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技術記事: ElectroSport

バイクの充電システムの基本
ほとんどすべてのバイクには、バイクを起動するための電力を提供し、電気エネルギーの量をバッファするために使用されるバッテリーを見つけることができます。 このバッテリーは、エンジンによって駆動される発電機によって充電され、エンジンが動いている限り、バッテリーに電流が流れます。 満充電のバッテリーの無負荷電圧は約13Vdcです。
ジェネレーター自体はエンジン内またはエンジン上にあり、ほとんどのバイクではフレーム上のどこかに別のレギュレータ-レクチファイアユニットがあります。 その理由は、ほとんどすべてのバイクが三相交流(Alternating Current)ジェネレーターを搭載しているのに対し、バイクの電気システムは直流(Direct Current)システムであるためです。 レギュレーター・レクチファイヤー内の整流器部分は、交流電流をバッテリーが必要とする直流電流に変換する役割を担っている。 三相交流発電機がよく使われるのは、直流発電機よりはるかに効率的で信頼性が高いからです。 エンジンがアイドリング状態でもバッテリーを充電するための電力を生成することができます。 レギュレーター・レクチファイヤーのレギュレーター部分は、出力電圧(バッテリーへの)を必要な14.4Vdcに調整するために使用されます。
永久磁石発電機システム
バイクの発電機は、変動磁場の中にあるステーター(発電機の静止部分)に銅線巻線を備えているためにこの電力を生成しています。 最も単純な発電機は、クランクシャフト上を走るフライホイールとその中にある2、3の磁石を使います。 磁石を内蔵したこのフライホイールをロータと呼ぶ。

図1: 永久磁石発電機
磁石自体には北極と南極があり、フライホイールはステーターのまわりを回転している。 ステータは金属製のコアで、銅線を巻いた金属極がたくさん並んでいる。 フライホイールは回転しており、その内部には南北の極があるため、ステーターの巻線は、まず北極に、次に南極に、そして再び北極に、というように露出される。 これが、巻線に交流電流を流すために必要な変化する磁場である。 巻線はスター型(1つの巻線に2つの端があり、3つの異なる巻線の端が一緒に接続されている)に接続されているので、ステーターからは3本の出力線が出ているだけである
この発電機セットアップを我々は永久磁石発電機と呼んでいる。 これは、フライホイールに常時磁気を帯びている磁石が含まれているからです。 ある固定子の出力は、エンジン回転数(磁界変化の速度が高いほど固定子出力も高い)と磁界の力(これは一定)に依存します。基本的に固定子は、ある回転数である出力を出します
次に、交流電流はレギュレータ・整流ユニット内の整流器を通されることになります。 整流器は3つのAC相を1つの14.4Vdc出力に変換し、アースとプラスを出力します。 ステーターはエンジン回転数に応じて電力を生産しているため、ステーター出力は常に高すぎる。 これは、レギュレーター・レクチファイヤーの出力電圧が常に14.4Vdcをはるかに超えることを意味し、バッテリーの過充電を招き、12~15Vdcの電圧で動作するように意図されたバイクの電気部品が吹き飛んでしまいます。
幸運にも、レギュレーター・レクチファイヤーの中にもレギュレーター部分が存在します。 レギュレーターは、バッテリー端子の直流電圧を見て、ステーターで生成された電力の一定量をアースに短絡させます。 永久磁石式発電機の仕組みは効率的ではありませんが、非常にシンプルで信頼性が高いのです。 そのため、二輪車では最も一般的なシステムとなっている。これらのシステムの問題の1つは、余剰電力そのものをショートさせてしまうことである。 これはレギュレータ-レクチファイアによって行われ、この部分はそれが地面に短絡する電力を放散する必要があり、それは非常に高温になることを意味します。 これは主にレギュレーターが原因ですが、整流ダイオード自体も電流が流れるだけで熱くなります。 レギュレーターと整流器の内部は、電子部品自体からユニットの筐体(多くは冷却フィン付き)へ効率よく熱が伝わるように設計する必要があります。 これは、永久磁石発電機で使用するレギュレータ・レクティファイヤを設計する上で最も重要なことです。
レギュレータ・レクティファイヤのレギュレータ部分は、システムのどこかで直流電圧を測定する必要があります。 最も安価なユニット(OEMのかなりの数)では、これはDCシステムのDC電圧を測定するのではなく、固定子位相と接地間のAC電圧を見ることによって行われ、時には過剰電力は、規制されている3相すべてではなく、1つか2つの入力AC相から接地へ短絡されています。

