Wie wird Wechselspannung erzeugt?


Der Fahrradgenerator .....

Vielleicht hast Du schon einmal einen Fahrradgenerator zerlegt, weil Du gedacht hast, er sei Schuld daran, dass das Licht an Deinem Fahrrad nicht mehr funktioniert. Er war sicher nicht die Ursache, denn Fahrradgeneratoren können eigentlich gar nicht kaputt gehen und sind wartungsfrei.

Aber wie ist ein Fahrradgenerator aufgebaut und wie funktioniert er?

Der Fahrradgenerator enthält in seinem Gehäuse zwei Bauteile:

  • einen kompliziert magnetisierten Dauermagneten,
  • eine Spule mit Eisen- oder Blechlaschen.

Diese Bilder zeigen den Dauermagneten im Foto und in einer schematischen Zeichnung:

Dauermagnet im Fahrradgenerator Magnetisierung des Dauermagneten

In Richtung der Zylinderachse sind abwechselnd Nord- und Südpol magnetisiert.
Man kann diese Pole sichtbar machen, wenn man Eisenfeilspäne oder Eisenpulver auf den Magneten streut.

Beim hier verwendeten Magneten gibt es 8 Pole - 4 Südpole und 4 Nordpole.

Ist der Fahrradgenerator in Betrieb, dann rotiert der Dauermagnet in der Spule - er wird daher Rotor genannt.

Im diesem Bild erkennt man die Spule mit den Blechlaschen. Jede zweite Blechlasche (2) ist mit dem hinteren Ende der Spule verbunden, die jeweils anderen (1) mit dem vorderen Ende der Spule.
Es gibt 8 Zwischenräume zwischen den Laschen. Dies passt zu den acht Polen oben. Zwei gleichnamige Pole (z.B. Nordpole) sind immer um 90 Grad versetzt, so sind es auch die entsprechenden Zwischenräume zwischen 1 und 2.

Die Spule ist fest im Gehäuse montiert, man nennt sie daher Stator.
(lat. stare - stehen).

Induktionsspule eines Fahrradgenerators

Immer wenn beim Drehen des Dauermagnten ein Pol einen Spalt zwischen den zwei Blechlaschen passiert, ändert sich das Magnetfeld in der Spule - eine Induktionsspannung entsteht.
Passiert ein Nordpol den Spalt, dann ist die Polung der Induktionsspannung genau umgekehrt, wie wenn ein Südpol den Spalt passiert.
Es entsteht so eine Wechselspannung.

Einen solchen Generator nennt man Innenpolmaschine, weil die Magnetpole innerhalb einer Spule rotieren.
Der Fahrradgenerator ist völlig wartungsfrei, denn es gibt keine Schleifkontakte, die die Spannung abführen.

Vergleich zwischen Außenpol- und Innenpolmaschine (Leifi)

.... und der Generator in einem Kraftwerk.

Die großen Generatoren in einem Kraftwerk sind ganz ähnlich aufgebaut. Auch bei ihnen rotieren Magnetpole innerhalb einer Spule, nur sind die Dimensionen eben deutlich größer!

Allerdings werden beim Generator im Kraftwerk keine Dauermagnete verwendet, sondern die Magnetpole werden von starken Elektromagneten erzeugt.

Alter Innenpolgenerator

Leider sind heutige Generatoren aus Gründen der Sicherheit und der Lärmentwicklung vollständig gekapselt und man sieht in ihr Inneres nicht mehr hinein!
Früher war das anders. Das Foto zeigt einen alten Generator (gebaut um 1900), der im alten Wasserkraftwerk in Rheinfelden (Hochrhein) Dienst tat. Er läuft gerade nicht.

Beachte seine Größe im Vergleich zu den interessiert beobachtenden Physiklehrern!

Der schwarze, zylindrische Kasten im Vordergrund ist die sogenannte Erregermaschine. Das ist ein "kleiner" Generator der Gleichspannung erzeugt (Größenordnungen: 150 V Gleichspannung , 500 A Stromstärke).
Heute verwendet man manchmal auch Wechselspannungsgeneratoren und erzeugt die Gleichspannung daraus mit Hilfe von Dioden.

vereinfachte schematische Darstellung

Über Schleifringe wird diese Gleichspannung an die Spulen im Rotor geleitet. Sie werden so zu Elektromagneten und erzeugen die wechselnden Magnetpole.

In der Schemazeichnung aus einem Themenheft der IZE sieht man dies in einer vereinfachten Form noch einmal:
Der Rotor ist hier als einfacher Nord- und Südpol dargestellt.
In Wirklichkeit rotieren aber viele von Elektromagneten erzeugte Nord- und Südpole an den fest angebrachten Spulen (Stator) vorbei und induzieren in ihnen eine Spannung (vgl. Foto unten).

Diese Spannung kann ohne Kontakte abgenommen werden - genau wie beim Fahrradgenerator.

Das ist auch wichtig, denn der "Spulendraht" ist hier ein dickes Kupferrohr. Die induzierten Spannungen liegen in der Größenordnung von 10.000 bis 30.000 V und es ergeben sich Stromstärken von bis zu 100.000 A!
Moderne Generatoren haben eine Leistung von bis zu 1000 MW und mehr.
Schleifringe oder Kohlen wären hier in kürzester Zeit verschmort!

In dieser Detailaufnahme sieht man alles noch ein wenig deutlicher. Man erkennt vor allem die Magnetspulen am Ende des Rotors. Sie erzeugen die wechselnden Magnetpole.
Am Außenrand sind auch die Induktionsspulen(rohre) zu erahnen.

Detailaufnahme des Generators

Weitere Links zum Thema:

http://www.zum.de/dwu/depotan/apem111.htm

Seite von Udo Leuschner aus StromBASISWISSEN


Text, alle Fotos und Grafik Dauermagnet: Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver
Grafik Innenpolgenerator: IZE - Informationszentrale der Elektrizitätswirtschaft e.V.