Come funziona un alternatore: rotore, statore, ponte diodi, regolatore e puleggia

Un alternatore funziona per induzione elettromagnetica: la cinghia fa girare un rotore magnetizzato all'interno di uno statore avvolto, che genera corrente alternata trifase. Un ponte di diodi la trasforma in corrente continua e un regolatore dosa la magnetizzazione del rotore per mantenere la tensione di uscita stabile, tipicamente tra 13,8 e 14,4 V su un impianto a 12 V.

Capire il funzionamento serve a interpretare i guasti. Una spia accesa, una batteria che si scarica o un rumore anomalo hanno cause diverse a seconda del componente coinvolto: le spazzole si consumano, i diodi si bruciano, i cuscinetti si usurano, il regolatore smette di regolare. Sapere cosa fa ciascuna parte aiuta a capire cosa si può riparare e cosa no.

Il principio: dal moto del motore all'energia elettrica

Quando un campo magnetico si muove rispetto a un conduttore, nel conduttore nasce una tensione. L'alternatore applica questo principio facendo ruotare un elettromagnete, il rotore, dentro una serie di avvolgimenti fissi, lo statore. Il motore fornisce l'energia meccanica attraverso la cinghia servizi; l'alternatore la converte in energia elettrica.

Il percorso dell'energia si può descrivere in cinque passaggi:

1. Trascinamento: l'albero motore muove la cinghia, che fa girare la puleggia dell'alternatore a un regime più alto di quello del motore, di solito da due a tre volte superiore.
2. Eccitazione: il regolatore invia una corrente all'avvolgimento del rotore attraverso spazzole e anelli collettori. Il rotore diventa un elettromagnete.
3. Induzione: il rotore che gira induce nei tre avvolgimenti dello statore una tensione alternata trifase.
4. Raddrizzamento: il ponte diodi lascia passare la corrente in un solo verso e la trasforma in corrente continua.
5. Regolazione: il regolatore misura la tensione e aumenta o riduce la corrente di eccitazione per tenerla costante.

La corrente continua esce dal morsetto B+ e raggiunge la batteria e la rete di bordo attraverso il cavo di carica. La carcassa dell'alternatore, fissata al motore, chiude il circuito verso massa.

A cosa serve ogni componente dell'alternatore

Rotore a poli ad artigli

Il rotore è formato da un avvolgimento di filo di rame racchiuso tra due semigusci di acciaio con denti alternati, detti artigli. Quando l'avvolgimento è alimentato, gli artigli diventano alternativamente poli nord e poli sud. Ruotando, il rotore presenta allo statore un campo magnetico che cambia continuamente verso. Un avvolgimento del rotore interrotto o in corto impedisce la carica e in genere richiede la sostituzione dell'alternatore o una rigenerazione completa.

Statore trifase

Lo statore è un anello di lamierini sovrapposti con tre avvolgimenti distribuiti a 120 gradi l'uno dall'altro, collegati a stella o a triangolo. Le tre fasi generano tre tensioni alternate sfasate, che una volta raddrizzate producono una corrente continua con un'ondulazione molto ridotta. Uno statore con avvolgimenti bruciati, spesso di colore scuro e con odore caratteristico, è segno di un sovraccarico prolungato.

Ponte diodi

Il ponte raddrizzatore comprende almeno sei diodi di potenza, due per ogni fase, montati su piastre che fungono da dissipatori. Molti alternatori hanno anche tre diodi più piccoli, detti diodi di eccitazione, che alimentano il circuito D+ e la spia. Un diodo interrotto riduce la corrente disponibile e aumenta l'ondulazione; un diodo in corto può scaricare la batteria a veicolo fermo. Alcuni alternatori recenti ad alto rendimento usano raddrizzatori attivi a transistor al posto dei diodi tradizionali.

Regolatore di tensione

Il regolatore è un circuito elettronico, quasi sempre integrato con il portaspazzole sul retro dell'alternatore. Accende e spegne molte volte al secondo la corrente di eccitazione con una modulazione a larghezza d'impulso (PWM): più a lungo resta acceso, più forte è il campo e più alta la tensione. I regolatori dei veicoli recenti ricevono istruzioni dalla centralina motore (ECU) attraverso una linea dati e possono variare la tensione di carica in base alle condizioni di guida.

