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Article technique : Comment fonctionne un système de charge de moto – ElectroSport

Les bases d’un système de charge de moto
Sur presque toutes les motos, vous trouverez une batterie, utilisée pour fournir du courant pour le démarrage de la moto et pour tamponner une quantité d’énergie électrique. La batterie elle-même est chargée par un générateur entraîné par le moteur, et tant que le moteur tourne, un courant circule dans la batterie. La tension à vide d’une batterie complètement chargée est d’environ 13 Vdc. Pour la charger, le système de charge doit fournir une tension d’environ 14,4 Vdc et cela doit être une tension constante à tous les régimes du moteur.
Le générateur lui-même est situé dans ou sur le moteur, et sur la plupart des motos, il y a une unité séparée de régulateur-rectificateur située quelque part sur le cadre. La raison en est que presque toutes les motos sont équipées d’un générateur triphasé à courant alternatif (AC), alors que le système électrique de la moto est un système à courant continu (DC). La partie redresseuse à l’intérieur du régulateur-rectificateur se charge de convertir le courant alternatif en courant continu dont la batterie a besoin. Le générateur de courant alternatif triphasé est si souvent utilisé car il est beaucoup plus efficace et fiable qu’un générateur de courant continu. Il peut produire de l’énergie pour charger la batterie même si le moteur tourne au ralenti. La partie régulateur du régulateur-rectificateur est utilisée pour réguler la tension de sortie (vers la batterie) à 14,4 Vdc qui est nécessaire.
Le système de générateur à aimant permanent
Un générateur sur un vélo produit cette énergie électrique parce qu’il a un enroulement de fil de cuivre sur le stator (la partie statique du générateur) qui est situé à l’intérieur d’un champ magnétique variable. Le générateur le plus simple utilise un volant d’inertie qui tourne sur le vilebrequin et contient quelques aimants. Nous appelons ce volant d’inertie avec ses aimants intégrés le rotor.

FIGURE 1 : GÉNÉRATEUR À AIMANTS PERMANENTS
Les aimants eux-mêmes ont des pôles nord et sud et le volant d’inertie tourne autour du stator. Le stator est un noyau métallique avec de nombreux pôles métalliques sur lesquels sont enroulés des fils de cuivre. Comme le volant tourne et qu’il contient des pôles nord et sud, les enroulements du stator sont d’abord exposés à un pôle nord, puis à un pôle sud, puis à un pôle nord à nouveau, etc. C’est le champ magnétique variable qui est nécessaire pour que l’enroulement produise un courant alternatif. Les enroulements eux-mêmes sont connectés en étoile (un enroulement a deux extrémités et les trois extrémités des trois enroulements différents sont connectées ensemble), de sorte que le stator n’a que trois fils de sortie qui en sortent.
Cette configuration de générateur que nous appelons un générateur à aimant permanent. C’est parce que le volant d’inertie contient des aimants qui sont magnétiques en permanence. La sortie d’un certain stator dépend de la vitesse du moteur (plus la vitesse de variation du champ magnétique est élevée, plus la sortie du stator est élevée), et de la force du champ magnétique (qui est constante) En gros, le stator produit une certaine sortie à un certain régime.
Puis le courant alternatif est conduit à travers le redresseur à l’intérieur de l’unité de régulateur-rectificateur. Le redresseur convertit les trois phases AC en une seule sortie de 14,4 Vdc, une masse et un positif. Comme le stator produit de la puissance en fonction de la vitesse du moteur, la sortie du stator est trop élevée en permanence. Cela signifierait que la tension de sortie du régulateur-rectificateur serait bien supérieure à 14,4 Vdc en permanence, ce qui entraînerait une batterie surchargée et l’explosion des composants électriques de la moto qui sont censés fonctionner avec une tension comprise entre 12 et 15 Vdc.
