Drehstromlichtmaschine

Als Lichtmaschine (kurz LiMa) bezeichnet man bei Fahr- und Flugzeugen sowie kleinen Motorbooten den Generator, der die elektrischen Geräte an Bord mit Energie versorgt und (falls vorhanden) die Starterbatterie oder einen Akkumulator auflädt. Diese etwas unglückliche Bezeichnung 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.

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

Mechanischer Antrieb

Lichtmaschine
eines Toyota Corolla von 1998.
Vorne deutlich zu erkennen der Antrieb über den Keilrippenriemen

Die Lichtmaschine wird vom laufenden Motor als Nebenaggregat oder von einem Rad des Fahrzeuges angetrieben. Der Antrieb erfolgt im Automobil 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.

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 das zu erreichen, wird die abgegebene Spannung stabilisiert.

Die Spannung der Lichtmaschine würde bei konstanter Erregung stark mit der Drehzahl und der angeschlossenen Last schwanken. Um sie zu stabilisieren, wird das bei elektrisch erregten Lichtmaschinen das Erreger-Magnetfeld angepasst. Als Steuergerät dient der Laderegler. Dieser vergleicht die Ist-Spannung im Bordnetz mit einer eingebauten Spannungsreferenz und steuert den Magnetisierungsstrom nach, bis entweder der Maximalstrom oder die Ladeschlussspannung der Starterbatterie erreicht ist. 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 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 dies z. B. bei vielen Motorrädern der Fall ist.

Ungeregelte Lichtmaschinen

An älteren Motorrädern und 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 sie einen aufgrund der ebenfalls steigenden Frequenz ebenfalls steigenden Serienwiderstand in Reihe zum Verbraucher.

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

Lichtmaschinenarten

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 Wechselstrom 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 dies zur Entladung der Fahrzeugbatterie.

Vorteil der Gleichstromlichtmaschine ist, dass keine zusätzliche Gleichrichtung des erzeugten Stroms nötig ist. Dies 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.

Prinzipbedingt sind Wechselstromlichtmaschinen den Gleichstrom-Lichtmaschinen überlegen, erzeugen jedoch bei gleicher Baugröße gegenüber den Drehstromlichtmaschinen weniger Leistung.

Drehstromlichtmaschine

Lichtmaschine mit maximal 120 Ampere Stromstärke, 1,7 kW (2,4 PS) elektrischer Leistung, Baujahr 2001.

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 den dreiphasigen Drehstrom, der nach der Gleichrichtung zur Batterieladung verfügbar ist.

Gleichrichter

Der erzeugte dreiphasige Drehstrom wird durch Leistungs-Halbleiterdioden gleichgerichtet, welche üblicherweise in dem 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 geringen elektrischen Innenwiderstand benötigt, um einen Durchschlag der Sperrschicht der Dioden und damit deren Zerstörung zu verhindern. Wichtig bleibt 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. Würde diese Wärme nicht abgeführt, würde das Aggregat überhitzen. Zur Abfuhr der Verlustleistung wird üblicherweise eine aktive Luftkühlung vorgesehen. Das zugehörige Lüfterrad befindet sich entweder außen auf der Welle zwischen Riemenrad und Lichtmaschine, oder bei der Ausführung als Kompaktgenerator im Gehäuse selbst.

Rotorausführung als Permanentmagnet

Diese Bauart kommt bei einem Teil moderner Motorräder vor. Es gibt keine Erregerwicklung, sondern es werden Permanentmagneten verwendet. Die Statorspulen sind dreiphasig verschaltet und nur 3 Leitungen führen aus dem Gehäuse heraus. Der Regler ist extern verbaut. Vorteil sind die entfallenden Schleifringe, verglichen mit der üblichen Drehstromlichtmaschine. Nachteil ist die direkt von der Drehzahl abhängige hohe Spannung (theoretisch). In der Praxis wird die erzeugte Spannung von der speziellen Ausführung des „Reglers“ kurzgeschlossen, wenn sie die Ladespannung des Bleiakkus erreicht hat. Dieser Kurzschluss der überschüssigen Leistung wird z.T. im Regler, hauptsächlich jedoch in den Statorspulen selbst in Wärme gewandelt. Um die Wärme abzuführen, werden diese üblicherweise in einem Ölbad betrieben. Trotzdem können Spulen durch Überhitzung ausfallen, weil der Isolierlack zerstört wird. Energetisch ist diese Bauform ungünstig, da permanent die volle Leistung erzeugt und – falls nicht abgenommen – dann verheizt wird. Je nach Ausführung bis zu 400 Watt. Die hier eingesetzten „Regler“ sind – technisch betrachtet – Überspannungskurzschliesser.