Spazzole e anelli collettori

Le spazzole sono due blocchetti di grafite spinti da molle contro due anelli di rame sull'albero del rotore. Trasportano la corrente di eccitazione, pochi ampere, dalla parte fissa alla parte rotante. Si consumano lentamente nel tempo: quando sono troppo corte il contatto diventa intermittente e la carica si interrompe a tratti. Anche gli anelli si usurano e possono rigarsi.

Cuscinetti

Due cuscinetti a sfere sostengono il rotore, che a regimi elevati del motore può superare molte migliaia di giri al minuto. Il cuscinetto lato puleggia è il più sollecitato perché sopporta anche la tensione della cinghia. Un cuscinetto usurato produce un ronzio o un rotolamento che aumenta con il regime.

Puleggia

La puleggia trasmette il moto dalla cinghia all'albero. Può essere fissa o a ruota libera: la versione a ruota libera (OAP) lascia girare il rotore per inerzia quando il motore rallenta, quella disaccoppiatrice (OAD) aggiunge una molla che smorza le vibrazioni. Le differenze sono spiegate nella guida puleggia fissa e puleggia a ruota libera.

Ventilazione

L'alternatore produce calore, e il calore è il principale nemico di diodi e regolatore. Gli alternatori più vecchi hanno una ventola esterna dietro la puleggia; quelli compatti moderni hanno due ventole interne fissate al rotore. Su alcuni motori l'alternatore è raffreddato a liquido.

I collegamenti elettrici dell'alternatore

Oltre al cavo di potenza B+, l'alternatore ha un connettore con uno o più contatti. Le sigle cambiano tra produttori e generazioni, ma le funzioni ricorrenti sono poche.

B+

Uscita della corrente di carica verso la batteria, con cavo di grande sezione e dado di serraggio.

D+ o L

Collegamento alla spia della batteria: fornisce la preeccitazione all'avvio e accende la spia quando l'alternatore non carica.

S

Ingresso di misura della tensione della batteria, usato da alcuni regolatori come riferimento.

IG

Alimentazione sotto chiave, presente in molti regolatori di tipo giapponese.

W

Segnale di una fase dello statore, usato su alcuni motori diesel per il contagiri.

DFM o FR

Segnale verso la centralina che indica quanto sta lavorando l'alternatore.

LIN o COM

Linea dati digitale tra centralina e regolatore negli alternatori intelligenti.

Lo schema completo dei terminali e delle loro varianti è nella guida connettori e terminali dell'alternatore. Il tipo di connettore è uno dei motivi per cui due alternatori apparentemente uguali non sono intercambiabili.

Termini da conoscere sul funzionamento dell'alternatore

Induzione elettromagnetica

Il fenomeno per cui un campo magnetico variabile genera una tensione in un conduttore. È il principio su cui si basano alternatori, dinamo e trasformatori.

Corrente trifase

Tre correnti alternate sfasate di un terzo di giro. Raddrizzate insieme danno una corrente continua più regolare di quella ottenibile da una sola fase.

Raddrizzatore

Sinonimo di ponte diodi: il circuito che converte la corrente alternata in continua.

Collettore a lamelle

Il componente della dinamo e del motorino d'avviamento formato da settori di rame isolati. Non va confuso con gli anelli collettori dell'alternatore, che sono due anelli continui.

Preeccitazione

La piccola corrente fornita al rotore all'avvio, prima che l'alternatore produca tensione da solo. Spesso passa attraverso la spia della batteria.

Alternatore intelligente

Alternatore il cui regolatore riceve comandi dalla centralina motore e varia la tensione di carica in funzione delle condizioni di guida e dello stato della batteria.

Come si collega il funzionamento a diagnosi e scelta del ricambio

Conoscere i componenti è il primo passo. I passi successivi sono riconoscere quale componente si è guastato, misurarlo e decidere se ripararlo o sostituirlo. Le guide che seguono partono da qui.

Sintomi di alternatore guasto

Ogni componente si guasta in modo riconoscibile: le spazzole danno una carica intermittente, i diodi un'ondulazione elevata, i cuscinetti un ronzio. La guida ai sintomi di alternatore guasto collega ogni segnale alla sua causa.

