KURZUS: Járművillamosság és elektronika 1.

MODUL: I. modul

11. lecke: Gépjárművek villamos berendezései a gyakorlatban

| A lecke tanulásának a célja: A lecke célja, hogy a hallgató tisztában legyen a gépjárművek villamos berendezéseinek működésével, felépítésével és meghibásodási lehetőségeivel.
A gépjármű villamos berendezéseinek táplálásához villamos energia szükséges. Ezt álló motor esetén az akkumulátor szolgáltatja. A járó motor generátort hajt, amely villamos energiával látja el a fogyasztókat és egyidejűleg az akkumulátort is tölti. A belsőégésű motorok nem képesek önállóan elindulni, indításukat indító motorral, amely működéséhez villamos energia szükséges.
Szükségesen elsajátítandó: Elsajátítandó feladat a gépjárművek villamos berendezéseinek megismerése és üzemeltetésük. Különös tekintettel az akkumulátor, generátor és indító motor részegységei, működési elvük.
Oktatási segédlet: Endrődy-Nagy: Gépjármű villamos berendezések Tk. Bp. 1987. J 19-610 Schmidt-Rajki-Vincze: Járművillamosság Tk. Bp. 2002 Tom Denton: Automobile electrical and elect-ronic systems, British Library 2012 4th edition Bosch műszaki útmutató füzetek, Maróti kiadó http://kepzesevolucioja.hu/dmdocuments/4ap/13_0675_022_101030.pdf http://kepzesevolucioja.hu/dmdocuments/4ap/13_0675_031_101030.pdf
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 90 perc szükséges.
A lecke célja, hogy a hallgató tisztában legyen a gépjárművek villamos berendezéseinek működésével, felépítésével és meghibásodási lehetőségeivel.
A gépjármű villamos berendezéseinek táplálásához villamos energia szükséges. Ezt álló motor esetén az akkumulátor szolgáltatja. A járó motor generátort hajt, amely villamos energiával látja el a fogyasztókat és egyidejűleg az akkumulátort is tölti.
Akkumulátorok
Felépítés
Az indítóakkumulátor legkisebb egysége a cella. Ez lényegében a pozitív és a negatív lemezcsomagból, az elválasztó (szeparátor) elemekből, valamint az összeszereléshez és a csatlakoztatáshoz szükséges részekből áll. A 6 V-os akkumulátorokban három cellát, a 12 V-os akkumulátorokban hat cellát kapcsolnak sorba egymással a cellaösszekötők.
Indítóakkumulátor felépítése
1. ábra
Az 1. ábra mutatja az indító akkumulátorok belső felépítését. A számozás alapján könnyen beazonosítható az egyes részegységek elnevezése, elhelyezkedése.
Elektrokémiai folyamatok
Töltött állapot: A pozitív lemezek aktív masszája barna ólom-dioxidból (PbO2), a negatív lemezeké szürkeólomból (Pb) áll. Az elektrolit p=1,28 g/cm3 sűrűségű, higított kénsav (H2SO4).
Kisütési folyamat: A kisütés közben a pozitív lemezek barna ólom-oxidja és a negatív lemezek szürkeólom anyaga fehér ólom-szulfáttá (PbSO4) alakul. A reakcióban a kénsav is részt vesz, víz (H2O) keletkezik. A sav sűrűsége csökken.
PbO2+2H2SO4+Pb → PbSO4+2H2O+PbSO4
Töltési folyamat: A pozitív lemezek fehér ólom-szulfátja (PbSO4) barna ólom-oxiddá (PbO2), a negatív lemezeké szürkeólommá (Pb) alakul. A reakcióban a víz (H2O) is részt vesz; kénsav (H2SO4) keletkezik. A sav sűrűsége nő.
PbSO4+2 H2O+PbSO4 → PbO2+2 H2SO4+Pb
Formálás: A gyártási folyamat során a pozitív és a negatív lemezek aktív anyagát elektrokémiai folyamattal a feltöltött állapotba alakítják át. Üzembe helyezéskor már csak 1,28 g/cm3 sűrűségű kénsavat kell betölteni. Kb. 20 perc múlva az indítóakkumulátor használatra kész.
Önkisülés: A külső áramkör zárása nélkül az akkumulátor belsejében önkisülési folyamat zajlik le. A folyamatot a nagyobb hőmérséklet, az elektrolit szennyeződései és kúszóáramok gyorsíthatják. Teljesen feltöltött indítóakkumulátor +15 °C-on kb. 4 hónap alatt, +40 °C-on kb. két hét alatt kisül.
Jellemző adatok
Jelölés: Az indítóakkumulátorok jelölése ötjegyű típusszámból, a névleges feszültség, a névleges kapacitás és a kis hőmérsékleten meghatározott vizsgálóáram nagyságát megadó számokból áll; pl. 54419, 12 V 44 Ah 210 A.
Feszültségek
Névleges feszültség: Értéke cellánként 2,0 V. Az indítóakkumulátor névleges feszültsége a sorba kapcsolt cellák számának és egy cella névleges feszültségének szorzatából adódik.
Üresjárási feszültség (nyugalmi feszültség): A terheletlen indítóakkumulátoron mérhető.
Töltőfeszültség: Ha a cella feszültsége elérte a kb. 2,4 V-ot (gázképződési feszültség), akkor tovább töltve erős gázképződés indul meg; ekkor töltöttségi foka kb. 80%. Tovább töltve a cellafeszültség kb. 2,75 V-ig, a töltési végfeszültségig nőhet. A gázképződés során durranógáz keletkezik.
Kisütési feszültség: Az indítóakkumulátor ki van sütve, ha a névleges kapacitás 1/20-ad részének megfelelő kisütőárammal terhelve, +27 °C elektrolit-hőmérsékleten a cellafeszültség az 1,75 V értékű kisütési végfeszültségre csökken.
