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Kurzschluss in der Lichtmaschine?

Während des von Karel und Daniel sehr spannend gehaltenen Elektrik-Kurses stellten wir nach erfolgreichem Zusammenbau einer zu Lernzwecken zerlegten Lichtmaschine fest, dass sie auf dem Prüfstand nicht so arbeitete, wie wir es erwartet hatten. Was war der Grund?

Noldi Lienhart

Liebe Traction-Freunde

Hier die festgestellten Fakten, damit wir uns die Zusammenhänge nochmals vor Augen
führen können:

Fehlersuche
Die erste Vermutung war, dass ein Unterbruch in einer Wicklung vorlag. Wir überprüften den Feldstrom, indem wir den Regler überbrückten und so die Feldspulen direkt an die Batteriespannung legten (DYN an + und EXC an -). Der Feldstrom entsprach mit ca. 1,65 A dem normalen Wert. Ein Unterbruch in einer der Spulen konnte damit
ausgeschlossen werden. Ein Kurzschluss in einer Feldwicklung liegt mit ziemlicher Sicherheit auch nicht vor, denn bei einem relevanten Windungsschluss (über viele Windungen) oder bei Kurzschluss auf das Gehäuse (Masse) müsste der Strom über dem Normalwert liegen.

Begründung: Wenn ein Teil der Wicklung kurzgeschlossen ist, verkürzt sich die Drahtlänge der Wicklung – der ohmsche Widerstand wird kleiner und der Gleichstrom deshalb grösser (gute Übung für die Anwendung des Ohmschen Gesetzes bei der Berechnung des Leitungswiderstandes von Drähten).

Aufgrund dessen, dass die Lichtmaschine messbar Strom aufnahm, konnten wir auch einen Unterbruch im Rotor ausschliessen.

Aber auch ohne Messung des Rotorstromes lässt sich eine Aussage machen:
Damit sie als Motor dreht, muss ein Drehmoment erzeugt werden. Dafür muss im Rotor zwingend ein Magnetfeld vorhanden sein. Ohne Strom ist dies aber nicht möglich. Damit steht auch fest, dass kein Unterbruch im Rotor vorliegen kann, wenn die Lichtmaschine (wenn auch mehr schlecht als recht) als Motor funktioniert.

Dann bliebe als letzte Möglichkeit nur noch ein Kurzschluss innerhalb der Rotor-Wicklung, technisch „Windungsschluss“ genannt.

Weil bei einer „gesunden“ Lichtmaschine die Messwerte über eine Umdrehung betrachtet ziemlich konstant bleiben müssen (einen geringen Einfluss hat nur der jeweilige Übergang der Kohle von einer Kollektorlamelle auf die nächste), hofften wir, eine eindeutige Abweichung in Strom und/oder Spannung zu finden.

Die diversen Messungen mit den vorhandenen Mitteln liessen aber keine verlässliche Aussage zu, so dass wir uns mit der Vermutung eines Kurzschlusses in der Rotorwicklung zufrieden geben mussten. Auf dem Heimweg von Benken beschäftigte mich dieses Problem weiter. Gerne würde ich eine Methode für die Feststellung eines Rotor-Windungsschlusses in eingebautem Zustand finden. Für allfällige Versuche hatte mir Daniel die defekte Lichtmaschine leihweise überlassen.

Die Idee zu einer möglichen Lösung des Problems
Wenn im Rotor ein Windungsschluss vorhanden ist, stellt dies de facto einen geschlossenen Stromkreis dar, falls es gelingt, im Draht der Kurzschluss-Schlaufe eine Spannung zu induzieren. Dann müsste in ihm auch ein Strom fliessen, dessen Grösse von der Lage der Kurzschluss-Schlaufe im Magnetfeld abhängig ist. Das wäre in einem wechselnden Magnetfeld (Bedingung für die Induktion) möglich.

Mit Gleichstrom ist aber kein Wechselfeld zu erzeugen. Also müsste man die Feldwicklung der Lichtmaschine mit Wechselstrom speisen, damit zwischen den beiden Polschuhen, wo der Rotor liegt, ein Wechselfeld entsteht. Dann hätte die Lichtmaschine die Wirkung eines Transformators. Dabei entspräche die Feldwicklung dessen Primärspule und die defekte Rotor-Wicklung der kurzgeschlossenen Sekundärspule des Trafos (mit mindestens einer, eventuell aber mehrerer Windungen, je nach dem, wo der Kurzschluss liegt).

Bei einem Trafo liegen die beiden Spulen magnetisch korrekt ausgerichtet fix auf dem Eisenkern. In unserem Fall ist die Position der „Sekundärspule“ durch den frei beweglichen Rotor variabel. Deshalb ist für die Grösse des so induzierten Kurzschlussstromes die Lage der kurzgeschlossenen Wicklung im magnetischen Wechselfeld entscheidend. Befinden sich die Drähte der Wicklung nahe bei den Polen, ist die induzierte Spannung und damit der Kurzschlussstrom am grössten. Dreht man den Rotor langsam weiter, so müsste nach 90° der Kurzschlussstrom im Rotor auf Null gehen, da keine Spannung in der „liegenden“ Wicklung induziert wird. 90° weiter bei 180° sollte er erneut ein Maximum erreichen und bei 270° wieder auf Null zurück gehen.

