Wirkungsgrad und Leerlaufverluste von Nabendynamos

13. November 2012

Neben Gewicht und Haltbarkeit sind Wirkungsgrad und Leerlaufverluste von Nabendynamos die wohl wichtigsten Eigenschaften, die maßgeblich darüber entscheiden, ob ein Nabendynamo als gut oder schlecht anzusehen ist. Nicht jedem sind Wirkungsgrad und Leerlaufverluste ein Begriff und häufig gibt es Unklarheiten bei der Einschätzung von Messergebnissen von Wirkungsgrad und Leerlaufverlust.

Der Wirkungsgrad von Nabendynamos

Nabendynamos erzeugen nicht aus dem Nichts Strom, auch wenn sich das teilweise fast so anfühlen mag. Jeder Nabendynamo setzt der Drehung des Laufrades einen gewissen Widerstand entgegen. Er “verbraucht” also mechanische Leistung und erzeugt dafür elektrische Leistung. Da der Wirkungsgrad eines Nabendynamos niemals 100% beträgt, ist die aufzubringende mechanische Leistung stets größer als die entnehmbare elektrische. Berechnen kann man den Wirkungsgrad folgendermaßen:

Leider sind mechanische und elektrische Leistung eines Nabendynamos und damit auch der Wirkungsgrad nicht konstant. Sie hängen ab von der Drehgeschwindigkeit des Rades (also der Fahrgeschwindigkeit) und dem elektrischen Verbraucher, sprich der Fahrradbeleuchtung.

Wichtig bei der Bestimmung des Wirkungsgrades ist es also, immer mit dem gleichen Beleuchtung zu messen und die Messung bei verschiedenen Geschwindigkeiten zu wiederholen.

In Tests wird statt dem Wirkungsgrad häufig die mechanische Leistung von Nabendynamos bei verschiedenen Geschwindigkeiten angegeben. Mit dem Wissen, dass die elektrische Leistung etwa 3 W beträgt (bei höheren Geschwindigkeiten eher etwas meht), kann man den Wirkungsgrad mit o.g. Formel selbst abschätzen.

Leerlaufverluste von Nabendynamos

Was ist aber nun wenn der Fahrradscheinwerfer ausgeschaltet ist, also dem Nabendynamo keine elektrische Leistung entnommen wird? Der Wirkungsgrad des Nabendynamos ist dann Null, egal welche mechanischen Verluste der Nabendynamo verursacht. Denn auch wenn dem Nabendynamo keine elektrische Leistung entnommen wird, entstehen Verluste: die Leerlaufverluste. Auch eine normale Radnabe hat durch Reibung Verluste, Leerlaufverluste eines Nabendynamos sind aber höher, da im enthaltenen Generator prinzipbedingt weitere Verluste entstehen (v.a. durch Ummagnetisierung).

Auch die Leerlaufverluste eines Nabendynamos sind übrigens wie der Wirkungsgrad geschwindigkeitsabhängig. Je höher die Geschwindigkeit, desto größer die Leerlaufverluste.

verfügbare Tests von Nabendynamos

Wie hoch sind denn nun der Wirkungsgrad und die Leerlaufverluste gängiger Nabendynamos? Selbst habe ich keine Messungen durchgeführt, aber man wird auch im Netz fündig. Hier mal eine kurze Zusammenfassung von Tests, in denen Wirkungsgrad und Leerlaufverluste von Nabendynamos gemessen wurden.

getestete Nabendynamos (Auswahl)
Aktiv Radfahren 1-2/2005 Shimano DH-3N30, DH-3N70
Aktiv Radfahren 1-2/2009 Shimano DH-T660, DH-S501, DH-3D72, SRAM i-Light D7, SON 28
Aktiv Radfahren 9-10/2010 SRAM i-Light D3 und D7, Sturmey Archer X-FDD, Shimano DH-3N80 und DH-T665, SON 28 und delux
Fahrradzukunft Ausgabe April 2012 Shimano DH-3N80, SON 28 und delux, SP HB011 (ähnlich Supernova Infinity 8), SP PV-8 (ähnlich Supernova Infinity S)

Auch einige noch ältere Tests sind verfügbar, aber da die dort getesteten Nabendynamos entweder ohnehin nicht mehr verfügbar sind oder in späteren Tests ebenfalls getestet wurden, lasse ich diese mal weg.