A kapacitás az amperórában (Ah) kifejezett, hasznosítható K=I*t töltésmennyiség. Ez függ a kisütőáramtól, az elektrolit sűrűségétől és hőmérsékletétől, a töltöttségi állapottól és az indítóakkumulátor állapotától (öregedés). A K20 névleges kapacitás az a kapacitás, amelyet a teljesen feltöltött indítóakkumulátor 20 órás kisütésnél és a megadott kisütési árammal (a névleges kapacitás 1/20-ának megfelelő számértékű árammal) terhelve le tud adni, a cellánkénti 1,75 V kisütési végfeszültség eléréséig, miközben az elektrolit hőmérséklete +27 °C. Ha a kisütési áram, illetve az elektrolit-hőmérséklet eltér a megadott névleges értéktől, akkor az akkumulátor kapacitása is megváltozik.
+27 °C-nál nagyobb hőmérsékleten a kapacitás nagyobb a névleges kapacitásnál. Az indítóakkumulátor azonban tartósan nem lehet +60 °C-nál nagyobb hőmérsékleten, mert ekkor az ólomlemezek jobban károsodnak (az aktív anyag kihull, a rács korrodál). +27 °C-nál kisebb elektrolit-hőmérséklet esetén egyre kisebb a kapacitás. A kapacitás hőmérsékletfüggése azzal magyarázható, hogy az elektrokémiai folyamatok sebessége kisebb hőmérsékleten csökken.
A hideg vizsgálóáram az az akkumulátortípusra meghatározott áramerősség, amellyel a hidegindítási jellemzők minősíthetők. Az adattáblán megadott hideg vizsgálóáram az az áramerősség, amelyet a teljesen feltöltött indítóakkumulátornak úgy kell -18 °C-on leadnia, hogy a cellafeszültség 30 s kisütési idő után ne csökkenjen 1,4 V, ill. 180 s kisütési idő után ne csökkenjen 1,0 V alá. Ha a mért értékek kisebbek a megadott feszültségeknél, akkor az indítóakkumulátor már nem képes az indításra.
Karbantartást nem igénylő indítóakkumulátorok
A DIN szerinti, karbantartást nem igénylő indítóakkumulátorokat és a karbantartást nem igénylő indítóakkumulátorokat különböztetjük meg.
A DIN szerinti, karbantartást nem igénylő indítóakkumulátoroknak dugókkal zárható nyílásaik vannak az elektrolit betöltésére és a folyadékszint desztillált vízzel való beállítására. Az ilyen indítóakkumulátorok rácsos ólomlemezei csökkentett (kb. 2-3%) antimon tartalmúak. Az antimon a rácsos ólomlemezek megkívánt szilárdságának eléréséhez szükséges, mert keményebbé teszi az ólmot. Az antimontartalom csökkentésével az önkisülés, és ezzel együtt a vízfogyasztás nagymértékben csökken. Normális körülmények között az elektrolit szintjének két éven belül nem szabad változnia.
A karbantartást nem igénylő indítóakkumulátoroknak nincsenek kívülről látható betöltőnyílásaik, mivel egész élettartamuk alatt nem kell vizet utántölteni. Ez annak köszönhető, hogy a rácsos ólomlemezek maradék antimontartalmát kalciummal helyettesítették. Ennek hatására az önkisülés jelentősen csökkent, az indítási teljesítmény nőtt. Az ilyen akkumulátorok azonban túltöltésre nagyon érzékenyek.
A töltöttségi állapot ellenőrzése: A töltőnyílásokat tartalmazó akkumulátorok töltési állapota sűrűségmérővel (areométerrel) ellenőrizhető. A teljesen feltöltött, +20 - +27 °C hőmérsékletű akkumulátor elektrolit sűrűsége kb. 1,28 g/cm3, a kisütött akkumulátoroké kb. 1,12 g/cm3. A teljesítmény vizsgálata. A karbantartást nem igénylő akkumulátoroknak csak a teljesítményét lehet vizsgálni. Ennek során az akkumulátort kb. 5 másodpercig az indítómotor rövidzárlati áramának nagyjából megfelelő árammal terhelik. Eközben az átlagos cellafeszültség nem csökkenhet 1,1 V alá. A folyadékszint kb. 10 - 15 mm-rel a lemezek felső széle fölött legyen. Ha a betöltőnyílással rendelkező akkumulátorokban a folyadékszint párolgás következtében csökken, akkor csak desztillált vagy ioncserélt vízzel szabad utántölteni. Szulfátosodás akkor léphet fel, ha az indítóakkumulátor hosszabb ideig kisütött állapotban van. Eközben a finom kristályos ólom-szulfát durva kristályossá alakul. Ha az átalakulási folyamat már előrehaladt, akkor töltéssel már nem fordítható vissza. Az aktív massza ólomiszapként kihullik, az indítóakkumulátor használhatatlanná vált.
Indítóakkumulátorok töltése
Megkülönböztetünk normál, gyors és fenntartó töltést:
Normál töltés esetében a töltőáram a névleges kapacitás számértékének kb. 10%-a.
Gyors töltésnél a töltőáram a névleges kapacitás számértékének legfeljebb 80%-a. A gyors töltést azonban csak a gázképződési feszültség eléréséig (14,4 V) szabad folytatni, miközben az elektrolit hőmérséklete nem haladhatja meg az 55 °C-ot.
Fenntartó töltés: Üzemen kívül lévő indítóakkumulátorok önmaguktól kisülnek. Az önkisülés naponta elérheti a kapacitás 1%-át: nagysága függ az akkumulátor korától és külsőállapotától, az elektrolit koncentrációjától és hőmérsékletétől. A fenntartó töltés áramerőssége a névleges kapacitás számértékének kb. 0,1%-a. Ha nem végezhető fenntartó töltés, akkor egy-két hónapos időközönként normális töltést kell végezni.
Akkumulátortöltő készülékek
A normál töltésre használt töltőkészülékek egy része állandó töltőfeszültségű. A töltőáramot csak az akkumulátor belső ellenállása szabja meg. A töltési folyamat során az akkumulátor feszültsége növekszik, így a töltőkészülék és az akkumulátor feszültségének különbsége csökken; tehát fokozódó feltöltéssel a töltőáram is csökken. A töltők másik csoportjának feszültsége függ a töltőáramtól, ekkor W jelleggörbéről szokás beszélni. Az ilyen típusú töltőkészülékek nem használhatók karbantartást nem igénylőakkumulátorokhoz, mivel a töltőfeszültség cellánkénti 2,4 V, a gázképződési feszültség fölé nőhet.
