Articles

Technical Article: How a Motorcycle Charging System Works – ElectroSport

The Basics of a Motorcycle Charging System
Na prawie każdym motocyklu można znaleźć akumulator, używany do dostarczania energii do rozruchu motocykla i do buforowania ilości energii elektrycznej. Sam akumulator jest ładowany przez generator napędzany przez silnik i tak długo, jak silnik pracuje, będzie istniał prąd płynący przez akumulator. Napięcie bez obciążenia w pełni naładowanego akumulatora wynosi około 13 Vdc. Do ładowania go układ ładowania powinien zapewnić napięcie około 14,4 Vdc i powinno to być stałe napięcie przy wszystkich prędkościach obrotowych silnika.
Sam generator jest umieszczony w lub na silniku, a w większości motocykli jest oddzielny regulator-prostownik umieszczony gdzieś na ramie. Wynika to z faktu, że prawie wszystkie motocykle są wyposażone w trójfazowy generator prądu zmiennego (AC), podczas gdy system elektryczny w motocyklu jest systemem prądu stałego (DC). Część prostownika wewnątrz regulatora-prostownika zajmuje się przekształceniem prądu zmiennego na prąd stały, którego potrzebuje akumulator. Trójfazowy generator prądu zmiennego jest tak często używany, ponieważ jest o wiele bardziej wydajny i niezawodny niż generator prądu stałego. Może on wytwarzać energię do ładowania akumulatora nawet przy silniku pracującym na biegu jałowym. Część regulacyjna regulatora-prostownika jest używana do regulacji napięcia wyjściowego (do akumulatora) do 14,4 Vdc, które jest potrzebne.
System generatora z magnesem stałym
Generator w rowerze wytwarza energię elektryczną, ponieważ ma uzwojenie z drutu miedzianego na stojanie (statyczna część generatora), który znajduje się wewnątrz zmiennego pola magnetycznego. Najprostszy generator wykorzystuje koło zamachowe, które porusza się na wale korbowym z kilkoma magnesami wewnątrz niego. Takie koło zamachowe z wbudowanymi magnesami nazywamy wirnikiem.

RYSUNEK 1: GENERATOR MAGNETÓW PERMANENTNYCH
Magnesy mają bieguny północny i południowy, a koło zamachowe obraca się wokół stojana. Stojan jest metalowym rdzeniem z wieloma metalowymi biegunami, na których znajdują się uzwojenia z miedzianego drutu. Ponieważ koło zamachowe obraca się, a w jego wnętrzu znajdują się bieguny północne i południowe, uzwojenia stojana są wystawione na działanie najpierw bieguna północnego, potem południowego, a następnie znów północnego itd. Jest to zmienne pole magnetyczne, które jest potrzebne, aby uzwojenie mogło wytwarzać prąd zmienny. Same uzwojenia są połączone w gwiazdę (jedno uzwojenie ma dwa końce, a trzy końce trzech różnych uzwojeń są połączone razem), więc stojan ma tylko trzy przewody wyjściowe wychodzące z niego.
Ten układ generatora nazywamy generatorem z magnesem trwałym. Dzieje się tak dlatego, że koło zamachowe zawiera magnesy, które są magnetyczne przez cały czas. Moc wyjściowa danego stojana zależy od prędkości obrotowej silnika (im wyższa prędkość zmiany pola magnetycznego, tym wyższa moc wyjściowa stojana), a siła pola magnetycznego (która jest stała) Zasadniczo stojan wytwarza określoną moc wyjściową przy określonej prędkości obrotowej.
Potem prąd zmienny jest prowadzony przez prostownik wewnątrz regulatora-prostownika. Prostownik przekształca trzy fazy AC na pojedyncze wyjście 14,4 Vdc, masę i dodatnią. Ponieważ stojan wytwarza moc w zależności od prędkości obrotowej silnika, napięcie wyjściowe stojana jest cały czas za wysokie. Oznaczałoby to, że napięcie wyjściowe regulatora-prostownika byłoby cały czas znacznie powyżej 14,4 Vdc, co doprowadziłoby do przeładowania akumulatora i przepalenia elementów elektrycznych w rowerze, które miały pracować na napięciu pomiędzy 12 a 15 Vdc.
Na szczęście wewnątrz regulatora-prostownika znajduje się również część regulująca. Regulator patrzy na napięcie stałe na zaciskach akumulatora i zwiera do masy pewną część mocy, która jest wytwarzana przez stojan. Jest to regulowane w sposób ciągły, więc napięcie wyjściowe regulatora-prostownika (które w idealnym przypadku jest takie samo jak napięcie na zaciskach akumulatora) pozostaje na poziomie 14,4 Vdc przez cały czas. To wyjaśnia, dlaczego jest to najczęściej stosowany system w motocyklach.Jednym z problemów w tych systemach jest zwarcie samego nadmiaru mocy. Odbywa się to przez regulator-prostownik i ta część musi rozproszyć moc, że zwarcie do ziemi, co oznacza, że będzie się bardzo gorąco. Dzieje się tak głównie z powodu regulatora, a częściowo z powodu samych diod prostowniczych, które nagrzewają się z powodu przepływającego przez nie prądu. Układy wewnętrzne regulatora i prostownika muszą być tak skonstruowane, aby ciepło było efektywnie odprowadzane z samych elementów elektronicznych do obudowy urządzenia, najczęściej wyposażonej w żeberka chłodzące. Jest to najważniejsza część w projektowaniu regulatora-prostownika do zastosowania w zespole generatora z magnesami stałymi.
Część regulatora-prostownika musi mierzyć napięcie stałe gdzieś w układzie. W najtańszych jednostkach (dość dużo OEM) nie jest to robione przez pomiar napięcia DC w systemie DC, ale przez patrzenie na napięcie AC pomiędzy jedną fazą stojana a ziemią, a czasami nadmiar mocy jest zwarty do ziemi tylko z jednej lub dwóch faz wejściowych-AC zamiast wszystkich trzech faz, które są regulowane. Lepiej zbudowane urządzenia mierzą napięcie wyjściowe samego urządzenia i odpowiednio regulują napięcie wejściowe AC poprzez zwarcie mniejszej lub większej mocy do masy, równej ilości ze wszystkich trzech faz.

