Dynamo:


Op deze pagina worden de volgende onderdelen beschreven:

-Algemeen
-Werking
-Rotor
-Stator
-Voorbekrachtiging, Zelfbekrachtiging en Laadstroom
-Spanningsregelaar
-Dynamoaansluitingen
-Statorschakelingen
-Gelijkrichtdioden
-Rimpelspanning
-Vrijlooppoelie
-Ventilator
-Energieterugwinning

 

Algemeen:
Als de motor draait, zorgt de dynamo (in het Engels "alternator'' genoemd) ervoor dat de accu geladen wordt en de verbruikers worden voorzien van stroom (zoals de radio, verlichting etc.) De dynamo wordt door de multiriem aangedreven. De multiriem drijft de dynamopoelie aan, die op een as met het binnenwerk verbonden is. De bewegingsenergie wordt in de dynamo omgezet in elektrische energie (en warmte).

Het toerental van de motor heeft invloed op de spanning van de dynamo. Hoe sneller de motor draait, des te sneller de poelie draait, waardoor er meer stroom opgewekt kan worden. De spanning mag niet te hoog zijn en wordt daarom door de spanningsregelaar begrensd.
Later meer over de spanningsregelaar.

In de dynamo wordt wisselspanning opgewekt. In het gehele elektronische circuit van de auto wordt gelijkspanning toegepast. Ook de accu kan alleen met gelijkspanning worden opgeladen. De wisselspanning wordt m.b.v. de dioden in de diodenbrug omgezet in gelijkspanning.

De grootte van de spanning die wordt opgewekt is afhankelijk van:
-De snelheid waarmee de geleider en het magnetisch veld van elkaar bewegen
-De lengte van de wikkelingen
-De sterkte van het magnetisch veld

 

Het is mogelijk om zonder de dynamo te rijden. Wanneer deze bijvoorbeeld defect is en geen spanning meer levert, kan ermee door worden gereden totdat de accu volledig leeg is. Dit is natuurlijk niet aan te raden, maar de auto kan (een klein stukje) verreden worden zónder dynamo en zónder multiriem (om eventueel een trailer op te rijden om vervoerd te worden).

Werking:
Bij dynamo’s roteert het magnetisch veld (de rotor). Als de magneet draait, bewegen de Noord- en Zuidpool ten opzichte van de stator. In de stator wordt daardoor een wisselspanning opgewekt.
Bij één omwenteling van de magneet heeft de spanning die in de geleider is opgewekt de vorm van een sinus.


 

Rotor:
De rotor is geen permanente magneet, maar een elektromagneet. Door spanning aan de elektromagneet te geven, wordt deze magnetisch. Door de rotorstroom te vergroten of te verkleinen kan de opgewekte spanning geregeld worden. Dit is de taak van de spanningsregelaar.

De rotor heeft poolklauwen (pluspolen en minpolen). Achter de poolklauwen zitten velddioden.
Er moet eerst een stroom door de velddioden gestuurd worden, waardoor de rotor bekrachtigd kan worden. De veldstroom wordt via koolborstels en sleepringen aan de veldwikkeling toegevoerd.

Het ontstaan van de noord- en zuidpool is afhankelijk van de stroomrichting van de veldwikkeling. Als de stroomrichting door de rotor omdraait, wisselen de noord- en zuidpool van plaats. Doordat de poolklauw meerdere klauwen heeft ontstaan er ook meerdere magneten. Een noordpool en een zuidpool samen vormen één poolpaar. Meestal heeft een rotor 6 poolparen.

 


 

Stator:
De dynamo die in vrijwel alle auto's worden toegepast is een drie-fasen wisselstroomdynamo. Dit houdt in dat de dynamo is opgebouwd uit drie statorspoelen en een rotor. Elke statorspoel produceert zijn eigen opgewekte spanning. Omdat alle statorspoelen onder een hoek van 120 graden ten op zichte van elkaar zijn gemonteerd, zijn de opgewekte spanningen ook 120 graden in fase verschoven.
Deze spanningen worden door de drie min- en drie plusdiodes (dus totaal zes diodes) bij elkaar opgeteld en gelijkgericht.


 

Links zijn een stator en een rotor los van elkaar afgebeeld. In werkelijkheid draait de rotor rond in de stator en raken ze elkaar net niet.

 

Voorbekrachtiging, zelfbekrachtiging en laadstroom:
De volgende tekst heeft betrekking tot de onderstaande afbeelding.

Voorbekrachtiging
:
De motor staat stil, en het controlelampje brandt. De voorbekrachtigingsstroom gaat via de accu, contactslot, rotor en regelaar naar de massa. Dit is mogelijk, omdat in de spanningsregelaar de zenerdiode spert, en de basisstroom T1 in geleiding wordt gebracht doordat T2 stopt met geleiden.

Zelfbekrachtiging:
Wanneer de motor is gestart, is de rotor voldoende magnetisch gemaakt om over te gaan op zelfbekrachtiging. De zelfbekrachtigingsstroom gaat dan via de gelijkrichtdioden (minzijde) naar de statorspoel, vervolgens via de velddioden, naar de rotor en via de regelaar naar de massa.

