Articles

Technický článek: Jak funguje nabíjecí systém motocyklu – ElectroSport

Základy nabíjecího systému motocyklu
Téměř na každém motocyklu najdete baterii, která slouží k zajištění energie pro startování motocyklu a k vyrovnávání množství elektrické energie. Samotný akumulátor je nabíjen generátorem poháněným motorem, a dokud motor běží, protéká akumulátorem proud. Napětí plně nabitého akumulátoru bez zátěže je přibližně 13 Vss. Pro její nabíjení by měl nabíjecí systém poskytovat napětí přibližně 14,4 Vss a toto napětí by mělo být konstantní při všech otáčkách motoru.
Samotný generátor je umístěn v motoru nebo na něm a u většiny motocyklů je někde na rámu umístěna samostatná jednotka regulátoru a usměrňovače. Důvodem je skutečnost, že téměř všechny motocykly jsou vybaveny třífázovým generátorem střídavého proudu (AC), zatímco elektrický systém motocyklu je stejnosměrný (DC). Usměrňovací část uvnitř regulátoru-usměrňovače se stará o přeměnu střídavého proudu na stejnosměrný proud, který baterie potřebuje. Třífázový generátor střídavého proudu se tak často používá proto, že je mnohem účinnější a spolehlivější než generátor stejnosměrného proudu. Dokáže vyrábět energii pro nabíjení akumulátoru i při volnoběhu motoru. Regulátorová část regulátoru-usměrňovače slouží k regulaci výstupního napětí (do baterie) na potřebných 14,4 Vss.
Systém generátoru s permanentním magnetem
Generátor na motocyklu vyrábí tuto elektrickou energii, protože má na statoru (statické části generátoru) vinutí z měděného drátu, které se nachází uvnitř proměnlivého magnetického pole. Nejjednodušší generátor používá setrvačník, který běží na klikovém hřídeli s několika magnety uvnitř. Tento setrvačník s vestavěnými magnety nazýváme rotorem.

OBRÁZEK 1: PERMANENTNÍ MAGNETOVÝ GENERÁTOR
Samotné magnety mají severní a jižní póly a setrvačník se otáčí kolem statoru. Stator je kovové jádro s mnoha kovovými póly, které mají na sobě vinutí z měděného drátu. Protože se setrvačník otáčí a jsou v něm severní a jižní póly, jsou vinutí statoru vystavena nejprve severnímu pólu, pak jižnímu pólu, pak opět severnímu pólu atd. To je proměnlivé magnetické pole, které je potřebné k tomu, aby vinutí samo vyrábělo střídavý proud. Samotná vinutí jsou zapojena do hvězdy (jedno vinutí má dva konce a tři konce tří různých vinutí jsou spojeny dohromady), takže ze statoru vycházejí pouze tři výstupní vodiče.
Tuto sestavu generátoru nazýváme generátor s permanentními magnety. Je to proto, že setrvačník obsahuje magnety, které jsou stále magnetické. Výkon určitého statoru závisí na otáčkách motoru (čím vyšší jsou otáčky kolísání magnetického pole, tím vyšší je výkon statoru) a na síle magnetického pole (která je konstantní) V podstatě stator vytváří určitý výkon při určitých otáčkách.
Poté je střídavý proud veden přes usměrňovač uvnitř regulátoru-usměrňovače-jednotky. Usměrňovač převádí tři střídavé fáze na jediný výstup 14,4 Vss, zem a kladný. Protože stator vyrábí výkon v závislosti na otáčkách motoru, je statorový výstup stále příliš vysoký. To by znamenalo, že výstupní napětí regulátoru-usměrňovače by bylo po celou dobu mnohem vyšší než 14,4 Vss, což by mělo za následek přebíjení baterie a vyhoření elektrických součástí na motocyklu, které měly pracovat s napětím mezi 12 a 15 Vss.
Naštěstí existuje také regulátor-část uvnitř regulátoru-usměrňovače. Regulátor se dívá na stejnosměrné napětí na svorkách baterie a zkratuje určité množství energie, kterou vyrábí stator, na zem. To je neustále regulováno, takže výstupní napětí regulátoru-usměrňovače (které je v ideálním případě stejné jako napětí na svorkách baterie) zůstává po celou dobu na hodnotě 14,4 Vss.Nastavení generátoru s permanentními magnety není příliš účinné, ale je velmi jednoduché a poměrně spolehlivé. To vysvětluje, proč se jedná o nejčastěji používaný systém na motocyklech. jedním z problémů těchto systémů je zkratování samotného přebytečného výkonu. To provádí regulátor-usměrňovač a tato část musí odvádět výkon, který zkratuje na zem, což znamená, že se velmi zahřeje. To je většinou způsobeno regulátorem a částečně samotnými usměrňovacími diodami, které se zahřívají právě kvůli proudu, který jimi protéká. Vnitřní části regulátoru-usměrňovače musí být konstruovány tak, aby teplo bylo účinně odváděno ze samotných elektronických součástek do krytu jednotky, většinou opatřeného chladicími žebry. To je nejdůležitější část při návrhu regulátoru-usměrňovače pro použití v generátoru s permanentními magnety.
Součást regulátoru-usměrňovače musí někde v systému měřit stejnosměrné napětí. U nejlevnějších sestavených jednotek (poměrně hodně OEM) se to nedělá měřením stejnosměrného napětí ve stejnosměrné soustavě, ale sledováním střídavého napětí mezi jednou statorovou fází a zemí, a někdy je přebytečný výkon zkratován na zem jen z jedné nebo dvou vstupních střídavých fází místo ze všech tří fází, které jsou regulovány. Lépe zkonstruované jednotky měří výstupní napětí samotné jednotky a podle toho regulují vstupní střídavé napětí zkratováním většího nebo menšího výkonu na zem, a to stejnou měrou ze všech tří fází.