Interessant ist auch der Test von Fahradzukunft April 2012: die hier getesteten Modelle von Shutter Precision werden laut Aussage in Fahrradzukunft mit leicht verändertem Äußerem und verbesserten Dichtungen von Supernova auf dem deutschen Markt angeboten. Es ist nicht eindeutlig klar, ob die Ergebnisse wirklich auf die Supernova-Nabendynamos übertragbar sind, aber vielleicht kann man sie als erstes Indiz nehmen.

Wer möchte, der schaue sich die Tests nun mal an. Wem das zu lange dauert, der findet weiter unten im Artikel auch eine kurze Zusammenfassung. Aber jetzt gehts zur Interpretation der Zahlen, denn die ist recht wichtig.

Interpretation der Zahlen

Was sagen einem die Zahlen denn jetzt? Grob gesagt bringt man eine bestimmte Leistung auf die Pedale und bringt nach einigen Verlusten im Antrieb einen großen Teil davon auf die Straße. Ein Teil davon wird aber nun direkt wieder vom Nabendynamo geschluckt. Man könnte also mal schauen, welche Leistung man auf die Straße bringt. Davon zieht man dann die mechanische Leistung des Nabendynamos ab und hat die verbleibende Leistung, die zum Fahren, bzw. zum Überwinden der Fahrwiderstände zur Verfügung stehen. Und aus dieser kann man über die Fahrwiderstandsgleichung direkt die Geschwindigkeit die man damit erreicht berechnen. Tut man das zweimal, weiß man wie viel langsamer man durch den Nabendynamo wird.

Ich möchte hier jetzt nicht mit Gleichungen um mich werfen, sondern empfehle einfach folgendes Tool. Dort einfach mal den Fahrradtyp auswählen, die aufgezogenen Reifen und das eigene Gewicht, und mal eine Leistung vorgeben (als Anhaltspunkt: 100 W gemütliches Fahren, 150 W zügiges Fahren, 200 W sportliches Fahren). Danach die Leistung um den Betrag reduzieren, den der Nabendynamo schluckt, und schauen, wie sehr die angezeigte Geschwindigkeit sinkt. Oder man zieht nur die Leistung ab, die ein Nabendynamo weniger benötigt als der andere, wenn man zwei Dynamos vergleichen will.

Beispiel: mit dem SON 28 ist man 0,1 km/h schneller als mit dem DH-3N80

Der SON 28 hat bei ausgeschaltetem Licht Leerlaufverluste von ca. 0,7 W bei 20 km/h und 1,4 W bei 30 km/h. Der deutlich billigere Shimano DH-3N80 dagegen 1,5 und 2,6 W. Bei 20 hm/h verliert man mit diesem also 0,7 W Antriebsleistung und 1,2 W bei 30 km/h. Wie viel langsamer wird man dadurch?

Fährt man mit dem SON 28 20 km/h, erreicht man mit dem DH-3N80 nur 19,9 km/h. Bei 30 km/h ist der Geschwindigkeitsverlust ebenso groß (zwar ist dort der Verlustunterschied größer, aber das Mehr an Leistung was man für höhere Geschwindigkeiten aufgrund des exponentiell überproportional zunehmenden Luftwiderstandes braucht auch).

Wie sieht der Unterschied bei eingeschaltetem Licht aus? Nicht viel größer, denn der Unterschied in der mechanischen Leistung zwischen beiden Dynamos ist hier ähnlich. Wäre der Wirkungsgrad das einzige Kriterium, würde nicht allzuviel für den deutlich teureren SON sprechen. Allerdings sollte man auch Robustheit, 5 Jahre Garantie und ein besseres Dichtungssystem mit in seine Rechnung einbeziehen. Das Gewicht kann man – außer wenn es darum geht das Rad die Treppe hochzutragen – übrigens noch stärker vernachlässigen als den Wirkungsgradunterschied. Einfach mal im Rechner ausprobieren, was ein paar 100 g weniger Gewicht für eine höhere Geschwindigkeit bringen.

