Lichtmaschine
Als Lichtmaschine (kurz LiMa) bezeichnet man bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor den Generator, der die elektrischen Geräte an Bord mit Energie versorgt und die Fahrzeugbatterie auflädt.
Mechanischer Antrieb
Die Lichtmaschine wird vom laufenden Motor als Nebenaggregat mit angetrieben. Der Antrieb erfolgt im Automobil üblicherweise mit einem Riementrieb (z. B. Keilrippen- oder Keilflachriemen). Neuerdings finden sich auch im Automobilbereich Lösungen, bei denen die Lichtmaschine wie bei den meisten Motorrädern direkt angetrieben wird.
Nur bei laufender Lichtmaschine kann ein Strom zur Ladung der Autobatterie und für die angeschlossenen Verbraucher bereitgestellt werden. Die Lichtmaschine wandelt dabei die bereitgestellte mechanische Leistung in elektrische Leistung um. Die erforderliche mechanische Leistung folgt grob proportional der abgegebenen elektrischen Leistung. Die dafür notwendige mechanischen Leistung wirkt als bremsendes Moment auf den Motor. Diese Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie ist nicht verlustfrei. Ursache sind Reibung in den Lagerungen sowie Wirbelströme und der elektrische Widerstand der aus Kupferdraht gewickelten Spulen. Die resultierenden Verluste sind durch den Wirkungsgrad bestimmt.
Bei niedrigen Drehzahlen, zum Beispiel wenn der Motor im Leerlauf läuft, ist die elektrische Leistung der Lichtmaschine geringer als die theoretisch mögliche Leistung. Ist mehr elektrische Leistung erforderlich, muss die Fahrzeugbatterie den Differenzstrom bereitstellen.
Bauarten
Gleichstromgenerator
Bis in die 1970er Jahre waren Lichtmaschinen als Gleichstromgeneratoren verbaut. Der Nachteil dieser Ausführung ist, erst bei höherer Drehzahl nennenswerten elektrischen Strom zu produzieren. Das führte vor allem im winterlichen Betrieb in der Stadt häufig wegen der niedrigen Drehzahlen der Lichtmaschine, voller Wagenbeleuchtung und der elektrisch heizbaren Heckscheibe zu entladenen Starterakkus. Darüber hinaus wurden die elektrischen Verbraucher im Auto über die Jahre immer vielfältiger und brauchten mehr elektrischen Strom.
Wenn der Gleichstromgenerator aufgrund zu geringer Drehzahl eine kleinere Spannung erzeugt als von der Fahrzeugbatterie abgegeben so kehrt er seine Funktion um und wird zum Elektromotor. Dabei entnimmt er der Fahrzeugbatterie einen erheblichen Strom. Diesen Betriebszustand zu vermeiden ist die Aufgabe eines unbedingt erforderlichen Rückstromschalters. Ausreichend belastbare Halbleiterdioden als Ersatz für den Rückstromschalter standen im Zeitalter der Gleichstromlichtmaschinen noch nicht (preiswert) zur Verfügung.
Drehstromgenerator
Seit den 1970er Jahren werden Drehstromgeneratoren verwendet, die schon bei der Leerlaufdrehzahl des Motors einen nennenswerten elektrischen Strom liefern und wesentlich kleiner als die Gleichstromlichtmaschine gebaut werden können. Der erzeugte 3-Phasen-Drehstrom wird durch Hochleistungs-Halbleiterdioden in Gleichstrom umgewandelt. Der sogenannte Gleichrichter ist in den Generator integriert.
Aktuelle Drehstromgeneratoren sind durch interne Hauptstromzenerdioden vor gefährlichen Überspannungen geschützt und damit für einen Betrieb ohne Batterie geeignet. Früher mussten Drehstromlichtmaschinen bei laufendem Motor immer an die Fahrzeugbatterie angeschlossen sein. Diese Drehstromlichtmaschinen benötigten die Batterie als Last, weil die maximale Sperrspannung der Gleichrichterdioden niedriger als die Leerlaufspannung der Lichtmaschine war. Die Sperrschicht der Dioden wurde ohne Batterie sofort durch Überspannung durchschlagen und damit unbrauchbar. Wichtig ist daher eine sichere elektrische Verbindung zwischen der Lichtmaschine und der Batterie. Schon korrodierte Anschlüsse führten häufig zu Ausfällen von Gleichrichterdioden.
Abgabeleistung
Die mögliche Abgabeleistung der Lichtmaschinen von üblichen PKW liegt bei über 3 kW. Bei etwa 14 V Bordspannung könnte somit, je nach Stromabnahme, ein elektrischer Strom von bis zu 215 A (I=P/U = 3000W/14V) fließen. Obwohl der maximale Stromfluss durch den Lichtmaschinen-Regler begrenzt wird, sind bei den hohen Strömen 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 zum Starterakku zu.
Regler
Die Spannung eines Generators schwankt stark mit der Drehzahl und der angeschalteten Last. Weil Lichtmaschinen in der Lage sein müssen, bereits bei niedriger Drehzahl die Nennspannung des Bordnetzes aufzubauen, werden sie überdimensioniert. Damit sie nicht infolge dessen bei hoher Drehzahl die 20 % über der Nennspannung liegende zulässige Ladeschlussspannung der Fahrzeugbatterie überschreiten, wird die Spannung durch einen Laderegler auf ca. 13,8 V begrenzt.
Dazu wird bei Drehstrom-Lichtmaschinen das elektrisch erzeugte Magnetfeld des Lichtmaschinen-Rotors durch einen üblicherweise auf der der Antriebsseite entgegengesetzten Seite angebauten integrierten Schaltkreis, den elektronischen Laderegler, beeinflusst.
Durch diesen Laderegler wird sowohl der maximal mögliche Ladestrom, als auch die Maximalspannung begrenzt.
Der so genannte Erregerstrom wird über Schleifringe dem Rotor-Elektromagnet zugeführt. Das sich drehende Magnetfeld induziert im außenliegenden Stator einen 3-Phasen-Drehstrom.
Die gleichgerichtete Ist-Spannung wird mit einer reglerinternen stabilen Referenzspannung verglichen und entsprechend die Stärke des Magnetfeldes durch mehr oder weniger Stromfluss nachgeregelt.
Elektromechanische Regler für Gleichstrom-Lichtmaschinen beeinflussen das Magnetfeld des Stators und sind in Neukonstruktionen nicht mehr gebräuchlich.