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Lichtmaschine
Lichtmaschine

Als Lichtmaschine (kurz LiMa) bezeichnet man einen elektrischen Generator, der in Motor-Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor von diesem zusätzlich angetrieben wird. Die Lichtmaschine versorgt die elektrischen Geräte an Bord mit Energie. Als Energiespeicher dient eine Batterie, so dass Strom auch bei langsam laufendem oder abgestelltem Motor zur Verfügung steht. Der elektrische Anlasser-Motor bezieht daraus seinen Strom.

Die Bezeichnung als Lichtmaschine ist historisch bedingt, da in den Anfangszeiten des Autos dieser Generator ausschließlich dazu diente, die Fahrzeugscheinwerfer mit Strom zu versorgen. Die vorher entwickelte Magnetzündung blieb zunächst davon unabhängig. Der Motor wurde auch noch lange Zeit mit einer Handkurbel angeworfen.

In angelsächsischen Ländern sowie in der Schweiz und Polen lautet die Bezeichnung Alternator. Einige Hersteller benennen sie Generator oder Stromerzeuger. Manchmal wird die Lichtmaschine auch Dynamo genannt.

Lichtmaschine
Lichtmaschine

Mechanischer Antrieb der Lichtmaschine

Die Lichtmaschine wird vom laufenden Motor als Nebenaggregat angetrieben. Der Antrieb erfolgt im Auto und teilweise bei Motorrädern üblicherweise mit einem Riementrieb wie z. B. Keilrippen- oder Keilflachriemen. Die Lichtmaschine kann, wie bei vielen Motorrädern und Gasturbinen üblich, auch bei PKW direkt mit der Kurbelwelle gekoppelt werden. In diesem Fall kann die Funktion der Lichtmaschine auch mit der des Starters kombiniert werden (Startergenerator).

Die Lichtmaschine wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um, wobei die erforderliche mechanische Leistung ungefähr proportional zur abgenommenen elektrischen Leistung ist. Verluste entstehen durch Reibung in Lagern und am Kollektor oder den Schleifringen, das Kühlgebläse, Wirbelstromverluste sowie Verluste im Gleichrichter von Wechsel- und Drehstromlichtmaschinen und Joule’scher Wärme in den Wicklungswiderständen.

Lichtmaschinen mit Laderegler

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, so wird die Differenz aus der Fahrzeugbatterie entnommen, im umgekehrten Fall wird die Fahrzeugbatterie geladen. Um Überladung der Starterbatterie zu vermeiden, wird die abgegebene Spannung durch Zusatzeinrichtungen in der Höhe begrenzt.

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 die Erreger-Magnetfeldstärke verändert. Als Steuergerät dient der Laderegler. Dieser vergleicht die Ist-Spannung im Bordnetz mit einer eingebauten Spannungsreferenz und steuert den Magnetisierungsstrom so, dass entweder der maximal zulässige Magnetisierstrom oder die Ladeschlussspannung der Starterbatterie nicht überschritten werden. Vorteil dieses Verfahrens ist, dass nur die relativ kleine Erregerleistung der Lichtmaschine vom Regler beeinflusst werden muss. Diese Anforderungen ließen sich vor dem Aufkommen von elektronischen Reglern auch mittels eines elektromechanischen Reglers mit Schaltkontakten bewältigen.

Bei permanentmagneterregten 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 und daher auch im Ölbad betrieben werden kann, wie es z. B. bei vielen Motorrädern der Fall ist.

Wie auch in anderen Consumer Elektronik Produkten halten bei neueren Lichtmaschinen zunehmend Bürstenlose Gleichstrom-Generatoren sowie Schaltnetzteile Einzug, so dass die zur Verfügung stehende Leistung im Gegensatz zu den älteren Lösungen nahezu vollständig genutzt werden kann und Platzbedarf sowie Verlustwärme und damit der Benzinverbrauch erheblich minimiert werden. Im Zuge dessen ist die direkte mechanische Kopplung und damit die modulare Integration der Lichtaschine in den Motor möglich und in einigen Fällen realisiert, was mechanische Verluste weiter minimiert.

Lichtmaschine - Arten

Lichtmaschine
Lichtmaschine

Gleichstromlichtmaschine
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 durch den Kollektor die maximal zulässige Drehzahl der Gleichstromlichtmaschine kleiner als die von Drehstromlichtmaschinen. Durch das geringere Übersetzungsverhältnis des Antriebs durch den Fahrzeugmotor ist die Folge, dass erst bei höherer Motordrehzahl nennenswerte elektrische Leistung produziert wird. Bei ungünstigen Betriebsbedingungen mit großer Anzahl von eingeschalteten elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug und häufig niedrigen Drehzahlen der Lichtmaschine führte das zur Entladung der Fahrzeugbatterie.

