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Wie funktioniert eine Motorrad-Lichtmaschine? |
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Für die Überlassung dieses Artikels aus der GummikuH bedanken wir uns ganz herzlich beim Verleger Rainer Baues.
"Gummikuh & past perfect" war ein hervorragendes, unabhängiges Klassiker-Magazin der 90er Jahre, dass sich vorwiegend mit der Technik an Motorrad-Oldies beschäftigte.
Rainer hat noch nahezu alle Ausgaben der Gummikuh im Regal, bei Interesse bitte einfach eine kurze Email an  bauesverlag@freenet.de. |
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FahrzeugelektrikLichtmaschinen an japanischen Motorrädernam Beispiel HONDA23.03.2004 | Autor: Wilhelm Springmann Motorrad-Lichtmaschinen kommen meist ohne Schleifring und Bürsten aus - das macht ihren Aufbau simpel und die Wartung so gut wie unnötig. |
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Kommentare: 2 |
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In den klassischen (und auch in den modernen) HONDA-Vierzylinder-Motorrädern versorgt ein fremderregter Drehstromgenerator das Bordnetz mit dem nötigen Saft. Für viele von uns hat dieses Kraftwerk den Hauch des Geheimnisvollen. Deshalb hier der Versuch, am Beispiel der HONDA CB5OOf Licht ins Dunkel zu bringen. Auch "Nichtjapaner" sollten weiterlesen, diese Art von Lichtmaschinen findet man so oder ähnlich auch in anderen Fahrzeugen.
Der HONDA- bzw. HITACHI-Generator ist eine geniale, weil völlig wartungsfreie Abart der herkömmlichen Kfz-Drehstromlichtmaschinen, wie sie in allen modernen Autos und Motorrädern eingesetzt wird. Während allerdings bei diesen Anlagen ein Schleifringpaar, mehr oder weniger verschleißfreudig, eine rotierende Feldspule mit dem nötigen Erregerstrom versorgt, besitzen die HONDA-Lichtmaschinen nur ein bewegliches Teil: Den spulenlosen Rotor. Die Feldwicklung und die leistungsabgebende Ständerwicklung sind fest mit dem Gehäuse verbunden. Die Fotos 1 und 2 zeigen, wie das Ganze funktioniert.
Durch den Batteriestrom entsteht in der Feldspule ein Magnetfeld, das in Richtung der Kurbelwelle verläuft. Über die Feldspule ist ein Rotor gestülpt, der von der Kurbelwelle angetrieben wird. |
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Dieser Rotor besteht aus zwei ineinandergreifenden Klauenpaaren mit je 6 Klauen, von denen immer abwechselnd eine Klaue von einem Pol der Feldspule, die andere vom anderen Pol erregt wird. Am Umfang dieses Klauenpolläufers wechseln sich so Nord- und Südpol ständig ab. Wenn dieser Rotor nun in einer zweiten Spule gedreht wird, erzeugt der ständige Polaritätswechsel eine Spannung: Der Generator ist fertig!
Die Ständerspule (Sie heißt so, weil in "normalen" elektrischen Maschinen sich die Erregerwicklung dreht und die Leistungsabgebende stillsteht) besteht hier nicht aus einer Spule, sondern aus 18 Spulenpaaren, die kreisförmig um den Rotor angeordnet sind.
Diese 18 Spulenpaare sind zu drei Gruppen zusammengefaßt, die den Drehstrom liefern, von dem diese ganze Vorrichtung ihren Namen hat. Dieser Drehstrom ist übrigens genau der gleiche, der in unseren Werkstätten den Kompressor oder das Schweißgerät antreibt, nur spannungsmäßig etwas niedriger angesiedelt: Statt 380 nur maximal ca. 60 Volt. (Ohne Regler, das kommt noch).