Diese Schwankung während einer Umdrehung muss sich auch auf der Primärseite des Trafos, sprich im Strom durch die Feldwicklung der Lichtmaschine abzeichnen. Damit wäre der Nachweis eines Kurzschlusses im Rotor erbracht.

Für einen Trafo gilt, dass in der Primärwicklung für die Magnetisierung immer ein Strom fliesst, auch wenn an der Sekundärwicklung nichts angeschlossen ist; der sogenannte Leerlaufstrom. Wird von der Sekundärwicklung Strom bezogen, steigt auch der Primärstrom an. Die bezogene Energie muss ja auch in den Trafo hinein. Über den Daumen kann man sagen, dass die Primärleistung etwa der Sekundärleistung entspricht. Dazu kommen die Magnetisierungsverluste, die aber in der Regel nicht sehr gross sind. In unserem Fall sind die Verhältnisse natürlich nicht ideal und der Leerlaufstrom entsprechend gross.

Die Überprüfung der Theorie
Für den Test habe ich einen simplen Netztrafo mit 24V Ausgangsspannung und einem maximalen Ausgangsstrom von 2.5 Ampere genommen. 2A reichten auch, weniger würde ich jedoch nicht empfehlen. Diese 24V werden über ein Amperemeter (Messbereich min. 2A) an die Feldspulenanschlüsse DYN und EXC angeschlossen. Ich habe für die Feldstrommessung mein kleines Zangen-Amperemeter verwendet.

Testanordnung:

Testanordnung

Der gemessene Magnetisierungsstrom (Strom-Minimum) beträgt 0,77A.

Zum Vergleich: Bei Gleichstrom hatten wir bei guten 6V etwa 1,6A Erregerstrom. Jetzt, mit Wechselstrom etwa die Hälfte bei fast vierfacher Spannung. Der Wechselstromwiderstand (auch Blindwiderstand genannt) ist frequenzabhängig und ist hier bei 50Hz also rund achtmal grösser als der rein ohmsche Drahtwiderstand. Hervorgerufen wird dieser höhere Widerstand durch die Selbstinduktion in der Feldwicklung, die dem speisenden Wechselstrom entgegenwirkt.

Nun kam der spannende Teil:
Stellt sich die vorausgesagte Feldstrom-Änderung während einer Rotorumdrehung ein? Tatsächlich schwankt der Strom zwischen 0,77 und 1,52 A, schön abwechslungsweise alle 90°.

Fazit:
Mit dieser Methode lässt sich offensichtlich auf einfache Weise ein Kurzschluss im Lichtmaschinen-Rotor feststellen. HEUREKA !

Zur Kontrolle habe ich eine Messung an der Lichtmaschine unserer Traction durchgeführt. Die beiden Kabel an den Anschlüssen DYN und EXC müssen abgehängt werden, bevor die 24V-Wechselspannung angelegt wird. Der Masseanschluss M kann dranbleiben. Dann muss noch die Lichtmaschinen-Aufhängung und der Spannbügel gelöst werden, damit der Keilriemen gelockert ist und sich die Rotorwelle frei drehen lässt. Die Kontrollmessung ergab einen konstanten Wert von 0,84 Ampere an jeder Position des
Rotors.

Wichtig!
Wenn die Feldspule mit Wechselstrom betrieben worden ist, sind die Polschuhe mit ziemlicher Sicherheit entmagnetisiert. D.h. der Restmagnetismus (Remanenz), der bei
Gleichstrombetrieb bleibt, ist nicht mehr vorhanden. Ist dies der Fall, wird die Lichtmaschine keine Spannung mehr abgeben und muss mit einer Batterie angekickt werden. So wie es Karel am Kurs gezeigt hat, sollte schon eine 1,5V-Batterie reichen, die an die Anschlüsse DYN (+) und EXC (-) gehalten wird. Die Lichtmaschine sollte nun sofort Spannung liefern, spätesten jedoch, wenn man den Motor etwas hochdrehen lässt. Tut sie das, wird sie zukünftig wieder selbst für Spannung sorgen.

Die nachfolgenden Bilder zeigen Aufbau und Messwerte des Versuches. An der Keilnut in der Rotorwelle ist die jeweilige Position des Rotors erkennbar. Ich habe die
Strommaxima und -minima mit + und – auf dem Gehäuse markiert.

Kurzschluss in der Lichtmaschine

Bild 1: Versuchsaubau

Kurzschluss in der Lichtmaschine

Bild 2: Strom-Mininum bei Rotorposition 0°

Kurzschluss in der Lichtmaschine

Bild 3: Strom-Maximum bei Rotorposition 90°

Kurzschluss in der Lichtmaschine

Bild 4: Strom-Minimum bei Rotorposition 180°

Kurzschluss in der Lichtmaschine

Bild 5: Strom-Maximum bei Rotorposition 270°

Kurzschluss in der Lichtmaschine

Bild 6: Messung an eingener Traction 11BL - regelmässiger Strom