RYSUNEK 2: GENERATOR MAGNETU PERMANENTNEGO
Niektóre urządzenia wykorzystują dodatkowy przewód wejściowy (RYSUNEK 2) do pomiaru napięcia DC.Przewód ten jest zwykle podłączony przez wyłącznik zapłonu, a nie bezpośrednio do akumulatora.Tak więc napięcie na tym przewodzie jest tylko wtedy, gdy zapłon jest włączony. Robi się to po to, aby wyrównać spadek napięcia, który może wystąpić z powodu złego połączenia w przewodach od wyjścia regulatora-prostownika do zacisków akumulatora. Przewody te przenoszą duży prąd i każde złe połączenie w tym miejscu spowoduje obniżenie napięcia na zaciskach akumulatora.
Dodatkowy przewód przenosi znacznie mniejszy prąd i w wyniku tego ustawienia napięcie wyjściowe regulatora-prostownika będzie wyższe, takie samo napięcie DC jak spadek napięcia na wysokoprądowych przewodach plus 14,4 Vdc. Ma to tę zaletę, że akumulator będzie się ładował pomimo złego połączenia, ale ma tę wadę, że przewody wysokoprądowe mogą się w końcu spalić z tego powodu, bez wcześniejszego zauważenia przez właściciela, że jest problem w obwodzie.
Jedną rzeczą, o której należy pamiętać, jest to, że moc wyjściowa dostarczana przez uzwojenie stojana jest dostarczana pomiędzy fazami. Masa w układzie ładowania jest ujemnym wyjściem z prostownika. Część AC systemu trójfazowego nie jest połączona z masą. Oznacza to, że testowanie wyjścia AC musi być wykonane POMIĘDZY dwoma z trzech faz, a nie od jednej fazy do masy.
System generatora sterowanego polem
Innym systemem stosowanym w motocyklach jest generator sterowany polem. Sam system działa na takich samych zasadach jak generator z magnesem stałym, jedyną dużą różnicą jest to, że nie ma magnesów stałych, ale zamiast nich jest elektromagnes, który zapewnia niezbędny magnetyzm. (Magnetyzm ten jest zwykle nazywany “polem”) Elektromagnes jest pojedynczym dużym uzwojeniem na metalowym rdzeniu, które ulega namagnesowaniu, gdy tylko przez uzwojenie przepływa prąd stały, dostarczany przez akumulator. Generator samochodowy w zasadzie używa tego samego systemu.
Na większości systemów sterowanych polem ten metalowy rdzeń ma bieguny pazurowe i dwa pierścienie ślizgowe. Całość obraca się wraz z wałem korbowym, a wokół niej znajduje się uzwojenie stojana (podobnie jak w przypadku stojana z magnesami trwałymi). Wyobraź sobie, że patrzysz na zewnętrzną stronę wirnika z boku. Zobaczysz dwa kawałki metalu ściśnięte razem z uzwojeniem pomiędzy nimi. Kiedy przyłożysz napięcie z akumulatora do uzwojeń, wirnik będzie zachowywał się jak duży elektromagnes, i lewa strona wirnika będzie biegunem północnym, a prawa strona będzie biegunem południowym. W środku można zobaczyć kawałki zachodzące na siebie, co oznacza, że kiedy wirnik się obraca, najpierw będzie przechodził biegun południowy, potem północny, potem południowy itd. Jest to potrzebne zmienne pole magnetyczne do wytworzenia prądu zmiennego w uzwojeniu stojana. Trójfazowy prąd przemienny z uzwojenia stojana jest przepuszczany przez prostownik (wewnątrz regulatora-prostownika) w celu przekształcenia go na prąd stały do ładowania akumulatora.

