DE102013018716B4 - Fitnessgerät oder Nachrüstsatz für ein Fitnessgerät zur professionellen Stromgewinnung - Google Patents

Abstract

Trainings- oder Fitnessgerät (1) mit einem Energiewandler in Form eines Wechsel- oder Drehstromgenerators (21) zur Umwandlung der aufgewandten Energie in Strom, wobei dem Wechsel- oder Drehstromgenerator (21) ein Gleichrichter (23) nachgeschalten ist, um die Ausgangs-Wechselspannung (u_G) des Wechsel- oder Drehstromgenerators (21) in eine Gleichspannung (u_Z) eines Zwischenkreises (24) umzuwandeln, die als Eingangsspannung für einen Wechselrichter (29) dient, der daraus ausgangsseitig eine mit dem Stromversorgungsnetz (4) kompatible Wechselspannung an seinem Ausgang (30) erzeugt zur Einspeisung von Strom in ein öffentliches Stromversorgungsnetz (4), wobei sich eine scheibenförmige, mehrere Spulen (41") tragende Statorkomponente (40") zwischen zwei jeweils ringscheibenförmigen Hälften (39a", 39b") des Generator-Rotors (39") befindet, wobei
a) die Spulen (41") in Umfangsrichtung der Statorscheibe (40") derart aneinandergereiht sind, dass die Wickelachsen der Spulen (41") parallel zu der Drehachse des Generator-Rotors (39") verlaufen und der verkettete Magnetfluss die Spulen (41") lotrecht zu der Ebene der Statorscheibe (40") durchsetzt, wobei
b) an den einander zugewandten Innenseiten der beiden ringscheibenförmigen Rotorhälften (39a", 39b") jeweils Permanentmagnete (43a, 43b) derart befestigt sind, dass die einander zugewandten Seiten eines Paars von Magneten (43a, 43b) an der selben Azimutposition unterschiedliche Magnetpole tragen, so dass sich die Magnetfeldlinien geradewegs von dem Südpol eines Magneten (43a) zum Nordpol des zugeordneten Magneten (43b) erstrecken und dabei die Statorscheibe (40") samt der dortigen Spulen (41") lotrecht zu der Ebene der Statorscheibe (40") durchsetzen, wobei
c) die Permanentmagnete (43a, 43b) als Neodymmagnete ausgebildet sind, deren einander zugewandte Magnetpole sich in ihrer Polarität entlang der Umfangsrichtung abwechseln, und wobei
d) die Spulen (41") der Statorscheibe (40") mit den zu der Drehachse des Generator-Rotors (39") parallelen Wickelachsen nach Art einer mehrpoligen Wicklung oder Drehstromwicklung angeordnet sind, wobei jeweils mehrere Spulen (41") des Generator-Rotors (39"), in denen phasengleiche Spannungen induziert werden, in Reihe geschalten sind, so dass sich diese Spannungen linear addieren, und wobei
e) die die Spulen (41") tragende Statorscheibe (40") ringförmig ausgebildet und entlang ihres Außenumfangs an mehreren Stellen mit zu der Drehwelle (46) des Rotors (39") parallelen Abstandsschrauben (47) oder Abstandsbolzen an einem Haltekreuz (45) oder an einem Haltestern befestigt ist, der seinerseits am Rahmen (6") des Trainings- oder Fitnessgerätes (1) unverdrehbar festgelegt ist.