A karbantartást nem igénylő akkumulátor normál töltésre szolgáló, valamint a gyorstöltőkészülékek gyakran IU jelleggörbéjűek. Ezek a töltőkészülékek a gázképződési feszültség eléréséig állandó árammal töltenek, vagyis a töltőfeszültséget folyamatosan csökkentik. A gázképződési feszültség elérésekor a töltőfeszültséget tartják állandó értéken, ekkor a töltőáram jelentősen csökken, vagyis az akkumulátor nem jut a gázképződési tartományba.
Generátorok
Feladata:
a villamos fogyasztók energiaellátása az indítóakkumulátorok töltése.
Váltakozó áramú járműgenerátorok
E generátorok teljesen kiszorították a korábban használt egyenáramú dinamókat a gépjárművekből. A generátorok a dinamókkal összehasonlítva, már a motor alapjárati fordulatszámán adhatnak le teljesítményt, így az indítóakkumulátor töltése kisebb motorfordulatszámon kezdődhet. A kopás kis mértékű, így kevés karbantartást igényel és hosszú élettartamú. Az áramot az állórészekhez rögzített csatlakozókról lehet elvezetni, kis gerjesztőáram folyik át a szénkeféken és csúszógyűrűkön. Megfelelő ventilátorkereket alkalmazva a működés független a forgásiránytól; a diódák ellátják a korábbi visszáramkapcsoló feladatát (megakadályozzák azt, hogy az indítóakkumulátorból a generátorba folyjon áram). Egyszerű mechanikus és elektronikus szabályozók alkalmazhatók; nincs szükség túlterhelés elleni védelemre.
Felépítés
A háromfázisú generátor lemezekből összeállított vastestű, háromfázisú tekercselésű állórészből, teljesítménydiódákból (három pozitív és három negatív diódából), három gerjesztő- vagy segéddiódából és forgórészből áll. A feszültségszabályozó lehet a generátoron kívül, vagy az egyik csapágypajzsba beszerelve.
Váltakozó áramú, háromfázisú, körmöspólusú generátor felépítése
2. ábra
A 2. ábra mutatja a körmöspólusú generátor kialakítását. Elnevezését a speciális forgórészéről kapta. Az állórész-tekercselés három, egymástól független fázistekercsből áll, amelyeket általában csillagkapcsolásban alkalmaznak.
A körmös pólusú forgórész gyűrű alakú gerjesztőtekercsből és két, sajátos kialakítású pólusfélből áll. A pólusfeleket a tekercsekre tolják, körmeik váltakozva egymásba nyúlnak. Általában 12 pólus, ill. 6 póluspár van. A tekercs és a pólustekercs két kivezetése a forgórész tengelyén ülnek. A gerjesztőtekercs két kivezetése a forgórész tengelyétől szigetelt csúszógyűrűkhöz kapcsolódik.
Hűtés
A terhelésen a generátorban keletkező hőt a külső levegőbe kell vezetni, hogy a tekercsek szigetelése, valamint a generátor és a szabályozó elektronikus elemei a túlmelegedés következtében ne menjenek tönkre, és a generátort minél nagyobb árammal lehessen terhelni.
Működés
A háromfázisú generátor működése a mozgási indukció elvén alapszik, amely szerint a vezetékhurokban villamos feszültség indukálódik, ha a vezetékhurok mágneses térben forog: hurok vezetői metszik a mágneses erővonalakat. Ennek során lényegtelen az, hogy a mágneses tér áll és a vezetékhurok forog (pl. az egyenáramú dinamóban), vagy a mágneses tér forog és a vezetékhurok áll (pl. a háromfázisú generátorban). Mindkét esetben váltakozó feszültség keletkezik a vezetékhurokban. Az állórészben a három tekercsrendszer térbeli elrendezése következtében három, egymáshoz képest 120 fokkal eltolt fázisú váltakozó feszültség és áram keletkezik a kétpólusú (északi és déli) mágneses tér forgásakor. Az egy északi és egy déli pólusú mágnes helyett pl. hat északi és hat déli pólusú, pl. körmös pólusú forgórészt (tehát kétpólusú forgórész helyett tizenkét pólusú forgórészt) alkalmazva a forgórész minden fordulatnál 6 félhullám (2 pólus x 3 tekercs) helyett 36 félhullám (12 pólus x 3 tekercs) keletkezik. A több pólus következtében javul a generátor kihasználása, továbbá az egyenirányítás után kisebb az egyenfeszültség hullámossága.
Egyenirányítás
A háromfázisú áramot hat, háromfázisú hídba kapcsolt teljesítménydióda egyenirányítja. Mindegyik fázisban egy-egy dióda van a pozitív oldalon (pozitív dióda) és a negatív oldalon (negatív dióda). Ez teljes hullámú egyenirányítást jelent, és így a háromfázisú váltakozó feszültség negatív félhullámai is hozzájárulnak az egyenfeszültség előállításához. Az u, v, w tekercságakban keletkező pozitív félhullámokat a pozitív, a negatív félhullámokat a negatív diódák engedik át.
Háromfázisú egyenirányítás a gépjárművekben
3. ábra
Az 3. ábra mutatja a háromfázisú generátorok egyenirányítását. A pozitív és a negatív diódák vezetőiránya különböző. Azt a diódát nevezzük pozitív diódának, amely az akkumulátor pozitív pólusa felé vezet. A gerjesztőáram előállítására is háromfázisú hídkapcsolás használatos. Erre a célra a pozitív oldalon három gerjesztődióda van. A járműgenerátorokban szilíciumdiódákat alkalmaznak. Ezeken a diódákon vezetőirányban kb. 0,7 V feszültség esik. A diódán átfolyó áramtól függően a teljesítménydióda vesztesége elérheti a 25 W-ot, a gerjesztődiódák vesztesége kb. 1 W lehet. A veszteséghőt a diódák különböző méretével és megfelelően nagy hűtőlemezekkel lehet levezetni. A diódák tönkremennek, ha túlzott mértékben felmelegszenek. Ezért a diódák szerelésekor gondoskodni kell a jó hőelvezetésről.
