Motor als Generator: Strom aus dem Fahrraddynamo

Motor und Generator: eine Maschine, zwei Richtungen

LEIFIphysik, das Physikportal des FWU Instituts für Film und Bild, beschreibt das Generatorprinzip als praktisch die Umkehrung des Motorprinzips. Im Motor wirkt auf einen Leiter im Magnetfeld eine Kraft, weil ein Strom durch ihn fließt. Im Generator ist es andersherum: Eine äußere Kraft bewegt den Leiter durch das Magnetfeld, und dadurch fließt in ihm ein Strom. Diesen Vorgang nennt man Induktion.

Hinter beiden Richtungen steht dieselbe Kraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld, die Lorentzkraft. Sie wandelt nach LEIFIphysik elektrische Energie in Bewegungsenergie um – oder Bewegungsenergie in elektrische Energie. Deshalb lässt sich im Prinzip jeder Motor mit Dauermagnet auch als Generator betreiben.

Eine Folge spürst du sofort in den Beinen. Sobald Strom fließt, erzeugt der Induktionsstrom nach der Regel von Lenz eine Gegenkraft zur äußeren Kraft. Ein Dynamo ohne Last dreht sich fast leicht, mit eingeschalteter Lampe tritt es sich schwerer. Die Energie kommt nicht aus dem Nichts, sondern aus deinen Muskeln.

Wie eng beides zusammenhängt, zeigt sogar die Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung. Für Pedelecs erlaubt § 67 Absatz 7 StVZO, dass die Beleuchtung am Antriebsakku hängt, wenn nach dem Abschalten noch mindestens zwei Stunden Licht bleiben – oder wenn „der Antriebsmotor als Lichtmaschine übergangsweise benutzt werden kann“. Der Motor wird dann zum Dynamo.

Der Fahrraddynamo: Magnet, Spule, Wechselspannung

Der klassische Seitenläufer arbeitet nach LEIFIphysik so: Die Reibung am Reifen dreht ein kleines Antriebsrad. Mit ihm dreht sich ein Dauermagnet zwischen einem U-förmigen Eisen, auf dem eine Spule sitzt. Der rotierende Magnet erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das in der Spule eine Wechselspannung induziert.

Zwei Eigenschaften folgen daraus. Erstens liefert der Dynamo Wechselspannung, keinen Gleichstrom – für eine Glühlampe ist das gleichgültig, für einen Akku nicht. Zweitens hängt die Spannung von der Drehzahl ab: Je schneller du fährst, desto schneller wechselt das Feld und desto höher steigt die Spannung. Im Stand liefert ein Dynamo nichts.

Weil der Magnet ein Dauermagnet ist, muss sich das Magnetfeld nicht erst beim Drehen aufbauen; LEIFIphysik betont, dass der Fahrraddynamo deshalb ohne das sogenannte dynamoelektrische Prinzip der Selbsterregung auskommt. Das macht ihn robust: Er funktioniert nach Jahren im Keller noch, solange Lager und Kabel in Ordnung sind. Der Nabendynamo arbeitet nach demselben Prinzip, sitzt aber geschützt in der Vorderradnabe und schleift nicht am Reifen.

3 Watt bei 6 Volt: was die Vorschrift verlangte

Bis Mai 2017 schrieb § 67 Absatz 1 StVZO vor, dass Fahrräder für Scheinwerfer und Schlussleuchte ausgerüstet sein müssen mit „einer Lichtmaschine, deren Nennleistung mindestens 3 W und deren Nennspannung 6 V beträgt“. Daneben waren eine 6-Volt-Batterie oder ein Akku zugelassen. Diese Zahlen findest du auf vielen älteren Dynamos und Lampen.

Seit dem 1. Juni 2017 nennt das Gesetz keine Wattzahl mehr. Heute heißt es nur, Fahrräder brauchen eine Lichtmaschine, eine Batterie, einen wieder aufladbaren Energiespeicher oder eine Kombination daraus, und die Nennspannung der Quelle muss mit der Spannung der Lampen „verträglich“ sein. Der Deutsche Städte- und Gemeindebund gibt die Begründung wieder: Batterie- und Akkulicht biete grundsätzlich das gleiche Sicherheitsniveau wie der Dynamo.

Für die Planung bleiben die alten Werte ein guter Anhalt. 3 Watt sind wenig. LEIFIphysik ordnet in seiner Tabelle alltäglicher Leistungen einen Dynamo in der Größenordnung von 1 Watt ein und einen Menschen in der von 100 Watt. Diese Lücke erklärt, warum ein Dynamo das Treten kaum erschwert – und warum er nur kleine Verbraucher versorgt.

Was sich mit 3 Watt laden lässt

Die Rechnung aus dem Artikel „Strom verstehen“ gilt auch hier: Energie ist Leistung mal Zeit. Ein Dynamo mit 3 Watt liefert bei gleichmäßiger Fahrt in einer Stunde höchstens 3 Wattstunden. Ein eigenes Rechenbeispiel mit einem angenommenen Akku von 10 Wattstunden: Rechnerisch brauchst du über drei Stunden Fahrt, in der Praxis länger, weil Umwandlung und Ladeelektronik Energie kosten und du nicht die ganze Zeit schnell genug fährst.

Damit ein Dynamo einen Akku laden kann, muss seine Wechselspannung erst gleichgerichtet und dann auf eine gleichmäßige Spannung geregelt werden – egal ob du schnell oder langsam fährst. Das übernehmen fertige USB-Lader für Nabendynamos oder Scheinwerfer mit eingebautem Ladeausgang. Solche Geräte sind die richtige Wahl; eine Schaltung aus Einzelteilen lohnt sich nur, wenn du Elektronik wirklich beherrschst.

