Generator

Generatoren dienen der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Fast alle Generatoren arbeiten nach dem Rotationsprinzip, ihr Antrieb erfolgt durch eine Drehbewegung. Physikalische Grundlage aller Generatoren ist die elektromagnetische Induktion und das Induktionsgesetz.
Zur Induktion eines Stromes in einem Leiter kommt es, wenn der Leiter entweder in einem Magnetfeld bewegt wird oder der Leiter in einem veränderlichen Magnetfeld ruht. Beide Möglichkeiten für Induktionsvorgänge werden in unterschiedlichen Generatortypen angewandt.

Bei einer Innenpolmaschine rotiert ein Elektromagnet oder ein Dauermagnet in einem Hohlzylinder, der mehrere Spulenwicklungen besitzt. Der bewegliche Elektromagnet wird als Rotor, die ruhende Spule als Stator bezeichnet. Der Rotor besitzt bei dem dargestellten Generator vier Magnetpole, wobei jeweils Nord- und Südpol aufeinander folgen. Er muss mit Gleichstrom versorgt werden, damit sich in ihm ein konstantes Magnetfeld aufbauen kann. Die Stromzufuhr erfolgt über Schleifkontakte. Wenn sich die Magnetpole des Rotors an den Spulenwicklungen des Stators vorbeibewegen, induzieren sie in ihnen eine Wechselspannung. Die einzelnen Teilspulen sind dabei so miteinander verschaltet, dass sich diese Spannungen überlagern und gegenseitig verstärken. An dem unbeweglichen Stator wird die induzierte Spannung an zwei Anschlüssen abgegriffen.

Außenpolmaschinen weisen den Vorteil des einfachen Abgriffs der Induzierten Spannung nicht auf. Bei ihnen rotiert im unveränderlichen Magnetfeld des Stators eine Induktionsspule. Zur Felderzeugung muss der Stator an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen werden. Während der Drehbewegung ändert sich ständig die Anzahl der Feldlinien, die die Spule durchsetzen. Daher wird in ihr eine Spannung induziert - infolge der Rotation eine sinusförmige Wechselspannung. Diese Spannung kann über Schleifkontakte abgegriffen werden.

Gleichstromgeneratoren

Grundsätzlich eignet sich jeder Wechselstromgenerator auch als Gleichstromgenerator, sofern er mit einer Zusatzeinrichtung ausgestattet ist, die den induzierten Wechselstrom gleichrichtet. Viele Gleichstromgeneratoren sind allerdings als Außenpolmaschinen gebaut. Bei ihnen werden die Schleifkontakte zum Abgriff der Spannung aus zwei Halbschalen gebaut. Nach einer halben Umdrehung erfolgt dadurch eine Umpolung, sodass der Rotor eine pulsierende Gleichspannung abgibt, die anschließend geglättet werden kann.

Energieerhaltung und Selbstinduktion

Auf den ersten Blick könnte es scheinen, als ob Generatoren überhaupt keine Energie abgeben: Schließlich muss man sie ja mit Gleichspannung versorgen, damit sie eine Wechselspannung erzeugen. Allerdings ist die von einem Generatoren gelieferte elektrische Energie weitaus größer, als die elektrische Energie, die man für seinen Betrieb aufwenden muss. Dieser Zuwachs an elektrischer Energie wird durch die am Generator verrichtete mechanische Arbeit bewirkt.
Ein weiteres Problem ist mit dem Start eines Generators verknüpft. Die Gleichspannung, die zum Betrieb eines Generators notwendig ist, wird natürlich aus der im Generator selbst induzierten Wechselspannung gewonnen. Wie kann ein Generator anlaufen, wenn doch vor seiner Inbetriebnahme noch gar keine Gleichspannung für die Feldspule vorhanden ist?
Beim Start eines Generators besitzen immer einige Bauteile, natürlich vor allem die Eisenkerne der Spulen, einen Restmagnetismus. Durch diesen Restmagnetismus wird zunächst eine kleine Spannung induziert, die ihrerseits nun allmählich eine stärkeres Magnetfeld hervorruft, wodurch die Spannungsinduktion verstärkt wird. Der Generator kommt von allein in Gang, er hat sich selbst erregt.