Lichtmaschine Komponenten: Aufbau, Funktion & Details

Lichtmaschine Komponenten: Aufbau, Funktion & Details

Die Kfz-Lichtmaschine besteht aus folgenden Komponenten:

• Eine Reihe von Induktivitäten, die den Rotor oder beweglichen Teil der Lichtmaschine bilden.
• Eine Gruppe von Wicklungen, die den Stator oder festen Bestandteil des Generators bilden.
• Die Gleichrichterdioden-Brücke.
• Gehäuse, Lüfter und weitere ergänzende Elemente.

Rotor (Induktor)

Der Rotor, der bewegliche Teil des Generators, ist für die Erzeugung des Magnetfeldes verantwortlich. Dieses Magnetfeld induziert in der Ankerwicklung den Strom, der vom Generator geliefert wird. Der Rotor besteht wiederum aus einer Achse oder Welle, auf der ein Kern aus geschmiedetem Magnetstahl montiert ist. Dieser Kern ist in zwei Hälften geteilt und besitzt ineinandergreifende Polschuhe oder 'Finger', die sich nicht berühren und die Pole des induzierten Magnetfeldes bilden. Jede der beiden Hälften besitzt 6 oder 8 Kernvorsprünge. Dadurch entsteht ein Induktionsfeld mit 12 oder 16 Polen.

Innerhalb der Pole ist eine Induktionsspule aus isoliertem Kupferdraht mit vielen Windungen montiert, die auf einem Thermoplast-Spulenkörper gewickelt ist.

Auf einer Seite der Welle ist ein Duroplast-Stück fest auf der Rotorwelle montiert, in das zwei Schleifringe aus Kupfer eingelassen sind. Diese Schleifringe sind mit den Enden der Induktionsspule verbunden. Über diese Schleifringe, die von zwei graphitierten Kohlebürsten kontaktiert werden, erhält die Spule den Erregerstrom. Dieser Strom wird von der Lichtmaschine selbst über den Gleichrichter erzeugt (Selbst-Erregung).

Dieser bewegliche Teil ist dynamisch perfekt ausbalanciert, um Vibrationen zu vermeiden. Es handelt sich um eine extrem robuste Einheit, die sich gefahrlos bei hohen Geschwindigkeiten drehen kann. Im Gegensatz zu einem Dynamo gibt es keine Elemente, die durch Zentrifugalkraft herausgeschleudert werden könnten, wie es bei einem Kollektor und induzierten Wicklungen der Fall wäre.

Stator (Anker)

Der Stator ist der feste, unbewegliche Teil des Generators, in dem die Spulen untergebracht sind, die den elektrischen Strom erzeugen. Der Stator besteht aus einem Rahmen, der ein Paket von Elektroblechen bildet. Diese Bleche sind aus gewalztem Baustahl in Kreisform gestanzt und weisen nach innen gerichtete Nuten auf, in denen die induzierten Spulen untergebracht sind.

Die Leiterwicklungen, die den Anker bilden, bestehen in der Regel aus drei getrennten Wicklungen, die vollständig isoliert in den 36 Nuten des Stators verteilt sind. Diese drei Wicklungen oder Phasen des Generators können je nach Typ in Stern- oder Dreiecksschaltung angeschlossen werden. Beide Konfigurationen liefern einen dreiphasigen Wechselstrom am Ausgang der Klemmen.

Gleichrichterdioden-Brücke

Der vom Drehstromgenerator erzeugte Wechselstrom ist, wie wir wissen, nicht direkt für die Batterieladung oder die Versorgung der Verbraucher im Fahrzeug geeignet. Er muss gleichgerichtet werden. Eine wichtige Voraussetzung ist, dass die Gleichrichterdioden für den Einsatz in einem breiten Temperaturbereich ausgelegt sind.

Der Gleichrichter wird von einer Brücke aus 6 oder 9 Siliziumdioden gebildet. Diese können direkt am Gehäuse auf der Schleifringseite oder auf einer plattenförmigen 'Hufeisen'-Halterung montiert sein. Sie sind mit den einzelnen Phasen des Stators verbunden und bilden eine Gleichrichterbrücke, die eine gleichgerichtete Gleichspannung liefert. Die Dioden sind auf dieser Platte so montiert, dass drei von ihnen mit Masse (Minuspol) und die anderen drei mit dem Ausgangsanschluss des Generators (Pluspol) verbunden sind. Die freien Seiten der sechs Dioden sind mit den Enden der Statorspulenphasen verbunden.

