Ähm, vielleicht übersehe ich einen wichtigen Punkt, aber ich glaube der Drehstromvorteil lässt sich ganz einfach mathematisch erklären:
Beim Wechselstrom greifst du eine nahezu perfekte Sinuswelle an Strom/Spannung ab. Wenn du die gleichrichtest (und nicht glättest), dann ergeben sich Spannungs- und Stromverläufe, die sich durch die Betragsfunktion angewendet auf eine Sinuskurve ergeben. Hier ein Beispiel: Oben die Wechselspannung, unten nach der Glättung. Insbesondere hast du kurze Zeitpunkte, wo Spannung bzw. Strom auf Null zusammenbrechen. Die durchschnittliche (bzw. "effektive") Spannung/der durchschnittliche (bzw. "effektive") Stromfluss berechnet sich aus

wurzel("Integral über eine quadrierte Sinuswelle"/Länge der Sinuswelle)

Oder kurz: Die Effektivspannung/-stromstärke ist das 1/wurzel(2)-fache, also etwa das 0,7fache, der Maximalspannung/Stromstärke.

Beim Drehstrom hast du drei Sinuswellen, die genau um ein Drittel der Periodenlänge phasenverschoben sind. Beispielbild. Die Gleichrichtung ist hier wohl etwas aufwändiger, aber läuft im Prinzip darauf hinaus, dass du qualitativ jeweils das Maximum der Beträge der einzelnen Phasen als Effektivstrom/Spannung erhälst (sprich im Bildchen die Funktion, die nur die oberen Huppel (erst gelb, dann blau, dann rot, dann gelb, ...) beschreibt). Insbesondere bricht die Spannung zu keinem Zeitpunkt völlig zusammen und ist, wie Jens richtig schreibt, schon ziemlich gut geglättet. Dies bedeutet, dass Effektivspannung/-strom schon sehr nah an Maximalstrom/-spannung dran liegen.
Ich hab dazu einfach mal
wurzel(int_0^(Pi/3) cos^2(t)d t / (Pi/3))
berechnet. Da kommt man darauf dass die Effektivspannung beim 0,96fachen der Maximalspannung liegt (ich hoffe die Rechnung ist nicht zu sehr vereinfacht, beim Drehstrom ist es noch etwas trickreicher, zwischen welchen Phasen man wann genau die Spannung abgreift - aber das Prinzip sollte passen).

Die Maximalspannung eines Phasendurchgangs wird durch den Dynamoaufbau bestimmt. Mittels Drehstromkonfiguration kannst du also bei ähnlichem Aufbau eine höhere Effektivspannung und -strom erzielen und damit eine größere Leistung erzielen.

Im Prinzip lässt sich der Vorteil mit weiteren Phasen (4phasig, 5phasig, etc.) noch weiter erhöhen. Allerdings nimmt der Vorteil immer weiter ab (Die Effektivwerte rücken an die Maximalwerte heran), der Materialaufwand steigt aber proportional zu den Phasen an und andere Aspekte (wie Größe der Spulen, Komplexität des Aufbaus) machen die Vorteile zunichte.

Bei der industriellen Stromversorgung (abgesehen von der Bahn, die nutzten klassischen Wechselstrom) wird daher Drehstrom eingesetzt. Nachteil: Höherer Materialeinsatz bei Drehstrom (man muss z.B. drei Strippen ziehen, die Spulen im Generator/Elektromotor als Verbraucher werden komplexer). Vorteil: Höherer Wirkungsgrad wegen kontinuierlicherem Spannungsverlauf (nach der Gleichrichtung).
Am Fahrrad wird vor allem aus historischen Gründen Wechselstrom eingesetzt. Klassisch reichte es aus, eine idiotensicher anschließbare Leitung zu ziehen (und den Rahmen als zweiten Pol zu nehmen) und bei Glühobst war keine weitere elektrische Schaltung nötig. Bei Drehstrom musst du dreipolige Leitungen ziehen und brauchst definitiv noch eine Schaltung um die Lichtverbraucher anzuschließen. Da letzteres seit den LED-Lampen aber sowieso nötig ist, wäre dieses Konzept mal eine Überlegung für einen neuen Fahrradbleuchtungsstandard wert.

Auch, wenn das Forum kein Latex-Bindemittel ist, weshalb die Formeln kaum zu entziffern sind, die Brückengleichrichtung ist bei Drei Phasen mit sechs Dioden nicht wesentlich aufwändiger als bei einer Phase, wo eben auch schon vier nötig sind.

