Lichtmaschine

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Pkw-Drehstromlichtmaschine
Schematischer Querschnitt

Als Lichtmaschine (kurz LiMa) bezeichnet man einen elektrischen Generator, der in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor von diesem zusätzlich angetrieben wird. Die Lichtmaschine versorgt die elektrischen Verbraucher an Bord mit elektrischem Strom. Dazu zählt auch das Laden der Starterbatterie.

Die Bezeichnung Lichtmaschine ist historisch bedingt, da in den Anfangszeiten des Autos der Generator ausschließlich dazu diente, die Fahrzeugbeleuchtung mit Strom zu versorgen. Die damals übliche Magnetzündung war davon unabhängig. Der Motor wurde noch lange Zeit mit einer Handkurbel angeworfen, daher war kein Akkumulator an Bord nötig.

Weitere Bezeichnungen sind Alternator (Schweiz und slawischer Sprachraum), Generator, Stromerzeuger oder auch Dynamo.

Mechanischer Antrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Antrieb eines Generators durch einen Keilrippriemen

Die Lichtmaschine wird vom laufenden Motor als Nebenaggregat oder über ein Reibrad von einem Rad des Fahrzeuges angetrieben. Der Antrieb erfolgt im Automobil und teilweise bei Motorrädern üblicherweise mit einem Riementrieb wie z. B. Keil-- oder Keilrippriemen. Wie bei vielen Motorrädern und Gasturbinen üblich, kann die Lichtmaschine auch beim PKW direkt mit der Kurbelwelle gekoppelt sein. Ebenfalls kann ihre Funktion auch mit der des Starters kombiniert werden (Startergenerator, Dynastart).

Die Lichtmaschine wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um, wobei die erforderliche mechanische Leistung annähernd proportional zur abgegebenen elektrischen Leistung ist. Verluste entstehen durch Reibung in Lagern, abhängig von der Bauform am Kollektor oder den Schleifringen. Bedeutend bei Drehstromlichtmaschinen sind Kupferverluste in den Wicklungen (Erregerwicklung im Läufer sowie Statorwicklungen), Hystereseverluste im Stator-Blechpaket, Verluste im Gleichrichter. Hinzu kommen Verluste durch das Kühlgebläse und im Riemenantrieb.

Autolichtmaschinen haben keine hohen Wirkungsgrade, weil sie leicht sein müssen. Erst durch Synchrongleichrichtung konnte der Wirkungsgrad (unter bestimmten Last- und Drehzahlverhältnissen) auf bis zu 80 %[1] gesteigert werden.

Laderegler mit Kohlebürsten für Erregerwicklung (rund ⅔ verschlissen)

Lichtmaschinen mit Laderegler[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei niedrigen Drehzahlen, zum Beispiel wenn der Motor im Leerlauf läuft, sinkt die von der Lichtmaschine erzeugte elektrische Leistung. Ist die im Fahrzeug benötigte Leistung der eingeschalteten Verbraucher höher, wird die Differenz aus der Fahrzeugbatterie entnommen, im umgekehrten Fall wird die Fahrzeugbatterie geladen. Um Überladung der Starterbatterie zu vermeiden, wird die abgegebene Spannung geregelt.

Die Spannung der Lichtmaschine würde bei konstanter Magnetfeldstärke stark mit der Drehzahl und der angeschlossenen Last schwanken. Um die Spannung zu regeln, wird bei elektrisch erregten Lichtmaschinen der Erregerstrom gesteuert. Als Steuergerät dient ein elektronischer Laderegler (Vor dem Aufkommen von elektronischen Reglern wurden hierfür elektromechanische Regler mit Schaltkontakten verwendet). Der Regler vergleicht die Ist-Spannung im Bordnetz mit einer eingebauten Spannungsreferenz und steuert den Erregerstrom so, dass die Ladeschlussspannung der Starterbatterie eingehalten wird. Das sind im 12-V-Bordnetz etwa 13,8…14,2 V. Der dazu erforderliche Erregerstrom ist umgekehrt proportional zur Drehzahl und ändert sich bei Belastung nur wenig. Weiterhin schützt der Regler die Lichtmaschine vor Überlastung und kann bei modernen Fahrzeugen mit dem Motormanagement kommunizieren, z.B. den Motor vor dem vollen Laden zunächst warmlaufen zu lassen, die Leerlaufdrehzahl erforderlichenfalls zu erhöhen oder bei Vollgas zugunsten der Fahrzeug-Antriebsleistung abzuregeln.

