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HE - Elektromechanische Werkstatt Gerhard Heller
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Schwarz ist Rot und Plus ist Minus
Die Lichtmaschine das unbekannte Wesen
Die Grundlage
[Schemazeichnung]
Ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld
übt eine Kraft aus. Der Grundsatz warum ein Elektromotor läuft. Genauso
ist es im umgekehrten Fall. Wird ein Leiter (Draht) in einem Magnetfeld
bewegt so wird eine Spannung induziert. Aus konstruktiven Gründen ist
eine Kreisbewegung vorgegeben. Daraus ergibt sich, daß die Feldlinien
180° später in der anderen Richtung geschnitten werden, die elektrische
Spannung hat dann die umgekehrte Polarität. Würde die Spannung über
einen Schleifring abgegriffen hätte man eine Wechselspannung. Nun wird
ein Kollektor, also ein aufgeteilter Schleifring benutzt. So ergibt es
sich, daß nach 180° Drehbewegung die Lamellen des Kollektors gewechselt
haben. Somit wird nun die Spannung umgepolt abgegriffen. Da sich die Spannung
innerhalb der Leiterschleife auch umgepolt hat, erhält man an den Kohlen,
die den erzeugten Strom abnehmen eine Gleichspannung. Der Kollektor ist
also ein mechanischer Gleichrichter.
Der Aufbau
Die Lichtmaschine entspricht von Ihrem Aufbau dem
Nebenschluß-Generator. Der Anker dreht sich in einem Magnetfeld. Der Anker
gibt am Kollektor seinen erzeugten Strom über die sogenannten Kohlebürsten
ab. Der Name rührt daher, daß in den Anfängen der Elektrizitätserzeugung
tatsächlich Bürsten allerdings aus Metall zur Stromabnahme am drehenden
Anker eingesetzt wurden. In diesem Jahrhundert sind es Stifte, vor allem
aus Kohle, Graphit, Bronce und manchmal auch Silber. Der Name "Anker"
hat seinen Ursprung vom Anker am Schiff. Die ersten Anker in der Elektrotechnik
sahen aus wie 2 zusammengefügte Schiffsanker. Noch heute kann man an einem
Eisensteg im Querschnitt des Ankers den Schiffsanker erkennen. Heutzutage
werden Metallteile die von einem Magnetfeld bewegt werden als Anker bezeichnet.
Z. B. bei der Klingel oder beim Relais. Die mögliche Stromabgabe
der Lichtmaschine hängt von der Stärke des Magnetfeldes, Erregerfeld genannt,
und der Drehzahl des Ankers ab. Je nach Ladezustand der Batterie und Stromaufnahme
der elektrischen Verbraucher wird unterschiedlich viel Strom benötigt.
Da sich die Ankerdrehzahl nicht nach der benötigten elektrischen Energie
richten kann (wer will schon langsam fahren wenn die Batterie voll ist)
muß der andere Parameter, die Stärke des Erregerfeldes geändert werden.
