29.07.2016
Erschienen in: 07/ 2016 aerokurier

Stromversorgung im FlugzeugLichtmaschine

Im Englischen wird zwischen Generator und Alternator unterschieden, im Deutschen meist nur von der Lichtmaschine allgemein gesprochen. Unser Autor erklärt die Unterschiede.

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Die Gleichstromlichtmaschine (hier an einem Continental O-200) wird über Zahnräder angetrieben. Foto und Copyright: Mark Juhrig  

 

Alternator und Generator unterscheiden sich in ihrer Konstruktion und haben unterschiedliche Eigenschaften. Grund genug, sich die beiden Bauformen der Lichtmaschine einmal genauer anzusehen.

Die korrekte englische Bezeichnung für den Generator ist übrigens Dynamo – wie der Dynamo am Fahrrad. Der Begriff beschreibt einen Gleichstromgenerator mit Kommutator. Die korrekte deutsche Bezeichnung ist demnach Gleichstromlichtmaschine. Der englische Begriff Alternator beschreibt hingegen eine Wechsel- oder Drehstromlichtmaschine. 

Dass es zwei unterschiedliche Bauarten von Lichtmaschinen gibt, liegt an den jeweils benötigten Technologien. Die von einem Wechselstromgenerator erzeugte Wechselspannung muss für die Versorgung der elektrischen Verbraucher zuerst gleichgerichtet werden. Entsprechend kompakte und leistungsstarke Halbleitergleichrichter waren jedoch erst in den 1960er Jahren verfügbar. Vorher wurden daher ausschließlich Gleichstromlichtmaschinen verwendet, bei denen ein sogenannter Kommutator – auch als Polwender bezeichnet – für die Erzeugung des Gleichstroms sorgte. Der Kommutator wandelt die von den in der Lichtmaschine rotierenden Wicklungen erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Die rotierenden Wicklungen bewegen sich in einem von den feststehenden Feldwicklungen erzeugten Magnetfeld. 

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Selbst bei einer erhöhten Leerlaufdrehzahl von 1200 Umdrehungen pro Minute erzeugt die Gleichstromlichtmaschine eines O-200 noch keinen Strom – folglich zeigt das Amperemeter Entladung an. Foto und Copyright: Mark Juhrig  

 

Im Automobilbereich wurde die Gleichstromlichtmaschine in den 60er Jahren von der Wechsel- beziehungsweise Drehstromlichtmaschine abgelöst. Etwas später setzte sich diese Bauform dann auch in der Luftfahrt durch. Bei der Wechselstromlichtmaschine sind die stromerzeugenden Wicklungen stationär im Gehäuse der Lichtmaschine eingebaut, im Inneren rotiert die Feldwicklung. Die Feldwicklung erhält den Erregerstrom zur Erzeugung des Magnetfeldes über zwei Schleifringe und Kohlen, auch Bürsten genannt. Die Unterschiede zwischen Gleich- und Wechselstromlichtmaschine erscheinen auf den ersten Blick marginal, dennoch hat die Drehstromlichtmaschine einige erhebliche Vorteile.

Fangen wir mit dem Kommutator der Gleichstromlichtmaschine an. Wie die Schleifringe der Wechselstromlichtmaschine überträgt er den Strom über Bürsten. Jedoch fließt bei der Gleichstromlichtmaschine der gesamte erzeugte Strom über den Kommutator und die Bürsten, während bei der Wechselstromlichtmaschine nur der relativ geringe Erregerstrom zur Erzeugung des Magnetfeldes über Schleifringe und Bürsten fließt. Weiterhin besteht der Kommutator der Gleichstromlichtmaschine aus zahlreichen voneinander isolierten Segmenten, welche mit den stromerzeugenden Wicklungen im Rotor verbunden sind. Das macht die Oberfläche des Kommutators verhältnismäßig rau und uneben. Daher verschleißen die Kohlen auch viel schneller als die Kohlen der Wechselstromlichtmaschine. Es ist nicht selten der Fall, dass die Kohlen einer Wechselstromlichtmaschine die gesamte Lebenszeit der Lichtmaschine durchhalten.

