Dynamo

emner:

generelt
drift
rotor
stator
Pre-excitation, Self-excitation og Ladestrøm
Strøm regulator
Dynamoforbindelser
Ensretterdioder
Ripple spænding
Strøm regulator
Frihjuls remskive
Ventilator
Energigenvinding
Mulige fejl på generatoren
Kontrol af ladespænding og ladestrøm

overordnet:
Når motoren er i gang, sørger dynamoen (kaldet "alternator" på engelsk) for, at batteriet oplades, og forbrugerne får strøm (såsom radio, belysning osv.) Dynamoen drives af multiremmen . Multiremmen driver generatorskiven, som er forbundet med det indre på en aksel. Den kinetiske energi omdannes til elektrisk energi (og varme) i dynamoen.
Motorhastigheden påvirker generatorens spænding. Jo hurtigere motoren drejer, jo hurtigere drejer remskiven, hvilket tillader, at der genereres mere kraft. Spændingen må ikke være for høj og er derfor begrænset af spændingsregulatoren.
Mere om spændingsregulatoren senere.

Der genereres vekselspænding i dynamoen. DC-spænding påføres gennem hele bilens elektroniske kredsløb. Batteriet kan også kun oplades med jævnstrøm. Vekselspændingen omdannes til jævnspænding ved hjælp af dioderne i diodebroen. Størrelsen af den spænding, der genereres, afhænger af:

Den hastighed, hvormed lederen og magnetfeltet bevæger sig fra hinanden
Længden af viklingerne
Magnetfeltets styrke

Det er muligt at køre uden generator. Hvis den for eksempel er defekt og ikke længere leverer spænding, kan du køre videre, indtil batteriet er helt tomt. Dette kan naturligvis ikke anbefales, da dyb afladning kan få batteriet til at svigte, men bilen kan køres (et kort stykke) uden generator og uden multirem (så den evt. kan køres op på en trailer til transport) .

Operation:
Strømmen genereres ved, at rotoren roterer i statoren. Rotoren er en elektromagnet; den bliver først magnetisk, når der løber en strøm igennem den. Generatoren har derfor brug for hjælp fra batteriet, før den kan begynde at lade op. Den resterende magnetisme i generatoren er utilstrækkelig til at lade en elektrisk strøm strømme gennem dioderne.

Strømmen til at gøre rotoren magnetisk løber fra batteriet, via tændingslåsen og ladestrømsindikatorlyset til generatorens D+ tilslutning. Strømmen løber derefter til rotoren. Fra rotoren går strømmen via regulatoren til jorden. Når tændingslåsen er slået til, tændes ladestrømsindikatoren, og magnetiseringen af generatoren sker samtidig. Når generatoren begynder at oplade, slukker indikatorlampen for ladestrøm.
Når generatoren oplades, bevæger nord- og sydpolen sig i forhold til statoren. Dette genererer en vekselspænding i statoren. Med en omdrejning af magneten er den inducerede spænding i lederen i form af en sinusbølge, som vist på figuren.

Fordi der er tale om en vekselspænding, og alle forbrugere i bilen kun arbejder på DC-spænding, skal ensretning stadig finde sted. Dioder sørger for, at vekselspændingen omdannes til jævnspænding.
Ladespændingen og ladestrømmen skal også begrænses; Når motoren kører med høj hastighed og få forbrugere er tændt, skal generatoren kun lades meget lidt. Når flere forbrugere er tændt, skal generatoren levere mere ladestrøm. Ved fuld belastning kan dette beløbe sig til 75 til 120 ampere (afhængigt af biltypen). Hvordan det hele fungerer, er beskrevet i kapitlerne nedenfor.

Rotor:
Rotoren er ikke en permanent magnet, men en elektromagnet. Ved at føre strøm gennem rotoren bliver den magnetisk, og der kan genereres en vekselspænding. Den genererede spænding kan styres ved at øge eller mindske rotorstrømmen. Dette er spændingsregulatorens opgave.
Rotoren har stangkløer (nord- og sydpoler). Hver halvdel med stangkløer består normalt af 6 eller 7 pæle. Den anden halvdel består af det samme antal poler, så der er 6 eller 7 nordpoler og 6 eller 7 sydpoler. Vi taler så om 12 eller 14 stangpar. Antallet af polpar påvirker spændingen, der genereres i statoren.

