Crosstrainer

Wir haben hier seit kurzem einen Crosstrainer stehen. Und obwohl das Gerät ja eigentlich dazu da ist Körperenergie zu verbrennen, muss man es in die Steckdose stecken. Und zwar nicht mit so einem kleinen Steckernetzteil wie ich es für den kleinen Computer darauf verstehen würde. Das Gerät hat ein recht dickes Kabel und einen Schukostecker, der so aussieht, als würden da vielleicht (mehrere) 100 Watt durchgehen. Aber wozu?

Als Physiker argumentiere ich natürlich über Energieerhaltung. Der Sporttreibende führt dem System Crosstrainer Energie hinzu, diese muss das System dann irgendwie loswerden, am einfachsten in Wärme umwandeln. Einen Teil dieser Energie kann es auch nehmen und im Computer sinnvoll in Wärme umwandeln, den also betreiben.

Das Dynamo am Fahrrad wandelt ein klein wenig der Leistung des Radfahrers in elektrischen Strom um, damit die Beleuchtung betrieben werden kann. Die restliche Leistung des Radfahrers geht in Reibung mit der Luft, den Boden und in Lagern drauf.

Der Crosstrainer hat allerdings keinen großen Luftwiderstand und muss die Energie daher anders loswerden. Ich habe verschiedene Ideen, wie man das anstellen könnte. Am Ende kann ich wahrscheinlich erklären, warum das Teil ein so fettes Stromkabel braucht.

Mechanische Bremse

Natürlich könnte man einfach eine mechanische Bremse einbauen. So eine Bremse hat aber den Nachteil, dass sie schnell verschleißt und vor allem unangenehm skaliert. Eine Bremse auf Haft- und Gleitreibung übt immer das gleiche Drehmoment auf die Achse aus. Wenn die Achse steht ist das Drehmoment noch größer (Haftreibung), jedoch nur so viel um das Moment durch den Sportler zu kompensieren. Man muss also erst einmal genug Drehmoment aufbringen, um über die Haftreibung zu kommen, damit sich das System in Bewegung setzt. Dies hat allerdings nichts mit Trägheit zu tun.

Die Regelung der Bremse braucht Mechanik, die in der Massenproduktion wahrscheinlich teurer ist, als wenn man das ganze irgendwie durch Elektronik steuern kann. Die Bremsbeläge nutzen sich ab, so dass man dies mit der Zeit nachregeln und wechseln muss.

Und schließlich ist die Leistungsmessung auch nur mechanisch möglich. Man müsste messen, welches Moment die Bremse tatsächlich auf die Achse bringt und das mit der Drehfrequenz multiplizieren, um auf die Leistung zu kommen.

Wirbelstrombremse mit Permanentmagnet

Viele der vorherigen Nachteile hat man nicht, wenn man das Ganze mit einer Wirbelstrombremse konstruiert. Diese Art von Bremse ist (bis auf die Lager) verschleißfrei. Der Widerstand wächst ungefähr linear mit der Rotationsgeschwindigkeit an, man kann also ganz sanft anfahren.

Zuerst betrachte ich eine Wirbelstrombremse, die mit einem Permanentmagneten und einer Metallplatte konstruiert ist. Dadurch braucht man keinerlei Elektrik in dem System. Die Regelung des Widerstandes kann man durch den Abstand vom Magnet und der Metallplatte steuern.

Es gibt einige Nachteile:

  • Die Regelung braucht weiterhin Mechanik.
  • Das Gehäuse muss entsprechend breit sein damit man den Widerstand über einen großen Bereich regeln kann.
  • Magnete sind wahrscheinlich teuer und man braucht hier einen eher Größeren.
  • Die Leistungsmessung muss man irgendwann mal mechanisch vornehmen und kalibrieren damit man aus dem Abstand von Magnet zur Platte auf das bremsende Drehmoment schließen kann.

Elektrischer Generator

Meine nächste Idee ist einfach einen Generator, der vielleicht 300 Watt generieren könnte, als Bremse zu nehmen. Den Strom, der vom Generator kommt, lässt man dann durch einen entsprechend großen variablen Widerstand gehen.

Den Widerstand kann man entweder mechanisch einstellen oder mit entsprechender Elektronik sogar digital einstellen. Man braucht natürlich entsprechende Schalttransistoren die die Leistung abkönnen. So etwas sollte es aber geben; so etwas braucht man ja auch in Endstufen für Musikanlagen oder auch für die nächste Idee einer Bremse.

Von den Kosten sollte das eigentlich machbar sein. Man braucht entweder einen Magnet und Elektromagneten oder man nimmt zwei Elektromagneten. Beim Anfahren sorgt die Remanenz in beiden Teilen dafür, dass ein wenig Strom erzeugt wird. Dieser wird dann sofort als magnetische Erregung H dafür sorgen, dass die magnetische Flussdichte B ansteigt.

Die Regelung kann komplett mit einem elektronisch gesteuerten Widerstand passieren. Die Leistungsmessung ist sehr einfach elektronisch direkt am designierten Verlustwiderstand machbar.

Wirbelstrombremse mit Elektromagnet

Ich fürchte allerdings, dass das ganze anders gebaut ist. Alle bisherigen Möglichkeiten erklären nicht warum das Gerät so ein dickes Stromkabel braucht. Dass man sich das Dynamo spart und dafür ein kleines Steckernetzteil beilegt kann ich bei einem günstigen Gerät ja noch verstehen.

Jedenfalls könnte man für die Bremse auch eine Wirbelstrombremse mit einem Elektromagneten und einer Metallplatte bauen, so dass man einfach den Elektromagneten mit Strom versorgt und die Energie des Sportlers dann in Wirbelströmen in der Metallplatte versenkt wird.

Elektromagneten, die nicht aus Supraleiter gebaut sind, haben allerdings das Problem, dass sie durchlaufend Strom benötigen um ein konstantes Magnetfeld aufrecht erhalten können. Bei diesem Aufbau muss man also Strom verbrennen, damit die Energie des Sportlers verbrannt werden kann. Und so ein Elektromagnet kann durchaus Strom fressen, wenn er groß genug sein soll. Im Elektromagnetismuspraktium hatten wir auch Helmholtzspulen für das Fadenstrahlrohr. Und da sind einige Ampere Strom durchgegangen, damit wir ein ausreichendes Magnetfeld hatten.

Die Leistungsmessung ist hier allerdings wieder schwerer geworden. Man muss jetzt wieder wissen welches Drehmoment die Wirbelstrombremse bei welchem Strom auf die Achse ausübt. Man kann da wahrscheinlich eine Messreihe machen und das mit einem Polynom ausreichend Ordnung phänomenologisch beschreiben und als angepasste Funktion im Computerprogramm hinterlegen.

Mit dem Hintergrund ist es ziemlich irritierend, dass der Crosstrainer Strom benötigt um betrieben zu werden. Aber vielleicht ist es ganz anders und das Teil speist in das Stromnetz ein?