Lichtmaschinen mit 9 Dioden (sogenannte Nanodioden) verwenden zusätzlich zu den drei Dioden der normalen Gleichrichterbrücke drei weitere Dioden. Diese sind für die Steuerung der Ladekontrollleuchte und die Versorgung der Erregerschaltung zuständig.

Die Erwärmung der Dioden ist begrenzt, daher müssen sie in Bereichen angeordnet werden, die eine gute Wärmeabfuhr gewährleisten, auch für die Leistungselektronik und die Erregung. Zu diesem Zweck werden die Dioden auf Kühlkörpern montiert, die aufgrund ihrer großen Oberfläche und guten Wärmeleitfähigkeit die Wärme schnell an den Kühlluftstrom abführen können. Um diese Funktion zu verbessern, sind sie in einigen Fällen mit Kühlrippen ausgestattet.

Die Befestigung der Diodenplatte am Lichtmaschinengehäuse erfolgt unter Zwischenschaltung von isolierenden Lagerbuchsen, wie in der Abbildung gezeigt. Die Abbildung unten zeigt eine weitere Variante einer neueren Diodenbrücke.

Ohne auf die detaillierte Funktionsweise der Dioden einzugehen, lässt sich vereinfacht sagen, dass sich eine Diode idealerweise wie ein Rückschlagventil in einem pneumatischen oder hydraulischen System verhält: Je nachdem, wie der elektrische Strom an ihren Enden anliegt, lässt sie ihn passieren oder blockiert ihn. Die im Fahrzeug verwendeten Dioden können von zwei Typen sein: 'gemeinsame Anode' bezeichnet Dioden, deren Anode mit dem Metallteil, das sie hält (dem 'Schuh', den wir zuvor gesehen haben), verbunden ist und das wiederum mit Masse verbunden ist. Dioden mit 'gemeinsamer Kathode' sind solche, deren Kathode mit dem Metallteil verbunden ist, das sie hält (Masse).

Eine einzelne Diode bewirkt, dass negative Halbwellen unterdrückt werden und nur positive Halbwellen durchgelassen werden, wodurch ein pulsierender Gleichstrom entsteht. Um alle Halbwellen, einschließlich der normalerweise unterdrückten negativen, zur Gleichrichtung zu nutzen, wird eine Doppelweg- oder Vollweggleichrichtung angewendet. Für die Gleichrichtung der positiven und negativen Halbwellen jeder Phase (Vollweggleichrichtung) sind pro Phase zwei Dioden erforderlich: eine für die positive und eine für die negative Halbwelle. Insgesamt sind somit sechs Leistungsdioden in einem Drehstromgenerator notwendig.

Die positiven Halbwellen werden durch die Dioden auf der positiven Seite geleitet, während die negativen Halbwellen durch die Dioden auf der negativen Seite geleitet und somit nicht unterdrückt werden. Die vollständige Gleichrichtung mit der Diodenbrücke bewirkt, dass die Summe dieser positiven und negativen Halbwellen (mittlere Grafik) eine leicht gewellte Generatorspannung ergibt.

Der elektrische Strom, der von der Lichtmaschine an die Klemmen B+ und B- geliefert wird, ist nicht so glatt, wie es ideal wäre (rote Linie in der Grafik unten), sondern weist eine leichte Welligkeit auf (unterer Teil). Dieser Welligkeitseffekt wird durch die parallel zur Lichtmaschine geschaltete Batterie und gegebenenfalls durch im elektrischen System des Fahrzeugs installierte Kondensatoren reduziert.

Gehäuse (Schleifringseite)

Es handelt sich um ein durch Gießen hergestelltes Aluminiumteil (in der Abbildung beim Zerlegen des Generators von oben zu sehen), das mit dem Bürstenhalter bestückt ist, der mittels Schrauben daran befestigt ist. In diesem Gehäuse befinden sich die Klemmen der Lichtmaschine, und es dient als Lager für das Ende der Rotorwelle. Auf der Vorderseite sind Öffnungen angebracht, die den Eintritt des vom Lüfter erzeugten Luftstroms ermöglichen.

Gehäuse (Antriebsseite)

Wie das andere Gehäuse ist es aus Aluminium gegossen und beherbergt das zweite Lager der Rotorwelle. An der Peripherie befinden sich Flansche zur Befestigung des Kfz-Generators und zur Spannung des Antriebsriemens. An seiner Vorderseite befinden sich ebenfalls Öffnungen für den Luftstrom des Lüfters.

