Motorrad-Lichtmaschinen und wie sie funktionieren
Schon seit vielen Jahren kommt kein Fahrzeug mehr ohne – zumindest eine rudimentäre – Elektrik aus. Das gilt sogar für Fahrräder. Und damit man nicht außer tanken auch noch ständig Batterie kaufen oder Akkus laden muss, sollte der Strom für die Fahrzeugelektrik auch an Bord erzeugt werden; und zwar mit einem Dynamo, einem Generator, einer Lichtmaschine oder wie immer man das Ding nennen mag, welches den Strom für an Bord erzeugt.
Jedem sein eigenes Kraftwerk
In jedem Generator, sei es der kleinste Fahrrad-Dynamo oder ein Riesending in einem zig-Megawatt-Kraftwerk, erzeugt Strom nach dem gleichen, nämlich dem Dynamo-elektrischen Prinzip. Dahinter steckt die elektromagnetische Induktion, die Wechselwirkungen zwischen Elektrizität und Magnetismus, die der englische Physiker Michael Faraday (1791 – 1867) im 19. Jahrhundert erforscht hat.
Kurz gesagt: Um jeden elektrischen Leiter, der von Strom durchflossen wird, bildet sich ein Magnetfeld. Wickelt man den elektrischen Leiter auf, bekommt man eine Spule – man sagt in der E-Technik auch Wicklung dazu – deren Magnetfeld sogar einen Nord- und einen Südpol hat. Umgekehrt übt ein bewegtes Magnetfeld auf die freien Elektronen (die elektrischen Männchen) in einem elektrischen Leiter eine Kraft aus, die wir als elektrische Spannung messen können. Und die kann die elektrischen Männchen in Bewegung setzen wenn der Stromkreis geschlossen ist.
Der Fahrraddynamo: Simpel, aber er funktioniert…
Ein bewegtes Magnetfeld in einer Spule – in der Praxis lässt man dazu einen Magneten rotieren – macht also den elektrischen Männchen in den Windungen Beine, so dass sie durch einen angeschlossenen Verbraucher rennen und darin Arbeit verrichten können.
Der Stromkreis kann zum Beispiel über das Glühlämpchen eines Fahrradscheinwerfers geschlossen werden. Ein Fahrrad-Dynamo hat nämlich im Prinzip diesen einfachsten Aufbau eines elektrischen Generators, denn Du in der Abbildung siehst: Ein Permanentmagnet dreht sich in einer Spule bzw. Wicklung und erzeugt darin den Strom für die Glühbirnchen im Scheinwerfer und im Rücklicht.
Auf dem Bild ist die Wicklung vereinfacht als simple Leiterschleife dargestellt und der Magnet als einfacher Stabmagnet. In einem Fahrraddynamo sieht das ganze etwas anders aus, funktioniert aber trotzdem nach genau diesem Prinzip.
Der Schwunglichtmagnetzünder
Was eine Wortschöpfung! Schwung(rad)-Licht(maschine)-Magnetzünder. Dieses Wortungetüm bezeichnet das, was meine Kumpels und ich in unserer Mopedzeit auch kurz „d’r Elektrische“ nannten. Der hier in Form eines topfförmigen Polrades ausgeführte rotierende Magnet dient gleichzeitig als Schwungrad und erzeugt das Magnetfeld, welches wie beim Fahrraddynamo für Spannung in den beiden Spulen für den Zündfunken und das Licht sorgt. Über die Magnetzündung (und die Batteriezündung) wollen wir ein andermal sprechen, in diesem Posting soll es erst mal nur um die Stromerzeugung bei der Guffel gehen.
Die Stromerzeugung der Lichtspule im Schwunglichtmagnetzünder funktioniert genau wie beim Fahrraddynamo. Daher kann man damit auch lediglich Glühbirnchen versorgen, denen es ja egal ist, ob man sie mit Gleich- oder Wechselstrom füttert. Einen Regler gibt es genauso wenig wie beim Fahrraddynamo; die Lichtspule regelt sich sozusagen selbst ein wenig, weil mit zunehmender Drehzahl der Innenwiderstand der Spulen steigt und so den Stromfluss ausbremst. Trotzdem kennt man das von Mopeds, dass das Licht abhängig von der Drehzahl heller und weniger hell brennt.
