Articles

Tekninen artikkeli: ElectroSport

Moottoripyörän latausjärjestelmän perusteet
Lähes jokaisessa moottoripyörässä on akku, jota käytetään antamaan virtaa pyörän käynnistämiseen ja puskuroimaan sähköenergian määrää. Itse akku ladataan moottorin käyttämästä generaattorista, ja niin kauan kuin moottori käy, akun läpi kulkee virta. Täyteen ladatun akun jännite kuormittamattomana on noin 13 Vdc. Latausta varten latausjärjestelmän tulisi tuottaa noin 14,4 Vdc:n jännite, jonka tulisi olla vakiojännite kaikilla moottorin kierrosluvuilla.
Itse generaattori sijaitsee moottorissa tai sen päällä, ja useimmissa pyörissä on erillinen säädin-vakioyksikkö, joka sijaitsee jossain rungossa. Tämä johtuu siitä, että lähes kaikki moottoripyörät on varustettu kolmivaiheisella vaihtovirtageneraattorilla (AC, Alternating Current), kun taas pyörän sähköjärjestelmä on tasavirtajärjestelmä (DC, Direct Current). Tasasuuntaajan sisällä oleva tasasuuntaajan osa huolehtii vaihtovirran muuntamisesta akun tarvitsemaksi tasavirraksi. Kolmivaiheista vaihtovirtageneraattoria käytetään niin usein, koska se on paljon tehokkaampi ja luotettavampi kuin tasavirtageneraattori. Se voi tuottaa virtaa akun lataamiseen myös moottorin käydessä tyhjäkäynnillä. Säädin-tasasuuntaajan säädinosaa käytetään lähtöjännitteen (akulle) säätämiseen tarvittavaan 14,4 Vdc:hen.
Pysyvän magneetin generaattorijärjestelmä
Pyörän generaattori tuottaa tämän sähköenergian, koska siinä on staattorissa (generaattorin staattorissa oleva staattinen osa) kuparilankainen käämitys, joka sijaitsee vaihtelevan magneettikentän sisällä. Yksinkertaisimmassa generaattorissa käytetään vauhtipyörää, joka kulkee kampiakselin päällä ja jonka sisällä on pari magneettia. Kutsumme tätä vauhtipyörää, jossa on sisäänrakennettuja magneetteja, roottoriksi.

KUVA 1. Aktiivinen generaattori: PYSYVÄMAGNEETTIGENERAATTORI
Magneeteilla itsellään on pohjois- ja etelänavat, ja vauhtipyörä pyörii staattorin ympärillä. Staattori on metallisydän, jossa on paljon metallinapoja, joiden päällä on kuparilankakäämityksiä. Koska vauhtipyörä pyörii ja sen sisällä on pohjois- ja etelänavat, staattorin käämitykset altistuvat ensin pohjoisnavalle, sitten etelänavalle, sitten taas pohjoisnavalle jne. Tämä on vaihteleva magneettikenttä, jota tarvitaan, jotta käämi voi tuottaa vaihtovirtaa. Itse käämitykset on kytketty tähteen (yhdellä käämityksellä on kaksi päätä ja kolmen eri käämityksen kolme päätä on kytketty toisiinsa), joten staattorista lähtee vain kolme ulostulojohtoa.
Tätä generaattoriasetelmaa kutsumme kestomagneettigeneraattoriksi. Tämä johtuu siitä, että vauhtipyörä sisältää magneetteja, jotka ovat koko ajan magneettisia. Tietyn staattorin teho riippuu moottorin kierrosluvusta (mitä suurempi on magneettikentän vaihtelun nopeus, sitä suurempi on staattorin teho) ja magneettikentän voimasta (joka on vakio) Periaatteessa staattori tuottaa tietyn tehon tietyllä kierrosluvulla.
Sitten vaihtovirta johdetaan tasasuuntaajaan regulaattorin tasasuuntaajayksikön sisällä. Tasasuuntaaja muuntaa kolme vaihtovirtavaihetta yhdeksi 14,4 Vdc:n lähdöksi, maadoitukseksi ja positiiviseksi. Koska staattori tuottaa tehoa moottorin kierrosluvun mukaan, staattorin ulostulo on koko ajan liian korkea. Tämä tarkoittaisi sitä, että säätimen tasasuuntaajan lähtöjännite olisi koko ajan reilusti yli 14,4 Vdc, mikä johtaisi akun ylilatautumiseen ja pyörän sähköisten komponenttien räjähtämiseen, jotka on tarkoitettu toimimaan 12-15 Vdc:n jännitteellä.
Onneksi säätimen tasasuuntaajan sisällä on myös säädinosa. Regulaattori tarkastelee akun napojen yli olevaa tasajännitettä ja oikosulkee tietyn määrän staattorin tuottamasta tehosta maahan. Tätä säädellään jatkuvasti, joten regulaattorin tasasuuntaajan ulostulojännite (joka on ihanteellisesti sama kuin akun napojen yli oleva jännite) pysyy koko ajan 14,4 Vdc:ssä.Kestomagneettigeneraattorikokoonpano ei ole kovin tehokas, mutta se on hyvin yksinkertainen ja melko luotettava. Tämä selittää sen, miksi se on moottoripyörissä yleisimmin käytetty järjestelmä.Yksi näiden järjestelmien ongelmista on itse ylitehon oikosulku. Tämä tapahtuu säätimen ja tasasuuntaajan välityksellä, ja tämän osan on haihdutettava maahan oikosuljettu teho, mikä tarkoittaa, että se kuumenee voimakkaasti. Tämä johtuu enimmäkseen säätimestä ja osittain itse tasasuuntaajadiodeista, jotka kuumenevat pelkästään sen läpi kulkevan virran vuoksi. Säätimen ja tasasuuntaajan sisäosat on rakennettava siten, että lämpö siirtyy tehokkaasti itse elektronisista komponenteista yksikön koteloon, joka on useimmiten varustettu jäähdytyssuojilla. Tämä on tärkein seikka suunniteltaessa säädin-sovitinta käytettäväksi kestomagneettigeneraattorikokoonpanossa.
Säädin-sovittimen säädinosan on mitattava tasavirtajännite jossakin järjestelmän osassa. Halvimmissa rakennetuissa yksiköissä (aika monissa OEM-yksiköissä) tämä ei tapahdu mittaamalla tasajännitettä tasajännitejärjestelmässä, vaan tarkastelemalla vaihtojännitettä yhden staattorivaiheen ja maan välillä, ja joskus ylimääräinen teho oikosuljetaan maahan vain yhdestä tai kahdesta tulo-vaihtovaiheen vaiheesta eikä kaikista kolmesta säädettävästä vaiheesta. Paremmin rakennetut yksiköt mittaavat itse yksikön ulostulojännitettä ja säätelevät syötettävää vaihtosähköä sen mukaisesti oikosulkemalla enemmän tai vähemmän virtaa maahan, yhtä paljon kaikista kolmesta vaiheesta.

