Als Lichtmaschine (kurz LiMa) bezeichnet man einen elektrischen Generator, der in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor von diesem zusätzlich angetrieben wird. Die Lichtmaschine versorgt die elektrischen Verbraucher an Bord mit Energie. Zusätzlich ist meist eine Batterie als Energiespeicher und Puffer zum Ausgleich unterschiedlicher Spannungen an Bord, so dass der 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 der Generator ausschließlich dazu diente, die Fahrzeugscheinwerfer mit Strom zu versorgen. Die vorher entwickelte Magnetzündung blieb zunächst davon unabhängig. Auch wurde der Motor noch lange Zeit mit einer Handkurbel angeworfen.

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

Mechanischer Antrieb

Die Lichtmaschine wird vom laufenden Motor als Nebenaggregat oder über ein Reibrad 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. Wie bei vielen Motorrädern und Gasturbinen üblich, kann die Lichtmaschine auch bei Pkws direkt mit der Kurbelwelle gekoppelt werden. Ebenfalls kann ihre Funktion auch mit der des Starters kombiniert werden (Startergenerator).

Die Lichtmaschine wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um, wobei die erforderliche mechanische Leistung annähernd proportional zur abgegebenen elektrischen Leistung ist. Verluste entstehen durch Reibung in Lagern und abhängig von der Bauform, am Kollektor oder den Schleifringen. Außerdem treten Wicklungsverluste, Hystereseverluste (Magnetisierungsverluste), Verluste im Gleichrichter von Wechsel- und Drehstromlichtmaschinen sowie Verluste durch das Kühlgebläse auf.

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, 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 ein elektronischer 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. Vor dem Aufkommen von elektronischen Reglern wurden diese Anforderungen mittels eines elektromechanischen Reglers mit Schaltkontakten bewältigt.

Bei durch Permanentmagneten erregten 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.

Ungeregelte Lichtmaschinen

An älteren Motorrädern und an 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 sich aufgrund der steigenden Frequenz auch ein höherer Serienwiderstand in Reihe zum Verbraucher. Dadurch findet eine sogenannte „Selbstregelung“ statt.

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

Arten

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 wegen des Kollektors und die auf dessen Lamellen wirkenden Zentrifugalkräfte die maximal zulässige Drehzahl einer Gleichstromlichtmaschine kleiner als die einer Drehstromlichtmaschine. Wegen des geringeren Übersetzungsverhältnisses des Antriebs durch den Fahrzeugmotor ist die Folge, dass erst bei höherer Motordrehzahl nennenswerte elektrische Leistung produziert wird. Bei ungünstigen Betriebsbedingungen mit einer großen Anzahl von eingeschalteten elektrischen Verbrauchern und häufig niedrigen Drehzahlen führte das zur Entladung der Fahrzeugbatterie.

Vorteil der Gleichstromlichtmaschine ist, dass keine zusätzliche Gleichrichtung der erzeugten Spannung nötig ist. Das war vor der Verfügbarkeit von leistungsfähigen Halbleiterdioden ausschlaggebend für ihre Verwendung im Fahrzeugbau. Weiterhin kann sie bei entsprechender Auslegung ohne Steuerelektronik als Motor zum Anlassen verwendet werden ("Dynastart"). In diesem Fall ist sie direkt mit der Motor- bzw. Turbinenwelle gekoppelt.

Gleichstromlichtmaschinen waren bis Ende der 1960er Jahre vorherrschend in PKW, LKW und Reisezugwagen. Heute findet man sie noch als Anlassgenerator an Flugzeugturbinen, 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. Heute kommen dafür Klauenpolgeneratoren zum Einsatz. 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 Leistungshalbleiter gleichgerichtet, die üblicherweise im Generator integriert sind. Seit ca. den 1990er Jahren sind Drehstromgeneratoren 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 mit ihrem geringen elektrischen Innenwiderstand als Puffer 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 ist üblicherweise eine aktive Luftkühlung vorgesehen. Das zugehörige Lüfterrad befindet sich auf der Generatorwelle, entweder außen zwischen Riemenrad und Lichtmaschine, oder bei der Ausführung als Kompaktgenerator im Gehäuse selbst.

Bei manchen Fahrzeugen (z.B. Mercedes-Benz W210) ist der Generator mit dem Kühlwasserkreislauf verbunden. Das verbessert zwar die Kühlleistung immens, erhöht jedoch den Preis. Eingesetzt wird dieses System im Verbund mit einem elektrischen Zuheizer, der ein schnelleres Erreichen der Kühlwassertemperatur gewährleisten soll. Dabei liefert der Generator die volle Leistung und heizt mit seiner Abwärme das Kühlwasser. Zusätzlich nimmt ein elektronisch geregeltes Heizelement die im System nicht benötigte Leistung auf, um die Heizleistung zu maximieren.