Ein Moped mit Schwunglichtmagnetzünder läuft übrigens auch, wenn die Lichtspule kaputt ist; nur bleiben dann halt Scheinwerfer und Rücklicht dunkel. Man kann fahren, aber man darf es nicht. Die Ausrede, „Ich fahr ja bloß bei Tag damit“ lässt der/die/das gestrenge Herr/Frau/Wesen Polizeibeamt* (m/w/d) nicht gelten.
Gleichstrom-Lichtmaschine für die Batterieladung
Beleuchten kann man mit Wechselstrom, hupen auch und sogar fürs Blinken gibt es Lösungen, die mit Wechselstrom arbeiten. Zwingend notwendig wird Gleichstrom aber auf jeden Fall, wenn man einen elektrischen Anlasser haben möchte, denn dann muss man eine Batterie laden können – und das geht halt nur mit Gleichstrom, denn der Wechselstromakku wurde noch nicht erfunden. 😉 * scnr *
Auch Gleichstrom – oder zumindest so was Ähnliches – kann man mit einem Generator erzeugen. Der hier abgebildete Gleichstromgenerator ist übrigens gleichzeitig ein (allerdings nur bedingt tauglicher) Gleichstrom-Elektromotor, denn das Prinzip des Generators ist umkehrbar und daher gleichzeitig das des Elektromotors. Bei dem simplen Generator in der Abbildung steht nun, anders als beim Fahrraddynamo und dem Schwunglichtmagnetzünder, der Magnet still und die Wicklung dreht sich. Es spielt absolut keine Geige, ob sich das Magnetfeld dreht oder die Spule; für die Induktion einer elektrischen Spannung bzw. eines elektrischen Stroms muss einfach nur eine relative Bewegung zwischen Magnetfeld und Leiter bestehen.
Natürlich entsteht auch hier zunächst ein Wechselstrom; der Generator hat aber sozusagen einen eingebauten Gleichrichter, nämlich den Polwender oder Kommutator. Das ist dieser Schleifring, von dem die beiden Bürsten bzw. Kohlen den Strom aus der Rotorwicklung abgreifen. Er besteht aus zwei Segmenten, von denen je eines mit einem Ende der Wicklung verbunden ist. Dreht man man den Rotor um 180°, polt man damit die Wicklung um.
Funktioniert auch als Motor
Funktionieren tut das folgendermaßen: Legt man eine Gleichspannung an die Anschlüsse der Schleifbürsten, fließt über die Wicklung ein Strom, der ein Magnetfeld erzeugt. Fließt der Strom nun so, dass der Nordpol des Statormagneten dem Nordpol des Magnetfeldes des Rotors (und der Südpol des einen dem Südpol des anderen) gegenübersteht, möchte der Rotor sich so ausrichten, das Nordpol bei Südpol und Südpol bei Nordpol steht: Er fängt also an, sich entsprechend zu drehen.
Hat sich der Rotor aber um 180° gedreht, hat der Kommutator seine Wicklung umgepolt und es steht wieder Nordpol bei Nordpol und Südpol bei Südpol. Also muss der arme Kerl sich gleich weiterdrehen, aber wenn er nach weiteren 180° denkt, er habe jetzt sein Ziel erreicht, hat ihn der böse Kommutator schon wieder umgepolt und es geht weiter. Ihm geht es so ähnlich wie dem Hasen in der Geschichte vom Wettlauf zwischen ihm und dem Igel: jedemal, wenn er denkt, er ist da, muss er doch wieder weiter rennen.
Geht man nun her, schließt an Stelle der Stromquelle einen Verbraucher an und dreht den Rotor, erzeugt das Magnetfeld des Stators eine Spannung und einen Wechselstrom in der Wicklung. Wenn dieser nun nach 180° seine Richtung geändert hat, hat aber auch der Kommutator die Anschlüsse umgepolt, so dass Plus und Minus wieder an den gleichen Anschlüssen sind wie 180° vorher.
