Technika motocyklu - 15. část - elektro

Rozdělit zdroje elektrické energie na motocyklu lze v zásadě na dvě skupiny a to na akumulátory a generátory. Pokud bychom se na to podívali z jiného pohledu jedná se „transformátory“ energie. V případě akumulátoru se mění energie v elektrickou vlivem chemické reakce, v případě generátoru se mění energie mechanická na elektrickou. Hned na úvod je nutné si uvědomit, že nic není zadarmo a pokud zatížím generátor odběrem (např. rozsvítím světlo) tuto energii pobírá generátor z motoru a tím ho „brzdí“. Na druhou stranu je nutno podotknout, že úspora paliva touto cestou rozhodně nevede a nestojí ani za úvahu např. nesvítit, jelikož 60W žárovkou čerpáme z motoru energii kolem 80W (účinnost alternátoru je cca 75-85%) což je vůči několika desítkám tisíc wattů samotného motoru zanedbatelné.

Akumulátor

Byl popsán v jednom z dřívějších článků na který bych navázal a doplnil krátkým textem z hlediska měření. V podstatě velkou chybou je měření akumulátoru na prázdno pokud nás nezajímá pouhé nabití, ale celkové schopnosti akumulátoru (kapacita). Měření naprázdno je tehdy, když měříme napětí přímo na svorkách akumulátoru bez odebírání jakéhokoliv proudu. Takto se i špatný akumulátor po nabití jeví jako zdravý, jelikož si umí udržet napětí 12,5V což se nijak neliší od zdravého nabitého akumulátoru. Každý zdroj má vnitřní odpor a ten i v případě akumulátoru je známkou jeho stavu a schopností. Vnitřní (interní) odpor je neoddělitelně „umístěn“ v akumulátoru a stárnutím se zvětšuje a zapojen je sériově se zdrojem. Jak bylo uvedeno v minulém článku , při sériovém spojení odporů je součet napětí na jednotlivých odporech roven napětí zdroje a napětí se rozdělí v poměru odporů. Přeloženo do češtiny, čím větší bude vnitřní odpor, tím menší napětí na svorkách akumulátoru budeme mít při odebírání proudu. O stavu akumulátoru může podat informaci zátěžové měření. Jedná se např. o spirálu s relativně nízkým odporem, která se připojí na svorky akumulátoru. Přitom se měří napětí na svorkách, které je menší o napětí ztracené na vnitřním odporu. V praxi to znamená, že pokud akumulátor nabijeme a naprázdno dává 12,5V může jeho napětí při startu (startér je největší zátěží na motocyklu a může být vhodnou náhradou zátěžové spirály při měření) klesnout např. na 7V. Relé startéru je však navrženo tak, že při nízkém napětí nedokáže zůstat sepnuto a tak v případě slabého akumulátoru slyšíme cvakání od aku – spínání a rozpojování startovacího relé. Minimum napětí pro zdravý akumulátor při startu je cca 10V. Při měření na zapalování DENSO bylo zjištěno, že nejnižší napětí pro funkci řídící jednotky je 10V.

Generátor

V případě spalovacích motorů (všeobecně) se jedná o točivý stroj vyrábějící na základě magnetické indukce elektrickou energii z mechanické. Generátor se skládá z obalu, stojící části – statoru, dále pak z rotující části - rotoru. Pokud je vodič umístěn v magnetickém poli indukuje se v něm napětí jehož velikost závisí především na 1) délce vodiče umístěném v mg. poli, 2) intenzitě magnetického pole a 3) na rychlosti změny mg. pole. Velká délka vodiče je tvořena navíjením vodiče v cívku. Síla magnetu je, jak uvidíme dále, konstantní nebo proměnná. Rychlost změny je dána otáčkami rotoru. Do doby, než byla zdárně vyřešena technologie a tím i dostupnost polovodičů, byly motory osazeny generátory vyrábějícími stejnosměrné napětí – nazývány dynamo. Je to napětí, které může měnit svou velikost, ale ne svou polaritu. Čili na jedné svorce budeme mít neustále plusový, na druhé minusový pól. Dynamo má pracovní vinutí (vinutí, které vytváří proud) v rotoru, stator funguje jako magnet. Statorový magnet je nutné z důvodu regulace mít proměnný čili elektromagnet (regulace je popsána dále). Proud z rotoru se odebírá uhlíkovými kartáči z konce rotoru nazývaném komutátor. Komutátor je zkonstruován tak, aby k jednomu uhlíku docházel konec vinutí vždy s vyšším potenciálem než k uhlíku druhému. Jednoduše řečeno, na jednom plus, na druhém mínus. Komutátor známe z rotoru startéru.