Háromfázisú egyenirányítás folyamata
4. ábra
A 4. ábra mutatja az egyenirányítás lépéseit. A diódák további feladata, hogy megakadályozzák az áramirány megfordulását az akkumulátor és a generátor között. Ez akkor következhetne be, ha a generátor feszültsége kis fordulatszám vagy nagy terhelés következtében kisebb az akkumulátorfeszültségnél. A háromfázisú generátoroknál három áramkört különböztetünk meg: terhelőáramkör, gerjesztőáramkör és előgerjesztő-áramkör. A terhelőáramkör a generátor B+ kapcsától a fogyasztókon, a testen, majd az akkumulátoron át záródik. A gerjesztőáramkör a generátor D+ kapcsától a feszültségszabályozón, a gerjesztőtekercsen, a testen, majd az akkumulátoron át záródik. Az előgerjesztő-áramkör az indítóakkumulátor pozitív pólusától (30 kapocs) a gyújtáskapcsolón (30/15 kapocs), a töltésellenőrző lámpán, a szabályozó D+ kapcsán, a szabályozón, a szabályozó és a generátor DF jelű kapcsán, a gerjesztőtekercsen, a testen (31 kapocs), majd az akkumulátoron át záródik. Előgerjesztő-áramkörre azért van szükség, mert a forgórész remanens fluxusa csak nagy fordulatszámon indukálna a diódák küszöbfeszültségénél (2 * 0,7 V = 1,4 V) nagyobb feszültséget. A generátor tehát csak a diódák küszöbfeszültségénél nagyobb feszültségen válik öngerjesztővé. A töltésellenőrző lámpa kielégítő áramfelvétele esetén a remanens fluxus mellett járulékos mágneses tér keletkezik, amely elegendő ahhoz, hogy a tekercsekben már kis fordulatszámon is a diódák küszöbfeszültségénél nagyobb feszültség indukálódjék.
Egyenirányító diódahíd
5. ábra
Az 5. ábra mutatja meg az egyenirányító diódahíd kialakítását.
A háromfázisú generátorok szabályozása
Feladata az, hogy a generátor és a hálózat feszültségét lehetőleg minden fordulatszámon és bármilyen terhelésnél a szükséges, közel állandó értéken tartsa.
A szabályozási folyamat
A generátorban indukált feszültség függ a fordulatszámtól és a fluxustól (mágneses térerősségtől), ill. az Ig gerjesztőáramtól. Mivel a változó forgalmi körülmények következtében a generátor fordulatszáma is állandóan változik, a feszültség csak a fluxus, tehát az Ig gerjesztőáram változtatásával állítható be. A szabályozót úgy állítják be, hogy 12 V feszültségű rendszerekben közelítőleg 14 V-ra, 24 V-os rendszerekben közelítőleg 28 V-ra szabályozza a feszültséget. Így a generátorfeszültség valamivel kisebb az akkumulátor gázképződési feszültségénél, megfelelő a töltés, de a túltöltés okozta károsodás elkerülhető.
Az éppen szükséges gerjesztőáram nagysága a pillanatnyi terheléstől és a generátor fordulatszámától függ. A szabályozó állandó be- és kikapcsolással változtatja az Ig gerjesztőáramot, aminek következtében a forgórész fluxusa nő, ill. csökken. A bekapcsolás pillanatában a gerjesztőáram nem éri el azonnal a gerjesztőtekercs ellenállása által meghatározott legnagyobb értéket, hanem csak lassan nő. Ezt a gerjesztőtekercs induktivitása okozza, ugyanis a fluxus növelésekor indukált feszültség keletkezik, amely a kiváltó ok, vagyis a gerjesztőáram növekedése ellen hat; így a fluxus és vele együtt a generátor feszültsége sem növekedhet ugrásszerűen. Ha a generátor szabályozás nélkül működik, vagyis ha a gerjesztőtekercs állandóan be van kapcsolva, akkor a gerjesztőáram maximális: Igmax. Ha a generátor elérte a szükséges (névleges) feszültséget, akkor a gerjesztőáramot csökkentik, ill. megszakítják. A gerjesztőáram csökkentése következtében indukált feszültség keletkezik, amely ismét csak a kiváltó oka ellen hat, azaz meg akarja akadályozni az áram csökkenését. Ezért a gerjesztőáram lassan csökken, és a generátor feszültsége nem esik ugrásszerűen. A generátor legkisebb szükséges (névleges) feszültségét elérve a szabályozó ismét bekapcsolja a gerjesztőáramot. A folyamat ismétlődik. A gerjesztőáram középértéke a tb bekacsolási időtől és a tk kikapcsolási időtől függ; ezek pedig a terheléstől és a generátor fordulatszámától függenek.
Elektronikus (tranzisztoros) feszültségszabályozók
A tranzisztoros szabályozóban a T1 tranzisztor vezetőirányban van bekötve (emitter a + póluson, kollektor a gerjesztőtekercsen keresztül a - póluson, bázis az emitterhez képest negatív). A generátor felgerjed, és a generátorfeszültség nő. Amikor a feszültség meghaladja az előírt, pl. 13,8 V értéket, akkor a záróirányban előfeszített Z-dióda (Zener-dióda) vezet; a T2 tranzisztor bázisa negatívabbá válik, és az R3 ellenállással korlátozott emitter-kollektor áram folyik. Ennek következtében a T1 tranzisztor bázisának feszültsége pozitívvá válik és lezár, a gerjesztőáram megszakad. A generátor feszültsége a névleges érték alá csökken. A Z-dióda ismét lezárt állapotba kapcsolja a T2 tranzisztort; a T1 tranzisztor vezet és helyreállt a kiindulási állapot. Ez a folyamat gyors ütemben ismétlődik, eközben a feszültség a névleges (szükséges) érték körül ingadozik.