Der Strom aus einer Gleichstromlichtmaschine fließt nun zwar immer in eine Richtung, nimmt aber ständig zu und ab. Streng genommen haben wir hier also keinen „richtigen“, sondern einen so genannten pulsierenden Gleichstrom. Und natürlich auch eine pulsierende Gleichspannung. Man sagt auch Mischspannung dazu, weil man es auch so sehen kann, dass hier eine Gleichspannung von einer Wechselspannung überlagert wird.
Eigentlich bräuchte man hier nun etwas, dass unsere Spannung bzw. den Strom glättet. Das geht mit einer Drossel, die im Wesentlichen aus einer Spule besteht. Sowas gibt’s in Tat der auch in Netzteilen, denn Gleichstromgeräte wollen eben meist glatten Gleichstrom und keinen pulsierenden. Beim Auto und Motorrad braucht’s das aber nicht, denn hier gibt es ja die Batterie, die als Puffer dient und die pulsierende Gleichspannung hinreichend glättet.
Die Sache wird geregelt
Der kleine Gleichstrommotor bzw. -generator in der Abbildung oben erzeugt der Einfachheit halber sein Magnetfeld mit einem Permanentmagneten. Man kann aber auch einen Elektromagneten verwendeten, der heißt dann Erregerwicklung. Der besondere Charme dieser Lösung ist, dass unsere Lichtmaschine dann auch noch geregelt werden kann.
Die Spannung in der Rotorwicklung hängt zunächst von zwei Dingen ab: Von der Drehzahl und von der Stärke des Magnetfeldes der Statorwicklung. Diese hängt aber wiederum von der Stärke des Erregerstroms ab, des Stromes, der durch die Statorwicklung fließt. Zudem hängt sie auch noch davon ab, wie stark die Belastung durch Verbraucher ist.
Schaltet man zusätzliche Verbraucher ein – z.B. die Beleuchtung, wenn es dunkel wird – wird der Lichtmaschine mehr abverlangt, wodurch die Spannung an den Klemmen der Lichtmaschine sinkt. Die eine Möglichkeit wäre nun, die Drehzahl zu erhöhen. Das geht aber nicht, denn die Drehzahl, mit der man den Motor laufen lässt, hängt ja von der augenblicklichen Fahrsituation ab, davon wie viel Leistung gerade gebraucht wir, um das Fahrzeug zu bewegen.
Die andere Möglichkeit besteht darin, mehr Strom durch die Erregerwicklung fließen zu lassen, damit das Magnetfeld stärker wird. Und das erledigt der Spannungsregler, auch kurz nur Regler genannt. Er begrenzt ganz einfach den Strom durch die Erregerwicklung, wenn die Spannung zu hoch wird.
Klingel am Motor: Der mechanische Regler
In Auto-Oldies mit Gleichstrom-Lichtmaschinen findet man noch mechanische Regler, die auch noch bei Drehstromlichtmaschinen bis Ende der 1970er Jahre, teilweise vielleicht auch noch etwas länger verbaut wurden. Ein mechanischer Regler funktioniert im Grunde wie ein so genannter Wagnerscher Hammer. Diesen Mechanismus finden wir auch in alten Türklingeln. Erfunden hat ihn ein Herr Johann Philipp Wagner (1799-1879).
Wie Du im Bild oben sehen kannst, gibt es beim Wagnerschen Hammer einen Elektromagneten, der einen Anker anzieht, dadurch den Stromkreis unterbricht, was wiederum bewirkt, dass der Anker zurück federt und den Stromkreis wieder schließt. Bei einer Klingel ist der Anker gleichzeitig der Klöppel, der gegen die Glocke klöppelt, so das es bimmelt.
