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Articolo tecnico: Come funziona un sistema di ricarica per moto – ElectroSport

Le basi di un sistema di ricarica per moto
Su quasi tutte le moto si trova una batteria, utilizzata per fornire energia per l’avvio della moto e per immagazzinare una quantità di energia elettrica. La batteria stessa è caricata da un generatore azionato dal motore, e finché il motore è in funzione ci sarà una corrente che scorre attraverso la batteria. La tensione a vuoto di una batteria completamente carica è di circa 13 Vdc. Per caricarla il sistema di ricarica dovrebbe fornire una tensione di circa 14,4 Vdc e questa dovrebbe essere una tensione costante a tutti i regimi del motore.
Il generatore stesso si trova nel o sul motore, e sulla maggior parte delle moto c’è un regolatore-raddrizzatore separato situato da qualche parte sul telaio. La ragione di questo è che quasi tutte le moto sono dotate di un generatore trifase AC (corrente alternata), mentre il sistema elettrico della moto è un sistema DC (corrente continua). La parte raddrizzatrice all’interno del regolatore-raddrizzatore si occupa di convertire la corrente alternata nella corrente continua di cui la batteria ha bisogno. Il generatore trifase AC è usato così spesso perché è molto più efficiente e affidabile di un generatore DC. Può produrre energia per caricare la batteria anche con il motore al minimo. La parte del regolatore del regolatore-raddrizzatore è usata per regolare la tensione di uscita (alla batteria) ai 14,4 Vdc necessari.
Il sistema del generatore a magnete permanente
Un generatore su una moto produce questa energia elettrica perché ha un avvolgimento di filo di rame sullo statore (la parte statica del generatore) che si trova all’interno di un campo magnetico variabile. Il generatore più semplice utilizza un volano che gira sull’albero motore con un paio di magneti al suo interno. Chiamiamo questo volano con i suoi magneti incorporati il rotore.

FIGURA 1: GENERATORE A MAGNETI PERMANENTI
I magneti stessi hanno poli nord e sud e il volano ruota intorno allo statore. Lo statore è un nucleo di metallo con molti poli di metallo che hanno avvolgimenti di filo di rame su di essi. Poiché il volano sta ruotando e ci sono poli nord e sud al suo interno, gli avvolgimenti dello statore sono esposti prima a un polo nord, poi a un polo sud, poi di nuovo a un polo nord ecc. Questo è il campo magnetico variabile che è necessario per far sì che l’avvolgimento stesso produca corrente alternata. Gli stessi avvolgimenti sono collegati a stella (un avvolgimento ha due estremità e le tre estremità dei tre diversi avvolgimenti sono collegate insieme), quindi lo statore ha solo tre fili di uscita che escono da esso. Questo perché il volano contiene magneti che sono sempre magnetici. L’uscita di un certo statore dipende dalla velocità del motore (più alta è la velocità della variazione del campo magnetico, più alta è l’uscita dello statore), e la forza del campo magnetico (che è costante) Fondamentalmente lo statore produce una certa uscita ad un certo numero di giri.
Poi la corrente alternata è condotta attraverso il raddrizzatore all’interno del gruppo regolatore-raddrizzatore. Il raddrizzatore converte le tre fasi AC in un’unica uscita di 14,4 Vdc, una massa e un positivo. Poiché lo statore produce potenza in base alla velocità del motore, l’uscita dello statore è sempre troppo alta. Questo significherebbe che la tensione d’uscita del regolatore-raddrizzatore sarebbe molto più di 14,4 Vdc per tutto il tempo, il che si tradurrebbe in una batteria sovraccarica e in componenti elettrici della moto che dovrebbero funzionare con una tensione tra 12 e 15 Vdc.
