Vergleichstest Nabendynamos welcher taugt als Minigenerator?

[Bernd]

Hallo Freunde

Heute kam das Paket mit zwei weiteren Nabendynamos an so das ich nunmehr 3 Modelle für einen
Vergleichstest zur Verfügung hatte. Diese Modelle habe ich heute einem Test unterzogen, der insbesondere
die mechanische Eignung (Haltemoment, Leerlaufmoment) dieser einfachen Generatoren für ein langsam drehendes
Miniwindrad heraus stellen sollte. (Sinnvolle Eignung für Windräder mit ca. 1/4 - 1/3 m²)

Es handelt sich um die Modelle SRAM I-Light D330, Shimano DH-3N20 sowie Shimano DH-3N71.



Die drei Modelle unterscheiden sich mechanisch zunächst mal in ihrem Gewicht und auch in der Achsausführung,
aber auch in ihrem Preis. Das Modell der Firma SRAM ist der schwerste Brocken mit ca. 850gr, dann folgt der
Shimano DH-3N20 und das leichteste Modell ist der Shimano DH-3N71. Der SRAM hat eine recht dicke Vollachse
mit dem deutschen "Fahrradgewinde FG 9,5". Der DH-3N20 besitzt ebenfalls eine Vollachse mit 9mm Durchmesser
und der DH-3N71 besitzt eine Hohlachse mit mitgelieferter Schnellspannkupplung.
Preislich liegen SRAM D330 und der Shimano DH-3N20 gleichauf. Sie sind im Ebaywunderland als Neuteil für
etwa 20 Euro plus Versand zu haben (Stand Februar 2009). Der Shimano DH-3N71 ist deutlich teurer und derzeit
nicht unter 40 Euro plus Versand zu haben.

Vor dem eigentlichen Test habe ich bei allen Modellen die Lager möglichst leichtgängig eingestellt, so das
für alle Probanten die gleichen Rahmendingungen herrschten. Nach einer längeren "natürlichen" Einlaufphase wäre
das evtl. auch ohne Eingriff irgendwann der Fall gewesen. Zusätzlich liess ich jeden Dynamo etliche Minuten in
der Ständerbohrmaschien einlaufen.

Ich ermittelte das Losbrechmoment, das Leerlaufmoment bei sehr geringer Drehzahl und bei ca. 850 U/min.
Für die mechanische Eignung als Generator in einem kleinen Windrad sind genau diese Werte entscheidend,
wobei der Wert für 850 U/min bei einer Drehzahl ermittelt wurde, die im Betrieb vielleicht nie auftreten wird.
Der Wert zeigt aber in welchem Maße die Verluste bei höheren Drehzahlen ansteigen werden.



Hier nun die Messergebisse:

SRAM I-Light D330
Losbrechmoment = ca. 0,135 Nm
Leerlaufmoment bei geringer Drehzahl = ca. 0,066 Nm
Leerlaufmoment bei hoher Drehzahl = ca. 0,32 Nm

Shimano DH-3N20
Losbrechmoment = ca. 0,106 Nm
Leerlaufmoment bei geringer Drehzahl = ca. 0,045 Nm
Leerlaufmoment bei hoher Drehzahl = ca. 0,144 Nm

Shimano DH-3N71
Losbrechmoment = ca. 0,125 Nm
Leerlaufmoment bei geringer Drehzahl = ca. 0,045 Nm
Leerlaufmoment bei hoher Drehzahl = ca. 0,064 Nm

Erstaunlicherweise ist das Losbrechmoment beim günstigen Shiamano DH-3N20 am geringsten. Das sorgt
für ein frühzeitiges Andrehen des Windrades bei relativ wenig Wind. Der SRAM D330 und der Shimano DH-3N71
liegen in dieser Disziplin nur wenig auseinander, der DH-3N71 liegt hier noch etwas besser als der SRAM.

Die Messwerte zeigen das der SRAM ab dem Überwinden des Losbrechmomentes enorme Leerlaufverluste erzeugt.
Das spürt man selbst dann schon wenn man den Generator von Hand dreht. Der Unterschied zu den Shimanos
ist auch ohne Messgerät, einfach nur per Hand, deutlich spürbar. Dies ist ein deutlicher Nachteil des SRAM D330 der
dadurch ständig Rotorleistung in seinem Inneren in nutzlose Wärme umsetzen würde.