Nun ist Drehstrom, egal welcher Spannung, ja nicht unbedingt das, was wir wollen. Zwar ist den Lampen die Stromart egal, den Anlasser könnte man mit Drehstrom noch kleiner und leichter bauen, aber die Batterie verlangt nun mal Gleichstrom, nichts als reinen Gleichstrom (Demjenigen, der einen Wechsel- bzw. Drehstromspeicher in der Art einer schlichten Bleibatterie erfindet, ist der nächste Nobelpreis sicher!). |
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Damit sind wir beim nächsten Bauteil unseres Bordkraftwerks, dem Gleichrichter. Er besteht aus 6 Siliziumdioden, die entweder (bei alten Modellen) auf ein Blech montiert oder in einen Aluminium-Kühlkörper eingegossen sind. Dioden haben die Eigenschaft, Strom nur in eine Richtung durchzulassen, genau wie ein Reifenventil die Luft in den Schlauch rein, aber nicht wieder raus läßt. Im Schaltbild wird die Diode als Pfeil mit einem Querstrich gezeichnet. Die Pfeilrichtung gibt hierbei die Stromrichtung an.
Durch trickreiche Anordnung von sechs Dioden kommt so aus dem Gleichrichter Strom raus, der nur in eine Richtung fließt, egal wie die Polarität am Eingang ist. Unser Gleichrichter hat noch eine angenehme Eigenschaft: Wegen der Ventilwirkung der Dioden kann niemals Strom von der Batterie zur Lichtmaschine fließen, wenn deren Spannung, z.B. im Leerlauf, kleiner als die Batteriespannung ist. Bei Gleichstromlichtmaschinen brauchte man zur Vermeidung dieses Rückstroms einen besonderen Schalter, den sog. Rückstromschalter. Dieser Schalter war und ist bei alten Maschinen eine Quelle ständigen Ärgers, weil der gesamte Lichtmaschinenstrom über dessen Kontakte fließt, die entsprechend schnell verbrennen.
(Gehört zwar nicht direkt zum Thema, aber hier ein Tip für Gleichstromlichtmaschinenbesitzer: Wer seinen Rückstromschalter durch eine Diode mit der passenden Leistung (20-30A/lOOV) ersetzt, ist diesen Ärger los. Einfach Rückstromspule überbrücken und anstelle der Kontakte die Diode einbauen, Pfeilrichtung von Lima nach Batterie, fertig!) Der Nachteil des Gleichrichters ist seine Schwellenspannung von ca. 1.4 V. Unterhalb dieser Spannung sperrt er dauernd. Deshalb ist unser Generator zwingend auf die Erregung durch die Batterie angewiesen, Selbsterregung wie bei Gleichstrommaschinen geht nicht. Damit ist auch Anschieben mit völlig leerer oder ohne Batterie unmöglich, da hilft nur eine andere (volle) Batterie oder ein Starthilfekabel. So, jetzt haben wir Gleichstrom, mit dem wir an's Bordnetz oder die Batterie laden könnten - Könnten, wenn nicht, wie oben erwähnt, die Spannung des Generators 60 V erreichen oder sogar übersteigen würde. (Ich hab's vor einiger Zeit mal gemessen: Leerlauf so um die 20V, bei ca. 2000 min-1 ca.35 V; Die Spannung steigt linear mit der Drehzahl!) |
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Damit sind wir beim dritten Bauteil unseres Kraftwerks, dem Regler:
Die Höhe der Spannung, die ein Generator, gleich welcher Art, erzeugt, hängt von drei Faktoren ab: Den Herstellungsdetails der jeweiligen Maschine, der Drehzahl und der Stärke des Erregerfeldes. Das heißt, daß unser Generator im Leerlauf eine erheblich kleinere Spannung erzeugt als bei maximaler Drehzahl. Ohne eine Spannungsregelung wäre er im Motorrad unbrauchbar: Leuchten, die im Leerlauf nur schwach glimmen, würden schon bei mittlerer Drehzahl durchbrennen.
