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オルタネーターは、現代の自動車で使用される発電機の一種で、エンジン作動中にバッテリーを充電したり、電気系統に電力を供給したりするために使用されます。
1960年代まで、自動車には整流子付きの直流発電機が使用されていました。シリコンダイオード整流器が広く普及し、価格も手頃になるにつれて、発電機は徐々にオルタネーターに取って代わられていきました。これは、大型ヘッドランプ、電動ワイパー、リアウィンドウヒーターなどのアクセサリーによる負荷の増加に伴い、この時期に自動車に必要な電力が増加したことが要因でした。
現代のタイプの車両用オルタネーターは、第二次世界大戦中に軍事用途で初めて使用され、特殊車両の無線機器に電力を供給しました。[ i ]戦後、救急車や無線タクシーなど、電力需要の高い他の車両にもオプションでオルタネーターを取り付けることができました。[ 1 ]
オルタネーターは、フォードやゼネラルモーターズより数年早く、1960年にクライスラー社がバリアントに標準装備として初めて量産車に導入した。[ 1 ] [ 2 ]
フォード・モデルTのような初期の自動車の中には、異なるタイプの充電システムを採用していたものもあった。それは、エンジン駆動のマグネトーが低電圧の交流電流を生成し、それを振動コイルに供給して点火スパークに必要な高電圧を発生させるというものだった。（これは、高電圧を直接生成する真の点火マグネトーとは異なる。）このようなマグネトーシステムは、電流生成にエンジンの動きだけを必要とするため、クランクを勢いよく引けば、手動でエンジンを始動する際にも使用できた。そうすれば、マグネトーはコイルが十分なスパークを発生させるのに十分な電流を生成できた。
モデルTは、マグネトーをエンジンのフライホイールに組み込んでいました。初期のモデルTでは、マグネトーはトレンブラーコイルの点火専用でした。1915年モデルから、フォードはマグネトーで駆動する電動ヘッドライトを追加しました。[ 3 ] [ 4 ]マグネトー回路は完全に交流で、バッテリーは含まれていませんでした。（点火コイルにはバッテリーを使用するためのスイッチがあり、寒い天候での始動に役立つ可能性がありましたが、フォードは1919年に電動スターターを導入するまでバッテリーを提供せず、バッテリーの使用を推奨もしませんでした。所有者は自分でバッテリーを取り付け、外部で充電する必要がありました。）
1919年モデルから、フォードはモデルTに電動スターターを搭載するように改良し、一部のモデルでは標準装備、他のモデルではオプションとなった。このスターターの設置には、従来のダイナモで充電されるバッテリーも含まれており、ライトはバッテリーから電力が供給されるようになった。しかし、フライホイールマグネトーは依然として点火に電力を供給しており、スターターのないモデルにはバッテリーがないため、引き続きマグネトーで電力供給されるライトが使用された。[ 5 ] [ 6 ]
交流発電機は直流発電機（ダイナモ）に比べていくつかの利点があります。交流発電機には以下のようなものがあります。
交流（AC）を直流（DC）に変換するには、整流器（ダイオードブリッジ）が必要です。リップルの少ない直流を供給するために、多相巻線が使用され、回転子のポールピースは爪型（クローポール）に成形されています。自動車用オルタネーターは通常、クランクシャフト速度の2～3倍の速度でベルト駆動されますが、この速度では発電機の整流子が破損する可能性があります。オルタネーターはエンジンによって駆動されるため、回転方向に関係なく、さまざまな回転数（周波数が変化）で動作します。交流は直流に整流されるため、これは問題になりません。
オルタネーター用レギュレーターは、発電機用レギュレーターよりも構造が単純です。発電機用レギュレーターは、低速時に出力コイル（電機子）をバッテリーから切り離すためのカットアウトリレーを必要としますが、オルタネーター用レギュレーターでは整流ダイオードによってこの切り離しが行われます。また、ほとんどの発電機用レギュレーターには電流制限回路が内蔵されていますが、オルタネーター自体が電流制限機能を備えています。
爪型ポール設計は、正弦波よりも効率的に整流される交流波形を生成する。
その名称とは裏腹に、「直流発電機」（または「ダイナモ」）と「交流発電機」はどちらも、最初は交流電流を生成します。いわゆる「直流発電機」では、この交流電流は回転する電機子で生成され、整流子とブラシによって直流に変換されます。「交流発電機」では、交流電流は固定子で生成され、整流器（ダイオード）によって直流に変換されます。
一般的な乗用車や小型トラックのオルタネーターは、ルンダール式または「クローポール」式界磁構造を採用しています。これは、ローター上の成形鉄心を使用して、単一のコイル巻線から多極界磁を生成します。ローターの極は、互いに絡み合った2つの手の指のように見えます。コイルはこの内部に軸方向に配置され、界磁電流はスリップリングとカーボンブラシによって供給されます。これらのオルタネーターは、駆動ベルトプーリーに取り付けられた外部ファンによって生成される軸方向の空気の流れによって、界磁巻線とステーター巻線が冷却されます。[ 7 ]
現代の車両では、コンパクトなオルタネータレイアウトが採用されています。これは電気的にも磁気的にも似ていますが、空冷性能が向上しています。冷却性能の向上により、より小型の機械からより多くの電力を供給できます。ケーシングの両端には特徴的な放射状の通気スロットがあり、ファンを囲んでいます。ファンは両端に1つずつ、合計2つ使用され、気流は半放射状で、軸方向に流入し、放射状に外側に流出します。[ 8 ]ステータ巻線は、鉄心と銅巻線が密に詰め込まれた高密度の中央帯と、熱伝達を向上させるために巻線がより露出している端部帯で構成されています。ローターからのコア間隔が狭くなったことで、磁気効率が向上します。小型で密閉されたファンは、特に機械の回転速度が高い場合に、騒音を低減します。[ 8 ]