Man kann nun mit so einem Wagnerschen Hammer auch den Stromkreis der Erregerwicklung der Lichtmaschine unterbrechen. Weil ja der Elektromagnet erst bei einer ganz bestimmten Spannung anzieht, wird die Lichtmaschine unterhalb dieser Spannung erregt und produziert Strom. Steigt nun die Spannung, weil man die Drehzahl erhöht, wird irgendwann der Elektromagnet anziehen und den Erregerstrom abschalten. Dann fällt die Spannung natürlich, der Anker fällt ab und schließt den Erregerstromkreis. Jetzt steigt die Spannung wieder, der Elektromagnet zieht an, unterbricht, die Spannung fällt wieder… Die Spannung wird sich daher auf einen einigermaßen konstanten Wert einpendeln.
In der Praxis findet man diese Technik der Spannungsregelung in etwas verfeinerter Form: Die Erregerwicklung wird durch das Öffnen des Reglerkontaktes nicht ganz stromlos, weil dieser mit einem Widerstand sozusagen überbrückt ist. Über diesen Widerstand kann nun bei geöffnetem Kontakt immer noch ein kleinerer Erregerstrom fließen. Wenn nun aber die Spannung auch mit diesem kleineren Erregerstrom noch ansteigt, zieht der Elektromagnet de Anker noch weiter an, so dass er über einen Kontakt auf der anderen Seite die Erregerwicklung kurzschließt. Jetzt ist der Erregerstrom auf jeden Fall weg und die Spannung sinkt, bis wieder zumindest über den Widerstand wieder Strom durch die Erregerwicklung fließen kann.
In der Abbildung oben ist ein mechanischer Regler mit einem Rückstromschalter dargestellt. Er enthält zwei federnde Anker, einen für den eigentlichen Regler, den anderen für den Rückstromschalter. Der linke kann die Kontakte KReg und KReg1 vom eigentlichen Regler schalten, der rechte den Kontakt KRück für den Rückstromschalter. Beide werden vom Wicklungskern angezogen, wenn dessen Magnetismus stark genug ist, weil genug Strom durch die Rückstromwicklung LRück und die Reglerwicklung LReg fließt.
Funktionieren tut das ganze im Einzelnen so: Wenn der Motor steht, ist der Reglerkontakt KReg1 geschlossen und verbindet die Erregerwicklung der Lichtmaschine LE mit der Masse. Der Rückstromschalterkontakt KRück ist offen ist offen, damit die Batterie sich nicht über den Pluspol der Lichtmaschine und die Erreglerwicklung entladen kann, denn die liegt ja mit ihrer anderen Seite an Masse.
Zwischen Batterie-Plus und Lichtmaschinen-Plus sitz die Ladekontrollleuchte LK. Weil das Lichtmaschinen-Plus jetzt aber noch kein Plus ist, sondern eine Verbindung zur Masse, fließt ein kleiner Strom durch die Ladkontrollleuchte und lässt sie brennen.
Wenn sich die Lichtmaschine jetzt anfängt zu drehen, weil man den Motor startet, dürfte eigentlich erstmal garnix passieren, denn die Erregerwicklung hat ja noch keinen Strom. Zumindest wäre das so, wenn keine Ladekrontrollleuchte vorhanden wäre, ohne die die ganze Sache aber auch funktionieren würde. Normalerweise sollte aber in der Lichtmaschine etwas Restmagnetismus vorhanden sein, der ausreicht, in der Rotorwicklung ein wenig Spannung zu erzeugen. Der kleine Strom über die Ladekontrollleuchte hilft hier möglicherweise auch mit.
So wie die Lichtmaschine aber auch nur ein wenig Saft fabriziert, fließt auch welcher durch die Erregerwicklung und macht sie magnetisch. Dadurch entsteht mehr Saft, das Magnetfeld wird stärker, was wiederum für noch mehr Saft sorgt, bis eine der Drehzahl entsprechende Spannung bzw. die eingestellte Ladespannung erreicht ist.