V 60. letech minulého století bylo dynamo s účinností 45-70% nahrazeno efektivnějším alternátorem. Jak název sám napovídá, jedná se o generátor, jehož výstupní napětí je alternující čili střídavé. Na jedné svorce vůči druhé naměříme během otáčení rotoru jak kladný, tak v druhé půlotáčce záporný pól. Základní alternátor je jednofázový, kdy stroj obsahuje pouze jedno vinutí (viz obr). Tento druh se používá např. u některých závodních strojů, kde je minimální odběr elektrické energie (pouze zapalování). Výstupní napětí má sinusový průběh s periodou jedné otáčky. Mnohem častější je použití se třemi fázemi, vzájemně pootočenými o 120° (120°×3=360°). Alternátor se mj. liší od dynama i v místě odběru proudu. Zde tedy odebíráme proud ze statoru a nepřenášíme tak velký proud přes rizikové uhlíky. Současné alternátory používané na motocyklech mají 300-400W. Používány jsou dva druhy alternátorů přičemž první představený najdeme na motocyklech výjimečně i když v automobilech výhradně. Jedná se o třífázový alternátor s buzeným rotorem. Od konstrukce se i silně odvíjí následný druh regulace. Tento alternátor je umístěn vně motoru jako samostatný díl a můžeme jej najít např. na modelech Suzuki GSX-R (do roku 1995) a GSF (do roku 2006), Kawasaki GPX 750, Honda Goldwing, Triumph Tiger, BMW atd. Pohon od klikové hřídele je buď ozubenými koly nebo řemenem a to v poměru okolo 0,9.
Druhým, v dnešní době nejčastějším druhem, je alternátor s rotorem z permanentního magnetu. Rotor má v sobě zalito 15 popř. 18 magnetových pólů a je uložen přímo na klikové hřídeli takže převod je 1:1 a jeho tvar je válec bez jedné podstavy v jehož vnitřní části je uloženo statorové vinutí. Stator je pak často umístěn ve víku klikové hřídele. Ve výjimečných případech (např. R1) najdeme stator umístěn na motoru a rotor je pak uložen dutou stranou směrem do motoru (opačně než v ostatních případech). V případě použití 3 fází je možné je spojit dvěma způsoby. Buď do hvězdy nebo do trojúhelníka. Každé zapojení má trochu odlišné vlastnosti, ale pro běžného uživatele či mechanika nemá významného smyslu řešit tyto odlišnosti. Dalo by se říci, že do trojúhelníka najdeme spojení u systémů s permanentím magnetem, do hvězdy u systémů s buzeným rotorem. Nemusí to však být pravidlem.
Měření na alternátorech jsou velmi jednoduchá. Konce fází vůči sobě musí vykazovat odpor pouze pár metrů namotaného vodiče čili kolem 0,4 Ohmu (levný multimetr takto nízké odpory neukazuje přesně a stačí aby to „píplo“). Fáze vůči kostře musí vykazovat nekonečný odpor (odizolováno). Další možné měření je možné po odpojení výstupu alternátoru do usměrňovače. Na straně alternátoru při běžícím motoru naměříme střídavé napětí dle otáček motoru a to od cca 20V až po 100V, klidně i 160V (při vytočeném motoru). Toto je však měřeno bez zátěže a stačí měřit hodnotu na volnoběh. Některé manuály uvádí např. 65V při 5000ot/min. Nutné měřit na střídavé napětí čili AC. Při měření napětí na DC ukáže přístroj 0V, protože průměrná hodnota symetrického signálu je právě rovna nule. Při vysokých otáčkách motoru dbejte bezpečnosti a nedržte svorky v ruce.

