SON20

Seit Oktober 1998 ist eine neue 20''-Version des SON lieferbar (unter ~~~ K165 zugelassen für Laufraddurchmesser von 394 bis 528mm). Diese kann eingespeicht geöffnet werden. Zum eventuellen Lagerwechsel wird einfach die Patrone inklusive Generatorstator herausgeschraubt und an Schmidt eingeschickt. Da die Nabenteile auf der Patrone verpreßt und nicht verschraubt sind sollte das wirklich bei Schmidt und nicht in Eigenarbeit geschehen; Schmidt hat die speziellen Werkzeuge und Vorrichtungen. Dasselbe gilt auch bei den alten Versionen, die aber am besten ausgespeicht zum Lagerwechsel eingeschickt wird. Das Nabengehäuse ist aus der Alulegierung 6012 (AlMgSi).

Der 20''-SON hat seit Ende Frühling 1999 auch eine Zulassung und wurde vom LTI mit 69% Wirkungsgrad gemessen.

Der hier getestete SON20 wurde direkt bei Schmidt gekauft. Er ist nagelneu und Lager und Dichtungen sind noch nicht richtig eingelaufen. Dies führt noch zu etwas schlechteren Wirkungsgraden.

Tabelle 2.32: Meßwerte SON20

n	v	$R_{\mbox{\footnotesize a}}=0,8\,\mbox{M}\Omega$		$R_{\mbox{\footnotesize a}}=0,1\,\Omega$		$R_{\mbox{\footnotesize a}}=12\,\Omega$		$R_{\mbox{\footnotesize a}}=24\,\Omega$		$R_{\mbox{\footnotesize a}}=29,4\,\Omega$
[1/min]	[km/h]	$U$	$P_{\mbox{\footnotesize m}}$	$I$	$P_{\mbox{\footnotesize m}}$	$U$	$\eta$	$U$	$\eta$	$U$	$\eta$
48	4,23	3,85	0,13	0,53	0,98	2,85	67,11	3,32	68,61	3,42	68,58
80	7,06	6,41	0,27	0,56	1,34	4,18	67,51	5,27	72,03	5,5	71,31
125	11,03	10,45	0,51	0,59	1,74	5,51	68,03	7,78	74,83	8,31	75,98
160	14,11	12,89	0,74	0,6	2,08	6,01	64,03	9,01	71,06	9,73	72,16
250	22,05	20,95	1,39	0,61	2,88	6,75	59,62	11,59	70,83	13,09	72,89
250	22,05	20,29	1,49	0,61	2,88	6,77	59,97	11,59	70,83	13,07	72,67
315	27,78	25,8	2,05	0,62	3,51	6,99	54,74	12,48	67,15	14,37	68,52
500	44,1	42,3	4,18	0,64	5,3	7,37	46,37	13,85	61,41	16,42	63,64
800	70,56	67,9	10,71	0,65	9,67	7,59	33,27	14,61	49,01	17,57	52,29
1600	141,12	132,1	32,43	0,66	19,93	7,81	20,84	15,29	32,74	18,51	35,61

Eine Eigenfrequenz des Auslegers für $J_{\mbox{\footnotesize z}}$ liegt bei 12501/min, deswegen hierfür keine Meßdaten.

In der Tabelle 2.33 sind die Meßwerte vom SON20 aus Tabelle 2.32 in eingefahrenen Zustand nach ca. 1000km aufgeführt. Diese Meßwerte sind die ersten, die auf dem MufuZ (s. S. ) bestimmt werden.

