Dynamo

Onderwerpen:

Inleiding
Werking
Rotor
Stator
Voorbekrachtiging, Zelfbekrachtiging en Laadstroom
Spanningsregelaar
Gelijkrichtdioden
Vrijlooppoelie
Energieterugwinning
Mogelijke defecten aan de dynamo
Controleren van de laadspanning en laadstroom

Inleiding:
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.

In de afbeelding hiernaast is een exploded view van een dynamo te zien. De poelie is met een lager bevestigd in de behuizing. Aan de poelie zit een as met de rotor, welke gaat roteren zodra de poelie door de multiriem wordt aangedreven. Tussen de twee delen van de behuizing zit de stator bevestigd, waarin de rotor draait. Aan de achterkant van de dynamo zien we vaak een kunststof afschermkap, waar o.a. de spanningsregelaar achter zit en de aansluitingen van de dynamo te vinden zijn.

In de dynamo wordt wisselspanning opgewekt. In het elektrische 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

Op de behuizing (achterzijde) van de dynamo staan bij meerdere aansluitingen coderingen waar de aansluitingen van zijn:

B+ gaat naar de accu; hier gaat de laadspanning en de laadstroom doorheen.
D+ is de stuurspanning van de rotor voor het afregelen van de dynamospanning.
D- is de massa van de dynamo.
W is een aansluiting die vroeger voor toerentellers van oude dieselmotoren werd gebruikt. Tegenwoordig bestaat die niet meer.
DF of LIN zijn de mogelijke aansluiting voor de aansturing voor de bekrachtiging van de rotor vanaf het motormanagementsysteem.

Werking:
De stroom wordt opgewekt doordat de rotor in de stator ronddraait. De rotor is een elektromagneet; deze wordt pas magnetisch wanneer er een stroom doorheen loopt. De dynamo heeft daarom hulp van de accu nodig voordat deze kan beginnen met laden. De resterende magnetisme in de dynamo is namelijk onvoldoende om een elektrische stroom door de diodes te laten stromen.

De stroom om de rotor magnetisch te maken, loopt vanaf de accu, via het contactslot en het laadstroomcontrolelampje naar de aansluiting D+ van de dynamo. Vervolgens loopt de stroom naar de rotor. Vanaf de rotor loopt de stroom via de regelaar naar de massa. Op het moment dat het contactslot ingeschakeld wordt, gaat het laadstroomcontrolelampje branden en vindt op hetzelfde moment de magnetisering van de dynamo plaats. Wanneer de dynamo begint met laden, zal het laadstroomcontrolelampje doven.

Wanneer de dynamo laadt, bewegen de noord- en zuidpolen 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, zoals in de afbeelding te zien is.

Omdat dit een wisselspanning is en alle verbruikers in de auto alleen op gelijkspanning werken, dient er nog gelijkrichting plaats te vinden. Dioden zorgen ervoor dat de wisselspanning omgezet wordt in gelijkspanning.
De laadspanning en laadstroom moeten ook begrensd worden; wanneer de motor met een hoog toerental draait en er weinig verbruikers aan staan, hoeft de dynamo maar weinig te laden. Op het moment dat er meer verbruikers ingeschakeld worden, moet de dynamo meer laadstroom leveren. Deze kan bij volle belasting oplopen tot 75 à 120 Ampère (afhankelijk van het type auto). Hoe dat allemaal werkt, wordt in de onderstaande hoofdstukken beschreven.

Rotor:
De rotor is geen permanente magneet, maar een elektromagneet. Door stroom door de rotor te laten lopen, wordt deze magnetisch en kan er een wisselspanning opgewekt worden. 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 (noord- en zuidpolen). Elke helft met poolklauwen bestaat gewoonlijk uit 6 of 7 polen. De andere helft bestaat uit hetzelfde aantal polen, dus dan zijn er 6 of 7 noordpolen en 6 of 7 zuidpolen. We spreken dan over 12 of 14 poolparen. Het aantal poolparen beïnvloedt de spanning die opgewekt wordt in de stator.

