Historische autotechniek (4)

Transcriptie

1 Historische autotechniek (4) E. Gernaat (ISBN in overweging) 1 Dynamo en regelaar 1.1 Gelijkstroomdynamo De klassieke, historische dynamo (generator) staat bekent onder gelijkstroomdynamo. Moderne dynamo s worden vaak wisselstroomdynamo s genoemd. Helemaal correct zijn deze benamingen niet omdat beide dynamotypen een wisselstroom opwekken. Bij de gelijkstroomdynamo gebeurt het gelijkrichten mechanisch met behulp van de collector en bij de wisselstroomdynamo door een 6-tal dioden. Er zijn meer verschillen. Het magnetische veld wordt bij de wisselstroomdynamo opgewekt door een draaiende rotor en bij de gelijkstroomdynamo door de vaste veldspoelen tegen het dynamohuis zijn gemonteerd. Het stroomopwekkende gedeelte van de wisselstroomdynamo is de stilstaande stator en bij de gelijkstroomdynamo het roterende anker. Figuur 1: De gelijkstroom dynamo (links) en de wisselstroomdynamo (rechts) Foto: internet 1

2 1.1.1 Natuurkundige achtergrond Om stroom op te wekken dient een geleider zich te bevinden in een wisselend magnetisch veld. In een dynamo hebben we dus een magnetisch veld nodig en een beweging. De beweging zal om praktische redenen roterend moeten zijn. Het maakt niet uit of nu de geleider draait of het magnetische veld. Door de draaiende beweging wordt een wisselspanning opgewekt die moet worden gelijkgericht. De grootte van de opgewekte spanning van een dynamo hangt af van het dynamo-toerental en de sterkte van het veld. Aangezien het veld verkregen wordt door een elektrische stroom die door de veldspoelen wordt gestuurd kunnen we stellen dat de grootte van de opgewekte spanning (E) afhangt van de grootte van de veldstroom (Iv) en het dynamo-toerental (n) in formulevorm: E = C x Iv x n In de formule is C de dynamo-constante werking In fig. 2 zien we het draaiende anker (a) met de collector (c) en de dynamoborstels (b). Als het anker draait wordt in de spoelen een stroom opgewekt die via de lamellen van de collector mechanisch wordt gelijkgericht en via de + borstel en de D+ aansluiting naar de verbruikers wordt gevoerd en via de min- borstel weer terugkeert. Het magnetisch veld wordt verkregen door een stroom naar de veldspoelen. Deze veldstroom wordt van de ankerstroom afgetakt. De veldspoelen staan parallel aan de ankerwindingen. In de figuur ligt één veldspoeleinde aan de massa en de andere wordt naar buiten gevoerd als de F-aansluiting Praktische opbouw Fig. 3 geeft de tekening weer van een opengewerkte dynamo. Het anker met collector en borstels zijn het stroomopwekkende gedeelte. De veldwikkelingen welke om weekijzeren polen zijn gewikkeld zijn tegen het dynamohuis bevestigd. Veelal komen twee aansluitingen naar buiten, de dynamo plus (D+ soms B+) en de F(ield) aansluiting Het anker De anker bestaat uit gelamelleerd weekijzer waarin de ankerspoelwindingen liggen (fig. 4). De spoeleinden zijn vastgesoldeerd aan de lamellen van de collector. De lamellen zijn t.o.v elkaar geïsoleerd met behulp van isolatiemateriaal. Over de collector lopen de borstels waardoor het collectorkoper aan slijtage onderhevig is. Afdraaien van de collector is binnen bepaalde grenzen mogelijk. Het isolatiemateriaal tussen de lamellen moet onder het koperoppervlak liggen. Het toerental van een gelijkstroomdynamo mag niet te hoog oplopen. Een 2

3 Figuur 2: De gelijkstroomdynamo schematisch. a = anker, b = plusborstel, c = collector, f = veldwikkeling, h = huis, D+ = dynamostroom aansluiting, F = veldaansluiting. Tekening: J.D. Groet 1939 Figuur 3: Opengewerkte tekening van een gelijkstroomdynamo. Tekening: internet 3

4 te hoog toerental geeft een te grote centrifugaalkracht op de anker-wikkelingen. Het maximum toerental van de gelijkstroomdynamo is ongeveer even hoog als dat van de motor. Een wisselstroomdynamo heeft ongeveer een 2x zo hoog toerental. Het nadeel van een relatief laag dynamotoerental is dat de dynamo tijdens het stationair draaien van de motor nog niet in staat is om de batterij te laden. Er is nog een ander probleem. De constructie van de dynamo, met name door de collector met zijn soldeerverbindingen maakt dat de dynamostroom moet worden begrensd. Dit gebeurt extern door een stroom-spanningregelaar. Figuur 4: Opbouw van een anker. Tekening: J.D. Groet De veldspoelen De veldspoelen liggen om spoelkernen de zgn poolschoenen welke met één of twee schroeven tegen het huis zijn bevestigd. Het katoenband waarmee de veldspoelen zijn omwikkeld kan worden vervangen. De twee veldspoelen staan onderling in serie en zijn parallel geschakeld aan het anker. Eén zijde van de veldspoel komt naar buiten, de andere is verbonden met de massa of met de plusborstel. De bekrachtiging van de veldpoelen vindt plaats door de eigen dynamostroom. De maximale stroom bedraagt zo n 3A. De spoeleinde dat naar buiten wordt geleid via de F-aansluiting wordt verbonden met een externe stroom/spanningsregelaar. In sommige gevallen is deze regelaar op de dynamo gemonteerd. 4