Det magnetiske felt i generatoren skabes, når rotoren aktiveres. Dette sker allerede, når bilens tænding er slået til. For at aktivere rotoren sendes en feltstrøm gennem feltviklingerne. Denne strøm kommer fra batteriet og overføres til feltviklingerne via slæberingene og kulbørsterne. Denne løber fra nordpolen til sydpolen, fordi den ene slæbering er forbundet med nordpolen og den anden til sydpolen.

Når rotoren er fjernet, kan den måles for at kontrollere for defekter. Rotormodstanden er ofte omkring 3 Ohm. For den nøjagtige værdi henvises til fabriksdataene.

Stator:
Generatoren, der bruges i næsten alle biler, er en trefaset generator. Det betyder, at generatoren er opbygget af tre statorspoler, der er forbundet til en statorkerne og en rotor. Hver statorspole producerer sin egen genererede vekselspænding. Fordi alle statorspoler er monteret i en vinkel på 120 grader i forhold til hinanden, er de genererede spændinger også 120 grader forskudt i fase. Disse spændinger ensrettes af de tre negative og tre positive dioder (altså i alt seks dioder).

Statorkernen er opbygget af stablede plader, som er adskilt fra hinanden af isoleringsmateriale. Statorkernen styrker magnetfeltet i generatoren og øger dermed den genererede spænding. Statorspolerne kan forbindes på to måder; ved hjælp af en trekantforbindelse (kendes på 3×2 forbindelser) og en stjerneforbindelse (4 forbindelser, hvoraf 3 er løse forbindelser og en forbindelse, hvor de 3 ender af spolerne er forbundet med hinanden. Stjerneforbindelsen er mest almindelig , fordi det tillader en hurtigere højspænding kan opnås.Delta forbindelsen bruges til dynamoer, der skal levere meget strøm.
I det øjeblik en statorspole kommer i kontakt med statorkernen (jord kort), eller hvis en af spolerne er afbrudt (ledningsbrud), fungerer statoren ikke længere korrekt. Et multimeter kan bruges til at kontrollere, om der er jordkort eller ledningsbrud. Under én betingelse; statorspolerne skal afbrydes; begge ender må ikke komme i kontakt med andre komponenter. Ofte er ulodning tilstrækkeligt. Spolernes modstand skal være meget lille; omkring 0,05 ohm. Modstanden mellem statorspolerne og statorkernen skal være uendelig stor. Hvis der er modstand (hvis den er ekstrem høj) så er der en forbindelse.

Billedet nedenfor viser en adskilt stator og rotor. I virkeligheden roterer rotoren i statoren, og de rører bare ikke hinanden.

For-excitering, selv-excitering og ladestrøm:

Forstrøm:
Motoren er stoppet, og kontrollampen er tændt. Pre-excitationsstrømmen går til jord via batteri, tændingslås, rotor og controller. Dette er muligt, fordi Zener-dioden i spændingsregulatoren er afbrudt, og basisstrømmen T1 gøres ledende, fordi T2 holder op med at lede.

Selvstyrkelse:
Når motoren startes, er rotoren lavet tilstrækkelig magnetisk til at skifte til selv-excitering. Selvmagnetiseringsstrømmen går derefter via ensretterdioderne (negativ side) til statorspolen, derefter via feltdioderne til rotoren og via regulatoren til jord.

Ladestrøm:
Der genereres en vekselspænding i statorspolen, fordi rotoren roterer gennem den. Den grønne linje markerer den vej, som strømmen løber fra statorspole V. Strømmen ensrettes af en ensretterdiode (fra vekselspænding til jævnspænding) og går via forbindelse B+ til batteri og forbrugere.

Den ladestrøm, der går til batteri og forbrugere via generatorforbindelsen B+, sørger for hele strømforsyningen til bilen. Når motoren er slukket, leverer generatoren ikke strøm. Alle forbrugere vil derfor bruge strøm fra batteriet.
Når motoren kører, skal generatoren kunne levere nok strøm til at forsyne alle forbrugere. Når motoren kører, er strømmen fra batteriet aldrig beregnet til at blive brugt. En generators ladestrøm afhænger af antallet af forbrugere og batteriets ladestatus. Den maksimale ladestrøm er angivet på generatoren (normalt mellem 60 og 90A).

