ダイナモ

科目：

一般
運営
ローター
ステーター
予励磁、自励励磁、充電電流
ルールヘアのテンション
ダイナモ接続
整流ダイオード
リップル電圧
ルールヘアのテンション
フリーホイールプーリー
ファン
エネルギー回収
オルタネーターの欠陥の可能性
充電電圧と充電電流を確認する

一般：
エンジンが作動しているときは、ダイナモ (英語では「オルタネーター」と呼ばれます) によってバッテリーが充電され、消費者 (ラジオ、照明など) に電力が供給されます。ダイナモはマルチベルトによって駆動されます。。マルチベルトはオルタネータープーリーを駆動し、オルタネータープーリーはシャフトで内部に接続されています。運動エネルギーはダイナモ内で電気エネルギー (および熱) に変換されます。
エンジン回転数はオルタネーターの電圧に影響します。モーターの回転が速くなればなるほど、プーリーの回転も速くなり、より多くの電力を生成できるようになります。電圧は高すぎない可能性があるため、電圧レギュレータによって制限されます。
電圧レギュレータについては後ほど詳しく説明します。

ダイナモでは交流電圧が発生します。 DC 電圧は自動車の電子回路全体に印加されます。また、バッテリーは直流でのみ充電できます。交流電圧は、ダイオードブリッジのダイオードを使用して直流電圧に変換されます。生成される電圧の大きさは次の要素によって決まります。

導体と磁場が離れる速度
巻きの長さ
磁場の強さ

オルタネーターなしでも走行可能です。たとえば、故障して電圧が供給されなくなった場合でも、バッテリーが完全に空になるまで走行を続けることができます。深放電はバッテリーの故障を引き起こす可能性があるため、これはもちろん推奨されませんが、オルタネーターやマルチベルトなしで車を（短距離）運転することができます（輸送のためにトレーラーに乗せることができる可能性があります）。

ワーキング:
ステーター内でローターが回転することで電流が発生します。ローターは電磁石です。電流が流れるときにのみ磁性を帯びます。したがって、オルタネーターは充電を開始する前にバッテリーの助けを必要とします。オルタネーター内に残っている磁気は、ダイオードに電流を流すには不十分です。

ローターを磁化させるための電流は、バッテリーからイグニッションロックおよび充電電流インジケーターライトを介してオルタネーターの D+ 接続に流れます。その後、電流がローターに流れます。電流はローターからレギュレーターを介してグランドに流れます。イグニッションロックをオンにすると、充電電流表示灯が点灯し、同時にオルタネーターの励磁が行われます。オルタネーターが充電を開始すると、充電電流表示灯が消えます。
オルタネーターが充電されると、N 極と S 極がステーターに対して移動します。これにより、ステータ内に交流電圧が発生します。磁石が XNUMX 回転すると、導体に誘導される電圧は図に示すように正弦波になります。

これは交流電圧であり、車内のすべての消費者は DC 電圧でのみ動作するため、整流を行う必要があります。ダイオードは交流電圧を確実に直流電圧に変換します。
充電電圧と充電電流も制限する必要があります。エンジンが高速で動作し、オンになっている消費者がほとんどいない場合、オルタネーターはごく少量の充電だけで済みます。より多くの消費者がスイッチを入れると、オルタネーターはより多くの充電電流を供給する必要があります。全負荷時、これは 75 ～ 120 アンペアになります (車のタイプによって異なります)。これがどのように機能するかについては、以下の章で説明します。

ローター：
ローターは永久磁石ではなく電磁石です。ローターに電流を流すと磁気が発生し、交流電圧を発生させることができます。発生電圧はローター電流を増減することで制御できます。これは電圧レギュレーターの仕事です。
ローターには極爪（N極、S極）が付いています。ポール爪を備えた各半分は、通常 6 つまたは 7 つのポールで構成されます。残りの半分は同じ数の極で構成されており、北極が 6 ～ 7 個、南極が 6 ～ 7 個あります。次に、12 または 14 の極対について話します。極対の数は、ステータで生成される電圧に影響します。

ローターが通電されると、オルタネーター内の磁場が発生します。これは、車のイグニッションがオンになっているときにすでに発生しています。ロータにエネルギーを与えるために、界磁電流が界磁巻線に流されます。この電流はバッテリーから来て、スリップリングとカーボンブラシを介して界磁巻線に伝達されます。一方のスリップリングが北極に接続され、もう一方のスリップリングが南極に接続されているため、これは北極から南極まで延びています。

