Fahrradzukunft

Ausgabe 18

April 2014

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Aktuelle Felgenläuferdynamos im Labortest

von Olaf Schultz

Leistung und Wirkungsgrade von Felgenläufer-/Seitendynamos? Wen interessiert das überhaupt noch im Zeitalter der zuverlässigen Nabendynamos? Das fragt man sich und muss erst einmal nachdenken …

Ja, es gibt Einsatzbereiche für solche Dynamos. Seien es Velomobile und andere Dreiräder, an denen Nabendynamos nicht eingesetzt werden können, seien es Rennradfahrer, die mit Systemlaufrädern ein extrem leichtes Fahrrad haben wollen, oder der Einsatz des Magnic Light als Bremslicht auf dem Arm einer Felgenbremse. Grund genug, sich mit den aktuellen Sonderformen dieser Dynamos zu beschäftigen und einen Vergleich zur aktuellen Massenware und inzwischen historischen Spitzenmodellen zu ziehen.

Als aktuelle Dynamos kommen drei Magnic Lights, zwei Velogical Compact, je ein AXA-HR und Busch&Müller Dymotec 6 zum Einsatz. Zum Vergleich werden je ein Dynosys Lightspin und Busch&Müller S6 herangezogen. Gemessen werden die mechanisch aufgenommene Leistung und die Abgabeleistung bei einer Standardprüflast von 12 Ohm sowie an einer Edelux-Elektronik. Die Anzahl der Messdaten ist groß. Die daraus ableitbaren Ergebnisse in Kurvenform sind noch umfangreicher. Wenn dann noch der Abstand des Magnic Light zur Felge oder eine Veränderung des Lastwiderstandes zu Leistungsanpassung hinzugenommen werden, dann wird es schnell unübersichtlich! Das nur als Vorwarnung.

Prüfstand

Mit dem hier verwendeten Prüfstand wird bei konstanter Geschwindigkeit die Schleppkraft des Dynamos gemessen.

Bild 1: Prüfstand (Velogical im Test, parallel ein Magnic Light montiert, aber nicht im Eingriff)

Der Prüfstand besteht aus dem hinteren Rahmendreieck eines 28-Zoll-Rades. Das 28-Zoll-/622-Laufrad (Aluminium-Hohlkammerfelge Alesa 913) ist liegend, mit stehender Achse, eingebaut. Ein 150-W- Drehstrommotor, mit einem Frequenzumrichter betrieben, treibt über ein Reibrad das Laufrad an. Die Dynamos werden auf einem mit gedeckelten Kugellagern gelagertem Ausleger montiert. Zwischen dem Ausleger und dem Rahmendreieck nimmt eine Federwaage (Pesola, 600 g) die Schleppmasse auf. Diese wird, mit dem Hebelarm zum Drehpunkt des Auslegers senkrecht auf die Federwaage gemessen, in eine mechanische Leistung umgerechnet.

Pmech = M ∙ ω = m ∙ g ∙ l ∙ 2 ∙ π ∙ n

Der Prüfstand ist so ausgerichtet, dass die statische Vorlast der Federwaage vernachlässigbar ist. Die Skalenteilung beträgt 5 g, es lassen sich aber auch ungefähr 1-g-Schritte ablesen.

Der Hebelarm der Federwaage ist über verschiebbare Widerlager frei wählbar. Das war zu Zeiten der alten Felgenläufer noch nicht notwendig. Die heutzutage aber stark variierende Antriebsleistung zwischen alten Seitenläufern und dem sehr leichtgängigen Magnic Light erzwingen dies aber. Der wirksame Hebelarm ist abhängig von dem Einfederweg und wird daher immer mitgemessen. Der Windzug des Laufrades drückt zusätzlich auf den Wägearm. Bei 50 km/h wird so ein Schleppmoment von ca. 6,47 Nmm erzeugt. Dies wird in den Rechnungen entsprechend berücksichtigt. Der Verlauf der Schleppleistung ist quadratisch angenommen:

PLuftzug = 3,05 W (v2 ÷ 502)

Mit v in [km/h].

Korrekter wäre wohl eine kubische Abhängigkeit:
F = c ∙ v2
P = F ∙ v = c ∙ v3

Die Geschwindigkeit des Laufrades wird mit einem alten Sigma BC900 gemessen. Die Geschwindigkeitsanzeige hat bei diesem Modell noch keine Nachkommastelle. Allerdings ermöglicht die Trittfrequenzanzeige, die Drehzahl des Laufrades auf ±1/min abzulesen.