Bei durch Permanentmagneten erregten Lichtmaschinen wird die Ausgangsspannung meist durch Thyristoren in einem kombinierten Gleichrichter/Laderegler konstant gehalten. Thyristoren als steuerbare Dioden erlauben es, ähnlich einem Dimmer, den Einschaltzeitpunkt in der leitenden Richtung zu steuern, so dass ein mehr oder weniger großer Teil der von der Lichtmaschine zur Verfügung gestellten Leistung gleichgerichtet und in das Bordnetz eingespeist wird. Bei dieser Bauart muss der Regler die gegenüber der Erregerleistung wesentlich größere Ausgangsleistung der Lichtmaschine beeinflussen, was erst mit dem Aufkommen von Leistungshalbleitern möglich wurde. Vorteil dieser Bauart ist, dass sie ohne Schleifringe oder Kollektoren auskommt.

Ungeregelte Lichtmaschinen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

An älteren Motorrädern und an Fahrrädern finden sich ungeregelte, permanenterregte Wechselstromgeneratoren zur Stromversorgung der bordeigenen Verbraucher. Eine gewisse Spannungsstabilisierung wird durch die Streuinduktivität der Wicklung erreicht; bei steigenden Drehzahlen bildet sich aufgrund der steigenden Frequenz auch ein höherer Serienwiderstand in Reihe zum Verbraucher. Dadurch findet eine sogenannte „Selbstregelung“ statt.

Bei Motorrädern kann der Rotor mit den Dauermagneten den innenliegenden Stator glockenförmig umfassen und so zugleich stärker zur Schwungmasse beitragen. Zur Versorgung der Zündanlage kann eine separate Spule in der Lichtmaschine angeordnet sein, entweder mit integrierter Hochspannungswicklung oder mit separater, außenliegender Zündspule.

Arten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gleichstromlichtmaschine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bis in die 1970er Jahre wurden Lichtmaschinen als Gleichstromgeneratoren ausgeführt. Im Stator wird durch die vom Erregerstrom durchflossenen Magnetspulen das Erregerfeld gebildet, in dem sich der Rotor dreht und dabei Wechselstrom erzeugt. Dieser wird durch den auf der Rotorwelle angeordneten Kollektor gleichgerichtet und über Kohlebürsten abgeleitet. Nachteilig ist dabei, dass die Kohlebürsten den vollen Ausgangsstrom des Generators übertragen müssen und daher relativ stark verschleißen. Zudem ist wegen des Kollektors und die auf dessen Lamellen wirkenden Zentrifugalkräfte die maximal zulässige Drehzahl einer Gleichstromlichtmaschine kleiner als die einer Drehstromlichtmaschine. Wegen des geringeren Übersetzungsverhältnisses des Antriebs durch den Fahrzeugmotor ist die Folge, dass erst bei höherer Motordrehzahl nennenswerte elektrische Leistung produziert wird. Bei ungünstigen Betriebsbedingungen mit einer großen Anzahl von eingeschalteten elektrischen Verbrauchern und häufig niedrigen Drehzahlen führte das zur Entladung der Fahrzeugbatterie.

Vorteil der Gleichstromlichtmaschine ist, dass keine zusätzliche Gleichrichtung der erzeugten Spannung nötig ist. Das war vor der Verfügbarkeit von leistungsfähigen Halbleiterdioden ausschlaggebend für ihre Verwendung im Fahrzeugbau. Weiterhin kann sie bei entsprechender Auslegung ohne Steuerelektronik als Motor zum Anlassen verwendet werden ("Dynastart"). In diesem Fall ist sie direkt mit der Motor- bzw. Turbinenwelle gekoppelt.

