Lexikon > Buchstabe L > Lichtmaschine

Lichtmaschine

Das Stromnetz in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, beispielsweise einem Auto oder Lastkraftwagen, wird in der Regel durch einen Generator gespeist, welcher vom Motor häufig über einen Riemen angetrieben wird. Da der Betrieb der Scheinwerfer (also die Lichterzeugung zwecks Beleuchtung) ursprünglich die wichtigste Aufgabe der Stromerzeugung an Bord war, hat sich der Begriff Lichtmaschine für den Generator eingebürgert. Inzwischen enthält fast jedes Auto eine Vielzahl anderer elektrischer Verbraucher, die in der Summe wesentlich mehr elektrische Energie benötigen als die Scheinwerfer.

Andere Bezeichnungen für die Lichtmaschine sind Generator und Stromerzeuger.

Da einerseits die Motordrehzahl und andererseits die elektrische Belastung variabel ist, wird in aller Regel eine aufladbare Batterie als Energiespeicher eingesetzt. Dieselbe Batterie dient als Starterbatterie, d. h. für das Anlassen des Verbrennungsmotors, und für die Versorgung von Verbrauchern bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor. Die Lichtmaschine enthält einen Laderegler, welcher das ordnungsgemäße Laden der Batterie (mit angemessener Stromstärke und Vermeidung des Überladens) ermöglicht. Ebenfalls wird die elektrische Spannung bei hohen Motordrehzahlen begrenzt, um eine Beschädigung von Verbrauchern zu vermeiden.

Die reguläre Betriebsspannung des Bordnetzes liegt im Auto recht niedrig: in der Regel bei ca. 12 bis 14 V, in Lastkraftwagen etwa beim Doppelten davon. Da die Leistungen im Auto bereits mehrere Kilowatt betragen können, sind recht hohe Stromstärken nötig – manchmal über 200 A. Deswegen muss die Lichtmaschine über recht starke Kabel angeschlossen werden, und die Kontaktstellen müssen sauber sein.

Wenn eine Lichtmaschine defekt ist, ist dies im Fahrzeug in der Regel dadurch erkennbar, dass die Ladekontrolllampe auch bei laufendem Motor weiter leuchtet.

Gleichstrom- und Drehstromlichtmaschinen

Alte Lichtmaschinen, wie sie bis in die 1970er Jahre verwendet wurden, waren meist elektrisch erregte Gleichstromgeneratoren. Bei niedrigen Motordrehzahlen, zumindest im Leerlauf, war die erzeugte elektrische Spannung häufig zu gering, um Verbraucher zu versorgen oder die Batterie zu laden.

Seit den 1970er Jahren werden fast nur noch Drehstromgeneratoren verwendet. Sie haben einen rotierenden Erreger (durch Schleifringe mit Gleichstrom gespeist), der in den Statorwicklungen phasenverschobene Wechselströme (insgesamt also Drehstrom) erzeugt. Mit einem integrierten Halbleiterdioden-Gleichrichter wird die benötigte Gleichspannung für das Bordnetz erzeugt.

Im Gegensatz zu Gleichstrom-Lichtmaschinen können Drehstrom-Lichtmaschinen schon bei niedrigen Drehzahlen eine erhebliche Leistung abgeben. Das Übersetzungsverhältnis für den Antrieb eines Generators wird häufig so gewählt, dass bereits bei Leerlaufdrehzahl rund zwei Drittel der vollen Leistung erbracht werden können.

Steigender Leistungsbedarf in Fahrzeugen

Die Lichtmaschinen heutiger Autos sind für eine maximale Leistung von teils über 5 kW ausgelegt, teils sogar für etwa das Doppelte. Zukünftig dürfte der elektrische Leistungsbedarf eher noch weiter steigen, da nicht nur immer mehr Komfortfunktionen beansprucht werden, sondern auch diverse für den Motor selbst wichtige Funktionen zunehmend elektrifiziert werden. Beispielsweise werden Kühlerventilatoren, Kühlwasserpumpen, Servolenkung und teils sogar Kompressoren von Klimaanlagen zunehmend elektrisch betrieben. Dies kann trotz der Energieverluste in Lichtmaschine und Elektromotoren energetisch günstig sein, weil so ein besser dem jeweiligen Bedarf entsprechender Betrieb möglich ist. Beispielsweise ist es bei Autoklimaanlagen sehr störend, dass ein direkt vom Motor angetriebener Kompressor diesem selbst dann eine gewisse Leistung entzieht, wenn die Klimaanlage gar nicht betrieben wird.

Moderne Startergeneratoren können die Lichtmaschine und den Starter (Anlasser) ersetzen; sie ermöglichen die Erzeugung höherer Leistungen mit einem höheren Wirkungsgrad als die traditionellen Lichtmaschinen.

Bei steigenden Leistungen wird eine niedrige Bordnetzspannung von 12 V zunehmend zu einem limitierenden Faktor; es treten dann nämlich sehr hohe elektrische Stromstärken (z. B. 200 A für eine Leistung von 2,4 kW) auf, und hierfür werden entsprechend dicke und schwere Kabel benötigt. Deswegen dürften zukünftig auch deutlich höhere Bordnetzspannungen zum Einsatz kommen und natürlich auch Lichtmaschinen mit einer entsprechend höheren Nennspannung.