Bei den Leerlaufverlusten bei geringer Drehzahl liegen beide Shimanos gleichauf, der SRAM hat leider auch dort schon
ca. 40% höhere Verluste als die beiden Shimanos aufzuweisen, welche sich bei weiterer Drehzahlerhöhung noch deutlich
vergrössert. Bei den Leerlaufverlusten bei höheren Drehzahlen siegt mit enormen Abstand der Shimano DH-3N71, der
nur die Hälfte der Verluste des Shimano DH-3N20 und sogar lediglich 1/5 (!) der Verluste des SRAM aufweist, welcher
in dieser Disziplin sehr schlecht abschneidet. Hier haben die Shimano Entwickler beim DH-3N71 ganze Arbeit geleistet.

Resumee :
Bezieht man den Preis in die Schlussbewertung mit ein, dann geht der günstige Shimano DH-3N20 als klarer Sieger
aus diesem Vergleichstest hevor, nicht zuletzt auch wegen seinem geringen Losbrechmoment das für ein frühzeitigen
Start des Windrades sorgt. Der Shimano DH-3N71 ist der klare Sieger sobald das Windrad erstmal angedreht hat.
Die Leerlauferluste die innerhalb des Shimano DH-3N71entstehen sind erstaunlich niedrig. Hier hat der Hersteller
wirklich nicht zuviel versprochen. Der SRAM D330 muss sich mit dem letzten Platz zufrieden geben. Liegt sein
Losbrechmoment noch im erträglichen Rahmen, so sind seine Leerlaufverluste bei allen Drehzahlen viel zu hoch.
Die Siegerkrone des Preis/Leistungsverhältnisses gebührt dem Shimano DH-3N20. Wer nicht so sehr auf den Preis
gucken muss oder ein günstiges Angebot findet, wählt den Shimano DH-3N71.

EDIT: Ein paar Interessante Links : viewtopic.php?f=2&t=124
viewtopic.php?f=8&t=113

Grüsse

Bernd

[jb79]

Eine Frage zu den Drehmomenten: ist das Meßgerät da bei allen Nabendynamos im selben Abstand zum Mittelpunkt gewesen oder hast du das dann entsprechend ausgerechnet. Auf den Bildern scheints mir nämlich so, als hätten die einzelnen Dynamos unterschiedliche Durchmesser bis zu den Speichenlöchern.

[Bernd]

Die Unterschiede der Abstände von Speichenlochmitte zur Dynamoachsenmitte lagen zwischen
3,8cm und 4,1cm, also weniger als es vielleicht im Bild ausschaut. Trotzdem habe ich die
3mm Differenz in der Berechnung der Werte berücksichtigt.

Grüsse

Bernd

[Bernd]

Bisher herrscht hier anscheinend kein so grosses Interesse an kleinen Generatoren aber ich kann das gut verstehen.
Bis vor kurzen empfand ich die Leistung eines Nabendynamos auch als zu gering, selbst für ein kleines Windrad.
Heute aber bin ich überzeugt, das der Nabendynamo für ein kleines langsam laufendes Experimentierwindrad
eine absolut ideale Kombination darstellt. Es ist ein traumhafter Generator für kleine Leistungen bei
extrem geringen Drehzahlen und ausserdem auch noch bezahlbar und von Haus aus wetterfest und er kann
auch noch gleich die Lagerung des Rotors mit übernehmen.

Durch einen netten User (Knuffi) aus meinem Wlan Forum angeregt, habe ich ein paar kleine elektrische Tests
durchgeführt. Als erstes erfolgte ein Test bei 850 U/min mit kurzgeschlossenen (!!) Generatorausgang.
Jeder elektrisch versierte würde nun annehmen das ich den Dynamo kaum mehr festhalten konnte,
denn die Bremsleistung müsse ja enorm zunehmen. Aber weit gefehlt. Bei den meisten Nabendynamos
sinkt ab einer bestimmten Geschwindigkeit (oft um 100 - 150 U/min) die Aufnahmeleistung dramatisch
wenn man dem Dynamo viel Leistung abnimmt bzw im Extremfall den Generator sogar kurz schliesst.
Ich habe Messwerte anzubieten.