Die Dynamos werden hier alle als Felgenläufer eingesetzt. Die elektrischen Lasten sind ohmsche Widerstände oder eine modifizierte Edelux-Elektronik. Als Widerstände für Kurzschlussmessungen werden 0,1 Ohm, als Standardtestlast für deutsche StVO-konforme Messungen 12 Ohm verwendet. Die Edelux-Elektronik ist wie folgt modifiziert:

  1. Der Goldcap (1 F; 5,5 V) ist durch einen Elko (1 mF 25 V) ersetzt. Dadurch wird schneller ein stationärer Messzustand erhalten.
  2. Die LED (Cree XR-E 7090) wird durch einen großen Rippenkühlkörper gekühlt.

Der Vorteil dieser Last ist: Es kann recht schnell beurteilt werden, ab welchen Geschwindigkeiten wirklich Licht vom Scheinwerfer ausgestrahlt wird. Die Edelux-Elektronik ist zudem mit der des weit verbreiteten Busch&Müller Cyo recht gut vergleichbar und sollte damit einen guten Teil des realen LED-Scheinwerfer-Sortiments abdecken. Eine DIN-33958-konforme Testlast für 1,5-W-Dynamos steht hier noch nicht zur Verfügung.

Für die elektrischen Messungen werden zwei GMC 29s für Spannung/Strom/Leistung bzw. Frequenz und Spannung verwendet. Für die Frequenz bzw. Kurvenform wird noch ein Voltcraft GDM 705 bzw. ein GBDSO (Gameboy-Digital-Oszi) herangezogen. Es gibt Kurvenformen, wo entweder das GDM und/oder das GMC die Frequenzen nicht richtig misst. Ein weiteres GMC 29s misst gegebenenfalls die Spannung über den Kaltleiter bei den Velogical Compact-Dynamos.

Die Magnic Lights sind elektrisch schwieriger zu vermessen. Die Beschaltung der hier vermessenen Magnic Lights besteht aus Spule, kurzen Kabeln und zwei antiparallel geschalteten LEDs. Dort ein Messgerät hinzufügen verändert des System schon deutlich. Um dies zu umgehen wird der Lichtstrom der LEDs gemessen. Dazu werden die LEDs eines Modells in einer Ulbrichtkugel platziert. Eine Ulbrichtkugel erlaubt recht einfach eine Bestimmung des Lichtstromes einer Lichtquelle über die Beleuchtungsstärke auf der Innenseite des Kugel. Es handelt ist um eine Hohlkugel, die innen mattweiß mit Bariumsulfat gestrichen ist. Ein Abschatter verhindert die direkte Anstrahlung des eingebauten Sensors durch die Lichtquelle. Genaueres zu diesem Messgerät lässt sich in diverser Sekundärliteratur nachlesen. Gemessen wird der Lichtstrom der LED ohne Optik. Mit montierter Optik kommt deutlich weniger Licht heraus, auf der Fahrbahn nutzbar ist mit den derzeit verbauten rotationssymmetrischen Linsen noch weniger!

Fehlerabschätzung

Die Drehzahl des Drehstrommotors wird mit dem Frequenzumrichter so eingestellt, dass die Abweichung der Drehzahl des Laufrades maximal ca. ±1 min–1 bei niedrigen Geschwindigkeiten beträgt und höchstens bis ±5 min–1 bei 50 km/h (entsprechend 393 min–1) vom Sollwert abweicht.

Der Hebelarm wird bei jedem Messwert miterhoben. Der Ablesefehler beträgt ±1,5 mm. Die gemessene Länge des Hebelarms variiert von etwa 127 mm (Magnic Lights) über ca. 180 mm (Velogical) bis hin zu etwa 247 mm bei den restlichen Dynamos.

Die Ablesegenauigkeit der Schleppmasse liegt bei niedrigen Schwingungen bei ca. ±1,5 g. Bei stark schwankenden Messergebnissen vergrößert sie sich auf ±3 g.

Die elektrischen Messgeräte sind mit einem frisch kalibrierten GMC 29s verglichen; die Abweichung ist kleiner als ±0,05 %.

Als Messfehler ergibt sich daraus im ungünstigsten Fall (Magnic Light):

Tabelle 1: Messfehler
n 5 ÷ 393 = 1,3 %
l 1,5 ÷ 127 = 1,2 %
m 1,5 ÷ 200 = 1 % (dymotec 6) bis
1,5 ÷ 15 = 10,5 % (Magnic Light bei 20 km/h)
R 0,4 %
U, P, I < 0,05 %
Pmech 12,7 % (im Extremfall beim MagnicLight)
Pel < 0,45 %

Den größten Einfluss auf die Messgenauigkeit hat die Messung der Schleppmasse. Diese wirkt sich bei niedrigen Geschwindigkeiten (<10 km/h) am stärksten aus. Bei höheren Geschwindigkeiten/Schleppmassen sind die Fehler vernachlässigbar und instationäre Effekte (Dynamoerwärmung) machen sich eher bemerkbar.

