Dynamo

Emner:

Algemeen
drift
rotoren
stator
Pre-eksitasjon, Selv-eksitasjon og Ladestrøm
Spenningsregulator
Dynamo-tilkoblinger
Rettingsdioder
Ripple spenning
Spenningsregulator
Frihjuls trinse
Vifte
Energigjenvinning
Mulige feil på dynamoen
Kontroll av ladespenning og ladestrøm

generelle:
Når motoren går, sørger dynamoen (kalt "alternator" på engelsk) for at batteriet lades og forbrukerne får strøm (som radio, lys osv.) Dynamoen drives av multi- belte. Multiremmen driver dynamoskiven, som er koblet til interiøret på en aksel. Den kinetiske energien omdannes til elektrisk energi (og varme) i dynamoen.
Motorturtallet påvirker spenningen til dynamoen. Jo raskere motoren spinner, jo raskere spinner remskiven, noe som gjør at mer kraft kan genereres. Spenningen er kanskje ikke for høy og begrenses derfor av spenningsregulatoren.
Mer om spenningsregulatoren senere.

Det genereres vekselspenning i dynamoen. DC-spenning påføres gjennom hele den elektroniske kretsen i bilen. Batteriet kan også kun lades med likestrøm. Vekselspenningen omdannes til likespenning ved hjelp av diodene i diodebroen. Størrelsen på spenningen som genereres avhenger av:

Hastigheten som lederen og magnetfeltet beveger seg fra hverandre med
Lengden på viklingene
Styrken til magnetfeltet

Det er mulig å kjøre uten dynamo. Hvis den for eksempel er defekt og ikke lenger leverer spenning, kan du fortsette å kjøre til batteriet er helt tomt. Dette anbefales selvsagt ikke fordi dyp utlading kan føre til at batteriet svikter, men bilen kan kjøres (en kort strekning) uten dynamo og uten multibelte (slik at den evt. kan kjøres over på tilhenger for transport) .

Operasjon:
Strømmen genereres ved at rotoren roterer i statoren. Rotoren er en elektromagnet; den blir først magnetisk når en strøm går gjennom den. Dynamoen trenger derfor hjelp fra batteriet før den kan begynne å lade. Den gjenværende magnetismen i dynamoen er utilstrekkelig til å la en elektrisk strøm flyte gjennom diodene.

Strømmen for å gjøre rotoren magnetisk går fra batteriet, via tenningslåsen og ladestrømindikatorlyset til D+-tilkoblingen til dynamoen. Strømmen går deretter til rotoren. Fra rotoren går strømmen via regulatoren til bakken. Når tenningslåsen er slått på, tennes indikatorlampen for ladestrøm og magnetiseringen av dynamoen skjer samtidig. Når dynamoen begynner å lade, vil indikatorlampen for ladestrøm slukkes.
Når dynamoen lades, beveger nord- og sørpolen seg i forhold til statoren. Dette genererer en vekselspenning i statoren. Med en omdreining av magneten er spenningen indusert i lederen i form av en sinusbølge, som vist på figuren.

Fordi dette er en vekselspenning og alle forbrukere i bilen kun fungerer på likespenning, må utretting fortsatt skje. Dioder sørger for at vekselspenningen omdannes til likespenning.
Ladespenningen og ladestrømmen må også begrenses; Når motoren går på høyt turtall og få forbrukere er på, trenger dynamoen kun å lades svært lite. Når flere forbrukere er slått på, må dynamoen levere mer ladestrøm. Ved full belastning kan dette utgjøre 75 til 120 ampere (avhengig av biltype). Hvordan alt dette fungerer er beskrevet i kapitlene nedenfor.

rotor:
Rotoren er ikke en permanent magnet, men en elektromagnet. Ved å føre strøm gjennom rotoren blir den magnetisk og det kan genereres en vekselspenning. Den genererte spenningen kan kontrolleres ved å øke eller redusere rotorstrømmen. Dette er jobben til spenningsregulatoren.
Rotoren har stangklør (nord- og sørpoler). Hver halvdel med stangklør består vanligvis av 6 eller 7 stolper. Den andre halvparten består av like mange poler, så det er 6 eller 7 nordpoler og 6 eller 7 sydpoler. Vi snakker da om 12 eller 14 polpar. Antall polpar påvirker spenningen som genereres i statoren.