ローターを取り外したら、測定して欠陥がないか確認します。ローター抵抗は多くの場合約 3 オームです。正確な値については、工場出荷時のデータを参照してください。

固定子：
ほとんどすべての車に使用されているオルタネーターは三相オルタネーターです。これは、オルタネーターが 120 つのステーターコアと 120 つのローターに接続された XNUMX つのステーターコイルで構成されていることを意味します。各ステータコイルは、独自に生成された交流電圧を生成します。すべてのステーターコイルは互いに XNUMX 度の角度で取り付けられているため、生成される電圧も位相が XNUMX 度シフトされます。これらの電圧は、XNUMX つの負のダイオードと XNUMX つの正のダイオード (合計 XNUMX つのダイオード) によって整流されます。

ステータコアは積層されたプレートで構成されており、各プレートは絶縁材で分離されています。ステーターコアはオルタネーター内の磁界を強化し、発生する電圧を高めます。ステータコイルは 3 つの方法で接続できます。三角結線 (2×4 結線で認識) とスター結線 (3 結線、そのうち 3 結線はルーズ結線、XNUMX 結線はコイルの XNUMX つの端が互いに接続されている結線) によって構成されます。スター結線が最も一般的です。デルタ結線は、大量の電力を供給する必要があるダイナモに使用されます。
ステーターコイルがステーターコアに接触した瞬間 (地絡)、またはコイルの 0,05 つが遮断された場合 (断線)、ステーターは正常に動作しなくなります。マルチメーターを使用して、接地ショートや断線がないかどうかを確認できます。ある条件のもとでは、ステーターコイルを切り離す必要があります。両端が他のコンポーネントに接触しないようにしてください。多くの場合、はんだ付けを外すだけで十分です。コイルの抵抗は非常に小さくなければなりません。約XNUMXオーム。ステータコイルとステータコア間の抵抗は無限大でなければなりません。抵抗がある場合 (抵抗が非常に高い場合)、接続があります。

下の画像は、分解されたステーターとローターを示しています。実際には、ローターはステーター内で回転し、互いに接触していないだけです。

予励磁、自励および充電電流:

プリパワー:
エンジンが停止し、表示灯が点灯します。予励磁電流は、バッテリー、点火ロック、ローター、コントローラーを介してグランドに流れます。これは、電圧レギュレータのツェナーダイオードが遮断され、T1 が導通を停止するためベース電流 T2 が導通するために可能になります。

自己啓発:
エンジンが始動すると、ローターは十分な磁力を帯びて自励式に切り替わります。自励電流は、整流ダイオード (マイナス側) を介してステーターコイルに流れ、次にフィールドダイオードを介してローターに流れ、レギュレーターを介してアースに流れます。

充電電流:
ステーターコイルを介してローターが回転するため、ステーターコイル内に交流電圧が発生します。緑色の線は、ステーターコイル V から電流が流れる経路を示しています。電流は、整流ダイオードによって整流され (交流電圧から直流電圧に)、接続 B+ を介してバッテリーと消費者に流れます。

オルタネーター接続 B+ を介してバッテリーと消費者に流れる充電電流は、車の電源全体を供給します。エンジンがオフになると、オルタネーターは電力を供給しません。したがって、すべての消費者はバッテリーからの電力を使用することになります。
エンジンの動作中、オルタネーターはすべての消費者に電力を供給するのに十分な電力を供給できなければなりません。エンジンが作動しているときは、バッテリーからの電力は使用されません。オルタネーターの充電電流は、消費者の数とバッテリーの充電状態によって異なります。最大充電電流はオルタネーターに記載されています (通常は 60 ～ 90A)。

オルタネーターが適切に充電されているかどうか疑問がある場合、オルタネーターの充電電圧を簡単にチェックできます。エンジンの作動中に (オルタネーターからの電圧が直接これに加わります)、電圧計 (マルチメーター) でバッテリーの正極と負極を測定することで、オルタネーターが適切に充電されているかどうかを確認できます。