Description

• Die Erfindung richtet sich auf ein Trainings- oder Fitnessgerät mit einem Energiewandler in Form eines Wechsel- oder Drehstromgenerators zur Umwandlung der aufgewandten Energie in Strom, wobei dem Wechsel- oder Drehstromgenerator ein Gleichrichter nachgeschalten ist, um die Ausgangs-Wechselspannung des Wechsel- oder Drehstromgenerators in eine Gleichspannung eines Zwischenkreises umzuwandeln, die als Eingangsspannung für einen Wechselrichter dient, der daraus ausgangsseitig eine mit dem Stromversorgungsnetz kompatible Wechselspannung an seinem Ausgang erzeugt zur Einspeisung von Strom in ein öffentliches Stromversorgungsnetz wobei sich eine scheibenförmige, mehrere Spulen tragende Statorkomponente zwischen zwei jeweils ringscheibenförmigen Hälften des Generator-Rotors befindet.
• Handelsübliche Heimtrainer dienen ausschließlich zur Körperertüchtigung, d.h., ihr einziger Zweck ist die Gesundheit oder Fitness der trainierenden Person. Weitere, damit nicht direkt zusammenhängende Aspekte gibt es nicht.
• Nun rückt jedoch aufgrund eines steigenden Umweltbewusstseins die Nutzung regenerativer Energien immer weiter in den Mittelpunkt. Andererseits wird bei Heimtrainern die von der trainierenden Person aufgewandte Muskelkraft bzw. -energie bislang keiner weiteren Nutzung zugeführt, sondern auf sinnlose Weise vergeudet, beispielsweise an Bremswiderständen oder sonstigen Bremseinrichtungen in Wärme umgewandelt und damit einer weiteren Nutzung entzogen.
• Als Stand der Technik offenbart die US 7 504 737 B2 eine Vorrichtung zur Umwandlung menschlicher Kraft in elektrische Leistung mit einem PermanentMagnet-Generator. Die beispielhafte Zwölfspulen-Permanent-Magnet-Generator-Anordnung würde einen Zwölfspulenstator zwischen zwei Rotoren mit Permanentmagneten umfassen. Für ein Trainings- oder Fitnessgerät wäre ein derartiger Generator einschließlich der seitlichen Magnetabschirmungen und der sonstigen Gehäusebaugruppen viel zu aufwändig und kostspielig.
• Die EP 2 638 936 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein System zur Erzeugung elektrischer Energie für Spörttrainingsgeräte, umfassend einen Synchrongenerator mit einem Generatorrad mit einer Zentralwelle, einem feststehenden radial inneren Teil mit einer Wicklung und einem radial äußeren Drehring mit Permanentmagneten. Da sich bei einem scheibenförmigen Aufbau zwischen dem radial innen angeordneten Stator und dem radial außen liegenden Rotor nur ein Spalt mit einer sehr kleinen Flächenerstreckung ergibt, ist der übertragbare Magnetfluss sehr gering und daher ist auch die induzierte Spannung sehr gering.
• Die Einspeisung von Energie in ein intelligentes elektrisches Netzwerk durch ein Trainingsgerät wird in der US 2011 / 0 263 384 A1 offenbart. In einem Aspekt umfasst ein Trainingsgerät einen Rahmen und ein bewegliches Objekt, das mit dem Rahmen gekoppelt ist, um elektrische Energie zu erzeugen, wenn ein Mensch, ein domestiziertes Säugetier oder ein Lasttier eine Kraft auf das bewegliche Objekt ausübt. Zusätzlich umfasst das Trainingsgerät einen Energieerfassungsmechanismus, der mit dem beweglichen Objekt und dem Rahmen gekoppelt ist, um die elektrische Energie von dem beweglichen Objekt zu nutzen. Das Trainingsgerät umfasst auch einen Energieübertragungsmechanismus, der mit dem beweglichen Objekt und dem Rahmen gekoppelt ist, um die elektrische Energie in ein intelligentes elektrisches Netzwerk einzuspeisen. Hierbei wird jedoch kein Generator vorgeschlagen, der aus der langsamen Tretzahl eines Menschen eine Spannug von mehr als 12 Volt erzeugt, welche für die Einspeisung in ein Stromnetz geeignet wäre. Die vom Generator abgegebene 12 Volt-Gleichspannung kann dazu nicht ohne weiteres hochtransformiert werden.
• Aus den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, einen gattungsgemäßen Heimtrainer derart weiterzubilden, dass die bei der Nutzung eines Heimtrainers aufgewandte Muskelkraft bzw. -energie einer sinnvollen Nutzung zugeführt wird.
• Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass die Spulen in Umfangsrichtung der Statorscheibe derart aneinandergereiht sind, dass die Wickelachsen der Spulen parallel zu der Drehachse des Generator-Rotors verlaufen und der verkettete Magnetfluss die Spulen lotrecht zu der Ebene der Statorscheibe durchsetzt, wobei an den einander zugewandten Innenseiten der beiden ringscheibenförmigen Rotorhälften jeweils Permanentmagnete derart befestigt sind, dass die einander zugewandten Seiten eines Paars von Magneten an der selben Azimutposition unterschiedliche Magnetpole tragen, so dass sich die Magnetfeldlinien geradewegs von dem Südpol eines Magneten zum Nordpol des zugeordneten Magneten erstrecken und dabei die Statorscheibe samt der dortigen Spulen lotrecht zu der Ebene der Statorscheibe durchsetzen, wobei die Permanentmagnete als Neodymmagnete ausgebildet sind, deren einander zugewandte Magnetpole sich in ihrer Polarität entlang der Umfangsrichtung abwechseln, und wobei die Spulen der Statorscheibe mit den zu der Drehachse des Generator-Rotors parallelen Wickelachsen nach Art einer mehrpoligen Wicklung oder Drehstromwicklung angeordnet sind, wobei jeweils mehrere Spulen des Generator-Rotors, in denen phasengleiche Spannungen induziert werden, in Reihe geschalten sind, so dass sich diese Spannungen linear addieren, und wobei die die Spulen tragende Statorscheibe ringförmig ausgebildet und entlang ihres Außenumfangs an mehreren Stellen mit zu der Drehwelle des Rotors parallelen Abstandsschrauben oder Abstandsbolzen an einem Haltekreuz oder an einem Haltestern befestigt ist, der seinerseits am Rahmen des Trainings- oder Fitnessgerätes unverdrehbar festgelegt ist.
• Erst durch die erfindungsgemäße Maßnahme, die eingesetzte Energie in eine dem allgemeinen Stromnetz einspeisbare Form umzuwandeln, wird eine universale Energieform gefunden, die tatsächlich nutzbar gemacht werden kann. Denn andere Versuche, mit der gewonnenen Energie beispielsweise einen Bordcomputer oder eine Beleuchtung zu speisen, führen zwar zu einer teilweisen Nutzung dieser Energie; diese wird dabei jedoch nicht wirklich sinnvoll genutzt, sondern nur für einen naheliegenden Zweck eingesetzt. Eine allgemeine Nutzung erfolgt auf diesem Wege nicht.
• Erst die Einspeisung in ein Stromversorgungsnetz macht diese Energie wirklich nutzbar, denn der in das Stromnetz eingespeiste Strom wird augenblicklich von daran angeschlossenen Verbrauchern aufgezehrt. Eine Vergeudung findet dabei nicht statt.
• Die Einrichtung zur Stromeinspeisung weist einen Wechselstrom-Ausgang auf, vorzugsweise einen ein- oder dreiphasigen Wechselstrom-Ausgang. Im Normalfatl, also wenn die von einer Person erbrachte Leistung in eine Netz eingespeist wird, sollte dazu natürlich ein einphasiger Wechselstromausgang genügen, also die Spannung einer Phase gegenüber dem Nullleiter eines Drehstromnetzes. Allerdings existiert erfindungsgemäß auch die Möglichkeitbeispielsweise in einem Fitnesscenter od. dgl. - eine größere Leistung, nämlich die gesammelte Leistung aller dort gerade Fitness treibenden Personen, gemeinsam in ein öffentliches Stromnetz einzuspeisen. Sofern hierfür eine einzige, gemeinsame Einspeiseeinrichtung vorgesehen wird, dem die Leistungen aller soeben trainierenden Personen eingangsseitig zugeführt wird, ist es auch denkbar, für die Einspeisung eine Einrichtung mit einem dreihphasigen Drehstromausgang zu verwenden.
• Als Energiewandler ist ein Generator, insbesondere ein Gleichstromgenerator oder Wechselstromgenerator oder Drehstromgenerator, vorgesehen. Da nicht davon auszugehen ist, dass die von einem Generator erzeugte Wechselfrequenz mit einem öffentlichen Stromnetz synchron wäre, hat ein Wechselstromgenerator keine funktionellen Vorteile, weil dessen Wechselspannung ohnehin gleichgerichtet und dann zur Einspeisung wieder in eine synchrone und phasenrichtige Wechselspannung umgewandelt werden muss. Allerdings hat ein Wechsel- oder Drehspannungsgenerator eventuell einen einfacheren Aufbau, weil dort keine mechanischen Kommutierungshilfsmittel erforderlich sind. Die Induktionsspulen können fest verdrahtet sein und wenn diese in den Stator eingebaut werden, sind selbst Schleifringe nicht erforderlich.
• Der Rotor des Generators weist mehrere Permanentmagnete in Form von Neodymmagneten auf. Diese erzeugen ein mit dem bewegten Rotor mit rotierendes Magnetfeld, dessen wechselnde Verkettung mit den statorseitigen Induktionsspulen dort jeweils eine Wechselspannung induziert. Ein solches rotierendes Magnetfeld ließe sich zwar auch mittels eines oder mehrerer Elektromagnete erzeugen; dafür wären jedoch wiederum verschleißbehaftete Schleifringe erforderlich, um einen oder mehrere rotierende Elektromagnete mit Strom zu versorgen. Ein oder mehrere Permanentmagnete machen solches jedoch überflüssig und erzielen dasselbe Ergebnis. Indem hartmagnetische Permanentmagnete verwendet werden, ist eine Entmagnetisierung nicht zu befürchten.
• Da ein Dreh- oder Wechselstromgenerator Verwendung findet, muss ein Gleichrichter nachgeschaltet sein. Damit wird die Drehgeschwindigkeit des mechanisch an das Fitnessgeräts angekoppelten Generators von der Frequenz des zu speisenden Netzes vollkommen entkoppelt. Bei niedrigerer Drehzahl des Fitnessgeräts wird zwar die einzuspeisende Leistung reduziert; die dann noch erzeugte Leistung kann dennoch eingespeist werden.
• Am Gleichstromausgang des Gleichrichters ist ein Akkumulator angeschlossen. Damit lassen sich mehrere Ziele verfolgen: Einerseits hat ein Akkumulator einen nicht unerheblichen Glättungseffekt, da seine Spannung sich über einen weiten Ladebereich von ca. 20 % bis 80 % nur unwesentlich ändert; ferner kann ein Akkumulator Energie speichern und ist damit in der Lage, im Fitnesscenter zufällig auftretende Trainingsspitzen vorübergehend aufzunehmen, wie auch kurzzeitige Trainingsunterbrechungen abzufedern, ohne dass dies auf die Einspeiseleistung zunächst einen gravierenden Einfluss hat; schließlich kann ein solcher Akkumulator auch dazu dienen, um Gleichspannungverbraucher zu treiben, beispielsweise eine Digitalanzeige, Gleichstrom-Lichtquellen wie Glühbirnen oder Leuchtdioden oder gar eine Reglerplatine der Einspeisungseinrichtung, etc.
• Indem die Spulen in oder an dem Stator nach Art einer vorzugsweise mehrpoligen Drehstromwicklung angeordnet sind, ist der Leistungsfluss maximal geglättet, d.h., eine trainierende Person wird einen annähernd konstanten Widerstand verspüren, ohne jegliche spürbare Oberwellen.
• Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Einrichtung zur Stromeinspeisung eine Einrichtung zur Synchronisierung der Ausgangs-Wechselspannung mit der Wechselspannung des öffentlichen Stromversorgungsnetzes aufweist. Infolge verschiedener, in den Leitungen und Transformatoren, etc. vorhandenen Induktivitäten ist ein Wechselstrom- oder Drehstromnetz nur in der Lage, eine Wirkleistung aufzunehmen, wenn ihm diese nicht nur synchron, sondern in Phase, also ohne Phasenverschiebung, angeboten wird. Andere Wellenformen können allenfalls als Blindleistung aufgenommen werden, wenn sie zumindest synchronisiert sind, jedoch eine andere Phasenlage aufweisen; ansonsten werden sie wohl reflektiert wie Wellen einer anderen Frequenz oder überhaupt nicht akzeptiert wie Gleichstrom. Um also eine kontinuierliche Einspeisung zu erreichen, ist eine Synchronisierung mit dem öffentlichen Stromnetz unumgänglich.
• Die Erfindung lässt sich dahingehend weiterbilden, dass der Wechselstrom-Ausgang direkt oder über eine Reaktanz mit dem öffentlichen Stromversorgungsnetz gekoppelt ist, insbesondere über eine ein- oder dreiphasige Reaktanz. Eine direkte Ankopplung mag zwar auf den ersten Blick die preiswertere sein, da zusätzliche Reaktanzen vermieden werden; jedoch könnte solchenfalls die Phase der Synchronisierung beim Einschalten der erfindungsgemäßen Einrichtung solchenfalls zu vergleichsweise starken Ausgleichsströmen führen, welche ohne geeignete Gegenmaßnahmen bedrohliche Höhen erreichen könnten. Wird dagegen in jeder Phase beispielsweise eine Drosselspule vorgesehen, so werden Einschaltstromspitzen begrenzt, und außerdem kann eventuell die Regelung vereinfacht werden.
• Die Erfindung bevorzugt eine Anordnung, wobei an dem öffentlichen Stromversorgungsnetz und/oder an dem Wechselstrom-Ausgang der Einrichtung zur Stromeinspeisung ein Spannungswandler und/oder -sensor angekoppelt ist. Ein solcher Wandler oder Sensor an dem öffentlichen Stromversorgungsnetz dient zur Beobachtung des öffentlichen Netzes und damit zur Schaffung einer Referenz für die Einspeisefrequenz und - phasenlage. Sofern zwischen der Einspeiseeinrichtung und dem öffentlichen Netz eine Koppelreaktanz Z vorgesehen ist, gibt es für die direkte Ankopplung eines solchen Wandlers oder Sensors an eben dieses öffentliche Netz kaum eine Alternative, da solchenfalls der Wechselstromausgang der Einspeiseeinrichtung , nicht stets in Phase mit dem öffentlichen Netz ist. Ist dagegen keine Koppelreaktanz vorgesehen, so ist natürlich die Ankopplung an den Wechselstromausgang der Einspeiseeinrichtung zu einer Ankopplung an das öffentliche Stromnetz äquivalent. Bei Verwendung einer Koppelreaktanz Z besteht zudem die Möglichkeit, ein- und ausgangsseitig der Koppelreaktanz Z je einen Spannungswandler oder -sensor vorzusehen, und anhand der Formel ΔU = U _E - U _S = Z * I den Strom I durch die Reaktanz zu ermitteln, wobei U _E die Spannung am Ausgang der Einspeiseeinrichtung und U _S die Spannung des öffentlichen Stromnetzes ist. Das komplexe Produkt P = P + jQ = U _S * I ist die eingespeiste Leistung in komplexen Komponenten, wobei der Zeiger I parallel zu der Spannung ΔU = U _E - U _S gezählt wird, also uplinkseitig zu zählen ist. Wenn U _S und I in Phase schwingen, gilt vereinfachend P = | U _S | * | I | für die eingespeiste Wirkleistung P. Falls die Phasenlage dagegen nicht 0 bzw. cos φ ≠ 1 ist, so wäre die Blindleistung Q nicht gleich 0. Erfolgt dagegen die Ankopplung der Einspeiseeinrichtung unmittelbar, also ohne eingeschleifte Koppelreaktanz Z , so muss der Einspeisungsstrom I zur Ermittlung der eingespeisten Leistung P direkt erfasst werden, vorzugsweise mittels eines oder mehrerer Stromwandler oder -sensoren in den Ausgängen der Einspeiseeinrichtung.
• Wenn der Spannungswandler an dem Wechselstrom-Ausgang der Einrichtung zur Stromeinspeisung eine etwas stärkere Untersetzung 1/k_E = u _e / U _E aufweist als die Untersetzung 1/k_S = u _s / U _S der Spannungswandler an dem öffentlichen Stromversorgungsnetz, wobei gilt: $${\text{k}}_{\text{E}}>{\text{k}}_{\text{S}},$$