Usměrňovač

V případě použití alternátoru je vytvářen střídavý proud, který můžeme použít např. pro kapacitní zapalování nebo pro žárovky. Tedy např. pro krosky a endura bez blinkrů a akumulátoru není potřeba střídavé napětí měnit na stejnosměrné. Ve všech ostatních případech však ano. K usměrnění je použito diod, tedy polovodičových součástek mající tu zvláštnost, že jsou propustné pouze v jednom směru. Zapojíme-li diodu do obvodu se střídavým napětím jak je nakresleno výše, na spotřebiči bude jedna polarita napětí oříznuta a už i takto pulsujícím napětím by se dal v určitých případech nabíjet akumulátor. Dvoucestným usměrněním třech fází alternátoru je výstupem mírně zvlněné napětí velmi se podobající napětí stejnosměrnému. Na usměrnění třífázového napětí se používá 6 diod. U alternátoru s buzenou kotvou jsou diody jako jeden prvek, regulátor je díl další. U alternátoru s rotorem z permanentního magnetu se používá usměrňovač s regulátorem v jednom boxu. Zapojení samotného usměrňovače je v obrázku, z čehož i vyplývá proměření diod.

Regulátor

Velikost indukovaného napětí závisí na otáčkách rotoru tedy na otáčkách motoru. Je nutné, aby již při volnoběžných otáčkách fungovalo dobíjení a aby potřebnou elektrickou energii mohl motocykl brát z alternátoru a ne z akumulátoru. V otáčkách kolem 1000 ot/min musí být usměrněné napětí aspoň 13,4V. Maximální napětí by mělo být pod hranicí 14,2V. Nárůst napětí v závislosti na otáčkách je lineární s přímou úměrou. Při vysokých otáčkách by alternátor produkoval vysoké napětí, které by ohrozilo spotřebiče motocyklu (žárovky, elektroniku atd). Výše bylo uvedeno, že velikost indukovaného napětí též závisí na intenzitě magnetického pole. Na základě tohoto můžeme regulovat alternátory s buzenou kotvou. Regulace pobíhá tak, že v nízkých otáčkách je vytvořen z rotoru silný magnet a s rostoucími otáčkami síla magnetu klesá. Sílu magnetu určuje regulační člen velikostí budícího proudu. Regulátor je často umístěn přímo na tělese alternátoru, v případě poruchy lze zaměnit z jiného vozidla a to především z aut, kde se tento typ alternátorů hojně používá. (omlouvám se fyzikům za pojem „síla“ magnetu místo intenzita mg. pole)

U alternátorů s rotorem z permanentního magnetu je nutná naprosto odlišná regulace. Zde nemůžeme měnit sílu magnetu a tak přebytečné napětí se pouští zpět na kostru - zkratový regulátor. Jsou zde větší ztráty, ale samotný alternátor je jednodušší. Vlivem ztrátového tepla je nutné aby tyto regulátory měly chladící žebra a byly vystaveny proud vzduchu, případně byly i dobře vodivě chytnuty na rám motorky. Jde však jen o potřebu tepelné vodivosti, nikoli elektrické (souvislost mezi tepelnou a elektrickou vodivostí je velmi úzká). Konektor třífázového usměrňovače/regulátoru má zpravidla 5 vodičů a to 3×fáze (žlutá nebo bílá barva, je jedno jak tyto stejné dráty prohodíme), dále plusový (přímo na akumulátor, většinou červená barva) a minusový výstup (přímo na kostru, často černá barva popř. černá s bílým pruhem). Tento typ regulátoru se dá nahradit i aftermarketovým. Funkční a spolehlivé jsou i české výrobky.

Postřehy z praxe

Bohužel větší problém s alternátory jsou u novějších typu „permanetní magnet“. Často dochází ke přepálení vinutí (naměřen nekonečný odpor mezi fázemi), případně k porušení izolace což ohmickým měřením zjistit snadno nelze. I regulátory těchto alternátorů se často poškodí a nelze je opravit (jsou zality v boxu). Regulátory alternátorů s buzenou kotvou časem posunují regulační hodnoty a je v tomto případě zkontrolovat prvně stav kontaktů (zaoxidované kontakty v těchto případech napáchají hodně škody). U endur (např. HQ, starší XT atd.) má zapalování samostatný okruh a používá střídavé neusměrněné a neregulované napětí. Alternátor dále obsahuje další fáze usměrňované a regulované. Chyba nastane buď poruchou zapalovacího vinutí nebo poruchou přímo řídící jednotky. Minimální napětí by se mělo pohybovat od 50V AC a výš (do cca 350V).

Informace o redaktorovi

Mirek Rollinger - (Odebírat články autora)