Wenn die LiMa schnell genug dreht, um eine ausreichende Ladespannung zu erzeugen, fließt auch genug Strom durch die Rückstromschalter-Wicklung, um den Anker des Rückstromschalters anzuziehen und den Kontakt KRück zu schließen. Dieser verbindet nun den Pluspol der Lichtmaschine (der ja jetzt ein richtiger Pluspol ist, weil die LiMa Saft liefert) mit dem Pluspol der Batterie. Beide Seiten der Ladekontrollleuchte LK sind nun auf Plus, daher geht sie aus. Was aber der eigentliche Zweck der Übung ist: Jetzt wird die Batterie geladen und das Bordnetz, das ja an Batterie-Plus hängt, versorgt.
Der Ladestrom von der Lichtmaschine geht über die Reglerwicklung und verstärkt so das Magnetfeld des Wicklungskernes. Umso mehr, je mehr Kitt man gibt und den Motor mitsam LiMa schneller drehen lässt. Wenn die maximale Ladespannung erreicht ist, wird der Regleranker angezogen, öffnet den Reglerkontakt KReg1 und trennt daurch die Erregerspule LE der LiMa von der Masse. Dadurch bricht der Erregerstrom und damit das Magnetfeld der Erreglerwicklung in der LiMa zusammen.
Die Folge ist, dass die LiMa weniger Saft macht und die Spannung sinkt. Dadurch wird aber auch der Strom durch die Reglerspule und damit das Magnetfeld des Wicklungskerns schwächer, so dass der Anker nicht mehr so stark angezogen wird. Deshalb federt er zurück und schließt den Kontakt KReg wieder, es gibt erneut Erregerstrom und die Spannung steigt wieder.
Wenn der Kontakt KReg offen ist, wird der Erregerstrom nun nicht ganz abgestellt, weil die Erregerwicklung ja auch über den Vorwiderstand RV mit Masse verbunden ist. Bei enstprechend hoher Drehzahl kann es daher sein, das die Ladespannung trotz geöffnetem KReg noch weiter steigt. Dann wird der Anker aber noch weiter angezogen und schließt den Kontakt KReg, der jetzt die Erregerwicklung kurzschließt und damit den Erregerstrom komplett abstellt.
Jetzt fällt die Spannung auf jeden Fall, bis zumindest der Kontakt KReg aufmacht. Fällt sie noch weiter, macht KReg1 wieder zu und lässt den vollen Erregerstrom fließen. Diese Wechsel finde nun so schnell statt, dass die Spannung ausreichend konstant ist.
Und natürlich reagiert der Regler auch auf die Belastung des Bordnetzes. Wenn ein Verbraucher eingeschaltet wird, lässt dieser die Spannung absinken, worauf der Regler mit einer Vergrößerung des Erregerstroms reagiert. Wenn man bei einem Fahrzeug ohne Leerlaufdrehzahl-Regelung einen entsprechend starken Stromverbraucher einschaltet, kan man beobachten, dass die Drehzahl etwas absinkt. Das stärkere Magnetfeld durch den erhöhten Erregerstrom bremst natürlich den Motor ab, weil er stärker ziehen muss. Das ist logisch, denn irgendwo muss die Leistung ja herkommen, die man in Form von elektrischem Strom der Lichtmaschine entnimmt: Von nichts kommt nichts, sagt ja auch der Erste Hauptsatz der Thermodynamik.
Exkurs: Regler justieren
Solche Regler nutzen sich natürlich ab und funktionieren dann nicht mehr oder nicht mehr richtig. Deswegen waren und sind sie teilweise zu öffnen und besitzen ein Schräubchen, mit dem man die Federspannung des Ankers einstellen kann. Mit Hilfe eines Voltmeters kann man daran dann die Lichtmaschinenspannung auf den richtigen Wert von etwa 14,4 Volt einstellen. Nach dem Willen des Herstellers sollte man sie dann später wohl nicht mehr einstellen, sondern lieber für teuer Geld einen neuen kaufen. Und/oder man wollte bei der Produktion mal wieder sparen und dazu den Verschluss des Gehäuses vereinfachen. Jedenfalls gab und gibt es auch welche, die nicht so ohne weiteres zu öffnen sind.