自動車のオルタネーターは水冷式にすることもできる。
大型車両には、大型機械と同様のフィールドコイルオルタネーターが搭載されている場合がある。[ 9 ]
3相交流発電機の巻線は、デルタ接続方式またはスター（Y）接続方式のいずれかを使用して接続することができます。[ 10 ]
このタイプのオルタネーターのブラシレス版は、高速道路を走行するトラックや土木機械などの大型機械にも広く使用されています。摩耗部品は2つの特大シャフトベアリングのみであるため、エンジンのオーバーホール間隔を超えるほど、非常に長く信頼性の高い動作を実現します。
自動車用オルタネーターには、小さな界磁電流を調整してバッテリー端子に一定の電圧を生成する電圧レギュレータが必要です。初期の設計（1960年代～1970年代頃）では、車両の別の場所にディスクリートデバイスが取り付けられていました。中期の設計（1970年代～1990年代頃）では、電圧レギュレータがオルタネーターのハウジングに組み込まれました。現代の設計では、電圧レギュレータは完全に廃止され、電圧調整はエンジン制御ユニット（ECU）の機能となっています。界磁電流はオルタネーターの出力電流よりもはるかに小さく、たとえば、70 Aのオルタネーターには 2～3 A の界磁電流しか必要ありません。界磁電流はスリップリングによってローター巻線に供給されます。低電流で比較的滑らかなスリップリングにより、整流子とブラシを介して流れる高電流を持つ DC 発電機よりも高い信頼性と長寿命が確保されます。
界磁巻線には、イグニッションスイッチとレギュレータを介してバッテリーから電力が供給されます。並列回路は「充電」警告インジケータに電力を供給し、レギュレータを介して接地されています（そのため、イグニッションがオンでもエンジンが作動していないときにインジケータが点灯します）。エンジンが作動し、オルタネータが発電を開始すると、ダイオードがオルタネータの主出力から界磁電流を供給し、警告インジケータの両端の電圧を均等化して警告インジケータを消灯します。界磁電流を供給するワイヤは、「励磁」ワイヤと呼ばれることがよくあります。この構成の欠点は、警告ランプが切れたり、「励磁」ワイヤが切断されたりすると、界磁巻線に電流が流れず、オルタネータが発電しないことです。警告インジケータ回路の中には、警告ランプが切れた場合に励磁電流が流れるように、ランプと並列に抵抗器が装備されているものもあります。運転者は、エンジンが停止しているときに警告インジケータが点灯していることを確認する必要があります。そうしないと、冷却水ポンプも駆動するベルトの故障を示す兆候がない可能性があります。一部のオルタネーターは、エンジンが一定の回転数に達すると自己励磁する。
近年では、オルタネーターレギュレーターは車両のコンピューターシステムと連動しており、吸気温度センサーから得られる空気温度、バッテリー温度センサー、エンジン負荷など、さまざまな要素を評価してオルタネーターから供給される電圧を調整している。
照明が最小限の古い自動車には、30アンペアしか出力できないオルタネーターが搭載されていた可能性があります。一般的な乗用車や小型トラックのオルタネーターの定格は50～70 アンペア程度ですが、エアコン、電動パワーステアリング、その他の電気系統によって車両の電気系統への負荷が増加するにつれて、より高い定格が一般的になりつつあります。バス、重機、緊急車両に使用される非常に大きなオルタネーターは、300アンペアを出力する場合があります。セミトラックには通常、140アンペアを出力するオルタネーターが搭載されています。非常に大きなオルタネーターは、水冷式または油冷式です。
自動車用オルタネータの効率は、ファン冷却損失、ベアリング損失、鉄損、銅損、およびダイオードブリッジでの電圧降下によって制限されます。効率は、主にファン抵抗のために高速で劇的に低下します。中速では、今日のオルタネータの効率は 70 ～ 80% です。[ 11 ]これは、自転車の照明システムに使用されるような非常に小型の高性能永久磁石オルタネータの効率 60% を上回ります。より大型の永久磁石電気機械 (モーターまたはオルタネータとして動作可能) は、今日でははるかに高い効率を達成できます。たとえば、Pellegrino ら[ 12 ]は、効率が 96% を超える領域が広く存在する、それほど高価ではない設計を提案しています。発電所で使用される大型交流発電機は、慎重に制御された速度で動作し、サイズや重量に制限はありません。効率は 98% と非常に高くなっています。
ハイブリッド電気自動車は、オルタネーターとスターターモーターを別々に備え、内燃機関を始動し、車輪に機械動力の一部または全部を供給し、大容量の蓄電池を充電する、1つまたは複数のモーター/ジェネレーターを一体化したものを採用しています。[ 13 ] [ 14 ]トヨタプリウスなどで使用されているハイブリッドシナジードライブのように、モーター/ジェネレーターが複数ある場合、1つがジェネレーターとして動作し、もう1つをモーターとして駆動することで、エンジン動力の一部を車輪に流すための電気機械的な経路が提供されます。[ 15 ]これらのモーター/ジェネレーターは、上述の自動車用オルタネーターよりもはるかに強力な電子機器で制御されています。[ 14 ]
クライスラーのもう一つの「初」…驚異的な新型オルタネーター