Per fortuna c’è anche un regolatore all’interno di un regolatore-raddrizzatore. Il regolatore guarda la tensione DC attraverso i terminali della batteria e cortocircuita a terra una certa quantità di potenza prodotta dallo statore. Questo è regolato costantemente, così la tensione d’uscita del regolatore-raddrizzatore (che idealmente è la stessa della tensione attraverso i terminali della batteria) rimane sempre a 14,4 Vdc. La configurazione del generatore a magnete permanente non è molto efficiente, ma è molto semplice e abbastanza affidabile. Questo spiega perché è il sistema più comunemente usato sulle moto.Uno dei problemi con questi sistemi è il cortocircuito dell’eccesso di potenza stessa. Questo è fatto dal regolatore-raddrizzatore e questa parte deve dissipare la potenza che cortocircuita a terra, il che significa che diventerà molto caldo. Questo è dovuto principalmente al regolatore e in parte ai diodi raddrizzatori stessi che si scaldano solo a causa della corrente che li attraversa. L’interno del regolatore-raddrizzatore deve essere costruito in modo che il calore sia trasferito in modo efficiente dai componenti elettronici stessi all’alloggiamento dell’unità, per lo più dotato di alette di raffreddamento. Questa è la parte più importante nella progettazione di un regolatore-raddrizzatore da usare in un generatore a magneti permanenti.
La parte del regolatore-raddrizzatore deve misurare la tensione DC da qualche parte nel sistema. Sulle unità costruite più economiche (un bel po’ di quelle OEM) questo viene fatto non misurando la tensione DC nel sistema DC, ma guardando la tensione AC tra una fase dello statore e la terra, e a volte l’eccesso di potenza è cortocircuitato a terra solo da una o due fasi AC in ingresso invece di tutte e tre le fasi che sono regolate. Le unità meglio costruite misurano la tensione di uscita dell’unità stessa e regolano la corrente alternata in entrata di conseguenza, cortocircuitando più o meno potenza a terra, una quantità uguale da tutte e tre le fasi.

FIGURA 2: GENERATORE A MAGNETICI PERMANENTI
Alcune unità usano un filo di ingresso extra (FIGURA 2) per misurare la tensione continua, questo filo normalmente è collegato attraverso l’interruttore di accensione e non direttamente alla batteria, quindi c’è una tensione su questo filo solo se l’accensione è inserita. Questo è fatto per compensare una caduta di tensione che può verificarsi a causa di un cattivo collegamento nei cavi dall’uscita del regolatore-raddrizzatore ai terminali della batteria. Questi cavi portano un’alta corrente e qualsiasi cattiva connessione qui risulterà in una tensione più bassa sui terminali della batteria.
Il cavo extra porta una corrente molto più bassa e il risultato di questa configurazione è che la tensione di uscita del regolatore-raddrizzatore sarà più alta, la stessa tensione continua della caduta di tensione nei cavi ad alta corrente più 14,4 Vdc. Ha il vantaggio che la batteria si carica, nonostante una cattiva connessione, ma ha lo svantaggio che i cavi ad alta corrente possono alla fine bruciarsi a causa di questo, senza che il proprietario si accorga prima che c’è un problema nel circuito.
Una cosa da tenere a mente è che la potenza di uscita fornita dall’avvolgimento dello statore è fornita tra le fasi. La terra nel sistema di carica è l’uscita negativa del raddrizzatore. La parte AC del sistema trifase è flottante da terra. Questo significa che il test dell’uscita AC deve essere fatto TRA due delle tre fasi, e non da una fase a terra.
Il sistema del generatore controllato dal campo
L’altro sistema usato sulle moto è il generatore controllato dal campo. Il sistema stesso funziona sui principi di un generatore a magnete permanente, l’unica grande differenza è che non ci sono magneti permanenti, ma invece c’è un elettromagnete che fornisce il magnetismo necessario. (Questo magnetismo è normalmente chiamato “campo”) L’elettromagnete è un singolo grande avvolgimento su un nucleo metallico che viene magnetizzato non appena c’è corrente continua che scorre attraverso l’avvolgimento, fornito dalla batteria. Un generatore d’auto usa fondamentalmente lo stesso sistema.
