Generatorkennlinien

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Welche Leistung bringt ein Generator?

Wie hängt der lieferbare Strom von der Drehzahl ab?

Was kann man der Typbezeichnung entnehmen?

Welche Generatoren sind lieferbar?

Wieso jault der lockere Keilriemen nur bei niedrigen Drehzahlen?

zuletzt bearbeitet 11 / 2001

Kennlinie und Typbezeichnung

Kennlinien existierender Generatoren

Die Generatorkennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen Genratordrehzahl und maximal möglicher Stromproduktion des Generators. Wenn man die Generatorspannnung mit U _Gen = 14V als konstant annimmt, dann wäre die Kennlinie für die maximal abgebbare Generatorleistung deckungsgleich mit der Stromkennlinie, allerdings mit einem angepassten zusätzlich einzuzeichnenden Leistungsmassstab.

Analog zur Volllastkennlinie eines Verbrennungsmotors zeigt auch die Generatorkennlinie den Strom bei maximaler Belastung.
Ist doch klar: Wenn keine oder nur wenig Verbraucher angeschlossen / eingeschaltet sind, produziert der Generator zwar die Spannung aber nur keinen / wenig Strom selbst wenn er mit sehr hoher Drehzahl angetrieben wird.

Ohne Belastung läuft der Generator halt im Leerlauf, wozu auch wesentlich weniger Antriebsenergie erforderlich ist als bei Teillast bzw. Volllast. In der E-Technik bedeutet :

hohe Last = kleiner Verbraucherwiderstand = hoher Strom

Der Kennlinie kann man nun folgende Eigenschaften von Generatoren entnehmen:

bei niedrigen Drehzahlen (n < n(0A)) speist der Generator überhaupt keinen Strom ins Bordnetz, da die Generatorspannung noch unterhalb der Bordnetzspannung liegt.
Eine Pumpe kann eben nur dann Öl in ein Hydrauliksystem fördern, wenn der Pumpendruck höher ist als der Druck im Hydrauliksystem (logisch, woll!)

Oberhalb von n(0A) steigt die Kennlinie sehr steil an, so dass bei Bedarf z.B. bei 1500 /min bereits fast der halbe Nennstrom abgegeben werden kann.

Die Steigung der Stromkurve wird immer kleiner und nähert sich allmählich dem maximal abgebbaren Strom an, der auch bei der maximal zulässigen Generatordrehzahl erreicht wird.

In dem Diagramm sind die Drehzahlen 1500/min und 6000/min besonders gekennzeichnet, weil die maximal erreichbaren Ströme bei diesen Drehzahlen in der Typbezeichnung erwähnt werden.

Eine bestimmte Drehzahl darf der Generator nicht überschreiten, da sonst zu hoheliehkräfte auftreten, die die Maschine zerreißen würden. Die maximal erlaubten Drehzahlen liegen je nach Kfz-Generatottyp zwischen 7000/min und 21000/min.

Diese Generatoren haben die Eigenschaft, ihren Maximalstrom selbst zu begrenzen, so dass selbst bei Kurzschluss und maximaler Drehzahl kein generatorunverträglicher Strom fließt.

Typbezeichnung

ein Beispiel:

GC 14V R 40 - 90A

Erläuterung:

G : Bezeichnung für Größenklasse des Statorgehäusedurchmessers. Je weiter der Buchstabe im Alphabet von a entfernt, desto größer die Maschine.

C : Compactgenerator
Außer C könnte an dieser Position auch stehen:

1 : für Klauenplgenerator (alter Bauart ,Topfgenerator: geschlossenes Ständergehäuse, außenliegender Lüfter)

2 : für Einzelpolmaschine (hier sind auf dem Läufer z.B. 4 einzelne Magnetwicklungen um jeweils einen Polschuh gewickelt)

3 : für Leitstückläufergenerator

14V : Nennspannung des Generators passend zu 12V Nennspannung Bordnetz
an dieser Position auch möglich : 28V (passend zum 24V Bordnetz)

R : für Drehrichtung rechts (L für Drehrichtung links)
Den Elektronen ist die Drehrichtung egal. Aber die Drehrichtung kann sich nach zwei anderen Vorgaben richten:

Form der Lüfterflügel für die Strömungsrichtung der Kühlluft

Form der Klauenpole für weiches / hartes Aufbauen / Abreißen des Magnetfeldes

40 : 40A als maximal abgebbare Stromstärke des Generators bei einer Drehzahl von 1800 /min. (bei Compactgeneratoren)
Bei den anderen Generatoren bezieht sich diese maximal abgebbare Stromstärke auf eine Drehzahl von 1500 /min.