Völlig ignorieren sollte man Wirkungsgrad und Leerlaufverluste jedoch keinesfalls. Es gibt Nabendynamos, deren Leerlaufverluste insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten stark ansteigen. Mit dem Sturmey Archer X-FDD oder dem älteren Shimano HB N X32 verliert man bei 30 km/h beispielsweise rund 0,3 km/h gegenüber dem SON. Nicht dramatisch, aber auf langen Strecken macht sich das schon bemerkbar.

tabellarische Zusammenfassung vorhandener Testergebnisse

(Geschwindigkeiten jeweils bezogen auf 28 Zoll Rad)

Wirkungsgrad Leerlaufverluste
20 km/h 30 km/h 20 km/h 30 km/h
Shimano DH-3N30 / DH-3N20 55% ? ? 3,5 W
Shimano DH-3N72 / LX DH-T660 / Alfine DH-S501 55% 45% 1,5 W 2,4 W
Shimano DH-3N80 / XT DH-T780 55% 45% 1,5 W 2,4 W
SP HB011/PV-7 (Supernova Infinity 8?) 40% 50% 0,1 W* 0,2 W*
SP PV-8 (Supernova Infinity S?) 60% 55% 1,0 W 1,7 W
SON 28 60% 55% 0,7 W 1,3 W
SON delux 65% 60% 0,7 W 1,3 W
SRAM D3 55% 45% 2,5 W 4,4 W
SRAM D7 60% 50% 2,4 W 4,1 W
Sturmey Archer X-FDD 50% 40% 4,2 W 7,4 W

* im mechanisch ausgeschaltetem Zustand, eingeschaltet 1,5 W und 1,8 W

Anbei noch einige Hinweise. Messungen sind grundsätzlich niemals ganz genau. Zusätzlich unterliegen die Exemplare eines Dynamotyps in der Regel auch gewissen Streuungen. Und zusätzlich habe ich die Daten weitestgehend aus Diagrammen abgelesen, was nochmal zusätzliche Ungenauigkeiten bringt. Die in der Tabelle angegebenen Zahlen sollten also nur als grober Richtwert angesehen werden – Tendenzen sieht man aber trotzdem.

Die beiden angegebenen Nabendynamos von Shutter Precision (in Deutschland schwer erhältlich) werden wohl ähnlich für Supernova und als Infinity in Deutschland vertrieben. Ob man die Werte für Wirkungsgrad und Leerlaufverluste vergleichen kann, ist nicht ganz klar, aber naheliegend.

Ich hoffe diese kleine Zusammenfassung kann ein Stück dazu beitragen, sich für den passenden Nabendynamo zu entscheiden.

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Kommentare [11]

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— DrEvil13 · 5. April 2017, 16:33 · #

Danke erstmal für die Mühe.

Was leider immer wieder falsch angegeben wird ist die Angabe der Komplexität. Falls die Leistung, die zur Überwindung des Luftwiderstandes nötig ist, exponentiell, also wie e^v, mit der Geschwindigkeit steigen würde, wäre dies fürwahr fürchterlich. Die Exponentialfunktion wächst bekanntermaßen schneller als jedes Polynom!

Die Natur hat uns leider keinen “linearen” Zusammenhang zwischen Luftwiderstand und Geschwindigkeit gegönnt, also doppelte Geschwindigkeit doppelte Leistung, sondern nur einen polynomialen, hier einen kubischen, aber dankenswerterweise keinen “exponentiellen”. Für die dopplete Geschwindigkeit muss daher die achtfache Leistung aufgebracht werden; P(v) ~ v^3 => P(2*v) ~ 2^3 * v^3 = 8 * v^3. Dies ist Mühsal genug.

PS: Bei einer exponentiellen Steigerung wäre dies P(v) ~ e^v => P(2*v) ~ e^(2*v) = (e^v)^2 = e^v * e^v

Anmerkung des Seitenbetreibers: Danke für den Hinweis, dass der Luftwiderstand exponentiell steigt ist tatsächlich falsch. Habe aus dem exponentiell mal ein überproporional gemacht...