Magnetfeltet i dynamoen skapes når rotoren aktiveres. Dette skjer allerede når bilens tenning er slått på. For å aktivere rotoren sendes en feltstrøm gjennom feltviklingene. Denne strømmen kommer fra batteriet og overføres til feltviklingene via sleperingene og kullbørstene. Denne går fra nordpolen til sørpolen, fordi den ene sleperingen er koblet til nordpolen og den andre til sørpolen.

Når rotoren er fjernet, kan den måles for å se etter defekter. Rotormotstanden er ofte rundt 3 Ohm. For nøyaktig verdi, se fabrikkdataene.

Stator:
Generatoren som brukes i nesten alle biler er en trefaset dynamo. Dette betyr at dynamoen består av tre statorspoler som er koblet til en statorkjerne og en rotor. Hver statorspole produserer sin egen genererte vekselspenning. Fordi alle statorspoler er montert i en vinkel på 120 grader i forhold til hverandre, blir de genererte spenningene også forskjøvet 120 grader i fase. Disse spenningene blir rettet opp av de tre negative og tre positive diodene (altså totalt seks dioder).

Statorkjernen er bygd opp av stablede plater, som er skilt fra hverandre med isolasjonsmateriale. Statorkjernen styrker magnetfeltet i dynamoen og øker dermed spenningen som genereres. Statorspolene kan kobles på to måter; ved hjelp av en trekantforbindelse (gjenkjennelig på 3×2 koblinger) og en stjernekobling (4 koblinger, hvorav 3 er løse koblinger og en kobling hvor de 3 endene av spolene er koblet til hverandre. Stjerneforbindelsen er vanligst , fordi det tillater en raskere høyspenning kan oppnås.Delta-tilkoblingen brukes til dynamoer som må levere mye strøm.
I det øyeblikket en statorspole får kontakt med statorkjernen (jord kort) eller hvis en av spolene blir avbrutt (ledningsbrudd), fungerer ikke statoren som den skal. Et multimeter kan brukes til å sjekke om det er jordkort eller ledningsbrudd. Under én betingelse; statorspolene må kobles fra; begge ender skal ikke komme i kontakt med andre komponenter. Ofte er ulodding tilstrekkelig. Motstanden til spolene må være svært liten; ca 0,05 ohm. Motstanden mellom statorspolene og statorkjernen må være uendelig stor. Hvis det er motstand (hvis den er ekstremt høy) så er det en sammenheng.

Bildet nedenfor viser en demontert stator og rotor. I virkeligheten roterer rotoren i statoren og de berører bare ikke hverandre.

Pre-eksitasjon, selv-eksitasjon og ladestrøm:

Forstrøm:
Motoren er stoppet og indikatorlampen lyser. For-eksitasjonsstrømmen går til jord via batteri, tenningslås, rotor og kontroller. Dette er mulig fordi Zener-dioden i spenningsregulatoren er kuttet og grunnstrømmen T1 gjøres ledende fordi T2 slutter å lede.

Selvstyrking:
Når motoren startes, er rotoren laget tilstrekkelig magnetisk til å gå over til selveksitasjon. Selveksitasjonsstrømmen går så via likeretterdiodene (negativ side) til statorspolen, deretter via feltdiodene til rotoren og via regulatoren til jord.

Ladestrøm:
En vekselspenning genereres i statorspolen fordi rotoren roterer gjennom den. Den grønne linjen markerer banen som strømmen går fra statorspole V. Strømmen likerettes av en likeretterdiode (fra vekselspenning til likespenning) og går via kobling B+ til batteri og forbrukere.

Ladestrømmen som går til batteri og forbrukere via dynamokoblingen B+ sørger for hele strømforsyningen til bilen. Når motoren er slått av, leverer ikke dynamoen strøm. Alle forbrukere vil derfor bruke strøm fra batteriet.
Når motoren går, må dynamoen kunne levere nok strøm til å forsyne alle forbrukere. Når motoren går, er strøm fra batteriet aldri ment å brukes. Ladestrømmen til en dynamo avhenger av antall forbrukere og ladestatusen til batteriet. Maksimal ladestrøm er oppgitt på dynamoen (vanligvis mellom 60 og 90A).

