Articles

Teknisk artikel: Sådan fungerer et opladningssystem til motorcykler – ElectroSport

Grundlaget for et opladningssystem til motorcykler
På næsten alle motorcykler finder du et batteri, der bruges til at levere strøm til at starte motorcyklen og til at buffere en mængde elektrisk energi. Selve batteriet oplades af en generator, der drives af motoren, og så længe motoren kører, vil der være en strøm, der løber gennem batteriet. Spændingen i ubelastet tilstand for et fuldt opladet batteri er ca. 13 Vdc. Til opladning af det bør opladningssystemet levere en spænding på ca. 14,4 Vdc, og denne spænding bør være konstant ved alle motorhastigheder.
Selve generatoren er placeret i eller på motoren, og på de fleste motorcykler er der en separat regulator-retter-enhed placeret et sted på rammen. Grunden til dette er, at næsten alle motorcykler er udstyret med en trefaset AC-generator (vekselstrøm), mens motorcyklens elektriske system er et DC-system (jævnstrøm). Ensretterdelen inde i regulatoren-retteren sørger for at omdanne vekselstrømmen til den jævnstrøm, som batteriet har brug for. Den trefasede vekselstrømsgenerator anvendes så ofte, fordi den er langt mere effektiv og pålidelig end en jævnstrømsgenerator. Den kan producere strøm til opladning af batteriet, selv når motoren kører i tomgang. Reguleringsdelen af reguleringsretteren bruges til at regulere udgangsspændingen (til batteriet) til de 14,4 Vdc, der er nødvendige.
Det permanente magnetgeneratorsystem
En generator på en cykel producerer denne elektriske strøm, fordi den har en kobbertrådsvikling på statoren (den statiske del af generatoren), der er placeret inden for et varierende magnetfelt. Den enkleste generator bruger et svinghjul, der kører på krumtapakslen med et par magneter inde i det. Vi kalder dette svinghjul med de indbyggede magneter for rotoren.

FIGUR 1: PERMANENT MAGNETGENERATOR
Magneterne har selv nord- og sydpoler, og svinghjulet roterer rundt om statoren. Statoren er en metalkerne med en masse metalpoler, som har vindinger af kobbertråd på sig. Fordi svinghjulet roterer, og der er nord- og sydpoler i det, bliver statorens viklinger udsat for først en nordpol, så en sydpol, så en nordpol igen osv. Dette er det varierende magnetfelt, der er nødvendigt for at lade viklingen selv producere vekselstrøm. Selve viklingerne er forbundet i en stjerne (en vikling har to ender, og de tre ender af de tre forskellige viklinger er forbundet sammen), så statoren har kun tre udgangstråde, der udgår fra den.
Dette generator-setup kalder vi en permanentmagnetgenerator. Det skyldes, at svinghjulet indeholder magneter, der er magnetiske hele tiden. Udgangen af en bestemt stator er afhængig af motorens omdrejningstal (jo højere omdrejningstal for magnetfeltets variation, jo højere statorudgang), og magnetfeltets kraft (som er konstant) I princippet producerer statoren en bestemt udgangseffekt ved et bestemt omdrejningstal.
Dernæst ledes vekselstrømmen gennem ensretteren inde i regulator-ligretter-enheden. Ensretteren omdanner de tre vekselstrømsfaser til en enkelt udgang på 14,4 Vdc, en jord og en positiv. Da statoren producerer strøm i overensstemmelse med motorens omdrejningstal, er statorudgangen for høj hele tiden. Dette ville betyde, at udgangsspændingen fra regulator-retteren hele tiden ville være langt over 14,4 Vdc, hvilket ville resultere i et overopladet batteri og sprænge elektriske komponenter på motorcyklen, som skulle køre med en spænding på mellem 12 og 15 Vdc.
Glædeligt nok findes der også en regulatordel inde i en regulator-retteren. Regulatoren ser på jævnspændingen over batteripolerne og kortslutter en vis mængde strøm, der produceres af statoren, til jord. Dette reguleres konstant, så regulator-rettighedsfordelerens udgangsspænding (som ideelt set er den samme som spændingen over batteriklemmerne) forbliver på 14,4 Vdc hele tiden.Permanentmagnetgeneratoren er ikke særlig effektiv, men den er meget enkel og ret pålidelig. Dette forklarer, hvorfor det er det mest anvendte system på motorcykler. et af problemerne med disse systemer er kortslutningen af selve overskudsstrømmen. Dette gøres af regulator-retteren, og denne del skal aflede den strøm, som den kortslutter til jord, hvilket betyder, at den bliver meget varm. Dette skyldes for det meste regulatoren og til dels selve ensretterdioderne, som bliver varme alene på grund af den strøm, der løber igennem dem. Regulatorens og ensretterens indvendige dele skal være konstrueret således, at varmen overføres effektivt fra selve elektronikkomponenterne til enhedens kabinet, som for det meste er udstyret med køleplader. Dette er den vigtigste del af konstruktionen af en regulator-omformer til brug i en permanentmagnetgenerator.
Regulatordelen af regulator-omformeren skal måle jævnspændingen et eller andet sted i systemet. På de billigst byggede enheder (en hel del OEM-enheder) sker dette ikke ved at måle DC-spændingen i DC-systemet, men ved at se på AC-spændingen mellem en stator-fase og jorden, og nogle gange kortsluttes den overskydende effekt til jorden fra blot en eller to input-AC-faser i stedet for alle tre faser, der reguleres. De bedre byggede enheder måler selve enhedens udgangsspænding og regulerer indgangsvekselstrømmen i overensstemmelse hermed ved at kortslutte mere eller mindre strøm til jord, lige meget fra alle tre faser.