Da wir an der Maschine selbst nichts ändern können und die Drehzahl vom Verkehrsfluß diktiert wird, bleibt nur eine Eingriffmöglichkeit: Das Erregerfeld. Dessen Stärke und damit die Generatorspannung ist direkt abhängig vom Strom, der durch die Feldspule fließt. Wenn also bei steigender Bordnetzspannung der Erregerstrom verringert wird und umgekehrt, bleibt die Ausgangspannung konstant, in unserem Fall bei 12V. Statt einer stufenlosen Änderung der Erregerspannung begnügt man sich in Kraftfahrzeugen mit elektromechanischem Regler meist mit 3 Stufen, und das funktioniert so:
An die Netzspannung ist eine Magnetspule angeschlossen, die einen Umschalter mit zwei Kontakten betätigt. Im Ruhezustand, d.h. wenn die Bordnetzspannung unter ca. 14.5 V liegt, ist das (in der Zeichnung und den Fotos) obere Kontaktpaar federbelastet geschlossen Die Feld
spule erhält über diese Kontakte die volle Batteriespannung, bei 12V und einem Spulenwiderstand von 5 Ohm fließen also 2.5 A Erregerstrom.
(Die einem innerhalb von 3-5 Stunden zusammen mit dem Zündstrom die Batterie leersaugen können, wenn man beim Abstellen des Mopeds vergißt, die Zündung auszuschalten). |
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Wenn jetzt die Motordrehzahl und damit die Spannung der Lichtmaschine steigt, überwindet das Magnetfeld der Reglerspule die Federkraft und zieht den Anker an und damit den bewegliche Kontakt von seinem festen Kumpel ab. Damit liegt die Feldspule nicht mehr direkt an der Batterie, der Strom muß jetzt zusätzlich über einen 10-Ohm-Widerstand fließen. Dadurch fällt der Erregerstrom auf ca. 0.8 A, und die erzeugte Spannung wird entsprechend kleiner. Steigt die Motordrehzahl weiter, schließt der untere Kontakt: Die Feldspule wird nach Masse kurzgeschlossen, und die Generatorspannung wird fast Null. (Nur fast, weil im Eisen des Läufers noch Restmagnetismus übrigbleibt, der für eine kleine Restspannung sorgt, die allerdings im Gleichrichter "hängenbleibt"). Bei fallender Bordnetzspannung überwindet die Federkraft die Magnetkraft der Reglerspule, zunächst öffnen die unteren Kontakte, die Erregerfeldstärke und damit die Lichtmaschinenspannung steigen, bis schließlich die oberen Kontakte schließen und die volle Leistung wieder da ist. Das Ganze spielt sich mehrmals in der Sekunde ab, wer mal den Reglerdeckel abnimmt und die Kontakte beobachtet wird sehen, daß bei niedrigen Drehzahlen die oberen Kontakte spielen, bei hohen die unteren.
So, und hier muß ich jetzt mal mit einigem Definitionswirrwarr aufräumen: Ich habe die ganze Zeit von "oberen" und "unteren" Kontakten geschrieben. Diese Bezeichnungen beziehen sich auf die Zeichnungen und Fotos. Der "obere" Kontakt, der bei kleiner Spannung aktiv ist, ist eben oben gezeichnet, der "untere" unten. In der einschlägigen Literatur ist es genau umgekehrt: man spricht von der "oberen" bzw. "unteren Regellage" oder einfach von "oberen" und "unteren" Kontakten. Gemeint ist: Der obere Kontakt oder die obere Regellage ist der Zustand, bei dem die hohe (obere) Netzspannung ansteht. Und die sind in den Zeichnungen und im leibhaftigen Regler unten! Im Gegensatz zum Rest der Welt habe ich mich entschlossen, für den Rest dieses Artikels bei meiner Definition zu bleiben. Wenn hier also von einem "oberen Kontakt" die Rede ist, ist dieser Kontakt in den Zeichnungen und im Regler oben, wenn man den Regler auf den Tisch stellt. So, kommen wir nun zum praktischen Teil. An der Lichtmaschine und am Gleichrichter gibt's nichts zuwarten oder reparieren. Der Generator geht auch normalerweise nie kaputt, wenn man nicht wie ich beim Ausbohren einer festkorrodierten Schraube den Bohrer in die Ständerwicklung setzt! (Grrrräää..... ).
