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erregende Generatoren

Als Gott das Licht erfand

Bild: PixelQuelle.de

hatte er wohl keine Ahnung von Elektrotechnik.
Sonst hieße der Teufel wohl "LUCAS"
Denn Lucas war oder ist noch immer das Sinnbild für die elektrisch betriebene Dunkelheit; zumindest in Mechanikerkreisen

Quatsch beiseite:

Das Batterie-Ladesystem

Lichtmaschine selbst erregend
Lichtmaschine selbst erregend

An modernen Motorrädern gibt es (in den allermeisten Fällen) eine Batterie, um den Motor zur starten. Das ist nur möglich, weil dieser Akkumulator fähig ist, eine gewisse Menge elektrischer Energie zu speichern. Der Akku selbst (im folgenden auch mal Batterie genannt) wird durch einen "Generator“ geladen. Dieser Generator (auch Lichtmaschine genannt) wird vom Motor angetrieben und pumpt elektrische Energie in den Akku.

Die Lichtmaschine selbst ist im oder am Motor montiert. Zum Laden sollte sie idealer Weise eine konstante Spannung von 14,2 - 14,4 Volt bereitstellen, die sich auch bei unterschiedlichen Belastungen und Motordrehzahlen nicht ändern soll.
Zu jeder Art dieser Generatoren gehört unverzichtbar der "Lichtmaschinenregler“, der die Batterie-Ladespannung auf dem nötigen Level zwischen 14,2 und 14,4 Volt hält. Hinzu kommt – oft genug im selben Gehäuse des Reglers integriert – der Gleichrichter. Er ist nötig, um den im Generator hergestellten Wechselstrom "gleich zu richten“, also in Gleichstrom umzuwandeln. Schließlich sind moderne Motorräder mit einem leistungsfähigem "Dreiphasen-Wechselstrom- (Drehstrom-) Generator“ ausgestattet, während die gesamte Elektrik des Motorrades auf Gleichstrom basiert. Der Drehstromgenerator wird hauptsächlich deshalb eingesetzt, weil er wesentlich effizienter ist als ein Gleichstromgenerator. Er kann sogar noch etwas Ladestrom für die Batterie liefern, wenn der Motor mit niedriger Drehzahl im Leerlauf läuft, wo der Gleichstromgenerator längst passen muss.

Der "selbsterregende" Permanentmagnetgenerator

Stator
Stator mehr über Lichtmaschinen

Nein, das ist nichts unsittliches!

Eine Lichtmaschine produziert dadurch elektrische Leistung, dass ein Magnetfeld - hier der drehende Rotor mit seinen Permanentmagneten - sich um eine feststehende Wicklung dreht und so durch das sich ständig änderndes Magnetfeld elektrische Energie in dieser Wicklung (dem Stator) induziert.
Also einfach gesagt: Strom erzeugt.

Diesen Lichtmaschinenaufbau nennen wir Permanentmagnet-Generator und/oder „selbsterregend", weil das Schwungrad Dauermagnete besitzt, welche permanent magnetisch sind. Und "selbsterregend" weil diese Art von Stromerzeuger keine elektrische Leistung benötigt, um seine Arbeit ersteinmal aufzunehmen, sich also selbst zur Stromerzeugung anregt.

Die Leistung eines solchen Generators hängt einmal von der Drehzahl ab (je höher die Geschwindigkeit der Magnetfeldänderung – also Motordrehzahl, desto höher die Generatorleistung) und zum Zweiten von der Kraft der Magnete (welche konstant ist).

Lichtmaschine selbst erregend
Lichtmaschine selbst erregend

Der erzeugte Wechselstrom wird dem Gleichrichter zugeleitet, welcher seinem Namen in der Regel alle Ehre tut, den über 2 oder 3 Leitungen ankommenden Wechsel- (Dreh-)Strom gleichrichtet und diesen Gleichstrom in das Bordnetz zur Stromversorgung und Batterieladung leitet.

Lichtmaschine Moped

Weil die Lichtmaschinenleistung und damit die abgegebene Spannung mit der Motordrehzahl ansteigt und im Leerlauf die Batterie ja auch schon mit 14,2 Volt geladen werden soll, würde die in das Bordnetz geleitete Spannung spätesten bei 3000 Umdrehungen/sek sämtliche Verbraucher überfordern. Glühbirnen würden zerplatzen, die Zündbox still und leiste ein letztes mal aufrauchen.... (Zündboxen sind also mit Rauch gefüllt. Wenn sie kaputt gehen, kommt er raus ;-)

Gott sei Dank erfand da wer den Lichtmaschinenregler (Gott war’s natürlich nicht! Der hatte ja wohl keine Ahnung von Elektrik, denn sonst könnten wir die Glühbirne am Himmel nach Bedarf regeln). Dieser „Regler“ also, leitet solange alle überflüssig produzierte Energie gen Masse (was im Grunde einem Kurzschluss entspricht), bis die Bordspannung die idealen 14,2-14,4 Volt nicht mehr übersteigt. Diese Regulierung geschieht in irrer Geschwindigkeit, so daß davon nichts zu merken ist. Außer dass der Regler dabei warm wird.