Generatorens ladespænding kan nemt kontrolleres, hvis der er tvivl om, hvorvidt generatoren lader korrekt eller ej. Ved at måle batteriets pluspol og minuspol med en spændingsmåler (multimeter), mens motoren kører (spændingen fra generatoren er direkte på denne), kan du kontrollere, om generatoren lader korrekt:

Hvis spændingen er omkring 14,2 volt, når motoren kører, fungerer generatoren som den skal
Hvis spændingen er 13,8 volt, er batteriet næsten fuldt, og forbrugerne er slukket. Generatoren skal ikke levere meget spænding og gør det derfor ikke. Ladespændingen er helt fin
Hvis spændingen er 12,4 volt eller lavere, ved du, at generatoren ikke oplader korrekt. Det er den spænding, som et fuldt batteri også har. Så der er et problem med generatoren.
Hvis spændingen er lavere end 12,4 volt, oplader generatoren ikke længere. Batteriet vil fortsætte med at aflade, indtil spændingen når 8 volt. Så vil motoren gå i stå, og intet virker længere.

I sidstnævnte tilfælde, altså når generatoren ikke længere oplader, kan du vælge at udskifte generatoren. Dette er ofte meget dyrt, og det er billigere at lede efter en istandsat generator. Der er mange overhalingsfirmaer, som skiller generatoren helt ad og gør den som ny igen. Dette kan spare (mere) end halvdelen af nyprisen.
Sørg altid for, at når du udskifter generatoren, afbryder du minuspolen fra batteriet! Hvis du ikke gør dette, og B+-forbindelsen (som du fjerner fra generatoren) rører karosseriet eller metalmotorblokken, får du gnister på grund af en kortslutning. Dyre elektroniske styreenheder kan så blive defekte.

Strøm regulator:
Når spændingen stiger over den regulerede spænding, tændes Zener-dioden (i diagrammet ovenfor), hvilket bevirker, at bunden af T1 forbindes til jord af T2. T1 afbryder, magnetfeltet forsvinder, hvilket får vekselstrømsgeneratorens spænding til at falde.
Dette får rotorstrømmen til at svigte, hvilket medfører, at generatoren ikke genoplades i kort tid. Ved kontinuerligt at tænde og slukke for T1 justeres spændingen.

Figuren viser en løs rotor med en løs spændingsregulator holdt imod sig. Spændingsregulatoren er monteret mellem generatorens D+ og DF forbindelser og trækker dens kulbørster hen over rotoren. Når en forbruger er tændt (f.eks. belysning), falder ladestrømmen kortvarigt fra 14,4 til 13,8 volt. Spændingsregulatoren absorberer dette og vil hurtigt justere spændingen højere til 14,4 volt.

Nedenfor kan du se 2 scope billeder, der blev målt ved DF-tilslutningen af generatoren. Disse signaler sendes videre til motorstyreenheden. For at være tydelig, er rotoren magnetisk i bunden af begge billeder.

Signalet i grafen blev målt, mens få eller ingen forbrugere var tændt. Rotoren er derfor minimalt magnetisk. Duty cycle her er ca. 10%.

Signalet i grafen nedenfor blev målt, mens mange forbrugere var tændte. Rotoren tilføres meget mere her for at opnå ladestrømmen på 14,4 volt. Duty cycle her er cirka 50 %.

Dynamoforbindelser:

B+ går til batteriet; Ladespændingen og ladestrømmen går igennem denne.
D+ er rotorens styrespænding til justering af vekselstrømsgeneratorens spænding.
D- er generatorens masse.
W er en forbindelse, der tidligere blev brugt til omdrejningstællere af gamle dieselmotorer. I dag eksisterer den ikke længere.
DF eller LIN er den mulige forbindelse til styring af rotorens excitation fra motorstyringssystemet.

Ensretterdioder:
Generatoren leverer vekselspænding, men fordi der kun bruges jævnspænding i bilen, skal vekselspændingen (AC) omdannes til jævnspænding (DC). Dette gøres ved hjælp af ensretterdioderne. Dioder tillade kun strømmen at flyde i én retning. Den positive del af vekselstrømmen bruges, den negative del går tabt.

Billedet viser en adskilt diodebro. Den røde målestift peger på en af de tre minidioder.
De positive dioder er på den anden side af diodebroen. Knoppen er B+-forbindelsen, hvorpå det tykke kabel, der går til batteriet, er monteret.

Dette er princippet om en enfaset generator. På billedet ovenfor (til højre) kan du se, at fasen konstant er afbrudt, der er ingen spænding i et stykke tid, og så er der en fase igen. Der genereres altså ingen spænding i delen mellem faserne. For at forhindre dette, anvendes stjerne- og trekantforbindelser i trefasede generatorer. Dette giver resultatet nedenfor.
Billedet nedenfor viser 3 forskellige farver; sort, rød og blå. Disse er alle separate faser. Billedet viser, at der er meget mellemrum mellem for eksempel de sorte faser. Dette rum bygges bro ved at forbinde de andre faser. Dette skaber en gradvis strømforsyning.

