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Technischer Artikel: Wie ein Motorrad-Ladesystem funktioniert – ElectroSport

Die Grundlagen eines Motorrad-Ladesystems
In fast jedem Motorrad befindet sich eine Batterie, die zum Starten des Motorrads und zum Puffern einer elektrischen Energiemenge dient. Die Batterie selbst wird von einer Lichtmaschine geladen, die vom Motor angetrieben wird, und solange der Motor läuft, fließt Strom durch die Batterie. Die Leerlaufspannung einer voll geladenen Batterie beträgt etwa 13 Vdc. Zum Laden der Batterie sollte das Ladesystem eine Spannung von etwa 14,4 Vdc liefern, und diese Spannung sollte bei allen Motordrehzahlen konstant sein.
Die Lichtmaschine selbst befindet sich im oder am Motor, und bei den meisten Motorrädern gibt es eine separate Regler-Gleichrichter-Einheit, die sich irgendwo am Rahmen befindet. Der Grund dafür ist, dass fast alle Motorräder mit einem dreiphasigen Wechselstromgenerator ausgestattet sind, während das elektrische System des Motorrads ein Gleichstromsystem ist. Der Gleichrichterteil im Regler-Gleichrichter wandelt den Wechselstrom in den Gleichstrom um, den die Batterie benötigt. Der Dreiphasen-Wechselstromgenerator wird deshalb so häufig verwendet, weil er viel effizienter und zuverlässiger ist als ein Gleichstromgenerator. Er kann auch im Leerlauf Strom zum Laden der Batterie erzeugen. Der Regler des Regler-Gleichrichters wird verwendet, um die Ausgangsspannung (zur Batterie) auf die benötigten 14,4 Vdc zu regulieren.
Das Permanentmagnet-Generatorsystem
Ein Generator auf einem Fahrrad erzeugt diese elektrische Leistung, weil er eine Kupferdrahtwicklung auf dem Stator (dem statischen Teil des Generators) hat, der sich in einem variierenden Magnetfeld befindet. Der einfachste Generator verwendet ein Schwungrad, das auf der Kurbelwelle läuft und in dem sich ein paar Magnete befinden. Wir nennen dieses Schwungrad mit seinen eingebauten Magneten den Rotor.

Abbildung 1: PERMANENT-MAGNET-GENERATOR
Die Magnete selbst haben Nord- und Südpole und das Schwungrad dreht sich um den Stator. Der Stator ist ein Metallkern mit vielen Metallpolen, die mit Wicklungen aus Kupferdraht versehen sind. Da sich das Schwungrad dreht und in seinem Inneren Nord- und Südpole vorhanden sind, sind die Wicklungen des Stators zuerst einem Nordpol, dann einem Südpol, dann wieder einem Nordpol usw. ausgesetzt. Dies ist das wechselnde Magnetfeld, das erforderlich ist, damit die Wicklung selbst Wechselstrom erzeugen kann. Die Wicklungen selbst sind sternförmig angeschlossen (eine Wicklung hat zwei Enden und die drei Enden der drei verschiedenen Wicklungen sind miteinander verbunden), so dass der Stator nur drei Ausgangsdrähte hat, die von ihm ausgehen.
Diesen Generatoraufbau nennen wir einen Permanentmagnetgenerator. Das liegt daran, dass das Schwungrad Magnete enthält, die ständig magnetisch sind. Die Leistung eines bestimmten Stators ist abhängig von der Motordrehzahl (je höher die Drehzahl der Magnetfeldvariation, desto höher die Statorleistung), und der Kraft des Magnetfeldes (die konstant ist) Grundsätzlich erzeugt der Stator bei einer bestimmten Drehzahl eine bestimmte Leistung.
Dann wird der Wechselstrom durch den Gleichrichter in der Regler-Gleichrichter-Einheit geleitet. Der Gleichrichter wandelt die drei AC-Phasen in einen einzigen 14,4 Vdc-Ausgang, eine Masse und einen Pluspol um. Da der Stator in Abhängigkeit von der Motordrehzahl Leistung erzeugt, ist die Statorleistung ständig zu hoch. Das würde bedeuten, dass die Ausgangsspannung des Regler-Gleichrichters ständig weit über 14,4 Vdc liegen würde, was zu einer überladenen Batterie und zum Durchbrennen von elektrischen Komponenten am Motorrad führen würde, die für eine Spannung zwischen 12 und 15 Vdc ausgelegt sind.