エンジン稼働時の電圧が約 14,2 ボルトであれば、オルタネーターは正常に動作しています。
電圧が 13,8 ボルトの場合、バッテリーはほぼ満充電であり、消費者はオフになっています。オルタネーターは多くの電圧を供給する必要がないため、供給しません。充電電圧も大丈夫です
電圧が 12,4 ボルト以下の場合は、オルタネーターが適切に充電されていないことがわかります。これは、フルバッテリーの電圧でもあります。つまりオルタネーターに問題があるということです。
電圧が 12,4 ボルトより低い場合、オルタネーターは充電されません。バッテリーは、電圧が 8 ボルトに達するまで放電を続けます。そうなるとエンジンが止まり、何も動かなくなります。

後者の場合、つまりオルタネーターが充電できなくなった場合は、オルタネーターを交換することを選択できます。これは非常に高価であることが多いため、再生済みのオルタネーターを探す方が安価です。オルタネーターを完全に分解して新品同様に戻すオーバーホール会社はたくさんあります。これにより、新品価格の半分以上を節約できます。
オルタネーターを交換するときは、必ずバッテリーからマイナス端子を外してください。これを行わずに、B+ 接続 (オルタネーターから取り外したもの) が車体や金属製のエンジンブロックに触れると、短絡により火花が発生します。高価な電子制御ユニットには欠陥が生じる可能性があります。

電圧レギュレーター：
電圧が安定化電圧を超えると、ツェナーダイオード (上の図) がオンになり、T1 のベースが T2 によってグランドに接続されます。 T1 が遮断され、磁場がなくなり、オルタネーターの電圧が低下します。
これによりローター電流が失われ、オルタネーターが短時間充電できなくなります。 T1 をオン/オフし続けることにより、電圧が調整されます。

この図は、緩んだローターとそれに押し付けられた緩んだ電圧レギュレーターを示しています。電圧レギュレーターはオルタネーターの D+ 接続と DF 接続の間に取り付けられ、カーボンブラシをローター上に引きずります。消費者のスイッチがオンになると (照明など)、充電電流は一時的に 14,4 ボルトから 13,8 ボルトに低下します。電圧レギュレータはこれを吸収し、電圧をすぐに 14,4 ボルトに高く調整します。

以下に、オルタネーターの DF 接続で測定された 2 つのスコープ画像を示します。これらの信号はエンジン制御ユニットに渡されます。明確にするために、両方の画像の下部にあるローターは磁気を帯びています。

グラフの信号は、ほとんどの消費者がスイッチを入れていないか、まったくスイッチを入れていないときに測定されました。したがって、ローターの磁性は最小限になります。ここでのデューティサイクルは約 10% です。

以下のグラフの信号は、多くの消費者の電源が入っているときに測定されました。ここでは、14,4 ボルトの充電電流を達成するためにローターにさらに多くの電力が供給されます。ここでのデューティサイクルは約 50% です。

ダイナモ接続:

B+ はバッテリーに接続されます。充電電圧と充電電流はここを通過します。
D+ はオルタネータ電圧を調整するためのローターの制御電圧です。
D-はオルタネーターの質量です。
Wは古いディーゼルエンジンのタコメーターに以前使用されていた接続です。今ではもう存在しません。
エンジン管理システムからローター励磁を制御するには、DF または LIN を接続できます。

整流ダイオード:
オルタネーターは交流電圧を供給しますが、自動車では直流電圧のみが使用されるため、交流電圧 (AC) を直流電圧 (DC) に変換する必要があります。これは整流ダイオードによって行われます。ダイオード電流が一方向にのみ流れるようにします。交流のプラス部分が使用され、マイナス部分は失われます。

画像は分解されたダイオードブリッジを示しています。赤い測定ピンは XNUMX つのミニダイオードの XNUMX つを指します。
正のダイオードはダイオードブリッジの反対側にあります。スタッドは B+ 接続で、バッテリーにつながる太いケーブルが取り付けられています。

これが単相オルタネーターの原理です。上の画像 (右側) では、位相が常に中断され、しばらく電圧がなくなり、その後再び位相が現れることがわかります。したがって、相間部分には電圧は発生しません。これを防ぐために、三相交流発電機ではスター結線とデルタ結線が使用されます。これにより、以下の結果が生成されます。
下の画像は 3 つの異なる色を示しています。黒、赤、青。これらはすべて個別のフェーズです。この画像は、たとえば黒の相の間に多くのスペースがあることを示しています。この空間は、他のフェーズを接続することによって橋渡しされます。これにより、段階的な電力供給が行われます。

