دینام ماشین چیست و چگونه کار می کند؟

دینام یک دستگاه تولید برق است که انرژی مکانیکی موتور را می گیرد و به انرژی الکتریکی تبدیل می کند تا برق مورد نیاز خودرو را تامین کرده و باتری را شارژ نگه دارد. با روشن شدن ماشین، موتور با یک تسمه، دینام را می چرخاند و دینام با روش القای مغناطیسی برق متناوب تولید می کند. برقی که در دینام تولید می شود، برای باتری و ماشین مناسب نیست، به همین خاطر دینام یک بخش دیگر هم دارد که برق متناوب تولید شده از دینام را به برق مستقیم تبدیل می کند تا بتواند در خودرو استفاده شود.

دینام چیست؟

دینام یک دستگاه تولید برق است که انرژی مکانیکی را از موتور خودرو می گیرد و به برق تبدیل می کند. دینام ماشین وظیفه تامین برق مورد نیاز خودرو را برعهده دارد؛ به طور کلی، دینام برق متناوب (AC) را از موتور گرفته و برق مستقیم (DC) تولید می کند تا برق خودرو تامین شود.

 

وظیفه و کار دینام ماشین چیست؟

نقش و کار دینام در خودرو تولید و تامین برق خودرو است. دقیق تر بگوییم کار دینام ماشین دو چیز است:

1. برق رسانی به سیستم های الکتریکی: هنگامی که موتور روشن می شود، بیشترین برق مورد نیاز برای کارکردن همه قطعات الکتریکی ماشین را دینام تولید می کند. این شامل چراغ ها، برف پاک کن ها، ضبط، کولر، شیشه بالابر برقی، سیستم جرقه زنی موتور و ماژول های کنترلی دیگر می شود.
2. شارژ کردن باتری: دینام شارژ الکتریکی که باتری برای روشن کردن موتور مصرف کرده، دوباره به باتری برمی گرداند. هنگام کارکردن ماشین هم، شارژ ماشین را در سطح مناسب نگه می دارد تا هم باتری برای استارت بعدی آماده باشد و هم اگر مصرف برق ماشین برای لحظه ای خیلی زیاد شد و دینام نتوانست به تنهایی جواب دهد، باتری بتواند کمک کند. اگر دینام ماشین خراب شود، ماشین فقط می تواند از شارژ ذخیره شده در باتری استفاده کند که آن هم خیلی زود تمام می شود و ماشین از کار می افتد.

فیلم طرز کار دینام خودرو و نحوه کارکرد آن

در ویدئوی زیر می توانید نحوه کار دینام ماشین را با جزئیات کامل مشاهده کنید. اینکه دینام خودرو چگونه کار می کند در بخش های بعدی کامل توضیح داده شده است.

 

قطعات و اجزای دینام خودرو

روتور (Rotor): روتور بخش متحرک دینام است که بر روی یک شفت نصب شده و این شفت به پولی متصل است. روتور در حقیقت یک آهنربای الکتریکی محسوب می شود. این قطعه شامل یک سیم پیچ است که به دور یک هسته آهنی پیچیده شده است. همچنین، قطعاتی انگشتی شکل به گونه ای در اطراف آن قرار گرفته اند که با عبور جریان برق از سیم پیچ، قطب های مغناطیسی شمال و جنوب به صورت متناوب ایجاد می شوند. جریان برقی که این میدان مغناطیسی را ایجاد می کند، جریان میدان نام دارد و از طریق رینگ های لغزنده و ذغال ها به روتور منتقل می شود. شدت میدان مغناطیسی تولید شده توسط روتور، به وسیله رگولاتور ولتاژ  کنترل می شود. این کنترل در نهایت منجر به  تنظیم ولتاژ خروجی دینام می گردد.

استاتور (Stator): استاتور بخش ثابت دینام است که روتور در درون آن به چرخش در می آید. این قطعه از یک هسته آهنی چند لایه تشکیل شده که دارای شیارهایی است که درون این شیار ها، چندین سیم پیچ مسی قرار گرفته است که به آنها سیم پیچ های استاتور یا سیم پیچ های آرمیچر گفته می شود. دینام های خودرو معمولا دارای سه سم پیچ مجزا هستند که با اختلاف زاویه 120 درجه نسبت به یکدیگر قرار گرفته اند و یک سیستم سه فاز را ایجاد می کنند. هنگامی که میدان مغناطیسی چرخان روتور از کنار این سیم پیچ های ثابت عبور می کند، جریان برق متناوب (AC) در آنها القا می شود. سیم پیچ های استاتور به دو روش اصلی ب یکدیگر متصل می شوند:

