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Die Erfindung betrifft eine dreiphasige, drehstromerzeugende Dynamoeinheit mit einem im Gehäuse der Einheit integriertem Getriebe.
Bei mobilen Arbeitsmaschinen mit drehenden Teilen bzw. Fahrzeugen benötigt man zur Stromversorgung Generatoren, die trotz stark veränderlicher Drehzahl konstante elektrische Leistungen abgeben. Zudem sollten diese Generatoren möglichst klein und leicht baubar sein d. h. ein sehr günstiges Leistungsgewicht aufweisen. Am platzsparendsten sind solche Generatoren in einem der drehenden Bauteile der jeweiligen Arbeitsmaschine integriert, z. B. in den Rädern, was die Auslegung von Nabenlichtmaschinen bzw. Naben-Dynamos erfordert.
Vor allem bei geringer oder niedrigen Geschwindigkeiten, wie beispielsweise die niedrigen Drehzahlen drehender Teile, im Besonderen die Räder von Fahrzeugen, erfordern hohe Übersetzungen ins Schnellere, damit der Rotor des angeschlossenen Generators die erforderlichen Nenndrehzahlen erreicht. So werden etwa bei Drehzahlen von 2. 300 U/min mit dreihphasigen Drehstromgeneratoren, ohne weiteren technischen Aufwand, eine 12 Volt Versorgungsspannung erzeugbar.
Aus der W092/09871A1 wird ein Dreiphasen-Naben-Dynamo zur Nutzung der Windkraft gezeigt. Da auch hier stark schwankende Drehzahlen auftreten können, wird dem Generatorteil zur Erreichung einer möglichst konstanten Drehzahl ein Getriebe ins Schnellere vorgeschaltet. Obwohl dieser Nabengenerator Energien im KW-Bereich erzeugt, ist durch seinen Aufbau mit versetzten Drehachsen eine platzraubende Konstruktion gezeigt.
Die EP0401680A1 zeigt eine Drehstromversorgungseinheit für Fahrräder, allerdings ohne erforderliche Massnahmen (Getriebe), um brauchbare elektrische Leistungen bei niedrigen Drehzahlen zu erhalten und ohne eingebauten Energiespeicher.
In der Fahrzeugindustrie sind 12 Volt Versorgungsspannung bereits standardisiert. Bei Kleinfahrzeugen, wie Fahrrädern, haben allerdings in der Technik diese 12 Volt noch nicht Einzug gefunden und liegen derzeit im Bereich von max. 6 Volt. Zudem ist zu beachten, dass bei Kleinfahrzeugen, wie Fahrrädern, meistens einphasige Dynamos verwendet werden, welche pulsierende Drehmomente bei ihrem Antrieb als Nachteil aufweisen.
Ein sehr grosser Nachteil ist der hohe innere Widerstand der einphasigen WechselstromDynamotechnik von min. 600 Q, eine Spannungswelligkeit von mind. 6 Volt, eine Verlustspannung von mind. 1 Volt und eine Spannungsschwankung bis zum 3fachen Wert.
EP0198485A2/B1 zeigt eine Dynamoeinheit mit Getriebe, Generator und aufladbaren Batterien, bei der der Generator nicht näher definiert ist. Die gesamte Dynamoeinheit ist dabei nicht in einem Radzentrum (Radnabe) eingebaut, sondern am Fahrradrahmen montiert und wird durch eine flexible Welle angetrieben.
In der W093/04908A1 und der W094/26578A1 und DE4326748A1 werden ebenfalls NabenDynamos mit massivem und schwerem Planetengetriebe ins Schnellere gezeigt. Das Planetengetriebe ist einem nicht näher definierten Generatorteil vorgeschaltet und kann mittels einer Federreibkupplung aus-und eingeschaltet werden. Ausserdem ist die Ausführung nicht platzsparend konstruiert, weshalb kein Akkumulator in der Nabe Platz findet und daher auch kein günstiges Leistungsgewicht aufweist.
EP0175802A1 stellt lediglich ein Getriebe zur Übertragung extrem hoher Leistung mit sehr grossem Übersetzungsverhältnis dar (ohne Generatorteil).
Deshalb wird hier in der Erfindung, eine dreiphasige drehstromerzeugende Naben-Dynamoeinheit mit weitgehend konstanten Drehmoment auch bei geringen Drehzahlen angestrebt.
Alle genannten Nachteile werden durch eine entsprechend den Ansprüchen 1-9 ausgeführte dreiphasige, drehstromerzeugende Naben-Dynamoeinheit beseitigt. Die erfindungsgemässe dreiphasige, drehstromerzeugende Naben-Dynamoeinheit vereinigt nämlich die Nabe eines Rades oder drehenden Teiles mit einem Dreiphasen-Drehstromgenerator in extrem platzsparender, geschlossener Bauart Diese dreiphasige drehstromerzeugende Naben-Dynamoeinheit erzeugt, über ein von einem Zahnkranz angetriebenes Getriebe ins Schnellere erfindungsgemäss auch bei niedrigen Drehzahlen mindestens 80 % seiner Nennleistung und stellt diese den Abnehmern, wie Zündung und Beleuchtung, zur Verfügung.
In dieser Einheit findet auch noch ein notwendiger elektrischer Energiespeicher (Akkumulator) Platz, welcher immer eine konstante Spannung, auch bei niedrigen Drehzahlen, gewährleistet und vibrationsgesichert in Ringbauweise um die stillstehende Mittelachse herum Platz findet. Ferner findet auch eine Regelung zur Konstanthaltung der
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vom Generator gelieferten Spannung auf die gewünschte Nennspannung sowie ein Gleichrichter, der den mehrphasigen Drehstrom in Gleichstrom umwandelt, Platz. Die Regelung dient auch der Reduktion des Kraftaufwandes für Getriebe und Generator auf deren Reibungsverluste bei keiner oder verminderter Stromabnahme.