Túlfeszültségvédő egység
A túlfeszültségvédő egység feladata a 28 V-os, háromfázisú generátorok diódáinak túlfeszültség elleni védelme. A D+ és a D- kapcsok tirisztoron keresztül egymáshoz kapcsolódnak. Az R1, R2, R3 ellenállásokból álló feszültségosztó és a tirisztor vezérlőelektródája között Z-dióda van. Ha egy feszültségcsúcs meghaladja a 31 V-ot, akkor a Z-dióda vezetni kezd és vezető állapotba kapcsolja a tirisztort. Ekkor a D+ és a D- kapcsok rövidre záródnak; a generátor csak az előgerjesztés által meghatározott kis feszültséget szolgáltatja. Az egyszer már vezető állapotba kapcsolt tirisztor csak a motor leállításával és a gyújtáskapcsoló kikapcsolásával kapcsolható vissza a nem vezető állapotba.
Túlterhelésvédelem
A generátor mágneskörének sajátos kialakítása (kevés vas a forgórészben) következtében a fordulatszám-áram jelleggörbe a névleges áram eléréséig nagyon meredeken nő, majd ellaposodik: állandó kapocsfeszültség mellett hiába növeljük a fordulatszámot, a generátorból nyerhető áram nem nő, a generátort nem lehet túlterhelni.
Állandómágnesű generátorok
Kompakt felépítésük következtében az állandómágnesű generátorokat főleg motorkerékpárok motorjaiban és kis, nem jármű hajtására alkalmazott motorokban használnak. Ezek általában mágnesgyújtás-generátor rendszerek. Főbb részei a forgó, állandómágneseket tartalmazó póluskerék és a vasmagos feszültségtekercs. A forgó póluskerék váltakozva elhelyezett északi és déli pólusaival váltakozó feszültséget indukál a tekercsben. Akkumulátor töltéséhez a váltakozó feszültséget diódákkal egyenirányítani kell.
E generátorokhoz nem szükséges feszültségszabályozó; önszabályozók. A tekercset mindig meghatározott teljesítményre méretezik, a fényszóróban és a világítótestekben tehát az előírt teljesítményű izzólámpákat kell használni. Más teljesítményű izzólámpákat alkalmazva túl kicsi vagy túl nagy lehet a feszültség.
A póluskerék fordulatszámának növekedésével nő a tekercsben keletkező feszültség, egyúttal azonban a váltakozó feszültség frekvenciája is nő. Növekvő frekvencián - az előírt terhelőáramnál - az indukciós feszültség is nő, amely az indukált feszültség ellen hat. Így a kapocsfeszültség közelítőleg állandó marad.
Indítómotorok
A belsőégésű motoros járművek megjelenését követően még évekig az izomerő volt az egyetlen lehetőség a járművek indítására. Az 1900-as évek elején a kor mérnökei sokféle trükkel próbálkoztak az indítás megkönnyítésére (lendkerekes, sűrített levegős, rugós indítás), azonban az igazi áttörést a villamos indítómotorok megjelenése hozta.
Ehhez azonban először szükség volt olyan akkumulátorokra, amelyek az indításhoz szükséges teljesítményt képesek voltak szolgáltatni. Az ólomakkumulátorok az 1910-es évek elejére érték el az ehhez szükséges a műszaki színvonalat. Kezdetben az indítómotorok állandó mechanikai kapcsolatban álltak a főtengellyel, és így az indítást követően a generátor feladatát is el tudták látni.
A belsőégésű motorok méreteinek növekedésével azonban mind nagyobb nyomatékot igényelt az indítás, így az áttétel oly mértékű növelésére volt szükség, amely a belsőégésűmotor normál üzemében már túlzott mechanikai igénybevételeket okozott volna az indítómotorban. Ezzel az indítómotor és a generátor funkció szétvált, az indítómotor tengelyét csak az indítás idejére kapcsolják össze ma is a főtengellyel. Az összekapcsolás kezdetben kézzel vagy lábbal történt mechanikus mozgatással. Az 1950-es évek elejére azonban már széles körben elterjedtek az elektromágneses behúzótekercsek. Ezzel kialakult az indítómotorok maihoz nagyon hasonló formája, ami durván 30 éven keresztül alig változott. Az 1980-as években jelentek meg az első állandómágneses változatok (ferrit), amelyek a személyautókban egy évtized alatt kiszorították a drágább és nehezebben gyártható gerjesztőtekercses változatot. A nagyobb teljesítményű indítókban megjelentek a belsőbolygóműves áttételek is a további tömeg és méretcsökkentés érdekében. A haszongépjárművekben azonban ma is többnyire gerjesztőtekercses megoldásokkal találkozhatunk. Napjainkban az autók villamos teljesítmény-igényének növekedése, illetve a villamos gépekkel elérhető egye nagyobb fordulatszámok az indítómotor és a generátor funkciók közeledését hozza magával, ezért újra felmerült a két gép integrálása. Ma elsősorban olyan járművekben találkozunk integrált indítómotor generátorral (IIG) (az angol terminológiában az integrated starter generator (ISG) illetve az integrated starter alternator (ISA) használatos), amelyeknél az integrálásból adódó extra funkciók (nyomaték rásegítés (motor assistance), csillapítás, automatikus start-stop, fedélzeti 230 V stb.) lényegesek. Ilyenek a legkorszerűbb környezetkímélő illetve luxus járművek. Egyes hibrid változatokban pedig kiemelkedő szerepe van az IIG-nek, a belsőégésű motor munkapontjának beállításában.
A belsőégésű motorok indítása
Belsőégésű motorok indításának alapvető feltétele, hogy az indítómotor által kifejtett nyomaték nagyobb legyen, mint a belsőégésű motor kompressziója, a súrlódás, és a főtengelyről hajtott egyéb eszközök (pl. generátor) veszteségei által okozott fékezőnyomaték.