Der Nachteil ist die Regelung bzw. das Ableiten der überschüssigen Energie.
Das wird – wie wir schon wissen - vom Regler erledigt. Er muss bei dieser Art von Generatoren die überschüssige Leistung durch Kurzschließen regelrecht vernichten, was zur Folge hat, dass Lichtmaschinenwicklung (die ständig unter Vollast läuft) und Regler ziemlich warm werden.

Der Permanentmagnetgenerator ist zwar nicht der effizienteste seiner Art, allerdings sehr simpel, günstig herzustellen, wartungsfrei und zuverlässig. Das erklärt, warum er das häufigste System bei Motorrädern ist.

Die feldgeregelte Lichtmaschine,

Lichtmaschine fremderregt
Lichtmaschine fremderregt

das System der Auto-Lichtmaschinen.

Ein besseres aber teureres System ist die "feldgeregelte" oder "fremderregte" Lichtmaschine. Der bezeichnende Unterschied liegt darin, dass es sozusagen eine dritte Hand benötigt, um die erwünschte Funktion zu erreichen. Ein Schelm, wer jetzt...

Es gibt also keine rotierenden Permanentmagnete, sondern an deren Stelle tritt ein rotierender Elektromagnet, der das erforderliche Magnetfeld bereitstellt. Dieser Elektromagnet ist eine einzige große Wicklung auf einem Metallkern, der magnetisch wird, sobald ein Gleichstrom durch die Wicklung fließt. Der erfordeliche Strom wird von der Batterie bereitgestellt und vom Regler gesteuert.

Bei den meisten der feldgeregelten Systeme besteht der Rotor aus einem Metallkern mit klauenförmigen Polen, dazwischen die Wicklung und zwei Schleifringe zur Stromaufnahme. Das ganze Teil rotiert natürlich abhängig von der Motordrehzahl. Der Lichtmaschinenregler muss hier nicht mehr die hohe Ausgangsleistung des Generators "verbraten", sondern leitet solange Strom (ca. 1-3 Ampère) für die Magnetfelderzeugung zum Lichtmaschinenrotor, bis die gewünschte Ausgangsspannung erreicht ist. Dazu misst der Regler ständig die Spannung im Bordnetz.

Liegt sie unter 14,2 Volt, schaltet er das Feld an (er legt Batteriespannung an die Schleifringe des Rotors), im Rotor entsteht sofort ein Magnetfeld und der Stator liefert die geforderte elektrische Energie. Wenn die Spannung an der Mess-Stelle des Reglers über 14,4 (je nach Batterietyp manchmal 14,8) Volt steigt, schaltet der Regler das Feld wieder ab. Daraufhin bricht das Magnetfeld zusammen, die Lichtmaschine hört auf elektrische Leistung zu erzeugen, die Bordspannung sinkt. Sobald diese wieder unter 14,2 Volt fällt, schaltet der Regler das Feld erneut ein. Dieser Vorgang erfolgt innerhalb Sekundenbruchteilen immer wieder. Einziger Wartungspunkt sind die verschleißenden "Bürsten", die Schleifkohlen.

Diese Art der Lichtmaschine findet sich zum Beispiel in
Suzuki GT380/550/750
Honda Bol d'Or CB750F und CB900F
Yamaha XJ650

Die moderne, kompakte und leistungsfähige Version dieser Generatoren fand sich im Motorradbau als erstes in der Suzuki GSXR750 von 1985 wieder und hielt danach in vielen größeren Modellen aller Hersteller Einzug. Aufbau und Funktion decken sich mit dem oben beschriebenen, Gleichrichter und Regler sind allerdings im Lichtmaschinengehäuse integriert. Die komplette Einheit wird als autarkes Bauteil am Motor angeflanscht. Die einzige Verbindung zur Bordelektrik ist die positive Ausgangleitung zum Batterie-Pluspol.
Eine Referenzleitung vom Zündschloss zum Regler und Masseleitung kommen manchmal hinzu.

Eine völlig wartungsfreie Abart

Dieses System wurde zB. in Yamaha XS1100 oder Honda CBX650 und CB750K verbaut. Hier sind beide Wicklungen feststehend montiert, zwischen ihnen rotiert ein eiserner Klauenpol, der vom Motor angetrieben wird.
Der Nachteil dieser Bauart ist ein zusätzlicher Luftspalt zwischen der magnetfelderzeugenden Feldwicklung und dem Klauenpol, was zu reduzierter Leistung bzw. erhöhter Baugröße führt. Denn je geringer die Spaltmaße, desto effizienter arbeitet ein Generator.
Teurer und schwerer isses auch noch!

