DD272948A1 - Dynamo, vorzugsweise fuer fahrrad - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen dynamoelektrischen Generator, der vorzugsweise zum Betrieb an muskelbetriebenen Fahrzeugen geeignet ist. Sie sieht vor, dass der Dynamo aus zwei Teilen, einem rotationssymmetrischen Rotor mit einer geradzahligen Anzahl an seinem Umfang kreisring- oder zylinderringfoermig angeordneter flacher Permanentmagnete aus gegenueber Aenderungen des magnetischen Kreises feldstaerkekonstanten Hartferriten und aus einem Stator, bestehend aus einem oder mehreren vorzugsweise geblechten Kernen aus Dynamoeisen mit jeweils einem oder mehreren klauenfoermig ausgebildeten Polschuhpaaren und jeweils einer Spule, aufgebaut ist. Der Rotor ist mit einem rotierenden Teil eines Rades, beim Fahrrad vorzugsweise des Vorderrades, verbunden, waehrend der Stator an einem gegenueber dem Rotor feststehenden Fahrzeugteil, beim Fahrrad beispielsweise der Vorderradgabel, befestigt ist. Der Stator ist vom Rotor trennbar, so dass bei Nichtgebrauch des Dynamos keinerlei Antriebsenergie benoetigt wird. Ferner dient der Rotor vorzugsweise als Scheibe einer an sich bekannten Scheibenbremse und die Halterung des Stators als Halterung des zugehoerigen Bremskopfes. Am Rotor sind darueber hinaus Seitenreflektoren angeordnet. Fig. 1

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung ist vorzugsweise für muskelbetriebene Fahrzeuge, insbesondere vorteilhaft bei Fahrrädern, anwendbar. Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Nach dem heutigen Stande der Technik ist bei Fahrrädern die vor allem für Beleuchtungszwecke benötigte Hilfsenergie wegen der bekannten Vorteile dieser Energieform grundsätzlich Elektroenergie. Für die Aufgabe des Bereitstelleris der Elektroenergie sind verschiedene technische Lösungen bekannt. Dabei kann prinzipiell zwischen mitgeführten Energiespeichern in Form von Primärelementen oder Akkumulatoren und der Möglichkeit unterschieden werden, daß die Elektroenergie mittels Generatoren erzeugt wird. Zum Vergleich zur erfindungsgemäßen Lösung ist nur die letztgenannte Möglichkeit relevant. Am geläufigsten ist der weit verbreitete traditionelle Fahrraddynamo. Dieser stellt einen komp&xten Gleichstromgenerator kleiner Leistung, gewöhnlich 3 W, mit Permanentmagneten dar, der mittels eines geriffelten Laufrades, das mit Federkraft an eine seitlich am Fahrradreifen befindliche geriffelte Laufspur angepreßt ist, angetrieben wird. Wird keine Elektroenergie benötigt, können solche Dynamos vorteilhaft mechanisch vom Fahrradreifen getrennt werden und benötigen dann keine Antriebsenergie. Als weitere Vorteile sind zu erwähnen, daß moderne Dynamos kollektorlos und ohne jegliche Schleifkontakte hergestellt werden und damit Nachteile duch Reibungsenergieverlust an dieser Stelle und durch Kontaktverschleiß entfallen und daß durch die Übersetzung des Antriebes eine relativ große Drehzahl des Laufrades, damit eine große Relativgeschwindigkeit zwischen Permanentmagnet und Spulensystem und infolge dieser bei gegebener Polzahl eine relativ hohe induzierte Spannung erreicht werden können.

Die hohe Laufraddrehzahl verursacht aber auch einen nachteiligen Effekt. Von der Reifenoberfläche stammende zentrifugal abspritzende Schmutzteilchen und -tröpfchen gelangen an die Kleidung des Fahrers oder an Fahrzeugteile und verschmutzen diese. Die bekannten Fahrraddynamos haben darüber hinaus auch noch einige andere Nachteile. Erstens ist der erforderliche Energieaufwand zu ihrem Antrieb wegen der Reibungsverluste und der Walkarbeit an der Oberfläche des Gummireifens und wegen der einseitig gelagerten Welle relativ hoch, so daß sie nur einen geringen Gesamtwirkungsgrzd haben. Besonders bei muskelbetriebenen Fahrzeugen wie Fahrrädern ist das ein entscheidender Nachteil, zumal auch die mit vertretbarem Kraftaufwand erreichbare Beleuchtungsstärke durch den goringen Wirkungsgrad begrenzt ist. Zweitens ist die Kraftübertragung vom Reifen zum Dynamo sehr störanfällig. Schon bei Nässe, erst recht aber bei verschmutzten oder gar schneebedeckten Wegen, rutscht das Laufrad am Reifen. Der damit verbundene Ausfall der Beleuchtung führt zu straßenverkehrsgefährdenden Situationen.