OBRÁZEK 2: PERMANENTNÍ MAGNETICKÝ GENERÁTOR
Některé jednotky používají k měření stejnosměrného napětí další vstupní vodič (OBRÁZEK 2), který je obvykle připojen až přes spínač zapalování, a ne přímo k baterii, takže na tomto vodiči je napětí pouze v případě, že je zapnuté zapalování. To se dělá proto, aby se vyrovnal pokles napětí, ke kterému může dojít v důsledku špatného propojení vodičů od výstupu regulátoru-usměrňovače ke svorkám baterie. Tyto vodiče vedou vysoký proud a jakékoliv špatné spojení zde bude mít za následek nižší napětí na svorkách baterie.
Přídavný vodič vede mnohem nižší proud a výsledkem tohoto nastavení je, že výstupní napětí regulátoru-usměrňovače bude vyšší, stejné stejnosměrné napětí jako pokles napětí ve vodičích s vysokým proudem plus 14,4 Vss. Má to tu výhodu, že baterie se bude nabíjet i přes špatné zapojení, ale má to tu nevýhodu, že vysokoproudé vodiče mohou kvůli tomu nakonec shořet, aniž by si majitel předem všiml, že je v obvodu problém.
Jednu věc je třeba mít na paměti, že výstupní výkon poskytovaný statorovým vinutím je dodáván mezi fázemi. Zem v nabíjecím systému je záporný výstup z usměrňovače. Střídavá část třífázového systému je plovoucí od země. To znamená, že testování střídavého výstupu je třeba provádět MEZI dvěma ze tří fází, a ne od jedné fáze k zemi.
Systém generátoru řízeného polem
Dalším systémem používaným u motocyklů je generátor řízený polem. Samotný systém funguje na stejných principech jako generátor s permanentními magnety, jediný velký rozdíl je v tom, že zde nejsou žádné permanentní magnety, ale místo toho je zde elektromagnet, který zajišťuje potřebný magnetismus. (Tento magnetismus se obvykle nazývá “pole”) Elektromagnet je jedno velké vinutí na kovovém jádře, které se zmagnetizuje, jakmile vinutím protéká stejnosměrný proud napájený z baterie. Automobilový generátor používá v podstatě stejný systém.
U většiny systémů řízených polem má toto kovové jádro drápkové póly a dva kluzné kroužky. Celá věc se otáčí spolu s klikovým hřídelem a kolem ní se otáčí statorové vinutí (stejně jako stator s permanentními magnety). Představte si, že se na vnější stranu rotoru díváte zboku. Uvidíte dva kusy kovu přitisknuté k sobě a mezi nimi vinutí. Když přes závity přivedete napětí z baterie, bude se rotor chovat jako velký elektromagnet a levá strana rotoru bude řekněme severní pól, pravá strana pak jižní pól. Uprostřed jsou vidět překrývající se části, což znamená, že při otáčení rotoru bude nejprve procházet jižní pól, pak severní pól, pak jižní pól atd. To je potřebné proměnlivé magnetické pole pro generování střídavého proudu ve statorovém vinutí. Trojfázový střídavý výstup ze statorového vinutí je veden přes usměrňovač (uvnitř regulátoru-usměrňovače-jednotky), aby se přeměnil na stejnosměrný proud pro nabíjení baterie.