Gleichstromlichtmaschinen waren bis Ende der 1960er Jahre vorherrschend in PKW, LKW und Reisezugwagen. Heute findet man sie noch als Anlassgenerator an Flugzeugturbinen, kleinen Gasturbinen sowie in manchen Hybridfahrzeugen.

Wechselstromlichtmaschine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einige Fahrzeughersteller wie z. B. Citroën in der 2CV statteten die Fahrzeuge mit Wechselstromlichtmaschinen aus.

Drehstromlichtmaschine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Rotor eines Klauenpol-Kfz-Generators mit Lüfterrad auf der Welle
Innerer Aufbau des Rotors und Magnetisierung infolge des Erregerstromes

Seit den 1970er Jahren haben sich Drehstromgeneratoren als Lichtmaschine durchgesetzt. Heute kommen dafür Klauenpolgeneratoren zum Einsatz. Gegenüber der Gleichstromausführung sind die Funktionen von Rotor und Stator vertauscht: Das Erregerfeld wird durch den Rotor erzeugt und induziert in den Spulen des Stators die dreiphasige Wechselspannung, die nach der Gleichrichtung dem Bordnetz zur Verfügung steht.

Gleichrichter[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gleichrichter einer Lichtmaschine, erkennbar sind die 6 Dioden an den Isolierstoff-Durchführungen der Anschlussdrähte

Der erzeugte Dreiphasenwechselstrom wird durch Leistungshalbleiter gleichgerichtet, die üblicherweise im Generator integriert sind. Seit ca. den 1990er Jahren sind Drehstromgeneratoren durch interne Zenerdioden vor Überspannungen geschützt (Load Dump) und damit auch für einen Betrieb ohne Batterie geeignet. Ältere Ausführungen ohne diesen Schutz mussten bei laufendem Motor stets mit der Fahrzeugbatterie verbunden sein, um Schäden an den Gleichrichterdioden und am Fahrzeug zu verhindern. Hintergrund ist, dass der Regler aufgrund der hohen Induktivität der Erregerwicklung und der Streuinduktivität der Generatorwicklungen keine schnellen hohen Lastwechsel ausregeln kann. Die Starterbatterie sorgt als Puffer zum Abfangen der Spannungsschwankungen. Dennoch muss KFZ-Elektronik Überspannungen von etwa 40 V ertragen können.

Abfuhr der Verlustleistung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Lichtmaschine hat Verluste - ein Teil der mechanischen Antriebsleistung wird in Wärme umgesetzt. Bei ungenügender Wärmeabfuhr würde sich die Lichtmaschine überhitzen und dadurch zerstört werden.

Zur Abfuhr der Verlustleistung ist eine aktive Luftkühlung, bei manchen Generatoren auch eine Wasserkühlung (z.B. Mercedes-Benz W210) vorhanden. Das Lüfterrad befindet sich auf der Generatorwelle, entweder außen zwischen Riemenrad und Lichtmaschine, oder bei der Ausführung als sogenannter Kompaktgenerator im Gehäuse selbst auf beiden Seiten des Stators.


Rotorausführung als Permanentmagnet[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Spannungsregelung bei einer permanenterregten Lichtmaschine

Diese Bauart kommt in vielen Motorrädern vor. Anstatt der Spulenwicklungen werden hier Permanentmagnete zur Erregung verwendet. Die Statorspulen sind dreiphasig verschaltet und nur 3 Leitungen führen aus dem Gehäuse heraus. Der Regler ist extern verbaut. Der Vorteil gegenüber der üblichen Drehstromlichtmaschine sind die entfallenden Schleifringe. Die Regelung findet oft durch periodisches Kurzschließen der Statorspulen statt. Dadurch entstehen hohe Verlustleistungen[2]. Sie ergibt sich aus dem Spannungsabfall über dem Wirkwiderstand und dem Strom. Diese Generatoren laufen manchmal im Ölbad, was eine bessere Kühlung bewirkt.

