Kfz-Lichtmaschine: Drei-Phasen-Generator für praxisnahes Lernen aufbauen

Projektbauteile & Materialien

• Kfz-Lichtmaschine (eine erforderlich, zwei empfohlen)

Gebrauchte Lichtmaschinen lassen sich günstig auf Schrottplätzen beschaffen, wo viele Geräte bereits ausgebaut sind. Eine neue Lichtmaschine ist nicht nötig; ein gut erhaltener Gebrauchtgerät liefert für dieses Experiment die gleiche Leistung.

Ich empfehle eine Delco-Remy-Lichtmaschine, die viele GM-Fahrzeuge (GMC, Chevrolet, Cadillac, Buick, Oldsmobile) antreibt. Dieses Modell ist seit den frühen 1960ern nahezu unverändert, daher in Schrottplätzen häufig und einfach zu zerlegen.

Mit zwei Lichtmaschinen können Sie eine in einen Drei-Phasen-Generator und die andere in einen Motor umbauen – die Umbauschritte sind identisch.

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Band 1, Kapitel 14: „Magnetism and Electromagnetism“

Lessons In Electric Circuits, Band 2, Kapitel 10: „Polyphase AC Circuits“

Lernziele

• Prinzipien von Elektromagnetismus und Induktion verstehen
• Konstruktion echter elektromagnetischer Maschinen erforschen
• Wissen über Drei-Phasen-Wicklungen praktisch anwenden

Automotive Alternator Schaltplan

 

 

Eine Kfz-Lichtmaschine ist ein Drei-Phasen-Generator mit einem Sechs-Dioden-Gleichrichter. Wenn die Riemenscheibe (oder Scheibe), angetrieben von der Kurbelwelle des Motors, dreht, rotiert ein Elektromagnet an einem feststehenden, Y-geschalteten Satz Statorwicklungen vorbei.

Der Rotor ist ein Elektromagnet statt eines Permanentmagneten, wodurch die Feldstärke mit einem kleinen DC-Strom eingestellt werden kann. Dieses Design hält die Ausgangsspannung unabhängig von der Drehzahl stabil.

Die Erregerwicklung wird über Kupferschleifringe und Kohlebürsten gespeist, die durch Federdruck in Position gehalten werden. Viele Lichtmaschinen haben einen integrierten Regler, der die Batterie ein- und ausschaltet, um die Erregerwicklung zu steuern; falls vorhanden, kann dieser Regler zur Vereinfachung des Experiments entfernt werden.

Beim Entfernen des Reglers lassen Sie die Bürstenanschlüsse zugänglich, damit Sie die Erregerwicklung mit DC versorgen können, während die Lichtmaschine vollständig zusammengebaut bleibt.

Automotive Alternator Illustration

 

 

Versuchsanleitung

Beginnen Sie mit dem Servicehandbuch Ihres spezifischen Lichtmaschinenmodells. Die folgenden Anweisungen sind generisch und können für andere Marken Anpassungen erfordern.

Da die Herstelleranschlüsse für unser Experiment ungeeignet sind, müssen Sie eigene Verbindungen herstellen. Bauen Sie die Lichtmaschine vorsichtig auseinander und lokalisieren Sie die Anschlüsse, die die beiden Kohlebürsten speisen. Löten Sie ein Paar 20-gauge-Drähte an diese Anschlüsse und führen Sie die Leitungen durch Lüftungsöffnungen, um Störungen am Rotor zu vermeiden.

Identifizieren Sie als Nächstes die drei Statoranschlüsse, die mit der Diodenbrücke verbunden sind. Löten Sie 18- oder 20-gauge-Drähte an jeden dieser Anschlüsse und führen Sie sie aus dem Gehäuse. Nutzen Sie den größtmöglichen Querschnitt, da diese den vollen Leitungsstrom führen.

Für Zuverlässigkeit befestigen Sie Ringösen an Ihren Drähten und sichern Sie diese unter den Originalanschlussmuttern. Dies gewährleistet eine robuste Verbindung zum Diodenblock und vereinfacht spätere Demontage.

