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Die Grundlagen eines Ladesystems - Aufbau und Wirkungsweise von Lichtmaschinen an Motorrädern

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Die Grundlagen eines Ladesystems

An fast jedem Motorrad gibt es eine Batterie, um den Motor zur starten und eine gewisse Menge elektrischer Energie zu speichern. Die Batterie selbst wird durch einen Generator geladen, angetrieben durch den Motor, und solange der Motor läuft, fließt Strom in die Batterie. Die Leerlaufspannung einer vollgeladenen Batterie beträgt etwa 13 Volt. Zum Laden sollte das Ladesystem eine Spannung von 14,4 Volt bereitstellen, und diese Spannung sollte über alle Motordrehzahlen konstant sein.

Die Lichtmaschine selbst ist im oder am Motor angebaut, und bei den meisten Motorrädern gibt es einen separaten Gleichrichter/Regler irgendwo am Rahmen. Der Grund dafür ist, daß fast alle Motorräder mit einem Dreiphasen-Wechselstrom- (Drehstrom-) -Generator ausgestattet sind, während das elektrische System des Motorrades ein Gleichstromsystem ist. Der Gleichrichter ist dafür zuständig, aus dem Wechselstrom Gleichstrom zu machen, den die Batterie speichern kann. Der Drehstromgenerator wird hauptsächlich eingesetzt, weil er viel effizienter als ein Gleichstromgenerator ist. Er kann sogar noch Ladestrom für die Batterie liefern, wenn der Motor im Leerlauf läuft. Der Regler wird, wie der Name schon sagt, benötigt, um die Ausgangsspannung zur Batterie auf die erforderlichen 14,4 Volt zu regeln.

Der Permanentmagnetgenerator

Eine Lichtmaschine produziert elektrische Leistung, weil sie Kupferdrahtwicklungen auf dem Stator hat (das ist der nicht bewegte Teil der Lichtmaschine - siehe Bild links), der sich innerhalb eines veränderlichen Magnetfeldes befindet.

Die einfachste Lichtmaschine - z.B. ein Fahrrad-Dynamo - benutzt ein Schwungrad, angetrieben von der Kurbelwelle, mit ein paar innen eingebauten Magneten. Wir nennen dieses Schwungrad mit seinen eingebauten Magneten Rotor. Die Magnete selbst haben Nord- und Südpole und das Schwungrad rotiert um den Stator. Der Stator ist, wie bereits beschrieben, ein Metallkern mit einer Anzahl Metallpolen, die Wicklungen aus Kupferdraht besitzen.

Weil das Schwungrad rotiert und Nord- und Südpole innen hat, sind die Wicklungen des Stators zunächst einem Nordpol ausgesetzt, dann einem Südpol, dann wieder einem Nordpol usw. Das ist das veränderliche Magnetfeld, welches benötigt wird, um in den Statorspulenwicklungen Wechselstrom zu erzeugen. Die Wicklungen selbst sind in Sternform miteinander verbunden (eine Wicklung hat zwei Enden, und jeweils die einen Enden der drei verschiedenen Wicklungen sind miteinander verbunden), sodaß der Stator nur drei Ausgangsleitungen besitzt (siehe Bild).

Diesen Lichtmaschinenaufbau nennen wir einen Permanent-Magnetgenerator, weil das Schwungrad Magnete besitzt, die dauernd (permanent) magnetisch sind. Die Ausgangleistung eines bestimmten Stators hängt ab von der Drehzahl (je höher die Geschwindigkeit der Magnetfeldänderung, desto höher die Statorausgangsleistung) und der Kraft des Magnetfeldes (welche konstant ist). Grundsätzlich erzeugt der Stator einen bestimmten Output bei einer bestimmten Drehzahl.

Dann wird dieser Wechselstrom durch den Gleichrichter geleitet. Dieser Gleichrichter konvertiert die drei Wechselstromphasen in einen einzigen Gleichstromausgang, einmal Minus (Masse) und einmal Plus. Weil der Stator Leistung erzeugt, die der Motordrehzahl entspricht, ist die Statorausgangsspannung fast immer zu hoch. Das bedeutet, daß die Ausgangsspannung des Gleichrichters immer über 14,4 Volt liegt, welches sich in überladener Batterie und zerstörten elektrischen Einrichtungen des Motorrades äußern würde, die nur für Spannungen zwischen 12 und 15 Volt ausgelegt sind.