Glücklicherweise gibt es in einem Regler-Gleichrichter auch einen Reglerteil. Der Regler schaut sich die Gleichspannung an den Batterieklemmen an und schließt eine bestimmte Menge an Strom, die vom Stator erzeugt wird, gegen Masse kurz. Dies wird ständig reguliert, so dass die Ausgangsspannung des Regler-Gleichrichters (die im Idealfall mit der Spannung an den Batterieklemmen übereinstimmt) immer bei 14,4 VDC liegt.Der Permanentmagnet-Generator ist nicht sehr effizient, aber sehr einfach und recht zuverlässig. Eines der Probleme bei diesen Systemen ist das Kurzschließen der überschüssigen Leistung selbst. Dies geschieht durch den Regler-Gleichrichter, und dieser Teil muss die Energie, die er kurzschließt, ableiten, was bedeutet, dass er sehr heiß wird. Das liegt zum einen am Regler und zum anderen an den Gleichrichterdioden selbst, die durch den durch sie fließenden Strom sehr heiß werden. Die Regler-Gleichrichter-Einbauten müssen so konstruiert sein, dass die Wärme effizient von den elektronischen Komponenten selbst an das Gehäuse des Geräts übertragen wird, das meist mit Kühlrippen ausgestattet ist. Dies ist der wichtigste Punkt bei der Konstruktion eines Regler-Gleichrichters für den Einsatz in einem Permanentmagnet-Generator
Der Regler-Teil des Regler-Gleichrichters muss irgendwo im System die Gleichspannung messen. Bei den billigsten Geräten (viele OEM-Geräte) wird dies nicht durch die Messung der Gleichspannung im Gleichstromsystem erreicht, sondern durch die Messung der Wechselspannung zwischen einer Statorphase und der Erde, und manchmal wird die überschüssige Leistung von nur einer oder zwei Eingangswechselstromphasen gegen Erde kurzgeschlossen, anstatt von allen drei Phasen, die geregelt werden. Bessere Geräte messen die Ausgangsspannung des Geräts selbst und regeln die Eingangswechselspannung entsprechend, indem sie mehr oder weniger Strom gegen Masse kurzschließen, und zwar gleichmäßig von allen drei Phasen.

ABBILD 2: PERMANENT-MAGNET-GENERATOR
Einige Geräte verwenden ein zusätzliches Eingangskabel (ABBILDUNG 2), um die Gleichspannung zu messen, das normalerweise über den Zündschalter und nicht direkt an die Batterie angeschlossen wird, so dass nur bei eingeschalteter Zündung eine Spannung an dieser Leitung anliegt. Dies geschieht, um einen Spannungsabfall auszugleichen, der durch eine schlechte Verbindung in den Leitungen zwischen dem Regler-Gleichrichter-Ausgang und den Batterieklemmen entstehen kann. Diese Leitungen führen einen hohen Strom, und jede schlechte Verbindung hier führt zu einer niedrigeren Spannung an den Batterieklemmen.
Die zusätzliche Leitung führt einen viel niedrigeren Strom, und das Ergebnis dieser Einrichtung ist, dass die Ausgangsspannung des Regler-Gleichrichters höher ist, nämlich die gleiche Gleichspannung wie der Spannungsabfall in den Hochstromleitungen plus 14,4 Vdc. Das hat den Vorteil, dass die Batterie trotz eines schlechten Anschlusses geladen wird, hat aber den Nachteil, dass die Hochstromleitungen dadurch irgendwann durchbrennen können, ohne dass der Besitzer vorher merkt, dass es ein Problem in der Schaltung gibt.
Eine Sache, die man beachten muss, ist, dass die von der Statorwicklung gelieferte Ausgangsleistung zwischen den Phasen geliefert wird. Die Masse im Ladesystem ist der negative Ausgang des Gleichrichters. Der AC-Teil des Dreiphasensystems ist von der Masse abgekoppelt. Das bedeutet, dass die Prüfung des AC-Ausgangs zwischen zwei der drei Phasen und nicht von einer Phase zur Erde erfolgen muss.
Das feldgesteuerte Generatorsystem
Das andere bei Motorrädern verwendete System ist der feldgesteuerte Generator. Das System selbst funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie ein Dauermagnetgenerator, der einzige große Unterschied besteht darin, dass es keine Dauermagnete gibt, sondern einen Elektromagneten, der für den nötigen Magnetismus sorgt. (Dieser Magnetismus wird normalerweise als “Feld” bezeichnet.) Der Elektromagnet ist eine einzelne große Wicklung auf einem Metallkern, die magnetisiert wird, sobald ein Gleichstrom durch die Wicklung fließt, der von der Batterie geliefert wird. Bei den meisten feldgesteuerten Systemen hat dieser Metallkern Klauenpole und zwei Schleifringe. Das Ganze dreht sich mit der Kurbelwelle, wobei die Statorwicklung (genau wie beim Permanentmagnetstator) darum herum liegt. Stellen Sie sich vor, Sie schauen von der Seite auf die Außenseite des Rotors. Sie sehen zwei zusammengedrückte Metallstücke mit einer Wicklung dazwischen. Wenn Sie eine Batteriespannung über die Schleifringe anlegen, verhält sich der Rotor wie ein großer Elektromagnet, und die linke Seite des Rotors wird zum Nordpol, die rechte Seite zum Südpol. In der Mitte überschneiden sich die Teile, d. h., wenn sich der Rotor dreht, wird zuerst ein Südpol durchlaufen, dann ein Nordpol, dann ein Südpol usw. Dies ist das erforderliche variierende Magnetfeld zur Erzeugung von Wechselstrom in der Statorwicklung. Der dreiphasige Wechselstrom aus der Statorwicklung wird durch einen Gleichrichter (innerhalb der Regler-Gleichrichter-Einheit) geleitet, um ihn in Gleichstrom zum Laden der Batterie umzuwandeln.