Ich besaß mal ein Auto mit einem solchen Reparier-mich-nicht-Regler. (Siehe Bild oben) Ursprünglich gab es bei diesem Modell eventuell tatsächlich zwei Schräubchen, die das Gehäuse auf dem Grundkörper hielten. Bei meinem Exemplar waren diese Schräubchen aber durch zwei zweiteilige Plastikstöpsel ersetzt, die ein tolles Beispiel dafür waren, auf was Ingenieure kommen, wenn sie auf Kosten des Kunden sparen wollen: Das eine Teil dieses famosen Verbindungselements hatte eine Art spitzigen Pilz, der in ein entsprechendes Loch im Gegenstück gedrückt werden konnte und dort unwiderruflich einrastete. Das ganze wirkte zusammengebaut also wie ein Niet. Vermutlich billiger in der Herstellung als Schraube und Mutter; in jedem Fall lässt sich das Einbauen und Verschließen von so einem Dingsbums einfacher automatisieren, als das Verschrauben einer Schraube mit einer Mutter oder gar einem ins Werkstück geschnittenen Gewinde (auch teuer, weil das teure Maschinenzeit braucht).
Aus einer lösbaren Verbindung wurde also fahrlässig oder vorsätzlich eine nicht lösbare gemacht. Wie war gleich noch die Definition einer nicht lösbaren Verbindung? Richtig: Mindestens das Verbindungselement muss zum Lösen der Verbindung beschädigt oder zerstört werden. Hier war es tatsächlich nur das Verbindungselement, der Rest bleib heil.
Und siehe da – das Schräubchen zum Justieren des Reglers hatte man nicht weg gespart, es war vorhanden und wenn man den Regler einmal offen hatte, konnte man ihn auch justieren. Verschließen konnte man ihn dann ohne weiteres mit zwei Schräubchen und passenden Muttern, so dass ich mit etwas Tüftelei die 60 oder 70 Mark gespart hatte, die das Ding sonst gekostet hätte.
Kurz und Dick – Ladeglück: Drehstrom-Lichtmaschinen
Gleichstrom-Lichtmaschinen haben zumindest mal zwei erhebliche Schwächen: Sie bringen bei niedrigen Drehzahlen nicht viel Leistung und der ganze erzeugte Strom geht über die Kohlebürsten des Kollektors, der zudem segmentiert ist und damit den Verschleiß wohl auch nicht gerade mindert.
In den alten Tagen hatten tatsächlich viele Autler im Winter Probleme mit der Batterieladung: Auf dem Weg zur Arbeit war es immer noch und auf dem Heimweg schon wieder dunkel, so dass mit Licht gefahren werden musste. Außerdem dreht man im Stadtverkehr den Motor ja nicht hoch, schon gar nicht wenn er im Leerlauf an der Ampel oder im Stau tuckert. Da blieb von der kümmerlichen Leistung des Gleichstromkraftwerks nicht mehr viel zum Laden der Batterie übrig, die im Winter ja eh‘ nicht besonders glücklich ist.
Abhilfe schaffte Hier die Drehstrom-Lichtmaschine. Sie bringt auch bei niedrigen Drehzahlen schon gut Leistung, lädt die Batterie also auch auf Kurzstrecken mit Licht im Winter. Man kennt sie auf den ersten Blick daran, das sie sie kurz und dick sind, im Gegensatz zu den länglichen Gleichstrom LiMas. Eine solche länglichere Gleichstromlichtmaschine ist übrigens oben in dem Bild von der Zündungs- und Lichtmaschinen-Baugruppe einer Douglas zu sehen.
Wie bei einem Fahrrad-Dynamo oder einem Schwung-Licht-Magnetzünder rotiert hier jetzt wieder das Magnetfeld und erzeugt Wechselstrom. Oder, besser besser gesagt, Wechselströme, nämlich drei, die sich gleichmäßig überlagern und so einen Dreiphasenwechselstrom alias Drehstrom erzeugen.