Glücklicherweise gibt es den Regler. Dieser mißt die Gleichspannung an den Polen der Batterie und leitet eine gewisse Menge Leistung, die durch den Stator erzeugt wird, gegen Masse ab. Das wird ständig reguliert, sodaß die Ausgangsspannung des Gleichrichters (die idealerweise die gleiche Höhe wie die Batteriespannung beträgt) immer auf 14,4 Volt bleibt.

Der Permanentmagnetgenerator ist nicht sehr effizient, aber er ist sehr einfach und ziemlich zuverlässig. Das erklärt, warum er das am meiste benutzte System bei Motorrädern ist.

Eines der Probleme mit diesen Systemen ist das Ableiten der überschüssigen Leistung. Das wird vom Regler erledigt, und dieses Teil muß Leistung durch Kurzschließen vernichten, was zur Folge hat, daß es sehr heiß wird. Der Regler/Gleichrichter muß so gebaut sein, daß die Hitze effizient von den elektronischen Bauteilen zum Gehäuse geleitet wird, die deshalb meistens mit Kühlrippen ausgestattet sind. Das ist der wichtigste Teil beim Bau eines Reglers/Gleichrichters bei Verwendung in einer Permanentmagnet-Lichtmaschine.

Der Reglerteil dieser Einheit muß irgendwo im System die Gleichspannung messen. Bei den billigsten Geräten (das betrifft fast alle Originalhersteller) wird nicht die Gleichspannung im Bordnetz gemessen, sondern die Wechselspannung zwischen einer Statorphase und Masse, und manchmal wird die überschüssige Leistung nur von einer oder zwei Wechselstromphasen kurzgeschlossen, anstatt alle drei Phasen zu regeln.

Die besseren Geräte messen ihre eigene Ausgangsspannung und regulieren folglich die Wechselstromeingangsleistung durch Kurzschließen von mehr oder weniger Leistung, gleichmäßig auf alle drei Phasen verteilt.

Einige Regler haben eine besondere Leitung, um die Bordspannung zu messen. Diese Leitung wird normalerweise hinter dem Zündschloß abgegriffen und nicht an der Batterie. Das wird gemacht, um eventuelle Spannungsabfälle durch schlechte Verbindungen zwischen dem Gleichrichter und den Batteriepolen auszugleichen. Durch diese Leitungen fließt ein hoher Strom, und jede schlechte Verbindung resultiert in einer geringeren Ladespannung. Durch die Meßleitung fließt ein viel geringerer Strom und das Resultat ist, daß die Ausgangsspannung des Gleichrichters höher ist, die gleiche Spannung wie der Spannungsabfall in den Hochstrom-Ladeleitung plus 14,4 Volt. Das hat den Vorteil, daß die Batterie trotz schlechter Verbindungen geladen wird, aber hat auch den Nachteil, daß die Hochstromleitungen eventuell abbrennen können, ohne vorher den Fahrer auf das Problem im Ladestromkreis aufmerksam zu machen. Die meisten GS-Modelle haben deshalb den Ladestromkreis mit einer 15-A-Sicherung abgesichert.


Merke! Die Ausgangsleistung aus den Statorwicklungen kommt aus den Phasen. Der Wechselstromteil dieser drei Phasen ist massefrei. Die Masse im Ladesystem ist der negative Ausgang des Gleichrichters. Das bedeutet, daß Messungen im Wechselstromausgang immer zwischen zwei Phasen gemacht werden müssen und nicht von einer Phase gegen Masse.


Die feldgeregelte Lichtmaschine

Das andere System, welches in Motorrädern verwendet wird, ist die feldgeregelte Lichtmaschine. Das System selbst arbeitet im Prinzip wie eine Permanentmagnet-Lichtmaschine, der einzige große Unterschied ist, daß es keine Permanentmagnete gibt, sondern stattdessen einen Elektromagneten, der das erforderliche Magnetfeld bereitstellt. Der Elektromagnet ist eine einzige große Wicklung auf einem Metallkern, der magnetisch wird, sobald durch die Wicklung ein Gleichstrom fließt, der aus der Batterie bereitgestell wird. Autolichtmaschinen arbeiten grundsätzlich nach dem gleichen System.