Tabelle 2.33: Meßwerte SON20 (eingefahren)

n	v	$R_{\mbox{\footnotesize a}}=0,8\,\mbox{M}\Omega$		$R_{\mbox{\footnotesize a}}=0,1\,\Omega$		$R_{\mbox{\footnotesize a}}=12\,\Omega$		$R_{\mbox{\footnotesize a}}=24\,\Omega$
[1/min]	[km/h]	$U$	$P_{\mbox{\footnotesize m}}$	$I$	$P_{\mbox{\footnotesize m}}$	$U$	$\eta$	$U$	$\eta$
114	10	10	0,68	0,59	1,49	5,5	69,97	7,5	71,09
143	12,5	12,5	0,85	0,6	1,52	6	66,37	8,9	72,86
172	15	14,5	0,95	0,6	2,14	6,3	63,38	10	72,55
229	20	20	1,45	0,61	2,89	6,7	58,8	11,5	70,14
343	30	29,3	2,55	0,62	3,96	7,1	52,82	13	64,26
458	40	40,3	4,42	0,63	6,13	7,3	46,48	13,8	62,27
686	60	58,8	7,91	0,65	7,91	7,6	36,01	14,6	52,65

Die Geschwindigkeit ist mit einem Laufradumfang von 1457mm gerechnet.

Mit den Erkenntnissen von Ralf Kuszmierz wird im ersten Versuch eine Kapazität von 500µF gewählt. Hier wird die Kapazität C durch zwei, antiseriell geschaltet polarisierte Elkos 35V/1000µF, folglich mit $C_1=0,5$mF, dargestellt.^2.46 Die Meßwerte sind in der Tabelle 2.34 wiedergegeben. Betrachtet man das System als Serienschwingkreis, so wäre nach der Resonanzbedingung (Formel (2.32)) bei 12,5km/h$\hat{=}$20,8Hz eine Kapazität von $C_2=1,67$mF notwendig:

$$\omega L = \frac{1}{\omega C}$$ (2.32)

$$C = \frac{1}{4 \pi^2 f^2 L}$$ (2.33)

mit der gewünschten Frequenz $f$ und der Induktivität $L$ des Dynamos, hier der SON20 aus der Tabelle 2.61. Mit einem derart großen $C_2$ wird keine zufriedenstellende Spannungsüberhöhung erzielt (vgl. Bild 2.24).

Tabelle 2.34: Meßwerte SON20 mit und ohne Serienkapazität)

n	v	$R_{\mbox{\footnotesize a}}=12\,\Omega$		$R_{\mbox{\footnotesize a}}=12\,\Omega+C_1$		$R_{\mbox{\footnotesize a}}=24\,\Omega$		$R_{\mbox{\footnotesize a}}=24\,\Omega+C_1$
[1/min]	[km/h]	$U$	$\eta$	$U$	$\eta$	$U$	$\eta$	$U$	$\eta$
57	5	3,5	66,2	2,5	27,21	4,26	71,1	3,54	27,74
92	8	4,95	69,77	5,45	69,27	6,43	74,99	6,6	73,56
114	10	5,49	76,18	6,7	71,2	7,65	81,89	8,19	81,11
143	12	5,96	71,83	7,57	71,84	8,9	80,09	9,82	79,54
172	15	6,31	69,33	7,71	70,57	9,97	78,68	11,04	79,59
229	20	6,75	66,11	7,61	64,83	11,45	75,54	12,35	74,7
286	25	6,93	62,72	7,52	61,12	12,39	72,9	13,19	72,9
343	30	7,11	58,95	7,52	56,81	13,01	66,18	13,65	69,52
458	40	7,38	53,35	7,55	52,18	13,84	67,01	14,11	65

Das Bild 2.23 zeigt den Verlauf von Wirkungsgrad und Spannung sowie den Spannungsgewinn durch den Serienkondensator.

Bild 2.23: Spannung und Wirkungsgrad vom SON20 ohne und mit Serienkondensator

Besonders in den Bereichen kleiner Geschwindigkeit wird deutlich mehr elektrische Leistung zur Verfügung gestellt. Der Wirkungsgrad bleibt ungefähr gleich, d.h. es ist mehr mechanische Leistung aufzubringen. Über dem Serienkondensator fallen hier bis zu $7\,\mbox{V}_{\mbox{\footnotesize eff}}$ ab. Bei Schrittgeschwindigkeit (Schieben) ist der Serienkondensator kontraproduktiv, bei niedrigen Geschwindigkeiten zwischen ca. 10km/h bis 20km/h liegt ein deutlicher Gewinn vor.

