumentar las rpm, disminuye el flujo magnético y así mantiene la tensión en bornes constante a 14,4 V.

Tipos de Reguladores

• Electromagnético.
• Electrónico (monofunción: detecta solo ausencia de carga; multifunción: detecta la ausencia de carga y la sobrecarga).

Regulador Electromagnético

Prácticamente ya solo se utiliza como recambio en coches antiguos (anteriores al año 1980) y solo lleva regulador de tensión.

Principio de Funcionamiento (Campo Positivo)

En este tipo de circuito, el campo (bobinado del rotor) se encuentra conectado por un extremo a la salida de luz (D+) de donde recibe"". Por el otro extremo, recibe masa a través del regulador. Es importante que la masa entre el alternador y el regulador sea buena, porque de ello depende el mantenimiento de la tensión de regulación.

Principio de Funcionamiento (Campo Negativo)

En este, el campo (bobinado del rotor) se encuentra conectado por un extremo a masa. Por el otro extremo, recibe"" a través del regulador. Es importante que la masa entre el alternador y el regulador sea buena, pues de ello depende el mantenimiento de la tensión de regulación.

Diodo Extintor

Cuando se corta la corriente de excitación, se produce un pico de tensión por autoinducción de la bobina del rotor que puede destruir los semiconductores sensibles del regulador. Para evitar dicho pico, se conecta un diodo extintor en paralelo al devanado de excitación (rotor).

Causas de Fallo del Regulador

• Falsos contactos: El desgaste excesivo de las escobillas o la suciedad (grasa o aceite) sobre la superficie de contacto del anillo colector producen intermitencias en la alimentación del bobinado del rotor. Al ser este un circuito inductivo, se producen picos de tensión que afectan a los componentes electrónicos. También producen este efecto los terminales sucios o flojos.
• Exceso de corriente: Cada tipo de alternador tiene una corriente de campo determinada (corriente que circula por el bobinado del rotor), por ello el regulador a emplear debe ser aquel que admita dicha corriente. Si en un cambio de marca o modelo no se tiene en cuenta esto, se puede dañar el regulador.
• Exceso de temperatura: Los componentes electrónicos son sensibles a la temperatura y no sobreviven cuando son muy altas. La presencia de turbo en los motores diésel, como la proximidad de tubos de escape, múltiples de escape, etc., atentan contra la vida del regulador. No se deben quitar los deflectores de temperatura de los motores, ni se deben agregar elementos que produzcan calor o impidan la ventilación.
• Circuito inadecuado: La aplicación errónea de reguladores tipo campo a"" en lugar de campo a"" y viceversa, pueden causar la destrucción del regulador.
• Internas: Además de las causas mencionadas, un regulador puede fallar por defectos propios de los componentes electrónicos.
• Precaución: No cambiar un regulador con el vehículo en funcionamiento.

Comprobación de Reguladores

Existen dos métodos: con comprobador de reguladores y mediante fuente de alimentación variable.

Motor de Arranque

Es un motor eléctrico que tiene la función de mover el motor térmico del vehículo hasta que este se pone en marcha por sus propios medios (hasta que se empiezan a producir explosiones en las cámaras de combustión en el interior de los cilindros y comienza el giro del motor térmico).

Principio de Funcionamiento

Magnetismo + Electricidad = Movimiento

Piezas del Motor de Arranque

• Inducido: Constituido por un eje sobre el cual se encuentra montado en un extremo el colector y en el otro extremo el piñón y el mecanismo de rueda libre.
• Inductor: Su función es alojar las bobinas inductoras y hace de cuerpo del motor. Es el encargado de generar el campo magnético necesario para el giro del motor.
• Tapa portaescobillas: Su función es cerrar el conjunto motor por un extremo. En él se montan los portaescobillas, sobre los cuales se desplazan las escobillas y los muelles empujadores.
• Mecanismo de rueda libre y piñón: Su función es transmitir el giro del motor al volante de inercia del motor térmico y actuar como rueda libre en caso de arrastre por el motor térmico. El piñón arrastra al volante, pero nunca al revés.
• Relé: Primero, contactor eléctrico y, segundo, tirar de la horquilla y ensamblar el piñón.
• Soporte lado accionamiento: Su función es cerrar el conjunto motor en el extremo del lado de accionamiento y se amarra a la caja de cambio para su sujeción en el vehículo.