A súrlódás erősen hőmérsékletfüggő az olaj viszkozitásának változása miatt, így alacsony hőmérsékleten a szükséges indítónyomaték jelentősen nagyobb. Ehhez társul az akkumulátor kapocsfeszültségének szintén jelentős hőmérséklet függése, ami azt eredményezi, hogy hideg időben, amikor éppen nagy indítónyomatékra volna szükség, a rendelkezésre álló feszültség a szokásosnál kisebb, az akkumulátor belső ellenállása nagyobb. A fenti problémák miatt az indítómotor és az akkumulátor közös üzemének vizsgálata kiemelkedően fontos. Személyautókba 0,75-2,5 kW teljesítménytartományban építenek be indítómotorokat, haszongépjárművek esetén a teljesítmény elérheti a 9-10 kW-ot is a motormérettől függően. (Az utóbbi legnagyobb érték egy kb. 25 l-es dízelmotor esetében szükséges) Dízelmotorok esetében jelentősen nagyobb teljesítményű indítómotorra van szükség az üzemanyag viszkozitása és a magasabb indítási fordulatszám miatt. A belsőégésű motorokat külső energiával kell megindítani. Az indítás során a belsőégésű motor tömegtehetetlenségét, súrlódási és sűrítési ellenállását kell leküzdeni. Az indítómotor villamos motorból, behúzómágnesből, szabadonfutó- és a mechanikai kapcsolatot létesítő szerkezetből áll. Az egyenáramú motor működése azon az elven alapszik, hogy mágneses térben lévő, áramot vezető huzalra erő hat. Ez az erő függ - a vezetőben folyó áram erősségétől, - a mágneses tér erővonal-sűrűségétől (indukció), - a vezető hatásos hosszától (menetszám).
Az indítás lépései
Az indításhoz nagy nyomaték szükséges. A villamos gépek aktív térfogata a gép nyomatékával egyenesen arányos, így az indítómotorok méretének és tömegének csökkentésének igazán hatékony módja a nagy áttétel beépítése. Az áttétel jellemzően 10-15 közötti (10-12 fog található az indítómotor fogaskerekén). A nagy áttétel miatt az indítómotor nem állhat folyamatos kapcsolatban a főtengellyel, hiszen egy viszonylag alacsony 2000-es belsőégésű motor fordulatszám esetén is már 20,000 1/min felett lenne a fordulatszám, ami igen nagy mechanikai igénybevételeket okozna, és jelentősen csökkentené a kommutátor és a kefék élettartamát (intenzív kopás).
Emiatt az indítást megelőzően hozzák csak létre a kapcsolatot a fogaskerekek között, a forgórész lassú (csökkentett feszültségről történő) forgatása mellett. Az összekapcsolódást segíti a fogak egyoldali lesarkítása, illetve egy beépített rugó, amely össze tud nyomódni, ha fog találkozik foggal, majd a megfelelő elfordulás után a helyükre löki a fogakat. Az összekapcsolódás után teljes feszültséget kap az indítómotor, és gyorsítani kezdi a belsőégésű motort. Az úgynevezett gyújtási fordulatszám elérésekor (Ottó motoroknál 60-100 1/min, Dízel motoroknál 60-180 1/min) A belsőégésű motor gyújtást kap, és megjelenik az önálló nyomatéka. Ezt követően egy ideig együtt gyorsítják a forgó tömegeket, miközben az indítómotor árama a nullához közelít. Az áram megszűnése után a belsőégésű motor kezdené hajtani az indítómotort, azonban ezt meg kell akadályozni az előbb említett túl magas fordulatszámok elkerülése érdekében. Általában egy görgős szabadonfutót építenek a fogaskerék és az indítómotor tengelye közé, amely a visszahajtást megakadályozza.
Az indítómotorok felépítése és működése
Az indítómotorok ma még egyenáramú motorok. Az állórészen személyautók esetén állandómágnesek, haszongépjárművek esetén pedig gerjesztőtekercselés található. Mindkét esetben a feladat egy időben állandó mágneses mező létrehozása, amely a forgórész vezetőiben folyó áramokkal nyomatékot képez. A forgórész lemezelt vastestének hornyaiban egyenáramú tekercselés vezetőit helyezik el. A tekercselés szakadás nélkül körbefut a forgórészen és a kommutátornak nevezett mechanikai egyenirányító réz szeleteire van kivezetve. A kommutátorhoz kefék csatlakoznak (szénrudak), amelyeken keresztül az áram bevezethető a forgórészbe. A kefék helyes beállítása mellett az állórész által keltett mágneses mező északi pólusai alatti hornyokban elhelyezett vezetőkben mindig adott, azonos előjelű és nagyságú áramok folynak, míg a déli pólus alatti hornyokban az előbbiekkel ellentétes előjelű, de szintén azonos nagyságú áramok folynak. Ezzel a nyomatékok összeadódnak. Amennyiben egy horony a forgás miatt északi pólus alól déli alá kerül át vagy fordítva, úgy az áramirány is megfordul benne, hiszen ekkor a hozzá tartozó kommutátor szeletek a kefék alatt elhaladva e korábbival ellentétes feszültséget kapnak.
Az indítómotor szerkezet
A póluskoszorú egy vascső, amelynek belsejében a gerjesztőtekercsekkel összeszerelt pólussaruk vagy állandómágnesek vannak. A póluskoszorú a mágneses erővonalak vezetésére, zárására is szolgál, és ezért a jó mágneses vezetőképességű vasból készül. A forgórész hornyaiban vannak a forgórésztekercsek. A tekercsekben állandóan változó áramirány hatására váltakozó mágneses tér keletkezik, amely tömör vasmagban a forgórész túlzott melegedésével járó örvényáramokat keltene. Ezért a forgórész egymástól szigetelt lemezekből készül. A forgórész lemezelése a pólustér északi pólusától a déli pólusig húzódó mágneses erővonalak vezetésére is szolgál. Ezért a pólussaruk és a forgórész közötti légrésnek is lehetőleg kicsinek kell lennie. Ha pl. a forgórész utólagos esztergálása következtében megnő, akkor a forgatónyomaték csökken, a veszteségek nőnek. Az egyenáramú motorok a gerjesztésük alapján a következő csoportokba sorolhatók:
párhuzamos gerjesztésű motorok soros gerjesztésű motorok vegyes gerjesztésű motorok állandómágnes-gerjesztésű motorok
Valamennyi motortípusnak sajátos fordulatszám-forgónyomaték jelleggörbéje van.
A párhuzamos gerjesztésű motor gerjesztőtekercsét a forgórésszel párhuzamosan kapcsolják. Így a gerjesztőtekercs tápfeszültséget kap és állandó fluxust hoz létre. Kis indítónyomatéka és a terhelés csökkenésekor kismértékben növekvő fordulatszáma következtében a párhuzamos gerjesztésű motor nem alkalmas indítómotornak.
