Articles

Technisch artikel: Hoe een Motorfiets Oplaadsysteem Werkt – ElectroSport

De grondbeginselen van een Motorfiets Oplaadsysteem
Op bijna elke motorfiets vindt u een accu, die wordt gebruikt om stroom te leveren voor het starten van de motor en voor het bufferen van een hoeveelheid elektrische energie. De batterij zelf wordt opgeladen door een generator die door de motor wordt aangedreven, en zolang de motor draait, vloeit er stroom door de batterij. De onbelaste spanning van een volledig geladen accu bedraagt ongeveer 13 Vdc. Voor het opladen moet het laadsysteem een spanning van ongeveer 14,4 Vdc leveren en dit moet een constante spanning zijn bij alle motortoerentallen.
De generator zelf bevindt zich in of op de motor, en op de meeste motorfietsen is er een aparte regelaar-gelijkrichter ergens op het frame geplaatst. De reden hiervoor is dat bijna alle motorfietsen zijn uitgerust met een driefasige AC (wisselstroom) generator, terwijl het elektrische systeem op de motorfiets een DC (gelijkstroom) systeem is. Het gelijkrichtergedeelte in de regelaar-gelijkrichter zorgt voor de omzetting van de wisselstroom naar de gelijkstroom die de accu nodig heeft. De driefasige wisselstroomgenerator wordt zo vaak gebruikt omdat hij veel efficiënter en betrouwbaarder is dan een gelijkstroomgenerator. Hij kan stroom produceren om de accu op te laden, zelfs als de motor stationair draait. Het regelaargedeelte van de regelaar-gelijkrichter wordt gebruikt om de uitgangsspanning (naar de accu) te regelen op de benodigde 14,4 Vdc.
Het permanente magneet generatorsysteem
Een generator op een motor produceert deze elektrische energie omdat hij is voorzien van een koperdraadwikkeling op de stator (het statische deel van de generator) die zich binnen een variërend magnetisch veld bevindt. De eenvoudigste generator gebruikt een vliegwiel dat op de krukas loopt met een paar magneten erin. Dit vliegwiel met zijn ingebouwde magneten noemen we de rotor.

FIGUUR 1: PERMANENT MAGNET GENERATOR
De magneten zelf hebben noord- en zuidpolen en het vliegwiel draait rond de stator. De stator is een metalen kern met een groot aantal metalen polen waarop wikkelingen van koperdraad zijn aangebracht. Omdat het vliegwiel draait en er noord- en zuidpolen in zitten, worden de wikkelingen van de stator eerst blootgesteld aan een noordpool, dan aan een zuidpool, dan weer aan een noordpool, enz. Dit is het variërende magnetische veld dat nodig is om de wikkeling zelf wisselstroom te laten produceren. De wikkelingen zelf zijn in een ster geschakeld (één wikkeling heeft twee uiteinden en de drie uiteinden van de drie verschillende wikkelingen zijn met elkaar verbonden), zodat uit de stator slechts drie uitgangsdraden komen.
Deze generator-setup noemen we een permanente magneetgenerator. Dit komt omdat het vliegwiel magneten bevat die altijd magnetisch zijn. De output van een bepaalde stator is afhankelijk van het motortoerental (hoe hoger de snelheid van de magnetische-veldvariatie, hoe hoger de stator-output), en de kracht van het magnetische veld (die constant is) In principe produceert de stator een bepaalde output bij een bepaald toerental.
Dan wordt de wisselstroom door de gelijkrichter in de regelaar-gelijkrichter-unit geleid. De gelijkrichter zet de drie AC-fasen om in een enkele 14,4 Vdc uitgang, een plus en een min. Omdat de stator vermogen produceert naar gelang van het motortoerental, is de statoruitgang voortdurend te hoog. Dit zou betekenen dat de uitgangsspanning van de regelaar-gelijkrichter de hele tijd veel hoger zou zijn dan 14,4 Vdc, wat zou resulteren in een overladen accu en het opblazen van elektrische componenten op de motor die bedoeld waren om te werken op een spanning tussen 12 en 15 Vdc.
Gelukkig is er ook een regelaar-gedeelte binnen een regelaar-gelijkrichter. De regelaar kijkt naar de gelijkspanning over de accuterminals en kortsluit een bepaalde hoeveelheid stroom die door de stator wordt geproduceerd naar massa. Dit wordt constant geregeld, zodat de uitgangsspanning van de regelaar-gelijkrichter (die idealiter gelijk is aan de spanning over de accuterminals) steeds op 14,4 Vdc blijft. De permanente magneetgenerator-setup is niet erg efficiënt, maar hij is zeer eenvoudig en behoorlijk betrouwbaar. Dit verklaart waarom het het meest gebruikte systeem op motorfietsen is. Een van de problemen met deze systemen is het kortsluiten van het overtollige vermogen zelf. Dit wordt gedaan door de regelaar-gelijkrichter en dit onderdeel moet de stroom die het kortsluit naar de massa afvoeren, wat betekent dat het erg heet wordt. Dit komt hoofdzakelijk door de regulator en gedeeltelijk door de gelijkrichterdiodes zelf die warm worden door de stroom die er doorheen loopt. Het inwendige van de regelaar-gelijkrichter moet zo zijn geconstrueerd dat de warmte efficiënt wordt afgevoerd van de elektronische componenten zelf naar de behuizing van de eenheid, die meestal is voorzien van koelvinnen. Dit is het belangrijkste beetje bij het ontwerpen van een regelaar-gelijkrichter voor gebruik in een permanent-magneet generator-setup.
Het regelaar-deel van de regelaar-gelijkrichter moet het gelijkstroom-voltage ergens in het systeem meten. Op de goedkoopste eenheden (heel wat OEM degenen) dit wordt gedaan niet door het meten van de DC-spanning in het DC-systeem, maar door te kijken naar de AC-spanning tussen een stator-fase en de grond, en soms het overtollige vermogen wordt kortgesloten op de grond van slechts een of twee input-AC fasen in plaats van alle drie fasen die worden geregeld. De beter gebouwde apparaten meten de uitgangsspanning van het apparaat zelf en regelen de ingangswisselstroom dienovereenkomstig door meer of minder vermogen kort te sluiten naar de aarde, een gelijke hoeveelheid van alle drie fasen.