90A : maximal abgebbare Stromstärke bei einer Generatordrehzahl von 6000/ min.
Natürlich ist die Generatordrehzahl gemeint und nicht die Kurbelwellendrehzahl.
Diese Drehzahl gilt für alle Generatoren.
Klar, dass der Generator diese Stromstärke nur dann liefert, wenn auch eine entsprechende Nachfrage seitens der Verbraucher da ist.

Kennlinie und Typbezeichnung

Liste lieferbarer Generatoren

Kennlinien existierender Generatoren

Liste lieferbarer Generatoren (Generatorliste)

 
	Typbezeichnung   n(0A)     Imax   nmax
	           1/min      A     1/min
	_____________________________________
	GC-14V  27/ 50A	  1000	 55  18000  
	GC-14V  27/ 60A	  1000	 62  18000
	GC-14V  30/ 70A	  1000	 73  18000
	GC-14V  37/ 70A	  1000	 73  18000

	K1-14V  20/ 45A	  1000	 46  15000
	K1-14V  23/ 55A	  1000	 56  15000
	K1-14V  23/ 65A	  1400	 66  12000
	K1-14V  28/ 70A	  1000	 71  15000
	K1-14V  30/ 85A	  1000	 93  15000
	K1-14V  20/ 95A	  1400	102  12000
	K1-14V   2/120A	  1500	130  12000

	KC-14V  40/ 70A	   800	 74  18000		
	KC-14V  40/ 80A	   800	 83  18000		
	KC-14V  45/ 80A	   800	 90  18000		
	KC-14V  45/ 90A	   800	105  18000		

	N1-14V  36/ 80A	  1000	 85  15000
	N1-14V  29/ 90A	  1400	 93  12000
	N1-14V  34/ 90A	  1000	 95  15000
	N1-14V  40/110A	  1400	117  11000
	N1-14V  40/115A	  1000	122  15000
	N1-14V  25/140A	  1000	147  15000

	NC-14V  50/100A	  1000      111  18000
	NC-14V  60/120A	  1000      140  18000
	NC-14V  40/140A	  1000      150  18000
	NC-14V  70/120A	  1000      125  18000
	NC-14V  90/150A	  1000      150  18000

	K1-28V  10/ 35A    1200       36  12000
	K1-28V   3/ 45A	  1500	 47  12000
	K1-28V   5/ 55A	  1500	 60  12000

	N1-28V  10/ 55A	  1300	 58  11000
	N1-28V  20/ 65A	  1350	 67  11000
	N1-28V  10/ 85A	  1380	 85  11000

	T1-28V  58/105A	  1000	110   7000
	T1-28V  65/120A	  1000	122   7000
	T1-28V  70/140A	  1000	147   7000
	T1-28V 110/180A	  1000	182   7000
	_____________________________________

nach: Robert Bosch GmbH, Geschäftsbereich KH/VSK, 1993

Bei den Kompaktgeneratoren bezieht sich der erste Stromwert der Typaufschrift auf eine Drehzahl von 1800/min sonst auf 1500/min.

Kennlinie und Typbezeichnung

Kennlinien existierender Generatoren

Keilriemenjaulen

In diesen beiden Schaubildern werden die Kennlinien von insgesamt 5 Generatoren dargestellt, und zwar von jedem Generator die:

Strom-Drehzahl-Kennlinie (rot)

Antriebsleistung-Drehzahl-Kennlinie (blau)

Diese Kennlinien bestätigen die weiter oben behaupteten Eigenschaften. Insbesondere soll noch einmal der sehr steile Stromanstieg ab n(0A) erwähnt werden. Dieser Anstieg bewirkt eine ziemlich große Leistungsfähigkeit der Generatoren auch schon im Drehzahlbereich knapp über Leerlaufdrehzahl.

Diese Eigenschaft wird um so wichtiger, je mehr ein Auto durch ungünstige Verkehrsverhältnisse bewegt werden muss:

zähflüssiger Verkehr
Stop and Go Betrieb
Viele elektrische Verbraucher eingeschaltet:

Beleuchtung
Motorelektrik
Scheibenwischer
Heizgebläse
Scheibenheizung
Komfort- u. Kommunikationsgeräte

Beispiel

Der Dieselmotor des Fahrzeugs hat eine Leerlaufdrehzahl von 650/ min und eine maximale Drehzahl von 2500/min.

Da Übersetzungsverhältnis für den Generator N1 28V 20-65A muß durch Wahl geeigneter Riemenscheiben so gewählt werden, dass bei maximaler Motordrehzahl der Generator keine unzulässige Drehzahl hat. Das bedeutet, dass Übersetzungsverhältnis ist günstigstenfalls:

n_opt = n_{Motor max} / n_{Gen max}

= 2500 /min / 11000 / min
= 0,227.

Der Generator dreht sich somit 4,4 mal so schnell wie die Kurbelwelle. Bei der angenommenen Leerlaufdrehzahl von 650/ min, rotiert der Generatorläufer bereits mit 2860/min.