Tipos de Arranques

• Según el tipo de excitación (serie o paralelo).
• Con reductora o sin reductora.
• Con bobina o con imanes permanentes.
• Con horquilla o con sistema Bendix.

Esquemas Eléctricos de Motores

• Motor de excitación en serie: Para arrancar motores de gran potencia, por ejemplo, vehículos diésel de 4-8 L de cilindrada (turismos).
• Motor de derivación: Devanado de derivación combinado con excitación en serie en un motor de excitación mixta.
• Motor de excitación mixta: Para arrancar motores muy potentes, por ejemplo, vehículos diésel de 8-16 L de cilindrada (industriales).
• Motor de excitación permanente: Para arrancar motores de gasolina de 1,3 L (turismos) o motores diésel de una cilindrada de hasta 3 L.

Esquema Eléctrico en el Vehículo

Borne 30: Positivo directo. / Borne 50: Excitación del motor de arranque. / Borne 31: Masa.

Tipos de Motores

4 escobillas o 2 escobillas. Sistema de palanca: reposo o excitación.

Sistema Bendix

Dispositivo que llevan algunos motores de arranque que permite aprovechar la fuerza de inercia para desplazar el piñón de arranque o de inercia para situarse sobre la corona dentada del volante motor, moviéndolo y arrancando el vehículo. Cuando el volante motor rota más veloz que el piñón de inercia, este puede retornar a su posición original.

Motores con Reductora

Finalidad del conjunto reductor: Reducir las altas rpm a las que gira el inducido para así aumentar el par en el arranque.

Tipos

• Con tren epicicloidal.
• Con eje intermedio.

Ventajas

• Menor consumo eléctrico.
• Motores más pequeños.

Inconvenientes

• Motores más complejos.
• Más averías mecánicas y desgastes.

Comprobaciones

• Inducido: Espiras sin cortocircuito (roncador y lámina). Bobinas aisladas a masa (lámpara serie). Todas las bobinas tienen la misma resistencia (medir con el amperímetro del roncador).
• Inductor: Aislamiento de bobinas inductoras a masa. Conductividad entre extremos de bobinas. Resistencia de bobinas inductoras.
• Tapa portaescobillas: Portaescobillas"" aislado de masa y"" conectado a masa. Longitud de las escobillas. Desplazamiento correcto de las escobillas.
• Mecanismo de rueda libre y piñón: Debe girar libre en un sentido y en el otro solidario con el eje. El piñón debe estar sin dientes comidos o rotos.
• Relé:
  1. Verificar continuidad entre 1 y M. El tester da sonido (si esta no es correcta, el bobinado de mantenimiento está cortado y se oye ruido de metralleta).
  2. Verificar continuidad entre 1 y 3. El tester da sonido (si está cortado, el bobinado de llamada está a circuito abierto y no sucede nada).
  3. Enviar corriente (12 V) a 1 y poner M a masa. En este caso, el relé debe cerrar y entre 2 y 3 debe haber continuidad, ya que el circuito está cerrado. El tester suena.
  4. Verificar que el núcleo está limpio y desliza correctamente. Verificar el muelle de retorno.

Comprobar Motor de Arranque Fuera del Vehículo con Batería

1. Pinza"" a masa del arranque.
2. Al tocar la pinza"" en el borne 1 del relé o contactor, debe actuar y el piñón avanzar, pero el motor no gira.
3. Al tocar la pinza"" en el borne 4, el motor debe girar, pero el piñón no avanza.
4. Al conectar el borne 1 y 2 a la vez, el piñón debe avanzar y el motor funcionar.

Hay que tener cuidado de que la pinza"" no toque con la masa o chasis del arranque, ya que puede producir un cortocircuito y dañar el cable y la batería.

Comprobar Motor de Arranque en el Vehículo

1. Verificar que los terminales estén bien apretados y en buen aspecto.
2. Verificar con un polímetro que la tensión que llega es 12 V al terminal 1 (borne 50) cuando se acciona la llave de contacto.
3. Verificar buen contacto en el terminal 2 y que no haya óxido.
4. Verificar que en el terminal 3 (borne 30) siempre tenga corriente y que esta sea siempre la que tiene en bornes la batería (caída de tensión del cable 0,2 V).