Ripple spænding:
Efter ensretning af spændingen ved hjælp af ensretterdioderne, forbliver der altid en lille krusning. Signalet er aldrig pænt og fladt. Rippelspændingen må aldrig overstige 500 mV, da dette kan forårsage funktionsfejl eller defekter i bilens elektronik.
Billedet viser et scope-billede, der blev målt på batteriet. Dette billede vil ændre sig, når motorhastigheden ændres, eller når forbrugerne tændes.

Strøm regulator:
Spændingsregulatoren tænder og slukker for magnetfeltet ved at tænde og slukke for strømmen gennem rotoren. Spændingsregulatoren sørger for, at ladespændingen forbliver konstant (mellem 13,2 og 14,6 volt). Niveauet af ladespændingen afhænger blandt andet af hastigheden. Jo hurtigere krumtapakslen drejer, jo hurtigere vil rotoren dreje. Hvis spændingen ikke blev justeret, kunne den stige til 30 volt ved høj hastighed. Dette forhindres af spændingsregulatoren. Billedet viser en separat spændingsregulator. I de fleste tilfælde er dette synligt fastgjort til generatoren.

Den genererede spænding afhænger ikke kun af motorhastigheden, men også af antallet af statoromdrejninger og styrken af rotorens magnetfelt. Antallet af statoromdrejninger bestemmes, når generatoren er designet, men rotorens magnetiske feltstyrke kan styres. Dette kan reduceres ved at slukke og tænde rotoren meget hurtigt. Hvis spændingen bliver høj, slukker rotoren. Hvis spændingen er for lav, tændes rotoren igen. Ved at gøre dette meget hurtigt efter hinanden skabes en gennemsnitlig feltstyrke. Ladespændingen forbliver derfor konstant så meget som muligt.

Når spændingen på generatorens positive terminal (D+) er lavere end justeringsspændingen, løber en strøm fra D+ gennem rotoren til D- (negativ terminal), og der genereres en spænding i generatoren. Den genererede spænding sættes til D+ igen. Når spændingen på D+ er højere end justeringsspændingen, nås Zener-spændingen (se billedet nedenfor), hvilket får transistor T2 til at tænde. Transistoren T1 leder så ikke, så der kan ikke gå mere strøm gennem rotoren. Magnetfeltet bliver dermed slukket, så ladespændingen falder. Denne spænding fortsætter med at falde, indtil Zener-spændingen ikke længere nås. Efterfølgende vil transistoren T2 afbrydes, og T1 vil lede igen. Denne cyklus gentages konstant.

Friløbsremskive:
I dag er mange generatorer udstyret med en påløbsremskive (se billedet nedenfor). Disse remskiver kan kun køres i én retning. Når den flerribbede rem fjernes fra remskiven, og du drejer remskiven med hånden, vil du bemærke, at det indre af generatoren kun roterer i den ene retning og forbliver stationært i den anden retning. Dette system skal beskytte multibæltet. Når motoren kører med høj hastighed, og gashåndtaget slippes på én gang, vil motorhastigheden falde hurtigt. En kraftig dynamo kan bremse noget mindre hurtigt. Denne hastighed falder langsommere end motorhastigheden. Resultatet af dette er, at multiremmen udsættes for større belastning og i værste fald skæres over, fordi multiremmen så skal bremse generatoren. Med en friløbsremskive vil generatoren bevæge sig, når den accelererer, men vil køre med sin egen hastighed, når den decelererer.

Remskiven monteres med gevindet på rotorens aksel (se billedet ovenfor). Den ydre del af remskiven bærer kun den indre del med sig i én omdrejningsretning. Spærreanordningen sørger for, at inderdelen klemmes mod yderdelen. Den komplette remskive vil så blive låst, så generatoren drives af multiremmen. Når du slipper gaspedalen, roterer den indre del med en højere hastighed end den ydre del; motorhastigheden er faldet hurtigere end rotorhastigheden. Spærreanordningen er så ikke i drift, hvilket betyder, at kuglelejerne tillader rotoren at have en anden hastighed end krumtapakslen.

Billedet viser en generator udstyret med en overløbsremskive.

Ventilator:
Generatoren varmer op, når den skal levere energi. For at undgå overophedning skal den afkøles. Blæseren internt i generatoren sørger for køling. I dag findes der også generatorer, der er tilsluttet motorens kølesystem. Kølevæsken sørger for køling.