KUVA 2: PYSYVÄ MAGNEETTIGENERAATTORI
Jotkut yksiköt käyttävät ylimääräistä syöttöjohtoa (KUVA 2) mittaamaan tasavirtajännitettä.Tämä johto kytketään tavallisesti sytytyskytkimen kautta eikä suoraan akkuun, joten jännite kytkeytyy tähän johtoon, jos sytytysvirta on päällä. Näin kompensoidaan jännitteen laskua, joka voi aiheutua huonosta kytkennästä säätimen tasasuuntaajan ulostulosta akun liittimiin johtavissa johdoissa. Näissä johtimissa kulkee suuri virta, ja huono kytkentä johtaa alhaisempaan jännitteeseen akun liittimissä.
Lisäjohtimessa kulkee paljon alhaisempi virta, ja tämän asetelman tuloksena säätimen ja tasasuuntaajan ulostulojännite on korkeampi, sama tasavirtajännite kuin jännitehäviö suurivirtaisissa johtimissa lisättynä 14,4 Vdc:llä. Sen etuna on, että akku latautuu huonosta kytkennästä huolimatta, mutta haittapuolena on, että suurvirtajohtimet voivat lopulta palaa loppuun tämän vuoksi ilman, että omistaja edes huomaa etukäteen, että virtapiirissä on ongelma.
Yksi asia, joka on syytä pitää mielessä, on se, että staattorikäämityksen tuottama lähtöteho toimitetaan vaiheiden välissä. Latausjärjestelmässä maa on tasasuuntaajan negatiivinen lähtö. Kolmivaihejärjestelmän AC-osa on maasta kelluva. Tämä tarkoittaa sitä, että vaihtovirtalähdön testaus on tehtävä kahden kolmen vaiheen välissä eikä yhdestä vaiheesta maahan.
Kenttäohjattu generaattorijärjestelmä
Toinen moottoripyörissä käytetty järjestelmä on kenttäohjattu generaattori. Järjestelmä itsessään toimii samoilla periaatteilla kuin kestomagneettigeneraattori, ainoa suuri ero on se, että siinä ei ole kestomagneetteja, vaan sen sijaan siinä on sähkömagneetti, joka tuottaa tarvittavan magnetismin. (Tätä magnetismia kutsutaan tavallisesti “kentäksi”) Sähkömagneetti on yksi suuri käämi metallisydämellä, joka magnetoituu heti, kun käämin läpi virtaa akun syöttämä tasavirta. Auton generaattori käyttää periaatteessa samaa järjestelmää.
Useimmissa kenttäohjatuissa järjestelmissä tässä metallisydämessä on kynsinavat ja kaksi liukurengasta. Kokonaisuus pyörii kampiakselin mukana, ja staattorikäämitys (aivan kuten kestomagneettistatori) kiertää sen ympärillä. Kuvittele, että katsot roottorin ulkopuolista puolta sivuttain. Näet kaksi yhteen puristettua metallipalaa, joiden välissä on käämi. Kun asetat akkujännitteen liukujousien yli, roottori käyttäytyy kuin suuri sähkömagneetti, ja roottorin vasen puoli on vaikkapa pohjoisnapa ja oikea puoli etelänapa. Keskellä näet kappaleet limittäin, mikä tarkoittaa, että kun roottori pyörii, ensin kulkee etelänapa, sitten pohjoisnapa, sitten etelänapa jne. Tämä on tarvittava vaihteleva magneettikenttä vaihtovirran tuottamiseksi staattorikäämitykseen. Staattorikäämityksen kolmivaiheinen vaihtovirtalähtö johdetaan tasasuuntaajan läpi (säädin-tasasuuntaajayksikön sisällä), jotta se voidaan muuntaa tasavirraksi akun lataamista varten.

