Schwarz ist Rot und Plus ist Minus

Dieser Text wurde entnommen von: HE - Elektromechanische Werkstatt Gerhard Heller

Die Grundlage

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:

 

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.

Die Lichtmaschine mit mechanischem Regler

Die Spannungsspule liegt direkt an den Anschlüssen der Kohlen der Lichtmaschine. Im Ruhezustand oder wenn die erzielte Spannung der Lichtmaschine zu gering ist, wird der Reglerkontakt in der gezeichneten Stellung sein. Der Elektromagnet mit der Zugspule liegt an einer zu geringen Spannung, um den Anker des Spannungsreglers anziehen zu können. Die Erregerwicklung wird mit der vollen Spannung, die der Lichtmaschinenanker zur Verfügung stellt, versorgt. Somit gibt die Lichtmaschine ihre Maximalleistung, die bei dieser Drehzahl erreichbar ist, ab. Steigt daraufhin die Spannung an, so erhöht sich der Strom, der durch die Spannungsspule fließt. Es baut sich ein höheres Magnetfeld auf, der Anker des Spannungsreglers wird angezogen, der Reglerkontakt kommt in die Stellung "2". Nun wird die Erregerwicklung über den Vorwiderstand "R" gespeist. Dieser "bremst" den Strom, der durch die Erregerwicklung fließt - die Lichtmaschine gibt eine geringere Leistung ab.Steigt z.B. durch hohe Drehzahlen die Spannung weiter an, kommt der Reglerkontakt in die Stellung "3". Dieser Kontakt ist mit "61" also der +Kohle verbunden. Nun liegt die Erregerwicklung mit beiden Anschlüssen auf dem elektrischen Potential der +Kohle. Da zwischen beiden Enden der Erregerwicklung keine elektrische Spannungsdifferenz vorliegt, ist kein Stromfluß möglich. Ohne Erregung kann die Lichtmaschine keinen Strom mehr abgeben.

Zwischen diesen 3 Schaltzuständen wechselt der Regler ständig, bis zu 200 mal pro Sekunde. Deshalb verschleißen die Reglerkontakte mit der Zeit. Der Rückstromschalter hat lediglich einen SCHLIEßER (Einschalter) als Kontakt. So kennt er lediglich die 2 Zustände offen und geschlossen. Im Ruhezustand wird der Kontakt durch Federkraft offen gehalten. Wird der Motor gestartet und eine Spannung baut sich auf, so fließt ein Strom durch die Spannungsspule des Rückstromschalters. Hat diese eine Höhe oberhalb der Batteriespannung erreicht, wird der Rückstromkontakt geschlossen. Nun kann die Lichtmaschine einen Strom in das Bordnetz liefern. Dieser Ladestrom fließt über die Stromspule des Rückstromschalters. Der sich aufbauende Magnetismus wirkt in der gleichen Richtung wie der der Spannungsspule . So öffnet der Rückstromschalter nicht mehr, selbst wenn aufgrund hoher elektrischen Belastung und leerer Batterie die Spannung weit unter die Sollspannung der Anlage sinkt. Wenn allerdings die Motordrehzahl absinkt und die Lichtmaschine nicht mehr in der Lage ist einen Strom zu liefern, wird sich ein Stromfluß von der Batterie in die Lichtmaschine aufbauen. Es fließt also ein unerwünschter Strom, der dem eigentlichen Laststrom der Lichtmaschine entgegengesetzt ist. Bei einem Abstellen des Motors würde dieser Strom Werte oberhalb von 10A annehmen. Die Batterie wäre innerhalb kürzester Zeit leer, der Lichtmaschinenanker würde durch die einhergehende Erwärmung der Wicklungen zerstört werden. Da dieser Strom der gewünschten Stromrichtung entgegengesetzt ist, baut er in der Stromwicklung des Rückstromschalters ein Magnetfeld auf, welches dem Magnetfeld der Spannungsspule entgegengesetzt ist. Das Magnetfeld der Spannungsspule wird geschwächt und die Federkraft des Rückstromschalters öffnet den Kontakt. Nun ist ein Rückstrom in die Lichtmaschine unterbunden.

ADRESSE:

Gerhard Heller
Gutleutstraße 296
60327 Frankfurt am Main
Tel: +49 / (0) 69 / 23 53 67
Fax: +49 / (0) 69 / 25 18 32
eMail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!