Laadstroom:
In de statorspoel wordt een wisselspanning opgewekt doordat de rotor er door heen draait.
De groene lijn markeert de weg die de stroom loopt vanaf statorspoel V. De stroom wordt door een gelijkrichtdiode gelijkgericht (van wisselspanning naar gelijkspanning) en gaat via de aansluiting B+ naar de accu en verbruikers.



De laadstroom die via de dynamoaansluiting B+ naar de accu en verbruikers gaat, zorgt voor de hele stroomvoorziening van de auto.
Als de motor uitgeschakeld staat, levert de dynamo geen stroom. Alle verbruikers zullen dus stroom van de accu gebruiken.
Wanneer de motor draait, moet de dynamo genoeg stroom kunnen leveren om alle verbruikers daarvan te voorzien. Bij draaiende motor is het dus nooit de bedoeling dat er stroom uit de accu gebruikt wordt.
De laadstroom van een dynamo is afhankelijk van het aantal verbruikers en de laadtoestand van de accu. De maximale laadstroom staat op de dynamo vermeld (meestal tussen de 60 en de 90A).

De laadspanning van de dynamo kan gemakkelijk gecontroleerd worden, als er twijfel ontstaat of de dynamo wel of niet goed bijlaadt.
Door met draaiende motor met een spanningsmeter (multimeter) de pluspool en de minpool van de accu te meten (de spanning vanaf de dynamo staat hier direct op), kan gecontroleerd worden of de dynamo goed bijlaadt:
- Is de spanning bij draaiende motor rond de 14,2 volt, dan werkt de dynamo zoals het hoort
- Is de spanning dan 13,8 volt, dan is de accu bijna vol, en staan de verbruikers uit. De dynamo hoeft niet veel spanning te leveren en doet dat dan ook niet. De laadspanning is gewoon goed
- Is de spanning 12,4 volt of lager, dan weet je dat de dynamo niet goed bijlaadt. Dit is namelijk de spanning die een volle accu ook heeft. Er is dus een probleem met de dynamo.
De spanning kan ook lager zijn dan 12,4 volt. Als de dynamo niet meer bijlaadt, zal de accu gewoon steeds verder leeg lopen totdat de spanning 8 volt bedraagt. Dan zal de motor afslaan en zal er niets meer werken.

In dat laatste geval, als de dynamo niet meer bijlaadt, kan er voor gekozen worden de dynamo te vervangen. Vaak is dat erg prijzig en is het voordeliger om een gereviseerde dynamo te zoeken.
Er zijn veel revisiebedrijven die de dynamo geheel uit elkaar halen en weer als nieuw maken. Dit kan (meer) dan de helft van de nieuwprijs schelen.

Zorg er altijd voor dat wanneer je de dynamo gaat vervangen, je de minpool van de accu losmaakt! Doe je dat niet en de B+ aansluiting (die je van de dynamo afhaalt) raakt de carrosserie of het metalen motorblok aan, krijg je vonken door kortsluiting. Er kunnen dan o.a. dure elektronische regeleenheden defect raken.



Spanningsregelaar:
Wanneer de spanning boven de afgeregelde spanning komt, gaat de zenerdiode (in bovenstaand schema) in geleiding, waardoor de basis van T1 door T2 aan de massa wordt gelegd. T1 spert, het magnetisch veld valt weg, waardoor de dynamospanning daalt.

De rotorstroom valt hierdoor weg, waardoor de dynamo korte tijd niet bijlaadt.
Door het continu in- en uitschakelen van T1 ontstaat een afregeling van de spanning.

In de afbeelding hierboven staat een losse rotor afgebeeld met een losse spanningsregelaar, die er tegenaan wordt gehouden.
De spanningsregelaar zit gemonteerd tussen de D+ en DF aansluitingen van de dynamo en sleept met zijn koolborstels over de rotor.

Wanneer er een verbruiker ingeschakeld wordt (bijv. verlichting), zal de laadstroom even zakken van 14,4 naar 13 volt. De spanningsregelaar vangt dit op en zal snel de spanning weer hoger afregelen naar 14,4 volt.
Hieronder zijn 2 scoopbeelden te zien die op de DF-aansluiting van de dynamo gemeten zijn. Deze signalen worden doorgegeven aan het motorregelapparaat. Voor de duidelijkheid, de rotor is magnetisch aan de onderzijde van beide beelden.

 

Het signaal in de onderstaande grafiek is gemeten terwijl er weinig tot geen verbruikers aanstonden.
De rotor is dus minimaal magnetisch.
De duty-cycle bedraagt hier ongeveer 10%.

 

Het signaal in de onderstaande grafiek is gemeten terwijl er veel verbruikers aanstonden.
De rotor wordt hier veel meer bekrachtigd om de 14,4 volt laadstroom te kunnen behalen.
De duty-cycle bedraagt hier ongeveer 50%.



Dynamoaansluitingen:
B+  gaat naar de accu
D+  komt van de velddioden en gaat naar de controlelamp
W  is een aansluiting die vroeger voor toerentellers van oude dieselmotoren werd gebruikt. Tegenwoordig bestaat die niet meer.
DF  gaat naar het motormanagementsysteem. Op deze aansluiting staat het PWM signaal van de regelaar. De afbeeldingen hierboven zijn daar een voorbeeld van.