Energigenvinding:
Hvis generatoren oplader ved sin maksimale kapacitet (med mange forbrugere tændt), vil der opstå yderligere brændstofforbrug. Dette skyldes, at generatoren vil rotere kraftigere, fordi magnetfeltet i statoren vil være større. Magnetfeltet vil få rotoren til at dreje kraftigere, og krumtapakslen bliver nødt til at trække hårdere i multiremmen for at flytte den rundt. I dag har bilproducenterne fundet en praktisk løsning på dette. Generatoren oplader altid, men genoplader ikke blot til sin maksimale kapacitet under kørslen (medmindre batteriet virkelig er tomt). Den maksimale opladning finder sted, når bilen bremser med motoren. Så når chaufføren tager foden fra speederen og lader bilen skride (f.eks. ved et lyskryds eller ved en motorvejsafkørsel). Bilen bruger ikke brændstof på et sådant tidspunkt, og køretøjets kinetiske energi (bevægelsesenergi) sikrer, at bilen fortsætter med at rulle. Batteriet er nu fuldt opladet, indtil der trykkes på speederen igen. I det øjeblik sørger generatoren for, at spændingsforsyningen forbliver stabil.
Denne opladningsmetode fører til lavere brændstofforbrug.

Mulige fejl på generatoren:
Der kan være en række typiske problemer eller defekter i generatoren. Teknikeren ved ofte, hvad han eller hun kan kontrollere eller måle næste gang. Nedenfor er en række typiske klager:

Ladestrømsindikatoren lyser normalt under for-excitering, men slukker kun, når motoren kører med højere hastighed; defekt i generatoren (sandsynligvis en defekt feltdiode).
Samme klage som ovenfor, kun lyser den også svagt, når motoren kører med høj hastighed, eller når mange forbrugere er tændt; defekt i generatoren (sandsynligvis en defekt diode).
Ladestrømindikatoren lyser svagt under for-excitation, men slukker kun, når motoren kører med højere hastighed; (sandsynligvis en defekt i generatoren eller en defekt i ledningerne eller dens forbindelser).
Indikatorlampen for ladestrøm lyser ikke under for-excitering, eller når motoren kører; (defekt generator, dårlige ledninger/forbindelser eller en defekt indikatorlampe for ladestrøm).

Kontrol af ladespænding og ladestrøm:
Mængden af energi, som generatoren leverer, afhænger af dens kapacitet, og hvad forbrugerne og det tændte batteri kræver. Fx skal generatoren kunne levere 100A til at forsyne alle forbrugere og samtidig oplade et tomt batteri. Mængden af energi, som generatoren leverer, falder til næsten nul, når batteriet er fuldt, og ingen forbrugere er tændt. Generatorens maksimale kapacitet er ofte angivet på typeskiltet eller på et klistermærke på generatoren. Dette er ofte mellem 65A og 120A. Dette vises ofte som følger: 14V 17/85A. Det betyder: reguleret spænding (14V), ladestrøm (17A) ved 1800 rpm og ladestrøm (85A) ved 6000 rpm af generatoren (ikke krumtapakslens hastighed).

Hvis der er en defekt i generatoren eller i kabelføringen, opnås den maksimale kapacitet muligvis ikke ved maksimal belastning. Dette kan kontrolleres ved at kontrollere ladestrømmen. Dette kan gøres ved at belaste generatoren så højt som muligt med specielt testudstyr, når motoren kører eller ved at tænde for så mange forbrugere som muligt (såsom sædevarme, bagrudevarme, al belysning, ventilatormotor på højeste indstilling , etc.). Værdien af ladestrømmen kan bestemmes ved hjælp af en nuværende klemme blive kontrolleret. Den målte værdi skal svare til den værdi, der er angivet på generatoren.
Den justerede spænding kan kontrolleres ved at bruge multimeter mål spændingen mellem B+-forbindelsen og jord ved øget motoromdrejningstal (2000 rpm). Den regulerede spænding skal være mellem 13.8 volt og 14.5 volt.
For at kontrollere, om ledningsføringen er korrekt, kan spændingsforskellen mellem batteriets positive pol og generatorens B+ forbindelse måles; spændingen skal være lavere end 0,3V. Hvis ikke, er der et problem med kablet eller kablets forbindelser.
Hvis jordkredsløbet ikke er godt, får du ikke kun problemer med ladesystemet, men også med andre systemer. Jordkredsløbet kan kontrolleres ved at køre motoren ved 2000 rpm og forbinde voltmeteret mellem batteriets negative pol og generatorhuset. Denne spænding skal også være mindre end 0,3V.