Im Gegensatz zu Gleichstromlichtmaschinen ist er auch nicht durch Überlastung zu beschädigen, in diesem Falle gibt er einfach nicht mehr her, als er vertragen kann. Auch Motoröl, das durch einen defekten Wellendichtring ins Lima-Gehäuse gelangt, ist für den Generator völlig harmlos. Anders sieht es beim Gleichrichter aus. Wie ich schon in meinem Artikel über die 500f (GP 10/90) geschrieben habe, ist er etwas wassergefährdet. Ersatz gibt's auf dem Teilemarkt oder im Elektronikfachgeschäft (Drehstrombrückengleichrichter 40V/10A oder 6 Dioden). |
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Richtige Wartung, wenn überhaupt, erfordert der Regler. Obwohl die Mechanik das ewige Leben hat, sollte man sich spätestens dann mal um ihn kümmern, wenn die Batterie "kaputt", dauernd leer oder überladen ist und Wasser säuft.
Bevor der Regler eingestellt werden soll, baut man sich am besten erstmal eine ca. 50 cm lange Verlängerung für die Zuleitungen, bestehend aus drei Strippen mit den passenden Flachsteckern. Damit kann man das Teil bequem auf die Sitzbank legen und muß nicht in dem engen Elektrokabuff arbeiten.
Außerdem sollte man bei laufendem Motor die Zuleitungen zum Regler nicht mit bloßen Fingern berühren. Wenn der Regler schaltet, können nämlich Spannungsspitzen entstehen, die unangenehm spürbar sind. Das gilt übrigens auch für das Blinkrelais und alle elektrischen Bauteile, die geschaltete Spulen enthalten!
So, und jetzt wird der Regler erstmal ausgebaut und die Kappe abgeschraubt. Jetzt sieht man sofort die Reglerspule und die Kontakte. Mit den Schrauben unter den Kontakten kann man deren Abstand einstellen.
Rechts neben der Spule sitzt die Rückzugfeder, die sich an die gekonterte Spannungseinstellschraube stützt.
Der Regelwiderstand ist gemeinsam mit einem Spulenvorwiderstand an der Unterseite der Grundplatte montiert. Vorsicht: Dieser Widerstand wird nach kurzer Betriebszeit ziemlich heiß!
Als erstes werden die Kontakte begutachtet: Das untere Paar wird auch nach langer Laufzeit wie neu aussehen, weil hier nur ein geringer Strom geschaltet wird. Das obere Paar zeigt eher leichte Brandspuren, die allerdings normal sind. Stark verbrannte Kontakte deuten auf einen Fehler in der Feldspule und ihren Zuleitungen hin (Kurz- oder Windungsschluß). In diesem Fall ist der Widerstand der Spulen zu messen: Die Erregerspule soll 4.9 Ohm, die Ständerspule 0.35 Ohm haben (gemessen zwischen je zwei der drei gelben Drähte).
Diese Werte gelten für die 350-500f, bei der 750 F hat die Erregerspule 7.2 Ohm, die Ständerspule 0.2 Ohm.
Liegen die Meßwerte mehr als 10% niedriger oder höher, ist die betreffende Spule wahrscheinlich defekt.
Verschmutzte oder verölte Kontakte werden mit einem Stück Löschpapier gereinigt, das man mit Kontaktspray oder Alkohol tränkt und zwischen den Kontakten durchzieht. Die berühmte Kontaktfeile oder Schleifpapier sind Murks und höchstens in Notfällen zu gebrauchen. Neue Kontakte sind mit einem ziemlich widerstandsfähigen Kontaktwerkstoff, z.B. Wolfram, überzogen. Nach einem Strich mit der Feile sehen auch angebrannte Kontakte zwar wieder wie neu aus, aber die Härteschicht ist weg und der Kontakt nach kurzer Zeit ganz hinüber. Stark verbrannte Kontakte kann man nur wegwerfen. Das gilt für alle Kontakte, besonders auch Zündkontakte!
