Fahrrad: Nabendynamo
Eine noch relativ junge Entwicklung ist der Vorderrad-Nabendynamo. Er arbeitet - wie die meisten Seitendynamos - mit einem Klauenpolgenerator. Permanentmagnete erzeugen durch die Drehung des Laufrades ein rotierendes Magnetfeld, das in der feststehenden Statorwicklung eine elektrische Wechselspannung induziert. Mit Aufgaben.
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Eingetragen am 18.02.2009, 11:11 Uhr in Technologie | Technisches Zeichnen | Technische Mathematik | Elektrotechnik | Elektrik | Fahrrad |
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Nabendynamo
Der Fahrraddynamo erzeugt eine elektrische Leistung zum Betrieb des Scheinwerfers und des Rücklichts. In Deutschland sind - festgeschrieben in der Straßenverkehrs-Zulassungsordnung StVZO - 6 Volt Nennspannung und 3 Watt Nennleistung üblich. Mit dieser Leistung erreicht man eine Helligkeit, die in einem brauchbaren Verhältnis zum Tretaufwand liegt. Weil die Höhe der Spannung von der Drehzahl des Generators abhängig ist, wurden in Deutschland folgende Werte festgelegt: Bei einer Fahrgeschwindigkeit v = 5 km/h liefert der Generator mindestens 3 V, bei 15 km/h mindestens 5,7 V, für Geschwindigkeiten bis 30 km/h maximal 7,5 V.
Aufbau eines Nabendynamos
(Bilder: Einzelteile SON; Schnittzeichnung tec.LEHRERFREUND)
Der Vorderrad-Nabendynamo arbeitet (wie auch die meisten Seitendynamos) mit einem Klauenpolgenerator. Im Nabenmantel eingelegte Permanentmagnete schneiden mit ihren Magnetfeldern bei der Drehung des Rades die Windungen der feststehenden Statorspule; in ihren Wicklungen wird eine elektrische Wechselspannung induziert. Umgeben ist die Spule von einem Blechkäfig mit schmalen Fingern, den Klauen; sie stehen als Nord- und Südpol den Magnetpolen des Rotors gegenüber und leiten das Magnetfeld durch die Spule.
Eingeschaltet wird die Beleuchtung über einen Schalter am Scheinwerfer oder über eine elektronische Steuerung, die bei Dunkelheit die Beleuchtung automatisch schaltet.
Nabendynamos haben die höchsten Wirkungsgrade im Betrieb. Im nicht eingeschalteten Zustand besitzen sie wegen der im Leerlauf auftretenden Ummagnetisierungsverluste ein geringes Verlustmoment, das beim Treten zusätzlich aufgebracht werden muss.
Wie schließt man einen Nabendynamo richtig an? Was tun, wenn die Verbindungen korrodiert sind?
Bei Nabendynamos ist die übliche Masse über eine zweite Ader angeschlossen. Bei zweiadrigen Leitungen hat eine der Leitungen eine durchgängigen weiße Linie. Die Leitungen werden vom Dynamo zu Vorder- und Rücklicht geführt. Mit den Leuchten verbundene Stecker garantieren das richtige Anschließen des Kabels. Bei fachgerechtem Anschluss müssen der Scheinwerfer und das Rücklicht leuchten. Mit etwas Sprühöl kann man die Kontakte gegen Korrosion schützen. Am Dynamo sind die Anschlussstellen am gefährdetsten, weil sie dort meistens am stärksten verschmutzt sind.
Aufgaben
Die unten gezeichneten Kurven stammen aus Versuchsreihen eines Nabendynamo-Herstellers. Die Werte wurden unter einer Belastung von 12 Ω ermittelt. Beantworten Sie folgende Fragen:
1. Welche Größen wurden in den Versuchen ermittelt?
2. Charakterisieren Sie den Verlauf des Wirkungsgrads.
3. Bei welcher Fahrgeschwindigkeit hat der Dynamo seinen besten Wirkungsgrad?
4. Welche Spannung erzeugt der Dynamo bei 15 km/h?
5. Ziehen Sie zwei Grenzlinien für die unterste zulässige Spannung (bei 15 km/h) und die oberste zulässige Spannung (bei 30 km/h).
6. Warum erzeugt der Dynamo bei v = 0 km/h keine Spannung? (siehe auch Magnetismus)
7. Welche Leistung gibt der Dynamo im Versuch bei 16 km/h ab?
Lösungen
1. Wirkungsgrad und Spannung
2. Bis etwa 11 km/h steigt er auf fast 70% (= 0,7) an und fällt dann (bei v = 30 km/h) auf 50% ab.
3. 11 km/h
4. 5,8 V
5. Waagrechte Linien bei 5,7 V und 7,5 V
6. Weil in der Spule kein sich veränderndes Magnetfeld erzeugt wird.
7. Bei 16 km/h liefert er U = 6 V. Der Versuch wurde bei einer Belastung R= 12 Ω gefahren:
P = U2 : R = (6 V)2 : 12Ω = 3 W.