Hallo Sammy,

der Materialaufwand je erzielbarer Leistung sinkt aber. Das zeigst du indirekt ja auch.

Außerdem habe ich aus "Energietechnische Anlagen" im Studium auch im Hinterkopf, dass auch die Ausbeute an elektrischer Energie je eingebrachter Primmär-Energie höher sei. Da kann ich aber gerade die Physik dazu nicht mehr auswendig darstellen.

Denk vor allem daran, dass es bei der Fahrradbeleuchtung eben nicht drei und schon gar nicht gleichgroße Abnehmer für die elektrische Leistung gibt und dass die problemlose und verlustarme Möglichkeit der Gleichrichtung mit Siliziumdioden noch gar nicht solange existiert. Über den lange üblichen Selenzellen fällt viel zu viel Spannung ab und auch die gibt es erst seit den Dreißigern. Glühlampen haben wegen ihrer Trägheit mit Einphasenspeisung auch kein Problem. Ein Dreiphasennabengenerator wäre jetzt trotzdem eine feine Sache. Mit mehr als drei Phasen wird die resultierende Gleichspannung nach Brückengleichrichtung übrigens nicht wesentlich glatter und ein besondere Wissenschaft ist die abgreifbare Spannung bei einem Drehstromgenerator auch nicht. Der Faktor zwischen der Mitelpunkt- und der Phasenspannung eines sterngeschalteten Generators ist die Quadratwurzel von 3 und damit so etwa 1,7. Der Vorteil eines Generators in Dreieckschaltung (mit nur einer abgreifbaren Spannung) fällt mir auf Anhieb nicht ein. Eine Umschaltbarkeit wie am Motorklembrett dürfte bei einem Fahrradgenerator aus Platzgründen scheitern. Für das Abgreifen der Mittelpunktspannung wären allerdings vier Adern vom Generator nötig.

Da es keine systembedingten Verluste (wie z.B. beim Carnotschen Kreisprozess) gibt, können die Vorteile eigentlich nur in dem kontinuierlicheren Energiefluss beim Drehstrom (gegenüber klassischem Wechselstrom) liegen. Jens hat das ja richtig angesprochen: Die Glättungskondensatoren müssen kaum arbeiten und werden folglich weniger warm. Wenn der Verbraucher sehr effizient mit Wechselstrom umgehen kann (z.B. ein elektrisches Heizgerät, sowas sprach Falk ja auch gerade an), sind die energetischen Vorteile wohl wieder geringer.

Das hängt, wie ich gerade lernen durfte, auch von der Art der Gleichrichtung ab. Bei Dreipulsgleichrichtung ist die Welligkeit höher als bei Sechspulsgleichrichtung.
Mit einem zusätzlichen Transformator kann man noch weniger Welligkeit hin bekommen, aber die Vorteile sind dann in der Tat gering und man muss sich überlegen, ob man eine so geringe Restwelligkeit wirklich braucht.


Ich hoffe ich hab verstanden, was du mir hier sagen willst?
Was man heute mit LEDs und für Ladeelektronik ja braucht ist Gleichstrom. Daher würde es eventuell sogar genügen einen Drehstromgenerator zu bauen und die 6 Dioden für die Gleichrichtung gleich mit im Dynamo unterzubringen. Dann käme sogar über zwei Pole geleiteter Gleichstrom aus dem Dynamo. Also fast wie bisher (nur eben Gleich- und kein Wechselstrom).
Alternativ und im Sinne einer Beschaltung mit Tuningkondensatoren sicher sinnvoller kann man auch nur die drei Phasen herausführen und dann z.B. in der Lampe/dem Dynamolader gleichrichten. Ob die Sternspannung zu etwas zu gebrauchen sein könnte, kann ich nicht beurteilen, aber ich sehe erstmal keine Anwendung.

Hallo Karin,

ja genau- so formulierte das der Peter Frieden auch. Letztlich ist die Baugrösse des Generators genau gleich, sogar die Bauteile sind identisch. Nur ne andere Wicklung... und deutlich mehr Gesamtleistung. Finde ich faszinierend

Wenn ich mich recht erinnere ist der Kleinstgenerator als Stern mit fliegendem Nullpunkt geschaltet.

Und klar- der Gleichrichter braucht nur 2 Dioden mehr. Aber wir können nicht mehr so einfach im Wechselspannungsbereich den Strom abtrennen. Dafür hätte es deutlich mehr Teile benötigt für die wir keinen Platz hatten.

Viele Grüße von
Jens.