Statorschakelingen:
Statorspoelen kunnen op verschillende manieren geschakeld worden, namelijk:
-Eénfase schakeling
-Sterschakeling
-Driehoekschakeling


 

Gelijkrichtdioden:

De dynamo levert wisselspanning, maar omdat in de auto alleen gelijkspanning gebruikt wordt, moet de wisselspanning omgezet worden in gelijkspanning. Dat gebeurt door de gelijkrichtdioden.
 

Links is een gedemonteerde diodenbrug te zien. De rode meetpen wijs een van de drie mindioden aan.
Aan de andere kant van de diodenbrug zitten de plusdioden. Het tapeind is de B+ aansluiting, waar de dikke kabel op gemonteerd zit die naar de accu gaat.
Werking:
Dioden laten de stroom maar in 1 richting door. Het positieve deel van de wisselstroom wordt gebruikt, het negatieve deel gaat verloren.

Dit is het principe van een éénfase dynamo. In de afbeelding hierboven (aan de rechterkant) is te zien dat de fase steeds onderbroken wordt, er even geen spanning is, en er daarna weer opnieuw een fase is. In het stuk tussen de fasen wordt dus geen spanning opgewekt. Om dit te voorkomen, worden er bij driefasen-dynamo's sterschakelingen en driehoekschakelingen toegepast. Daarmee wordt dit resultaat verkregen:

Hieronder zijn 3 verschillende kleuren te zien; zwart, rood en blauw. Dit zijn alle afzonderlijke fasen. In de afbeelding hierboven en hier naast is te zien dat er tussen bijv. de zwarte fasen veel ruimte zit. Door de andere fasen daarbij te verbinden, wordt deze ruimte overbrugd. Er ontstaat hierdoor een geleidelijke stroomtoevoer.

De ster- en driehoekschakelingen zorgen voor dit resultaat.


Rimpelspanning:
Na het gelijkrichten van de spanning door de gelijkrichtdioden blijft er altijd nog een kleine rimpel over. Het signaal is nooit mooi vlak.
De rimpelspanning mag nooit de 500mV overschrijden, omdat er dan storingen of defecten aan de auto-elektronica kunnen ontstaan.

Hieronder is een scoopbeeld te zien die gemeten is op de accu.

Bij het veranderen van het motortoerental, of bij het inschakelen van verbruikers, zal dit beeld veranderen.



Vrijlooppoelie:
Tegenwoordig zitten er op dynamo's steeds vaker vrijlooppoelies. Deze poelies kunnen één kant op draaien.
Wanneer de multiriem van de poelie afgehaald is en je draait eraan, zul je merken dat de dynamo maar in één richting inwendig meedraait en in de andere richting inwendig stil blijft staan.

Dit systeem is ter beveiliging van de multiriem. Wanneer de motor een hoog toerental draait en het gas word in één keer los gelaten, zal het motortoerental dalen.
Een zwaar uitgevoerde dynamo kan wat minder snel afremmen. Dit toerental zakt langzamer dan het motortoerental.
Het gevolg hier van is, dat de multiriem door midden gesneden wordt, want de multiriem moet dan de dynamo afremmen.

Met een vrijlooppoelie zal de dynamo wel meebewegen bij het accelereren, maar wel met zijn eigen toerental uitdraaien bij het decelereren.


 

Ventilator:
De dynamo wordt warm als hij energie moet leveren. Om te voorkomen dat deze oververhit raakt, moet deze gekoeld worden. De ventilator die inwendig in de dynamo zit, zorgt voor de koeling.
Tegenwoordig zijn er ook dynamo's die zijn aangesloten op het koelsysteem van de motor. De koelvloeistof zorgt hierbij voor de koeling.



Energie terugwinning:
Als de dynamo hard aan het laden is (omdat de accuspanning is gedaald), zal er extra brandstofverbruik optreden. Dat komt doordat de dynamo zwaarder zal gaan draaien, omdat het magnetisch veld in de stator dan groter zal zijn. Het magnetisch veld zal ervoor zorgen dat de rotor zwaarder draait en de krukas harder aan de multiriem moet trekken om deze rond te krijgen.

Tegenwoordig hebben autofabrikanten daar een handige oplossing voor gevonden.
De dynamo laadt altijd bij, maar zal tijdens het rijden niet zomaar zijn maximale capaciteit bijladen (tenzij de accu écht leeg is).
Het maximaal bijladen gebeurt wanneer de auto op de motor afremt. Dus wanneer de bestuurder zijn voet van het gaspedaal haalt en de auto laat uitrollen (bijv. voor een verkeerslicht).
De auto verbruikt op zo'n moment sowieso geen brandstof en de kinetische energie (bewegingsenergie) van het voertuig zorgt ervoor dat het blijft rollen. De accu wordt nu maximaal bijgeladen totdat er weer gas gegeven wordt. Op dat moment zorgt de dynamo ervoor dat de spanningsvoorziening stabiel blijft.