Heureusement, il y a aussi une partie régulateur à l’intérieur d’un régulateur-rectificateur. Le régulateur regarde la tension continue aux bornes de la batterie et court-circuite à la masse une certaine quantité de puissance produite par le stator. Cette puissance est régulée en permanence, de sorte que la tension de sortie du régulateur-rectificateur (qui, dans l’idéal, est la même que la tension aux bornes de la batterie) reste en permanence à 14,4 Vdc.La configuration du générateur à aimant permanent n’est pas très efficace, mais elle est très simple et assez fiable. L’un des problèmes de ces systèmes est le court-circuitage de la puissance excédentaire elle-même. C’est le régulateur-rectificateur qui s’en charge et cette pièce doit dissiper la puissance qu’elle court-circuite à la masse, ce qui signifie qu’elle devient très chaude. Cela est dû en grande partie au régulateur et en partie aux diodes de redressement elles-mêmes qui deviennent chaudes à cause du courant qui les traverse. Les internes du régulateur et du redresseur doivent être construits de manière à ce que la chaleur soit transférée efficacement des composants électroniques eux-mêmes vers le boîtier de l’unité, généralement équipé d’ailettes de refroidissement. C’est la partie la plus importante dans la conception d’un régulateur-rectificateur pour une utilisation dans un générateur à aimant permanent.
La partie régulateur du régulateur-rectificateur doit mesurer la tension continue quelque part dans le système. Sur les unités construites les moins chères (pas mal d’unités OEM), cela ne se fait pas en mesurant la tension continue dans le système CC, mais en regardant la tension alternative entre une phase du stator et la terre, et parfois l’excès de puissance est court-circuité à la terre à partir d’une ou deux phases CA d’entrée seulement au lieu des trois phases qui sont régulées. Les unités les mieux construites mesurent la tension de sortie de l’unité elle-même et régulent le courant alternatif d’entrée en conséquence en court-circuitant plus ou moins de puissance à la terre, une quantité égale sur les trois phases.

FIGURE 2 : GÉNÉRATEUR À AIMANT PERMANENT
Certaines unités utilisent un fil d’entrée supplémentaire (FIGURE 2) pour mesurer la tension continue.Ce fil est normalement connecté jusqu’au commutateur d’allumage et non directement à la batterie.Ainsi, il y a seulement une tension sur ce fil si l’allumage est activé. Ceci est fait pour compenser une chute de tension qui peut se produire en raison d’une mauvaise connexion dans les fils de la sortie du régulateur-rectificateur aux bornes de la batterie. Ces fils transportent un courant élevé et toute mauvaise connexion ici entraînera une tension inférieure sur les bornes de la batterie.
Le fil supplémentaire transporte un courant beaucoup plus faible et le résultat de cette configuration est que la tension de sortie du régulateur-rectificateur sera plus élevée, la même tension continue que la chute de tension dans les fils à courant élevé plus 14,4 Vdc. Cela a l’avantage que la batterie se chargera, malgré une mauvaise connexion, mais a l’inconvénient que les fils de courant élevé peuvent éventuellement brûler à cause de cela, sans que le propriétaire ne s’aperçoive au préalable qu’il y a un problème dans le circuit.
Une chose à garder à l’esprit est que la puissance de sortie fournie par l’enroulement du stator est délivrée entre les phases. La masse dans le système de charge est la sortie négative du redresseur. La partie CA du système triphasé est flottante par rapport à la masse. Cela signifie que le test de la sortie AC doit être fait ENTRE deux des trois phases, et non d’une phase à la terre.
Le système de générateur à commande par champ
L’autre système utilisé sur les motos est le générateur à commande par champ. Le système lui-même fonctionne sur les principes d’un générateur à aimants permanents, la seule grande différence est qu’il n’y a pas d’aimants permanents mais à la place un électroaimant qui fournit le magnétisme nécessaire. (Ce magnétisme est normalement appelé le “champ”). L’électroaimant est un grand enroulement unique sur un noyau métallique qui se magnétise dès qu’un courant continu circule dans l’enroulement, alimenté par la batterie. Un générateur de voiture utilise fondamentalement le même système.