Neben dem herkömmlichen Fahrraddynamo sind technische Lösungen bekannt, mit denen beschriebene Nachteile umgangen werden sollen.

Mit dem Walzendynamo, dessen beidseitig gelagertes Laufrad durch die Reifenstirnfläche angetrieben wird, ist gegenüber dem traditionellen Fahrraddynamo lediglich der Nachteil beseitigt, daß der durch einseitiges Lagern der Welle auftretende höhere Antriebsenergieaufwand nicht mehr erforderlich ist.

Ferner ist eine Vielzahl an Ausführungsformen von Generatoren bekannt, die im Inneren einer Radnabe angeordnet sind. Diese sind vorwiegend mit verschieden ausgeführten Übersetzungsgetrieben zum Erzielen der nötigen Drehzahl versehen und teilweise auch vom Antrieb bei Nichtgebrauch abkuppelbar. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf die DE· _tOS 1120299, die DE-OS 3216900, aber auch auf die DE-OS 3539597 (alle B62 J 6/00) verwiesen. Letztere stellt eine trommeiförmige Konstruktion, nach der ein kompakter Generator aus einem an die Speichen geflanschten Rotor und einem mit der Achse verbunden Stator aufgebaut ist, dar.

Weiterhin ist mit GB-PS 21S8600, auch als DE-OS 3 544604 (beide B62 J 6/00), eine Lösung für einen ebenfalls an einem Rad angeordneten Generator beschrieben, der nicht nach dem dynamoelektrischen Prinzip, sondern nach dem Prinzip der elektrostatischen Lndungs'-ennung arbeitet. Dessen Funktionsfähigkeit bei normaler Umgebungsfeuchte is: fraglich. Auch sind die erforderlichen Kommutatorbürsten wegen der Reibungs- und Verschleißprobleme nachteilig. Schließlich ist noch auf eine im DRP 373040 (63g 10) beschriebene Lösung für einen Fahrradgenerator zu verweisen. Sie beinhaltet die ringförmige Anordnung kleiner Hufeisenmagnete am Felgenumfang eines Rades und seitlich vor diesen angeordnete Spulen, die mittels Läufrollen suf einem definierten Abstand geführt werden. Diese Elektroenergiequelle ist bei Nichtgebrauch nicht vom Antriebsleistungsbedarf abkuppelbar und hat ferner die Nachteile des Verschleißes der Laufrollen, des durch dieselben verursachten Reibungsenergieverlustes und des durch die relativ große bewegte Masse erheblichen Beschleunigungs- und Bremsaufwandes.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen mit vertretbarem Aufwand hergestellbaren Generator zum Erzeugen elektrischer Energie vorzugsweise für Fahrräder zu schaffen, der infolge verbesserter Gebrauchseigenschaften wie geringen Kraftbedarfes für seinen Antrieb, zuverlässiger Funktion auch unter extremen Umgebungsbedingungen sowie geringen Gewichtes die Verkehrssicherheit erhöht und vom Radfahrer den bisher verfügbaren Dynamos vorgezogen wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Generator, vorzugsweise für Fahl räder, zu entwickeln, der die beschriebenen Nachteile traditioneller Fahrraddynamos wie Schlupfneigung des Antriebs und geringen Wirkungsgrad nicht aufweist, jedoch den Vorteil besitzt, bei Nichtgebrauch keinerlei Energiebedarf zu haben. Fernet besteht die Aufgabe darin, das Gewicht des Gesamtfah.'zeuges und die Anzahl der nötigen Einzelteile durch zumindest teilweises Vereinigen des Generators mit anderon Funktionsgruppen zu verringern.

Erfindungsgemäß wird die se Aufgabe wie folyt gelöst. Der Generator, ausgeführt als Dynamo, also mit permanenten Magneten, besteht im wesentlichen aus zwei Teilen.

