Lichtmaschine
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.
Mechanischer Antrieb
Die Lichtmaschine wird vom laufenden Motor (Kolbenmotor, Turbine) als Nebenaggregat oder von einem Rad des Fahrzeuges angetrieben. Der Antrieb erfolgt im Automobil und teilweise bei Motorrädern üblicherweise mit einem Riementrieb (z. B. Keilrippen- oder Keilflachriemen). Manchmal ist die Lichtmaschine wie bei vielen Motorrädern und Gasturbinen auch bei PKW direkt mit der Motorwelle gekoppelt. Hierbei können auch die Funktionen vom Anlasser (Dynastart, Anlassgenerator) kombiniert werden.
Funktion
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, das Kühlgebläse, Wirbelstromverluste, Hystereseverluste, den elektrischen Widerstand der aus Kupferdraht gewickelten Spulen sowie Verluste im Gleichrichter von Drehstromlichtmaschinen. Der Wirkungsgrad von Lichtmaschinen ist geringer als derjenige von anderen Generatoren.
Bei laufendem Motor bzw. während der Fahrt wird die Starterbatterie geladen bzw. Verbraucher werden mit Strom versorgt.
Es gibt geregelte und ungeregelte Lichtmaschinen. Ungeregelte Lichtmaschinen sind mit Dauermagneten erregt, geregelte sind fremderregt, wobei das Erregerfeld mit einem Laderegler so gesteuert wird, dass die Ausgangsspannung unabhängig von Drehzahl und Belastung konstant ist.
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 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 zulässige Sättigungsstrom der Rotorspule oder die Ladeschlussspannung der Starterbatterie erreicht 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 sind die Dauermagnete außen, bilden zugleich das Schwungrad und versorgen auch die Zündspule mit Energie (Magnetzündung).
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 seine 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.
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 den dreiphasigen Drehstrom, der nach der Gleichrichtung zur Batterieladung verfügbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Erregerstrom über zwei glatte Schleifringe zugeführt wird, die gegenüber dem Kollektor eines Gleichstromgenerators höhere Drehzahlen zulassen. Zudem ist der Erregerstrom erheblich kleiner als der Ausgangsstrom des Generators, was kleinere Abmessungen der nötigen Kohlebürsten und eine größere Lebensdauer erlaubt. Damit ist zum einen ein höheres Drehzahlniveau des Drehstromgenerators möglich, weshalb er schon bei Leerlaufdrehzahl des Motors nutzbare elektrische Leistung liefern kann. Zum anderen benötigt er wesentlich weniger Bauraum als eine Gleichstromlichtmaschine vergleichbarer Leistung.
Der erzeugte dreiphasige Drehstrom wird durch Leistungs-Halbleiterdioden gleichgerichtet, die üblicherweise in den Generator integriert sind. Heutige Drehstromgeneratoren sind durch interne Hauptstromzenerdioden vor gefährlichen Überspannungen geschützt und damit 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 Lichtmaschine, wurde die Fahrzeugbatterie als Last benötigt, um einen Durchschlag der Sperrschicht der Dioden und damit deren Zerstörung zu verhindern. Wichtig war eine sichere elektrische Verbindung zwischen der Lichtmaschine und der Batterie. Schon korrodierte Anschlüsse führten häufig zu Ausfällen von Gleichrichterdioden.
Man unterscheidet zwei Bauarten: bei einer sitzt das Lüfterrad außen beim Riemenantrieb, bei der anderen (Kompaktgenerator) sitzt der Lüfter mit im Gehäuse.
Ladekontrolllampe bei der Drehstromlichtmaschine
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 (4W) auf etwa 300 mA begrenzt (ohne Lampe flössen 2 bis 5 Ampère). Bei der Rotation des Läufers wird sodann in der Statorwicklung ein Strom induziert, welcher zum kleinen Teil (o.g. 2-5 Ampère, 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.
Laderegler
Der Laderegler hat folgende Aufgaben
- Regelung der von der Lichtmaschine erzeugten Spannung
- Schutz vor Überlastung durch zu hohen Ausgangsstrom
- Schutz vor Rückstrom
Steigt die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom des Generators über die festgelegten Maximalwerte an, so wird der Erregerstrom und damit auch die erzeugte elektrische Leistung reduziert.
Elektromechanischer Laderegler
Die Regelung erfolgte früher durch einen elektromagnetisch arbeitenden Lichtmaschinenregler.
Die Beeinflussung des Erregerstroms wurde durch ständiges Öffnen und Schließen eines die Erregerspule speisenden Kontaktes erreicht. Wie bei einem Schaltregler glättet die Erregerspule aufgrund ihrer Induktivität den Erregerstrom. Wenn der Gleichstromgenerator aufgrund zu geringer Drehzahl eine kleinere Spannung erzeugt als diejenige der Fahrzeugbatterie, trennt der Rückstromschalter durch einen Schaltkontakt die Verbindung des Generatorausgangs zur Batterie. Ausreichend belastbare Halbleiterdioden als Ersatz für den Rückstromschalter standen im Zeitalter der Gleichstromlichtmaschine noch nicht zur Verfügung.
Mechanische Regler verursachen Störungen durch Schaltfunken, sind störanfällig und reagieren langsam.
Elektronische Laderegler
Bei Drehstrom-Lichtmaschinen wird das elektrisch erzeugte Erregerfeld des Lichtmaschinen-Rotors durch einen angebauten elektronischen Laderegler beeinflusst. Dieser bildet eine Einheit mit der Halterung der Kohlebürsten, die den Erregerstrom auf die Schleifringe des Rotors übertragen.
Der Regler vergleicht die gleichgerichtete Ist-Spannung des Generators mit einer reglerinternen stabilen Referenzspannung und passt die Stärke des Erregerfeldes (Erregerstrom) durch mehr oder weniger starken Stromfluss (PWM, Schaltregler) so an, dass die Ist-Spannung des Generators last- und drehzahlunabhängig konstant bleibt. Dabei wird die Generatorspannung geregelt, der Generatorstrom wird dagegen nicht gemessen, sondern durch den konstruktionsbedingten Innenwiderstand der Statorspulen oder eine thermische Überwachung begrenzt.
Abgabeleistung
Die maximale Abgabeleistung der Lichtmaschinen von PKW liegt bei ca. 1,7 kW. Bei etwa 14 V Bordspannung kann somit ein elektrischer Strom von bis zu 120 A fließen. Durch die großen 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.
Klemmenbezeichungen
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)
- DF1 Dynamo Feld 1
- DF2 Dyn
- W Drehzahlmesser (oft bei Dieselfz.)