Die Lichtmaschine

Da die Firma Citroën ihre Tractions mit den unterschiedlichsten Lichtmaschinen ausgestattet hatte (sowohl mit Alu- als auch Kupferwicklung der verschiedenen Hersteller), beziehen wir uns hier auf die jeweiligen Standardlichtmaschinen der Firma R. Bosch GmbH der frühen 50er Jahre.

 

Die Lichtmaschine ist ein Stromerzeuger oder Generator, in dem die Spannung bzw. der Stromfluss durch magnetische Feldlinien in sich bewegenden Leitern dadurch induziert wird, dass der Leiter die Feldlinien schneidet.

 

Das magnetische Kraftfeld wird in der Lichtmaschine durch Elektromagneten erzeugt. Sie besteht aus den Polschuhen, die fest mit dem Polgehäuse verschraubt sind und den Erregerwicklungen. Zwischen den Polschuhen bewegt sich der Anker mit der Ankerwicklung. Der zylindrische Ankerkörper ist aus einzelnen Eisenblechen zusammengefügt, damit Verluste durch Wirbelstrombildungen verhindert werden. Die in den Nuten untergebrachten Spulen sind mit ihren Enden an dem Kollektor angeschlossen, von dem der im Anker erzeugte Strom durch Kohlebürsten abgenommen wird. Bürsten und Kollektor sind von außen durch Gehäuseöffnungen zugänglich, die durch ein Schutzband spritzwasserdicht abgeschlossen werden. Auf der Lichtmaschine sitzt noch der Reglerschalter (beim Traction bis Baujahr 1952). Er ist der empfindlichste Teil der Lichtmaschine und deshalb gegen äußere Eingriffe geschützt.



Im Bild 831 ist die grundsätzliche Schaltung der Lichtmaschine dargestellt.

Der in den Ankerwicklungen induzierte Strom ist bekanntlich ein Wechselstrom, der mit Hilfe des Stromwenders oder Kollektors gleichgerichtet wird.

 

Durch Anordnung zahlreicher Ankerwindungen und entsprechender Kollektorlamellen überdecken sich die einzelnen Stromstöße, so dass ein stetiger Gleichstrom durch die Bürsten abgenommen werden kann. Der für die Erzeugung des Magnetfeldes erforderliche Erregerstrom wird dem Ankerstrom entnommen, d.h. von ihm abgezweigt. Man nennt eine solche Maschine Nebenschlussgenerator, weil die Feldwicklung parallel zur Ankerwicklung Das ist auch bei den Magnetpolen der Lichtmaschine der Fall. Wird die Lichtmaschine angetrieben, so schneiden die Ankerwicklungen dieses zunächst ganz schwache magnetische Feld und erzeugen dadurch ein ebenfalls zunächst nur schwachen Strom im Anker, der teilweise durch die Erregerwicklung fließt und dadurch das Magnetfeld verstärkt. Infolgedessen schneiden jetzt die Ankerwicklungen mehr Feldlinien, die einen bereits stärkeren Strom zur Folge haben und das Magnetfeld weiter verstärken.

 

Diese Wechselwirkung zwischen Zunahme der magnetischen Feldlinien und der Zunahme des erzeugten Stromes geht weiter bis der normale Endzustand eintritt, der von den Einzelheiten der Maschine abhängt. Der Generator sorgt also selbst für die Bildung und Verstärkung des Magnetfeldes. Man spricht deshalb von einer selbsterregenden Maschine. Die Lichtmaschine ist also ein selbsterregender Gleichstrom-Nebenschluss-Generator.

 

Die Betriebsspannung der elektrischen Anlage darf nun aber nur innerhalb gewisser verhältnismäßig enger Grenzen schwanken. Unterhalb dieser Grenze geben die Lampen ungenügendes Licht, die Batteriezündung arbeitet nicht mehr einwandfrei, und auch alle übrigen Geräte werden in ihrer Leistung beeinträchtigt. Steigt andererseits die Spannung über einen gewissen Wert, so sind die Lampen, Spulen usw. durch Überlastung gefährdet. Die erforderliche Gleichhaltung der Spannung wird dadurch erschwert, dass die Lichtmaschine vom Fahrzeugmotor angetrieben wird und dessen recht beträchtliche Drehzahlschwankungen mitmachen muss.

 

Diese Schwankungen würden im gleichen Maße als Spannungsschwankungen in Erscheinung treten, wenn nicht besondere Vorrichtungen zum Ausgleichen der Schwankungen vorhanden wären. Diese Regelvorrichtungen wirken vollkommen selbsttätig. Nach ihrer Wirkungsweise unterscheidet man Verfahren für Stromregelung und solche für Spannungsregelung. 