  

  so kann für den Fall einer Rückkopplung bzw. Ausregelung des Messwerts u _e der Ausgangsspannung U _E der Einspeiseeinrichtung auf den Messwert u _s der Spannung U _S des öffentlichen Stromnetzes $${\underset{\_}{u}}_{\text{e}}-{\underset{\_}{u}}_{\text{s}}=0$$

  

  $$1{\text{/k}}_{\text{E}}*{\underset{\_}{U}}_{\text{E}}={\underset{\_}{u}}_{\text{e}}={\underset{\_}{u}}_{\text{s}}=1{\text{/k}}_{\text{S}}*{\underset{\_}{U}}_{\text{S}}$$

  

  $${\underset{\_}{U}}_{\text{S}}={\text{k}}_{\text{S}}{\text{/k}}_{\text{E}}*{\underset{\_}{U}}_{\text{E}}$$

  

  $$\underset{\_}{\Delta }={\underset{\_}{U}}_{\text{E}}-{\text{k}}_{\text{S}}{\text{/k}}_{\text{E}}*{\underset{\_}{U}}_{\text{E}}=\left(1-{\text{k}}_{\text{S}}{\text{/k}}_{\text{E}}\right)*{\underset{\_}{U}}_{\text{E}}>\underset{\_}{0}$$

  

  eine Spannungsdifferenz ΔU = U _E - U _S > 0 eingestellt werden, woraus gemäß Z * I = ΔU > 0 ein positiver, endlicher Einspeisungsstrom I und damit auch eine endliche, eingespeiste Wirkleistung P = | U _S | * | I | folgt.
• Die Erfindung empfiehlt weiterhin, dass das Signal u _s wenigstens eines Spannungswandlers und/oder -sensors am öffentlichen Stromversorgungsnetz als Sollwert für eine Synchronisations- und/oder Regelschaltung dient. Wie oben ausgeführt, muss der Einspeisungsstrom I mit der Spannung U _S des öffentlichen Stromnetzes nicht nur synchron sein, sondern auch in Phase. Dies bedeutet, abgesehen von einem ggf. abweichenden Proportionalitätsfaktor muß zwischen diesen beiden Größen Identität bestehen, also Gleichheit der beiden Frequenzen ω und Phasenlagen φ: $${\mathrm{\omega }}_{\text{I}}={\mathrm{\omega }}_{\text{US}};$$

  

  $${\mathrm{\phi }}_{\text{I}}={\mathrm{\phi }}_{\text{US}}.$$

  
• Hierzu genügt z. B. die Bedingung u _e - u _s = 0 , wenn die Proportionalitätsfaktoren k_E, k_S beide real sind, also weder imaginär noch komplex.
• Eine besonders einfache Regelschaltung ergibt sich, wenn man das Signal wenigstens eines Spannungswandlers und/oder -sensors an dem Wechselstrom-Ausgang der Einrichtung zur Stromeinspeisung als Istwert für eine Synchronisations- und/oder Regelschaltung verwendet. Wie oben angedeutet, genügt bei Verwendung einer Koppelreaktanz Z zwischen dem Ausgang der Einspeiseeinrichtung und dem öffentlichen Stromnetz sowie bei Verwendung von Wandlern oder Sensoren mit unterschiedlichen Untersetzungen k_E > k_S die Bedingung u _e = u _s , wenn die Proportionalitätsfaktoren k_E, k_S beide real sind, um eine endliche, eingespeiste Wirkleistung P = | U _S | * | I | sicherzustellen.
• Falls eine Koppelreaktanz Z nicht vorhanden ist, d.h. Z = 0 , so kann stattdessen das Signal i eines Stromwandlers und/oder -sensors an dem Wechselstrom-Ausgang der Einrichtung zur Stromeinspeisung als Istwert für eine Synchronisations- und/oder Regelschaltung dienen. Auch solchenfalls ist sicherzustellen, dass gilt: $${\mathrm{\omega }}_{\text{i}}={\mathrm{\omega }}_{\text{us}};$$

  

  $${\mathrm{\phi }}_{\text{i}}={\mathrm{\phi }}_{\text{us}}.$$

  
• In diesem Fall wäre die Regelgröße nicht die Ausgangsspannung U _E der Einspeisungseinrichtung, sondern deren Ausgangsstrom I unmittelbar.
• Im Zuge der erfindungsgemäßen Regelung sollte die Differenz zwischen Soll- und Istwert als aktuelle Regelabweichung Δa gebildet werden. Je nach der verwendeten Regelgröße beideutet dies: $$\underset{\_}{\Delta }={\underset{\_}{u}}_{\text{e}}-{\underset{\_}{u}}_{\text{s}}$$

  

  oder , $$\underset{\_}{\Delta }=\underset{\_}{i}-{\underset{\_}{u}}_{\text{s}}$$

  
• Anhand dieser Differenz zwischen Soll- und Istwert sollte die Ausgangsspannung an dem Wechselstrom-Ausgang der Einrichtung zur Stromeinspeisung geregelt werden, um optimale Einspeisebedingungen zu erzielen, d.h.: $$\underset{\_}{\Delta }=\underset{\_}{0},$$

  

  oder zumindest $$\left|\underset{\_}{\Delta }\right|<\mathrm{\epsilon },$$

  