Az állandómágnes gerjesztésű motor fluxusát erős állandómágnesek állítják elő. Ennek fordulatszám-forgónyomaték jelleggörbéje a párhuzamos áramkörű és a soros gerjesztésűmotor jelleggörbéje közé esik. Előnye az egyszerűbb és könnyebb szerkezet. Az indítómotor nagy fordulatszámát bolygókerekes hajtóművel csökkentik, miközben a hajtótengely nyomatéka nő.
Állandó mágneses indítómotor felépítése
6. ábra
A 6. ábra mutatja az állandó mágneses indítómotor felépítését. A soros gerjesztésű motor esetében a gerjesztő- és a forgórésztekercselést sorba kapcsolják. Így tehát a forgórész árama a legnagyobb, vagyis az indulási nyomaték nagyon nagy. A fordulatszám növekedésével a forgórész indukált feszültsége nő; ennek következtében a forgó- és az állórész árama, tehát a fluxus és a nyomaték is csökken. A fluxus csökkenésének következtében a terhelés csökkenésekor a fordulatszám nagymértékben nő. Ez a fordulatszám-forgónyomaték jelleggörbe előnyös, mivel a fordulatszám gyors növekedése következtében a beindítandó motor is rövid idő alatt eléri az indítási fordulatszámát. Nagy indítómotorokat (pl. vizsgálat közben) terhelés nélkül járatva a fordulatszám olyan nagy lehet, hogy a centrifugális erő tönkreteszi a forgórészt.
A vegyes gerjesztésű motorban soros és párhuzamos gerjesztőtekercs is van. Ezt a rendszert a nagy tekercsigény miatt csak nagy indítómotorokban alkalmazzák. A párhuzamos gerjesztés alig fokozza a motor nyomatékát, a terhelés csökkenésekor azonban megakadályozza a fordulatszám túlzott növekedését.
Indító fogaskerék
Az indítási folyamat során az indító fogaskerék a lendkeréken levő fogaskoszorú fogazásába csúszik. Az áttételi viszony általában 10 és 15 közötti. Így a lendkerékre ható nyomaték jelentősen nő. Az indító fogaskerék igénybevétele a kapcsolódási folyamat és a működés alatt rendkívül nagy.
Szabadonfutó szerkezet
A szabadonfutó szerkezetnek az a feladata, hogy az indítási folyamat során az indítómotor nyomatékát átvigye az indító fogaskerékre. Beindulása után a belsőégésű motor hajtaná az indítómotor forgórészét. A forgórész fordulatszáma ekkor megengedhetetlenül nagy értékre növekedne, s ezzel a forgórész tönkre menne. Ennek elkerülése végett a szabadonfutó leválasztja az indító fogaskereket az indítómotor forgórészéről. Megkülönböztetünk görgős és lemezes szabadonfutót. A görgős szabadonfutó a görgők gördülőpályáit tartalmazó szabadonfutó-gyűrűből, görgőkből és csavarrugókból áll. A görgők az indító fogaskerék hüvelyének palástjain gördülnek. Gördülőpályáik az egyik irányban szűkülnek.
Görgős szabadonfutó
7. ábra
A 7. ábra mutatja a görgős szabadonfutó kialakítását. Ha az indítómotor forgatja a szabadonfutó-gyűrűt, akkor a görgők gördülőpályájuk szűkebb részébe ékelődnek; így az indító fogaskerék hüvelye összekapcsolódik az indítómotor tengelyével. A belsőégésű motor megindulása után a most a fogaskoszorú által nagyobb fordulatszámmal forgatott indító fogaskerék a görgőket a rugóerő ellenében a gördülőpályájuk tágabb részébe nyomja; a nyomaték átvitele megszűnik.
A lemezes szabadonfutó tárcsás tengelykapcsoló, amely a hajtó forgónyomatékot egymáshoz erő átvitelére alkalmas módon összeszorított, fémes belső és külső fogazású lemezekkel viszi át. A külső lemezek a menesztőhüvellyel, a belsőlemezek a kapcsolórésszel együtt forognak, tengelyirányban azonban eltolhatók. A kívül fekvő kapcsolórész a hajtótengely nagy menetemelkedésű menetes részén ül.
Nyugalmi állapot: A külső és a belső kis előfeszítő erő hat. Így az indító fogaskerék kapcsolódásakor a kapcsolórészt magával viszi.
Nyomatékátvitel: Ha az indító fogaskerék előretolódott és így a fogaskoszorú megfogja, akkor a nagy menetemelkedésen eltolódó kapcsolórész erősebben egymáshoz szorítja a belső és a külső lemezeket. Az összeszorítás addig fokozódik, amíg az indításhoz szükséges nyomatékot a szerkezet át tudja vinni.
Nyomatékhatárolás: Az indítómotor, az indító fogaskerék és a fogaskoszorú túlzott igénybevételének elkerülésére a tengelykapcsolót úgy méretezik, hogy a maximális forgatónyomaték elérésekor kiold, ill. megcsúszik (túlterhelés ellen védő tengelykapcsoló).
Oldás a visszaforgatás megakadályozására: Ha a belsőégésű motor megindulása után a fogaskoszorú gyorsabban forgatja az indító fogaskereket, akkor az összeszorító anya valamennyire kifelé mozdul, ezáltal a lemezes tengelykapcsoló old; tehát szabadonfutóként működik. Így a belsőégésű motor megindulása után nem kerülhetnek veszélyes gyorsító erők az indítómotor forgórészére.
Toló fogaskerekes indítómotor
A toló fogaskerekes indítómotorban az indító fogaskerékkel görgős szabadonfutón keresztül összekapcsolt hüvely mozog a forgórész nagy emelkedésű menetén.