Unsere Reglerkontakte machen da wenig Ärger, eine Lebensdauer von 100.000 km und mehr sind eigentlich normal, so daß höchstens eine Reinigung nötig ist. Als nächstes werden die Abstände gemessen und eingestellt. Der Abstand des Ankers vom Spulenkern soll zwischen 0.6 und 1 mm liegen. Nach Lösen der Schraube (1) wird der Kontaktsatz soweit verschoben, bis der Abstand stimmt. Wenn man Schraube (2) löst, läßt sich durch Verschieben des unteren Kontaktes der Kontaktabstand einstellen; er sollte 0.2 mm betragen.
Nach diesen Vorarbeiten muß jetzt die Reglerspannung eingestellt werden. Mit Hilfe der oben erwähnten Verlängerung kann man sich den Regler so zurechtlegen, daß man bequem an die Einstellschraube (3) rankommt. An die Batteriekabel wird ein genaues Voltmeter geklemmt. Nun Motor anlassen und Licht einschalten.
Jetzt muß die Batterie abgeklemmt werden, damit wir wirklich nur die unverfälschte Reglerspannung messen. |
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Den Bauteilen kann nichts passieren, wenn wirklich nur die Batterie abgeklemmt wird. Die Leitungen zum Regler oder die Rot-weiße Leitung vom Gleichrichter zum Bordnetz dürfen im Betrieb auf keinen Fall gelöst werden, sonst schießt die Spannung ungeregelt hoch und tötet im 1. Fall mindestens alle Glühlampen, im 2. Fall den Gleichrichter! Wenn man jetzt langsam Gas gibt, sieht man, wie die Spannung von zunächst ca. 12V ein wenig ansteigt, bis eine weitere Drehzahlerhöhung keinen Einfluß mehr hat. An diesem Punkt sollten etwa 16.2 Volt dasein. Zur Einstellung wird die Kontermutter etwas gelöst und die Einstellschraube vorsichtig gedreht (Rechtsdrehen ergibt höhere Spannung). Anschließend Kontermutter festziehen, zur Sicherheit nochmal messen, fertig.
Die angegebene Spannung ist die Ladeschlußspannung der Batterie, ich habe sie mit Rücksicht auf den Winter (Heizgriffe, langsame Fahrt) ziemlich hoch gewählt. Sollte die Batterie damit anfangen, Wasser zu saufen, muß die Spannung etwas tiefer eingestellt werden; so ca. 0.5 V weniger. Hier muß eventuell einige Zeit probiert werden. Die Einstellung ist korrekt, wenn die Batterie gut geladen ist, aber keinen nennenswerten Wasserverbrauch zeigt. Nicht nennenswert heißt: Nachfüllen ist höchstens alle 3 Monate mal nötig. Der Regler kann jetzt wieder zugeschraubt und eingebaut werden; wenn die Batterie noch gut ist und keine Klemmen korrodiert sind, sollte unser Bordkraftwerk jetzt wieder laufen wie neu! |
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05.08.2009 | meisterpeschke |
Dir sollte ein Orden verliehen werden! Kein Haendler konnte mir den Aufbau mit Erregerspule schildern. Hab eine CBX750F und seit drei Tagen ein Problem mit meiner Lichtmaschine. Dankeschoen! |
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07.08.2009 | Gerhard Höhle |
Hut ab, das nenn ich mal verständlich erklärt.
Werde mich gleich mal bei meiner CB 550 auf die Fehlersuche begeben. |
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Die Batterie, erster Teil
Zum Artikel vom 22.12.2003