Vorteil der Gleichstromlichtmaschine ist, dass keine zusätzliche Gleichrichtung des erzeugten Stroms nötig ist. Das war vor der Verfügbarkeit von leistungsfähigen Halbleiterdioden ausschlaggebend für ihre Verwendung im Fahrzeugbau. Weiterhin kann sie ohne Steuerelektronik als Motor zum Anlassen verwendet werden. Sie ist in diesen Fällen direkt mit der Motor- bzw. Turbinenwelle gekoppelt.

Gleichstromlichtmaschinen waren früher vorherrschend bei PKW, LKW und Reisezugwagen. Heute findet man sie noch als Anlassgenerator an Flugzeug-Turbinen, kleinen Gasturbinen sowie in manchen Hybridfahrzeugen.

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

Drehstromlichtmaschine
Seit den 1970er Jahren haben sich Drehstromgeneratoren als Lichtmaschine durchgesetzt. 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
Der erzeugte Dreiphasenwechselstrom wird durch Leistungs-Halbleiter gleichgerichtet, die üblicherweise im Generator integriert sind. Heutige Drehstromgeneratoren sind durch interne Hauptstromzenerdioden vor gefährlichen Überspannungen geschützt 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 zu verhindern. Da die maximale Sperrspannung der Gleichrichterdioden niedriger war als die Leerlaufspannung der unbelasteten Lichtmaschine, wurde die Fahrzeugbatterie als Puffer mit geringem elektrischem Innenwiderstand benötigt, um einen Durchschlag der Sperrschicht der Dioden und damit deren Zerstörung zu verhindern. Wichtig ist eine sichere elektrische Verbindung zwischen der Lichtmaschine und der Batterie. Schon korrodierte Anschlüsse führten häufig zu Ausfällen von Gleichrichterdioden.

Abfuhr der Verlustleistung
Die Wandlung der mechanischen Energie in elektrische erfolgt nicht verlustlos, ein Teil der Energie wird in Wärme umgesetzt. Bei ungenügender Wärmeabfuhr überhitzt das Aggregat und wird dabei zerstört.

Zur Abfuhr der Verlustleistung wird üblicherweise eine aktive Luftkühlung vorgesehen. Das zugehörige Lüfterrad befindet sich entweder außen auf der Welle zwischen Riemenrad und Generator, oder bei der Ausführung als Kompaktgenerator im Gehäuse selbst.

Rotorausführung als Elektromagnet
Hier ist von Vorteil, dass der Erregerstrom über zwei glatte, elektrisch isolierte Schleifringe zugeführt wird, dessen Höhe und damit die induzierte Leistung des feststehenden Stators steuerbar ist. Darüber hinaus sind somit gegenüber dem Kollektor eines Gleichstromgenerators höhere Drehzahlen zulässig. Zudem ist der Erregerstrom erheblich kleiner als der Ausgangsstrom des Generators, das erlaubt kleinere Abmessungen der nötigen Kohlebürsten und eine größere Lebensdauer. Damit ist zum einen ein höheres Drehzahlniveau des Drehstromgenerators möglich, weshalb schon bei Leerlaufdrehzahl des Antriebsmotors eine erhebliche elektrische Leistung zur Verfügung steht. Zum anderen wird wesentlich weniger Bauraum als bei einer Gleichstromlichtmaschine vergleichbarer Leistung benötigt.

Abgabeleistung

Die maximale Abgabeleistung der Lichtmaschinen von Oberklasse-PKW liegt bei ca. 3 kW. Bei 14 V Bordspannung kann somit ein elektrischer Strom von bis zu 210 A fließen. Durch diese hohen Ströme sind sämtliche Kontaktstellen hoch belastet. Schon geringe Korrosionserscheinungen können durch den erhöhten elektrischen Widerstand zu einer unzulässig hohen Erwärmung führen. In gleicher Weise trifft das auf die Verbindungen von der Lichtmaschine zum Motorblock sowie von der Karosserie zur Fahrzeugbatterie zu.

Klemmenbezeichnungen

Die Anschlüsse der Lichtmaschine in KFZ haben folgende Namen oder Klemmenbezeichnung.


Quelle: Wikipedia

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