Erstens ist ein rotationssymmetrischer Magnetlager konzentrisch am rotierenden Teil eines Rades des Fahrzeuges, bei Fahrrädern wegen der geringen Schmutzbelastung vorzugsweise des Vorderrades, als Rotor angebt achi. Dieser trägt ringförmig im größtmöglichen Durchmesser in gleichmäßigen Winkelabständen möglichst dicht aneinander angebracht eine geradzahlige Anzahl flacher Permanentmagnete aus gegenüber Änderungen des magnetischen Kreises feldstärkekonstantei: Hartferriten. Die Permanentmagnete können je nach Kotorausführung an diesem kreisring- oder zylinderringförmig angeordnet sein. Die Pole der Permanentmagnete zeigen nach der Rotoroberfläche, bei Kreisringform also in Richtung der Rotationsachse, bei Zylinderringform in radialer Richtung. Ihre Magnetisierungsrichtung ist so gewählt, daß benachbarte Permanentmagnete stets entgegengesetzt polarisiert sind, daß also magnetisch Nord neben magnetisch Süd liegt. Im Sinne der Erfindung ist dabei, daß der Rotor als bauliche Einheit mit einem Teil des Rades, vorzugsweise der Nabe, ausgeführt ist.

Zweitens ist ein Stator an einem feststehenden Teil des Fahrzeuges im Bereich der Rotormagnete angebracht. Bei am Vorderrad eines Fahrrades angeordnetem Rotor ist der Stator vorzugsweise an der Vorderradgabel angeordnet. Er besteht aus einem oder mehreren vorzugsweise geblechten Kernen aus Dynamoeisen mit jeweils einem oder mehreren klauenförmigen Polschuhpaaren und ist so ausgebildet, daß er bei Nichtgebrauch des Generators so fixiert werd 3n kann, daß die Kerne von den Magnetfeldern der Permanentmagnete des Rotors nur wenig durchflutet werder,,' während er bei Gebrauch des Generatorsso fixiert ist, daß die Polschuhpaare den Polen der Permanentmagnete unmittelbar mit möglichst geringem Luftspalt gegerüberstehen und so jeweils über Permanentmagnet, Luftspalt, Polschuh, Kern, Polschuh, Luftspalt und wieder Permanentmagnet magnetische Stromkreise gebildet werden. Die mechanische Vorrichtung, mittels derer der Stator befestigt und in Arbeitslage oder Ruhelage fixiert werden kann, wird durch an sich bekannte Lösungen realisiert. Die Kerne tragen jeweils eine Spule. Kerne mit mehreren Polschuhpaaren sind so ausgebildet, daß der Abstand zwischen den Polschuhpaaren gleich dem doppelten Magnetabstand des Rotors ist, so gleichzeitig stets Permanentmagnete gleicher Magnetisierungsrichtung zwischen den Polschuhpaaren sind und dadurch das auf die zugehörige Spule wirkende Magnetfeld aus der Summe der Magnetfelder der Einzelmagnete resultiert.

Werden mehrere Kerne vorgesehen, dann können deren Polschuhpaare unterschiedlich auf den Umfang des Mcgnetträgers verteilt angeordnet werden. Dabei ist zu beachten, daß die Spulen polaritätsgerecht zusammengeschaltet werden. Bei polaritätsgerecht in Reihe geschalteten Spulen addiert sich in bekannter Weise die Spannung, bei parallel geschalteten die Leistung.

Bewegen sich bei auf Betriebszustand fixiertem Generator die Permanentmagnete des Rotors während der Fahrt zwischen den Polschuhpaaren der Kerne des Stators, dann wird infolge des bekannten Induktionsgesetzes in den zugehörigen Spulen eine elektrische Wechselspannung mit annähernd trapezförmigem Spannungsverlauf induziert, mit der die Lampenstromkreise gespeist werden können.