OBRÁZEK 3: SPÍNANÉ POLE
Regulaci provádí regulátor-část regulátoru-usměrňovače. Snímá napětí velektrické soustavě motocyklu, a když je napětí nižší než 14,4 Vdc, zapne pole (přepne zdroj 12Vdc přes kluzáky) Pak vznikne magnetické pole, takže stator bude vyrábět výkon. Když napětí v systému motocyklu dosáhne více než 14,4 Vdc, regulátor to zjistí a prostě vypne pole. pak napětí klesne, protože stator už nevyrábí žádný výkon (není tam proměnlivé magnetické pole). Když napětí klesne pod cca 14,2 V, regulátor pole opět zapne.
Tento proces probíhá neustále a jeho výsledkem je konstantní napětí na svorkách baterie 14,4 Vdc. Protože stator nevyrábí žádný přebytečný výkon, je tento systém velmi účinný. Protikladem je, že není tak jednoduchý a malý jako generátor s permanentními magnety. Vinutí pole má obvykle jednu stranu připojenou ke kladnému napětí baterie prostřednictvím spínače zapalování. Takže pole je napájeno pouze při zapnutém zapalování. Regulace se provádí prostřednictvím regulátoru-části regulátoru-usměrňovače zapínáním nebo vypínáním země pro pole. U některých strojů je nastavení opačné, pak je jedna strana pole vždy připojena k zemi a druhá strana je regulátorem zapínána nebo vypínána na kladný přívod (přes spínač zapalování).
Bezúdržbový generátor řízený polem
Některé stroje mají trochu jiné nastavení. Pak je stator umístěn uvnitř krytu, stejně jako vinutí pole v jeho středu. Mezi nimi se otáčí železný drápek-pól poháněný motorem. Pazourkový pól se magnetizuje vinutím pole a systém funguje jako výše vysvětlený systém řízený polem. Rozdíl je v tom, že pole se neotáčí, takže nemusí být napájeno přes kluzné kroužky a kartáče, což jej činí prakticky bezúdržbovým. Protipólem tohoto uspořádání je dodatečná vzduchová mezera mezi vinutím pole a drápkovým pólem. Normálně máte mezi rotorem a statorem velmi úzkou vzduchovou mezeru, která je nutná k tomu, aby se rotor mohl volně otáčet. Tato vzduchová mezera musí být co nejmenší, čím menší je vzduchová mezera, tím účinněji generátor pracuje. U tohoto bezúdržbového systému je vzduchová mezera navíc, takže tento systém je méně účinný.
Jednotkový generátor řízený polem
Poslední variantou tohoto systému je generátor automobilového typu, který je přišroubován k motoru motocyklu jako jedna jednotka. Je poháněn samotným motorem a má vestavěný usměrňovač a vestavěný regulátor, stejně jako automobilový generátor. jedinými přípojkami k němu jsou kladný výstupní vodič k baterii plus a přívodní vodič od spínače zapalování k regulátoru uvnitř, takže regulátor lze zapínat a vypínat, když motor neběží, a na tomto vodiči může snímat napětí v elektrické soustavě motocyklu. Někdy z něj vede třetí vodič, který je zemnící, k rámu nebo k zápornému vodiči baterie. Takže protože usměrňovač a regulátor jsou zabudovány v samotném generátoru, vychází z něj pouze stejnosměrné napětí (14,4 Vss).

.