Ein weiterer Nachteil der Gleichstromlichtmaschine ist deren geringe Drehzahlfestigkeit. Aufgrund des relativ komplexen Aufbaus des Rotors mit seinen zahlreichen Wicklungen ist dessen Maximaldrehzahl begrenzt. Dies hat zur Folge, dass die Übersetzung von der Kurbelwelle zur Gleichstromlichtmaschine so ausgelegt werden muss, dass deren maximal zulässige Drehzahl nicht überschritten werden kann. Daher liefern Gleichstromlichtmaschinen meist erst dann ausreichend Strom, wenn der Motor bei Reiseflugdrehzahl betrieben wird. Läuft der Motor im Leerlauf oder bei relativ niedriger Drehzahl, wird die Bordelektrik nur durch die Batterie versorgt. Wechsel- beziehungsweise Drehstromlichtmaschinen produzieren dagegen meist schon bei Leerlaufdrehzahl genügend Strom, damit die Batterie nicht entladen wird. 

Der Laderegler schützt Batterie und Lichtmaschine

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Eine Drehstromlichtmaschine an einem Continental IO-550-Motor. Foto und Copyright: Mark Juhrig  

 

Eines haben Gleichstrom- und Wechselstromlichtmaschinen gemeinsam: Die Spannung des Bordnetzes wird auf die gleiche Art geregelt. Würde man dies nicht tun, würde sie über die maximal zulässige Batteriespannung ansteigen, sobald die Batterie vollständig aufgeladen ist. Die Zerstörung des Akkus wäre nur eine Frage der Zeit. Um dies zu vermeiden, wird die Lichtmaschine abgeschaltet, sobald die Maximalspannung der Batterie erreicht ist. Hier unterscheiden sich Gleich- und Wechselstromlichtmaschinen nicht voneinander, denn bei beiden Systemen wird die magnetfeld- beziehungsweise erregerfeld-erzeugende Wicklung der Lichtmaschine abgeschaltet. Sobald die Batteriespannung abgesunken ist, schaltet der Lichtmaschinenregler die Erregerwicklung wieder ein, dieser Vorgang wiederholt sich viele hundert Mal pro Sekunde. Mitunter kann man dieses schnelle Ein- und Ausschalten als gurgelndes Geräusch im Headset hören. 

Da die ursprünglichen Regler der Gleichstromlichtmaschinen noch ohne Elektronik auskommen mussten, bestanden sie aus mehreren Relais. Eins dieser Relais unterbricht den Erregerstromkreis, sobald die Maximalspannung der Batterie erreicht wird; ein weiteres Relais trennt die Lichtmaschine vom Bordnetz, sobald die von der Lichtmaschine produzierte Spannung zu gering ist. So ist sichergestellt, dass die Batterie nicht durch die Lichtmaschine entladen werden kann. Das dritte Relais des Reglers verringert die Stromproduktion, sobald der maximal zulässige Ladestrom überschritten wird, um die Lichtmaschine vor einem Schaden durch Überhitzung zu schützen. Die Relais von Spannungs- und Stromregelung werden über einstellbare Kontaktabstände justiert. Da diese sich durch Abbrennen der Kontakte zunehmend vergrößern, müssen sie regelmäßig kontrolliert, nachgestellt und gereinigt werden. Heute dominieren elektronische Regler. Sie sind, wie auch die Regler für Wechselstromlichtmaschinen, völlig wartungsfrei. 