FIGUUR 2: PERMANENT MAGNET GENERATOR
Sommige apparaten gebruiken een extra ingangsdraad (FIGUUR 2) om de gelijkspanning te meten. Deze draad wordt normaal gesproken aangesloten via het contactslot en niet rechtstreeks op de accu. Er staat dus alleen spanning op deze draad als het contact wordt aangezet. Dit is gedaan om een spanningsval te compenseren die kan ontstaan door een slechte verbinding in de kabels van de regelaar-gelijkrichter uitgang naar de accu-terminals. Deze geleiders dragen een hoge stroom en een slechte verbinding hier zal resulteren in een lagere spanning over de accuterminals.
De extra geleider draagt een veel lagere stroom en het resultaat van deze opstelling is dat de uitgangsspanning van de regelaar-gelijkrichter hoger zal zijn, dezelfde gelijkspanning als de spanningsval in de sterkstroomgeleiders plus 14,4 Vdc. Dit heeft het voordeel dat de accu wel wordt geladen, ondanks een slechte verbinding, maar heeft als nadeel dat de sterkstroomdraden hierdoor uiteindelijk kunnen doorbranden, zonder dat de eigenaar van te voren merkt dat er een probleem is in het circuit.
Eén ding om in gedachten te houden is dat het uitgangsvermogen dat door de statorwikkeling wordt geleverd, tussen de fasen in wordt geleverd. De massa in het laadsysteem is de negatieve uitgang van de gelijkrichter. Het AC-gedeelte van het driefasensysteem is zwevend ten opzichte van de aarde. Dit betekent dat het testen van de AC-output moet worden gedaan IN TUSSEN twee van de drie fasen, en niet van één fase naar de massa.
Het veldgestuurde generatorsysteem
Het andere systeem dat op motorfietsen wordt gebruikt is de veldgestuurde generator. Het systeem zelf werkt op dezelfde principes als een permanente magneetgenerator, het enige grote verschil is dat er geen permanente magneten zijn, maar in plaats daarvan is er een elektromagneet die voor het nodige magnetisme zorgt. (Dit magnetisme wordt gewoonlijk het “veld” genoemd) De elektromagneet bestaat uit één grote wikkeling op een metalen kern die gemagnetiseerd wordt zodra er gelijkstroom door de wikkeling stroomt, geleverd door de accu. Een autogenerator maakt in principe gebruik van hetzelfde systeem.
Bij de meeste veldgestuurde systemen heeft deze metalen kern klauwpolen en twee sleepringen. Het geheel draait met de krukas mee, met daaromheen de statorwikkeling (net als bij de permanente-magneetstator). Stel je voor dat je zijdelings naar de buitenkant van de rotor kijkt. Je ziet dan twee stukken metaal tegen elkaar gedrukt met een wikkeling ertussen. Als je accuspanning over de wikkelingen uitoefent, gedraagt de rotor zich als een grote elektromagneet, en de linkerkant van de rotor is dan zeg maar een noordpool, en de rechterkant is dan een zuidpool. In het midden zie je de stukken elkaar overlappen, wat betekent dat als de rotor draait er eerst een zuidpool passeert, dan een noordpool, dan een zuidpool enz. Dit is het vereiste variërende magnetische veld voor het opwekken van wisselstroom in de statorwikkeling. De driefasige wisselstroom van de statorwikkeling wordt door een gelijkrichter geleid (in de regelaar-gelijkrichter) om deze om te zetten in gelijkstroom voor het opladen van de accu.