Rotorausführung als Elektromagnet[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hier wird der Erregerstrom über zwei glatte Schleifringe zugeführt, seine Höhe und damit die im feststehenden Stator induzierte Spannung wird geregelt. Der Erregerstrom ist erheblich kleiner als der Ausgangsstrom des Generators, was kleinere Abmessungen der nötigen Kohlebürsten erlaubt und in einer höheren Lebensdauer resultiert. Darüber hinaus ist gegenüber dem Kollektor eines Gleichstromgenerators ein höheres Drehzahlniveau möglich, weshalb schon bei Leerlaufdrehzahl des Antriebsmotors eine erhebliche elektrische Leistung zur Verfügung steht. Auch wird wesentlich weniger Bauraum als für eine Gleichstromlichtmaschine vergleichbarer Leistung benötigt.

Ladekontrolllampe bei der Drehstromlichtmaschine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Stromlaufplan (prinzipiell)
Stromfluss bei eingeschalteter Zündung, Ruhezustand
Stromfluss bei eingeschalteter Zündung, Betriebszustand

Die Ladekontrolllampe hat zwei Aufgaben:

  • Anzeige der korrekten Funktion des Generators
  • Fremderregung des Generators in der Anlaufphase

Im Normalfall leuchtet (bei Kfz) bei stehendem Motor und eingeschalteter Zündung die Ladekontrolllampe und erlischt schon bei geringer Drehzahl des Aggregats, spätestens nach einmaliger, kurzzeitiger Drehzahlerhöhung aus dem Leerlauf heraus, da an der Lampe keine Spannungsdifferenz mehr vorhanden ist. Ein anderes Verhalten deutet auf Defekte am Generator (Gleichrichter, Kohlen, Regler) oder einen Defekt der Lampe hin, vorausgesetzt die Bordbatterie ist nicht entladen. Die weitaus wichtigere Funktion der Lampe ist die Durchleitung bzw. Bereitstellung des Erregerstroms. Im Stand existiert im stromlosen Generator kein Magnetfeld. Da dieses für die Stromerzeugung notwendig ist, muss der Rotor mit Strom versorgt werden, damit sich in ihm ein Feld aufbauen kann. Dieser fließt von Klemme 15 (Zündungsplus) über die Ladekontrolllampe durch die Generatorwicklung über Masse (Kl 31), zurück an Batterie (Minus) und ist durch die Glühlampe (4 W) auf etwa 300 mA begrenzt (ohne Lampe würden 2 bis 5 A fließen). Bei der Rotation des Läufers wird dann in der Statorwicklung eine Spannung induziert; der verfügbare Strom übernimmt zum kleineren Teil (o.g. 2 bis 5 A, je nach Drehzahl), über den Laderegler gesteuert, die Versorgung der Erregerwicklung des Rotors und kann zum größeren Teil als Nutzstrom an den Ausgangsklemmen (B+) entnommen werden. Ist die Ladekontrolllampe defekt oder ist keine Batterie vorhanden/diese entladen, kann keine Fremderregung stattfinden, daher wird auch bei laufender Lichtmaschine keine Spannung erzeugt. Das ist auch der Grund, warum man ein Kfz mit völlig entladener Batterie nicht anschieben kann. Bei älteren Lichtmaschinen kann sich während der Lebensdauer im Rotor ein schwaches Dauermagnetfeld gebildet haben, welches auch ohne anliegende Spannung besteht. Solche Maschinen können auch ohne Ladekontrolllampe starten und im Betrieb Strom abgeben. Das ist jedoch ein nicht vorgesehener Effekt und es kann nicht davon ausgegangen werden, dass eine Lichtmaschine ohne Ladekontrolllampe bzw. ohne Fremderregung in Betrieb genommen werden kann. Bei Gleichstromlichtmaschinen ist aber Selbsterregung nicht ungewöhnlich, da dort die Induktionsspannung nicht die Durchlassspannung der Gleichrichterdioden überwinden muss, bevor sie zur weiteren Erregung beitragen kann.