Die beiden Gehäuseteile umschließen den Stator und sind mittels Schrauben miteinander verbunden, wobei Stator, Rotor und die Gleichrichterbrücke darin untergebracht sind.

Lüfter

Die Komponenten des Generators erfahren eine beträchtliche Temperaturerhöhung, hauptsächlich aufgrund von Wärmeverlusten im Generator selbst und dem Zustrom von Wärme aus dem Motorraum. Die maximal zulässige Temperatur liegt je nach Generatortyp zwischen 80 und 100 °C.

Die am häufigsten verwendete Kühlungsform besteht darin, dass Radiallüfter die Umgebungsluft ansaugen und diese durch das Innere des Generators leiten, wobei sie in einer oder beiden Richtungen arbeiten. Da die Lüfter zusammen mit der Generatorwelle betrieben werden, steigt mit zunehmender Drehzahl auch der Anteil der Frischluft. Dadurch wird eine ausreichende Kühlung für jeden Betriebszustand gewährleistet. Bei verschiedenen Generatortypen sind die Lüfterflügel asymmetrisch angeordnet. Dies verhindert pfeifende oder sirenenartige Geräusche, die bei bestimmten Drehzahlen auftreten können.

Einzellüfter (Ein-Strom-Lüfter)

Generatoren, die einen Lüfter auf der Schleifringseite montiert haben, werden durch eine interne Belüftung gekühlt. Die Luft wird auf der Schleifringseite angesaugt, kühlt die Diodenbrücke, den Rotor und den Stator und tritt dann auf der Antriebsseite aus dem Gehäuse aus. Die Kühlluft wird also vom Lüfter durch den Generator gesaugt.

Doppellüfter (Zwei-Strom-Lüfter)

Generatoren mit diesem Kühlsystem haben zwei Lüfter auf ihrer eigenen Achse, auf beiden Seiten des Rotors. Beide Lüfter saugen Luft axial durch Öffnungen an der Antriebsseite und der Schleifringseite des Gehäuses an. Die Luftströme werden von den Lüftern angesaugt und treten radial aus den Öffnungen am Gehäuseumfang aus. Der entscheidende Vorteil dieser Konfiguration ist die Möglichkeit, kleinere Lüfter zu verwenden, was aerodynamische Geräusche reduziert.

Eine Variante der Generatoren bezüglich der Kühlung ist, dass Frischluft von außerhalb des Motorraums angesaugt wird. Durch einen Schlauch wird staubarme Frischluft angesaugt. Die Luft gelangt durch die Ansaugöffnung, strömt durch das Innere des Generators und tritt durch die Öffnungen im Deckel der Antriebsseite aus. Auch in diesem Fall wird die Kühlluft vom Lüfter durch die Lichtmaschine gesaugt. Die Ansaugung von Frischluft ist besonders nützlich, wenn die Temperatur im Motorraum den Grenzwert von 80 °C überschreitet und bei Hochleistungsgeneratoren.

Erregerschaltung der Lichtmaschine

Um Strom zu erzeugen, benötigt der Generator zusätzlich zur mechanischen Bewegung vom Verbrennungsmotor einen elektrischen Strom (Erregerstrom). Dieser wird ursprünglich, vor dem Starten des Motors, über einen elektrischen Schaltkreis von der Batterie bezogen, der als 'Vorerregerschaltung' bezeichnet wird. Sobald der Motor gestartet ist, erzeugt die Lichtmaschine ihren Erregerstrom selbst, d.h., sie wird durch eine 'Feld-Schaltung' selbsterregt.

Die Vorerregerschaltung, die extern an den Generator angeschlossen ist, bezieht ihren Strom von der Batterie, wenn die Zündung eingeschaltet wird und die Ladekontrollleuchte leuchtet. Diese Schaltung ist wesentlich, da der Generator beim Anfahren und bei niedrigen Motordrehzahlen nicht selbstständig ein ausreichendes Magnetfeld im Rotor aufbauen kann, das wiederum im Stator des Generators eine zur Drehzahl proportionale Ausgangsspannung erzeugt.

Sobald der Verbrennungsmotor gestartet ist und der Generator eine Spannung erreicht, die die Batteriespannung übersteigt, erlischt die Ladekontrollleuchte (L). Der Generator benötigt die Vorerregerschaltung nicht mehr, da er sich nun selbst erregt (Selbst-Erregung) und die von ihm selbst erzeugte Spannung nutzt.