Bei dieser Drehzahl kann der Generator einen Strombedarf von 40 A alleine decken. Sind jedoch in dieser Situation mehr Verbraucher eingeschaltet, so sinkt die Bordnetzspannung und die Batterie muss zubuttern. Diesen Entladeprozess zeigt die Generatorkontrolllampe nicht an!

Kennlinien existierender Generatoren

Keilriemenjaulen

Generatorwirkungsgrad

Das Phänomen ist bekannt:
Beim Starten an einem kühlfrischen Herbst - oder Wintermorgen ertönt ein wimmerndes Geräusch aus dem Motorraum, das irgendwann bei höheren Drehzahlen verschwindet. Das Keilriemenjaulen rührt vom Schlupf zwischen Riemen und Riemenscheibe her und tritt unter folgenden Bedingungen ein:

Keilriemen bzw. Keilrippenriemen lockerer als vorschriftsmäßig gespannt (kommt natürlich der Lagerlebensdauer zugute)

feuchte Witterung (sorgt für einen Schmierfilm auf der Riemenscheibe)

Generator durch einige Verbraucher belastet

Und wann verschwindet das Jaulen wieder?

Dazu gibt´s zwei Antworten:

Durch den Schlupf und die daraus resultierende Reibungswärme trocknen Riemen und Riemenscheiben, die Reibung nimmt zu und der Riemen packt wieder.
Diese Antwort ist korrekt, aber nur die halbe Wahrheit!

Der Betrieb des Generators erfordert eine bestimmte Antriebsleistung, die um so höher ist, je mehr Strom das Gerät produzieren soll (siehe Kennlinien).
Die in Form von Drehbewegung in den Generator hineingepumpte Energie berechnet man aus :
P = M * n * 2 * p,
wie bei allen rotierenden Maschinen.

Die erforderliche Antriebsleistung kann also bei geringer Drehzahl durch ein großes Drehmoment übertragen werden oder umgekehrt bei höherer Drehzahl mit geringerem Drehmoment. In dem Maße, wie die Generatordrehzahl trotz Schlupf allmählich ansteigt, verringert sich das zwischen Riemen und -scheibe zu übertragende Drehmoment. Irgendwann ist dann schließlich die Drehzahl so groß und das Drehmoment so klein, dass der Riemen selbst bei feuchter Riemenscheibe nicht mehr schlupft und das Jaulen ist überstanden.

Sind das zu übertragende Drehmoment und der Riemenscheibendurchmesser bekannt, lässt sich auch die Zugkraft im Riemen berechnen (F = M / d_m).

Keilriemenjaulen

Generatorwirkungsgrad

Seitenende

Aus den beiden Kennlinien eines Generators lässt sich der Wirkungsgrad h bei jeder Drehzahl berechnen.

Als Beispiel soll der Wirkungsgrad des Generators N1 14V 29-90A bei n = 6000 / min berechnet werden:

Den Kennlinien entnimmt man die Werte: I ( 6000) = 90A un d Pin = 3kW. Die Generatorspannung beträgt 14V. Mit diesen Werten und der Formel:

h = P_out / P_in

folgt:
h = 90A * 14V / 3kW
h = 42%. (nicht allzu toll!)

Es sei auch noch einmal daran erinnert, dass es sich hier um den Wirkungsgrad bei Vollast und mittlerer Drehzahl handelt. Die Werte werden noch ungünstiger im Teillastbereich und vor allen bei hohen Drehzahlen, da dann der Generatorlüfter übermäßig viel Antriebsleistung erfordert und die abgebbare elektrische Leistung aber fast nicht mehr steigt. Die Kennlinien für den abgebbaren Strom steigen kaum noch, während die Kennlinien für die Antribsleistung sogar leicht nach oben gekrümmt verlaufen.

Wirkungsgradvergleich

Zugegeben, Compaktgeneratoren haben bessere Wirkungsgrade als die ollen Topfgeneratoren. Die wassergekühlten Maschinen schneiden natürlich noch besser ab, da Lüftungsverluste völlig entfallen. Unschlagbar dagegen sind die in Zukunft zu erwartenden Kurbelwellenstartgeneratoren, deren Wirkungsgradkennlinie im Vergleich zu herkömmlichen Generatoren im nebenstehenden Bild gezeigt wird.Großgeneratoren in Kraftwerken haben dagegen Wirkungsrgrade deutlich über 90%.

Wirkungsgradverbesserungen am Kfz-Generator wirken sich natürlich auf den Kraftstoffverbrauch aus. Auch wenn dies für das einzelne Fahrzeug innerhalb der allgemeinen Verbrauchsschwankungen kaum nachweisbar sein wird, so ergibt sich in der Masse aller Fahrzeuge eine erstrebenswerte Umweltentlastung.

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