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Gleichstromlichtmaschinen Aufbau und Funktionsweise

Grundlagen

Lichtmaschinen sind Gleichstromgeneratoren. Die Spannung wird erzeugt, in dem sich eine Spule (auf Anker gewickelt) in einem Magnetfeld dreht. Das Magnetfeld wird durch Elektromagnete erzeugt. Die Pole, zwischen denen das Magnetfeld erzeugt wird, bestehen aus Weicheisenkern auf dem sich eine von Strom durchflossene Drahtwicklung befindet (Feld- bzw. Erregerwicklung). Der für die Erzeugung des Magnetfeldes benötigte Strom wird vom erzeugten Strom der Maschine abgezweigt. Die Feldwicklungen befinden sich im “Nebenschluß” (Nebenschlußmaschine).
Siehe nebenstehendes Bild.
Lichtmaschine Nebenschluß

Nebenschlußmaschine

Aufbau

Der Aufbau einer Gleichstromlichtmaschine ist auf dem nebenstehenden Bild zu erkennen. Das zylindrische Gehäuse (1) , auch Feld- oder Polgehäuse genannt, bildet mit den beiden Lagerschilden (2)(3) das Lichtmaschinengehäuse. Zum Verbinden der Teile dienen zwei Gehäuseschrauben (10). Innen sind am Gehäuse(1) zwei Polschuhe(4) mit den Feldwicklungen(5) verschraubt. Der Anker(6), auch Rotor genannt, dreht sich in zwei Kugellager oder einem Kugellager und einem Gleitlager (auf der Kollektorseite). Am hintere Lagerschild(3) befindet sich der Bürstenhalter(8) mit Kohlebürsten (7). Die Federn drücken die Bürsten mit definierten Druck an den Kollektor. Lichtmaschinen werden elektr. und mech. hoch beansprucht und erwärmen sich im Betrieb sehr stark. Deshalb wird an einen Wellenende (meist auf der Riemenscheibenseite) ein Kühlgebläse in Form eines Lüfterrades montiert.
Oben auf dem Feldgehäuse befindet sich der Regler(11), kann aber auch getrennt von der Lichtmaschine sein.
Aufbau einer Gleichstromlichtmaschine

Aufbau einer Gleichstromlichtmaschine

Funkionsweise

Selbsterregung

Bei stehendem Motor werden die Verbraucher im Fahrzeug von der Batterie versorgt, bei laufenden Motor aber von der Lichtmaschine. Bein Anlaufen des Motors und im Leerlauf kann die  Lima ihre Aufgabe nicht sofort erfüllen, denn die erzeugte Spannung und Strom hängen von der Drehzahl ab. In den Weicheisen Polschuhen ist lediglich ein Restmagnetismus von der vorausgegangen Erregung zurückgeblieben. Dieser Restmagnetismus erzeugt nun einen schwachen Strom. Dieser wird durch die Erregerspulen geleitet, verstärkt das schwache Magnetfeld ein wenig und bewirkt damit ein Ansteigen der Lichtmaschinenspannung und einen weiteren Spannungsanstieg. Hierdurch steigt die Spannung in kurzer Zeit so weit, bis ein der Drehzahl entsprechender Höchstwert erreicht ist. Die Lichtmaschine arbeitet nach dem Prinzip der Selbsterregung.

Der hier beschriebene Effekt ist auch der Grund dafür, das lange gelagerte oder nicht in Betrieb genommene Gleichstromlichtmaschinen einen Defekt vortäuschen. Abhilfe schafft eine kurze Vormagnetisierung durch anlegen einer Spannung an DF.(im Stillstand bei abgeklemmter DF-Leitung)

Lade- und Rückstromschalter

Nimmt die Motordrehzahl zu, so steigt die Spannung weiter an, bis sie mit der Batteriespannung gleich ist und die Lima nun die Stromversorgung der Verbraucher selbst übernehmen könnte. Es muß also ein Schalter vorhanden sein, der zwischen Batterie und Lichtmaschine die Verbindung automatisch herstellt oder unterbricht. Dieser Schalter heißt Lade- bzw. Rückstromschalter(1).
Um zu verhindern,daß sich die Batterie über die Lichtmaschine entlädt, ist der Schalter so ausgeführt, daß die Lichtmaschine erst dann mit der Batterie verbindet, wenn ihre Spannung höher als die Batteriespannung ist. Dieser Einschaltvorgang wird durch das verlöschen der Ladekontrolllampe angezeigt. Bestandteile des Rückstromschalters sind: ein Weicheisenkern mit zwei Wicklungen, ein Schaltanke mit Rückzugsfeder und zwei Kontakten. Die eine der beiden Wicklungen, besteht aus vielen Windungen dünnen Drahtes, die Spannungsspule, die andere hat wenige Windungen eines dicken Drahtes und wird als Stromspule bezeichnet.
Lichtmaschine Rückstromschalter