 

Lichtmaschinen mit Spannungsregelung

 

Heute werden nur noch Lichtmaschinen mit Spannungsregelung gebaut. Sie besitzen den Vorteil, dass bei leerer Batterie mit hohem Ladestrom aufgeladen wird, ohne dass eine Überlastung der Lichtmaschine eintritt, während sie andererseits bei voller Batterie nur einen geringen Ladestrom liefert. Ferner kann sie auch bei Ausfall der Batterie weiter betrieben werden, ohne dass die Spannung höhere Werte annimmt. Bei der spannungsregelnden Lichtmaschine wird die Spannung unabhängig von ihrer Drehzahl und Belastung in einstellbaren Grenzen auf gleicher Höhe gehalten. Hierzu dient der Spannungsregler (siehe Seite 10/11). Es handelt sich um einen Schnellregler, der durch wechselndes Öffnen und Schließen von Kontakten das Zu- bzw. Abschalten von Feldwiderständen bewirkt, die so bemessen sind, dass sich die Felderregung und damit die Spannung bzw. der Strom immer genau dem Bedarf der Verbraucher, insbesondere dem Ladebedarf der Batterie anpassen.



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Außerdem ist mit dem Regler auch ein selbsttätiger Rückstromschalter verbunden, der eine Entladung der Batterie über die Lichtmaschine verhindern soll. Regler und Schalter bilden zusammen den Reglerschalter, der bei kleineren Lichtmaschinen in die Maschine eingebaut oder auf ihrem Gehäuse befestigt ist. Nur bei größeren Lichtmaschinen ist er für sich angeordnet (beim Traction ab 1952: an der Spritzwand). Man unterscheidet Zweikontakt-Reglerschalter mit zwei Regelbereichen und Einkontakt-Reglerschalter mit nur einem.

(Einkontakt-Reglerschalter)
(Zweikontakt-Reglerschalter)

Dieser Reglerschalter wird am häufigsten verwendet. Das obige Bild zeigt den Aufbau und die Schaltung der Bauart F. Der Magnetwinkel aus Stahl, der die einzelnen Teile des Reglerschalters trägt, dient als Leiter sowohl für den magnetischen Kraftfluss als auch für den elektrischen Strom. Der Magnetkern aus Stahl ist mit der Spannungsspule (viele Windungen dünnen Drahtes) und der Stromspule (wenig Windungen dicken Drahtes) umgeben. Der Anker hat die Form eines rechten Winkels und ist an einer Flachfeder aufgehängt, die am Magnetwinkel befestigt ist. Bei ausreichender magnetischer Kraft wird der Anker vom Magnetkern angezogen, ohne ihn jedoch ganz zu berühren. Das wird durch einen kleinen Nietkopf in der waagerechten Ankerfläche verhindert. Durch den kleinen Luftspalt soll verhindert werden, dass der Anker durch den zurückbleibenden Magnetismus am Magnetkern hängen bleibt, wenn er wieder öffnen soll. Die vom Anker gesteuerten Schalterkontakte befinden sich unterhalb des senkrechten Ankerschenkels, während die Reglerkontakte links oben sitzen. Zwischen den beiden feststehenden Reglerkontakten befindet sich ein beweglicher Kontakt an einer Flachfeder.

 

Die Federstärke des Reglerankers und die Anziehungskraft der Magneten, sowie die Einstellung der Schalterkontakte sind so gewählt, dass sich diese erst dann berühren, wenn die Lichtmaschine die Spannung erreicht hat, die zum Laden der Batterie notwendig ist. Die Reglerkontakte sind so eingestellt, dass in der Ruhelage der bewegliche Kontakt der Flachfeder rechts anliegt. Vom Anker gesteuert, kann die Flachfeder so weit abgehoben werden, dass ihr Kontakt den äußeren (linken) Reglerkontakt berührt, der an einer am Magnetwinkel befestigten Flachfeder sitzt. Es gibt ferner eine Zwischenlage, in der die Flachfeder mit dem beweglichen Kontakt vom Anker so gehalten wird, dass weder der linke noch der rechte Kontakt berührt werden.

 

Die Regelung der Lichtmaschinenspannung erfolgt nun durch Änderung des Erregerstromes. Zu dem Zwecke kann vor die Feldwicklung ein Widerstand geschaltet werden. Das Zuschalten bzw. Kurzschließen dieses Widerstandes erfolgt durch die Reglerkontakte.