A behúzómágnes által működtetett kapcsolóvilla rugózva előre tolja a hüvelyt, miközben az a nagy emelkedésű meneten el is forog. Ha az indító fogaskerék foga foghézag elé kerül, akkor azonnal be is kapcsolódik. Ha a fog fogra ütközik, akkor az indító fogaskerék oldalán lévő rugó addig nyomódik össze, amíg a behúzómágnes bekapcsolja az áramot. Az indítómotor forog, és az indító fogaskerék addig csúszik a fogaskoszorú homlokfelületén, amíg a fogai kapcsolódhatnak. A behúzómágnesnek két tekercse van; az egyik a behúzó-, a másik a tartótekercs. Behúzáskor a két tekercs együtt működik. Az indítómotor áramának bekapcsolásakor a B húzótekercs rövidre záródik; a behúzómágnest már csak a T tartótekercs tartja. A belsőégésű motor megindulása után a görgős szabadonfutó hatására a kis fogaskerék üresen forog, de az indítókapcsoló működtetéséig kapcsolatban marad a fogaskoszorúval.
Belső áttételes, toló fogaskerekes indítómotor
Az armatúra és az indító fogaskerék közé bolygókerekes hajtóművet szerelnek, amely csökkenti az indítómotor fordulatszámát és növeli az indító fogaskeréken ható nyomatékot. A bolygókerekes áttétel a belső fogazású kerékből, a bolygókerekekből (a bolygókerék tartóval) és a napkerékből áll.
Az áttételező hajtómű hajtókereke, a napkerék a forgórész tengelyén van. A bolygókerekek a bolygókeréktartóban vannak csapágyazva. A bolygókeréktartó a nagy emelkedésű menetes, az indító fogaskerekeket is hordozó tengellyel van összekapcsolva. A belső fogazású kerékműanyagból készül és az indítómotor házához van rögzítve. Az indító fogaskerék be- és kikapcsolódásai, valamint a visszaforgatást megakadályozó oldási folyamatai megegyeznek a toló fogaskerekes indítómotor megfelelő folyamataival. Az áttételező hajtómű beiktatásával azonos fordulatszámú indító fogaskerék esetén az indítómotor fordulatszáma nagyobb lehet. Mivel az indítómotor tengelyén leadott teljesítmény arányos a fordulatszámmal ( P̃n ), így az indítómotor teljesítménye - azonos méretek esetén - növelhető, ill. azonos teljesítmény esetén a méretei csökkenthetők. Az indítómotort gerjesztőtekercsek helyett állandómágnesekkel készítve az azonos teljesítményű, toló fogaskerekes indítómotorral összehasonlítva kb. 40% tömegcsökkenés érhető el.
Bendix indítómotorok
Fokozat nélküli indítómotorok, amelyek a fogaskeréken elhelyezett tömeg tehetetlenségét használják fel a működés során. Az indítómotor bekapcsoláskor rögtön teljes feszültséget kap, a fogaskerék a tehetetlenség miatt azonban nem kezd el forogni, hanem a tengely meredek emelkedés menetei csavarodnak ki belőle, így halad a fogaskoszorú felé.
Ha tovább már nem haladhat (pl. fog fognak ütközött vagy a helyére ért), akkor forogni kezd, és a létrejött kapcsolaton keresztül gyorsítani kezdi a belsőégésű motort. Sikeres indítást követően a belsőégésű motor gyorsabban kezd forogni, mint az indítómotor, így a fogaskereket visszapörgeti a csavarmeneten a helyére.
Lendkerekes indítómotorok
Az indításhoz szükséges nagy nyomatékra csak rövid ideig van szükség, maga az indítási folyamat kis energiát, de rövid ideje miatt nagy teljesítményt és nyomatékot igényel. A feladat úgy is megoldható, hogy viszonylag kis teljesítménnyel mechanikai energiát halmozunk fel egy tárolóban (lendkerék), majd azt gyorsan rásütjük a főtengelyre. Ezt a módszert követik a lendkerekes indítók. Jellemzően lamellás tengelykapcsolóval készülnek, és a lendkereket bolygóműves áttételen keresztül pörgeti fel az indítómotor. A lendkerék tömege 2 kg körüli, 10,000-15,000 1/min fordulatszámig pörgetik fel.

| Önellenőrző kérdések
1. Mennyi cella található egy 12 V-os savas akkumulátorban?
| 2
| 4
| 6
| 8
2. Mennyi a savas akkumulátor elektrolit sűrűsége feltöltött állapotban (g/cm3)?
| 1,12
| 1,0
| 2,0
| 1,28
3. Savas akkumulátor önkisülését a hőmérséklet hogyan befolyásolja?
| Melegebb hőmérsékleten lassul az önkisülése.
| Nem függ a hőmérséklettől.
| Melegebb hőmérsékleten gyorsul az önkisülése.
4. Az hogy mekkora az akkumulátor terhelhetősége, honnan tudhatjuk?
| A boltban megmondják.
| 12 V
| Az akkumulátor jelölésén levő első 5 jegyű számból.
| Az akkumulátor jelölésének a közepén levő kapacitás (Ah) és indító áram (A) értékéből.
5. Meddig lehet tölteni (V) a "savas 12 V-os" akkumulátorokat maximum, hogy élettartama ne csökkenjen?
| 14,4
| 12
| akkumulátor kapacitás/20
| 2
6. Normál töltés esetében a töltőáramot mekkorának szoktuk megválasztani?
| A névleges kapacitás számértékének 10 %-a amperben megadva.
| A névleges kapacitás számértéke amperben.
| A névleges kapacitás számértékének kb. 1%-a amperben kifejezve.
| egyik előző válasz sem
7. Váltakozó áramú generátor állórész-tekercselésénél milyen kapcsolást alkalmaznak egy átlagos személygépjármű esetében általában?
| soros
| csillag
| delta
| párhuzamos
8. Milyen paraméterektől függ a generátor indukált feszültsége?
| hőmérséklet
| fordulatszám
| gerjesztő áram
| mágneses fluxus
| akkumulátor kapacitás
9. Hány darab teljesítmény dióda szükséges egy háromfázisú generátor egyenirányításához?
| 3
| 6
| 1
| egyik válasz sem helyes
10. Az indító motoroknál melyik tekercs igényel nagyobb teljesítményt működés közben?
| tartó
| behúzó
| kinyitó
| duplázó
11. Mekkora áttételezésű egy átlagos indítómotor?
| 1:1-1:2
| 1:8-1:20
| 1:20-1:50
| 1:2-1:4