Regler und Gleichrichter

Wir beziehen uns hier NUR auf die Regelung selbsterregender Generatoren

Die Regeleinheit (meist mit dem Gleichrichter in einem Gehäuse verbaut) muss also ständig irgendwo im System die aktuelle Spannung messen. Bei den billigst aufgebauten Geräten (und das betrifft leider sehr viele Originalteile) wird nicht die Spannung von Batterie oder Bordnetz gemessen, sondern die Wechselspannung zwischen einer Phase des Stators und Batterie-Minus (Masse) . Und wenn's noch nicht billig genug ist, wird die überschüssige Generatorleistung durch Kurzschluss nur einer einzelnen der Wechselstromphasen heruntergeregelt, anstatt alle drei Phasen gleichmäßig zu regeln.
Die eine ständig geregelte Phasenwicklung ist dann die erste, die wegen Überhitzung den Dienst versagt, da hier deutlich höhere Ströme fließen.

Die besseren Lichtmaschineneregler messen ihre eigene Ausgangsspannung und regulieren die Eingangsleistung aller drei Stator-Phasen gleichmäßig.

Einige Regler haben eine besondere Referenzleitung
um die Bordspannung zu messen. Hier wird die Spannung nicht direkt an der Batterie sondern irgendwo mitten im Bordnetz oder am Zündschloß gemessen, was eventuelle Spannungsabfälle durch schlechte Verbindungen zwischen dem Gleichrichter und den Batteriepolen ausgleichen soll. Das Resultat ist, dass die Ladespannung solange angehoben wird, bis am Messpunkt 14,2 Volt anliegen.
Bei intakter elektrischer Anlage treten hier keinerlei Probleme auf. Erst wenn nach einigen Jahren die Leitfähigkeit der Kabel und Steckverbinder nachlässt, so der Ladekreis seine Spannung weiter erhöht, bis die erwünschte Spannung am Messpunkt durch den Regler erkannt wird, kann es zu einer Überspannung an elektronischen Bauteilen und zur ständigen Überladung der Batterie kommen. Ein erstes Anzeichen hiefür ist, dass über die Jahre die Haltbarkeit der Batterie sinkt und immer öfter Batteriewasser aufgefüllt werden muss (sofern keine Wartungsfreie Batterie verwendet wird).

Ist schon wieder die Batterie defekt?

Ist die Ladespannung zu hoch?

Zunächst müssen natürlich die üblichen Verdächtigen ausgeschlossen werden. Also alle in Betracht kommenden Kabel und Verbindungen prüfen, vor allem die Masseverbindungen.

Manche Motorräder (besonders jene, die im Original noch mit einer Blei-Säure-Batterie ausgeliefert wurden) haben das oben bereits erwähnte Fühler- oder Referenzkabel, welches mit dem Einschalten des Zündschlosses Spannung führt.
Bei Honda ist das meist ein schwarzes Kabel am Regler, bei Kawasaki braun, hier im Bild blau.
Diese Leitung liefert die Referenzspannung auf die der Regler hinsteuert und zwar so lange, bis er dort 14,2 Volt erkennt.

Prüfung:

1.
Licht einschalten, den Motor mit leicht erhöhter Drehzahl laufen lassen und die Spannung zwischen den Punkten 8 und 5 (also Referenzkabel und Batterie-Minus) messen. Wenn hier etwa 14,0 – 14,4 Volt anliegen, arbeitet der Regler wie er soll.

2.
nun (der Motor läuft noch immer mit erhöhter Drehzahl) an den Punkten 4 & 5 messen, also die Spannung, welche nun an der Batterie anliegt.
Liegt diese über dem Bereich von 14,4 bis max. 14,8 Volt, ist klar, warum die Batterie nicht lange durchhält: Sie wird überladen.

Die Folgen: Bleisäure-Akkus verlieren sehr schnell Wasser, wartungsfreie blähen sich auf.
Schon diese Symptome weisen auf jenen Fehler hin. Früher, als das Motorrad nur 2-5 Jahre und gerade mal 20000 Km auf dem Buckel hatte, funktionierte das System einwandfrei. Danach wurde die Lebenszeit der Batterien immer kürzer. Die Ursache liegt in der alternden Bordelektrik. Die Widerstände der Kabel und Steckverbindungen steigen und so sinkt am Referenzkabel die Spannung. Der Regler gleicht das mit höherer Ladespannung aus, was letztendlich zur Überladung der Batterie führt.

WAS TUN ?

  • 1. Einen Regler verwenden, der auf das Referenzkabel verzichtet. Das kostet zwar wieder Geld und die Anschlüsse müssen geändert werden aber dann ist Ruhe.
  • 2. Dem Regler die Batteriespannung als Referenz vermitteln. Kostet nur wenig Geld, der Bastelaufwand ist etwas höher aber der originale Regler kann weiter verwendet werden.

Um die Referenz auf die Batterie zu verlegen, verwenden wir ein Relais (Typ Schließer), welches durch das Referenzkabel angesteuert wird und so Batterie-Plus mit dem entsprechenden Anschluss des Reglers verbindet (siehe nachfolgende Zeichnung).

Nachteil:
Es ist möglich, dass die Bordspannung vor allem bei eingeschaltetem Lich stark sinkt und das Licht sichtbar schwächer wird.
Hier hilft dann ein weiteres Relais, welches vom Lichtschalter gesteuert, den Strom für den Scheinwerfer diesem über ein neues, dickeres Kabel (2,5mm²) zur Verfügung stellt.
Alternativ: Ein neuer Kabelbaum.