Die Scheitelhöhe der sich ergebenden Spannung ist von der magnetischen Feldstärke der einzelnen Permanentmagnete, der Windungszahl der Spulen, dem sich aus der Geometrie des magnetischen Kreises ergebenden Verhältnis des magnetischen Nutzflusses zum magnetischen Streufluß und der Relativgeschwindigkeit zwischen Permanentmagnet und Polschuhpaar abhängig. Letztere ist durch die Wahl der Größe des Durchmessers des Roters in Grenzen beeinflußbar. Ein zu kleiner Rotordurchmesser ist ungünstig, weil nur geringe Relativgeschwindigkeiten erreicht werden und weil im Beispiel der beschriebenen Anordnung der Freiraum zwischen Gabel und Speicherbereich dicht an der Nebe für den Einbau der Polschuhe des Stators zu klein ist. Ein zu großer Rotor ist wegen des höheren Material- und damit Masseeinsatzes nachteilig. Mit Muskelkraft angetriebene Fahrzeuge sollten mögliche; leicht sein. Deshalb ist es von Vorteil, wenn Baugruppen des Fahrzeugs mit verschiedener Funktion zumindest teilweise aus gleichen Einzelteilen bestehen. D?r erfindungsgemäße Generator wird aus diesem Grunde vorzugsweise vorteilhaft kombiniert als Bremse ausgeführt. Das wird dadurch erreicht, daß der

beschriebene Rotor gleichzeitig als Bremsscheibe einer an sich bekannten Scheibenbremse und die Halterung des Stators gleichzeitig als Halterung des Bremskopfes ausgeführt ist. Bei entsprechend geschickter Anordnung der Teile von Stator und

Bremskopf kann erreicht weiden, daß der Generator beim Betätigen der Bremse in Betrieb gesetzt und ein Bremslichteffekt

erzeugt wird.

Als zweite mögliche Kombination von funktionell verschiedenen Fahrzeugbaugruppen ist im Sinne der Erfindung, daß

vorzugsweise beidseitig wirkende Reflektoren auf dem Rotor angeordnet sind. Diese gewährleisten, verziehen mit den bekannten Speicherreflektoren, daß bei Dunkelheit aus Fahrzeugen mit Scheinwerfern quer zu deren Fahrtrichtung befindliche

Fahrräder gut erkennbar sind. Da am erfindungsgemäßen Generator Reibungsenergieverluste nur durch die Luftreibungskräfte auftreten, ermöglicht dieser,

mit hohem Wirkungsgrad die vor allem für die Fahrraiibeleuchtung nötige Elektroenergie zu erzeugen. Die Funktion des

Generators ist ferner witterungsunabhängig, und es ist möglich, ihn bei Nichtgebrauch außer Betrieb zu nehman. Ausführungsbelsplel Die Erfindung wird on Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen: Figur 1: die Skizze eines mit einer Bremse kombinierten Dynamos im Bereich des Vorderrades eines Fahrrades: A: in der Ansicht von der Seite und B: in der Ansicht von vorn, Figur 2: einige weitere mögliche Ausführungsformen des Rotors: A: kreisringförmig,

B und C: zylinderringförmig, Figur 3: einige mögliche Ausführungsformen der Statorkerne, wobei der verfügbare Spulenwicklungsraum jeweils doppelt schraffiert dargestellt ist:

Aund B: Einzelkerne mit einem Polschuhpaar und C: einen Einzelkern mit zwei Polschuhpaaren und Figur 4: einige verschiedene geeignete Formen für die Permanentmagnete des Rotors: A: für kreisscheiben- oder kreisringförmige Rotoren und B: für zylinderringförmige Rotoren.

