Wie funktioniert eine Lichtmaschine?

Lichtmaschinen stellen heutzutage den gesamten Strom für allerlei elektrische Verbraucher an Bord eines Fahrzeuges zur Verfügung. Sie sind auch für das Laden der Fahrzeugbatterie zuständig. Wann sollte man die Lichtmaschine ersetzen? Wie macht man das richtig? Und wo findet man Ersatz?

Eine Lichtmaschine ist nichts anderes als ein elektrischer Generator. Eine Lichtmaschine wird bei Pkw üblicherweise über einen Keilriemen vom Motor angetrieben und wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um. Zusammen bilden Motor und Lichtmaschine somit ein kleines Kraftwerk, das die gesamte Technik des Fahrzeugs mit Strom versorgt und die Fahrzeugbatterie lädt.

Zu den Verbrauchern zählt nicht nur die Fahrzeugbeleuchtung

Der Begriff Lichtmaschine stammt aus einer Zeit in der Vergangenheit, als die Lichtmaschine als Generator ausschließlich den Strom für die Scheinwerfer des Fahrzeugs erzeugen musste. Später ersetzte die Batterie die Magnetzündung um das Starten des Fahrzeugs ohne Kurbel zu ermöglichen. Die Lichtmaschine erhielt eine weitere Aufgabe: Das Laden der Batterie. Inzwischen ist sie für weitaus mehr verantwortlich.

Diese Verbraucherkategorien werden von der Lichtmaschine versorgt

Die Verbraucher werden in folgende vier Kategorien aufgeteilt:

Zur Grundlast zählen die Zündung, Einspritzdüsen, Kraftstoffpumpe und das Motor-Management mit einer benötigten Leistung von 300-400 W.
Die Klimatisierung und Lüftung zählen zu den Dauerverbrauchern mit 100-500 W benötigter Leistung.
Langzeitverbraucher wie Scheinwerfer, Heizgebläse und Radio benötigen eine Leistung von bis zu 1000 W.
Dazu kommen noch unzählige Kurzzeitverbraucher wie elektrische Fensterheber, Scheibenheizung, Sitzheizung und so weiter.

Hinzu kommen immer aufwendigere elektronische Sicherheits- und Assistenzsysteme, aber auch Komfort- und Infotainmentsysteme.

Diese ganzen Verbraucher zehren an der Leistung der Lichtmaschine und es kann schon einmal vorkommen, dass der Gesamtverbrauch höher ist als ihre Maximalleistung – vor allem bei sehr kurzen Strecken oder im zähfließenden Stadtverkehr. In diesem Fall kommt die fehlende Leistung aus der Batterie, welche sich dadurch entlädt.

Welche Bauarten der Lichtmaschine gibt es?

Die Gleichstromlichtmaschine war in den 1970er der Stand der Dinge. Sie hatte den Vorteil, dass kein zusätzlicher Gleichrichter nötig war.
Es gab einige wenige Fahrzeughersteller Wechselstromlichtmaschinen. Der Wechselstrom musste jedoch für die weitere Nutzung gleichgerichtet werden.
Dreiphasige Drehstromlichtmaschinen in Klauenpolgenerator-Bauweise sind der heutige Standard. Sie sind kleiner, leichter und leistungsfähiger, als Gleichstrom- und Wechselstromlichtmaschine.

Die Funktionsweise einer Lichtmaschine

Lichtmaschinen nutzen das Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Dieses Prinzip besagt, dass ein elektrischer Leiter, der sich durch ein Magnetfeld bewegt, eine elektrische Spannung induziert. Beim Klauenpolgenerator erzeugt der sogenannte Rotor das Magnetfeld. Dieser ist vom Stator mit der elektrischen Leitung umschlossen. Sobald sich der Rotor dreht wird im Stator eine Spannung induziert.

Dazu wird der Rotor von einem Kupferdraht umwickelt, welchem ein Strom zugeführt werden kann. Diese Kupferwicklung wird von zwei „Klauenpolen“ umschlossen. Fließt nun ein Erregerstrom durch die Wicklung, entstehen über die Pole ein Magnetfeld. Die Stärke des Magnetfelds wird durch die Anzahl der Umwicklungen und die Höhe des Erregerstroms beeinflusst.