Drehmoment bei 850 U/min und kurzgeschlossenen Dynamo

SRAM D330 = 0,201 Nm (ohne Kurzschluss 0,320 Nm)
Shimano DH-3N20 = 0,063 Nm (ohne Kurzschluss 0,144 Nm)
Shimano DH-3N71 = 0,071 Nm (ohne Kurzschluss 0,064 Nm)

Es ist wirklich erstaunlich das sich die mechanische Aufnahmeleistungen ab einer bestimmten Drehzahl trotz Kurzschluss
verringert. Beim Fahrrad führt das dazu das man (je nach Dynamo) ab ca. 15 Km/h mit eingeschalteten Licht
leichter fährt als ohne Licht, also als ohne Belastung des Dynamos. Kaum zu glauben aber dennoch wahr.

Ich habe dann aus einem Nabendynamo und einem einzelnen Cansteinflügelblatt meines 50cm 3 Flüglers einen einfachen
1 Flügel Rotor mit ca. 70cm Durchmessser gebaut. Hier mal ein Foto vom einfachen Versuchsaufbau (ohne Gegengewicht)

.

Es folgte ein erster Test mit dem Shimano DH-3N20.
Selbst unter diesen primitiven Bedingungen und mit nur einem Flügel ausgestattet (statt 2 oder 3) drehte das Windrad
nach einem kleinen Anschubbser selbst bei Ventilatorstufe 1 ohne Stromentnahme seine Runden. Unter Belastung
musste ich dann die Ventilatoren schon eine Stufe höher schalten. Ich konnte folgende Werte ermitteln:

Drehzahl bei Ventilatorstufe 1 (ohne Belastung) = ca. 20 U/min
Drehzahl bei Ventilatorstufe 3 (ohne Belastung) = ca. 60 U/min
unbelastete Spannung bei Ventialtorstufe 3 = 5,0V
Anzahl von in Reihe geschalteter DUO-Leds die ich damit zum leuchten bringen konnte = 4 Stück

Es folgte ein zweiter Test unter gleichen Bedingungen mit dem Shimano DH-3N71. Gleich vorab gesagt,
war das Ergebnis vom Shimano DH-3N20 schon gut, dann toppte der DH-3N71 das ganze nochmal erheblich.
Ergebnisse mit dem DH-3N71:

Drehzahl bei Ventilatorstufe 1 (ohne Belastung) = ca. 45 (!!) U/min
Drehzahl bei Ventilatorstufe 3 (ohne Belastung) = ca. 70 U/min
unbelastete Spannung bei Ventialtorstufe 3 = 6,3V
Anzahl von in Reihe geschalteter DUO-Leds die ich damit zum leuchten bringen konnte = 6-7 Stück

Ein kurzes Video das den Versuchsaubau zeigt. Das komische "Pumpen" der LED-Beleuchtung ist in der
Realität nicht vorhanden, dort leuchten sie andauernd. Es mag mit der Frequenz mit der die Cam die
einzelnen Videobilder schiesst zusammen hängen.

http://www.daswindrad.de/videos/lowcost_7leds.avi

Zusammen fassend kann ich sagen das der DH-3N71 wirklich ausgesprochen gut in der Kombination mit
einem kleinen C- Rotor harmoniert. Er hat von meinen Prüfmustern die weitaus geringsten Verluste
was ihn sehr früh sehr schnell drehen lässt und damit auch sehr früh zu einer relativ hohen
Spannungsabgabe führt. Einfach fantastisch. So wird aus sehr wenig Wind schon nutzbare Energie
um z.B. den 6V Akku für eine Garten Solarlampe zu laden.
Der nur halb so teure Shimano DH-3N20 ist auch gut geeignet, erreicht aber nicht die Spitzenwerte des
mindestens doppelt so teuren DH-3N71.