Bei Berücksichtigung des Wirkungsgrads (bei 16 km/h ca. 0,63) müssen dem Dynamo zugeführt werden:
Pzu = Pab : µ = 3 W : 0,63 = 4,8 W
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Eingetragen am 18.02.2009, 11:11 Uhr in Technologie | Technisches Zeichnen | Technische Mathematik | Elektrotechnik | Elektrik | Fahrrad |
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4 Kommentare von Lehrerfreund/innen
Da haben sich ein paar Fehler eingeschlichen:
1. Da der Nabendynamo Wechselstrom produziert ist “Masse” nicht “Minus”, sondern eine der beiden Wechselstromseiten. Dementsprechend ist es auch nicht so schlimm, wenn die beiden Seiten vertauscht werden. Jedoch kann es beim Vertauschen zu einem Kurzschluss kommen, der aber ungefaehrlich ist (siehe unten). Am Fahrrad ist aber nicht einmal das moeglich, weil der Kabelbaum keine Gelegenheit bietet eine Schlaufe zu legen.
2. Bei Aufgabe 7 wird der Wirkungsgrad von der elektrischen Leistung “abgezogen”. Das ist falsch, da hier ja bereits die elektrischen Ausgangswerte gemessen werden. Durch Multiplikation mit dem Kehrwert des Wirkungsgrades koennte jedoch die mechanische Eingangsleistung berechnet werden.
Leider geht der Beitrag nicht darauf ein, dass der Nabendynamo eine Stromquelle ist und dass die Spannung vom angehaengten Lastwiderstand abhaengig ist. Wird der Nabendynamo z.B. kurzgeschlossen, bricht die Spannung zusammen waerend die Stromstaerke auf etwa 500mA begrenzt bleibt. Die am Kurzschluss verheizte Leistung ist entsprechend klein (die Wicklung hat natuerlich einen geringen Widerstand)
Sehr schoen laesst sich diese Eigenschaft auch experimentell in Verbindung mit LEDs zeigen. Diese benoetigen eine feste Spannung, die sich am Nabendynamo entspechend einstellet. Bei mehreren LEDs ist die Spannung dann entsprechend hoeher. Die LEDs muessen aber natuerlich die 500mA des Dynamos aushalten. Derartige LEDs sind seit wenigen Jahren verfuegbar und werden auch in Fahrradlampen eingesetzt.
Hallo Florian,
vielen Dank für Ihren Kommentar zum Beitrag »Nabendynamo«.
Zu 1.:
Masse bezeichnet einfach eine der beiden Wechselstromseiten. Bei der Verwendung von zweiadrigen Kabeln (ist sicherer als den Rahmen des Fahrrads als Leiter einzuspannen) macht auch der Begriff »Masse« keinen Sinn mehr. Wo hier von verwirrenden Plus und Minus die Rede ist, werden sie eliminiert.
Zu 2.
Die Leistung wird hier über die Spannung berechnet. Die elektrische Leistungsabgabe wird aber noch einmal durch Wirbelstrom- und mechanische Verluste reduziert. Deshalb ist die Wirkungsgradberechnung in Ordnung.
Lastwiderstand: Die durchgerechnete Aufgabe bezieht sich auf eine Grafik, von der gesagt wird, dass die Werte bei einer Last von 12 Ohm ermittelt wurden.
Ihre Erwähnung des kurzgeschlossenen Dynamos mit den Folgen werden wir in einen späteren Beitrag aufnehmen.
Mit den besten Grüßen
tec.LEHRERFREUND
Zu 2.
Ich muss dem leider widersprechen. Der Wirkungsgrad ist das Verhaeltnis zwischen der aufgewendeten mechanischen Arbeit und der erzeugten elektrischen Leistung. Die hier - am Dynamoausgang, also direkt am 12 Ohm Widerstand gemessene - Spannung erzeugt ueber den Widerstand unmittelbar eine Leistung nach P = U * I = U^2 / R. Die Spannung vor Abzug der Wirbelstromverluste waere im uebrigen gar nicht so einfach zu messen. Um die mechanischen Verluste mit einrechnen zu koennen, wuerde man sogar die mechanische Eingangsleistung (in Watt nicht in Volt) benoetigen. Diese wurde in dem Versuch zwar bestimmt (ueber Drehzahl und Drehmoment) und auch zur Berechnung des Wirkungsgrades herangezogen, allerdings ist sie nicht in dem Diagramm enthalten.
Die zum Wirkungsgrad passende Frage ist also: “Welche Leistung muss der Radfahrer aufbringen um die elektrischen 3W zu erzeugen?”
3W / 0,63 ~= 4,8W
Florian
Hallo Florian,
wir haben uns tatsächlich zu einem Schnellschuss hinreißen lassen. Sie haben recht: Der Nabe wird eine mechanische Leistung zugeführt, aus der (die im Versuch gemessenen) 6 Volt und damit 3 Watt erzeugt werden. Wegen des Wirkungsgrads müssen dem Dynamo aber mehr als 3 Watt zugeführt werden.
Das werden wir schleunigst richtigstellen.
Vielen Dank.
Gruß
tec.LEHRERFREUND
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