FIGUR 2: PERMANENT MAGNETGENERATOR
Nogle enheder bruger en ekstra indgangsledning (FIGUR 2) til at måle jævnspændingen.Denne ledning er normalt forbundet op gennem tændingsafbryderen og ikke direkte til batteriet, så der er kun spænding på denne ledning, hvis tændingen er tændt. Dette gøres for at kompensere for et spændingsfald, der kan forekomme på grund af en dårlig forbindelse i ledningerne fra regulatoren-retterens udgang til batteriklemmerne. Disse ledninger transporterer en høj strøm, og enhver dårlig forbindelse her vil resultere i en lavere spænding over batteriklemmerne.
Den ekstra ledning transporterer en meget lavere strøm, og resultatet af denne opsætning er, at regulator-ligegængerens udgangsspænding vil være højere, nemlig den samme jævnspænding som spændingsfaldet i de højstrømsledninger plus 14,4 Vdc. Det har den fordel, at batteriet vil blive opladet på trods af en dårlig forbindelse, men har den ulempe, at højstrømsledningerne til sidst kan brænde af på grund af dette, uden at ejeren på forhånd opdager, at der er et problem i kredsløbet.
En ting, man skal huske på, er, at den udgangseffekt, der leveres af statorviklingen, leveres mellem faserne. Jorden i opladningssystemet er den negative udgang fra ensretteren. AC-delen af det trefasede system er flydende fra jorden. Det betyder, at afprøvning af vekselstrømsudgangen skal foretages INDMELLEM to af de tre faser og ikke fra den ene fase til jord.
Det feltstyrede generatorsystem
Det andet system, der anvendes på motorcykler, er den feltstyrede generator. Selve systemet fungerer efter samme principper som en permanentmagnetgenerator, den eneste store forskel er, at der ikke er nogen permanente magneter, men i stedet er der en elektromagnet, der sørger for den nødvendige magnetisme. (Denne magnetisme kaldes normalt for “feltet”) Elektromagneten er en enkelt stor vikling på en metalkerne, der bliver magnetiseret, så snart der løber jævnstrøm gennem viklingen, som leveres af batteriet. En bilgenerator anvender stort set det samme system.
På de fleste af de feltstyrede systemer har denne metalkerne klo-poler og to slipringe. Det hele roterer sammen med krumtapakslen med statorviklingen (ligesom statoren med permanentmagnet) omkring den. Forestil dig, at du ser på rotors yderside sidelæns. Du vil se to stykker metal, der er presset sammen med en vikling i mellem. Når du tilfører batterispænding på tværs af viklingerne, vil rotoren opføre sig som en stor elektromagnet, og den venstre side af rotoren vil være f.eks. en nordpol, og den højre side vil være en sydpol. I midten kan man se, at stykkerne overlapper hinanden, hvilket betyder, at når rotoren roterer, vil der først passere en sydpol, dernæst en nordpol, dernæst en sydpol osv. Dette er det nødvendige varierende magnetfelt, der er nødvendigt for at generere vekselstrøm i statorviklingen. Den trefasede vekselstrøm fra statorviklingen ledes gennem en ensretter (inde i regulator-retter-enheden) for at omdanne den til jævnstrøm til opladning af batteriet.