  wobei ε > 0, aber ε ≠ 0.
• Im Rahmen einer besonders einfachen Ausführungsform ist der dazu verwendete Regler ein Zweipunktregler. Dieser sollte so ausgebildet sein, dass er jeweils bei Δa = ±ε jeweils eine Umsteuerung der Einspeiseeinrichtung bewirkt, so dass die davon beeinflusste Regelgröße stets in einer entsprechend engen Umgebung des aktuellen Sollwertes bleibt. Solche Zweipunktregler können sehr einfach aufgebaut werden, beispielsweise mittels Komparatoren, und arbeiten äußerst stabil, denn da die beiden Umsschaltpegel ±ε um einen Wert von 2 ε auseinander liegen, ergibt sich nahezu von selbst eine Schalthysterese, welche ein unkontrolliertes Schwingen eines solchen Reglers nicht zulässt.
• Im Rahmen einer anderen Ausführungsform kann der Regler ein Proportionalregler sein oder eine Proportionalkomponente aufweisen. Ein solcher Regelbaustein lässt sich beispielsweise mittels eines gegengekoppelten Operationsverstärkers aufbauen und ist daher im Grunde auch nicht sehr aufwändig. Jedoch setzt die Regelung hier früher ein als bei einem Zweipunktregler, welcher erst eingreift, wenn der Offset zwischen Soll- und Istwert eine vorgegebene Grenze erreicht hat. Mit einem solchen Proportionalregler kann daher eine genauere und/oder geschmeidigere Regelung erreicht werden, insbesondere wenn dieser zusätzlich zu einem P- oder Proportionalanteil auch noch andere Komponenten aufweist, beispielsweise einen I- oder Integralanteil und/oder einen D- oder Differentialanteil.
• Als Stellglied dient im Allgemeinen der Leistungsteil bzw. Ausgangsverstärker eines Wechselrichters oder einer Wechselrichterbaugruppe. Ein solcher Leistungsteil bzw. Ausgangsverstärker weist üblicherweie für jede Phase einen zwischen zwei Anschlüsse eines Gleichspannungs- oder Gleichstrom-Zwischenkreises geschalteten Zweig mit zwei in Reihe geschalteten Leistungsstellgliedern, insbesondere Leistungstransistoren oder -thyristoren, auf, wobei die betreffende Phase an dem Knoten zwischen beiden Leistungsstellgliedern angeschlossen ist und von dort abzweigt. Der betreffende Phasenausgang kann zusammen mit dem die beiden Leistungsstellglieder verbindenden Knoten daher je nach Schaltzustand beider Leistungsstellglieder an den positiven oder negativen Gleichspannungs- oder Gleichstrom-Zwischenkreis angeschalten werden und damit die Ausgangspannung zwischen diesen beiden Potentialen verstellt werden bzw. der Ausgangsstrom erhöht oder verringert werden.
• Ein solcher Leistungsteil eines Wechselrichters wird daher während des Betriebes geschalteten oder getaktet. Dabei kann die Schalt- oder Taktfrequenz konstant vorgegeben werden, beispielsweise bei Verwendung eines Pulsweitenmodulators, oder sie kann sich von selbst und variabel einstellen, wie beispielsweise bei Verwendung eines Zweipunktreglers.
• Wenn der Generator zur Speisung der Wechselrichterbaugruppe weder eine Gleichspannung noch einen Gleichstrom liefert, sollte die Wechselrichterbaugruppe Bestandteil eines Umrichters sein, welcher aus einer Dreh- oder Wechselspannung zunächst in einem Zwischenkreis eine Gleichspannung und/oder einen Gleichstrom erzeugt. Im Rahmen eines solchen Zwischenkreises besteht zudem die Möglichkeit, mit einfachen Mitteln den Energiefluss zu glätten, indem dort bei einem Gleichspannungs-Zwischenkreis ein Glättungskondensator parallel an den Zwischenkreis angeschalten wird, während bei einem Gleichstrom-Zwischenkreis eine Drosselspule in Reihe eingeschleift werden sollte.
• Bevorzugt ist der Energiewandler ein mehrpoliger Wechselstrom- oder Drehstromgenerator. Solche Generatoren liefern höhere Frequenzen als einpolige Generatoren, weil pro Umdrehung des Rotors eine der Polzahl entsprechende Mehrzahl von Spannungswellen induziert wird. Zwar ist die Frequenz als solche im Fall einer anschließenden Gleichrichtung nicht von großer Bedeutung; jedoch hat solchenfalls eine gleichgerichtete Spannung weniger niederfrequente Oberwellen und ist also leichter zu glätten - insbesondere in einem Zwischenkreis - als eine nach Gleichrichtung stark oberwellenbehaftete Spannung. Außerdem sind solche mehrpoligen Generatoren eher in der Lage, bereits ab geringen Drehzahlen eine verwertbare Ausgangsspannung zu erzeugen, als einpolige Generatoren.
• Die Erfindung lässt sich dahingehend weiterbilden, dass der Durchmesser des Energiewandlers größer ist als dessen Länge. Dadurch steht im Bereich des peripheren Umfangs eines solchen Energiewandlers ein größerer Raum zur Verfügung, um dort eine Vielzahl von Induktionsspulen anzuordnen.
• Das Prinzip eines großen Durchmessers bei kurzer Länge gipfelt in einer Anordnung, wobei der Rotor, des Generators die Gestalt einer Scheibe aufweist. Damit kann bei ansonsten kompakter Bauweise eine maximale Polzahl der Wicklung realisiert werden.
• Demnach ergibt sich die konstruktiv einfachste Anordnung, wenn der Stator des Generators ein oder vorzugsweise mehrere Spulen. aufweist, während im oder am Rotor Magnete angeordnet sind. Die Relativverdrehung zwischen den beiden Baugruppen sorgt dafür, dass in den Spulen jeweils ein Wechselfeld erzeugt wird.
• Eine besonders günstige Anordnung besteht darin, dass zu beiden Seiten des scheibenförmigen Rotors Statorspulen angeordnet sind. Wenn - wie die Erfindung weiterhin vorsieht - die (Permanent-) Magnete in dem scheibenförmigen Rotor derart angeordnet sind, dass sich die beiden entgegengesetzten Magnetpole eines Magneten an den beiden Seiten des Rotors befinden, so hat das dadurch erzeugte Magnetfeld eine Feldrichtung lotrecht zu der Grundebene der Rotorscheibe. Um eine maximale Feldverkettung mit einer Spule zu erreichen, sollte deren Längsachse daher lotrecht zu der Rotorscheiben-Grundebene orientiert sein. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: Die Spulen. können auf einer Seite der Rotorscheibe angeordnet sein oder auf der anderen, gegenüber liegenden Rotorseite oder eben an beiden Rotorseiten. Die letztere Variante hat den Vorteil, dass bei nur unwesentlich vergrößertem Bauraum die Anzahl der Spulen verdoppelt werden kann, mithin die erzeugbare Leistung verdoppelt wird.
• Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass der Gleichstromausgang des Gleichrichters herausgeführt und/oder mit einem Steckanschluss versehen ist, so dass die Gleichrichter mehrerer Fitnessgeräte parallegeschalten werden können. Dadurch lassen sich beispielsweise in Fitnesszentren Synergieeffekte erzielen, indem solchenfalls nur ein einziger Wechselrichterbaustein vorgesehen ist. Dadurch wird einerseits der Aufwand verringert; andererseits neigt ein einziger Wechselrichter erheblich weniger zum Schwingen als mehrere, parallelgeschaltene Wechselrichter, die sich gegenseitig aufschaukeln können, wenn die mehreren Einspeiseregler weder koordiniert noch aufeinander abgestimmt sind.
• Wie oben bereits angedeutet, kann eine erfindungsgemäße Anordnung auch zur Speisung lokaler Verbraucher herangezogen werden. Dies kann wahlweise mittels Gleichspannung erfolgen, die einem Gleichrichter oder einem daran gekoppelten Akkumulator entnommen werden kann, oder - beispielsweise nach Art eines Inselnetzes - mit Wechselstrom, welcher von dem Einspeisegerät, insbesondere von dessen Wechselrichter, abgegriffen werden kann.
• Da bei Wegfall einer Netzspannung eine Synchronisierung auf ein externes Stromnetz nicht möglich ist, sollte die Einspeiseeinrichtung für diesen Zweck in der Lage sein, aus einem integrierten Frequenzgenerator die ortsübliche Spannungsfrequenz von 50 Hz (Europa) oder 60 Hz (USA) selbst vorzugeben und eine entsprechende Wechselspannung zu erzeugen.
• Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung lässt sich daher wenigstens ein lokaler Verbraucher speisen, wahlweise von dem Generator selbst und/oder von einer daraus generierten Gleich-, Wechsel- oder Drehstromspannung. Hierfür eignen sich besonders Verbraucher in Form von Lichtquellen, weil beispielsweise Glühbirnen mit jegliche Art von Strom betrieben werden können - sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom; selbst die Frequenz und Oberwellenhaltigkeit ist dabei nebensächlich. Andererseits haben Leuchtdioden einen weitaus besseren Wirkungsgrad als Glühlampen und sollten daher unter energetischen Gesichtspunkten vorgezogen werden; diese benötigen jedoch eine Gleichspannung.
• Ein vorzugsweise von dem Generator und/oder von einem davon aufgeladenen Akkumulator gespeistes Anzeigeelement kann zur Anzeige der in das öffentliche Stromnetz aktuell eingespeisten Leistung und/oder zur Anzeige des Ladezustands eines Akkumulators und/oder zur Anzeige weiterer Informationen dienen. Damit kann eine trainierende Person jederzeit überprüfen, wie viel sie bereits geleistet und damit in das Stromnetz eingespeist hat.
• Ein Fitnessgerät in Form eines mittels Pedalen antreibbaren Heimtrainers zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass der Generator auf einer von der Tretkurbelachse lotrecht durchsetzten Ebene, welche zu beiden Pedalen etwa gleiche Abstände aufweist, angeordnet ist. Bei einer solchen Anordnung gestaltet sich einerseits der Antrieb des Generators sehr einfach; außerdem wird eine auf dem Heimtrainer sitzende Person durch einen solchermaßen platzierten Generator beim Treten der Pedale am wenigsten gestört.
• Bei einem Fitnessgerät in Form eines mittels Pedalen antreibbaren Heimtrainers kann der Generator anstelle einer Schwung- und/oder Bremsscheibe eingebaut oder mit einer solchen integriert sein. Dadurch muss die grundsätzliche Anordnung des Heimtrainers kaum modifiziert werden, d.h., es können ansonsten Standardbauteile zum Einsatz kommen.
• Es ist durchaus empfehlenswert, dass der Generator mittels einer Kette angetrieben wird, vorzugsweise mittels einer in eine Verzahnung an einem rundumlaufenden Bereich des Generators, insbesondere an dem Außenumfang des Rotors, kraftschlüssig eingreifenden Kette. Ein solches Koppelmittel ist vergleichsweise einfach zu realisieren und erfordert lediglich rundumlaufende Verzahnungen an dem Generator sowie an einem mit der Tretkurbel drehfest verbundenen Rad.
• Andererseits wird vom Erfinder empfohlen, dass der Rotor des Generators auf einer Freilaufnabe montiert ist. Der Freilauf sollte derart orientiert sein, dass bei einer Unterbrechung der Tretbewegung der Rotor von selbst noch weiterlaufen kann, solange der ihm innewohnende Schwung noch ausreicht.