Het magnetische veld in de dynamo ontstaat als de rotor bekrachtigd wordt. Dat gebeurt al als het contact van de auto wordt ingeschakeld. Om de rotor te bekrachtigen, wordt een veldstroom door de veldwikkelingen gestuurd. Deze stroom is van de accu afkomstig en wordt via de sleepringen en de koolborstels overgebracht op de veldwikkelingen. Deze loopt vanaf de noordpool naar de zuidpool, omdat de ene sleepring aangesloten is op de noordpool en de andere op de zuidpool.

Wanneer de rotor uitgebouwd is, kan deze gemeten worden om te controleren op defecten. Vaak ligt de rotorweerstand rond de 3 Ohm. Raadpleeg voor de exacte waarde de fabrieksgegevens.

Stator:
De dynamo die in vrijwel alle auto’s wordt toegepast, is een driefasen wisselstroomdynamo. Dit houdt in dat de dynamo is opgebouwd uit drie statorspoelen die aangesloten zitten op één statorkern en een rotor. Elke statorspoel produceert zijn eigen opgewekte wisselspanning. Omdat alle statorspoelen onder een hoek van 120 graden ten opzichte 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) gelijkgericht.

De statorkern is opgebouwd uit opgestapelde plaatjes, die van elkaar gescheiden zijn door isolatiemateriaal. De statorkern versterkt het magnetische veld in de dynamo en verhoogt daarmee de opgewekte spanning. De statorspoelen kunnen op twee manieren geschakeld zijn: d.m.v. een driehoekschakeling (te herkennen aan 3×2 aansluitingen) en een steraansluiting (4 aansluitingen, waarvan er 3 losse aansluitingen en één aansluiting waar de 3 uiteinden van de spoelen met elkaar verbonden zijn). De sterschakeling komt het meeste voor, omdat hiermee sneller een hoge spanning bereikt kan worden. De driehoekschakeling wordt toegepast bij dynamo’s die veel vermogen moeten leveren.

Op het moment dat een statorspoel contact maakt met de statorkern (massasluiting) of als één van de spoelen onderbroken is (draadbreuk), dan werkt de stator niet goed meer. Met een multimeter kan gecontroleerd worden of er massasluiting of draadbreuk aanwezig is. Wel onder één voorwaarde: de statorspoelen dienen wel losgekoppeld te zijn; beide uiteinden mogen geen contact maken met andere componenten. Vaak is het lossolderen voldoende. De weerstand van de spoelen moet erg klein zijn; ongeveer 0,05 Ohm. De weerstand tussen de statorspoelen en de statorkern moet oneindig groot zijn. Wanneer er een weerstand aanwezig is (als deze ontzettend hoog is), dan is er sprake van een verbinding.

Voorbekrachtiging, zelfbekrachtiging en laadstroom:

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

Zelfbekrachtiging:
Wanneer de motor is gestart, is de rotor voldoende magnetisch geladen om over te schakelen naar zelfbekrachtiging. De zelfbekrachtigingsstroom gaat dan via de gelijkrichtdioden (minzijde), de statorspoel, de velddioden naar de rotor, en via de spanningsregelaar naar de massa.

Laadstroom:
De statorspoel wekt een wisselspanning op doordat de rotor erdoor draait. De groene lijn markeert het pad waarlangs de stroom van statorspoel V naar de accu en verbruikers loopt. De stroom wordt door een gelijkrichtdiode omgezet van wisselspanning naar gelijkspanning en gaat via de B+ aansluiting naar de accu en verbruikers.

De laadstroom die via de B+ aansluiting naar de accu en verbruikers stroomt, voorziet in de gehele stroomvoorziening van de auto. Als de motor uitstaat, levert de dynamo geen stroom en gebruiken de verbruikers stroom van de accu. Wanneer de motor draait, moet de dynamo voldoende stroom leveren om alle verbruikers van energie te voorzien. Bij draaiende motor wordt er dus geen stroom uit de accu gebruikt. De laadstroom van de dynamo is afhankelijk van het aantal ingeschakelde verbruikers en de laadtoestand van de accu. De maximale laadstroom staat meestal op de dynamo vermeld (vaak tussen de 60 en 90A).