Bild 2.24: Spannungsüberhöhung

Wenn die niedrige Spannung bei Schrittgeschwindigkeit toleriert wird, dann ist die Spannungsüberhöhung ist bei einem $k$-Wert von 1,68 zufriedenstellend. Daraus ergibt sich für einen Lastwiderstand von 24 eine Kapazität von $C_3=143$µF.

Vorerst abschließend: Auch durch einen Serienkondensator kann man aus einem Klauenpolgenerator nicht mehr Strom entnehmen als $I_{\infty}$, nur halt früher als ohne. Dies führt z.B. bei diesem SON20 dazu, daß schon ab 25km/h an 24 ziemlich genau 15,2V eingehalten werden, sprich 0,63A. Der Knackpunkt in der realen Leistungsoptimierung liegt jetzt darin, Lampen für diese Betriebsbedingungen von ca. 7,6V/0,63A und eng tolerierter Fadenlage zu ergattern. Bei Philips und OSRAM^2.472.48 und ist der Autor bisher nicht fündig geworden. Je nach, fertigungsbedingt streuender Strom, Dynamo muß man sich den Strom selber ausmessen.

Die folgenden drei SON20 wurden im Rahmen eines Artikels für die ProVelo im April 2003 vermessen.^2.49 Den Artikel hat Andreas Oehler geschrieben, erschienen ist der dann in der zweite Ausgabe der FahrradZukunft (www.fahrradzukunft.de)^2.502.51

Tabelle 2.35: Meßdaten SON20

f	v	$R_{\mbox{\footnotesize a}}=1\,$M		$R_{\mbox{\footnotesize a}}=0,1\,\Omega$		$R_{\mbox{\footnotesize a}}=12\,\Omega$		$R_{\mbox{\footnotesize a}}=24\,\Omega$
		$U$	P_m	$I$	P_m	$U$	$\eta$	$U$	$\eta$
[Hz]	[km/h]	[V]	[W]	[A]	[W]	[V]	[%]	[V]	[%]
SON20 1
23,6	10	8,68	0,60			4,99	65,82
47,1	20	17,57	1,50			6,43	56,83
70,8	30	26,3	2,74			6,91	49,22	12,38	62,34
118	50	44,3	5,80	0,627	6,80	7,21	38,49
SON20 2
23,6	10	8,7	0,60			5,01	65,82
47,1	20	17,5	1,50			6,41	56,83
70,8	30	26,3	2,74			6,85	49,22	12,33	62,34
118	50	44,1	5,80	0,619	6,80	7,21	38,49
SON20 3
23,6	10	8,75	0,69			4,97	62,38
47,1	20	17,55	1,74			6,39	55,12
70,8	30	26,3	3,05			6,85	47,78	12,27	60,32
118	50	44,3	6,32	0,619	7,38	7,20	37,94

Als Laufraddurchmesser werden 486 mm angenommen.

An einem weiteren SON20 wird eine Leistungsanpassung durch Veränderung des Lastwiderstandes vorgenommen. Anbei die Rohdaten für diejenigen, denen die daraus entstanden Diagramme nicht genug sind. Die Schleppmassen sind in Gramm bei 200mm Hebelarm angegeben! Der in der letzten Spalte angegebene Widerstand ist nur als Richtwert anzusehen. Maßgeblich ist eher $R=U/I$.