Das funktioniert genauso wie im Kraftwerk, wo der Strom für Licht und Kraft gemacht wird. Das Prinzip sieht man in der Abbildung: Der rotierende Magnet induziert in den drei jeweils um 120° versetzten Wicklungen jeweils einen eigenen Wechselstrom. Die Frequenz der Wechselströme entspricht bei drei Wicklungen der Drehzahl des Generators. Statt nur drei Wicklungen, also einer pro Phase können es auch mehr sein, insgesamt immer ein Vielfaches von Drei.
Die Frequenz des Drehstromes ist bei mehr als einer Wicklung je Phase dann auch das jeweilige Vielfache von Drei; das spielt aber bei einer Fahrzeuglichtmaschine keine Rolle. Der Drehstrom wechselt ja auch durch die wechselnden Motordrehzahlen seine Frequenz und wird ja eh‘ gleichgerichtet.
Im Stromnetz nutzt man entweder die Phasen einzeln für Licht, dann ist jeweils ein Ende der Wicklungen mit dem so genannten Mittelpunktsleiter verbunden. An den anderen Enden hat man dann je 230 Volt gegen den einen Mittelpunktsleiter. Das nennt man Sternschaltung und hat dann de facto drei 230-Volt-Wechselstromanschlüsse für Licht sowie kleinere Maschinen und Heizgeräte.
Man kann aber auch das eine Ende einer Wicklung jeweils mit dem anderen Ende der nächsten verbinden, wie das auch in der Abbildung zu sehen ist, und erhält dann die so genannte Dreiecksschaltung. Hier sind nun zwischen den Phasen 400 V wirksam. Damit hat man dann einen Drehstromanschluss für große Maschinen. Ins Haus kommt normalerweise übrigens immer Drehstrom, die Lichtleitungen werden dann an die einzelnen Phasen angeschlossen. Im Rahmen dessen, was der jeweilige Hausanschluss hergibt, kann man sich also auch daheim problemlos eine Drehstromleitung in die Schrauberbude legen lassen, wenn man sich eine Drehbank oder sogar eine Fräsmaschine, eine professionöse Ständerbohrmaschine oder eine gescheite Schweißstromquelle anschaffen möchte.
Wenn man alle drei Phasen eines Drehstromgenerators gleichmäßig belastet, kann man auf den Mittelpunktsleiter verzichten und mit der Dreiecksschaltung arbeiten. Das ist bei der Drehstromlichtmaschine für Kraftfahrzeuge der Fall, denn die drei Wechselströme werden ja umgehend zu einem einzigen Gleichstrom gleichgerichtet. Es gibt aber auch Lichtmaschinen mit Sternschaltung und solche mit einer Kombination aus beiden. Die Sternschaltung ist bei niedrigeren Drehzahlen überlegen, die Dreiecksschaltung bei höheren.
Dazu dienen Dioden, die üblicherweise gleich auf der Lichtmaschine sitzen, so dass praktischerweise an der Lichtmaschine nur ein Anschluss für dem erzeugten Strom sitzt, von dem es dann zum Pluspol der Batterie und zu den Verbrauchern geht. Weil der Strom aus der Drehstromlichtmaschine aus drei Phasen besteht, die sich überlagern, ist er von Haus aus schon mal ein schönerer Gleichstrom als der aus einer Gleichstromlichtmaschine. Außerdem wird er ja auch noch, genau wie der aus der Gleichstrom-LiMa, von der puffernden Batterie geglättet.
Bei der Drehstromlichtmaschine dreht sich die Erregerwicklung mit dem Rotor. Daher muss auch nicht der erzeugte oft recht starke Strom über einen Kollektor ab-, sondern nur der vergleichsweise schwache Erregerstrom zugeführt werden. Dadurch werden die Kohlen wesentlich weniger belastet, und statt dem segmentierten Polwender gibt es nur zwei glatte Schleifringe, was auch günstiger ist.