• Um eine besonders hohe Drehzahl des Generators zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass eine Kette anstelle mit einer Verzahnung am Außenumfang des Rotors selbst nur in ein Kettenritzel eingreift, welches seinerseits drehfest mit dem Rotor gekoppelt ist. Wenn ein solches Kettenritzel einen vergleichsweise kleinen Durchmesser d₂ aufweist und dementsprechend eine kleiner Zähnezahl z₂, insbesondere im Verhältnis zu dem Durchmesser d₁ und der Zähnezahl z₁ eines mit der Tretkurbel verbundenen Kettenrades oder - blattes, so kann eine Drehzahl-Übersetzung erreicht werden, d.h., der Rotor des Generators läuft mit einer größeren Drehzahl n_G um als die Drehzahl n_T der Tretkurbel selbst. Eine Übersetzung ü = n_G : n_T = 20 : 1 lässt sich beispielsweise erreichen, wenn gilt: ü = z₁ : z₂ = 20 : 1 bzw. ü = d₁ : d₂ = 20 : 1. Bei einer Umdrehungszahl n_T an der Tretkurbel von 1 Umdrehung pro Sekunde würde demnach der Generator mit einer Drehzahl n_G von 20 Umdrehungen pro Sekunde umlaufen, so dass bei einer über 180° gewickelten Wiccklung eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 20 Hz induziert würde. Bei einem beispielsweise dreipoligen Generator, wobei sich eine Wicklung nur über einen Zentrumswinkel von 60° erstreckt, wäre die induzierte Frequenz bereits 60 Hz.
• Die Erfindung erlaubt eine Weiterbildung dahingehend, dass die Einrichtung zur Einspeisung des Stroms in ein öffentliches Stromversorgungsnetz ggf. zusammen mit dem Energiewandler an dem Fitnessgerät nachrüstbar ist. Eine solche Nachrüstmöglichkeit der erfindungsgemäßen Einspeiseeinrichtung für handelsübliche Heimtrainer oder sonstige Fitnessgeräte senkt die mit der Installation einer Einspeiseeinrichtung verbundenen Investitionskosten substantiell, indem bereist vorhandene Heimtrainer, Fitnessgeräte und Trainingsmaschinen weiter verwendet werden können. Lediglich an einem bewegten Teil, vorzugsweise an einem Drehanschluss, wird die dortige Bewegung abgegriffen und zum Antrieb eines Generators verwendet, dessen erzeugter Strom sodann in ein öffentliches Netz eingespeist wird. Oftmals ist an einem Heimtrainer, sonstigen Fitnessgerät oder einer Trainingsmaschine eine Schwung- und/oder Bremsscheibe od dgl. vorgesehen. Diese kann dann ggf. ausgebaut und durch einen bspw. scheibenförmigen Generator ersetzt werden.
• Dementsprechend zeichnet sich die Erfindung ferner aus durch einen Nachrüstsatz für ein Fitnessgerät, beispielsweise in Form eines Heimtrainers, mit einer Einrichtung zur Einspeisung von mit dem Fitnessgerät erzeugter Energie in Form von Strom in ein öffentliches Stromversorgungsnetz. Diese Einspeiseeinrichtung hat eine Art Adapterfunktion: Sie muss in der Lage sein, die Energie eines Generators, welche ihr in Form eines Gleich-, Wechsel- oder Drehstroms angeboten wird, aufzunehmen und in eine für die Einspeisung in ein öffentliches Stromnetz geeignete Form umzuwandeln.
• Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass der Nachrüstsatz einen Energiewandler aufweist zur Umwandlung der aufgewandten, mechanischen Energie in Strom, beispielsweise einen Generator oder Dynamo, welchem die Einrichtung zur Einspeisung der mit dem Fitnessgerät erzeugten Energie in ein öffentliches Stromversorgungsnetz nachgeschalten ist. Wie oben bereits ausgeführt, hat eine erfindunggemäße Einspeisungseinrichtung die Struktur eines Adapters mit zwei Schnittstellen - einer für einen speisenden Generator, Dynamo od. dgl., die andere für die Ankopplung an das zu speisende Netz - wobei die Ankopplung an ein öffentliches Stromnetz vergleichsweise einfach ist, weil es nur zwei Parameter gibt, welche einzuhalten sind, nämlich die Spannungsamplitude (beispielsweise 230 V) und die Frequenz (beispielsweise 50 Hz), und weil diese Parameter innerhalb jedes Landes genormt sind, so dass eine werksseitige Einstellung unbedenklich ist. Dagegen gibt es eine vielzahl von Generatoren, Dynamos, etc.; deren Nennspannung, -leistung und vor allem die Art der Ausgangsspannung - Gleich- Wechsel- oder Drehstrom in weiten Bereichen streuen können. Daher ist es eine wichtige Maßnahme, die Art des im Rahmen eines Nachrüstsatzes anzukoppelnden Generators nicht dem Zufall zu überlassen, sondern diesen mit dem Nachrüstsatz selbst zu liefern, so dass bei der Auswahl der Komponenten auf eine optimale Harmonie zwischen Generator und Einspeisungseinrichtung geachtet werden kann. Die mechanische Ankopplung des Generators an das jeweilige Fitnessgerät oder die jeweilige Trainingsmaschine ist dagegen im Allgemeinen weniger kritisch und kann mit handwerklichem Geschick von jedermann bewerkstelligt werden.
• Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
• 1 einen Heimtrainer mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Nutzbarmachung des erzeugten Stroms gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht;
• 2 ein Blockschaltbild mit den elektrischen Komponenten der Einrichtung aus 1;
• 3 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung in der Seitenansicht;
• 4 den Generator der Einspeiseeinrichtung nach 3;
• 5 einen anderen Generator in einer der 4 entsprechenden Ansicht;
• 6 einen Schnitt quer durch den Generator aus 5;
• 7 eine Prinzipdarstellung der Statorspulen des Generators aus 5 in einer Seitenansicht;
• 8 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Statorspulen des Generators aus 5; sowie
• 9 ein Blockschaltbild einer Einspeiseschaltung, die für gewerbliche Anwendungen gedacht ist, insbesondere für Fitnesszentren, wo eine Vielzahl von Trainings- oder Fitnessgeräten zur Verfügung stehen und mitunter gleichzeitig genutzt werden.
• Von einem Fitnessgerät 1 wird einer trainierenden Person eine vorzugsweise vielmals wiederkehrende Bewegung und damit Energie abverlangt, um dadurch deren Muskelapparat zu trainieren und damit seine Gesundheit zu fördern.
• Dieser Aspekt des Muskelaufbaus bzw. der Gesundheit steht dabei völlig im Vordergrund; die von der Person aufgewandte Energie wird zumeist sinnlos vergeudet, beispielsweise von einer Schwung- und/oder Bremsscheibe mit einem Reibmechanismus in Wärme umgewandelt. Zwar mag die Wärmeerzeugung im Winter noch einen gewissen Sinn machen; im Sommer ist dies jedoch nicht der Fall, und außerdem ist die zur Verfügung stehende Bewegungsenergie eigentlich viel zu schade, um sie nur in Wärme umzuwandeln.
• Eben diese der trainierenden Person abverlangte Energie kann mittels eines an das Fitnessgerät 1 angebauten, erfindungsgemäßen Nachrüstsatzes 2 in Form einer Einspeiseeinrichtung 3 in ein Stromnetz 4 eingespeist werden, insbesondere in eine öffentliches Stromversorgungsnetz, und wird dadurch für andere Verbraucher zur Verfügung gestellt.
• Bei dem repräsentativ für ein Fitnessgerät 1 dargestellten Heimtrainer 5 handelt es sich um ein handelsübliches Modell. Man erkennt einen Rahmen 6 mit einem Längsholm 7, davon abzweigenden seitlichen Auslegern 8 und endseitigen Gummifüßen 9 daran, einer am rückwärtigen Ende des Längsholms 7 nach oben ragenden Sattelrohrstütze 10 mit einem höhenverstellbaren Sattel 11, sowie einer vorderen Säule 12 mit einer oberseitigen Gabel 13, deren Enden 14 als Handgriffe dienen.
• Auf dem Längsholm 7 des.Rahmens 6 ist ein Getriebekasten 15 angeordnet, worin eine Tretkurbel 16 um eine quer zum Längsholm 7 bzw. zur Sitzrichtung verlaufende Achse drehbar gelagert ist, beispielsweise mittels Wälzlagern. An den Enden der Drehwelle 17 der Tretkurbel 16 zweigen Kurbelarme 18 jeweils in antiparallelen Radialrichtungen ab und sind an dem jeweiligen freien Ende mit je einem Fußpedal 19 versehen, das gegenüber der betreffenden Tretkurbel 16 um eine zu der Drehwelle 17 parallele Achse drehbar gelagert ist.
• Normalerweise befindet sich in dem Getriebekasten 15 noch eine Schwung- und/oder Bremsscheibe, die fest mit der Tretkurbel 16 gekoppelt ist und bei deren Betätigung Widerstand leistet, der von der trainierenden Person zu überwinden ist; zumeist ist die Schwung- und/oder Bremsscheibe über eine Kette mit der Tretkurbel 16 drehfest gekoppelt, indem sowohl an einem mit der Tretkurbel 16 fest verbundenen Rad 20 als auch an der Schwung- und/oder Bremsscheibe jeweils eine rundum laufende Verzahnung vorgesehen ist, worin die Kette eingreift.
• Zum Anbau des Nachrüstsatzes 2 wird zunächst diese Schwung- und/oder Bremsscheibe ausgebaut, ggf. nach Entfernung der Kette.
• Als nächstes wird am Umfang des Getriebekastens 15, beispielsweise in Sitzrichtung vor diesem, eine Öffnung vorgesehen. Davor wird sodann der erfindungsgemäße Nachrüstsatz 2 installiert. Dieser umfasst einen Generator 21, insbesondere einen Scheibengenerator. An diesem oder an einem damit gekoppelten Rad ist eine rundum laufende Verzahnung vorgesehen, worin eine Kette 22 eingreifen kann. Diese Kette wird um die betreffende Verzahnung sowie um die Verzahnung an der Welle oder dem Rad 20 der Tretkurbel 16 geschlungen sowie gespannt. Damit ist der Generator 21 drehfest an die Tretkurbel 16 gekoppelt und wird von dieser angetrieben.
• Tritt nun eine Person in die Pedale 19, so wird im Generator 21 eine Spannung u_G induziert, und sobald ein Stromfluß i_G zustandekommt, kann eine elektrische Leistung P_G = u_G * i_G abgegriffen werden. Hierbei kann es sich je nach Bauart des Generators 21 um einen Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom handeln.
• Bei dem in 1 und 2 dargestellten Fall handelt es sich hierbei um einen Wechselstromgenerator 21. Dessen Ausgangs-Wechselspannung u_G wird in einem Gleichrichter 23, vorzugsweise einem Brückengleichrichter, in eine Gleichspannung u_Z eines Zwischenkreises 24 umgewandelt. Diese Zwischenkreisspannung u_Z kann durch einen Kondensator 25. geglättet werden, und/oder in einem angeschlossenen oder anschließbaren Akkumulator 26 gespeichert werden. Außerdem können von der Zwischenkreisspannung u_Z Verbraucher 27, beispielsweise Lichtquellen wie Glühlampen oder Leuchtdioden, gespeist werden, und/oder ein vorzugsweise digitales Anzeigedisplay 28, worin bestimmte Informationen, u.a. beispielsweise die aktuell erzeugte Leistung P_G = u_G * i_G, angezeigt werden.
• Ferner dient die Zwischenkreisspannung u_Z als Eingangsspannung für einen Wechselrichter 29, der daraus eine mit dem Stromversorgungsnetz 4 kompatible Wechselspannung an seinem Ausgang 30 erzeugt.
• Die Netzspannung u_N wird ebenso gemessen wie der in das Netz eingespeiste Strom i_E. Hierzu dient ein Spannungswandler 31 einerseits und ein Stromsensor 32 andererseits. Die Meßgröße u_u ist proportional zu der Netzspannung u_N, und die Meßgröße u_i ist proportional zum Einspeisestrom i_E, die Proportionalitätskonstanten sind k_u einerseits und k_i andererseits: $${\text{u}}_{\text{u}}={\text{k}}_{\text{u}}*{\text{u}}_{\text{N}},$$