• اتصال “Y” یا ستاره: این نوع اتصال در دور موتور پایین، جریان مناسبی تولید می کند.
• اتصال “دلتا” یا مثلث: این اتصال در دینام هایی با توان بالا مورد استفاده قرار می گیرد

پولی (Pulley): پولی قطعه ای قرقره مانند است که بر روی محور شفت روتور دینام، در قسمت بیرونی آن، نصب می شود. این پولی از طریق یک تسمه به میل لگ موتور متصل می گردد. در خودرو های امروزی معمولا از یک تسمه یکپارچه به نام تسمه مارپیچ با تسمه دینام استفاده می شود؛ خودرو های قدیمی تر دارای تسمه های V شکل بودند. هنگامی که موتور روشن است، میل لنگ به چرخش در می آید این چرخش از طریق تسمه به پولی دینام منتقل شده و آن را نیز به حرکت در می آورد. این حرکت چرخشی، همان انرژی مکانیکی است که دینام آن را  به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. برخی از پولی های امروزی از فناوری پیشرفته تری برخوردار اند، مانند پولی های هرزگرد یا یک طرفه (OAP یا OAD). این نوع پولی ها به منظور کاهش لرزش و فرسودگی قطعات طراحی شده اند.

پوسته (Housing): بدنه یا پوسته دینام، معمولا از جنس آلمینیوم ساخته می شود که به روش ریخته گری تحت فشار تولید شده است. این پوسته تمام قطعات داخلی دینام را در بر می گیرد و از آنها نگهداری می کند. آلمینیوم به چند دلیل برای ساخت پوسته دینام انتخاب می شود.

• سبک است: این ویژگی به کاهش وزن کلی خودرو کمک می کند.
• خاصیت مغناطیسی ندارد: این موضوع با توجه به وجود میدان های مغناطیسی قوی در داخل دینام، اهمیت زیادی دارد.
• گرما را به خوبی منتقل می کند: این خاصیت به خنک شدن بهتر دینام کمک می کند.

یکسوساز (Rectifier): سیستم برق خودرو و باتری آن با برق مستقیم (DC) کار می کنند. این در حالی است که استاتور دینام به طور طبیعی  برق متناوب (AC) تولید می کند. وظیفه قطعه ای به نام یکسو ساز این است که این برق AC را به برق DC که برای خودرو قابل استفاده باشد، تبدیل کند. یکسوساز معمولا  به شکل یک مجموعه پل مانند است که از چند قطعه الکترونیکی کوچک به نام دیود تشکیل شده است.  دیود ها مانند شیر های یک طرفه برای جریان برق عمل می کنند؛ یعنی فقط اجازه می دهند برق از یک جهت مشخص عبور کند. به این فرآیند  تبدیل برق AC به DC، یکسو سازی گفته می شود. یکسوساز معمولا روی یک قطعه خنک کننده که به آن هیت سینک می گویند نصب می شود. این کار به این دلیل است که، گرمایی که در زمان تبدیل برق تولید می شود، از طریق این خنک کننده دفع شود و به یکسو ساز آسیب نرساند.

زغال ها (Cerbon Brushes): برای ایجاد میدان مغناطیسی در روتور، لازم است جریان برق به سیم پیچ گردان آن برسد. این وظیفه بر عهده رینگ های لغزنده و زغال ها است. رینگ های لغزنده، دو حلقه رسانا، صاف و پیوسته هستند که بر روی محور روتور نصب شده اند و به دوسر سیم پیچ میدان متصل می شوند. زغال ها نیز قطعات کوچک کربنی هستند که توسط فنر در یک محفظه نگهدارنده قرار گرفته اند. این زغال ها به طور دائم با رینگ های لغزنده در تماس هستند و روی سطح آنها می لغزند. جریان میدان، که از سوی رگولاتور ولتاژ تامین می شود، از طریق زغال ها و سپس رینگ های لغزنده به سیم پیچ روتور انتقال می یابد. این جریان، روتور را به یک آهنربای الکتریکی تبدیل می کند. زغال های دینام معمولا عمر طولانی تری نسبت به زغال های استفاده شده در دینام های قدیمی دارند، زیرا وظیفه آنها تنها انتقال جریان ضعیف میدان است.

 

بلبرینگ ها (Bearings): بلبرینگ ها معمولا در قسمت جلو و عقب شفت روتور و داخل پوسته قرار دارند و شفت روتر را نگه می دارند. وظیفه اصلی این بلبرینگ ها، نگهداری و پشتیبانی از محور روتور است. اهمیت بسیار زیاد بلبرینگ ها در این است که به روتور اجازه می دهند تا با سرعت بالا، به شکلی بسیار نرم و روان و با کمترین میزان اصطکاک بچرخد. این چرخش نرم و روان، موجب کاهش فرسودگی قطعات شده و در نتیجه، به افزایش کارایی و طول عمر دینام کمک شایانی می کند.