Ladespenningen til dynamoen kan enkelt sjekkes dersom det er tvil om dynamoen lader skikkelig eller ikke. Ved å måle pluss- og minuspolen på batteriet med en spenningsmåler (multimeter) mens motoren går (spenningen fra dynamoen er direkte på denne), kan du sjekke om dynamoen lader skikkelig:

Hvis spenningen er rundt 14,2 volt når motoren går, fungerer dynamoen som den skal
Hvis spenningen er 13,8 volt, er batteriet nesten fullt og forbrukerne skrudd av. Generatoren trenger ikke levere mye spenning og gjør det derfor ikke. Ladespenningen er helt grei
Hvis spenningen er 12,4 volt eller lavere, vet du at dynamoen ikke lader skikkelig. Dette er spenningen et fullt batteri også har. Så det er et problem med dynamoen.
Hvis spenningen er lavere enn 12,4 volt, vil dynamoen ikke lenger lade. Batteriet vil fortsette å utlades til spenningen når 8 volt. Da vil motoren stoppe og ingenting vil fungere lenger.

I sistnevnte tilfelle, det vil si når dynamoen ikke lenger lader, kan du velge å bytte dynamoen. Dette er ofte svært dyrt og det er billigere å se etter en overhalt dynamo. Det er mange overhalingsfirmaer som demonterer dynamoen fullstendig og gjør den som ny igjen. Dette kan spare (mer) enn halvparten av nyprisen.
Pass alltid på at når du skifter dynamoen, kobler du minuspolen fra batteriet! Hvis du ikke gjør dette og B+-tilkoblingen (som du fjerner fra dynamoen) berører karosseriet eller metallmotorblokken, vil du få gnister på grunn av kortslutning. Dyre elektroniske kontrollenheter kan da bli defekte.

Spenningsregulator:
Når spenningen stiger over den regulerte spenningen, slås Zener-dioden (i diagrammet over) på, noe som fører til at basen til T1 kobles til jord med T2. T1 avbrytes, magnetfeltet forsvinner, noe som får dynamospenningen til å falle.
Dette fører til at rotorstrømmen svikter, noe som fører til at dynamoen ikke lades opp på kort tid. Ved kontinuerlig å slå T1 av og på justeres spenningen.

Figuren viser en løs rotor med en løs spenningsregulator holdt mot seg. Spenningsregulatoren er montert mellom D+- og DF-koblingene til dynamoen og drar kullbørstene over rotoren. Når en forbruker er slått på (f.eks. belysning), vil ladestrømmen kort falle fra 14,4 til 13,8 volt. Spenningsregulatoren absorberer dette og vil raskt justere spenningen høyere til 14,4 volt.

Nedenfor kan du se 2 skopbilder som ble målt ved DF-tilkoblingen til dynamoen. Disse signalene sendes videre til motorstyringsenheten. For å være tydelig er rotoren magnetisk på bunnen av begge bildene.

Signalet i grafen ble målt mens få eller ingen forbrukere var slått på. Rotoren er derfor minimalt magnetisk. Driftssyklusen her er omtrent 10 %.

Signalet i grafen under ble målt mens mange forbrukere var slått på. Rotoren energiseres mye mer her for å oppnå ladestrømmen på 14,4 volt. Driftssyklusen her er omtrent 50 %.

Dynamo-tilkoblinger:

B+ går til batteriet; Ladespenningen og ladestrømmen går gjennom denne.
D+ er styrespenningen til rotoren for justering av dynamospenningen.
D- er massen til dynamoen.
W er en kobling som tidligere ble brukt til turtellere til gamle dieselmotorer. I dag eksisterer den ikke lenger.
DF eller LIN er den mulige tilkoblingen for styring av rotorens eksitering fra motorstyringssystemet.

Rettingsdioder:
Dynamoen leverer vekselspenning, men fordi det kun brukes likespenning i bilen, må vekselspenningen (AC) gjøres om til likespenning (DC). Dette gjøres av likeretterdiodene. dioder bare la strømmen flyte i én retning. Den positive delen av vekselstrømmen brukes, den negative delen går tapt.

Bildet viser en demontert diodebro. Den røde målestiften peker mot en av de tre minidiodene.
De positive diodene er på den andre siden av diodebroen. Tappen er B+-tilkoblingen, som den tykke kabelen som går til batteriet er montert på.

Dette er prinsippet for en enfaset dynamo. På bildet over (til høyre) kan du se at fasen hele tiden blir avbrutt, det er ingen spenning på en stund, og så er det en fase igjen. Det genereres altså ingen spenning i delen mellom fasene. For å forhindre dette brukes stjerne- og trekantkoblinger i trefase generatorer. Dette gir resultatet nedenfor.
Bildet under viser 3 forskjellige farger; svart, rødt og blått. Disse er alle separate faser. Bildet viser at det er mye mellomrom mellom for eksempel de svarte fasene. Dette rommet bygges bro ved å koble de andre fasene. Dette skaper en gradvis strømforsyning.