Messobjekte

Die beiden Velogical Compact kommen direkt vom Hersteller, der Dymotec S6 aus dem eigenen Fundus. Ein Magnic Light (Sport) wird von Jürgen Martens zur Verfügung gestellt. Die restlichen Testmuster stellt Andreas Oehler zur Verfügung.

Busch&Müller Dynotec

Von Busch&Müller sind zwei Dynamos im Test: Ein neuwertiger Dymotec 6 und ein älterer Dymotec S6.

Busch&Müller Dymotec 6

Der Dymotec 6 ist ein Klauenpolgenerator. Er dient hier als Referenz der besseren konventionellen Seitenläufer. Er hat keine Begrenzungsdioden eingebaut.

Bild 2: Dymotec 6
Busch&Müller Dymotec S6

Die Dymotec S6 (und S12) sind wie der Dynosys Lightspin keine normalen Klauenpolgeneratoren. Sie enthalten eine elektronische Regelung. S6 und Lightspin sind nicht mehr auf dem Markt bzw. nur noch antiquarisch zu erhalten.

Das hier verwendete Exemplar ist schon älter und hat diverse Kilometer, auch über 50 km/h, hinter sich. Es war aber die letzten Jahre nicht im Einsatz und wurde im Haus gelagert. Auf dem Prüfstand wird er mit der ersten Last (Edelux) bei 40 km/h schlagartig schwergängig – der Versuch muss abgebrochen werden. Bei einer Demontage stellt sich heraus, dass im Magnetkern eines der vier Segmente geplatzt ist und an den Spulen schleift.

Bild 3: Dymotec S6 mit geplatztem Rotor
AXA HR Traction

Der AXA HR Traction ist ein Klauenpolläufer. Er dient hier als zweite Referenz der besseren konventionellen Seitenläufer, ein weit verbreitetes, besseres Massenprodukt. Nachteilig beim AXA HR können die eingebauten Begrenzerdioden sein, die bei höheren Lastwiderständen, z. B. LED-Scheinwerfern, die Ausgangsspannung begrenzen und dadurch den Wirkungsgrad reduzieren.

Bild 4: AXA HR Traction
Dynosys Lightspin

Der Dynosys Lightspin ist ein recht voluminöser Dynamo mit Kugellagern und auf geringe Verluste optimiertem Generator. Er enthält eine elektronische Regelung. Auch er ist nicht mehr auf dem Markt. Nutzer berichteten häufig von durchrutschenden Reibrädern bzw. dort notwendigen Modifizierungen.

Bild 5: Dynosys Lightspin
Bild 6: geöffneter Lightspin
Velogical Compact

Die Compact-Dynamos von Velogical sind als Felgenläufer konzipiert. Sie sind verhältnismäßig klein und leicht. Es gibt drei Modelle: Sport (Stirnseite rot), Trekking (Stirnseite Alu natur) und Special (Stirnseite blau). Hier werden die Modelle Sport und Trekking vermessen.

Bei Betrieb eines Scheinwerfers an diesen Dynamos sollte unbedingt der mitgelieferte Kaltleiter/PTC, eine Halogenbirne mit 12 V/20 W, in Serie geschaltet, verwendet werden. Ansonsten sind die abgegebenen 11 W elektrische Leistung bei etwa 50 km/h für diverse Scheinwerfer grenzwertig oder jenseits der Spezifikationen.

Zum Laden von Akkus/Smartphone über ein Busch&Müller E-Werk o. ä. kann der PTC entfernt werden. Ob das USB- oder E-Werk mit den angebotenen Leistungen kompatibel ist wird hier nicht geklärt!

Bild 7: Velogcial Compact Innenaufbau

Vom Aufbau her sind die Velogical Compact Außenläufer mit 12 Polen um einen Stator mit neunpoligem Blechpaket wie bei einem Drehstrommotor. Das ist auch der Grund für die geringe Polfühligkeit bzw. den sanften Lauf.

Velogical Compact Sport

Der Velogical Sport hat etwas weniger Wicklungen als der Trekking und erreicht vergleichbare Spannungen/Leistungen deshalb erst bei etwas höheren Geschwindigkeiten.