Die Regler von Wechselstromlichtmaschinen haben meist nur eine Spannungsregelung. Die Abschaltung der Lichtmaschine bei niedrigen Drehzahlen ist nicht erforderlich, da sie keinen Strom aus der Batterie entnehmen und verbrauchen kann. Dies wird von dem eingebauten Gleichrichter verhindert. Auch eine Strombegrenzung ist bei Wechselstromlichtmaschinen nicht erforderlich, da sie so robust sind, dass sie auch bei maximal möglicher Stromproduktion nicht überhitzen und Schaden nehmen können. Zusätzlich verfügen die meisten Lichtmaschinenregler noch über die Möglichkeit, eine Warnleuchte anzuschließen, die im Störfall einen Fehler signalisiert. In vielen Flugzeugen ist zusätzlich noch eine weitere Warnleuchte verbaut, die bei zu niedriger Batteriespannung aufleuchtet.

Dennoch haben Drehstromlichtmaschinen nicht nur Vorteile. So benötigt eine Drehstromlichtmaschine eine funktionierende Batterie, um überhaupt Strom erzeugen zu können. Ist die Batterie völlig entladen, dann kann das Erregerfeld nicht aufgebaut werden, und die Stromproduktion bleibt aus. Die Gleichstromlichtmaschine ist hingegen durch vorhandenen Restmagnetismus „selbsterregend“ und kann daher sogar eine völlig entladene Batterie wieder aufladen. Ein neuer Gleichstromgenerator muss daher nach dem ersten Einbau zuerst „polarisiert“ werden, damit er auch die richtige Polarität erzeugt. Dies erfolgt durch eine kurzzeitige Verbindung der stromerzeugenden beziehungsweise erregerfelderzeugenden Wicklung der Lichtmaschine mit dem positiven Batteriepol, je nach Bauart der Gleichstromlichtmaschine. Auch ist die Fehlersuche an einer Gleichstromlichtmaschine durch die Selbsterregung vereinfacht. Man kann sie ausbauen und dann auf der Werkbank mit relativ einfachen Mitteln testen. Schließlich muss sie nur angetrieben werden, um eine messbare Spannung zu erzeugen.

Gleichstromlichtmaschinen fast nur noch bei Oldtimern

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Ältere Gleichstromlichtmaschinen haben häufig noch relaisgesteuerte Strom- und Spannungsregler. Foto und Copyright: Mark Juhrig  

 

Die Vorteile von Wechselstromlichtmaschinen bestehen darin, dass sie bei gleicher Leistung deutlich leichter sind, einen geringen Wartungsaufwand haben und dass sie schon bei niedrigen Drehzahlen Strom produzieren. Weiterhin erzeugen sie einen sehr gleichförmigen Strom mit geringer Restwelligkeit, sodass die hörbaren Störungen über Funk und Headsets minimiert sind. Da die Vorteile der Wechselstromlichtmaschinen überwiegen, findet man die Gleichstromlichtmaschine praktisch nur noch in sehr alten Flugzeugen und Oldtimern.

Ein besonderer Fall ist der Rotax 912, der mit einer am hinteren Kurbelwellenausgang angebrachten Wechselstromlichtmaschine daherkommt. Zusätzlich kann noch eine konventionelle Lichtmaschine vorn am Motor mittels Keilriemen angetrieben werden. Der hinten angebrachte Alternator hat im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Lichtmaschinen jedoch keine Erregerwicklung, sondern wird durch Dauermagnete erregt. Daher kann die Regelung der Lichtmaschine nicht durch Ab- und Anschalten des Erregerfeldes erfolgen, der Lichtmaschinenausgang muss vom Bordnetz getrennt werden, sobald die maximale Spannung überschritten wird. Der Regler einer Rotax-Lichtmaschine muss daher verhältnismäßig hohe Ströme schalten. So kommt es bei dem verwendeten Lichtmaschinenregler gelegentlich zu Ausfällen, vor allem im Hochsommer. Ein Vorteil der Rotax-Lichtmaschine ist, dass sie, wie die Gleichstromlichtmaschine, auch ohne anliegende Batteriespannung mit ihrer Arbeit beginnt und dass sie durch das Fehlen von Kohlen und Schleifringen völlig wartungsfrei ist.

aerokurier Ausgabe 07/2016

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Mark Juhrig


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