De laadspanning van de dynamo kan eenvoudig gecontroleerd worden als er twijfel is over de werking. Door met draaiende motor de pluspool en minpool van de accu te meten met een spanningsmeter (multimeter), 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 13,8 volt, dan is de accu bijna vol en zijn de verbruikers uitgeschakeld. De dynamo hoeft dan niet veel spanning te leveren, wat de laadspanning niet beïnvloedt;
Is de spanning 12,4 volt of lager, dan laadt de dynamo niet goed bij. Dit is de spanning die een volle accu ook heeft, wat aangeeft dat er een probleem met de dynamo is;
Is de spanning lager dan 12,4 volt, dan laadt de dynamo niet meer bij en zal de accu steeds verder leeg raken totdat de spanning 8 volt bereikt. De motor zal dan afslaan en er zal geen elektrische werking meer zijn.

Als de dynamo niet meer bijlaadt, kan gekozen worden om de dynamo te vervangen. Dit is vaak kostbaar, maar het kan voordeliger zijn om een gereviseerde dynamo te gebruiken. Veel revisiebedrijven halen de dynamo helemaal uit elkaar en herstellen deze, wat vaak (meer dan) de helft van de nieuwprijs bespaart. Let altijd op dat je de minpool van de accu loskoppelt voordat je de dynamo vervangt! Doe je dit niet en komt de B+ aansluiting in contact met de carrosserie of het motorblok, dan kunnen er vonken ontstaan door kortsluiting, wat dure elektronische componenten kan beschadigen.

Spanningsregelaar:
De spanningsregelaar regelt het in- en uitschakelen van het magnetisch veld door de stroom door de rotor te schakelen. De spanningsregelaar zorgt ervoor dat de laadspanning constant blijft (tussen 13,2 en 14,6 volt). De laadspanning is afhankelijk van het toerental. Hoe sneller de krukas draait, des te sneller de rotor zal draaien. Zonder regulatie zou de spanning bij een hoog toerental oplopen tot 30 volt, wat voorkomen wordt door de spanningsregelaar. Wanneer de spanning boven de ingestelde limiet komt, gaat de zenerdiode (in het schema) in geleiding, waardoor de basis van T1 door T2 naar de massa wordt geleid. T1 sperrt en het magnetisch veld valt weg, wat de dynamospanning verlaagt. De rotorstroom valt hierdoor weg, zodat de dynamo korte tijd niet bijlaadt.
Door het continu in- en uitschakelen van T1 wordt de spanning geregeld.

Als de spanning op de D+ aansluiting lager is dan de ingestelde afregelspanning, stroomt er een stroom van D+ door de rotor naar de D- aansluiting (massa), waardoor de dynamo spanning opwekt. Als de spanning op D+ hoger is dan de afregelspanning, wordt de zenerdiode geleidend, waardoor transistor T2 in geleiding komt. Hierdoor kan transistor T1 niet geleiden, en er stroomt geen stroom meer door de rotor. Het magnetisch veld wordt uitgeschakeld, zodat de laadspanning daalt. De spanning daalt totdat de zenerspanning niet meer wordt bereikt, waarna transistor T2 sperrt en transistor T1 weer geleidt. Deze cyclus wordt voortdurend herhaald.

Hieronder staan twee scoopbeelden die zijn gemeten op de DF-aansluiting van de dynamo. Deze signalen worden doorgegeven aan het motorregelapparaat. De rotor is magnetisch wanneer deze aan massa is geschakeld.

Het signaal in grafiek 1 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 grafiek 2 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%.