Stefan | Fahrradbeleuchtung-Info · 18. August 2014, 11:39 · #

Danke für den Erfahrungsbericht Jens!
Ich vermute allerdings trotzdem, dass der Unterschied in der Praxis kaum zu bemerken sein wird. Auf der anderen Seite, so teuer ist das Ding ja nun wirklich nicht…

Falls du in deinem Dauertest Erkenntnisse erlangst, würde ich mich über einen weiteren Kommentar freuen :)

— Jens · 17. August 2014, 22:44 · #

Ich habe mir gerade einen Shimano 3n20 durch den Shutter Precision SP-V8 ersetzt. Das ist ein Unterschied wie Tag und Nacht, wenn man das Rad mit der Hand durchdreht. Man kann sich fast nicht vorstellen, dass das nur so wenig ausmachen soll, der Shimano bremst das Rad komplett runter, beim SP läuft es schön rund weiter.
Außerdem ist der SP leichter und die Optik ist top. Den SP gibts mittlerweile für 74€. Ab nächster Woche teste ich im Dauerbetrieb, jeden Tag 30KM.

Stefan | Fahrradbeleuchtung-Info · 31. Juli 2014, 14:44 · #

Hallo Sascha:

Busch & Müller wirbt für seinen Dynmotec 6 mit einem Wirkungsgrad von 40%. Das dürfte wohl in etwa das obere Ende für Seitenläuferdynamos darstellen. Also ein gutes Stück unter den schlechteren Nabendynamos.

Trotzdem dürfte der Unterschied realistisch betrachtet nicht fühlbar sein. Erst bei deutlich schlechteren Seitenläufern sollte man dann einen fühlbaren Unterschied zum Nabendynamo haben. Die wirklich gravierenden Nachteile von Seitenläufern sind eher das Durchrutschen bei Nässe, Geräusche, sowie Abnutzung von Laufrolle und Reifen.

— sascha · 31. Juli 2014, 13:33 · #

Hallo mich würde mal interessieren wie die Nabendynamos im vergleich zu normalen abschneiden, gibt es dazu auch infos?

— Fietser · 29. Januar 2014, 16:38 · #

@Campa
Habe heute meinen Shimano 3N72 erhalten und war doch ein bissel erschrocken wie schwer sich die Achse drehen lässt^^. Aber man muss sich das ganze ja mit dem großen Hebel des 28er Rads vorstellen…,

Hatte ich mir fertig eingespeicht bestellt und fand alles zusammen auch sehr schwergängig. Habe dann aber das Lager neu eingestellt (nur ca 15° an der Lagerschraube gedreht) und anschließend lief das Rad fast so leicht wie ohne Dynamo.

— Schimmf · 9. Januar 2014, 14:32 · #

Problem gelöst…

ich habe festgestellt, dass das Gehäuse des Rücklichts komplett metallisiert ist und somit immer Masse hat, wenn es angeschraubt ist; somit kann Zweidraht nicht funktionieren.
Habe jetzt das Massekabel isoliert aus dem Rücklicht herausgeführt – jetzt geht auch das Rücklicht aus, wenn der Scheinwerfer ausgeschaltet wird.

Gruss,
FS

Fahrradbeleuchtung Info · 18. August 2013, 13:02 · #

@Campa:

freut mich, dass der Artikel bei der Auswahl geholfen hat! Der 3N72 ist übrigens auch meine Wahl. Wenn man auf das Beste vom Besten verzichten kann, hat der einfach ein unschlagbares Preis-Leistungs-Verhältnis.

Als ich das erste mal einen Nabendynamo uneingebaut in der Hand hatte, habe ich mich übrigens genauso gewundert, wie schwergängig das Ding ist. Gerade wenn man die Achse langsam mit der Hand dreht, muss man erstmal die Magnetpole überwinden. Bei großen Drehzahlen fällt dieser Effekt nicht mehr so stark auf.

— Campa · 15. August 2013, 22:51 · #

Vielen Dank für deine Recherche,

sie hat mir sehr bei der Auswahl geholfen.
Habe heute meinen Shimano 3N72 erhalten und war doch ein bissel erschrocken wie schwer sich die Achse drehen lässt^^. Aber man muss sich das ganze ja mit dem großen Hebel des 28er Rads vorstellen…,

also vielen Dank nochmal!

Fahrradbeleuchtung Info · 18. November 2012, 19:19 · #

@MS:

danke für den Hinweis, da habe ich geschlafen. Natürlich muss es elektrische / mechanische Leistung sein… wird sofort geändert!

— MS · 18. November 2012, 01:35 · #

Interessanter Artikel! Aber die Definition des Wirkungsgrads ist falsch herum. Es muss elektrische / mechanische Leistung sein.