Das Ausführupgsbeispiel nach Figur 1 zeigt die linke Seite des Nabenbereiches am Vorderrad eines Fahrrades. Die Radnabe ist als bauliche Einheit .nit einem kreisscheibenförmigen Rotor 1 ausgeführt. Am Umfang des Rotors 1 sind 36 flache Permanentmagnete 2 in gleichmäßigen Winkelabständen so angeordnet, daß deren Magnetisierungsrichtungen in Richtung der Radachse verlaufen und benachbarte Permanentmagnete 2 antiparallel magnetisiert sind. Die Permanentmagnete 2 bestehen aus gegenüber Änderungen des magnetischen Kreises feldstärkekonstanten Hartferriten. Am Gabelrohr sind an einer bekannten mechanischen Vorrichtung 7 ein Stator 3 und ein Bremskopf 8 angebracht. Der Stator 3 besteht aus einem Kern 4 aus geblechtem Dynamoeisen, der eine Spule 6 trägt. Der Kern 4 besitzt zwei klauenförmig ausgebildete Paare von Polschuhen 5, die voneinander den doppelten Abstand der Permanentmagnete 2 des Rotors 1 haben. Dadurch ist gewährleistet, daß die beiden Paare der Polschuhe 5 gleichzeitig stets mit Magnetfeldern gleichen Richtungssinnes durchflutet werden. Mittels der mechanischen Vorrichtung 7 kann der Stator 3 vertikal verschoben und in zwei Lagen fixiert werden, einer Arbeits- und einer Ruhelage. In Arbeitslage stehen die Polschuhe 5 den Magnetpolen der Permantenmagnete 2 unmittelbar gegenüber. In der in Figur 1 dargestellten Ruhelage wird der Kern 4 dagegen von den Magnetfeldern nur wenig durchflossen. Der Bremskopf 8 dient in Verbindung mit dem Rotor 1 als bekannte Scheibenbremse. In Öffnungen des Rotors 1 sind 5 beidseitig wirkonde Reflektoren 9 eingelassen, die eine bessere Erkennbarkeit des Fahrrades aus seitlicher Richtung bewirkon. In Figur 2 werden einige andere mögliche Ausführungsformen des Rotors 1 gezeigt. Figur 2 A entspricht dem in Figur 1 dargestellten Beispiel, was die Anordnung der Permantentmagnete 2 betrifft. Der Rotor 1 ist hier kreisringförmig ausgebildet und an den Speichen befestigt. Die Figuren 2 B und 2 C stellen Möglichkeiten des Anordnens der Permanentmagnete 2 in Zylinderringform dar. Figur 2 B zeigt eine bauliche Einheit mit der Felge, während Figur 2 C eine der Speicherschrcge angepaßte Konstruktion im Nabenbereich darstellt. Bei zylinderringförmig angeordneten Permanentmagneten 2 (Figuren 2B und 2C) ist deren Magnetisierungsrichtung radial.

Figur 3 zeigt mögliche Ausführungsformen der Kerne 4 der Statoren 3. Figur 3 A stellt die einfachste Variante eines Einzelkernes mit einem Polschuhpaar für kreisscheiben- oder kreisringförmige Rotoren 1 dar. Für zylinderringförmige Magnetanordnung ist dieser einfachste Fall in Figur 3 B enthalten. Figur 3C ieigt ,schließlich einen Einzelkern mit zwei Polschuhpaaren für zylinderringförmige Anordnung der Permanentmagnete 2. Das Verschieben der Statoren 3 zwischen Arbeits- und Ruhelage geschieht bei zylinderringförmiger Magnetanordnung in horizontaler Richtung.

Die Permanentmagnete 2 werden in geeigneter Weise, zum Beispiel durch Kleben oder Vergießen, im Rotor 1 befestigt. Zum Schutz gegen Lockern dieser Verbindung sind sie entsprechend Figur 4 mit Kehlen oder Wülsten ausgebildet und in passend geformte Öffnungen dos Rotorkörpers eingelassen.

Claims (4)

1. Ί. Dynamo, vorzugsweise für Fahrrad, gekennzeichnet dadurch, daß dieser aus zwei separaten Teilen, einem Rotor und einem Stator, besteht, wobei der Rotor als Träger einer geradzahligen Anzahl kreisring- oder zylinderringförmig angeordneter flacher Permanentmagnete aus gegenüber Änderungen des magnetischen Kreises feldstärkekonstanten Hartferriten, wobei benachbarte Permanentmagnete antiparelle Magnetisierungsrichtungen aufweisen, konzentrisch am rotierenden Teil eines Rades und der Stator, bestehend aus einem oder mehreren Kernen aus Dynamoeisen mit jeweils einem oder mehreren klauenförmig ausgebildeten Polschuhpaaren und jeweils einer Spule, an einem gegenüber dem Rad feststehenden Teil des Fahrzeuges angebracht ist, so daß die Polschuhpaare den magnetischen Polen der Permanentmagnete paarig unmittelbar mit möglichst geringem Luftspalt gegenüberstehen.
2. 2. Dynamo nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Stator so fixierbar ist, daß die Kerne bei Nichtgebrauch von den Magnetfeldern der Permanentmagnete wenig durchflutet werden.
3. 3. Dynamo nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Rotor als Scheibe einer bekannten Scheibenbremse und die Halterung des Stators als Halterung eines Bremskopfes dient.
4. 4. Dynamo nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß am Rotor ein oder mehrere vorzugsweise beidseitig wirkende Reflektoren angeordnet sind.