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, dies 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.

Ladekontrolllampe bei der Drehstromlichtmaschine

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 dies für die Stromerzeugung notwendig ist, ist es obligatorisch, den Rotor mit Strom zu versorgen, damit sich in diesem ein schwaches Feld aufbauen kann. Der Strom fließt von Klemme 15 (Zündungsplus) über die Ladekontrolllampe durch die Generatorwicklung gegen Masse (Kl 31) und ist durch die Glühlampe (4 W) auf etwa 300 mA begrenzt (ohne Lampe flössen 2 bis 5 A). Bei der Rotation des Läufers wird sodann in der Statorwicklung ein Strom induziert, welcher zum kleinen Teil (o.g. 2–5 A, je nach Drehzahl) über den Laderegler weiter in die Erregerwicklung des Rotors fließt und zum größeren Anteil als Nutzstrom an den Ausgangsklemmen (B+) entnommen werden kann. Ist die Ladekontrollampe defekt oder ist keine Batterie vorhanden/diese entladen, kann keine Fremderregung im Stand stattfinden, und daher wird auch bei laufender LiMa keine Spannung erzeugt. Dies ist auch der Grund, warum man Kfz mit völlig entladener Batterie nicht anschieben kann. Bei gebrauchten, älteren Lichtmaschinen kann sich im Rotor während der Lebensdauer ein schwaches Dauermagnetfeld gebildet haben, welches auch ohne anliegende Spannung besteht. Derlei Maschinen können auch ohne Ladekontrolllampe starten und im Betrieb Strom abgeben. Dies 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.

Die Schaltbilder zeigen den „negativ regelnden“ Schaltregler. Darüber hinaus gibt es auch sogenannte „positiv regelnde“ Schaltregler.

Laderegler

siehe Artikel Laderegler

Der Laderegler hat folgende Aufgaben

• Regelung der von der Lichtmaschine erzeugten Spannung
• Schutz vor Überlastung durch zu hohen Ausgangsstrom
• Schutz vor Rückstrom

Abgabeleistung

Die maximale Abgabeleistung der Lichtmaschinen von Oberklasse-PKW liegt bei ca. 3 kW. Bei etwa 14 V Bordspannung kann somit ein elektrischer Strom von bis zu 210 A fließen. Durch die 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 dies auf die Verbindungen von der Lichtmaschine zum Motorblock sowie von der Karosserie zur Fahrzeugbatterie zu.

Anlassgeneratoren von Flugzeugturbinen haben Leistungen von einigen Kilowatt.

Klemmenbezeichnungen

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

• 61 Ladekontrolle
• B+ Batterie Plus auch mit „30“ bezeichnet
• B− Batterie Minus auch mit „31“ bezeichnet
• D+ Dynamo Plus entspricht auch der Klemme „61“
• D− Dynamo Minus (diese Bezeichnung findet man nur auf Gleichspannungsgeneratoren oder Wechselspannungsgeneratoren mit weggebautem Regler)
• DF Dynamo Feld (diese Bezeichnung findet man nur auf Gleichspannungsgeneratoren oder Wechselspannungsgeneratoren mit weggebautem Regler). Anmerkung: Die Bezeichnung DF ist auch an älteren Drehstromlichtmaschinen mit ausgelagertem Regler am Anschluss der Erregerwicklung zum Regler und am Regler selbst zu finden (Wagner Elektrofachkunde der Kraftfahrzeugtechnik)

• DF1 Dynamo Feld 1
• DF2 Dynamo Feld 2
• W Drehzahlmesser (oft bei Dieselfahrzeugen)

Fachliteratur

Fachbücher

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

Fachbroschüren

• 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

Siehe auch

• Wechselstromgenerator
• Batterietrennrelais

Weblinks

• Gleichstromlichtmaschine
• Drehstromlichtmaschine