Die Erfindung wird anhand nachstehender Zeichnungsfiguren genau erläutert :
Figur 1 zeigt eine Funktionsskizze bei einem Schnitt entlang der Mittelachse durch die erfindungsgemässe dreiphasige, drehstromerzeugende Naben-Dynamoeinheit mit Schnittführung A-A.
Figur 2 zeigt den detaillierten Querschnitt mit Blickrichtung A-A von Figur 1.
Die Radachse (1) ist mittels Radmuttern (13) bzw. einem äquivalenten Befestigungsmittel in der Radgabel (12) befestigbar.
Die Lagerdeckel (9), die gleichzeitig als Bett für die Lagerkugeln (2) dienen, sind auf der Radachse (1) mittels Kontermuttern (11) fixiert bzw. befestigt und werden von den Staubschutzkappen (3) abgedeckt. In einem der folglich stillstehenden Lagerdeckel (9) kann auch der Stromconnector (14) untergebracht werden.
Mittels der Lagerkugeln (2) ist das Gehäuse (5), das auch eine Speichennabe (8) integriert haben kann, gegenüber der Radachse (1) drehbar gelagert. Ein Getriebe wird mittels einem zwischengeschaltenen Zahnkranz (10) vom Gehäuse (5) über die Getriebeteile (7) angetrieben. Der Rotor des Generatorteils (6) ist auf der Radnabe (1) drehbar gelagert und wird von den Getriebeteilen (7), zusammen mit dem zwischengeschaltenen Zahnkranz (10) auf die erforderliche höhere Drehzahl (z. B. 2300 U/min) transformiert. Durch den zwischengeschaltenen Zahnkranz (10) wird eine direkte, unmittelbare Übertragung des Drehmomentes vom Gehäuse (5) auf die Getriebeteile (7) ermöglicht und damit wesentlich Platz gespart.
Ferner wird durch die Kombination von Drehstromgenerator mit zwischengeschaltenem Zahnkranz (10) erst die angestrebten 80 % der Nennleistung auch bei niedrigen Drehzahlen, bei ruhigerem Lauf als bei einphasigen Dynamos erreicht.
Der Zahnkranz (10) kann mit dem Gehäuse (5) auch fest verbunden sein und/oder eine Innenverzahnung aufweisen, in die die Getriebeteile (7) eingreifen und die erforderliche Transformation der Drehzahl bewerkstelligen.
Der Getriebeteil (7) besteht aus einem mehrstufigen Getriebe, dass von einem in der Radnabe (5) zwischengeschaltetem Zahnkranz (10) antreibbar ist und das Drehmoment der Nabe an den Rotor des daneben plazierten Generators unmittelbar übertragen wird. Ausserdem kann das erste getriebene Zahnrad der Getriebeteile (7) manuell bzw. von einem Elektromagneten, vorgegeben vom Regler, verschoben werden, wodurch das Getriebe und der Rotor des Generators bei jeder Drehzahl zu- bzw. abschaltbar ist.
Der Stator besteht aus einem zylindrischen Statorgehäuse, welches die stehenden mehrphasl- gen Teilwicklungen, die versetzt um den Rotor angeordnet sind, umgibt. Die einzelnen Teilwicklun- gen sind so ausgeführt, dass die magnetischen Wegstrecken sehr kurz sind und ein gleichmässiger Spannungsverlauf in der Wicklung gegeben ist. Durch die Ausführung der Wicklungen wird der innere Widerstand auf weniger als 10 n gesenkt und die Spannungswelligkeit reduziert. Dadurch wird ein sehr hoher Wirkungsgrad der Drehstrommaschine erreicht.
Mit dem Stator des Generatorteils sind auch Gleichrichter und Regler integriert.
Letztlich verbleibt auf Grund der platzsparenden Anordnung von Getriebe und Generatorteil noch Platz für den Akku (4), der aus mehreren Akkumulatoren bestehen kann wodurch eine Versorgung der Verbraucher auch im Stillstand (z. B. Pannen) möglich ist.
Der hier exemplarisch beschriebene Aufbau der Naben-Dynamoeinheit zeigt eine geschlossene Bauart. Diese ist vorteilhaft gegenüber dem Eindringen von Schmutz und Nässe, aber nicht zwingend zur Realisierung der vorliegenden Erfindung.
Legende :
1 Radachse 2 Lagerkugel 3 Staubschutzkappe
4 Akku 5 Gehäuse (Radnabe)
6 Drehstromgenerator : Stator, Rotor, Gleichrichter, Regler
7 Getriebeteil 8 Speichennabe
9 Lagerdeckel 10 Zahnkranz
11 Kontermutter 12 Radgabel
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13 Radmutter 14 Stromconnector PATENTANSPRÜCHE : 1. Eine dreiphasige, drehstromerzeugende Naben-Dynamoeinheit mit einem im Gehäuse (5) der Einheit integriertem Getriebe ins Schnellere, vorzugsweise zur Verwendung in Fahr- zeugen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zur unmittelbaren Übertragung des
Drehmomentes vom Gehäuse (5) auf das Getriebe ein zwischengeschalteter Zahnkranz (10) vorgesehen ist, der über das Getriebe den Rotor antreibbar macht.