Fahrrad: Nabendynamo 18.02.2009, 10:11
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.
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
Das Bild unten (SON) ist für die Verwendung in Arbeitsblättern gedacht.