Elektronische Regler
Ansonsten funktioniert die Regelung einer Drehstromlichtmaschine genauso wie die bei einem Gleichstromgenerator: Wenn die Spannung steigt, wird der Erregerstrom vermindert. Zunächst wurden hier auch noch mechanische Regler verbaut, später kamen die heute üblichen elektronischen auf, die mit dem Kohlenhalter zu einem Bauteil zusammengefasst sind.
Wie so ein elektronischer Regler genau funktioniert, brauchen wir nicht zu wissen. Man kann sie ja eh‘ nicht aufmachen und reparieren, sondern wechselt sie mit den Kohlen aus. Daher gehen sie wohl auch kaum mal kaputt, weil sie in der Regel länger halten als die Kohlen und noch funktionieren, wenn diese abgenutzt sind.
Zurück zum Fahrrad-Dynamo: Motorrad-Lichtmaschinen
Drehstrom-Lichtmaschinen in der beschriebenen Art gibt es auch in Motorrädern. oft findet man hier aber auch eine vereinfachte technische Umsetzung, die wiederum einem Schwunglichtmagnetzünder ähnelt, nur ohne den Teil für die Zündung. Den braucht man hier nicht, denn auch bei Motorrädern ist schon seit vielen Jahren die Batteriezündung Standard. Auch bei größeren alten Guffeln mit Magnetzündung war sie ein eigenes Aggregat wie man bei genauerem Hinsehen auch in dem Bild von der Douglas weiter oben erkennen kann. Kleinere Motorräder hatten früher auch Schwunglichtmagnetzünder wie Mopeds.
Was die Motorrad-Lichtmaschinen, die ich meine mit dem Schwunglichtmagnetzünder gemeinsam haben, sind die Permanentmagneten. Sie können wie bei einem solchen in einem Polrad auf dem Kurbelwellenstumpf sitzen, welches die Wicklungen umschließt. Manchmal sitzen die Magneten auch im Inneren der ringförmig angeordneten Wicklungen.
Gleichrichter und Regler bei Lichtmaschinen mit Permanentmagneten
Mit der Regelung der Ladespannung wird es hier problematisch: Weil hier Permanentmagneten zu Gange sind, gibt es keine Möglichkeit, das Erregermagnetfeld zu vermindern. Die Selbstregelung durch steigenden Innenwiderstand, auf die man beim Fahrrad-Dynamo und beim Schwunglichtmagnetzünder setzt, reicht hier nicht aus.
Bei Motorrädern mit solchen Lichtmaschinen sind Gleichrichter und Regler in der Regel zu einem Bauteil zusammengefasst. Es kommt hier tatsächlich Drehstrom aus der Lichtmaschine; es gibt für jede Phase ein Kabel, welches zu den zugehörigen Anschlüssen der Gleichrichter-Regler-Kombination führt.
Die Regelung der Ladespannung geschieht hier auf eine etwas fragwürdige Weise: Die Spannung wird einfach gnadenlos abgewürgt, wenn sie zu hoch wird, und in Wärme verwandelt. Das bedeutet nun aber zum Einen, dass elektrische Energie verschwendet wird, zum anderen dass am Regler, aber auch in den Statorwicklungen sehr viel Wärme entsteht, denn irgendwo muss die Energie ja hin, die bei hohen Drahzahlen entsteht und die der Regler einfach nicht durchlässt.
Solche Regler werden sehr heiß und müssen daher zumindest gut durch den Fahrtwind gekühlt werden. bei meiner XV 1100 zum Beispiel sitzt das Bauteil auf der Rückseite des Halters der linken, hinteren Fußraste. Auch den Statorwicklungen dürfte diese Art der Regelung nicht besonders zuträglich sein. Das sind eben die Nachteile, die man in Kauf nimmt, um die Vorteile einer simplen Bauweise zu bekommen.
Vorsicht übrigens: Solche Lichtmaschinen liefern an den Drehstromkabeln weit mehr Spannung als die 12 V Bordnetzspannung. Sie übersteigen ohne weiteres die 42 V, ab denen es bekanntlich gefährlich wird. Beim Schrauben und Testen ist hier also Vorsicht angebracht!
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