KUVA 3: KYTKETTÄVÄ KENTTÄ
Säätö tapahtuu säädin-tasasuuntaajan säädinosassa. Se aistii pyörän sähköjärjestelmän jännitteen ja kun jännite on alle 14,4 Vdc se kytkee kentän päälle (se kytkee 12Vdc-syötön liukujousien yli) Silloin on magneettikenttä, joten staattori tuottaa tehoa. Kun pyörän järjestelmän jännite nousee yli 14,4 Vdc:n, säädin havaitsee sen ja kytkee kentän pois päältä. silloin jännite laskee, koska staattori ei enää tuota virtaa (ei ole vaihtelevaa magneettikenttää). Kun jännite laskee alle n. 14,2 V, säädin kytkee kentän takaisin päälle.
Tämä on jatkuva prosessi, ja sen tuloksena akun napojen yli on vakiojännite 14,4 Vdc. Koska staattori ei tuota ylimääräistä tehoa, tämä järjestelmä on erittäin tehokas. Vastapuolena on se, että se ei ole yhtä yksinkertainen ja pieni kuin kestomagneettigeneraattori. Kenttäkäämityksen toinen puoli on yleensä kytketty sytytyskytkimen kautta akun positiiviseen puoliin. Kenttä saa siis virtaa vain silloin, kun sytytysvirta kytketään päälle. Säätö tapahtuu säätimen ja tasasuuntaajan säädinosan kautta kytkemällä kentän maadoitus päälle tai pois päältä. Joissakin koneissa asetelma on päinvastainen, jolloin kentän toinen puoli on koko ajan kytketty maahan ja toinen puoli kytketään päälle tai pois päältä positiiviselle syötölle (sytytyskytkimen kautta) säätimen avulla.
Huoltovapaa kenttäohjattu generaattori
Joissakin koneissa asetelma on hieman erilainen. Silloin staattori sijaitsee kannen sisällä, samoin kenttäkäämitys sen keskellä. Niiden välissä pyörii rautainen kynsinapa, jota moottori pyörittää. Kenttäkäämitys magnetoi kynsinavan, ja järjestelmä toimii kuten edellä selitetty kenttäohjattu järjestelmä. Erona on se, että kenttä ei pyöri, joten sitä ei tarvitse pyörittää liukurenkaiden ja harjojen avulla, mikä tekee siitä käytännössä huoltovapaan. Tämän kokoonpanon vastapuolena on ylimääräinen ilmarako kenttäkäämityksen ja kynsipylvään välissä. Normaalisti roottorin ja staattorin välillä on hyvin kapea ilmarako, jota tarvitaan, jotta roottori voi pyöriä vapaasti. Tämän ilmavälin on oltava mahdollisimman pieni, sillä mitä pienempi ilmarako on, sitä tehokkaammin generaattori toimii. Tässä huoltovapaassa järjestelmässä on ylimääräinen ilmarako, joten tämä järjestelmä on tehottomampi.
Yksikkökenttäohjattu generaattori
Tämän järjestelmän viimeinen muunnos on autotyyppinen generaattori, joka on pultattu pyörän moottoriin yhtenä yksikkönä. Sitä ohjaa itse moottori, ja siinä on sisäänrakennettu tasasuuntaaja ja sisäänrakennettu säädin, aivan kuten autogeneraattorissa. ainoat liitännät siihen ovat positiivinen ulostulojohto akku-plussaan ja syöttöjohto sytytyskytkimestä sisäpuolella olevaan säätimeen, joten säädin voidaan kytkeä päälle ja pois päältä silloin, kun moottori ei ole käynnissä, ja se voi aistia jännitteen polkupyörän sähköjärjestelmässä tätä johtoa pitkin. Joskus siitä lähtee kolmas johto, joka on maadoitusjohto runkoon tai akun miinusjohtimeen. Koska tasasuuntaaja ja säädin on siis rakennettu itse generaattoriin, tästä generaattorista tulee vain tasajännitettä (14,4 Vdc).