  

  $${\text{u}}_{\text{i}}={\text{k}}_{\text{i}}*{\text{i}}_{\text{E}},$$

  

  wobei im Allgemeinen gilt: $${\text{k}}_{\text{u}}\ne {\text{k}}_{\text{i}}.$$

  
• Ein Operationsverstärker oder Subtrahierer 33 bildet die Differenz der beiden Messsignale Δu = u_u - u_i.
• Dieses Signal Δu kann als Regelabweichung eines Regelkreises 34 betrachtet werden, der auf den Wechselrichter 29 einwirkt, um die Regelabweichung Δu zu minimieren, d.h., $${\text{u}}_{\text{i}}={\text{u}}_{\text{u}}$$

  

  anzustreben. Dies hat zur Folge, dass gilt: $${\text{k}}_{\text{i}}*{\text{i}}_{\text{E}}={\text{k}}_{\text{u}}*{\text{u}}_{\text{N}},$$

  

  bzw.: $${\text{i}}_{\text{E}}=\left({\text{k}}_{\text{u}}{\text{/k}}_{\text{i}}\right)*{\text{u}}_{\text{N}}.$$

  
• Sofern dies ständig gewährleistet ist, schwingt der Einspeisestrom i_E. in Phase mit der Netzspannung u_N, und es wird eine reine Wirkleistung P_E ins Netz eingespeist, wobei gilt: $${\text{P}}_{\text{E}}={\text{i}}_{\text{E}}*{\text{u}}_{\text{N}}=\left({\text{k}}_{\text{u}}{\text{/k}}_{\text{i}}\right)*{\text{u}}_{\text{N}}*{\text{u}}_{\text{N}}=\left({\text{k}}_{\text{u}}{\text{/k}}_{\text{i}}\right)*{\text{u}}_{\text{N}}{}^2.$$