RYSUNEK 3: PRZEŁĄCZNIK POLA
Regulacja jest wykonywana przez regulator-część regulatora-prostownika. Wykrywa on napięcie w układzie elektrycznym roweru i gdy jest ono niższe niż 14,4 Vdc włącza pole (przełącza zasilanie 12Vdc przez ślizgacze) Wtedy powstaje pole magnetyczne, więc stojan będzie produkował prąd. Gdy napięcie w instalacji rowerowej przekroczy 14,4 Vdc regulator to wyczuwa i po prostu wyłącza pole, po czym napięcie spada, bo stojan już nie wytwarza prądu (nie ma zmiennego pola magnetycznego). Gdy napięcie spadnie poniżej ok. 14,2 V, regulator ponownie włącza pole.
Jest to proces ciągły, a jego wynikiem jest stałe napięcie na zaciskach akumulatora wynoszące 14,4 Vdc. Ponieważ nie ma nadmiaru mocy wytwarzanej przez stojan, system ten jest bardzo wydajny. Z drugiej strony nie jest on tak prosty i mały jak generator z magnesem trwałym. Uzwojenie pola zwykle ma jedną stronę podłączoną do akumulatora dodatniego poprzez wyłącznik zapłonu. Pole jest więc zasilane tylko wtedy, gdy zapłon jest włączony. Regulacja odbywa się za pomocą części regulatora-prostownika poprzez włączanie lub wyłączanie masy pola. W niektórych maszynach konfiguracja jest odwrotna, wtedy jedna strona pola jest podłączona do masy przez cały czas, a druga strona jest włączana lub wyłączana do dodatniego zasilania (przez wyłącznik zapłonu) przez regulator.
Bezobsługowy generator sterowany polem
Niektóre maszyny mają nieco inną konfigurację. Wówczas stojan znajduje się wewnątrz pokrywy, podobnie jak uzwojenie pola w jej środku. Pomiędzy nimi obraca się żelazny biegun kłowy napędzany przez silnik. Biegun pazurowy zostaje namagnesowany przez uzwojenie pola i system działa jak ten sterowany polem, opisany powyżej. Różnica polega na tym, że pole nie obraca się, więc nie musi być zasilane przez pierścienie ślizgowe i szczotki, co czyni go praktycznie bezobsługowym. Przeciwną stroną tej konfiguracji jest dodatkowa szczelina powietrzna pomiędzy uzwojeniem pola a biegunem. Normalnie pomiędzy wirnikiem a stojanem jest bardzo wąska szczelina powietrzna, która jest niezbędna, aby wirnik mógł się swobodnie obracać. Ta szczelina powietrzna musi być jak najmniejsza, im mniejsza szczelina powietrzna, tym bardziej wydajna praca generatora. W tym bezobsługowym systemie jest dodatkowa szczelina powietrzna, więc system ten jest mniej wydajny.
Generator sterowany polem magnetycznym
Ostatnim wariantem tego systemu jest generator typu samochodowego, który jest przykręcony do silnika roweru jako pojedyncza jednostka. Jest on napędzany przez sam silnik i ma wbudowany prostownik oraz wbudowany regulator, tak jak generator samochodowy. Jedynymi połączeniami do niego są dodatni przewód wyjściowy do akumulatora plus oraz przewód zasilający od stacyjki do regulatora wewnątrz, dzięki czemu regulator może być włączany i wyłączany, gdy silnik nie pracuje, oraz może wyczuwać napięcie w instalacji elektrycznej roweru na tym przewodzie. Czasami wychodzi z niego trzeci przewód, który jest przewodem uziemiającym, do ramy lub ujemnego bieguna akumulatora. Ponieważ prostownik i regulator są wbudowane w samą prądnicę, z prądnicy płynie tylko napięcie stałe (14,4 Vdc).