Lichtmaschine
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Als Lichtmaschine (kurz LiMa) bezeichnet man bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor den Generator, der die elektrischen Geräte an Bord mit Energie versorgt und die Fahrzeugbatterie auflädt.
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[Bearbeiten] Mechanischer Antrieb
Die Lichtmaschine (Alternator) wird vom laufenden Motor als Nebenaggregat 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 vielen Motorrädern direkt von der Kurbelwelle angetrieben wird. Hierbei können auch die Funktionen von leistungsfähiger Lichtmaschine und Anlasser in einer Dynastartvorrichtung kombiniert werden.
Bei Motorrädern sind, meist abhängig von der Motorbauart, zwei Varianten des Lichtmaschinenantriebs möglich:
- Der direkte Antrieb der Lichtmaschine von einem Ende der Kurbelwelle, die Lichtmaschine ist unter einem Kurbelgehäusedeckel angeordnet.
- Der indirekte Antrieb der Lichtmaschine über Keilriemen, Zahnkette oder Zahnräder, die Lichtmaschine besitzt wie im Automobil ein eigenes Gehäuse. Sie kann bei Reihenmotoren somit platzsparend hinter oder vor der Zylinderbank oder bei Boxermotoren oberhalb des Kurbelgehäuses angeordnet werden.
[Bearbeiten] Funktion
Bei laufender Lichtmaschine wird ein Strom zur Ladung der Autobatterie und für die angeschlossenen Verbraucher bereitgestellt. Die Lichtmaschine wandelt dabei die bereitgestellte mechanische Energie in elektrische Energie um, wobei die erforderliche mechanische Leistung ungefähr proportional zur abgegebenen elektrischen Leistung ist. Die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie ist nicht verlustfrei. Ursache sind Reibung in den Lagerungen der Rotorwelle, Wirbelstromverluste, der elektrische Widerstand der aus Kupferdraht gewickelten Spulen sowie Verluste im Gleichrichter von Drehstromlichtmaschinen. Das Verhältnis von erzeugter elektrischer zu aufgewendeter mechanischer Leistung wird als Wirkungsgrad bezeichnet.
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.
Die Spannung eines Generators würde bei konstanten Magnetfeld des Rotors stark mit der Drehzahl und der angeschalteten Last schwanken. Damit Lichtmaschinen schon bei niedriger Drehzahl die Nennspannung des Bordnetzes aufbauen, wird das Magnetfeld des Rotors Last- sowie Drehzahlabhängig verändert. Als Steuergerät dient dazu der so genannte Laderegler. Dieser vergleicht die Ist- Spannung im Bordnetz mit einer eingebauten Spannungsreferenz und steuert den Magnetisierstrom der Rotorspule so lange nach, bis entweder der zulässige Sättigungsstrom der Rotorspule oder die Ladeschlussspannung des Fahrzeugakkumulators erreicht wurde.
[Bearbeiten] Bauarten
In der Regel unterscheidet man zwei Bauarten. Zum einen den Topfgenerator, bei dem das Luftschaufelrad außen beim Riemenantrieb sitzt und zum anderen den Kompaktgenerator bei dem diesers ins Gehäuse mit eingefasst ist.
[Bearbeiten] Gleichstromgenerator
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 des Gleichstromgenerators kleiner als der von Drehstromausführungen. Durch das entsprechende 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 führt dies zur Entladung der Fahrzeugbatterie.
Vorteil des Gleichstromgenerators ist, dass keine zusätzliche Gleichrichtung des erzeugten Stoms nötig ist. Dies war vor der Verfügbarkeit von leistungsfähigen Halbleiterdioden ausschlaggebend für seine Verwendung im Fahrzeugbau.
[Bearbeiten] Regler
Die Regelung erfolgte durch einen elektromagnetisch arbeitenden Lichtmaschinenregler, der drei Funktionen vereinte:
- Regelung der erzeugten Spannung der Lichtmaschine
- Schutz vor Überlastung durch zu hohen Ausgangsstrom
- Schutz vor Rückstrom
Die beiden ersten Punkte werden durch Beeinflussung des Erregerstroms erreicht. 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. Wenn der Gleichstromgenerator aufgrund zu geringer Drehzahl eine kleinere Spannung erzeugt als die von der Fahrzeugbatterie abgegebe, so kehrt er seine Funktion um und wird zum Elektromotor. Dabei entnimmt er der Fahrzeugbatterie einen erheblichen Strom. Die Verhinderung dieses Betriebszustand ist die Aufgabe des Rückstromschalters, der durch einen Schaltkontakt die Verbindung des Generatorausgangs zur Batterie unterbricht. Ausreichend belastbare Halbleiterdioden als Ersatz für den Rückstromschalter standen im Zeitalter der Gleichstromlichtmaschine noch nicht zur Verfügung.
[Bearbeiten] Drehstromgenerator
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 baut er wesentlich kleiner als eine Gleichstromlichtmaschine vergleichbarer Leistung.
Der erzeugte dreiphasige Drehstrom wird durch Leistungs-Halbleiterdioden gleichgerichtet, die üblicherweise in den Generator integriert sind. Aktuelle 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.
[Bearbeiten] Regler
Bei Drehstrom-Lichtmaschinen wird das elektrisch erzeugte Erregerfeld des Lichtmaschinen-Rotors durch einen üblicherweise auf der der Antriebsseite entgegengesetzten Seite angebauten integrierten Schaltkreis, den 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 durch mehr oder weniger starken Stromfluss so an, dass die Ist-Spannung des Generators last- und drehzahlunabhängig konstant bleibt. Dabei wird nur die Generatorspannung geregelt; der Generatorstrom wird nicht durch den Regler begrenzt, sondern durch den konstruktionsbedingten Innenwiderstand der Statorspulen.
[Bearbeiten] Abgabeleistung
Die mögliche Abgabeleistung der Lichtmaschinen von üblichen PKW liegt bei ca. 1,7 kW. Bei etwa 14 V Bordspannung kann somit, je nach Stromabnahme, ein elektrischer Strom von bis zu 120 A (I=P/U = 1680W/14V) 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.