  
• Die Einspeiseleistung P_E ist demnach abhängig von dem eingestellten Quotienten k_u/k_i.
• Für den Regler 35 kommen verschiedene Möglichkeiten in Betracht: Es könnte sich z. B. um einen Zweipunktregler handeln, der erst eingreift, wenn die Regelabweichung Δu einen vorgegebenen Grenzwert ±ε über- oder unterschreitet. Eine genauere Regelung lässt sich erzielen, wenn für den Regler ein analoger, also nicht schaltender Regler verwendet wird, beispielsweie ein P- oder Proportionalregler oder ein Regler mit einem P- oder Proportionalanteil:
• Zur Kopplung mit dem Stromversorgungsnetz 4 kann am Ausgang des Wechselrichters 29 eine Steckdose 36 oder ein sonstiger Steckarischluss vorgesehen sein. Eine handelsübliche 230 V-Steckdose 36 hat allerdings den Vorteil, dass der Wechselrichte auch im Inselbetrieb arbeiten kann, also ohne eine Kopplung an ein Stromversorgungsnetz 4.
• Wenn die Netzspannung u_N als Referenzwert nicht zur Verfügung steht, muss dann die Einspeiseeinrichtung 3 eine Schwingung mit der gewünschten Frequenz, beispielsweise 50 Hz, selbst erzeugen. Hierzu dient ein Oszillator 37, der eine eigene Referenzschwingung erzeugt. Diese wird durch Änderung der Regelstruktur durch Umlegen eines Umschalters 38 in dem Regelkreis 34, vorzugsweise zwischen dem Regler 35 und dem Wechselrichter 29, als Steuersignal für die Ansteuerung des Leistungsteils des Wechselrichter 29 verwendet.
• Auch das Fitnessgerät 1' nach 3 ist ein Heimtrainer 5', jedoch von einem anderen Hersteller, wobei eine werksseitig vorhandene Schwung- und/oder Bremsscheibe zwischen zwei vorderseitigen, zueinander parallelen Streben 12', welche anstatt einer Säule vorgesehen sind, eingebaut ist. Rahmen 6' mit Längsholm 7' und seitlichen Auslegern 8' samt Gummifüßen 9', Sattel 11' und Vordergabel 13' samt Handgriffen 14' sind zwar anders ausgeführt als bei dem Fitnessgerät 1, aber grundsätzlich in ähnlicher Form vorhanden.
• Hier wird die Schwung- und/oder Bremsscheibe komplett entfernt und stattdessen der Generator 21' als Bestandteil eines erfindungsgemäßen Nachrüstsatzes 2' eingebaut.
• Der Generator 21' ist in 4 vergrößert dargestellt. Dabei wird der Generator 21' direkt auf eine Schwungscheibe montiert, insbesondere als Nachrüstsatz. Man erkennt, dass dieser einen ringscheibenförmigen Rotor 39 und an einer Seite desselben einen Stator 40 mit je einer Vielzahl von Spulen 41 aufweist. Indem der Rotor 39 direkt mit der vorhandenen Schwungscheibe verbunden wird, erfärt er dadurch eine Zentrierung, die seinen Rundlauf garantiert. Nicht zu sehen ist, dass in der ringförmigen Rotorscheibe 39 eine Vielzahl von Permanentmagneten eingearbeitet oder daran befestigt sind, und zwar mit jeweils abwechselnder Polarität. Diese Permanentmagnete bewegen sich bei umlaufendem Rotor 39 an den Spulen 41 im Stator 40 vorbei und induzieren dort jeweils Wechselspannungen u_G. Die Spulen 41 sind auf Eisenkerne gewickelt, und mit ihren Längsachsen sternförmnig nach außen gerichtet. Dieser Stator 40 wird fest mit dem Rahmen verbunden, nachdem er konzentrisch in den Rotor-Ring 39 eingesetzt ist. Wenn die Anzahl der Permanentmagnete und die Anzahl der Spulen 41 gleich groß sind, liegen alle diese Wechselspannungen entweder in Phase oder um 180° phasenverschoben. Sie können daher parallelgeschalten werden, wobei die Polarität aufeinanderfolgender Spulen 41 jeweils umzukehren ist, damit alle Wechselspannungen u_G in einer gemeinsamen Phase schwingen. Durch die Parallelschaltung erhält man einen Summenstrom i_G = Σi_µ, und die von dem Generator 23' erzeugte Generatorwirkleistung P_G ergibt sich zu P_G, = u_G * i_G. Dies kann genauso weiterverarbeitet werden wie in 2 dargestellt. Je nach dem Aufbbau eines angeschalteten Gleichrichters können die Spulen 41 auch mit jeweils einem Ende im Stern geschalten sein, insbesondere diejenigen Spulen 41, welche am Umfang um jeweils 120° oder um einen der Polpaarzahl p entsprechenden Bruchteil (120°/p) davon gegeneinander versetzt sind, und somit zu einem gemeinsamen Drehstromsystem zu rechnen sind.
• Es ist darauf zu achten, dass sich die Magnetfeldlinien der Permanentmagnete im oder am Rotor 39 über magnetisch möglichst leitfähige Materialien wie Eisen od. dgl. bis durch die Statorspulen 41 fortsetzen können. Dazu kann es vorteilhaft sein, dass die Statorspulen 41 auf Kerne aus Eisen od. dgl. magnetisch leitendem Material gewickelt sind, und außerdem können Joche aus Eisen od. dgl. vorgesehen sein, um die Magnetfeldlinien zu bündeln und zu führen.
• Eine abgewandelte Generatorbauform 21" ist in den 5 bis 8 wiedergegeben. Man erkennt, dass der Generator 21" ebenfalls eine scheibenförmige Gestalt aufweist. Allerdings wird hier der Rotor 39" nicht seitlich von zwei Statorhälften umgeben, sondern er ist seinerseits in zwei ringscheibenförmige Hälften 39a", 39b" aufgeteilt, welche auf einem gemeinsamen Nabenkörper 42 befestigt sind, und zwar in einem gegenseitigen Abstand, so dass sich zwischen den beiden ringscheibenförmigen Genertorhälften 39a", 39b" eine scheibenförmige Statorkomponente 40" befindet.
• Eben diese scheibenförmige Statorkomponente 40" ist in 7 zu sehen, und zwar in einem Schnitt entlang der Scheibenebene. Man erkennt darauf insgesamt zwölf gleich große Spulen 41", welche in Umfangsrichtung der kreisringförmigen Statorscheibe 40" aneinandergereiht sind. Die Wickel- oder Längsachsen dieser Spulen 41", verlaufen parallel zu der Drehachse des Generator-Rotors 39". Demzufolge muss der verkettete Magnetfluss diese Spulen 41" in eben dieser Richtung, also lotrecht zur Ebene der Statorscheibe, durchsetzen. Zu diesem Zweck sind an den einander zugewandten Innenseiten der beiden ringscheibenförmigen Rotorhälften 39a", 39b" jeweils Permanentmagnete 43 befestigt, beispielsweise festgeschraubt oder festgeklebt, und zwar vorzugsweise derart, dass die einander zugewandten Seiten eines Paars von Magneten 43a, 43b, insbesondere Neodym-Magneten, an der selben Azimutposition enterschiedliche Magnetpole tragen, also einmal einen magnetischen Nordpol, das andere Mal einen magnetischen Südpol, wie 6 erkennen lässt. Die Magnetfeldlinien ertrecken sich also geradewegs von dem Südpol eines Magneten 43a zum Nordpol des zugeordneten Magneten 43b und durchsetzen dabei die Statorscheibe 40" samt der dortigen Spulen 41" lotrecht zu der betreffenden Statorscheibenebene. Dies führt zu einer maximalen Verkettung des Magnetflusses der Permanentmagnete mit den Spulen 41", und damit zu einer maximalen Induktion in letzteren.
• Gemäß 8 sind jeweils mehrere Spulen in Reihe geschalten, und zwar die jeweils um eine Polteilung von 3 Spulen versetzt angeordneten Spulen, also beispielsweise die Spulen L1, L4, L7 und L10. Da in diesen Spulen jeweils phasengleiche Spannungen induziert werden, addieren dieselben sich linear. Ferner sind mehrere derartiger Reihenschaltungen an jeweils einem ende zu einem Sternpunkt zusammengeschalten. Es ergibt sich damit ein dreiphasiges Drehstromsystem mit um jeweils 120° elektrisch gegeneinander verschobenen Sternpunktspannungen U₁, U₂, U₃, welche jeweils einem Mehrfachen der einzelnen induzierten Spannungen entsprechen, bspw.: U₁ = U_L1 + U_L4 + U_L7 + U_L10 = 4 * U_L1. Da in einem Drehstromsystem die Summe aller induzierten Spannungen konstant bleibt, spürt eine in die Pedale tretende Person nur einen völlig gleichmäßigen Widerstand.
• Wie man der Zeichnung entnehmen kann, ist der Nabenkörper 42 des Rotors 39" in seitlichen Aufnahmen 43 des Rahmens 6" des Fitnessgeräts 1" gelagert, welche zuvor der Befestigung eines Brems- und/oder Schwungrades dienten. Ferner ist auf dem Nabenkörper 43 seitlich neben den beiden Rotor-Ringhälften 39a", 39b" ein Bereich mit einer umlaufenden Verzahnung 44 vorgesehen, worin eine Kette eingreift, die ein mit der Tretkurbel 16" drehfest verbundenes, mit einer rundum laufenden Verzahnung versehenes Rad umschlingt und dadurch den Generator 21" drehfest mit der Tretkurbel 16" koppelt.
• Die ringförmige Statorscheibe 40" ist entlang ihres Außenumfangs an mehreren Stellen an einem Haltekreuz 45 oder -stern befestigt, beispielsweise mit zu der Drehwelle 46 des Rotors 39" parallelen Abstandsschrauben 47 oder -bolzen. Das Haltekreuz 45 bzw. der Haltestern ist in seinem Zentrum, also dort, wo sich seine Arme oder Strahlen vereinigen, am Rahmen 6" bzw. an einem Bereich einer vorderen Strebe 12" fixiert, ggf. in einer der dortigen Aufnahmen 43. Wähend der Rotor 39" um die Achse der Drehwelle 46 drehbeweglich gelagert ist, vorzugsweise mittels Wälzlagern, ist ein den Stator 40" tragendes Haltekreuz 45 bzw. tragender Haltestern jedoch unverdrehbar festgelegt.
• 9 zeigt schließlich noch ein Blockschaltbild einer Einspeiseschaltung 3⁽³⁾ , die für gewerbliche Anwendungen gedacht ist, insbesondere für Fitnesszentren, wo eine Vielzahl von Trainings- oder Fitnessgeräten 1⁽³⁾ zur Verfügung stehen und mitunter leichzeitig genutzt werden.
• Hier kann die Anordnung gemäß dem Schaltbild nach 2 aufgeteilt werden in jeweils einem Trainings- oder Fitnessgerät 1⁽³⁾ zugeordnete, gerätespezifische Teile 47a, 47b, 47c, 47d und in einen gemeinsamen Teil 48 zur Ankopplung an das Stromversorgungsnetz 4⁽³⁾ . Das alle Teile 47a, 47b, 47c, 47d, 48 untereinander koppelnde Element ist der Zwischenkreis 24⁽³⁾ . Bei der dargestellten Anordnung ist der Zwischenkreis 24⁽³⁾ als Gleichspannungs-Zwischenkreis ausgebildet, mit einer positiven Spannungsschiene 49 und einer negativen Spannungsschiene 50. Die Spannung u_Z in dem Zwischenkreis 24⁽³⁾ kann durch einen oder mehrere Kondensatoren 25a⁽³⁾ , 25b⁽³⁾ , 25c⁽³⁾ , 25d⁽³⁾ geglättet sein und/oder in einem Akkumulator 26⁽³⁾ zwischengespeichert bzw. gepuffert werden.
• Die gerätespezifische Teile 47a, 47b, 47c, 47d haben vorzugsweise jeweils dieselbe Struktur, und umfassen jeweils einen an ein bewegliches Teil eines Fitnessgeräts 1a⁽³⁾, 1b⁽³⁾, 1c⁽³⁾, 1d⁽³⁾, insbesondere an eine Tretkurbel 16a⁽³⁾, 16b⁽³⁾, 16c⁽³⁾, 16d⁽³⁾, gekoppelten Generator 21a⁽³⁾, 21b⁽³⁾, 21c⁽³⁾, 21d⁽³⁾, vorzugsweise zur Erzeugnung einer Wechselspannung, die in einem nachfolgenden Gleichrichter 23a⁽³⁾, 23b⁽³⁾, 23c⁽³⁾, 23d⁽³⁾ gleichgerichtet und ggf. von einem an dessen Ausgang angeschlossenen Kondensator 25a⁽³⁾, 25b⁽³⁾, 25c⁽³⁾, 25d⁽³⁾ geglättet wird.
• Da die Gleichrichter 23a⁽³⁾, 23b⁽³⁾, 23c⁽³⁾, 23d⁽³⁾ ohnehin nur jeweils einen Stromfluß in einer einzigen Richtung zulassen, können die verschiedenen, gerätespezifischen Teile 47a, 47b, 47c, 47d weitgehend hart an den gemeinsamen Zwischenkreis 24⁽³⁾ angeschaltet werden. Dort addieren sich die Leistungen P_Ga, P_Gb, P_Gc, P_Gd zu einer gesamten Generatorleistung: $${\text{P}}_{\text{G}}={\displaystyle \sum {\text{P}}_{\text{G}\mathrm{\mu }}}.$$