Bild 8: Velogical Compact Sport
Velogical Compact Trekking

Der Velogical Trekking wird für niedrigere Geschwindigkeiten empfohlen, da er höhere Spannungen/Leistungen, also mehr Licht, bereits früher erreicht.

Bild 9: Velogical Compact Trekking
Magnic Light

Bei den Magnic Lights rotiert ein sechspoliger Magnetrotor, durch Wirbelströme in der sich vorbei bewegenden Felge angetrieben, in einer Spule. Es gibt unterschiedliche Versionen. Hier werden 2013er Modelle ohne weitere Elektronik untersucht. Der elektrische Kreis besteht nur aus eine Spule, zwei antiparallelen LEDs und den notwendigen Kabeln. Der Luftspalt zur Felge wird auf die von Magnic Light empfohlenen 3 mm eingestellt. Für eine orientierende Vergleichsmessung wird der Dynamo zusätzlich in einer Einstellung mit 0,2 mm Luftspalt gemessen. Die LEDs könnten von den Abmessungen her Cree XB sein.

Messtechnisch sind diese Dynamos eine Herausforderung. Die Schleppmassen sind selbst bei kleinen Hebelarmen sehr gering und der Luftzug des Laufrades macht sich verhältnismäßig stark bemerkbar. Insofern ist von einer vergleichsweise hohen Messunsicherheit auszugehen.

Bild 10: Magnic Light (komplett und geöffnet)
Magnic Light City

Das City-Modell hat etwas mehr Windungen als der Sport, daher einen höheren Innenwiderstand und mehr ohmsche Verluste. Aber es erzeugt früher Spannung/Licht als der Sport.

Magnic Light Sport

Der Magnic Light Sport hat etwas weniger Windungen als der City und erzeugt daher erst bei höheren Geschwindigkeiten Licht. Es stehen zwei Sport-Modelle für den Test bereit. Das von Jürgen Martens zusätzlich zur Verfügung gestellte Exemplar ist zwar nicht als Sport-Modell gekennzeichnet; nach den Messungen der Spule ist es aber ein solches. Dessen LEDs werden für die Lichtstrommessung in der Ulbrichtkugel verwendet.

Messergebnisse

Hier werden Wirkungsgrad, Ausgangsleitung und Antriebsleistung in Kurvenform angegeben. Die Kurven sind nicht geglättet. So werden Messausreißer bzw. unerwartetes Verhalten sichtbar.

Die Antriebsleistung ist die Leistung, mit der der Dynamo das Laufrad abbremst.

Die elektrische Leistung ist die elektrisch nutzbare Leistung des Dynamos. Im Falle der Velogical Compact mit PTC ist die Leistung des PTC nicht nutzbar.

Bild 11: Mechanische Leistung an einem Widerstand von 12 Ohm
Bild 12: Elektrische Leistung an einem Widerstand von 12 Ohm
Bild 13: Wirkungsgrad an einem Widerstand von 12 Ohm
Bild 14: Mechanische Leistung an einem 2,4-W-LED-Scheinwerfer
Bild 15: Elektrische Leistung an einem 2,4-W-LED-Scheinwerfer
Bild 16: Wirkungsgrad an einem 2,4-W-LED-Scheinwerfer
Bild 17: Lichtausbeute Magnic Light
Bild 18: Lichtstrom Magnic Light
Leistungsanpassung

Für die Velogical wird noch eine Leistungsanpassung durchgeführt, um die maximal mögliche Ausgangsleitung bei bestimmten Geschwindigkeiten ermitteln zu können. Für die ansonsten üblichen Klauenpol-Dynamos ist das schon mehrfach durchgeführt worden und die Theorie dazu im Artikel von W. Schmidt in der ersten Fahrradzukunft dargelegt. Für die besondere Bauform der Velogical-Dynamos gilt das nicht und wird hier stichpunktartig durchgeführt.

Als Last wird ein Zwei-Quadranten-Netzgerät (Agilent 66332S) hinter einem Brückengleichrichter aus vier Shottky-Dioden MBR2545 verwendet. Die Verlustleistung des Brückengleichrichters wird heraus gerechnet. Besonders bei hohen Strömen bricht die Ausgangsspannung der Dynamos ein. Der Spannungsabfall am Brückengleichrichter steigt aber mit dem Strom. Hier könnte mit einem aktiven Gleichrichter etwas mehr Nutzleistung heraus geholt werden, nur steigt der Schaltungsaufwand dadurch erheblich an.

