Wirkungsgrad und Leerlaufverluste von Nabendynamos

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.

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 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)

* 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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