Últimas Tendencias en Motores de Arranque

1. El motor de arranque se ha mantenido bastante constante en la evolución del automóvil porque desde hace años no ha evolucionado demasiado, pero en esta última década sí, ya que la mayoría de fabricantes incorporan conjuntos inductores formados por imanes permanentes formados por ferritas, eliminando así las grandes bobinas inductoras.
2. Estos motores tienden a ser más pequeños y alcanzan más rpm. Para ello, se reduce el tamaño, el peso y el consumo eléctrico, alcanzando mayor par al poner un conjunto reductor, el cual desmultiplica los esfuerzos y aumenta la potencia con un consumo eléctrico más bajo.
3. Para terminar, y respecto a la evolución del motor, es el encontrar motores de arranque con colectores axiales, lo cual permite que las escobillas duren más porque la distancia de rozamiento disminuye de una manera considerablemente y, por lo tanto, la duración de las escobillas.

Otros Motores Eléctricos

Electroventilador, motor de calefacción, motor de regulación de asientos, elevalunas, limpiaparabrisas.

Electrobomba de Limpiaparabrisas

Constituida por una bomba accionada por un motor eléctrico que hace girar a una pequeña bomba centrífuga (de turbina).

Electrobomba de Combustible

Envía combustible a 1,2 bar con un caudal de 80 l/h +-. Se garantiza el combustible suficiente a todo régimen y además refrigera.

Motores Eléctricos

Teoría del Motor

Motor: Máquina rotativa que produce energía mecánica a partir de energía eléctrica. Se basa en el principio de repulsión y atracción magnética.

Aplicaciones

Motor de arranque, accionamiento de elevalunas, bombas hidráulicas y de combustible, válvulas de control, instrumentos del salpicadero.

El paso de corriente eléctrica a través de un conductor en el seno de un campo magnético da origen a una fuerza que obedece a la regla de la mano izquierda. El campo generado por la corriente y el campo generado por el imán reaccionan, produciéndose el movimiento.

Fuerza Electromotriz

Referida a los generadores. Tensión existente entre sus bornes a circuito abierto.

Fuerza Contraelectromotriz

Relacionada con los motores. Viene a ser la fuerza electromotriz (FEM) pero en sentido negativo. La tensión aplicada al motor genera un campo magnético en el rotor que a su vez genera una tensión que se opone a la anterior. De ahí el nombre de FCEM.

Partes del Motor

Rotor (inducido), estator (devanado inductor), colector (material conductor de alta calidad y conductividad), escobillas (de grafito, soporte portaescobillas de muelles). El estator puede ser un bobinado (más frecuente, sobre todo en motores grandes) o un imán permanente. El paso de corriente genera sendos campos magnéticos en ambas bobinas, que interactúan entre sí, produciendo un movimiento de giro.

Parámetros del Motor

• Velocidad: Varía con el momento resistente y la intensidad que circula por el estator. La FCEM depende de la velocidad. La FCEM es casi nula al iniciarse el giro y muy alta al alcanzar la velocidad de giro. Por ello es necesaria una resistencia de arranque en serie con el bobinado del rotor.
• Par motor: Depende de la intensidad del inducido (rotor).
• Regulación de la velocidad:
  • Regulando la intensidad del estator: Modifica la intensidad del campo magnético a aplicar sobre el rotor. Regulador de inducción -> resistencia variable colocada en serie con el estator.
  • Regulando la tensión aplicada al rotor -> Mediante una resistencia en serie con el mismo. Resistencia de arranque.
  • Regulando la carga o momento resistivo.
• Par motor: A menor velocidad, aumenta el par motor. Existe relación directa entre estos dos parámetros.