Die Spannungsspule ist unmittelbar parallel zu den beiden Kohlebürsten der Lichtmaschine geschaltet und erhält somit die volle erzeugte Spannung (Bild a). Das von ihr erzeugte Magnetfeld wächst mit ansteigender Spannung und übt eine immer größer werdende Anziehungskraft auf den Magnetanker des Schaltkontakt aus. Die Kraft der Feder ist so bemessen, daß sie erst durch die Magnetkraft überwunden wird, wenn die Lichtmaschinenspannung höher ist als die Batteriespannung. Ist dies der Fall, dann wird der Anke angezogen, die Kontakte schließen sich, und der Stromkreis zwischen Lichtmaschine und Batterie wird geschlossen (Bild b). Der nunmehr über die Stromspule fließende Strom verstärkt das Magnetfeld der Spannungsspule weiter, so daß der Anker kräftig festgehalten.
Lichtmaschine Funtionsweise Rückstromschalter
Lichtmaschine Funtionsweise Rückstromschalter

Ist mit sinkender Motordrehzahl die Lichtmaschinenspannung so weit abgefallen, daß sie unter der Batteriespannung liegt, dann wird die Batterie nicht mehr geladen, sondern es fließt umgekehrt ein Strom aus der Batterie in die Lima (Rückstrom). Da die Stromspule jetzt von der Gegenseite durchflossen wird, wirkt das Magnetfeld der Spannungsspule entgegen (Bild c), das Magnetfeld verringert sich und die Feder zieht den Anker zurück, die Kontakte öffnen. Damit wird die Verbindung zwischen Lichtmaschine und Batterie getrennt.
Lichtmaschine Funtionsweise Rückstromschalter

Der Spannungsregler (Lichtmaschinenregler)

Die Abhängigkeit der Lichtmaschinenspannung von der Motordrehzahl bleibt auch dann noch bestehen, wenn die Lima bereits an den Batteriestromkreis verbunden ist (durch den Rückstrom- schalter). Die erzeugte Spannung würde also bei weiterer Drehzahlerhöhung ansteigen und zwangsläufig zur Ladestromerhöhung führen. Die höhere Spannung würde außerdem zum Ausfall der eingeschalten Verbraucher (z.B Glühlampen) führen
Aus diesem Grunde ist ein Regler erforderlich, der die Lichtmaschinenspannung bei unterschiedlichen Drehzahl- und Belastungsschwankungen konstant hält.

Es wird unter spannungsregelnden und stromregelnden Lichtmaschinen unterschieden. Am weitesten verbreitet sind spannungsregelnde Limas. Auf die Stromregelnden gehe ich später ein.

Das Prinzip der Spannugsreglung besteht darin, daß die durch Drehzahl- und Lastschwankungen verursachten Spannungsunterschiede durch die Änderung des Erregerstromes ausgeglichen werden. Durch den Einsatz eines elektromagnetischen, mechanischen Schaltregler, der bei zu hoher Spannung das Erregerfeld verringert, indem in schneller Folge einen Vorwiderstand abwechselnd in den Erregerstromkreis eigeschaltet, ihn überbrückt bzw. die Erregerwicklung kurzschließt.
Es gibt eine Vielzahl der unterschiedlichsten Regler, die aber alle nach dem gleichen Grundprinzip arbeiten. Im folgenden beschränken wir uns auf “Zweikontaktregler”

Aufbau des Regler

Beim der folgenden Reglebeschreibung sind Rückstromschalter und Regler zu einem Bauteil
vereinigt. Sie haben einen gemeinsamen Weicheisenkern der die Strom und Spannungsspule trägt.Der rechte Anker “Sa” gehört ist der Rückstromschalter, der linke “Ra” ist der Regler. Am Rückstromschalter stehen sich ein fester Kontakt “Sk1” und ein mit dem Anker verbundener Kontakt “Sk2” gegenüber. Der Regler hat zwei Kontaktpaare (Zweikontaktregler). Zwischen zwei festen Kontakten “Rk1” und “Rk3” liegt ein ebenfalls mit einen Anker verbundener Doppelkontakt “Rk2”. In der Ruhelage ist das äußere Kontaktpaar des Reglers geschlossen, “Rk2” an “Rk1”.
Die Spannugsspule ist geschaltet, daß sie im Betrieb die volle Lichtmaschinenspannung erhält, während in der Stromspule erst ein Strom fließt nachdem der Rückstromschalter geschlossen ist. Je nachdem in welcher Richtung der Strom (Lade- oder Rückstrom) fließt, wird das magnetfeld der Spannungsspule unterstütz bzw. geschwächt.
Die Bügelfeder des Reglers mit dem Anker “Ra” und der Doppelkontakt “Rk2” sind isoliert befestigt und mit der Erregerwicklung der Lima “Le” und dem Vorwiderstand “Rv” verbunden.
Der Kontakt “Rk1” und der Vorwiderstand liegen an Masse. Der Kontakt “Sk2” ist mit der Lichtmschine verbunden.
mechanischer Regler Aufbau