リップル電圧:
整流ダイオードで電圧を整流した後は、必ず小さなリップルが残ります。信号は決して良好で平坦ではありません。リップル電圧は決して 500 mV を超えてはなりません。カーエレクトロニクスの誤動作や欠陥が発生する可能性があります。
画像はバッテリーで測定したスコープ画像です。この画像は、エンジン速度が変化するか、消費者のスイッチがオンになると変化します。

電圧レギュレーター：
電圧レギュレータは、ローターに流れる電流をオンまたはオフに切り替えることにより、磁場のオンとオフを切り替えます。電圧レギュレータは、充電電圧が一定 (13,2 ボルトと 14,6 ボルトの間) に保たれることを保証します。充電電圧のレベルは、とりわけ速度に依存します。クランクシャフトが速く回転すると、ローターも速く回転します。電圧が調整されていない場合、高速で 30 ボルトまで上昇する可能性があります。これは電圧レギュレータによって防止されます。画像は別個の電圧レギュレータを示しています。ほとんどの場合、これはオルタネーターに目に見えて取り付けられています。

生成される電圧は、モーターの速度だけでなく、ステーターの巻数とローターの磁場の強さにも依存します。ステーターの巻数はオルタネーターの設計時に決定されますが、ローターの磁界の強さは制御できます。これは、ローターを素早くオフにしてからオンにすることで軽減できます。電圧が高くなるとローターはオフになります。電圧が低すぎる場合は、ローターのスイッチが再度オンになります。これを非常に素早く連続して行うことにより、平均的な電界強度が生成されます。したがって、充電電圧は可能な限り一定に保たれます。

オルタネーターのプラス端子（D+）の電圧が調整電圧より低い場合、D+からローターを通ってD-（マイナス端子）に電流が流れ、オルタネーターに電圧が発生します。生成された電圧は再び D+ に設定されます。 D+ の電圧が調整電圧よりも高い場合、ツェナー電圧に達し (下の図を参照)、トランジスタ T2 がオンになります。トランジスタ T1 は導通しなくなり、ロータにはそれ以上電流が流れなくなります。したがって、磁場がオフになり、充電電圧が低下します。この電圧は、ツェナー電圧に到達しなくなるまで減少し続けます。その後、トランジスタ T2 が遮断され、T1 が再び導通します。このサイクルが常に繰り返されます。

フリーホイールプーリー:
現在、多くのオルタネーターにはオーバーランニングプーリーが装備されています (下の画像を参照)。これらのプーリーは一方向にのみ駆動できます。マルチリブベルトをプーリーから取り外し、プーリーを手で回すと、オルタネーターの内部が一方向にのみ回転し、反対方向には静止していることがわかります。マルチベルトを保護するシステムです。エンジンが高回転で回転しているときにスロットルを一気に戻すと、エンジン回転数が急激に低下します。耐久性の高いダイナモでは、速度が若干遅くなる場合があります。この速度はエンジン速度よりもゆっくりと低下します。その結果、マルチベルトには大きな負担がかかり、最悪の場合は半分に切断されてしまいます。これは、マルチベルトがオルタネーターの速度を低下させる必要があるためです。フリーホイールプーリーを使用すると、加速時にはオルタネーターが動きますが、減速時には独自の速度で動作します。

プーリーはローターのシャフトのネジ山に取り付けられています (上の画像を参照)。プーリーの外側部分は、内側部分を一方向の回転にのみ運びます。ブロック装置により、内側部分が外側部分に確実にクランプされます。その後、プーリー全体がロックされ、オルタネーターがマルチベルトによって駆動されるようになります。アクセルペダルを放すと内側が外側よりも高速で回転し、アクセルペダルを離すと内側が外側よりも高速で回転します。エンジン速度がローター速度よりも早く低下しました。この場合、遮断装置は作動しません。これは、ボールベアリングによってローターがクランクシャフトとは異なる速度を持つことができることを意味します。

画像はオーバーランニングプーリーを備えたオルタネーターを示しています。

人工呼吸器：
オルタネーターは、エネルギーを供給する必要があるときに発熱します。過熱を防ぐためには冷却する必要があります。オルタネーター内部のファンが冷却を提供します。最近では、エンジン冷却システムに接続されたオルタネーターもあります。冷却剤は冷却を提供します。

