Fahrrad zur Stromerzeugung: Funktionsweise und Typen

Eine gute Fahrradbeleuchtung trägt erheblich zur Sicherheit im Straßenverkehr bei. Für die meisten ist ein guter Fahrraddynamo dabei unverzichtbar. Ein Fahrraddynamo ist ein kleiner elektrischer Generator. Er wird oft auch einfach Dynamo genannt, doch korrekterweise ist es eigentlich eine Fahrradlichtmaschine.

Geschichte des Fahrraddynamos

Ein Fahrraddynamo war bis 2013 an jedem Fahrrad eine Pflicht, doch seine Geschichte ist noch viel älter. Der deutsche Ingenieur Werner von Siemens gilt als Begründer der modernen Elektrotechnik. 1867 stellte er auf der Pariser Weltausstellung einen elektrischen Stromgenerator vor. Doch erst über zwanzig Jahre später kam ein Modell auf den Markt, das eine Fahrradlampe mit ausreichend Licht versorgen konnte und dabei erschwinglich war.

Aufbau und Funktionsweise

Die Fahrradlichtmaschine (fälschlicherweise wird meist Dynamo dazu gesagt) stellt eine hübsche Anwendung des Innenpolgenerators dar. Ein Laufrad ist über eine Welle mit einem runden Permanentmagneten verbunden. Innen im Gehäuse befinden sich Spulen, die mit diesem Gehäuse fest verbunden sind. Der runde Permanentmagnet kann sich innerhalb dieser Spulen drehen. Aufgrund seines Aufbaus (Induktionsspulen ruhend, felderzeugender Magnet rotiert) ist ein Fahrraddynamo ein Innenpolgenerator.

Wird das Laufrad durch eine Feder an den Reifen gedrückt, so wird es bei Bewegung des Rades in Umdrehungen versetzt. Damit rotiert der Permanentmagnet vor den Spulen und führt zu einer Änderung des von den Spulen umschlossenen Magnetfeldes. Nach dem Induktionsgesetz wird dadurch in den Spulen eine Spannung induziert. Sie beträgt bei einem Fahrraddynamo bei normaler Fahrt etwa 6 V, die elektrische Leistung einige Watt. Das ist ausreichend, um den Scheinwerfer (meist Glühlampe mit 2,4 Watt Leistung) und Rücklicht zu betreiben.

Insgesamt wird in einem Fahrraddynamo mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Diese Energie muss durch den Radfahrer mit aufgebracht werden. Das bedeutet: Beim Fahren mit Licht muss eine etwas größere Energie zum Bewegen des Fahrrades aufgewendet werden als beim Fahren ohne Licht.

Der Fahrraddynamo besteht aus mehreren Komponenten. Von außen ist vom Dynamo nur das Gehäuse zu sehen und obenauf ein Laufrad. Dieses wird mit einer Feder zum Beispiel an den Gummimantel des Reifens gedrückt. Je fester der Fahrradfahrer in die Pedale tritt, umso schneller läuft das Rad und damit auch das Laufrad des Dynamos.

Dabei wird die Bewegungsenergie beim Treten in mechanische Energie und diese anschließend in elektrische Energie umgewandelt. Das Laufrad des Fahrraddynamos ist wiederum mit einem Rundmagneten verbunden. Im Gegensatz zu anderen Magneten hat dieser nicht nur je einen Nord- und Südpol, sondern insgesamt vier oder sogar sechs Pole. Der runde Magnet sitzt in einer Spule aus gewickeltem Draht. Sie ist fest mit dem Gehäuse des Fahrraddynamos verbunden. Durch die Drehbewegung des Laufrades rotiert auch der Magnet in der Spule. Dort erzeugt er eine Veränderung des Magnetfelds. Durch Rotationsenergie entsteht elektrische Spannung.

Bei normaler Geschwindigkeit beträgt die Spannung in einem Fahrraddynamo etwa sechs Volt, die elektrische Leistung ungefähr drei Watt. Das reicht aus, um Scheinwerfer und Rücklicht zum Leuchten zu bringen.

Ganz wesentlich ist nämlich der Eisenkäfig in welchen die Spule eingebaut ist. Würde man diesen ausbauen und den Magneten- so wie oben gesagt - nur in der Spule rotieren lassen, würde man fast keine Spannung erhalten. In dem aus den acht Eisenstreifen gebildeten Käfig rotiert ein Magnet, der vier Nord- und vier Südpole besitzt. Bei Rotation des Magneten ändert sich also ständig die Richtung des Magnetfeldes, welches die Spule durchsetzt.

Typen von Fahrraddynamos

Zwar funktionieren alle Dynamos nach dem gleichen Prinzip, doch es gibt verschiedene Typen. Fachleute unterscheiden beim Fahrraddynamo danach, wo er angebracht ist und wie er angetrieben wird.

• Seitenläuferdynamo: Der Seitenläuferdynamo ist der klassische Fahrraddynamo.
• Felgendynamo: Beim Felgendynamo handelt es sich um eine spezielle Form des Seitenläuferdynamos. Wie der Name schon verrät, trifft dieser Dynamo nicht auf den Reifen, sondern auf die Felge.
• Rollen- oder Walzendynamo: Eine andere Variante des Seitenläuferdynamos ist der Rollen- oder Walzendynamo. Bei diesem Modell wird nicht nur das Laufrad gedreht. Stattdessen rollt ein zylinderförmiger Außenläufer auf der Lauffläche des Hinterrades. Darum sitzt der Rollendynamo meist hinter den Pedalen an der Mittelstange. Er wird mit Hilfe eines Bowdenzuges vom Lenker aus bedient.
• Speichendynamo: Auch beim Speichendynamo deutet die Bezeichnung die Funktionsweise an. Um die Fahrradlampe zum Leuchten zu bringen, muss der sogenannte Mitnehmer umgelegt sein. Die Speichen treiben den Fahrraddynamo dann an.
• Nabendynamo: Den Nabendynamo gibt es schon seit 1913, doch seinen Siegeszug trat er erst ab den 1980er Jahren an. Seither gilt er als der beliebteste Fahrraddynamo. Auch vom Nabendynamo gibt es verschiedene Varianten. Doch allen ist gemein, dass dieser Dynamo statt der herkömmliche Nabe im Vorderrad eingesetzt wird. Damit ist der Nabendynamo witterungsunabhängig.