Aus diesem Grunde wird kein Dauermagnet wie beim Fahrraddynamo verwendet
sondern ein Elektromagnet. Dieser Elektromagnet, also unsere Feldwicklung,
entwickelt weniger Magnetismus wenn weniger Strom hindurchfließt. Durch
die Verringerung des Erregerstromes läßt sich also die Leistung der Lichtmaschine
verringern. Ein Teil des Stromes den der Anker liefert wird benötigt
um die Erregerwicklungen mit Strom zu versorgen. Was passiert aber wenn
der Motor gestartet wird, also der Anker eben noch gestanden hat und somit
nicht in der Lage war einen Strom für das Erregerfeld zu liefern? Der
Anker dreht sich zwar - nicht jedoch in einem Magnetfeld. Somit ist er
auch nicht in der Lage einen Strom abzugeben. Dieser Fall kann eintreten
wenn die Lichtmaschine zerlegt wurde, oder das Fahrzeug von „Plus Masse“
auf „Minus Masse“ oder umgekehrt umgestellt wurde. Im Normalfall ist es
so, daß ein kleiner Restmagnetismus (Remanenzmagnetismus) im Eisen
des Polschuhes verbleibt. Dieser sehr kleine Magnetismus reicht aus, eine
kleine Spannung im sich drehenden Anker zu induzieren. Diese hat einen
Stromfluß im Erregerfeld zur Folge, der einen zusätzlichen Magnetismus
aufbaut. Das Erregerfeld verstärkt sich und der Anker ist in der Lage
einen höheren Strom abzugeben. Dieser Vorgang schaukelt sich hoch bis
die Nennspannung der Lichtmaschine erreicht ist. Dieser Vorgang wird Selbsterregung
genannt. Sollte die Selbsterregung nicht eintreten, obwohl die Einzelteile
der Lichtmaschine in Ordnung sind, ist dafür zu sorgen von außen eine
Spannung an die Lichtmaschine und somit auch an die Erregerwicklungen
zu legen. Bei einem Fahrzeug mit „Minus Masse“ ist die Batteriespannung
Plus der vollen Batterie auf die Pluskohle der Lichtmaschine bei stehendem,
oder mit Standgas laufendem Motor zu legen. Die übliche Klemmenbezeichnung
der +Kohle ist „61“ oder „D+“. Diese Verbindung sollte nur etwa 2 Sekunden
bestehen, da gleichzeitig ein hoher Strom durch den Anker fließt. Nach
Entfernen der Brücke bricht das Erregerfeld nun nicht völlig zusammen,
sondern der Remanenzmagnetismus bleibt erhalten.
Die Ladekontrollampe
Keineswegs ist es so, daß sie anzeigen soll ob die
Zündung eingeschaltet ist. Vielmehr ist es so, daß sie anzeigen soll daß
die Lichtmaschine nicht funktioniert. Im Normalfall sollte die Lichtmaschine
funktionieren und die Ladekontrollleuchte dunkel bleiben. Die Ladekontrollleuchte
erhält an einem Pol + von der Batterie. Der andere Anschluß liegt an D+,
also an der +Kohle der Lichtmaschine. Wenn die Lichtmaschine ordnungsgemäß
arbeitet liegt an beiden Anschlüssen der Ladekontrollampe +. Da eine Spannungsdifferenz
nicht gegeben ist, kann kein Strom fließen, die Lampe bleibt dunkel. Arbeitet
die Lichtmaschine nicht so fließt der Strom über die +Kohle, durch die
Ankerwicklung, über die Minus Kohle auf Masse und von dort zur Batterie
zurück. Der Stromkreis ist geschlossen, an der Ladekontrollleuchte liegt
die Batteriespannung an und sie leuchtet. Da aber die Lichtmaschine
auch nicht funktioniert wenn der Motor nicht läuft ist die Ladekontrollampe
nicht direkt an der Batterie angeschlossen, sondern über das Zündschloß.
Ist die Zündung aus, erhält die Ladekontrollleuchte auch keine Spannung
mehr.
Die Regelung der Lichtmaschine
Eine Lichtmaschine ohne Regler hätte ein Verhalten
wie ein Fahrraddynamo. Mit steigender Drehzahl würde auch die Leistungsabgabe
steigen. Die abgegebene Spannung würde je nach Belastung schwanken. (Beim
Fahrraddynamo wird die Rücklichtbirne überlastet, wenn durch das Vorderlicht
keine Leistung aufgenommen wird). Der Regler hat die Aufgabe für eine
gleichmäßige Bordspannung zu sorgen, weitestgehend unabhänig von der Drehzahl
und der Belastung der Lichtmaschine. Der Vorläufer der noch heute verwendeten
Spannungsregelung war die sogenannte Stromregelung. Die Lichtmaschine
hatte als äußere Beschaltung lediglich einen Rückstromschalter. Dieser
hat die Aufgabe, bei stehendem Motor einen Stromfluß zurück von der Batterie
in die Lichtmaschine zu verhindern. Die Lichtmaschine selber hat außer
den 2 Kohlen über die die Stromabgabe des Ankers erfolgt noch eine dritte
Kohle, an der ein Anschluß der Feldwicklung liegt. Ausgenutzt wird dabei
die Verschiebung der neutralen Zone des Ankers bei steigender Drehzahl,
wobei die Feldwicklung dann nur noch eine Teilspannung erhält. Bei steigender
Drehzahl nimmt ab einem gewissen Grad die Leistungsabgabe der Lichtmaschine
nicht mehr zu. Meistens ist die dritte Kohle verstellbar, um eine Anpassung
an die zu erwartenden Belastung zu erreichen (Winter- und Sommerbetrieb).