Beste Grüsse

Bernd

[Carl von Canstein]

Hallo Bernd!
Das ist wirklich ein erstaunliches Ergebniss! Zumal der Fluegel an diesem Modell fuer einen Einfluegler zu schmal ist und so weniger als 50% der Leistung eines Dreiflueglers bringt! Vermutlich hast Du den Fluegel auch so belassen, wie er bei 50cm Durchmesser gekruemmt sein muss, was bei einem 70 cm Durchmesser Fluegel doch nachteilig zu Buch schlagen muss!
Man stelle sich vor, wieviel mehr Drehzahl und damit Leistung mit einem Dreifluegler mit nur 50-60cm Durchmesser erzielt werden kann! Ich vermute, dass sogar der Einfluegler, wenn da der Fluegel richtig optimiert ist, ebenfalls mit weniger Rotordurchmesser auskommen koennte.
Zwar spielt der hoehere Bauaufwand eines Dreiflueglers bei einem so kleinen Rotor kaum eine Rolle, aber da bei groesseren Rotoren dann doch der Bauaufwand, Wartung und Reparatur sehr viel groesser sein koennen, ist es sehr gut, dass Du den Versuch am kleinen Modell mit dem improvisierten Einfluegler gemacht hast. Zumal mein Versuchslauf ueber 5Jahre mit einem noch nicht optimierten im Durchmesser 2,4m grossen Rotor auf Gran Canaria ein gutes Laufverhalten und Stabilitaet zeigen konnten. Bei so grossen Fluegeln kann ein einzelner Fluegel in Windrichtung ausgerichtet abgebremst und festgestellt werden, wenn mal Sturm ist. Bei mehr Fluegeln geht das ja nicht, ich befuerchte, wenn der Sturm von hinten in einen wie beim durchstroemten Fluegel offenen Hinterbau einwirken kann, dass dann der riesige Wirkungsgrad dieses Konzeptes zerstoererische Kraefte entwickeln kann. Ich stelle mir vor, das ein Rotor mit mehreren Fluegeln ab einer groesseren Bauweise von 3-4m Durchmesser auch im abgebremsten Zustand nicht mehr sicher ist, was bei einem Einfluegler noch beherrscht werden kann.
Gruss, Carl

[Bernd]

Erstaunlich finde ich vor allen, das selbst bei dieser geringen Drehzahl schon eine Spannung
von über 6V erreicht wird. Trotz gesetzlich vorgeschriebenen Knick in der Spannungskurve eines
Dynamos steigt diese mit zunehmender Drehzahl dennoch weiter an. Auch lässt sich durch Reihenschaltung
mit einem Kondensator dieser Knick ab einer bestimmten Drehzahl teils eliminieren, so daß dann
bei erhöhter Drehzahl vielleicht sogar 12V Anwendungen denkbar sind. Ebenso liegt die Leistungsabgabe dann
nicht mehr bei 3W sondern wesentlich höher und damit in einem Bereich der gut zu einem kleinen Windrad
passt Das mit dem Kondensator teste ich nachher mal. Denkbar auch, das man zwei dieser Dynamos
koppelt und deren Spannung (nach Gleichrichtung) in Reihe schaltet, was einen extrem frühen Zeitpunkt
des erreichens der 12V Ladegrenze bedeuten würde. Ich bin wirklich sehr gespannt auf den praktischen
Einsatz dieser Generatoren denen ich mittlerweile viel mehr zutraue als noch vor ein paar Wochen.

Grüsse

Bernd

[Carl von Canstein]

@Bernd and to whom it concerns!
Der Gedanke einer Kopplung zweier oder noch mehr Miniwindraeder sagt mir sehr zu. Da in vielen Gaerten kaum Platz fuer ein groesseres Windrad ist oder optisch zu sehr ins Gesichtsfeld rueckt, ist eine Loesung mit mehreren sehr kleinen aber doch hochgradig ertragreichen Windraeder mit gutem (bestem) Wirkungsgrad eine sehr atraktive Idee. Man denke an Solarzellen, die ja auch gekoppelt werden koennen und so eine gute Moeglichkeit der individuellen Anordnung an Orten wo sich der Platz dafuer anbietet ermoeglichen. Ich nehme allerdings an, dass Wirkungsgrade und Anschaffungskosten bei unserem Windrad mit optimalem Nabendynamo selbst beim teuersten Dynamo noch guenstiger als Solarzellen sein koennten, vorausgesetzt natuerlich, man hat ein gutes Jahresmittel an Windintensitaet. In dieser Hinsicht unterschaetzen viele ihre Moeglichkeiten. Es ist niemals damit getan, die teuerste Anlage mit den besten Leistungsdaten anzuschaffen oder zu bauen, man muss sich vorher immer danach orientieren, welche natuerlichen Energiequellen vorhanden sind und in welcher Quantitaet ueber den laengeren Zeitraum in allen Jahreszeiten. Ich hatte schon in Gran Canaria mit kleinen Modellen gearbeitet, aber nachdem jetzt von Bernd dem Fantastischen der ideale Generator gefunden zu sein scheint, kann man nun wirklich davon ausgehen, dass hier ein lohnender Ansatz gefunden wurde.
Gruss, Carl