エネルギー回収:
オルタネーターが最大容量で充電している場合 (多くの消費者のスイッチがオンになっている場合)、追加の燃料消費が発生します。これは、ステーター内の磁界が大きくなるため、オルタネーターの回転がより激しくなるからです。磁場によりローターの回転がより激しくなり、クランクシャフトがマルチベルトを動かすためにはより強く引っ張らなければなりません。最近、自動車メーカーはこれに対する便利な解決策を見つけました。オルタネーターは常に充電されますが、走行中に単純に最大容量まで充電されるわけではありません（バッテリーが実際に空でない限り）。最大の充電は、エンジンを使用して車がブレーキをかけるときに行われます。そのため、ドライバーがアクセルから足を放し、車を惰性走行させたとき（信号待ちや高速道路の出口など）。このとき、車は燃料を消費せず、車の運動エネルギー (移動エネルギー) によって車は動き続けます。バッテリーは再びアクセルを踏むまで完全に充電されます。その瞬間、オルタネーターは電圧供給が安定した状態を維持するようにします。
この充電方法は燃料消費量の削減につながります。

オルタネーターに考えられる欠陥:
オルタネーターには多くの典型的な問題や欠陥が存在する可能性があります。技術者は多くの場合、次に何を確認または測定できるかを知っています。以下に代表的な苦情をいくつか挙げます。

充電電流表示灯は通常、予励磁中に点灯しますが、エンジンが高速で回転している場合にのみ消灯します。オルタネーターの欠陥 (おそらくフィールドダイオードの欠陥)。
上記と同じ不満ですが、エンジンが高速で動作しているとき、または多くの消費者のスイッチが入っているときにも弱く点灯します。オルタネーターの欠陥（おそらくダイオードの欠陥）。
充電電流表示灯は予励磁中は弱く点灯しますが、エンジンが高速で回転している場合にのみ消灯します。（おそらくオルタネーターの欠陥、または配線またはその接続の欠陥）。
充電電流表示灯は、予励磁中またはエンジン作動中は点灯しません。 (オルタネーターの欠陥、配線/接続不良、または充電電流表示灯の欠陥)。

充電電圧と充電電流を確認する:
オルタネーターが供給するエネルギー量は、その容量と、スイッチがオンになっている消費者とバッテリーが何を必要とするかによって決まります。たとえば、オルタネーターは、すべての消費者に電力を供給し、同時に空のバッテリーを充電するために 100A を供給できなければなりません。バッテリーが満充電で消費者のスイッチが入っていない場合、オルタネーターによって供給されるエネルギー量はほぼゼロに低下します。オルタネーターの最大容量は、多くの場合、型式プレートまたはオルタネーターのステッカーに記載されています。多くの場合、これは 65A から 120A の間になります。これは多くの場合、14V 17/85A のように表示されます。これは、オルタネーターの調整された電圧 (14V)、17 rpm での充電電流 (1800A)、および 85 rpm での充電電流 (6000A) を意味します (クランクシャフト速度ではありません)。

オルタネーターまたはケーブル配線に欠陥がある場合、最大負荷時に最大容量を達成できない可能性があります。これは、充電電流をチェックすることで確認できます。これは、エンジンの動作中に特別な試験装置を使用してオルタネーターにできるだけ高い負荷をかけるか、できるだけ多くの消費者（シートヒーター、リアウィンドウヒーター、すべての照明、最高設定のファンモーターなど）のスイッチをオンにすることによって実行できます。、など）。充電電流の値は、次の式を使用して決定できます。電流クランプチェックされる。測定値は、オルタネーターに記載されている値と一致する必要があります。
調整された電圧は次の方法で確認できます。マルチメーターエンジン回転数を上げた状態 (2000 rpm) で、B+ 接続とアースの間の電圧を測定します。安定化電圧は 13.8 ボルトから 14.5 ボルトの間である必要があります。
配線が正しいかどうかを確認するには、バッテリーの正極とオルタネーターの B+ 接続間の電圧差を測定します。電圧は0,3V未満である必要があります。そうでない場合は、ケーブルまたはケーブルの接続に問題があります。
アース回路が良好でない場合、充電システムだけでなく、他のシステムにも問題が発生します。接地回路は、エンジンを 2000 rpm で運転し、バッテリーのマイナス端子とオルタネーターのハウジングの間に電圧計を接続することでチェックできます。この電圧も 0,3V 未満である必要があります。