Elektrotechnische Grundlagen: Magnetismus, Anlasser & Lichtmaschine

Grundlagen des Magnetismus

Magnetische Permeabilität

Die magnetische Permeabilität beschreibt die Fähigkeit eines Materials, magnetische Kraftlinien zu leiten und zu konzentrieren oder abzustoßen. Sie wird in verschiedene Typen unterteilt:

• Ferromagnetische Permeabilität: Der Wert liegt weit über 1. Diese Materialien (z. B. Eisen) konzentrieren magnetische Kraftlinien stark.
• Paramagnetische Permeabilität: Der Wert ist etwa 1. Diese Materialien verhalten sich ähnlich wie ein Vakuum und leiten Kraftlinien kaum (z. B. Papier, Kunststoff).
• Diamagnetische Permeabilität: Der Wert ist kleiner als 1. Diese Materialien weisen die magnetischen Feldlinien ab.

Hysterese

Bei einem ferromagnetischen Material, das einem Magnetfeld ausgesetzt war, verliert es seinen Magnetismus nicht vollständig, wenn das Feld entfernt wird, sondern behält eine Restmagnetisierung bei. Um es vollständig zu entmagnetisieren, ist die Anwendung eines entgegengesetzten Feldes erforderlich.

Wenn ein Körper bis zur Sättigung magnetisiert wird und das Magnetfeld entfernt wird, kehrt die Magnetisierung nicht auf Null zurück, sondern verbleibt bei einem Restwert. Um diesen Restmagnetismus zu entfernen, muss ein entgegengesetztes Feld angelegt werden, das einen Strom in die entgegengesetzte Richtung induziert.

Sättigung

Die Sättigung ist der Punkt, an dem ein magnetisierbarer Körper keine weiteren magnetischen Kraftlinien mehr aufnehmen kann. Dies tritt ein, wenn alle Elementarmagnete im Material ausgerichtet sind. Bei Sättigung widersteht das Material einer weiteren Magnetisierung.

Induktion

Autoinduktion (Selbstinduktion)

Die Autoinduktion ist die Erzeugung eines elektrischen Feldes in einem Körper, dessen magnetischer Fluss sich mit der Stromstärke ändert. Die Variation des Feldes erzeugt eine elektromotorische Kraft (EMK), die der Ursache ihrer Entstehung entgegenwirkt.

Gegenseitige Induktion

Die gegenseitige Induktion tritt auf, wenn zwei Spulen nahe beieinander liegen und ein sich ändernder magnetischer Fluss in einer Spule eine elektromotorische Kraft in der anderen induziert.

Der Anlasser (Motorstart)

Mechanische Funktion

Die Einrückgabel bewegt das Ritzel, das in den Zahnkranz des Schwungrads eingreifen soll. Der Bendix-Mechanismus sorgt dafür, dass das Ritzel bei laufendem Motor nicht mit der Ankerdrehzahl mitdreht und beschädigt wird.

Elektrische Funktion

Beim Startkontakt fließt Strom von der Batterie zur Haltespule und zur Anzugspule des Magnetschalters. Dies erzeugt ein Magnetfeld, das den Kolben anzieht. Dadurch wird der Hauptstromkreis geschlossen, und der Strom fließt durch die Ankerwicklung, wodurch der Anker und das Ritzel in Bewegung gesetzt werden.

Wichtige Bauteile des Anlassers

• Klemme 50 (Plus-Eingang)
• Anzug- und Haltespule (Magnetschalterspule)
• Rückstellfeder
• Kolben
• Einrückgabel
• Kontaktklemmen
• Kommutator
• Ankerwicklung (Induktionsspule)
• Kohlebürsten
• Lagerring
• Freilauf
• Ritzel
• Ritzelanschlag (Ritzelhubbegrenzung)

Die Lichtmaschine (Generator)

Spannungsregelung der Lichtmaschine

Die Spannungsregelung der Lichtmaschine erfolgt über die Steuerung des Erregerstroms. Dies wird durch Transistoren in der Reglerendstufe realisiert.

Zustand "Eingeschaltet" (Regelung aktiv)

Solange die Zener-Spannung der Zener-Diode (ZD) noch nicht erreicht ist, fließt kein Strom durch den Zener-Dioden-Zweig zur Basis von Transistor T1. T1 ist gesperrt. Da Transistor T1 gesperrt ist, fließt der Strom von den Erregerdioden über die Klemme D+ und den Widerstand R6 zur Basis von Transistor T2, der dadurch durchschaltet. Das Durchschalten von Transistor T2 verbindet die Klemme DF mit der Basis von T3. T3 ist ebenfalls ein Treiber-Transistor, ähnlich wie T2. Die Transistoren T2 und T3 sind als Darlington-Stufe geschaltet und bilden die Endstufe des Reglers. Durch T3 und die Feldwicklung fließt der Erregerstrom I_exc, der während der Einschaltzeit ansteigt und wiederum zu einer Erhöhung der Generatorspannung führt. Gleichzeitig steigt die Spannung am Transistor bis zum theoretischen Wert. Wenn der tatsächliche Wert der Generatorspannung den Sollwert überschreitet, tritt der Regelzustand ein.

Zustand "Ausgeschaltet" (Regelung inaktiv)

Wenn die Generatorspannung den Sollwert überschreitet, fließt an D+ Strom durch die Widerstände R1 und R2. Die Zener-Diode wird leitend und schaltet Transistor T1 durch. Infolgedessen sinkt die Spannung an der Basis von T2 praktisch auf Null bezogen auf den Emitter, und die beiden Transistoren T2 und T3 als Endstufe sperren. Der Erregerstromkreis wird unterbrochen, wodurch die Erregung und die Generatorspannung abfallen. Sobald die Spannung unter den Nennwert fällt und die Zener-Diode wieder sperrt, schaltet die Endstufe den Stromkreis erneut ein.

Schutz vor Spannungsspitzen

Die Unterbrechung des Erregerstroms führt aufgrund der Induktivität in der Erregerwicklung (gespeicherte magnetische Energie) zu einer Spannungsspitze. Diese Spitze könnte die Transistoren T2 und T3 zerstören, wenn sie nicht durch die parallel zur Erregerwicklung geschaltete Freilaufdiode (D3) verhindert würde. Die Freilaufdiode leitet den Erregerstrom im Moment der Unterbrechung ab und verhindert so das Auftreten der Spitzenspannung. Die Zener-Diode wird leitend, wenn die Zener-Spannung erreicht ist.