FIGUUR 3: GESCHAKELD VELD
Regulering wordt uitgevoerd door het regelaargedeelte van de regelaar-gelijkrichter. Deze meet de spanning in het elektrische systeem van de motorfiets en wanneer de spanning lager is dan 14,4 Vdc, schakelt hij het veld in (hij schakelt een 12Vdc-voeding over de sleepringen). Als de spanning in het systeem van de motor meer dan 14,4 Vdc bereikt, merkt de regelaar dat en schakelt het veld gewoon uit. Dan daalt de spanning omdat de stator geen stroom meer produceert (er is geen variërend magnetisch veld). Als de spanning onder de 14,2 V komt, schakelt de regelaar het veld weer in.
Dit is een constant proces en het resultaat is een constante spanning over de accupolen van 14,4 Vdc. Omdat er geen overtollig vermogen door de stator wordt geproduceerd, is dit systeem zeer efficiënt. Keerzijde is dat het niet zo eenvoudig en klein is als een permanente magneetgenerator. De veldwikkeling is normaal gesproken aan één zijde via de ontstekingsschakelaar met de accu-positieve verbonden. Er is dus alleen stroom voor het veld als het contact wordt aangezet. De regeling geschiedt via het regelaargedeelte van de regelaar-gelijkrichter door de massa voor het veld aan of uit te schakelen. Bij sommige machines is de opstelling andersom, dan is één kant van het veld altijd met massa verbonden, en wordt de andere kant door de regelaar aan- of uitgeschakeld op een positieve voeding (via de ontstekingsschakelaar).
De onderhoudsvrije veldgestuurde generator
Sommige machines hebben een iets andere opstelling. Dan bevindt de stator zich in een deksel, evenals de veldwikkeling in het midden daarvan. Daartussen draait een ijzeren klauwpool die wordt aangedreven door de motor. De klauwpool wordt door de veldwikkeling gemagnetiseerd en het systeem werkt als het hierboven beschreven veldgestuurde systeem. Het verschil is dat het veld niet roteert, zodat het niet hoeft te worden aangedreven via sleepringen en borstels, waardoor het vrijwel onderhoudsvrij is. Keerzijde van deze opzet is de extra luchtspleet tussen de veldwikkeling en de klauw-pool. Normaal gesproken is er een zeer kleine luchtspleet tussen rotor en stator die nodig is om de rotor vrij te laten draaien. Deze luchtspleet moet zo klein mogelijk zijn, hoe kleiner de luchtspleet, hoe efficiënter de generator werkt. Bij dit onderhoudsvrije systeem is er een extra airgap, waardoor dit systeem minder efficiënt is.
De Unit Field Controlled Generator
De laatste variant van dit systeem is een auto-type generator die als een enkele unit op de motor van de motor is geschroefd. Het wordt gedreven door de motor zelf en heeft een ingebouwde gelijkrichter, en een ingebouwde regelgever, enkel zoals een auto-generator. De enige verbindingen aan het zijn de positieve output-kabel aan de batterij-plus en een voeding-kabel van de ontsteking-schakelaar aan de regelgever binnen, zodat kan de regelgever worden aangezet en worden weggegaan wanneer de motor niet loopt, en het kan het voltage op het motors elektrosysteem op deze draad ontdekken. Soms komt er een derde draad vanaf, die een massakabel is, naar het frame of de accu-negatief. Dus omdat de gelijkrichter en de regulator in de generator zelf zijn ingebouwd, komt er alleen gelijkspanning (14,4 Vdc) uit deze generator.