Sur la plupart des systèmes à commande par champ, ce noyau métallique comporte des pôles à griffes et deux bagues collectrices. L’ensemble tourne avec le vilebrequin, avec l’enroulement du stator (tout comme le stator à aimant permanent) autour. Imaginez que vous regardez le côté extérieur du rotor de biais. Vous verrez deux morceaux de métal pressés l’un contre l’autre, avec un enroulement entre les deux. Lorsque vous appliquez une tension de batterie aux bornes des bagues collectrices, le rotor se comporte comme un gros électro-aimant, et le côté gauche du rotor sera un pôle nord, puis le côté droit un pôle sud. Au milieu, vous pouvez voir les pièces se chevaucher, ce qui signifie que lorsque le rotor tourne, il y aura d’abord un pôle sud qui passera, puis un pôle nord, puis un pôle sud, etc. C’est le champ magnétique variable nécessaire pour générer un courant alternatif dans l’enroulement du stator. La sortie CA triphasée de l’enroulement du stator est conduite à travers un redresseur (à l’intérieur de l’unité de régulateur-rectificateur) pour la convertir en CC pour charger la batterie.

FIGURE 3 : CHAMP COMMUTÉ
La régulation est faite par la partie régulateur du régulateur-rectificateur. Il détecte la tension du système électrique de la moto et lorsque la tension est inférieure à 14,4 Vdc, il allume le champ (il fait passer une alimentation de 12 Vdc à travers les bagues collectrices). Lorsque la tension dans le système de la moto atteint plus de 14,4 Vdc, le régulateur le détecte et coupe le champ magnétique, puis la tension chute parce que le stator ne produit plus de puissance (il n’y a plus de champ magnétique variable). Lorsque la tension descend en dessous de 14,2 V, le régulateur réactive le champ magnétique.
C’est un processus constant et le résultat est une tension constante aux bornes de la batterie de 14,4 Vdc. Comme il n’y a pas de puissance excédentaire produite par le stator, ce système est très efficace. L’inconvénient est qu’il n’est pas aussi simple et petit qu’un générateur à aimant permanent. L’enroulement de champ a normalement un côté connecté au positif de la batterie par le biais du commutateur d’allumage. Le champ n’est donc alimenté que lorsque le contact est établi. La régulation est effectuée par la partie régulateur du régulateur-rectificateur en activant ou désactivant la masse pour le champ. Sur certaines machines, la configuration est inversée, alors un côté du champ est connecté à la masse en permanence, et l’autre côté est allumé ou éteint à une alimentation positive (par le commutateur d’allumage) par le régulateur.
Le générateur à champ contrôlé sans entretien
Certaines machines ont une configuration légèrement différente. Alors le stator est situé à l’intérieur d’un couvercle, ainsi que l’enroulement de champ au milieu de celui-ci. Entre les deux tourne un pôle à griffes en fer entraîné par le moteur. Le pôle à griffes est magnétisé par l’enroulement de champ et le système fonctionne comme le système à commande par champ expliqué ci-dessus. La différence est que le champ ne tourne pas, il n’a donc pas besoin d’être alimenté par des bagues et des balais, ce qui le rend pratiquement sans entretien. L’inconvénient de cette configuration est l’entrefer supplémentaire entre l’enroulement du champ et le pôle de la griffe. Normalement, l’entrefer entre le rotor et le stator est très étroit et nécessaire pour permettre au rotor de tourner librement. Cet entrefer doit être aussi petit que possible, plus il est petit, plus le générateur est efficace. Sur ce système sans entretien, il y a un entrefer supplémentaire, donc ce système est moins efficace.
Le générateur à champ unitaire
La dernière variante de ce système est un générateur de type automobile qui est boulonné sur le moteur de la moto comme une seule unité. Les seules connexions sont le fil de sortie positif à la batterie et un fil d’alimentation du commutateur d’allumage au régulateur à l’intérieur, de sorte que le régulateur peut être allumé et éteint lorsque le moteur ne tourne pas, et il peut détecter la tension du système électrique de la moto sur ce fil. Parfois, il y a un troisième fil qui vient de là, qui est un fil de terre, vers le cadre ou le négatif de la batterie. Ainsi, parce que le redresseur et le régulateur sont intégrés dans le générateur lui-même, il n’y a que de la tension continue (14,4 Vdc) provenant de ce générateur.