Laderegler[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Siehe Hauptartikel: Laderegler

Die Schaltbilder zeigen einen „positiv regelnden“ (der Schalttransistor liegt in der Leitung von D+ zur Plusbürste) Schaltregler. Darüber hinaus gibt es auch sogenannte „negativ regelnde“ Schaltregler.

Der Laderegler hat folgende Aufgaben

  • Regelung der von der Lichtmaschine erzeugten Spannung
  • Schutz vor Überlastung durch zu hohen Ausgangsstrom (bei Gleichstrom-Lichtmaschinen)
  • Schutz vor Rückstrom

Elektrische Leistung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die maximale Abgabeleistung der Lichtmaschinen ist ständig gestiegen und liegt bei vielen Fahrzeugen bereits bei über 3 kW. Das entspricht beim 12-V-Bordnetz einem Strom von über 200 A, bei 24-V-Bordnetzen (LKW) über 100 A. Grund sind viele hinzugekommene Zusatzaggregate wie Klimakompressor und Heizungen, aber auch Aggregate moderner Motoren wie Diesel-Hochdruckpumpe, elektrische Ölpumpe oder magnetische Einspritzventile.

Klemmenbezeichnungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Anschlüsse der Lichtmaschine in Kraftfahrzeugen haben folgende Namen oder Klemmenbezeichnung. Die Einheit Generator/Laderegler hat mindestens folgende drei Klemmen:

  • B+ Batterie Plus, Klemme30 (positiver Ladestromausgang)
  • B− Batterie Minus, auch Klemme 31 (Masse bzw. gemeinsames negatives Bezugspotential)
  • D+ Dynamo Plus, Klemme 61 (Ladekontrolllampe bzw. mit der Zündung geschalteter Pluspol)

Der Anschluss D+ mus zur Funktion der Lichtmaschine nicht zwingend beschaltet werden, denn oft sorgt ein kleiner Dauermagnet im Läufer oder dessen Restmagnetisierung für den Start des Generatorbetriebes.

Generatoren mit externem Regler bzw. ältere Maschinen tragen folgende Anschlussbezeichnungen:

  • D− Dynamo Minus (ggf. getrennte Minusleitung für genauere Spannungsmessung an der Batterie)
  • DF Dynamo Feld (Aschluss der Erregerfeldwicklung)

DF1 (Dynamo Feld 1) und DF2 (Dynamo Feld 2) oder auch J und K sind ggf. massefrei herausgeführte Feldwicklungsanschlüsse.

Die Klemme W dient zum Anschluss eines Drehzahlmessers und liefert eine Wechselspannung direkt vom Statorwickel zur Frequenzmessung (bei Dieselfahrzeugen erforderlich, weil es keine Zündimpulse gibt).

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bücher[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Jürgen Kasedorf, Richard Koch: Service-Fibel für die Kfz-Elektrik. 14. überarbeitete Auflage. Vogel, Würzburg 2001, ISBN 3-8023-1881-1.
  • Rudolf Hüppen, Dieter Korp: Autoelektrik - alle Typen. Motorbuchverlag, Stuttgart 1968, ISBN 3-87943-059-4.

Broschüren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Bosch Technische Unterrichtung Generatoren. Robert Bosch GmbH, Stuttgart, VDT-UBE 301/1 De (1.80).
  • Bosch Technische Unterrichtung Schaltzeichen und Schaltpläne der Kraftfahrzeugelektrik. Robert Bosch GmbH, Stuttgart, VDT-UBE 001/10.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Lichtmaschinen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Lichtmaschine – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. https://de.bosch-automotive.com/de/parts_and_accessories/motor_and_sytems/starters_alternators_1/alternators_for_cars_1/starters_alternators_alternators Mitteilung der Firma Bosch auf deren web site, abgerufen am 21. Okt. 2017
  2. http://nippon-classic.de/ratgeber/tipps-tricks/funktionsweise-der-lichtmaschine-am-motorrad/ Jens Schultze: Lichtmaschinen mit Rotor als Permanentmagnet, abgerufen am 20. Okt. 2017