Come testare l'alternatore

Il multimetro permette di verificare tensione di carica, tenuta sotto carico e stato dei diodi senza smontare nulla. Ecco la procedura di test con il multimetro.

Riparare o sostituire

Spazzole, regolatore, diodi e cuscinetti sono sostituibili; statore e rotore molto meno. La guida riparare o sostituire l'alternatore spiega quando conviene ciascuna strada.

Alternatori intelligenti

Sui veicoli recenti il regolatore dialoga con la centralina e la tensione varia di proposito. Scopri come si comporta un alternatore intelligente.

Tutti gli argomenti fanno parte della guida completa all'alternatore; le definizioni sono raccolte nel glossario tecnico.

Esempi di guasti spiegati dal funzionamento

Carica che va e viene su un'auto con molti chilometri

Su un'auto con un'elevata percorrenza la spia della batteria lampeggia sulle buche e la tensione salta tra 12,4 e 14 V. Il comportamento è coerente con spazzole consumate che perdono contatto con gli anelli collettori: il rotore smette a tratti di essere eccitato. Il gruppo regolatore e portaspazzole è spesso sostituibile da solo.

Luci che sfarfallano e batteria che non arriva mai a piena carica

Su un furgone le luci pulsano al minimo e la batteria resta sempre un po' scarica, anche se la tensione media sembra quasi corretta. Un diodo interrotto fa lavorare l'alternatore con una fase in meno: la corrente disponibile cala e l'ondulazione aumenta. La misura in corrente alternata ai poli della batteria lo rivela.

Ronzio che cresce con i giri motore

Un trattore produce un ronzio metallico dalla zona dell'alternatore che aumenta con il regime e non cambia accendendo le utenze. Il rumore meccanico indipendente dal carico elettrico indica di solito un cuscinetto usurato, come spiegato nella guida all'alternatore rumoroso.

Dubbi comuni sul funzionamento dell'alternatore

L'alternatore non carica la batteria direttamente "a corrente alternata"

Il nome deriva dal tipo di corrente generata nello statore, ma ciò che esce dal morsetto B+ è corrente continua, già raddrizzata dal ponte diodi. Batteria e impianti di bordo funzionano solo in corrente continua.

Il regolatore non limita la corrente, limita la tensione

Il regolatore tiene costante la tensione; la corrente erogata dipende da quanto chiedono batteria e utenze, fino al massimo che l'alternatore può dare a quel regime. Un alternatore da molti ampere non "spinge" più corrente in una batteria già carica.

Le moto usano un sistema diverso

Su moto e scooter il generatore è quasi sempre un volano a magneti permanenti con statore fisso e regolatore-raddrizzatore separato, senza spazzole. Il principio è simile ma i componenti e i test sono diversi, come spiega la guida all'impianto di ricarica della moto.

Alternatore e dinamo non sono intercambiabili senza modifiche

La dinamo ha un regolatore esterno di tipo diverso e un cablaggio specifico. Sostituirla con un alternatore è possibile, ma richiede una conversione dell'impianto.

Domande frequenti sul funzionamento dell'alternatore

Perché si chiama alternatore se produce corrente continua?

Perché negli avvolgimenti dello statore genera corrente alternata. Il ponte diodi interno la converte in continua prima che esca dal morsetto di carica.

L'alternatore funziona anche senza batteria?

Sugli impianti moderni no, o comunque in modo instabile: la batteria fornisce la preeccitazione e stabilizza la tensione. Far funzionare l'alternatore senza batteria collegata rischia di danneggiare diodi, regolatore e centraline.

Quanti diodi ha un alternatore?

Almeno sei diodi di potenza per un alternatore trifase, spesso con tre diodi di eccitazione aggiuntivi. Alcune versioni ne hanno otto o più, mentre altre usano raddrizzatori a transistor.

Cosa fa la centralina in un alternatore intelligente?

Decide la tensione di carica e la comunica al regolatore attraverso una linea dati. Così può ridurre la carica in accelerazione per risparmiare carburante e aumentarla in decelerazione.