رگولاتور ولتاژ (Voltage Regulator): رگولاتور ولتاژ یک قطعه الکترونیکی بسیار مهم است که ولتاژ خروجی دینام را کنترل می کند. اگر رگولاتور وجود نداشته باشد، ولتاژی که دینام تولید می کند، با تغییر دور موتور و میزان مصرف برق، به شدت کم و زیاد می شود. این نوسان ولتاژ می تواند به باتری و قطعات الکتریکی حساس خودرو آسیب برساند. رگولاتور به طور مداوم ولتاژ سیستم برق خودرو را برسی می کند و بر اساس آن، مقدار جریان برقی را که به سیم پیچ میدان روتور فرستاده می شود، تنظیم می کند. با کنترل قدرت میدان مغناطیسی روتور، رگولاتور ولتاژ  خروجی دینام را در یک سطح ثابت و ایمن نگه می دارد. این مقدار معمولا برای یک سیستم 12 ولتی، بین 13.5 تا 14.5 ولت است. رگولاتور های ولتاژ امروزی، قطعات الکترونیکی پیشرفته ای هستند که اغلب در داخل خود دینام قرار می گیرند. در برخی از خودرو های جدید تر، عملکرد این قطعه ممکن است توسط کامپیوتر خودرو (ECU  یا PCM) کنترل شود تا فرآیند شارژ باتری با دقت بیشتری با دقت بیشتری انجام شود.

فن خنک کننده (Cooling Fan): دینام هنگام کار، به دلیل مقاومت الکتریکی و اصطکاک قطعات داخلی، گرمای قابل توجهی تولید می کند. برای پیشگیری از افزایش بیش از حد دما که می تواند به اجزای دینام آسیب رسانده و کارایی و طول عمر آن را کاهش دهد، دینام ها به یک فن خنک کننده مجهز شده اند. این فن خنک کننده می تواند به دو صورت باشد:

• فن خارجی: این نوع فن معمولا روی محور پولی نصب می شود و بیشتر در دینام های مدل های قدیمی تر رایج بوده است.
• فن داخلی: این فن در داخل پوسته دینام قرار می گیرد و در دینام های امروزی که طراحی جمع و جور تری دارند، بیشتر استفاده می شود. گاهی اوقات، دینام های جدید دارای دو فن داخلی هستند.

وظیفه  فن این است که هوا را از طریق شکاف ها و منافذ موجود روی پوسته به داخل دینام بکشد. با گردش این هوا، گرمای تولید شده در قطعاتی مانند استاتور، روتور، یکسو ساز و رگولاتور به بیرون منتقل شده و این قطعات خنک می شوند. برای اینکه سیستم خنک کننده دینام به طور موثر کار کند، بسیار مهم است که دینام تمیز نگه داشته شود و از جمع شدن گردو خاک یا چربی و روغن بر روی آن جلوگیری شود. این آلودگی ها می توانند مانند یک لایه عایق عمل کرده، مانع عبور مناسب هوا شوند و فرآیند خنک کاری را  مختل کنند.

دینام خودرو چگونه کار می کند؟

فرآیند تبدیل انرژی مکانیکی به برق مستقیم (DC) که در خودرو قابل استفاده باشد، شامل چندین مرحله فنی است. این مراحل همه گی به سرعت و به طور پیوسته، هنگامی که موتور خودرو روشن است، انجام می شوند. دینام را می توان مانند یک نیروگاه کوچک در نظر گرفت که وظیفه تولید برق خودرو را برعهده دارد.

مرحله 1: گرفتن انرژی مکانیکی از موتور: فرآیند کار دینام، با روشن شدن و شروع به کار موتور خودرو آغاز می شود. در ابتدا میل لنگ موتور، که وظیفه تبدیل حرکت خطی (بالا و پایین رفتن) پیستون ها به حرکت دورانی را بر عهده دارد، یک تسمه را به چرخش در می آورد . این تسمه معمولا به نام تسمه دینام شناخته می شود. این تسمه، علاوه بر اتصال به میل لنگ، به دور پولی دینام نیز حلقه شده وآن را در بر می گیرد. در نتیجه هنگامی که موتور کار می کند و میل لنگ می چرخد، تسمه نیز به حرکت در آمده و پولی دینام را می چرخاند. از آنجایی که پولی به محور روتر دینام متصل است، چرخش پولی منجر به چرخش روتور نیز می شود.

این حرکت چرخشی که از موتور به روتور دینام منتقل می شد، همان انرژی مکانیکی دورانی است که دینام برای شروع تولید برق به آن نیاز دارد.