Bei den meisten der feldgeregelten Systeme hat dieser Metallkern klauenförmige Pole und zwei Schleifringe. Das ganze Teil rotiert auf der Kurbelwelle, mit der Statorwicklung drumherum (im Prinzip genau wie beim Permanentmagnetstator). Stelle Dir vor, Du schaust von außen seitlich auf den Rotor. Dort siehst Du zwei zusammengepresste Metallstücke mit einer Wicklung dazwischen. Wenn Du Batteriespannung auf die Schleifringe gibst, benimmt sich der Rotor wie ein großer Elektromagnet, und die eine Seite des Rotors wird ein Nordpol und die andere Seite ein Südpol. In der Mitte siehst Du die Stücke klauenförmig ineinandergreifen, das bedeutet, wenn sich der Rotor dreht, hast du zunächst einen Südpol, dann einen Nordpol und dann wieder einen Südpol. Das ist das benötigte veränderliche Magnetfeld, um Wechselstrom in den Statorwicklungen zu erzeugen.

Der Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) aus den Statorwicklungen wird zu einem Gleichrichter geführt, um Gleichstrom zum Laden der Batterie herzustellen.

Der Regler mißt die Spannung im Bordnetz. Liegt sie niedriger als 14,2 Volt, schaltet er das Feld an (er legt Bordnetzspannung an die Schleifringe). Der Rotor produziert ein Magnetfeld und der Stator liefert Leistung. Wenn die Spannung des Bordnetzes über 14,4 Volt steigt, schaltet der Regler das Feld wieder ab. Daraufhin wird die Spannung wieder fallen, weil der Stator keine Leistung mehr erzeugt (es gibt kein Magnetfeld mehr). Wenn die Spannung erneut unter 14,2 Volt fällt, schaltet der Regler das Feld wieder ein.

Dieses ist ein konstanter Prozeß, und als Resultat liegen an den Batteriepolen immer 14,4 Volt an. Weil der Stator keine überschüssige Leistung produziert, die es zu vernichten gilt, ist dieses System sehr effizient. Allerdings ist es nicht so einfach und kleinbauend wie das einer Permanentmagnet-Lichtmaschine.

 

Die wartungsfreie feldgeregelte Lichtmaschine

Manche Lichtmaschinen (z.B. bei einigen Kawasakis) sind etwas anders aufgebaut. Bei Ihnen liegt der Stator unter einer Abdeckung wie auch die Feldwicklung in der Mitte. Zwischen ihnen rotiert ein eiserner Klauenpol, angetrieben vom Motor. Der Klauenpol wird von der Feldwicklung magnetisiert, und das System arbeitet wie das oben erläuterte feldgeregelte. Der Unterschied ist der, daß die Feldspule nicht rotiert, deshalb braucht sie nicht über Schleifringe und Bürsten erregt zu werden, was das System scheinbar wartungsfrei macht. Der Nachteil dieser Bauart ist ein zusätzlicher Luftspalt zwischen der Feldwicklung und dem Klauenpol. Normalerweise gibt es nur einen sehr schmalen Luftspalt zwischen Rotor und Stator, um den Rotor frei drehen zu lassen. Dieser Luftspalt muß so klein wie möglich sein. Je schmaler der Spalt, desto effizienter arbeitet der Generator. In diesem wartungsfreien System gibt es einen zusätzlichen Luftspalt. Deshalb ist dieses System weniger effizient.

Die feldgeregelte Lichtmaschine in einem Bauteil

Die letzte Variante dieses Systems ist ein Generator, der wie eine Autolichtmaschine am Motor befestigt wird. Er wird vom Motor angetrieben und hat einen eingebauten Gleichrichter und Regler.

Die einzigen Verbindungen sind die positive Ausgangleitung zum Batterie-Pluspol und eine Meßleitung vom Zündschloß zum Regler. Manchmal kommt noch eine dritte Leitung aus dem Gehäuse, die eine Masseleitung ist, entweder zum Rahmen oder zum Batterie-Minuspol.

So, ich hoffe, dieser kleine Ausflug in die Elektrizität und die Physik hat geholfen, etwas Licht ins Dunkel zu bringen - aber deshalb heißen die Dinger doch Lichtmaschinen - oder?

Vielen Dank an den Author, Ritzo Muntinga von Electrex (USA) und den Übersetzer Reiner Kremzow die Freigabe zur Veröffentlichung auf unserer Homepage