Energieeffizienz von Lichtmaschinen

Die Lichtmaschine wird vom Verbrennungsmotor angetrieben und bremst diesen dabei; sie nimmt also mechanische Energie auf, um elektrische Energie abgeben zu können. Die aufgenommene mechanische Leistung kann deutlich höher sein als die abgegebene Leistung, da vor allem bei hohen Motordrehzahlen auch erhebliche Energieverluste auftreten – beispielsweise durch Reibung, für den Antrieb des die Lichtmaschine kühlenden Ventilators (Lüfterrads), durch ohmsche Verluste in den Spulenwicklungen und im Gleichrichter. Auch ohne elektrische Belastung benötigt der Antrieb der Lichtmaschine eine gewisse Antriebsleistung, die mit elektrischer Belastung dann entsprechend zunimmt (als Folge magnetischer Kräfte).

Bei alten Autos war die Energieeffizienz der Lichtmaschine meist recht gering; allerdings wurden ohnehin nur relativ geringe Leistungen umgesetzt. Der Wirkungsgrad konnte ohne Weiteres weit unter 50 % liegen. Effizientere Geräte wären möglich gewesen, wurden aber wohl wegen des Kostendrucks nicht realisiert. Bei modernen Fahrzeugen werden wesentlich höhere elektrische Leistungen benötigt, um eine Vielzahl von Verbrauchern zu versorgen; es können mehrere Kilowatt nötig werden (siehe oben). Hier wird der Wirkungsgrad des Generators dann wichtiger, um den Kraftstoffverbrauch niedrig zu halten und auch den Kühlaufwand für den Generator nicht zu hoch werden zu lassen: Die dort verlorene Leistung wird zu Wärme, die sicher abgeführt werden muss, um eine Zerstörung zu vermeiden. Leider besteht auch bei heutigen Lichtmaschinen das Problem, dass ein hoher Wirkungsgrad für einen weiten Bereich von Drehzahlen und Lasten schwer realisierbar ist. Insbesondere ist der Betrieb mit hoher Drehzahl, aber geringer Last recht ineffizient. Deswegen wird selbst ein Spitzen-Wirkungsgrad von z. B. 80 %, den manche moderne Lichtmaschinen erreichen können, zu einem durchschnittlichen Praxis-Wirkungsgrad von vermutlich nur zwischen 50 und 70 % führen. Moderne Startergeneratoren in Verbindung mit einer geeigneten Leistungselektronik könnten noch etwas besser sein.

Für einen Beispielfall schätzen wir den Mehrverbrauch an Kraftstoff aufgrund der Lichtmaschine ab:

• Wir nehmen an, dass die Lichtmaschine 200 W liefern muss und dafür 300 W Antriebsleistung benötigt. Das wäre für eine moderne Lichtmaschine in etwa zu erwarten.
• Ferner nehmen wir den differenziellen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu 30 % an. Somit wird aus dem Kraftstoff eine Leistung von 300 W / 0,30 = 1000 W benötigt. Das entspricht einer Kilowattstunde pro Stunde Fahrzeit, oder gut 0,1 l Dieselkraftstoff.
• Wenn dies bei einer Fahrgeschwindigkeit von 100 km/h erfolgt, beziehen sich die 0,1 l also auf 100 km Fahrstrecke. Bei 50 km/h wären es schon 0,2 l pro 100 km.

In der Praxis kann der Mehrverbrauch auch viel höher sein, wenn z. B. starke Verbraucher wie eine Heckscheibenheizung oder eine elektrisch betriebene Klimaanlage bei niedrigen Geschwindigkeiten eingesetzt werden.

Rekuperation mit Lichtmaschinen

In sehr begrenztem Maße sind Lichtmaschinen auch für die Rekuperation einsetzbar, d. h. für die Rückgewinnung von Bremsenergie in Mikro-Hybrid-Fahrzeugen. Hierfür muss die erzeugte Leistung beim Bremsen gezielt erhöht werden können, und die zusätzliche Leistung wird in die Fahrzeugbatterie eingespeist. (Zu anderen Zeiten kann dann weniger Leistung erzeugt werden, so dass der Motor weniger belastet und Kraftstoff gespart wird.) Die rückgewinnbare Leistung kann durch die Lichtmaschine oder durch die Batterie begrenzt sein, meist auf wenige Kilowatt. In Fahrzeugen mit echtem Hybridantrieb sind beide Aggregate wesentlich stärker ausgeführt, so dass höhere Bremsleistungen genutzt werden können; man spricht dann auch nicht mehr von einer Lichtmaschine, sondern von einem Generator oder ggf. von einer als Motor oder Generator einsetzbaren starken Elektromaschine. Für den Transport entsprechender Leistungen werden dann erheblich höhere elektrische Spannungen benötigt (mehrere hundert Volt), weswegen hierfür das gewöhnliche Bordnetz nicht verwendet werden kann.

Ebenfalls möglich ist es, die Leistungsabgabe einer Lichtmaschine bei starkem Bedarf an Antriebsleistung (z. B. beim Beschleunigen) kurzzeitig zu reduzieren. So kann insbesondere die Beschleunigung auch ohne Erhöhung der Motorleistung etwas verbessert werden, und zwar mit minimalem technischem Aufwand.

Siehe auch: Generator, Hybridantrieb, Rekuperation, Verbrennungsmotor, Startergenerator