Gut geeignet sind Verbraucher, die wenig brauchen und lange durchhalten: Fahrradlicht, eine LED-Taschenlampe mit Akku, Mignon- oder Micro-Akkus in einem passenden Ladegerät, ein Mobiltelefon im Stromsparbetrieb. Ungeeignet sind alle Geräte, die Wärme erzeugen – Wasserkocher, Heizlüfter, Kochplatte. Ihr Bedarf liegt um ein Vielfaches über dem, was ein Dynamo oder ein Mensch hergeben.

• Leistung ablesen: Dynamo in Watt, Akku in Wattstunden (Ah × V = Wh).
• Ladezeit überschlagen: Wattstunden ÷ Watt – und großzügig aufschlagen.
• Nur über einen fertigen Lader mit Gleichrichter und Regler laden.
• Tagsüber auf ohnehin nötigen Fahrten laden, nicht eigens dafür treten.

Treten statt fahren: wie viel ein Mensch leistet

Ein Fahrrad auf einem Ständer, das statt eines Dynamos einen größeren Generator antreibt, ist die naheliegende Idee. Die Grenze setzt nicht die Technik, sondern der Körper. LEIFIphysik ordnet die Leistung eines Menschen in die Größenordnung von 100 Watt ein; wie lange jemand eine bestimmte Leistung halten kann, hängt stark vom Trainingszustand ab.

Ein eigenes Rechenbeispiel: Wer eine Stunde lang mit 100 Watt tritt, gibt 100 Wattstunden mechanische Energie ab. Generator, Gleichrichter und Ladeelektronik nehmen davon einen Teil, im Akku kommt weniger an. Das reicht, um mehrere Telefone oder Lampenakkus zu laden – und ist zugleich weniger, als ein einziges Wärmegerät in einer Viertelstunde verbraucht, wenn es mehr als 400 Watt aufnimmt.

Deshalb ist Muskelstrom eine Ergänzung, keine Versorgung. Die Tagesarbeit eines Menschen deckt die kleinen, wichtigen Verbraucher: Licht, Radio, Kommunikation. Wie viele Wattstunden eine Powerstation speichert und was Solarmodule dazu beitragen, steht im Artikel „Powerstation und Solar“. Ein Solarmodul arbeitet ohne Muskelkraft, sobald die Sonne scheint; ein Tretgenerator lohnt sich vor allem nachts und im Winter.

Alte Motoren als Generator – nur das Prinzip

Weil Motor und Generator dieselbe Maschine sind, taugen viele ausgebaute Motoren als Stromquelle. Am einfachsten sind kleine Gleichstrommotoren mit Dauermagnet, etwa aus Spielzeug, Akkuwerkzeug oder Scheibenwischern: Dreht man ihre Welle, liegt an den Anschlüssen eine Spannung an, die mit der Drehzahl wächst. Schrittmotoren aus Druckern enthalten ebenfalls Dauermagnete und liefern beim Drehen Wechselspannung an mehreren Spulen.

Motoren ohne Dauermagnet, deren Magnetfeld aus einer eigenen Wicklung kommt, sind schwieriger. Ihnen fehlt beim Anlaufen das Feld, das sie zum Erzeugen brauchen – genau der Unterschied, den LEIFIphysik zwischen Dauermagnet und Selbsterregung beschreibt. Für den Anfang eignen sich deshalb die kleinen Dauermagnetmotoren.

Eine fertige Anwendung dieses Prinzips kennst du vielleicht schon: das Kurbelradio. Ein Handgenerator lädt einen kleinen Akku, der Empfänger braucht nur wenig Leistung. Welche Geräte für den Empfang von Warnungen taugen und wie du sie vorbereitest, steht im Artikel zum Notfallradio. Wie du bei einem ausgebauten Motor prüfst, ob Wicklung und Lager noch in Ordnung sind, zeigt „Reparieren statt ersetzen: Fehler eingrenzen“.

Sicher bleiben: Akkus, Ladeelektronik, kein Hausnetz

Der Dynamo selbst ist harmlos: Seine Spannung liegt weit unter den Grenzwerten, ab denen eine Berührung gefährlich wird. Die Gefahr liegt beim Akku. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) nennt als Brandursachen unter anderem das Überladen über 100 Prozent Ladezustand durch ein falsches oder defektes Ladegerät, einen Defekt in Elektronik oder Batteriemanagementsystem, Tiefentladung und das Laden bei Temperaturen unter 0 Grad Celsius oder mit hoher Stromstärke.

Kommt es dazu, beschreibt die BAM ein thermisches Durchgehen: eine Kettenreaktion, die von einer Zelle auf die Nachbarzellen übergreift, nur schwer zu stoppen ist und keinen Sauerstoff von außen braucht. Ein Dynamo, dessen Spannung mit jedem Tritt schwankt, darf deshalb nie direkt an einen Lithium-Akku. Dazwischen gehört immer eine Ladeelektronik, die für genau diesen Akku gebaut ist.

Auch das Fahrrad selbst bleibt ein Verkehrsmittel. Wer am Dynamo lädt, darf die Beleuchtung nicht lahmlegen; wie du Dynamo, Kabel und Lampen in Schuss hältst, steht im Artikel über Fahrradwartung und Reparatur.