Der Nabendynamo im Detail

Nabendynamos sind Wechselstromgeneratoren. Das heißt, sie wandeln mechanische Energie, also Bewegung, in elektrischen Strom um. Die Bewegung kommt in diesem Fall vom Vorderrad deines Bikes. Sie überträgt sich auf einen Permanentmagneten. Dreht sich dieser nun um den sog. Stator, fließen Elektronen. Je schneller die Drehung, desto mehr Strom wird erzeugt. Nun muss der Dynamo nur noch per Kabel mit einer Lichtquelle verbunden werden.

Anders als bei Seitendynamos mit Rädchen erzeugt ein Nabendynamo keine Reibung. Zwar entsteht ein gewisser Widerstand durch das Magnetfeld. Dieser ist jedoch so schwach, dass er beim Fahren kaum auffällt.

Standardmäßig erzeugen Nabendynamos 6 V Spannung. Dieser Wert schwankt - je nachdem, wie schnell du unterwegs bist. Die meisten Nabendynamos bringen es auf eine Leistung von 3-4 Watt. Daneben gibt es kleinere, leichtere Dynamos mit 2,5 oder 1,5 Watt. Diese eignen sich, wenn du kleine LED-Lampen antreiben willst.

Vor- und Nachteile von Nabendynamos

Vorteile:

• Autarke Stromversorgung ohne Batterien oder Akkus
• Minimale Kraftanstrengung beim Fahren
• Robustes Design, geschützt vor Nässe, Schmutz und Staub
• Möglichkeit, Smartphones mit zusätzlichen Komponenten aufzuladen

Nachteile:

• Aufwändige Reparaturen im Falle eines Defekts
• Begrenztes Standlicht im Vergleich zu akkubetriebenen Lampen
• Höheres Gewicht als Akku-Lampen

Wie man ein Smartphone mit einem Nabendynamo auflädt

Der Strom eines Nabendynamos wird meist für die Beleuchtung genutzt. Doch lässt sich damit auch ein Smartphone, ein Tablet oder eine Powerbank aufladen? Die Antwort: Ja, das geht. Es dauert nur eine gewisse Zeit.

Nehmen wir an, dein Smartphone besitzt einen 5.000 mAh-Akku. Durchschnittlich zieht das Ladegerät 25 Watt aus der Steckdose. Nabendynamos erzeugen gerade einmal 3 bis 4 Watt - heißt: Bei normaler Fahrweise kann es 9 Stunden dauern, bis der Akku komplett geladen ist. Das schreckt dich nicht ab? Dann benötigst du noch folgende Dinge:

• Nabendynamo (mind. 3 Watt)
• USB-Anschluss
• Spannungswandler/Netzteil
• Puffer-Akku

Nabendynamo nachrüsten

Nicht alle Fahrräder sind mit einem Nabendynamo ausgestattet. Um das gute Stück nachzurüsten, kommen zwei Möglichkeiten infrage:

1. Das ganze Laufrad wechseln
2. Nur die Nabe austauschen

Egal, ob du nur die Nabe oder das komplette Laufrad wechselst - zum Schluss musst du noch die Beleuchtung anschließen. Dafür fädelst du die beiden Kabelenden passend in die Öffnungen des Steckers, baust diesen zusammen und verbindest ihn mit dem Dynamo. Die Rückleuchte wird per Kabel direkt mit der Frontleuchte verbunden.

Dynamo vs. Batteriebetriebene Beleuchtung

Im Gegensatz zu Leuchtmitteln mit Batterien oder Akkus hat der Fahrraddynamo den Vorteil, dass er immer einsatzfähig ist. Es gibt keine leere Batterie, die dich plötzlich im Dunkeln stehen lässt. Die meisten Dynamos funktionieren dabei auch unabhängig vom Wetter.

Mittlerweile sind jedoch Akkus und Batterien erhältlich, welche helle LED-Lampen über viele Stunden hinweg mit Strom versorgen können. Wenn Sie lieber am Fahrrad ein Batterielicht beziehungsweise einen Akku anstelle von einem Dynamo anschließen wollen, dürfen Sie dies gerne machen.

Für viele Radfahrer ist jedoch der mechanische Antrieb ein echter Nachteil. Wer nicht besonders fit ist, kann oft nicht stark genug in die Pedale treten, um ausreichend Licht zu erzeugen. Gerade bergauf ist das ein echtes Problem.

Gesparte Rückleitung beim Fahrrad

An vielen Fahrrädern ist zu erkennen, dass vom Dynamo nur jeweils eine Leitung zur Lampe verlegt ist. Die meisten Fahrradrahmen bestehen aus Metall, sind also gute Leiter. Der Dynamo ist mit einer Schraube am Fahrradrahmen befestigt. Gleiches gilt für die Lampen. Der Rahmen, sofern er aus einem leitenden Material besteht, kann eine Leitung des Stromkreises ersetzen. Der Stromkreis wird hier über den Rahmen geschlossen.

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