Gelijkrichtdioden:
De dynamo levert wisselspanning, maar omdat in de auto alleen gelijkspanning wordt gebruikt, moet de wisselspanning (AC) worden omgezet in gelijkspanning (DC). Dit gebeurt door de gelijkrichtdioden. Dioden laten de stroom maar in één richting door. Het positieve deel van de wisselstroom wordt gebruikt, het negatieve deel gaat verloren.

De afbeelding toont een gedemonteerde diodenbrug. De rode meetpen wijst één 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 is gemonteerd die naar de accu gaat.

Dit is het principe van een éénfase dynamo. In de afbeelding hierboven (aan de rechterkant) is te zien dat de fase steeds wordt onderbroken, er even geen spanning is en daarna weer een nieuwe fase volgt. In het stuk tussen de fasen wordt dus geen spanning opgewekt. Om dit te voorkomen, worden er bij driefasendynamo’s sterschakelingen en driehoekschakelingen toegepast. Daarmee wordt het onderstaande resultaat verkregen.
In de onderstaande afbeelding zijn drie verschillende kleuren te zien: zwart, rood en blauw. Dit zijn de afzonderlijke fasen. In de afbeelding is te zien dat er tussen bijvoorbeeld de zwarte fasen veel ruimte zit. Door de andere fasen daarbij te verbinden, wordt deze ruimte overbrugd. Hierdoor ontstaat een geleidelijke stroomtoevoer.

Na het gelijkrichten van de spanning door de gelijkrichtdioden blijft er altijd nog een kleine rimpel over. Dit noemen we de rimpelspanning. Deze rimpelspanning mag nooit de 500 mV overschrijden, omdat er anders storingen of defecten aan de auto-elektronica kunnen ontstaan. In de afbeelding is een scoopbeeld te zien die is gemeten op de accu. Bij het veranderen van het motortoerental, of bij het inschakelen van verbruikers, kan dit beeld veranderen.

Vrijlooppoelie:
Tegenwoordig zijn veel dynamo’s uitgevoerd met een vrijlooppoelie (zie onderstaande afbeelding). Deze poelies kunnen maar in één richting aangedreven worden. Wanneer de multiriem van de poelie is afgehaald en je de poelie met de hand ronddraait, zul je merken dat het binnenwerk van de dynamo maar in één richting meedraait en in de andere richting stil blijft staan. Dit systeem is ter beveiliging van de multiriem. Wanneer de motor een hoog toerental draait en het gas ineens losgelaten wordt, zal het motortoerental snel dalen. Een zwaar uitgevoerde dynamo kan wat minder snel afremmen. Dit toerental zakt langzamer dan het motortoerental. Het gevolg hiervan is dat de multiriem zwaarder belast wordt en in het ergste geval door midden gesneden kan worden, omdat de multiriem dan de dynamo moet afremmen. Met een vrijlooppoelie zal de dynamo wel meebewegen bij het accelereren, maar zich met zijn eigen toerental uitdraaien bij het decelereren.

De poelie zit met de schroefdraad aan de as van de rotor gemonteerd (zie bovenstaande afbeelding). Het buitenste deel van de poelie neemt maar in één draairichting het binnenste deel mee. De blokkeerinrichting zorgt ervoor dat het binnenste deel tegen het buitenste deel wordt aangeklemd. De complete poelie zal dan vergrendeld zijn, zodat de dynamo wordt aangedreven door de multiriem. Bij het loslaten van het gaspedaal draait het binnenste deel met een hoger toerental dan het buitenste deel; het motortoerental is sneller gedaald dan het toerental van de rotor. De blokkeerinrichting is dan niet in werking, waardoor de kogellagers het mogelijk maken dat de rotor een ander toerental kan hebben dan de krukas.

In de afbeelding is een dynamo te zien die is uitgevoerd met een vrijlooppoelie.