Figure 2: Permanent MAGNET GENERATOR
Some units use a extra input wire (FIGURE 2) to measure the DC-voltage.This wire normally connected up through the ignition-switch and not straight to the battery.So there is only a voltage on if the ignition turned on.This lead is only a voltage to the future. これは、レギュレータ・レクチファイアの出力からバッテリー端子へのリード線の接続不良によって発生する可能性のある電圧降下を補うために行われます。
余分なリード線ははるかに低い電流を運び、この設定の結果、レギュレータ・レクチファイヤーの出力電圧は高くなり、高電流リード線の電圧低下と同じDC電圧に14.4 Vdcを加えたものになります。 これは、接続不良があってもバッテリーを充電できるという利点がありますが、大電流リード線がこのために焼損し、所有者が回路に問題があることに事前に気づかないという欠点があります。 充電システムの接地は、整流器からのマイナス出力です。 三相システムの交流部分は、アースから浮いています。 このため、AC出力のテストは3相のうち2相の間で行う必要があり、1相からアースまでではありません。
フィールドコントロール・ジェネレータシステム
オートバイに使用されるもう1つのシステムは、フィールドコントロール・ジェネレータです。 システム自体は永久磁石発電機と同じ原理で動作するが、唯一大きく異なるのは、永久磁石がない代わりに、必要な磁気を供給する電磁石があることである。 (電磁石は金属コアに巻かれた1本の大きな巻線で、バッテリーから供給される直流電流が巻線に流れるとすぐに磁化されます。 カー・ジェネレータも基本的には同じ方式だ。
フィールド・コントロール・システムの多くでは、この金属コアにクローポールと2つのスリップリングを備えている。 クランクシャフトと一緒に全体が回転し、その周りに固定子巻線(永久磁石の固定子と同じ)があります。 ローターの外側を横から見たところを想像してください。 2枚の金属片が押し付けられ、その間に巻線があるのが見えると思います。 このスリップリングに電池電圧をかけると、ローターは大きな電磁石のように振る舞い、ローターの左側が例えば北極、右側が南極になります。 つまり、ローターが回転すると、まず南極が通過し、次に北極、南極と通過していきます。 これが固定子巻線に交流電流を発生させるために必要な変化する磁場である。 固定子巻線からの三相交流出力は、バッテリーを充電するためにDCに変換するために整流器(レギュレータ-整流器ユニット内)を通じて導かれる。

FIGURE 3: SWITCHED FIELD
レギュレータ-整流器の一部で行われます。 これは、自転車の電気システムの電圧を感知し、電圧が14.4 Vdcより低いとき、それはフィールドのスイッチをオンにします(それはスリップリングにわたって12Vdc電源を切り替えます)その後、磁場があるので、ステータは電力を生成します。 自転車のシステムの電圧が14.4Vdc以上になると、レギュレーターはそれを感知してフィールドをオフにします。その後、ステーターはもう電力を発生しない(磁場の変化がない)ので、電圧は下がります。 電圧が約14.2V以下になると、レギュレータはフィールドのスイッチを入れ直します。
これは一定のプロセスで、その結果、バッテリー端子間の電圧は14.4Vdcと一定となります。 ステーターから発生する余分な電力がないため、このシステムは非常に効率的です。 その反面、永久磁石式発電機のようにシンプルで小さくはない。 界磁巻線は通常、片側がイグニッションスイッチを介してバッテリーのプラスに接続されています。 だから、イグニッションをオンにしたときだけ、フィールドに電力が供給される。 レギュレーター・レクチュエーターのレギュレーター部分で、界磁のアースをON/OFFすることで調整します。 ある機械では組み立てはその逆で、それから分野の1つの側面は常時地面に接続され、反対側はregulator.
手入れ不要の分野制御の発電機
ある機械にわずかに別の組み立てがあります。 その場合、ステーターはカバーの中にあり、その真ん中に界磁巻線がある。 その間に、エンジンで駆動される鉄のクローポールが回転しています。 このクローポールが界磁巻線によって磁化され、先に説明した界磁制御と同じような仕組みになる。 違いは、フィールドが回転しないため、スリップリングやブラシなどの動力が不要で、メンテナンスがほぼ不要な点である。 逆に、フィールドワインディングとクローポールの間には、余分なエアギャップがあります。 通常、ローターとステーターの間には、ローターを自由に回転させるために必要な非常に狭いエアギャップがあります。 このエアギャップはできるだけ小さくする必要があり、エアギャップが小さいほど発電機の効率は高くなります。 このメンテナンス・フリー・システムでは、余分なエアギャップがあるため、このシステムは効率が低くなります。
ユニットフィールド制御ジェネレーター
このシステムの最後のバリエーションは、単一ユニットとしてバイクのエンジンにボルト止めされた自動車タイプのジェネレーターです。 それへの唯一の接続は、バッテリープラスへのプラス出力リードと、イグニッションスイッチから内部のレギュレータへの供給リードで、エンジンが動いていないときにレギュレータをオン・オフでき、このワイヤー上のバイク電気系統の電圧を感知することができるのです。 時々、3本目のワイヤーがそこからフレームやバッテリーのマイナスへのアースリードとして出ていることがあります。 整流器とレギュレーターはジェネレーター自体に組み込まれているため、このジェネレーターからはDC電圧(14.4Vdc)しか出てきません。