(Lichtmaschine noch im Stillstand)

Der Zündschalter wird eingeschaltet. Die Ladeanzeigelampe leuchtet auf (der Amperemeter bewegt sich). Es fließt ein geringer Strom, der durch den Widerstand des Lämpchens/Amperemeters bestimmt wird, von der Batterie über die Kontrolllampe/Amperemeter, die Stromspule und den Lichtmaschinenanker zur Masse.

Der Zweigstrom in der Erregerwicklung der Lichtmaschine verstärkt die Wirkung des Restmagnetismus und unterstützt so beim Anlaufen die Selbsterregung der Lichtmaschine.

 

Lichtmaschine auf niederen Drehzahlen

 

Durch Selbsterregung steigt die Klemmenspannung der Lichtmaschine an und erreicht schließlich die Batteriespannung. Die Ladeanzeigelampe erlischt (Amperemeter im Plusbereich) und zeigt dadurch an, dass die Lichtmaschine Spannung liefert. Mit steigender Lichtmaschinenspannung nimmt der Strom in der Spannungsspule des Reglerschalters stetig zu bis die Anziehungskraft des Magneten ausreicht, den Anker des Reglerschalters entgegen der Federkraft anzuziehen. Hierdurch wird der Schalter geschlossen und der Ladestrom fließt von der Lichtmaschine über die Stromspule, den Magnetwinkel und den Schalter durch die Batterie zur Masse.


Lichtmaschine auf mittleren Drehzahlen


Erhöht sich die Spannung mit steigender Drehzahl weiter, so beginnt die eigentliche Regelung. Der Ladestrom, der durch die Stromspule fließt und der Strom in der Spannungsspule nehmen zu und dadurch auch die magnetische Anziehungskraft auf den Anker. Schließlich wird die Anziehungskraft so groß, dass die Flachfeder mit ihrem beweglichen Kontakt von dem „unteren“ Reglerkontakt (rechts) abgehoben und die Erregung der Lichtmaschine durch den nun vorgeschalteten Widerstand gedrosselt wird. Das hat ein kurzes Absinken des Erregerstromes und damit auch der Klemmenspannung bei gleich bleibender Drehzahl zur Folge. Dadurch lässt die Anziehungskraft auf den Anker wieder nach. Er geht zurück, so dass sich die Reglerkontakte wieder berühren und den Widerstand kurzschließen. Erregerstrom und Spannung steigen, und das Spiel der Kontakte beginnt von Neuem. Maßgebend für die sich endgültig einstellende Klemmenspannung ist das Verhältnis von Öffnungsdauer zur Schließungsdauer des unteren Reglerkontaktes. Je höher die Drehzahl der Lichtmaschine ansteigt, desto länger bleiben die Kontakte geöffnet, bis sie sich schließlich überhaupt nicht mehr schließen. Der Widerstand bleibt dann dauernd im Erregerstromkreis eingeschaltet.

(Lichtmaschine auf mittleren Drehzahlen)

Die Lichtmaschine auf hohe Drehzahlen

 

Nimmt die Drehzahl der Lichtmaschine noch weiter zu, so steigt die Spannung trotz des eingeschalteten Widerstandes weiter an. Durch die Wirkung des Magneten wird der Regleranker noch weiter angezogen, bis der bewegliche Kontakt der Flachfeder den „oberen“ Reglerkontakt (links() berührt. In diesem Augenblick wird die Felderregung ausgeschaltet (Kurzschluss der Erregerwicklung). Dadurch sinkt die Spannung plötzlich so stark ab, gleichzeitig aber auch die Anziehungskraft auf den Regleranker, so dass sich der bewegliche Kontakt vom oberen Reglerkontakt abhebt. In diesem Augenblick beginnt das Spiel von Neuem. Auch hier wiederholt sich das Spiel der Kontakte in schneller Folge, so dass sich bis zu den höchsten für die Lichtmaschine zulässigen Drehzahlen ein verminderter Erregerstrom und dadurch eine gleich bleibende Spannung einstellt.

 

Nimmt die Drehzahl der Lichtmaschine ab, so stellen sich in umgekehrter Reihenfolge die beschriebenen Betriebszustände ein. Sinkt die Spannung der Lichtmaschine unter die Batteriespannung, so fließt zwar im ersten Augenblick Batteriestrom über die Stromspule und die Lichtmaschine zur Masse. Doch wird die auf den Anker wirkende Magnetkraft schnell so gering, dass der Anker abfällt und sich der Schalter öffnet. Dadurch ist dann die Batterie abgeschaltet, so dass sie sich nicht über die Lichtmaschine entladen kann.