Energieterugwinning:
Als de dynamo op zijn maximale capaciteit aan het laden is (bij veel ingeschakelde verbruikers), zal er extra brandstofverbruik optreden. Dit komt doordat de dynamo zwaarder zal gaan draaien, omdat het magnetisch veld in de stator dan groter zal zijn. Het magnetisch veld zorgt ervoor dat de rotor zwaarder draait en de krukas harder aan de multiriem moet trekken om deze rond te krijgen. Tegenwoordig hebben autofabrikanten hier een handige oplossing voor gevonden. De dynamo laadt altijd bij, maar zal tijdens het rijden niet zomaar zijn maximale capaciteit bijladen (tenzij de accu echt 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 (bijvoorbeeld voor een verkeerslicht of op de afrit van een autosnelweg). De auto verbruikt op zo’n moment sowieso geen brandstof en de kinetische energie (bewegingsenergie) van het voertuig zorgt ervoor dat de auto 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. Deze manier van laden leidt tot een lager brandstofverbruik.

Mogelijke defecten aan de dynamo:
Er kunnen een aantal typische problemen of defecten in de dynamo aanwezig zijn. Vaak weet de technicus dan wel wat hij of zij vervolgens kan controleren of meten. Hieronder staan een aantal kenmerkende klachten:

Het laadstroomcontrolelampje brandt normaal tijdens de voorbekrachtiging, maar gaat bij draaiende motor pas uit bij een hoger toerental; defect in de dynamo (waarschijnlijk een defecte velddiode).
Dezelfde klacht als hierboven, alleen brandt ook zwak bij een draaiende motor met een hoog toerental of bij veel ingeschakelde verbruikers; defect in de dynamo (waarschijnlijk een defecte diode).
Het laadstroomcontrolelampje brandt zwak tijdens de voorbekrachtiging, maar gaat bij draaiende motor pas uit bij een hoger toerental; waarschijnlijk een defect in de dynamo of een defect in de bekabeling of de aansluitingen daarvan.
Het laadstroomcontrolelampje brandt niet tijdens de voorbekrachtiging en ook niet bij draaiende motor; defecte dynamo, slechte bekabeling/verbindingen of een defect laadstroomcontrolelampje.

Controleren van de laadspanning en laadstroom:
De hoeveelheid energie die de dynamo levert, hangt af van de capaciteit en de vraag van de verbruikers en accu. De dynamo moet bijvoorbeeld 100A kunnen leveren om zowel de verbruikers te voeden als een lege accu te laden. Wanneer de accu vol is en er geen verbruikers aan staan, loopt de energieproductie van de dynamo terug naar bijna nul. De maximale capaciteit van de dynamo wordt vaak vermeld op het typeplaatje en ligt meestal tussen de 65A en 120A, bijvoorbeeld 14V 17/85A (afgeregelde spanning 14V, laadstroom van 17A bij 1800 omw/min en 85A bij 6000 omw/min).

Bij een defect in de dynamo of bedrading kan de maximale capaciteit bij belasting niet worden bereikt. Dit kan gecontroleerd worden door de laadstroom te meten met een stroomtang, terwijl de dynamo maximaal wordt belast, bijvoorbeeld door zoveel mogelijk verbruikers in te schakelen. De gemeten waarde moet overeenkomen met de op de dynamo vermelde waarde.

De afgeregelde spanning kan worden gemeten tussen de B+ aansluiting en massa bij een motortoerental van 2000 omw/min. De spanning moet tussen de 13,8 V en 14,5 V liggen. Om de bedrading te controleren, meet je het spanningsverschil tussen de pluspool van de accu en de B+ aansluiting van de dynamo; dit moet lager zijn dan 0,4 V. Is de spanning hoger, dan is er een probleem met de draad of de aansluitingen. Een slecht massa-circuit kan zowel het laadsysteem als andere systemen beïnvloeden. Dit kan worden gecontroleerd door de motor te laten draaien bij 2000 omw/min en de spanning tussen de minpool van de accu en het huis van de dynamo te meten; deze spanning moet ook lager zijn dan 0,4 V.

Gerelateerde pagina:

Overzichtspagina start- en laadsyteem