5 Figuur 5: Een gelijkstroomdynamo heeft twee veldspoelen die met elkaar in serie staan. Tekening: J.D. Groet Dynamo-onderhoud Dit type dynamo is zeker niet onderhouds vrij. De borstels zijn aan slijtage onderhevig en hebben een levensduur tussen de 30 en km. Hierbij dient dan de collector op slijtage te worden gecontroleerd. Is een dynamo eenmaal gedemonteerd dan moeten het anker en de rotorspoelen worden gecontroleerd. Het testen van een anker gebeurt met behulp van een ankertester ook wel growler genoemd. Zie fig.6 Figuur 6: De growler of de ankertester wordt gebruikt om ankers te testen op draadbreuk, massasluiting en kopersluiting. 5

6 1.2 Dynamo-regeling Er zijn drie zaken die bij de gelijkstroomdynamo moet worden geregeld: 1. er moet worden voorkomen dat er een stroom gaat lopen van de batterij naar de dynamo; 2. de dynamospanning moet op een constant waarde worden gehouden; 3. de dynamostroom moet worden begrensd. Deze zaken worden geregeld door de stroom-spanningregelaar met automatische schakelaar. Bij de wisselstroomdynamo blokkeren de gelijkrichtdioden een mogelijke stroom van de batterij naar de dynamo. Ook is een stroomregeling bij een wisselstroomdynamo niet nodig. Door de constructie mag de stroom zijn natuurlijke maximale waarde bereiken. Een spanningsregelaar blijft echter wel nodig De automatische schakelaar (AS) De batterij of accu staat rechtstreeks in verbinding met de dynamo. Zouden we geen maatregelen nemen dan ontlaadt de batterij zich via de dynamo. De dynamo heeft dan de neiging om als motor te willen gaan draaien. Om dit te voorkomen is er een automatische schakelaar (AS) aangebracht tussen de batterij en de dynamo. We bekijken fig. 7. In de figuur staan de contactpunten open en is er geen verbinding tussen dynamo en batterij. De contactpunten staan onder invloed van twee spoelen, een spanningsspoel en een stroomspoel. Zal de dynamo gaan draaien dan zal de opgewekte spanning een stroom veroorzaken in de spanningsspoel. Heeft de spanning een bepaalde waarde bereikt bijv. 12V dan zal het magnetisch veld van de stroom door de spanningsspoel zodanig sterk zijn dat de punten worden aangetrokken. De verbinding met de batterij is dan tot stand gebracht en een laadstroom kan gaan vloeien. Wanneer de contactpunten eenmaal gesloten zijn loopt de laadstroom naar de batterij door de stroomspoel van de AS. De magnetische velden van de stroom- en de spanningsspoel ondersteunen elkaar en de punten worden steviger op elkaar gedrukt. Wanneer de motor stationair draait en de batterij-spanning hoger is dan de dynamospanning dan zal er een stroom naar de dynamo vloeien. Deze stroom gaat door de stroomspoel in tegengestelde richting en verzwakt het magnetische veld van de spanningspoel waardoor de punten weer openen. De verbinding wis nu verbroken. De retourstroom bedraagt enkele ampères. Zie fig Definities stroom- en spanningspoel Een spanningsspoel is een spoel waarvan de sterkte van het magnetische veld bepaald wordt door de aangelegde spanning. Een stroomspoel is een spoel waarvan de sterkte van het magnetische veld bepaald wordt door de verbruikers waarmee hij in serie staat. 6

7 Figuur 7: Een automatische schakelaar reageert op het magnetisme van twee spoelen, een stroom- en een spanningsspoel. Figuur 8: Wanneer de motor wordt stilgezet zal de stroom door de stroomspoel het magnetische veld van de spanningsspoel zodanig tegenwerken dat de punten openen. Een controlelampje staat over de contactpunten geschakeld. 7

