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Fahrrad: Nabendynamo 18.02.2009, 10:11

Nabendynamo am Fahrrad, Ausschnitt

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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  • (geändert: )

Nabendynamo 

 

Nabendynamo  amVorderrad

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) 

 

 

Fahrrad, Nabendynamo im Halbschnitt mit den wichtigsten Einzelteilen

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:

Dynamokurven mit Spannungsverlauf und Wirkungsgrad

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. 

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Kommentare

14

Zum Artikel "Fahrrad: Nabendynamo".

  • #1

    Flackerndes Licht aus langsamem Nabendynamo - 2 Dynamos um Nulldurchgang zu überbrücken (vgl Zweizylinder -Verbrenner)

    schrieb Leuthld am

  • #2

    Der Dynamo erzeugt eine Wechselspannung. Eine LED-Lampe (das ist ja eine Diode) leuchtet nur, wenn die Wechselspannung mit der richtigen Halbwelle anliegt (=Durchlassrichtung). Somit wird nur die Hälfte des Wechselstroms für das Licht genutzt. Das macht aber nichts, denn die LED-Lampen sind eh’ zu hell. Speziell wenn sie nicht auf Straße ausgerichtet sind, sondern den Gegenverkehr blenden.

    schrieb Mathias am

  • #3

    Hallo Lehrerfreund-Team,
    was muss ich beachten wenn ich zwei oder mehrere Nabendynamos (in meinem Fall
    VIER[4] ) an einem Fahrgestell montieren und anschließen/betreiben will (z.Bsp.: “gegeneinander isolierte Montage”) ?
    Danke im Voraus,
    Rolf Müller, Berlin.

    schrieb Rolf, Berlin am

  • #4

    Richtig interessant wird es erst, wenn der Dynamo bei ausgeschaltetem Licht mitläuft:
    - Wie hoch ist der “Reibungsverlust” dann? (abhängig von der Geschwindigkeit)
    - Es fließt zwar kein Strom, aber wie hoch ist die Leerlauf-Spannung? (Wie schaffen elektronische Dämmerungsschalter das? Können die das aushalten oder schalten die nur das Licht, und verbraten die entstehende Energie anderweitig?)

    schrieb Michael Hesselbach am

  • #5

    Hallo, eine LED BRAUCHT Plus und Minus. Wo ist da die Diode eingebaut -
    ODER
    wird nur die eine Halbwelle benutzt und die andere weggeworfen? Waere typisch Fahrradtechnik ! Ich verwende seit es den 3,5” Laufwerken gibt, ein soches als Generartor und der liefert 3 Phasen Drehstrom, den ich gleichrichte ( Schottky Dioden ), zwischenspeichere in Ultra-Caps und den LED’s via Konstantstromquelle zufuehre.
    @ Florian
    zu der Bemerkung: ... Nabendynamo eine Stromquelle… dann muesste der Innenwiderstand weitaus groesser als die Last sein.
    Wie groß ist denn der Wicklungswiderstand? Wenn der Nabendynamo kurzgeschlossen wird, wird die gesamte Leistung im Innenwiderstand des Dynamos verheizt!
    Ich werde mal messen.
    mfg
    Rolf

    schrieb Rolf Walsch am

  • #6

    Funktionsweise des Nabendynamos
    Durch die sich an den Polklauen vorbei bewegenden Magneten werden die Polklauen und mit diesen die beiden Hälften des Blechkäfigs permanent neu- bzw. ummagnetisiert. Das im Blechkäfig vorliegende Magnetfeld, das axial ausgerichtet ist, ändert damit auch permanent seine Richtung. Hierdurch wiederum wird in den Wicklungen der axial ausgerichteten Statorspule eine Wechselspannung induziert, die auf die ständige Änderung des magnetischen Flusses zürückgeht. Natürlich kann man sich das Magnetfeld des Blechkäfigs durch Magnetfeldlinien veranschaulichen und die Bewegung der Elektronen im Spulendraht mittels der Lorentzkraft auf diese erklären. Die Lorentzkraft tritt dann auf, wenn ein elektrische Leiter sich relativ zu einem Magnetfeld bewegt, wobei zumindest eine Bewegungskomponente senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes orientiert ist. Dieser Ansatz erscheint mir aber deutlich komplizierter.

    schrieb Stephan am

  • #7

    IHallo liebes Kollektiv von Lehrerfreund.
    Scheinbar habe ich das Prinzip des Nabendynamos nicht richtig verstanden?
    Warum dreht sich ein Fahrrad mit Nabendynamo um so vieles leichter als ein hekömmlicher Dynamo?Das Prinzip des Nabendynamos ist grundsätzlich ganz anders!Die Magneten schneiden bei ihrer Bewegung um die Spule nicht!!!!!! die Feldlinien im rechten Winkel.Nein, die Feldlinien werden überhaupt nicht im rechten Winkel geschnitten.Deshalb kann man den Nabendynamo so leicht drehen!!! Die Frage ist,wie wird denn dann der Strom erzeugt?Ganz einfach.Die Magneten wirken auf den Käfig aus Weicheisen ein!Dieser ist allerdings so angeordnet,dass er die Feldlinien der Spule die den Strom erzeugt, im rechten Winkel schneidet.Jedes Mal wenn die Magneten vorbeiflitzen bringen sie den einzelnen Käfigarm zum”“Aufblitzen” Die im Weicheisen ungeordneten Magnete werden durch die Permanentmagneten kurzzeitig ausgerichtet und wirken dann genau wie ein Magnet:Da der Käfigarm die Feldlinien der Spule im rechten Winkel schneidet ,bewirkt t er eine Magnetfeldänderung und induziert damit einen Strom.Weil derMagnet immer die gleiche Entfernung zum Weicheisenkäfig hat und weder von ihm wegbewegt noch zu ihm hinbewegt wird, sondern in immer derselben Kreisbahn sich bewegt,ist kein Extrakraft zu überwinden,Das heißt, beim Nabendynamo muß also auch keine Extrakraft aufgebracht werden.Das heißt ,es wirkt kein Lenzsches Gesetz,. weil “indirekt” geschossen wird.

    schrieb Ulf Antusch am

  • #8

    Soo jung sind Nabendynamos auch wieder nicht, der Dynohub von Sturmey-Archer stammt aus den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts - knapp 80 Jahre also.

    schrieb Ulrich am

  • #9

    Hallo Heiner,

    die Angaben gehen auf gesetzliche Vorschriften zurück. Für die StVZO ist die Basis logischerweise die Fahrgeschwindigkeit. Wenn für den Anwender ein Raddurchmesser wichtig ist, dann muss er diesen in seiner Rechnung natürlich berücksichtigen. Die Geschwindigkeitsformel v = d x pi x n hilft ihm da problemlos weiter (d = Raddurchmesser).

    Gruß
    tec.LF

    schrieb Der Lehrerfreund am

  • #10

    Bei der Berechnung wird immer von der Fahrgeschwindigkeit gesprochen. Mit welchem Raddurchmesser aber gefahren wird
    bleibt offen. Damit ist die Berechnung für mich unvollständig.

    schrieb Heiner am

  • #11

    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

    schrieb tec.LEHRERFREUND am

  • #12

    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

    schrieb Florian am

  • #13

    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

    schrieb tec.LEHRERFREUND am

  • #14

    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.

    schrieb Florian am

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