Bauen Sie die Lichtmaschine wieder zusammen, wobei die Bürsten zurückgezogen sein müssen, um Kontakt mit dem Rotor während des Betriebs zu vermeiden. Delco-Remy-Geräte bieten oft ein kleines Zugangsloch; eine Büroklammer oder ein dünner Draht kann die Bürsten während der Montage gegen die Federkraft zurückhalten.

Nach Bestätigung, dass die Welle frei dreht, schließen Sie die Erregerleitungen an eine 6-V-Batterie an und verbinden Sie ein Voltmeter mit je zwei der drei Leitungsanschlüsse:

Bei Einstellung des Messgeräts auf DC-Volt sollte die Anzeige beim sanften Drehen der Welle zwischen positiven und negativen Werten oszillieren, was die Erzeugung von AC demonstriert. Schalten Sie das Messgerät auf AC-Volt und wiederholen Sie den Test bei verschiedenen Drehzahlen, um den Zusammenhang zwischen mechanischem Eingang und elektrischem Ausgang zu veranschaulichen.

Kurzschließen Sie zwei der drei Leitungsdrähte und drehen Sie die Lichtmaschine erneut. Sie werden einen erhöhten Widerstand gegen die Drehung bemerken – dies ist die mechanische Last, die der elektrische Kurzschluss auferlegt.

Versorgen Sie nun die Erregerwicklung mit 12 V DC und wiederholen Sie die DC-, AC- und Kurzschlusstests. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit denen bei 6 V; höhere Erregerspannung erhöht die Ausgangsspannung und das Lastmoment.

Schließen Sie eine polaritätsunempfindliche Last, z. B. eine kleine Glühlampe, an die drei Leitungsanschlüsse an. Wickeln Sie ein Seil um die Riemenscheibe und drehen Sie die Lichtmaschine schnell; die Lampe sollte leuchten und bestätigen, dass die Lichtmaschine eine echte Last treiben kann.

Falls Sie eine zweite Lichtmaschine haben, folgen Sie denselben Verdrahtungsschritten, um sie als Motor vorzubereiten. Verbinden Sie die Leitungsanschlüsse der ersten Lichtmaschine mit den entsprechenden Anschlüssen der zweiten. Versorgen Sie die Erregerwicklung der ersten Lichtmaschine aus einer 6-V-Batterie und kurzschließen Sie die Erregerwicklungen der zweiten, um einen Asynchronmotor zu erzeugen.

Drehen Sie den Generator und beobachten Sie die Motorwelle. Das Vertauschen beliebiger zwei Leitungsanschlüsse ändert die Phasenfolge und damit die Drehrichtung des Motors.

Alternativ verbinden Sie die Erregerwicklung des Motors mit derselben 6-V-Batterie wie die des Generators. Der Motor arbeitet nun als Synchronmotor, dessen Rotor an das rotierende Magnetfeld gekoppelt ist.

Den modifizierten Alternator auf die nächste Stufe bringen

Für handwerklich Begabte lässt sich die Lichtmaschine auf einem Fahrrad montieren, um einen pedalkraftbetriebenen Generator zu schaffen. Das von mir verwendete Design verbindet die Riemenscheibe der Lichtmaschine über einen langen Keilriemen mit dem Hinterrad, der auch das Hinterrad stützt und die Spannung beim Fahren hält.

Der Generator wird von einem Stahlrahmen getragen – hier 2-Zoll-Vierkantrohr, aber ein Holzrahmen funktioniert ebenfalls. Die Anlage dient als praktisches Trainingsgerät und ist kostengünstig zu bauen.

Drei 12-V-„Wohnmobil“-Lampen dienen als Last, gesteuert durch Schalter am Vorderrad. Durch Gleichrichten des Drei-Phasen-Ausgangs kann die Lichtmaschine ihre eigene Erregerwicklung speisen, wodurch nach dem Anlauf keine Batterie mehr nötig ist. Eine initiale DC-Quelle ist dennoch erforderlich, um die Erregerwicklung beim Start zu erregen.

 

ZUGEHÖRIGE ARBEITSBLÄTTER:

• AC Generator Theory Worksheet
• Polyphase Power Systems Worksheet