ABBILD 3: GESCHALTETES FELD
Die Regelung erfolgt durch den Regler-Teil des Regler-Gleichrichters. Er misst die Spannung im elektrischen System des Motorrads und schaltet das Feld ein, wenn die Spannung unter 14,4 Vdc liegt (er schaltet eine 12Vdc-Versorgung über die Schleifringe). Wenn die Spannung im System des Motorrads über 14,4 Vdc ansteigt, erkennt der Regler dies und schaltet das Feld einfach ab, woraufhin die Spannung abfällt, weil der Stator keine Leistung mehr erzeugt (es gibt kein veränderliches Magnetfeld). Wenn die Spannung unter ca. 14,2 V sinkt, schaltet der Regler das Feld wieder ein.
Dies ist ein konstanter Prozess und das Ergebnis ist eine konstante Spannung von 14,4 Vdc an den Batterieklemmen. Da der Stator keine überschüssige Leistung produziert, ist dieses System sehr effizient. Der Nachteil ist, dass es nicht so einfach und klein ist wie ein Permanentmagnetgenerator. Die Erregerwicklung ist normalerweise mit einer Seite über den Zündschalter an den Pluspol der Batterie angeschlossen. Das Feld wird also nur mit Strom versorgt, wenn die Zündung eingeschaltet ist. Die Regelung erfolgt über den Reglerteil des Regler-Gleichrichters, indem die Masse für das Feld ein- oder ausgeschaltet wird. Bei einigen Maschinen ist der Aufbau umgekehrt, dann ist eine Seite des Feldes immer mit der Masse verbunden, und die andere Seite wird durch den Regler (über den Zündschalter) auf eine positive Einspeisung ein- oder ausgeschaltet.
Der wartungsfreie feldgesteuerte Generator
Einige Maschinen haben einen etwas anderen Aufbau. Dann befindet sich der Stator in einer Abdeckung, sowie die Feldwicklung in der Mitte. Dazwischen dreht sich ein eiserner Klauenpol, der vom Motor angetrieben wird. Der Klauenpol wird durch die Feldwicklung magnetisiert und das System funktioniert wie das oben beschriebene feldgesteuerte System. Der Unterschied besteht darin, dass sich das Feld nicht dreht, so dass es nicht über Schleifringe und Bürsten angetrieben werden muss, was es praktisch wartungsfrei macht. Der Nachteil dieses Aufbaus ist der zusätzliche Luftspalt zwischen der Feldwicklung und dem Klauenpol. Normalerweise gibt es einen sehr engen Luftspalt zwischen Rotor und Stator, der notwendig ist, damit sich der Rotor frei drehen kann. Dieser Luftspalt muss so klein wie möglich sein, je kleiner der Luftspalt, desto effizienter arbeitet der Generator. Bei diesem wartungsfreien System gibt es einen zusätzlichen Luftspalt, so dass dieses System weniger effizient ist.
Der feldgesteuerte Generator
Die letzte Variante dieses Systems ist ein fahrzeugähnlicher Generator, der als eine Einheit an den Motor des Fahrrads geschraubt wird. Er wird vom Motor selbst angetrieben und hat einen eingebauten Gleichrichter und einen eingebauten Regler, genau wie ein Auto-Generator.Die einzigen Verbindungen sind die positive Ausgangsleitung zur Batterie und eine Versorgungsleitung vom Zündschloss zum Regler, so dass der Regler ein- und ausgeschaltet werden kann, wenn der Motor nicht läuft, und er kann die Spannung des elektrischen Systems des Motorrads an dieser Leitung messen. Manchmal gibt es noch ein drittes Kabel, das als Masseleitung zum Rahmen oder zum Minuspol der Batterie führt. Da der Gleichrichter und der Regler in der Lichtmaschine selbst eingebaut sind, kommt nur Gleichspannung (14,4 Vdc) von dieser Lichtmaschine.