Der Regler arbeitet also mit zwei Kontaktpaaren in zwei Regelbereichen. Durch das innere Kontaktpaar wird ein Widerstand in den Erregerstromkreis ein- bzw. ausgeschaltet (erste Bereich durch unteren Reglerkontakt), durch das äußere Kontaktpaar wird die Erregerwicklung wechselweise kurzgeschlossen (zweiter Bereich durch oberen Reglerkontakt). Beide Vorgänge werden in erste Linie durch die Spannungsspule auf dem Magneten hervorgerufen. Jedoch wird sie durch die Stromspule unterstützt. Bekanntlich ist die Anziehungskraft eines Elektromagneten von der Amperewindungszahl abhängig. Bei hohem Lichtmaschinenstrom, wie er sich bei eingeschalteten Verbrauchern und einer entladenen Batterie einstellt, erzeugt er durch die Stromspule eine genügend hohe Anziehungskraft auf den Anker, um die Regelung auch bei niederer Lichtmaschinenspannung in Tätigkeit zu setzen. Der Ladestrom nimmt ab und schützt die Lichtmaschine vor Überlastung. Bei fortschreitender Ladung steigt die Spannung der Batterie und der Regler regelt auf etwas höhere Spannung. Mit steigender Lichtmaschinenspannung und sinkendem Ladestrom tritt die Wirkung der Stromspule immer mehr zurück gegenüber derjenigen der Spannungsspule, die schließlich bei der oberen Grenzspannung allein die Regelung übernimmt. Dieses Zusammenwirken von Spannungsspule und Stromspule wird als nachgiebige Spannungsregelung bezeichnet. Sie sorgt für eine gute Aufladung der Batterie, schützt aber die Lichtmaschine vor Überlastung. Bild 839 zeigt die Kennlinien einer solchen Lichtmaschine. 

Bild 840 zeigt den Aufbau und das Schaltbild des Spannungsreglers der Bauart GA2, bei dem es sich ebenfalls um einen Zweikontaktregler handelt, wie er bei größeren Lichtmaschinen verwendet wird. Der U-förmige Magnetwinkel aus Stahl trägt wieder die einzelnen Teile des Reglerschalters und dient auch als Leiter für den magnetischen Kraftfluss und den elektrischen Strom. Dem Hauptmagnetkern in der Mitte des Magnetwinkels ist ein zweiter kleinerer Magnetkern zugeordnet, der seitlich an einem Schenkel des Magnetwinkels angebracht ist. Die Windungen der Magnetspule befinden sich auf dem Hauptmagnetkern, außerdem noch einige Windungen der Stromspule. Die restlichen Windungen der Stromspule sind als Haltespule auf dem kleineren Magnetkern untergebracht. Die beiden winkelförmigen Anker sind je an einer Flachfeder aufgehängt, die an den beiden Schenkeln des Magnetwinkels befestigt sind. Bei der Anziehung des einen Ankers schließen sich die Schalterkontakte und verbinden die Lichtmaschine mit der Batterie und den Verbrauchern. Der „untere“ Reglerkontakt ist als schmaler Lappen aus dem Sockel ausgestanzt und hochgebogen. Er ist mit der Masse verbunden.

 

Der „obere“ Reglerkontakt sitzt am Magnetwinkel. Eine am zweiten Anker befestigte Flachfeder trägt einen aufgenieteten Kontakt und übernimmt wieder in bekannter Weise die Regelung. Die grundsätzliche Wirkungsweise des Reglerschalters unterscheidet sich nicht wesentlich von der beim Regler der Bauart F beschriebenen. Bei stillstehender Lichtmaschine und eingeschaltetem Zündschalter fließt der geringe Strom nicht über die Stromspule wie beim F-Regler, sondern von der Batterie über die Kontrolllampe unmittelbar nach der Lichtmaschine und zurück über die Masse. Befindet sich die Lichtmaschine auf niederen Drehzahlen, so wird bei ausreichender magnetischer Anziehungskraft der Anker mit dem Schalterkontakt angezogen. Läuft die Lichtmaschine mit mittleren Drehzahlen (Bild 841), so wird durch Anziehen des zweiten Ankers die Flachfeder vom unteren Reglerkontakt abgehoben und drosselt ebenfalls über einen Widerstand die Erregung der Lichtmaschine, wobei sich wieder das beschriebene Kontaktspiel einstellt. Die Regelung bei hohen Drehzahlen übernimmt der „obere“ Reglerkontakt, wodurch die Erregerwicklung wieder wechselweise kurzgeschlossen wird. Auch bei GA2-Regler arbeitet die Lichtmaschine mit nachgiebiger Spannungsregelung.