Bild 19: Leistungsanpassung Velogical Compact Sport (ohne PTC)

Der Compact Sport hat bei 20 km/h und ohne PTC seine höchste elektrische Leistung bei ca. 0,7 A. An einem einfachen Brückengleichrichter stellt sich die maximale elektrische Leistung bei ca. 0,5 A ein.

Bild 20: Leistungsanpassung Velogical Compact Trekking (mit PTC) über Strom

Häufig ist auch eine Darstellung über den Lastwiderstand, nicht den Laststrom, anschaulich.

Bild 21: Leistungsanpassung Velogical Compact Trekking (mit PTC) über Lastwiderstand

Die maximale Leistung des Compact Trekking bei 30 km/h mit PTC stellt sich bei etwa 0,5 A ein. Dabei fällt schon ca. 1 W an den PTC ab.

Zusammenfassung

Eine Bewertung ist schwierig. Die Randbedingungen, unter denen die Dynamos wohl eingesetzt werden, sind dafür einfach zu unterschiedlich. Mit den hier vorgestellten Messungen ist aber ein näherer Vergleich möglich.

So werden Rennradfahrer wohl von dem Magnic Light begeistert sein, da dessen Antriebsleitung sehr niedrig ist. Allerdings sind die Angaben oben nur für ein Exemplar. Weil aber (für eine bessere Ausleuchtung und/oder als Rück-/Bremslicht) häufig zwei bis vier Magnic Light am Rad montiert werden, wird die benötigte Antriebsleistung entsprechend größer. Selbst dann ist diese allerdings immer noch kleiner als mit einem der anderen hier vermessenen Dynamos. Letztere ermöglichen andererseits aber auch eine deutlich bessere Fahrbahnausleuchtung.

Randonneure dürften von den hier vorgestellten Dynamos die Velogical Compact vorziehen. Bastlern bietet sich hier die Möglichkeit, bei schneller Fahrt viel Leistung zu entnehmen, um z. B. Akkus zu laden. Beim Anschluss von LED-Leuchten sollten aber selbst mit PTC vorab Gewährleistungsfragen geklärt werden: Bei schneller Fahrt sind die elektrischen Leistungen rasch zu groß für LED-Scheinwerfer.

Um einen finanziellen Vergleich zu ermöglichen sind die Preise mit dem des SON verglichen, bei den alten Modellen S6 und Dynosys mit den damals aktuellen SON-Preisen.

Von einer tabellarische Aufzählung von Wirkungsgrad/elektrischer Leistung/Spannung wird hier aus Gründen der Übersichtlichkeit abgesehen. Die Graphen oben sollten hinreichend genau sein um die Dynamos beurteilen zu können.

Tabelle 2: Kenndaten in Kurzform
Hersteller Busch&Müller AXA Dynosys Magnic-Light Velogical Compact
Modell Dymotec 6 Dymotec S6 HR Traction Lightspin City Sport Sport JM Trekking Sport
Zulassung 133 134 10892   - - - - -
m [g] 171 219 194 296 61 61+x 61+x 62+x 62+x
D_Reibrad [mm] 26,1 26,1 31 24,5 - - - 30,5 30,5
Polzahl 4 4 4 4 6 6 6 3/6 3/6
R_i [Ω] 2,20 3,02 1,94 2,00 15,80 11,07 11,50 4,60 4,66
L_i [mH] 4,46   3,80 0,35 6,08 4,71 4,91 1,08 1,15
R_s [Ω] 10,90   24,90 1,10 15,10 10,00 11,00 3,21 2,96
f_Rs [Hz] 1591,55
Q 4,09   1,53 3,21 4,03 4,71 4,46 3,36 3,87
Anschlüsse
(Scheinwerfer+Masse)
2+2 2+2 2+2 1+2 0 0 0 1+1 1+1
Stecker 2,8+Draht 2,8+Draht 2,8+Draht 2,8 - - - Draht Draht
Halter massefrei ja ja nein nein ja ja ja ja ja
Preis UVP [€] 42 80   90 79 79 79 150 150
Preis Straße [€] 28   15 80          
Preis SON [€] 199 145 199 145 199 199 199 199 199
Equivalent SON 0,21 0,55 n.b. 0,62 0,40 0,40 0,40 0,75 0,75

Zum Autor

Olaf Schultz, Maschinenbauingenieur, Hamburg-Harburg, renitenter Großstadtalltags- und Reiseradler, Gründungsmitglied der Fahrrad-AG der TUHH, Selbstbau von mehreren Liegerädern, seit längerem immer weiter in den Untiefen der Fahrradbeleuchtung versinkend.

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