Wenn sich der Rotor dreht, wechseln sich wegen der ineinandergreifenden Klauen jeweils Nord- und Südpol ab – das Magnetfeld wird bewegt – und es wird in den drei Wicklungen des Stators jeweils ein Wechselstrom induziert. Zusammengeführt ergeben diese drei Ströme einen dreiphasigen Drehstrom.

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Das Schnittmodell einer Lichtmaschine © philipus, depositphotos.com

Damit mit dem Strom die Batterie geladen oder die Bordelektronik versorgt werden kann, muss der Drehstrom erst über einen Gleichrichter – aus leistungsstarken Halbleiterdioden – in Gleichstrom umgewandelt werden. Ein kleiner Teil dieses Gleichstromes fließt wieder als Erregerstrom zur Erregerwicklung, während der andere Teil den Stromkreis des Fahrzeugs versorgt.

Effizienz von Lichtmaschinen

Der obengenannte Vorgang ist allerdings nicht verlustfrei. Die verlorene Energie zeigt sich größtenteils in Form von Wärme, weshalb die Generatoren auch gekühlt werden müssen. Der Kühlvorgang wiederum braucht auch Energie, was den Wirkungsgrad reduziert. Auch die Gleichrichtung des eigentlich erzeugten Drehstroms ist verlustbehaftet. So kommt ein moderner Generator auf einen Wirkungsgrad von 70-80%.

Wie wird eine Überspannung durch die Lichtmaschine verhindert?

Die entstehende Spannung würde sich bei gleichbleibender Magnetfeldstärke beinahe proportional zur Drehzahl verhalten. Das bedeutet sie würde stark schwanken. Um dies zu verhindern, steuert ein Feldregler durchgehend den Erregerstrom so, dass er sich umgekehrt proportional zur Drehzahl verhält. Der Feldregler hat also die Aufgabe die Höhe der Generatorspannung über den gesamten Drehzahlbereich weitestgehend konstant zu halten, Verbraucher dadurch vor Überspannung sowie die Batterie vor Überladung zu schützen.

Feldregler Upgrade zum Multifunktionsregler

Eine moderne Lichtmaschine muss heutzutage mehr können als nur Energie umzuwandeln. Sie sollte auch Möglichkeiten zum Management und zur Fehlerdiagnose bieten. Dazu erhielt der einfache Feldregler ein Upgrade zum Multifunktionsregler mit einer vielseitigen Einsatzmöglichkeiten. Der Multifunktionsregler

überwacht den Zustand der Batterie
erkennt Fehler wie Keilriemenbruch am Generator, Überspannung und Unterbrechungen am Bordnetz, aber auch Funktionsfehler am Regler selbst.
überwacht die Auslastung des Bordnetzes
kann die Lastzuschaltung steuern: Er kann den Generator bei Motorstart zunächst abschalten und den Motorstart erleichtern oder die Leistungsabgabe des Generators beim Beschleunigen zugunsten der Motorleistung verzögern.
greift in das Motormanagement ein. So kann er beispielsweise bei Bedarf die Drehzahl im Leerlauf erhöhen, dass die Batterie trotz hohem Verbrauch geladen wird.

Die Möglichkeit des Generatormanagements ist also durchaus sinnvoll. Es wird dadurch sichergestellt, dass die erforderliche Leistung stets bereitgestellt wird und verbessert außerdem die Ausfallsicherheit des Fahrzeugs.

Welchen Sinn hat die Ladekontrollleuchte?

Ladekontrollleuchten haben die Aufgabe die korrekte Funktion des Generators anzuzeigen. Im Normalfall leuchtet sie bei stillstehendem Motor und eingeschalteter Zündung. Das bedeutet, dass die Lichtmaschine von der Batterie mit einem Erregerstrom versorgt wird. Sobald der Motor läuft und die Lichtmaschine antreibt geht die Leuchte aus. Jetzt erzeugt der Generator seinen Erregerstrom selbst.

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