Jedoch steigt auch die Spannung der Erregerwicklung wenn die Bordspannung
aus irgendwelchen Gründen steigt, beispielsweise wenn sich ein Batterieanschluß
löst. Die Spannung kann dann so hoch steigen, daß Glühlampen oder die
Erregerwicklung durchbrennen. Aus diesem Grund ist die Erregerwicklung
bei stromgeregelten Lichtmaschinen normalerweise abgesichert. Eine große
Gefahr ist die Überladung der Lichtmaschine. Genauso ist eine zu geringe
Ladung der Batterie möglich. Bei einer schon geringen Bordspannung aufgrund
eingeschalteter Verbraucher und leerer Batterie ist auch die anliegende
Spannung der Erregerwicklung gering - und somit auch die Stromabgabe der
Lichtmaschine. Eine häufige Kontrolle der Batterie ist bei stromgeregelter
Lichtmaschine unerläßlich. Sollte das Fahrzeug häufig gefahren werden,
ist ein Umbau der Lichtmaschine auf Spannungsregelung anzuraten.
Die Spannungsregelung
Bei der Spannungsregelung wird ein Anschluß der Feldwicklung
an einen Regler geleitet. Der Regler führt einen Soll-Ist-Vergleich der
Bordspannung durch.
Der mechanische Regler
Im Falle einer leeren Batterie und somit auch einer
niedrigen Spannung des Bordnetzes ist die Erregerwicklung der Lichtmaschine
an die volle Spannung der Lichtmaschine gelegt. Die Lichtmaschine gibt
somit ihre Maximalleistung ab. Liegt die Bordspannung in der Nähe der
Nennspannung der Anlage wird der Strom der Erregerwicklung über einen
Widerstand geleitet. Es fließt ein geringerer Strom durch die Erregerwicklung
und die abgegebenen Leistung der Lichtmaschine sinkt. Liegt die Spannung
des Bordnetzes oberhalb der Nennspannung wird die Erregerwicklung auf
beiden Seiten Ihrer Anschlüsse auf das gleiche elektrische Potential gelegt.
Somit ist kein Stromfluß durch die Erregerwicklung und keine Stromabgabe
der Lichtmaschine mehr möglich. Diese drei Schaltzustände des Reglers
wechseln oberhalb der Leerlaufdrehzahl ständig. Deshalb müssen die Reglerkontakte
laufend schalten und verschleißen. Im Laufe der Zeit hält der mechanische
Regler seine Sollspannung nicht mehr genau ein. In gewissen Zeitabständen
ist die Bordspanung, nach einer längeren gefahrenen Strecke (nicht durch
die Stadt im Berufsverkehr), zu messen. Etwa bei halber Höchstdrehzahl
des Motors sollten sich dann die folgenden Spannungen an der Batterie
einstellen:
Batteriespannung |
Eingeschaltetes Fahrlicht |
Ausgeschaltetes Fahrlicht |
6V |
Nicht unter 6,5V |
Nicht über 7,5V |
12V |
Nicht unter 13V |
Nicht über 15V |
Eine Gleichstromquelle ist in der
Lage einen höheren Strom als den Nennstrom abzugeben. Eine kurze Zeit
ist diese Überlastung auch möglich. Bei einer zu hohen Stromabgabe wird
die Lichtmaschine jedoch thermisch überlastet. Die Lötstellen des Kollektors
können schmelzen, die Isolationen des Lichtmaschinenankers werden zerstört.
Aus diesem Grund haben mechanische Regler zusätzlich zur Spannungswicklung
eine Stromwicklung. Die Lichtmaschine wird abgeregelt, wenn der bereitzustellende
Strom die Lichtmaschine überlasten würde.
[Funktionsprinzip
des mechanischen Reglers]
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