[Bernd]

Oh Carl, das ist von Dir eine neue Idee die ich auch gut finde. Ich dachte nämlich daran zwei dieser kleinen
Generatoren in einem Windrad zu verbauen, was ja auch möglich wäre. Zwei oder mehrere Windräder
spannungsmässig zu koppeln, also Reihenschaltung der gleichgerichteten Spannungen, ist für dieses
Projekt eines bewusst klein und einfach gehaltenen Windrades auch ne gute Idee. Übrigens könnten wir deine
"Diodensparschaltung" bei diesem Projekt auch zur Anwendung bringen. So könnte man mit dem DH-3N71
auf diese weise schon bei der super langsamen Drehzahl von kaum mehr als 1U/sek einen 12V Akku laden,
(der aus zwei 6V Blöcken besteht) das ist wiederum "fantastisch".

Ich fahr jetzt mal nach Conrad und kaufe ein paar Schottky Dioden.

[Bernd]

So ich habe 4 Schottky Dioden vom Typ " MBR 745 " zu einem Brückengleichrichter zusammen gelötet.
Ich habe dann an den Ausgang dieses Brückengleichrichters einen 4700µF Kondensator angeschlossen
und daran wiederum 6 in Reihe geschaltete LEDs.

Sehr zu meinem Erstaunen konnte ich am Kondensator eine Spannung von etwa 9,3V messen und die
LEDs leuchteten auch fleissig. Die Rotordrehzahl war dabei ca. 50 U/min. Der Wert für die Stromstärke
lag mit 6 LEDs bei ca. 5mA mit stark steigender Tendenz sobald ich eine LED weniger benutzte.
Des Rätsels Lösung warum die Spannung so hoch war scheint zu sein, das die Generatoren gesetzlich
bedingt auf eine Belastung mit 12 Ohm ausgelegt sind. (12 Ohm bei 6V = 3W) Meine "Belastung" per
Leuchtdioden ist jedoch viel hochohmiger und deshalb erreicht die Spannung schon bei relativ geringen
Drehzahlen schon so hohe Werte.

Ich glaub ich such mir mal ein paar Mignonakkus und teste mal wie sich das dann so macht.

Grüsse

Bernd

[Tobi]

Hi Bernd,

Der Grund warum die Spannung gleichgerichtet so hoch ist liegt in der Tatsache begründet das
die Aktion selbige um den Faktor Wurzel 2 also ca. 1,41 erhöht. Warum das genau so ist entzieht
sich meinem bescheidenen Intellekt.
Das mit dem Akkuladen (zumindest Blei) wirst Du Dir aber leider abschminken müssen. Die haben
einen so niedrigen Innenwiderstand das die erzeugte Spannung gnadenlos einbrechen wird. Dafür
brauchts schon einen Generator mit höchstens 0,5 Ohm je Phase. Das ist auch der Grund warum
es so schwierig ist geeignete Generatoren für niedrige Drehzahlen zu finden. Um eine niederohmige
Wicklung zu bekommen muß der Leiter entweder sehr dick, oder sehr kurz sein. Sehr dick heist
dickes Kabel oder mehrere nebeneinander. Sehr kurz geht nur wenn die Frequenz erhöht wird.
Und das geht nur über die Drehzahl oder die Anzahl der Pole.
Und das wiederum ist ein klassisches Dilemma, das läßt sich nur mit Geld an einer der entspechenden
Stellen lösen.

Aber dafür hat ein Gott ja die LEDs erfunden, und sie irgendwann dann auch so superhell gemacht.
Das meinte ich neulich mit Gartenbeleuchtung.
Hast Du schon mal was von SuperCUPs gehört?. Das sind Kondensatoren mit enorm hoher Kapazität,
bis zu mehreren Farad. Die sind nicht groß und auch nicht sonderlich teuer. Man darf sie nur nicht mit
zu hoher Spannung belasten. Die müßte also irgendwie begrenzt werden. Aber als Pufferspeicher
eigentlich ideal.

Gruß
Tobias