Tabelle 2.36: Leistungsanpassung SON20

$f=27$Hz			$f=50$Hz			$f=70$Hz			$f=100$Hz
$U$	$I$	$m$	$U$	$I$	$m$	$U$	$I$	$m$	$U$	$I$	$m$	R
[V]	[A]	[g]	[V]	[A]	[g]	[V]	[A]	[g]	[V]	[A]	[g]	[]
0,154	,9259	207	0,129	,7708	100	0,118	,6982	75	0,114	,6674	65	0,17
1,025	,8643	215	0,904	,7555	110	0,821	,6952	82	0,787	,6652	68	1,17
2,02	,7981	220	1,927	,7568	125	1,759	,6908	92	1,691	,6618	75	2,52
3,44	,702	217	3,647	,7402	150	3,365	,6816	107	3,237	,656	85	4,87
4,00	,6617	217	4,41	,7312	160	4,09	,6774	115	3,933	,6531	90	6,0
4,86	,5986	210	5,76	,7111	175	5,43	,6678	125	5,26	,6476	100	8,05
5,53	,5437	205	7,01	,6870	190	6,71	,6573	140	6,56	,6416	107	10,15
6,07	,4949	195	8,09	,6612	195	7,88	,6435	150	7,80	,6368	118	12,1
6,81	,4395	177	9,42	,6194	200	9,51	,6241	162	9,52	,627	130	15,1
7,65	,3451	150	11,57	,5232	197	12,68	,5727	180	13,27	,6003	150	22,1
8,46	,2518	118	13,58	,4044	172	16,29	,4845	182	18,42	,5482	168	33
9,02	,1895	95	14,90	,312	142	18,92	,3944	165	23,05	,4795	176	47
9,45	,1365	75	15,96	,2295	115	20,99	,3017	142	27,23	,3911	165	69
9,70	,1087	65	16,52	,1853	100	22,03	,2474	123	29,38	,3312	155	89
9,97	,0732	52	17,23	,1251	80	23,39	,1719	100	32,25	,2374	127	137

Bild 2.25: Leistungsanpassung SON20

Für eine Maximierung der Ausgangsleistung muß also der Strom auf ca. 400-450mA begrenzt werden. Der Wirkungsgrad liegt dann bei bis zu 75%. Der Lastwiderstand wird dann etwas zwischen 10-50 variiert werden müssen. Mit einer einzelnen 12-Last, wie die StVZO es vorsieht, ist da also nicht viel zu holen. Hier greifen dann wieder LEDs ein: Bei niedrigen Strömen ist ein hoher Widerstand vorhanden (vgl. Seite ), bei hohen Strömen ein niedriger Widerstand. Dieses Verhalten ist dem vom Glühlampen (vgl. Seite ff.) entgegengesetzt. Damit wird auch klar, warum LED-Scheinwerfer bei niedrigen Geschwindigkeiten Glühlampen i.A. überlegen sind.

Und wenn man zu dem Meßaufbau für Bild 2.25 noch einen Serienkondensator mit 330µF hinzufügt, so ergibt sich Bild 2.26

Bild 2.26: Leistungsanpassung SON20 mit 330µF Serienkondensator

Die maximal entnehmbar Leistung steigt, der Bereich, in dem Leistung abgeben wird, wird gestreckt. Der Wirkungsgrad steigt unwesentlich, aber der Dyanamo wird ,,elastischer``. Allerdings sollte man diese Maßnahmen nicht mit einer HS3-Glühlampe als Last durchführen. Die Lebensdauer wird wohl stark reduziert. Mit LEDs o.ä. wird man aber durchaus mehr Licht herausholen können. Allderdings, von nicht's kommt nichts, muß diese Leistung auch ertreten, besser erbracht, werden.

Der direkte Vergleich der Messungen, hier nur für die Leistungen und Wirkungsgrade, ergibt dann Bild 2.27. Notwendige Lastwiderstände bitte den obigen Bildern entnehmen. Ja, ich weiß, Papier hat zu wenig Dimensionen:-(

Bild 2.27: Leistungsanpassung SON20 ohne und mit 330µF Serienkondensator