Clasificación de los Motores

Motores DC (Corriente Continua)

• Configuración serie: Devanado de campo en serie con devanado del rotor. Misma intensidad por ambas bobinas. Estator de pocas espiras y gran sección -> poca resistencia.
  • Comportamiento: Gran aceleración. Gran par de arranque (por la poca resistencia y gran sección). Velocidad de rotación -> función de la carga aplicada. Deben funcionar con carga, si no se aceleran hasta dañarse.
  • carga ↑ => ω ↓ => I rotor ↑ => PAR ↑
  • carga ↓ => ω ↑ => I rotor ↓=> PAR ↓
• Configuración paralelo: Devanado de campo en paralelo con devanado del rotor. Poca intensidad por bobina de campo. Estator de muchas espiras y poca sección -> alta resistencia -> I es prácticamente constante. Rotor de relativamente alta resistencia -> permite conexión directa a la fuente de alimentación. Rotor de baja resistencia -> requiere reóstato en serie para no quemarlo en el arranque.
  • Comportamiento: Proporcionan una velocidad de trabajo constante independientemente de la carga.
  • carga ↓ => ω ↑ => ε´ ↑ => ΔV rotor ↓ => ΔV estator ↓ => ω ↓
  • carga ↑ => ω ↓ => ε´ ↓ => ΔV rotor ↑ => ΔV estator ↑ => ω ↑
• Compuestos: Aprovecha ventajas del motor serie y del paralelo. Se varía la relación de esfuerzos entre los 2 bobinados de campo. Se consiguen la velocidad y par necesario en cada aplicación. Se utilizan en aplicaciones con cargas repentinas temporales seguidas de cargas leves.

Ecuación fundamental de los motores: N = 60· f/P Donde: N → rpm / f → frecuencia / P → nº de pares de polos magnéticos.

Motores AC (Corriente Alterna)

A igual potencia, más pequeños que los motores DC. Trabajan a altas tensiones. Más ligeros cuanto mayor es la frecuencia de la corriente alterna. Son motores de inducción, solo se conecta el estator. No conectado el rotor (inducido) con nada -> ausencia de colectores y escobillas. Son asíncronos -> la velocidad del rotor y del campo magnético rotatorio del estator no están sincronizadas. El campo magnético del rotor se produce por inducción del campo magnético del estator. Velocidad de rotación casi constante, depende de la frecuencia de la corriente y del diseño del motor. Los monofásicos requieren circuito de arranque adicional para iniciar el movimiento.

Clasificación: De inducción con rotor bobinado, inducción en jaula de ardilla, de inducción con rotor bobinado y jaula de ardilla.

Motores Reversibles de Corriente Continua (DC)

Funcionan invirtiendo la polaridad aplicada a uno de los 2 bobinados (rotor o estator) pero nunca a ambos. Otra forma de invertir el sentido de giro -> 2 bobinas de campo o campo partido. Interruptor asociado al campo partido -> SPDT (Single-Pole Double-Throw).

Frenos y Embragues

Frenos

En ocasiones se requiere la parada de un motor en un punto concreto del recorrido. Si la conexión motor-mecanismo es directa, al parar el motor el mecanismo soporta un “empujón” del rotor, debido a su inercia, hasta que este se detiene. Para evitar esto, se utiliza un mecanismo de freno y embrague. Freno -> de disco o tambor. Tambor -> 2 zapatas alrededor del rotor precargadas por sendos muelles contrarrestados por bobinas. Si el motor se energiza -> bobinas de las zapatas energizadas -> contrarrestan la fuerza de los muelles -> el rotor gira libre. Si el motor se desenergiza, las bobinas de las zapatas se desenergizan -> los muelles presionan las zapatas contra el tambor -> este para bruscamente el rotor. Sistema de freno de disco -> análogo al de tambor pero con un disco en el eje del rotor y pastillas que actúan sobre dicho disco.

Embrague

El eje del rotor y el del mecanismo accionado se “embragan” forzados por unas bobinas enfrentadas que tienen distinta polaridad. Al aplicar tensión -> las bobinas se energizan -> se atraen, embragando ambos ejes. Al quitar corriente -> las bobinas se desenergizan -> unos muelles actúan y desembragan ambos ejes. Algunos mecanismos incorporan ambos sistemas; freno y embrague.

Finales de Carrera y Dispositivos de Protección

Finales de carrera -> microinterruptores que abren el circuito al ser pulsados. Pulsados por el propio mecanismo accionado por el motor al llegar al final de su recorrido. Finales de carrera accionados por levas o palancas. Ajuste de los finales de carrera crítico -> daños severos si el motor sigue actuando al llegar el mecanismo a su final del recorrido. Protector térmico -> en ocasiones presente en el motor eléctrico. Abre el circuito si este se sobrecalienta, parándolo. Al enfriarse, vuelve a cerrar el circuito, permitiendo el funcionamiento normal.