Funktionsweise des Regler

Lichtmaschine läuft mit geringer Drehzahl

Die Spannung der Lichtmaschine ist noch sehr gering, so daß durch die Spannungsspule nur ein kleiner Strom fließt. Das im Eisenkern erzeugte Magnetfeld reicht nicht aus, die Federkraft der Anker zu überwinden und diesen anzuziehen. Der Rückstromschalter ist geöffnet, der Reglerkontakt “Rk2” befindet sich an “Rk1”. Die Ladekontrolllampe brennt.
Funktionweise Lichtmaschinenregler

Lichtmaschine läuft mit gesteigerter Drehzahl

Die Spannung der Lichtmaschine ist gestiegen und damit die Magnetkraft der Spannungsspule.
Der Anker “Sa” wird angezogen, der Rückstromschalter “Sk1” / “Sk2” schließt. Die Ladekontrolle verlischt.
“Rk2” befindet sich an “Rk1” die Maschine wird voll erregt.
Der Ladestrom beginnt in die Batterie zu fließen.
Funktionweise Lichtmaschinenregler

Lichtmaschinendrehzahl steigt weiter an

Mit steigender Drehzahl steigt die in der Spannungs- und Stromspule erzeugte Magnetkraft an, bis die Federkraft des Reglerankers “Ra” überwunden wird und der Kontakt zwischen “Rk1” und “Rk2” unterbrochen wird. “Rk2” hat jetzt weder mit “Rk1” noch mit “Rk3” kontakt. Dadurch wird der bisher kurzgeschlossene Vorwiderstand “Rv” in den Erregestromkreis eingeschaltet. Der Erregerstrom sinkt. Die Lichtmaschine wird nichtmehr voll erregt.
Die Lichtmaschinenspannung verringert sich.
Funktionweise Lichtmaschinenregler

Sehr hohe Drehzahl

Bei hoher Drehzahl steigt die Lichtmaschinenspannung und damit auch der Ladestrom weiter an.Durch die gemeinsame Wirkung der Spannungs- und Stromspule wird der Regleranker “Ra” über die Mittellage hinaus gezogen und schließt den Kontakt zwischen “Rk2” und “Rk3” damit wird die Erregerwicklung kurzgeschlossen, die Lichtmaschinenspannung fällt stark ab. Dieser Vorgang ist sehr kurz und “Ra” geht in die Mittellage zurück. Durch jetzt normale Erregung steigt die Spannung wieder an und der Vorgang beginnt von neuem (Der Kontakt flattert hin und her).
Die Spannung der Lichtmaschine bleibt durch diese kurzen Schaltvorgänge konstant. (Zweipunkt Reglung)

Der Regler tut jetzt was er soll!
Funktionweise Lichtmaschinenregler

Abschalten der Batterie (Rückstromschalter)

In sehr niedrigen Drehzahlen der Lichtmaschine ist die erzeugte Spannug niedriger als die Batteriespannug. Es würde ein Strom aus der Batterie zurück in die Maschine fließen und die Batterie entladen.
Mit dem Trennen der der Kontakte “Sk1” und “Sk2” wird das verhindert.
Mit sinkenter Lichtmaschinenspannug ist auch die Magnetkraft im “Reglerkern” geringer geworden. Dadurch geht der Regleranker “Ra” in seine Ausgansstellung zurück. Gleichzeitig fließt ein Strom von der Batterie in die Stromspule, und zwar in der entgegengesetzten Richtung wie der in der Spannungsspule, (Spannungs- und Stromspule arbeiten gegeneinander) das Magnetfeld wird geschwächt und der Anker “Sa” fällt ab. “Sk1” und “Sk2” trennen die Batterie von der Lichtmaschine.
Funktionweise Lichtmaschinenregler

Lichtmaschinen mit Stromreglung

Lichtmaschinen mit Stromreglung halten den abgegebenen Strom unabhängig von der Drehzahl konstant.
Der Aufbau ist Unterscheidet sich nur unwesentlich von anderen Gleichstromlichtmaschinen.
Es ist aber nur ein Lade- bzw. Rückstromschalter vorhanden
Die Reglung erfolgt mit einer dritten Kohlebürste. Infolge der Feldverzerrung, die durch das elektromagnetische Feld des Ankers hervorgerufen wird, wird der Erregerstrom immer schwächer, damit wird die Stromerzeugung begrenzt und die Maschine vor Überlast geschützt.
Achtung! Die Maschinenspannung ist vom Ladezustand der Batterie abhängig. Eine geladene Batterie erhält einen hohen und eine leere Batterie einen niedrigen Ladestrom.
Stromgeregelte Lichtmaschine