Rotorausführung als Permanentmagnet

Diese Bauart kommt in vielen Motorrädern vor. Anstatt der Spulenwicklungen werden hier Permanentmagnete zur Erregung verwendet. Die Statorspulen sind dreiphasig verschaltet und nur 3 Leitungen führen aus dem Gehäuse heraus. Der Regler ist extern verbaut. Der Vorteil gegenüber der üblichen Drehstromlichtmaschine sind die entfallenden Schleifringe. Der Generator arbeitet als Konstantstromquelle. Die Regelung findet durch periodisches Kurzschließen der Statorspulen statt. Da hierbei die Spannung zusammenbricht, entsteht nur geringe Verlustleistung. Sie ergibt sich aus dem Spannungsabfall über dem Wirkwiderstand und dem konstanten Strom. Diese Generatoren laufen üblicherweise im Ölbad, was eine zusätzliche Kühlung überflüssig macht.

Rotorausführung als Elektromagnet

Hier wird der Erregerstrom über zwei glatte Schleifringe zugeführt, seine Höhe und damit die im feststehenden Stator induzierte Spannung wird geregelt. Der Erregerstrom ist erheblich kleiner als der Ausgangsstrom des Generators, was kleinere Abmessungen der nötigen Kohlebürsten erlaubt und in einer höheren Lebensdauer resultiert. Darüber hinaus ist gegenüber dem Kollektor eines Gleichstromgenerators ein höheres Drehzahlniveau möglich, weshalb schon bei Leerlaufdrehzahl des Antriebsmotors eine erhebliche elektrische Leistung zur Verfügung steht. Auch wird wesentlich weniger Bauraum als für eine Gleichstromlichtmaschine vergleichbarer Leistung benötigt.

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 dieses für die Stromerzeugung notwendig ist, muss der Rotor mit Strom versorgt werden, damit sich in ihm ein Feld aufbauen kann. Dieser fließt von Klemme 15 (Zündungsplus) über die Ladekontrolllampe durch die Generatorwicklung über Masse (Kl 31), zurück an Batterie (Minus) und ist durch die Glühlampe (4 W) auf etwa 300 mA begrenzt (ohne Lampe würden 2 bis 5 A fließen). Bei der Rotation des Läufers wird dann in der Statorwicklung eine Spannung induziert; der verfügbare Strom übernimmt zum kleineren Teil (o.g. 2 bis 5 A, je nach Drehzahl), über den Laderegler gesteuert, die Versorgung der Erregerwicklung des Rotors und kann zum größeren Teil als Nutzstrom an den Ausgangsklemmen (B+) entnommen werden. Ist die Ladekontrolllampe defekt oder ist keine Batterie vorhanden/diese entladen, kann keine Fremderregung stattfinden, daher wird auch bei laufender Lichtmaschine keine Spannung erzeugt. Das ist auch der Grund, warum man ein Kfz mit völlig entladener Batterie nicht anschieben kann. Bei älteren Lichtmaschinen kann sich während der Lebensdauer im Rotor ein schwaches Dauermagnetfeld gebildet haben, welches auch ohne anliegende Spannung besteht. Solche Maschinen können auch ohne Ladekontrolllampe starten und im Betrieb Strom abgeben. Das 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. Bei Gleichstromlichtmaschinen ist aber Selbsterregung nicht ungewöhnlich, da dort die Induktionsspannung nicht die Durchlassspannung der Gleichrichterdioden überwinden muss, bevor sie zur weiteren Erregung beitragen kann.

Laderegler

Siehe Hauptartikel: Laderegler

Die Schaltbilder zeigen einen „positiv regelnden“ (der Schalttransistor liegt in der Leitung von D+ zur Plusbürste) Schaltregler. Darüber hinaus gibt es auch sogenannte „negativ regelnde“ Schaltregler.

Der Laderegler hat folgende Aufgaben

• Regelung der von der Lichtmaschine erzeugten Spannung
• Schutz vor Überlastung durch zu hohen Ausgangsstrom (bei Gleichstrom-Lichtmaschinen)
• Schutz vor Rückstrom

Abgabeleistung

Die maximale Abgabeleistung der Lichtmaschine eines Oberklasse-Pkws 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 Kraftfahrzeugen haben folgende Namen oder Klemmenbezeichnung.

• 61 Ladekontrolle
• B+ Batterie Plus auch mit „30“ bezeichnet
• B− Batterie Minus auch mit „31“ bezeichnet (Masse)
• D+ Dynamo Plus, entspricht auch der Klemme „61“
• D− Dynamo Minus (diese Bezeichnung findet man nur auf Gleichspannungsgeneratoren oder Wechselspannungsgeneratoren mit externem Regler)
• DF Dynamo Feld (diese Bezeichnung findet man nur auf Gleichspannungsgeneratoren oder Wechselspannungsgeneratoren mit externem 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)

Bücher

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

Broschüren

• 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.

• Gleichstromlichtmaschine
• Drehstromlichtmaschine