8 1.3 De driekern-regelaar In fig. 9 is een vereenvoudigde versie weergegeven van een zgn driekernregelaar. Deze regelaar bestaat uit de reeds beschreven automatische schakelaar en een afzonderlijke stroom- en spanningregelaar. Wanneer we het veldcircuit volgen dan zien we dat vanaf de plus-borstel het veldcircuit via twee sets contactpunten met de massa verbonden is. De punten zijn bij niet draaiende dynamo gesloten. Zodra één van de contactpunten geopend wordt zal het veldcircuit worden onderbroken en zal door het wegvallen van het magnetische veld, de dynamo geen spanning meer kunnen opwekken De spanningsregelaar Volgens de dynamoformule E = C x Iv x n zal bij oplopend toerental de spanning oplopen. We kunnen nu de spanning constant houden door Iv (de veldstroom) te verkleinen. De batterij is geheel geladen bij een spanning van 14,4 V zodat deze spanning geldt als de afgeregelde spanning. De stroom door spanningsspoel van de spanningregelaar zal bij 14,4 V zo groot worden dat het bijbehorende magnetische veld de punten van de spanningsregelaar opent en de veldspoelen van de dynamo niet meer bekrachtigd worden. De spanning daalt en de punten zullen weer sluiten. De contactpunten gaan dus voortdurend open en dicht en regelen zo de dynamospanning. De punten van de stroomregelaar blijven gesloten De stroomregelaar We zien dat de dynamostroom door twee stroomspoelen loopt, die van de stroomregelaar en die van de automatische schakelaar. Wanneer bij draaiende dynamo de batterij ontladen is of wanneer veel verbuikers zijn ingeschakeld kan het zijn dat de dynamostroom een bepaalde waarde overschrijdt. Om de dynamo tegen overbelasting te beschermen worden nu de punten van de stroomregelaar geopend waardoor het veld verdwijnt en de stroom zal wegvallen. Hierna zullen de punten weer sluiten en stroomopbouw zal opnieuw plaatsvinden. De punten zullen dus met een bepaalde frequentie openen en sluiten waardoor de stroom wordt afgeregeld. Afhankelijk van het dynamotype zal dat tussen de 20 en 30 A bedragen. Parallel aan de punten zijn een tweetal weerstanden geschakeld. Deze staan bekend als vonkblus-weerstanden. Ze voorkomen inderdaad vonkvorming over de punten door er voor te zorgen dat het veld niet geheel wegvalt en dat de daarbij optredende inductiespanning niet te hoog wordt Het op spanning komen van een dynamo Nadat er een veldstroom door de veldspoelen is gevloeid blijft er in de poolschoenen een gering magnetisch veld over. Dit is het remanent magnetisme. 8

9 Figuur 9: De driekern-regelaar bestaat uit een automatische schakelaar (AS), een stroomregelaar en een spanningsregelaar. Dit remanent magnetisme is belangrijk omdat de dynamo door gebrek aan een magnetisch veld anders nooit op spanning komt. De veldstroom wordt immers afgetakt van de ankerstroom. Dit remanent magnetisme kan verdwijnen. Is de dynamo nog gemonteerd dan is het voldoende om de punten van de automatische schakelaar kortstondig dicht te drukken. Er gaat dan een stroom door de veldspoelen die het remanent magnetisme weer herstelt Nabeschouwing Er zijn vele uitvoeringen van regelaars. Eén ervan was de destijds veel toegepaste twee-kernregelaar. Bij de twee-kernregelaar wordt de stroom- en spanning geregeld door hetzelfde stel contactpunten. Over de kern waren dan zowel de stroom- als de spanningsspoel gewikkeld. De contactpunten van de regelaars konden in het verleden vaak worden vervangen en moesten dan opnieuw worden afgesteld. Gebruikelijke waarden voor een 12 V installatie waren: Automatische schakelaar: sluitspanning 12 V, retourstroom tot 3 A Stroomregelaar: afgeregelde stroom tussen de 20 en 40 A Spanningsregelaar: 14,4 V Losse dynamo s kunnen worden gecontroleerd door ze als motor te laten draaien. We sluiten dan een batterij aan op de D-aansluiting en de massa. Om het veld te bekrachtigen moet dan de F-aansluiting tegen de massa worden 9

10 gehouden. Er zijn ook dynamo s waarvan de veldwikkeling intern aan de minborstel ligt. In dat geval moet de F-aansluiting tegen de plus worden gehouden. 1.4 Vragen en opgaven 1. Noem een overeenkomst tussen de wisselstroom en gelijkstroomdynamo. 2. Noem enige belangrijke verschillen tussen de wisselstroom- en gelijkstroomdynamo. 3. Hoe luidt de dynamo-formule? 4. Wat zal er moeten gebeuren met de veldstroom als het toerental hoger wordt en we de spanning gelijk willen houden? 5. Wat is de functie van de collector met lamellen en borstels? 6. Waar zijn de aansluitingen van de veldspoelen mee verbonden? 7. Wat kun je met een growler doen? 8. wat is de functie van een automatische schakelaar (AS)? 9. Verklaar hoe het controlelampje functioneert in fig Waarom bestaat is de kern van de AS omwikkeld met een spannings- en een stroomspoel? 11. Hoe wordt een stroomspoel gedefiniëerd? 12. Hoe wordteen spanningsspoel gedefiniëerd? 13. Op welke wijze worden de punten van de AS weer geopend? 14. Hoe groot is de afgeregelde spanning en hoe komt men aan deze waarde? 15. Waarom is een stroomregelaar noodzakelijk? 16. Wat verstaat men onder remanent magnetisme? 17. Wat kan men doen als het remanent magnetisme is verdwenen? 18. Hoe kunnen we een dynamo als motor laten draaien? 10