مرحله 2: تولید برق متناوب (AC) با القای الکترومغناطیسی: هنگامی که روتور در داخل استاتور به گردش در می آید، میدان مغناطیسی آن از میان سیم پیچ های مسی استاتور عبور می کند. این میدان مغناطیسی در روتور، توسط جریان برقی که از سیم پیچ خود روتور می گذرد، ایجاد شده است. در این مرحله، پدیده مهمی به نام “القای الکترومغناطسی” رخ می دهد. بر اساس قانون القای فارادی،  هرگاه یک رسانا در معرض یک میدان مغناطیسی متغیر قرار گیر ولتاژی در آن رسانا به وجود می آید. اگر مدار الکتریکی کامل باشد، این ولتاژ باعث ایجاد جریان برق نیز می شود. از آنجایی که قطب های مغناطیسی روتور هنگام چرخش به صورت متناوب از کنار سیم پیچ های استاتور عبور می کنند، جهت جریان برقی که در این سیم پیچ ها ایجاد می شود نیز پیوسته تغییر می کند. نتیجه این فرآیند، تولید برق متناوب (AC) استو بیشتر دینام های خودرو، برق متناوب سه فاز تولید می کنند. مزیت برق سه فاز این است که بعد از تبدیل شدن به برق مستقیم (DC) طی فرآیندی به نام یکسو سازی، خروجی برق یکنواخت تر و پایدار تری نسبت به برق متناوب تک فاز ارائه می دهد.

مرحله 3: تبدیل AC به برق مستقیم (DC) برای استفاده در ماشین: سیستم های الکتریکی خودرو، از جمله مدار شارژ باتری، به گونه ای طراحی شده اند که با برق مستقیم (DC) کار کنند. برق متناوب (AC) که توسط استاتور دینام تولید می شود، به طور مستقیم برای این سیستم قابل استفاده نیست. بنابر این ضروری است که این برق متناوب به برق مستقیم (DC) تبدیل گردد. این فرآیند تبدی، توسط مجموعه ای به نام یکسو ساز یا پل دیودی انجام می شود. یکسوساز از چندین قطعه الکتریکی به نام دیود استفاده می کند. این دیود ها مانند دریچه های یک طرفه ای برای جریان برق عمل می کنند. به این ترتیب دیود ها جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می کنند. ولتاژ مستقیمی که بعد از این مرحله به دست می آید هنوز دارای حالت نوسانی یا به اصطلاح ضربان دار است. این نوسانات سپس توسط باتری خودرو، که تا حدی نقش یک صافی یا خازن بزرگ را ایفا می کند، کاهش یافته و ولتاژ خروجی هموار تر و یکنواخت تر می شود تا برای استفاده در سیستم های حساس خودرو مناسب باشد.

مرحله 4: تنظیم ولتاژ برای حفاظت از سستم و بازدهی: میزان ولتاژی که دینام خودرو تولید می کند به دو عامل بستگی دارد: اول سرعت چرخش موتور و دوم میزان مصرف برق توسط سیستم های مختلف خودرو. با افزایش دور موتور پتانسیل تولید ولتاژ بالا تر می رود و با افزایش بار الکتریکی فشار بیشتری روی دینام وارد می شود. اگر این ولتاژ خروجی دینام کنترل نشود، مشکلات جدی به وجود خواهد آمد. افزایش بیش از حد ولتاژ می تواند به باتری و سایر قطعات الکترونیکی حساس خودرو آسیب برساند. از طرف دیگر، کاهش بیش از حد ولتاژ نیز باعث می شود باتری به درستی شارژ نشود و برق کافی برای سیستم های الکتریکی خودرو تامین نگردد. وظیفه رگولاتور ولتاژ جلوگیری از بروز این نوسانات و تثبیت ولتاژ خروجی دینام است. این قطعه الکترونیکی به طور مداوم ولتاژ سیستم برق خودرو را اندازه گیری و نظارت می کند. سپس با کنترل دقیق میزان جریان برقی که به سیم پیچ میدان روتور ارسال می شود، قدرت میدان مغناطیسی روتور را تنظیم می نماید. به این صورت که، اگر ولتاژ سیستم برق خودرو کاهش یابد، رگولاتور میزان جریان ورودی به سیستم میدان روتور را افزایش می دهد. این کار باعث تقویت میدان مغناطیسی روتور و در نتیجه افزایش ولتاژ خروجی دینام می شود. برعکس اگر ولتاژ سیستم بیش از حد مجاز افزایش یابد، رگولاتور جریان ورودی به سیم پیچ میدان را کاهش می دهد تا ولتاژ خروجی دینام نیز کم شود. این عملکرد دقیق و پیوسته رگولاتور تضمین می کند که ولتاژ خروجی دینام در یک محدوده ثابت معمولا بین 13.5 تا 14.5 ولت برای سیستم های 12 ولتی باقی بماند.