FIGUR 3: SVITCHED FIELD
Reguleringen foretages af regulatordelen i regulator-retter-enheden. Den registrerer spændingen i cyklens elektriske system, og når spændingen er lavere end 14,4 Vdc, tænder den for feltet (den kobler en 12Vdc forsyning over slipringene) Så er der et magnetfelt, så statoren vil producere strøm. Når spændingen i motorcyklens system når over 14,4 Vdc, registrerer regulatoren det og slukker bare for feltet, hvorefter spændingen falder, fordi statoren ikke længere producerer strøm (der er ikke noget varierende magnetfelt). Når spændingen falder til under ca. 14,2 V, slår regulatoren feltet til igen.
Dette er en konstant proces, og resultatet af dette er en konstant spænding over batteriklemmerne på 14,4 Vdc. Da der ikke produceres nogen overskydende effekt af statoren, er dette system meget effektivt. Modsiden er, at det ikke er så enkelt og lille som en permanentmagnetgenerator. Feltviklingen har normalt den ene side forbundet til batteripositivet via tændingsafbryderen. Så der er kun strøm til feltet, når tændingen er tændt. Reguleringen sker gennem regulatordelen af regulator-retteren ved at tænde eller slukke for feltets jordforbindelse. På nogle maskiner er opsætningen den anden vej rundt, så er den ene side af feltet hele tiden forbundet til jord, og den anden side tændes eller slukkes til en positiv strøm (gennem tændingsafbryderen) af regulatoren.
Den vedligeholdelsesfrie feltstyrede generator
Somme maskiner har en lidt anden opsætning. Så er statoren placeret inde i et dæksel, samt feltviklingen i midten af den. Herimellem roterer en jernklo-pol, der drives af motoren. Klapstangen bliver magnetiseret af feltviklingen, og systemet fungerer som det feltstyrede system som forklaret ovenfor. Forskellen er, at feltet ikke roterer, så det behøver ikke at blive drevet af slipringe og børster, hvilket gør det stort set vedligeholdelsesfrit. Modsiden af denne opsætning er den ekstra luftspalte mellem feltviklingen og klo-pole. Normalt har man et meget smalt luftspalte mellem rotor og stator, som er nødvendigt for at lade rotoren rotere frit. Dette luftspalte skal være så lille som muligt, og jo mindre luftspalten er, jo mere effektivt fungerer generatoren. På dette vedligeholdelsesfrie system er der et ekstra luftspalte, så dette system er mindre effektivt.
Enhedens feltstyrede generator
Den sidste variant af dette system er en generator af biltypen, der er boltet fast på motorcyklens motor som en enkelt enhed. Den drives af selve motoren og har en indbygget ensretter og en indbygget regulator, ligesom en bilgenerator. de eneste forbindelser til den er den positive udgangsledning til batteri-plus og en forsyningsledning fra tændingsafbryderen til regulatoren indeni, så regulatoren kan tændes og slukkes, når motoren ikke kører, og den kan aflæse spændingen på motorcyklens elektriske system på denne ledning. Nogle gange kommer der en tredje ledning fra den, som er en jordledning til rammen eller til batteriets minuskabel. Så fordi ensretteren og regulatoren er indbygget i selve generatoren, er der kun jævnspænding (14,4 Vdc), der kommer fra denne generator.