Ripple spenning:
Etter å ha rettet opp spenningen med likeretterdiodene, gjenstår det alltid en liten krusning. Signalet er aldri fint og flatt. Rippelspenningen må aldri overstige 500 mV, da dette kan forårsake funksjonsfeil eller defekter i bilens elektronikk.
Bildet viser et scope-bilde som ble målt på batteriet. Dette bildet vil endres når motorhastigheten endres eller når forbrukere slås på.

Spenningsregulator:
Spenningsregulatoren slår magnetfeltet av og på ved å slå strømmen gjennom rotoren på og av. Spenningsregulatoren sørger for at ladespenningen holder seg konstant (mellom 13,2 og 14,6 volt). Nivået på ladespenningen avhenger blant annet av hastigheten. Jo raskere veivakselen dreier seg, jo raskere vil rotoren dreie. Hvis spenningen ikke ble justert, kunne den stige til 30 volt ved høy hastighet. Dette forhindres av spenningsregulatoren. Bildet viser en egen spenningsregulator. I de fleste tilfeller er dette synlig festet til dynamoen.

Spenningen som genereres avhenger ikke bare av motorhastigheten, men også av antall statoromdreininger og styrken til rotorens magnetfelt. Antallet statoromdreininger bestemmes når dynamoen er designet, men rotorens magnetiske feltstyrke kan kontrolleres. Dette kan reduseres ved å slå rotoren av og på veldig raskt. Hvis spenningen blir høy, slår rotoren seg av. Hvis spenningen er for lav, slås rotoren på igjen. Ved å gjøre dette veldig raskt etter hverandre, skapes en gjennomsnittlig feltstyrke. Ladespenningen forblir derfor konstant så mye som mulig.

Når spenningen på den positive polen til dynamoen (D+) er lavere enn justeringsspenningen, flyter det en strøm fra D+ gjennom rotoren til D- (negativ klemme) og det genereres en spenning i dynamoen. Den genererte spenningen settes til D+ igjen. Når spenningen på D+ er høyere enn justeringsspenningen, nås Zener-spenningen (se bildet nedenfor), noe som får transistor T2 til å slå seg på. Transistoren T1 leder da ikke, slik at det ikke kan gå mer strøm gjennom rotoren. Magnetfeltet slås dermed av, slik at ladespenningen synker. Denne spenningen fortsetter å synke til Zener-spenningen ikke lenger nås. Deretter vil transistoren T2 kuttes og T1 ledes igjen. Denne syklusen gjentas hele tiden.

Frihjulsskive:
I dag er mange dynamoer utstyrt med en løpskive (se bildet nedenfor). Disse trinsene kan bare kjøres i én retning. Når det flerribbede beltet fjernes fra remskiven og du dreier remskiven for hånd, vil du legge merke til at det indre av dynamoen bare roterer i én retning og forblir stasjonært i den andre retningen. Dette systemet skal beskytte multibeltet. Når motoren går på høyt turtall og gassen slippes på en gang, vil motorhastigheten synke raskt. En kraftig dynamo kan bremse ned farten noe mindre raskt. Denne hastigheten synker langsommere enn motorturtallet. Resultatet av dette er at multibeltet utsettes for større belastning og i verste fall kuttes i to, fordi multibeltet da må bremse generatoren. Med en frihjulsremskive vil dynamoen bevege seg ved akselerasjon, men vil kjøre i sin egen hastighet ved nedbremsing.

Remskiven monteres med gjengen på rotorens aksel (se bildet over). Den ytre delen av remskiven bærer kun den indre delen med seg i én rotasjonsretning. Sperreanordningen sørger for at den indre delen klemmes mot den ytre delen. Hele remskiven vil da låses, slik at dynamoen drives av multibeltet. Når du slipper gasspedalen, roterer den indre delen med høyere hastighet enn den ytre delen; motorhastigheten har sunket raskere enn rotorhastigheten. Sperreanordningen er da ikke i drift, noe som gjør at kulelagrene lar rotoren ha en annen hastighet enn veivakselen.

Bildet viser en dynamo utstyrt med en påløpsremskive.

Fan:
Dynamoen varmes opp når den skal levere energi. For å forhindre at den overopphetes, må den avkjøles. Viften internt i dynamoen gir kjøling. I dag finnes det også dynamoer som er koblet til motorens kjølesystem. Kjølevæsken gir kjøling.

