Drehstromgenerator

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Prinzip

Bild 1 - Wechselstromgenerator

Strom wird erzeugt, in dem ein elektrischer Leiter senkrecht durch ein Magnetfeld bewegt wird. Dieser Effekt heisst Lorentzkraft und setzt Elektromotoren in Bewegung und umgekehrt. Umgekehrt entsteht um einen Leiter, durch den Strom fliesst ein Magnetfeld.

Bewegt man in einem Generator Spule oder Magneten in diesem Sinne, erzeugt er elektrischen Strom. Das notwendige Magnetfeld kann durch Festmagneten erzeugt werden, oder durch eine weitere Spule, an die eine geringe Spannung angelegt wird, die Erregerspannung. Moderne Generatoren in Fahrzegen haben keine Festmagneten, sondern benutzen das Prinzip der Erregerspule, an die zum initialen Starten Batteriespannung angelegt wird. Das so erzeugte Magnetfeld wird nun genutzt, um den Strom in den Generatorspulen zu erzeugen. Erzeugt der Generator erst einmal ausreichend Strom, wird in Teil davon zur Erzeugung der Erregerspannung genutzt. Eine Lichtmaschine die nach diesem Prinzip fuktioniert nennt man eine selbsterregende Lichtmaschine.

Wechselstrom und Gleichrichtung

Bild 2 - Wechselspannung, u = Spannung

Um den Leiter bzw. das Magnetfeld dauernd zueinander in Bewegung zu halten, ist ein rotierender Aufbau notwendig. Das bedeutet aber auch, dass die einzelne Spule einmal durch beide Pole des Magnetfeldes bewegt wird. Das führt dazu, das die Spannung steigt und sinkt, Plus und Minus sich vertauschen und der Strom seine Flussrichtung ändert: eine typische Wechselspannung. Ein Generator erzeugt daher immer eine sinusförmige Wechselspannung bzw. eine Wechselstrom. In Bild 2 sieht man den Verlauf einer Wechselspanung, erzeugt mit einer Spule in einem Magnetfeld. Eine Umdrehung der Spule entspricht einer 360° Drehung. Die Spannung steigt bis 90° an und sinkt danach wieder ab. Bei 180° durchläuft sie den Nullpunkt und die Polarität wechselt (+ und - wechseln). Der Strom fliesst nun in die entgegengesetzte Richtung. Das nächste Spannungsmaximum ist nun bei 270°. Bei 360° bzw. 0° beginnt Zyklus von neuem.

In einer Batterie kann aber nur Gleichspannung gespeichert werden und diese kann auch nur Gleichspannung abgegeben. Daher sind die Verbraucher in einem Auto auch meistens für Gleichspannung ausgelegt. Somit muss diese Wechselspannung gleichgerichtet, d.h. eine Gleichspannung daraus gemacht werden.

Um diesen Verlauf weiter zu glätten und einen möglichst gleichmässigen Gleichstrom zu erhalten, werden nun drei Spulen verwendet, die mit 120° Versatz angeordnet sind. Daraus resultieren drei um 120° versetzte Wechselspannungen:(2 BILD!). Man kann erkennen, dass dadurch bereits eine gleichmässigere Spannung als mit nur einer Spule entsteht.

Aufbau

Bild 2 - Rückseite Generator,ohne Regler.

Kohlebürsten

In der Mitte des Generators ist eine Welle, die vom Motor , z.B. über einen Riemen, gedreht wird. Auf ihr sitzt die Erregerspule und bildet mit der Welle den Rotator oder Rotor. Diese Erregerspule wird über zwei Kohlebürsten, die an die Welle geführt werden mit Spannung versorgt. Im Gehäuse sind um den Rotor drei Spulen angeordnet, die jeweils um 120° versetzt sind. Die Anzahl und der Versatz der Spulen, sorgt für eine gleichmässigere aber immer noch pulsierende Gleichspannung nach der Gleichrichtung. (siehe Gleichrichtung).

Zur Kühlung der Leistungsdioden des Gleichrichters und des Generators ist ein Lüferrad angebracht. Generatoren mit sehr hoher Leistung sind oftmals flüssiggekühlt. Die Leistungsabnahme erfolgt über eine große Schraube. Diese ist mit dem Ausgang des Gleichrichters verbunden. Als Eingang besitzt der Generator eine Buchse, an der die Erregerspannung mit einem Stecker angelegt wird.

Funktionsprinzip

Stromerzeugung

Solange der Motor noch nicht die Welle des Generators dreht, gibt es nur eine Energiequelle im Fahrzeug, die Batterie. Die Lichtmaschine ist auf deren Strom angewiesen, um mit der Erregerspule ein Magnetfeld aufbauen zu können. Daher wird über die Ladekontrollampe des Fahrzeugs die Batteriespannung an die Welle des Rotors angelegt. Dreht der Anlasser nun den Motor und damit auch den Rotor, dreht sich das statische Magnetfeld mit. In den äusseren drei Spulen wird nun ein Strom induziert. Dieser Strom wird Gleichgerichtet und zur Speisung der Battere benutzt. Ein geringer Teil davon kann dann zur Erregung genutzt werden, d.h. es ist ein selbsterregender Generator. Fahrzeuge mit tiefentladener Batterie können deshalb auch nicht angeschleppt werden, es ist nicht genug Spannung für die Erregerspule vorhanden, um den Prozess der selbsterregenden Stromerzeugung in Gang zu bringen.

Regelung