Nella maggior parte dei sistemi controllati dal campo questo nucleo metallico ha poli ad artiglio e due anelli di scorrimento. Il tutto ruota con l’albero motore, con l’avvolgimento dello statore (proprio come lo statore a magneti permanenti) intorno ad esso. Immaginate di guardare il lato esterno del rotore lateralmente. Vedrete due pezzi di metallo pressati insieme con un avvolgimento in mezzo. Quando applichi la tensione della batteria attraverso gli avvolgimenti, il rotore si comporterà come un grande elettromagnete, e il lato sinistro del rotore sarà, diciamo, un polo nord, poi il lato destro sarà un polo sud. Nel mezzo si possono vedere i pezzi che si sovrappongono, il che significa che quando il rotore ruota ci sarà prima un polo sud che passa, poi un polo nord, poi un polo sud ecc. Questo è il campo magnetico variabile necessario per generare corrente alternata nell’avvolgimento dello statore. L’uscita trifase AC dall’avvolgimento dello statore è condotta attraverso un raddrizzatore (all’interno dell’unità regolatore-raddrizzatore) per convertirla in DC per caricare la batteria.

FIGURA 3: CAMPO COMMUTATO
La regolazione è fatta dalla parte regolatrice del regolatore-raddrizzatore. Rileva la tensione nel sistema elettrico della moto e quando la tensione è inferiore a 14,4 Vdc accende il campo (commuta un’alimentazione di 12 Vdc attraverso i pattini), quindi c’è un campo magnetico, quindi lo statore produce potenza. Quando la tensione nel sistema della moto supera i 14,4 Vdc, il regolatore lo percepisce e spegne il campo, poi la tensione scende perché lo statore non produce più energia (non c’è più un campo magnetico variabile). Quando la tensione scende sotto i 14,2 V circa, il regolatore riaccende il campo.
Questo è un processo costante e il risultato è una tensione costante attraverso i terminali della batteria di 14,4 Vdc. Poiché non c’è eccesso di potenza prodotta dallo statore, questo sistema è molto efficiente. Il rovescio della medaglia è che non è così semplice e piccolo come un generatore a magnete permanente. L’avvolgimento di campo ha normalmente un lato collegato al positivo della batteria attraverso l’interruttore di accensione. Così c’è solo energia per il campo quando l’accensione è accesa. La regolazione è fatta attraverso la parte del regolatore del regolatore-raddrizzatore accendendo o spegnendo la terra per il campo. Su alcune macchine l’impostazione è al contrario, quindi un lato del campo è collegato a terra in ogni momento, e l’altro lato è acceso o spento ad un’alimentazione positiva (attraverso l’interruttore di accensione) dal regolatore.
Il generatore controllato dal campo senza manutenzione
Alcune macchine hanno un’impostazione leggermente diversa. Allora lo statore si trova all’interno di un coperchio, così come l’avvolgimento di campo al centro di esso. Nel mezzo ruota un polo ad artiglio di ferro azionato dal motore. L’artiglio viene magnetizzato dall’avvolgimento di campo e il sistema funziona come quello controllato dal campo come spiegato sopra. La differenza è che il campo non ruota, quindi non ha bisogno di essere alimentato attraverso anelli di scorrimento e spazzole, il che lo rende virtualmente esente da manutenzione. Il rovescio della medaglia di questa configurazione è l’intercapedine extra tra l’avvolgimento del campo e il polo dell’artiglio. Normalmente si ha un traferro molto stretto tra il rotore e lo statore che è necessario per permettere al rotore di ruotare liberamente. Questo traferro deve essere il più piccolo possibile, più piccolo è il traferro, più efficiente funziona il generatore. In questo sistema senza manutenzione c’è un airgap in più, quindi questo sistema è meno efficiente.
Il generatore controllato dal campo dell’unità
L’ultima variante di questo sistema è un generatore di tipo automobilistico che è avvitato sul motore della moto come una singola unità. Le uniche connessioni sono il filo positivo di uscita alla batteria e un filo di alimentazione dall’interruttore di accensione al regolatore interno, così il regolatore può essere acceso e spento quando il motore non è in funzione, e può rilevare la tensione sul sistema elettrico della moto su questo filo. A volte c’è un terzo filo che viene da esso, che è un cavo di massa, al telaio o al negativo della batteria. Quindi, poiché il raddrizzatore e il regolatore sono incorporati nel generatore stesso, c’è solo tensione continua (14,4 Vdc) proveniente da questo generatore.