Energigjenvinning:
Hvis dynamoen lader med maksimal kapasitet (med mange forbrukere slått på), vil det oppstå ytterligere drivstofforbruk. Dette er fordi dynamoen vil rotere tyngre fordi magnetfeltet i statoren blir større. Magnetfeltet vil få rotoren til å dreie kraftigere og veivakselen må trekke hardere i multibeltet for å flytte den rundt. Nå for tiden har bilprodusentene funnet en hendig løsning på dette. Dynamoen lader alltid, men vil ikke bare lade opp til maksimal kapasitet mens du kjører (med mindre batteriet virkelig er tomt). Maksimal opplading skjer når bilen bremser ved hjelp av motoren. Så når sjåføren tar foten av gasspedalen og lar bilen løpe (f.eks. ved et lyskryss eller ved en motorveiavkjørsel). Bilen bruker ikke noe drivstoff på et slikt tidspunkt og den kinetiske energien (bevegelsesenergien) til kjøretøyet sørger for at bilen fortsetter å rulle. Batteriet er nå fulladet til gasspedalen trykkes inn igjen. I det øyeblikket sørger dynamoen for at spenningsforsyningen forblir stabil.
Denne metoden for lading fører til lavere drivstofforbruk.

Mulige defekter på dynamoen:
Det kan være en rekke typiske problemer eller defekter i dynamoen. Teknikeren vet ofte hva han eller hun kan sjekke eller måle videre. Nedenfor er en rekke typiske klager:

Indikatorlampen for ladestrøm lyser normalt under pre-eksitasjon, men slukker kun når motoren går med høyere hastighet; defekt i dynamoen (sannsynligvis en defekt feltdiode).
Samme klagen som over, bare den lyser svakt når motoren går på høyt turtall eller når mange forbrukere er slått på; defekt i dynamoen (sannsynligvis en defekt diode).
Indikatorlampen for ladestrøm lyser svakt under pre-eksitering, men slukker først når motoren går på høyere hastighet; (sannsynligvis en defekt i dynamoen eller en defekt i ledningen eller dens tilkoblinger).
Indikatorlampen for ladestrøm lyser ikke under pre-eksitasjon eller når motoren går; (defekt dynamo, dårlige ledninger/tilkoblinger eller en defekt indikatorlampe for ladestrøm).

Kontroll av ladespenning og ladestrøm:
Mengden energi som dynamoen leverer avhenger av kapasiteten og hva forbrukerne og batteriet som er påslått krever. For eksempel må dynamoen kunne levere 100A for å forsyne alle forbrukere og lade et tomt batteri samtidig. Mengden energi som leveres av dynamoen synker til nesten null når batteriet er fullt og ingen forbrukere er slått på. Maks kapasitet på dynamoen er ofte oppgitt på typeskiltet eller på et klistremerke på dynamoen. Dette er ofte mellom 65A og 120A. Dette vises ofte som følger: 14V 17/85A. Dette betyr: regulert spenning (14V), ladestrøm (17A) ved 1800 rpm og ladestrøm (85A) ved 6000 rpm til dynamoen (ikke veivakselhastigheten).

Hvis det er en defekt i dynamoen eller i kablingen, kan maksimal kapasitet ikke oppnås ved maksimal belastning. Dette kan sjekkes ved å sjekke ladestrømmen. Dette kan gjøres ved å laste dynamoen så høyt som mulig med spesialtestutstyr når motoren går eller ved å slå på så mange forbrukere som mulig (som setevarme, bakrutevarme, all belysning, viftemotor på høyeste innstilling , etc.). Verdien av ladestrømmen kan bestemmes ved hjelp av en gjeldende klemme bli sjekket. Måleverdien skal samsvare med verdien som er angitt på dynamoen.
Den justerte spenningen kan kontrolleres ved å bruke multimeter mål spenningen mellom B+-tilkoblingen og jord ved økt motorturtall (2000 rpm). Den regulerte spenningen skal være mellom 13.8 volt og 14.5 volt.
For å sjekke om ledningene er riktige, kan spenningsforskjellen mellom den positive polen på batteriet og B+-tilkoblingen til dynamoen måles; spenningen må være lavere enn 0,3V. Hvis ikke, er det et problem med kabelen eller kabelens tilkoblinger.
Hvis jordkretsen ikke er bra, vil du ikke bare få problemer med ladesystemet, men også med andre systemer. Jordingskretsen kan kontrolleres ved å kjøre motoren med 2000 rpm og koble voltmeteret mellom den negative polen på batteriet og dynamohuset. Denne spenningen må også være mindre enn 0,3V.