  
• Diese gesamte Leistung kann von dem entsprechend dimensionierten gemeinsamen Teil 48 in das Stromnetz 4⁽³⁾ eingespeist werden. Aufgrund der höheren Leistung ist hierfür eine Drehstrom-Einspeisung vorgesehen, d.h., ein Drehstrom-Wechselrichter 29⁽³⁾ mit drei Wechselspannungs-Ausgängen 30⁽³⁾ , deren Spannungen jeweils um 120° phasenverschoben sind.
• Der 9 ist weiter zu entnehmen, dass die Wechselrichter-Ausgänge 30⁽³⁾ nicht unmittelbar mit den Phasen des Stromnetzes 4⁽³⁾ verbunden sind, sondern über Drosselspulen 51, welche Ausgleichsströme begrenzen und Spannungsabweichungen zwischen dem Netz 4⁽³⁾ und den Wechselrichter-Ausgängen 30⁽³⁾ erlauben. Um die im Folgenden beschriebene Regelung weiter zu vereinfachen, könnten auch Shunt-Widerstände anstelle der Drosselspulen 51 verwendet werden; allerdings indizieren diese eine Verlustleistung.
• Wie 9 weiter zeigt, werden die drei Phasenspannungen 52 des Netzes 4⁽³⁾ gegenüber dem Potential von dessen Mittelpunktsleiters 53 gemessen, und daraus kann in einer folgenden Berechnungsstufe 54 ein komplexer Spannungszeiger U _Nm ermittelt werden, welcher über einen Proportionalitätsfaktor k_N mit dem tatsächlichen, komplexer Spannungszeiger U _N verknüpft ist, also: $${\underset{\_}{U}}_{NM}={\text{k}}_{\text{N}}*{\underset{\_}{U}}_N,$$

  

  wobei 0 < k_N < 1 ist.
• Die Spannungsmessung könnte einfach mittels Spannungsteilern 55 bewirkt werden, wobei dann die gemessenen Spannungen auf den zur Erdung verwendeten Mittelpunktsleiter 53 bezogen sind.
• Genauso wird mit den drei Ausgangsspannungen des Drehstrom-Wechselrichters 29⁽³⁾ verfahren, d.h., diese Spannungen 30⁽³⁾ werden jeweils gegenüber einem beispielsweise durch eine Sternschaltung von Widerständen geschaffenen, virtuellen Sternpunkt 56 gemessen, wofür bspw. Spannungsteiler 57 verwendet werden können, welche gleichzeitig den Widerstandsstern darstellen. Ggf. nach einer Potentialtrennung werden diese Messsignale einer folgenden Berechnungsstufe 58 zugeleitet, die daraus einen komplexen Spannungszeiger U _Wm ermittelt, welcher über einen Proportionalitätsfaktor k_W mit dem tatsächlichen, komplexen Spannungszeiger U _W der Drehstrom-Wechselrichter-Ausgängssignale 30⁽³⁾ verknüpft ist, also: $${\underset{\_}{U}}_{Wm}={\text{k}}_{\text{W}}*{\underset{\_}{U}}_W,$$

  

  wobei 0 < k_W < 1 ist.
• Der durch Differenzbildung ermittelte Spannung ΔU = U _W - U _N fällt über denals Drosselspulen mit der komplexen Reaktanz L ausgebildeten Koppelreaktanzen 51 ab.
• Damit lässt sich also der komplexe Spannungszeiger des Einspeisungsstroms I _E ermitteln, und mit diesem schließlich die ins Netz eingespeiste Wirkleistung: $${\text{P}}_{\text{E}}={\underset{\_}{I}}_E*{\underset{\_}{U}}_N$$

  
• Diese Wirkleistung P_E. kann sodann durch geeignete Verstellung des komplexen Spannungszeigers U _W am Ausgang des Drehstrom-Wechselrichters 29⁽³⁾ geregelt werden.
• Solange die Induktivität L der Drosselspulen 51 nicht zu groß ist, könnten beispielsweise die Proportionalfaktoren k_N, k_W unterschiedlich eingestellt werden. Trotz dieser unterschiedlichen Einstellung werden die Messsignale U _Wm , U _Nm für die beiden Spannüngssysteme 30⁽³⁾ , 4⁽³⁾ voneinander in einem Subtrahierer 33⁽³⁾ voneinander abgezogen, vorzugsweise in der komplexen Ebene: $${\underset{\_}{\Delta }}_{\text{m}}={\underset{\_}{U}}_{NM}-{\underset{\_}{U}}_{Wm}$$

  
• Sodann wird die Regelung durch Beeinflussung des Leistungsteils des Drehstrom-Wechselrichters 29⁽³⁾ so vorgenommen, dass diese Differenz möglichst auf Null geregelt wird: $${\underset{\_}{\Delta }}_{\text{m}}={\underset{\_}{U}}_{\text{Nm}}-{\underset{\_}{U}}_{\text{Wm}}=\underset{\_}{0}$$

  
• Sofern dies durch eine geeignete Konzeption des Reglers 35⁽³⁾ erreicht wird, so gilt: $${\underset{\_}{U}}_{Wm}={\text{k}}_{\text{W}}*{\underset{\_}{U}}_W={\underset{\_}{U}}_{NM}={\text{k}}_{\text{N}}*{\underset{\_}{U}}_N,$$

  

  d.h.: $${\underset{\_}{U}}_W=\left({\text{k}}_{\text{N}}{\text{/k}}_{\text{W}}\right)*{\underset{\_}{U}}_N.$$

  
• Sofern k_N > k_W gilt, ist die Wechselrichterausgangsspannung U _W in Phase mit der Netzspannung U _N , hat jedoch eine höhere Amplitude, so dass sie einen Einspeisungsstrom I _E in das Stromnetz 4⁽³⁾ hinein treibt.
• Die Erfindung wurde anhand eines Heimtrainers 5 oder Fahrrad-Ergometers als Trainings- oder Fitnessgerät 1 beschrieben; natürlich ist das Einspeisungsprinzip auch auf andere Trainings- oder Fitnessgeräte 1 übertragbar und in Verbindung mit jenen nutzbar. Hierfür kommen insbesondere in Betracht: Laufbänder, Ruderergometer, Crosstrainer, Stepper, verschiedene Kabelzug-Trainingsgeräte, Kraft-Trainingsgeräte, etc. Entscheidend ist das Vorhandensein von bewegten Teilen, von denen eine Antriebsleistung für einen Generator 21 abgegriffen werden kann.
• Bezugszeichenliste

1

Fitnessgerät

2

Nachrüstsatz

3

Einspeiseeinrichtung

4

Stromnetz

5

Heimtrainer

6

Rahmen

7

Längsholm

8

Ausleger

9

Gummifuß

10

Sattelrohrstütze

11

Sattel

12

Säule

13

Gabel

14

Ende

15

Getriebekasten

16

Tretkurbel

17

Drehwelle

18

Kurbelarm

19

Fußpedal

20

Rad

21

Generator

22

Kette

23

Gleichrichter

24

Zwischenkreis

25

Kondensator

26

Akkumulator

27

Verbraucher

28

Anzeigedisplay

29

Wechselrichter

30

Ausgang

31

Spannungswandler

32

Stromsensor

33

Subtrahierer

34

Regelkreis

35

Regler

36

Steckdose

37

Oszillator

38

Umschalter

39

Rotor

40

Stator

41

Spule

42

Nabenkörper

43

Aufnahme

44

Verzahnung

45

Haltekreuz

46

Drehwelle

47

gerätespezifischer Teil

48

gemeinsamer Teil

49

positive Spannungsschiene

50

negative Spannungsschiene

51

Drosselspule

52

Phasenspannung

53

Mittelpunktsleiter

54

Berechnungsstufe

55

Spannungsteiler

56

virtueller Sterpunkt

57

Spannungsteiler

58

Berechnungsstufe

Claims (27)

1. Trainings- oder Fitnessgerät (1) mit einem Energiewandler in Form eines Wechsel- oder Drehstromgenerators (21) zur Umwandlung der aufgewandten Energie in Strom, wobei dem Wechsel- oder Drehstromgenerator (21) ein Gleichrichter (23) nachgeschalten ist, um die Ausgangs-Wechselspannung (u_G) des Wechsel- oder Drehstromgenerators (21) in eine Gleichspannung (u_Z) eines Zwischenkreises (24) umzuwandeln, die als Eingangsspannung für einen Wechselrichter (29) dient, der daraus ausgangsseitig eine mit dem Stromversorgungsnetz (4) kompatible Wechselspannung an seinem Ausgang (30) erzeugt zur Einspeisung von Strom in ein öffentliches Stromversorgungsnetz (4), wobei sich eine scheibenförmige, mehrere Spulen (41") tragende Statorkomponente (40") zwischen zwei jeweils ringscheibenförmigen Hälften (39a", 39b") des Generator-Rotors (39") befindet, wobei a) die Spulen (41") in Umfangsrichtung der Statorscheibe (40") derart aneinandergereiht sind, dass die Wickelachsen der Spulen (41") parallel zu der Drehachse des Generator-Rotors (39") verlaufen und der verkettete Magnetfluss die Spulen (41") lotrecht zu der Ebene der Statorscheibe (40") durchsetzt, wobei b) an den einander zugewandten Innenseiten der beiden ringscheibenförmigen Rotorhälften (39a", 39b") jeweils Permanentmagnete (43a, 43b) derart befestigt sind, dass die einander zugewandten Seiten eines Paars von Magneten (43a, 43b) an der selben Azimutposition unterschiedliche Magnetpole tragen, so dass sich die Magnetfeldlinien geradewegs von dem Südpol eines Magneten (43a) zum Nordpol des zugeordneten Magneten (43b) erstrecken und dabei die Statorscheibe (40") samt der dortigen Spulen (41") lotrecht zu der Ebene der Statorscheibe (40") durchsetzen, wobei c) die Permanentmagnete (43a, 43b) als Neodymmagnete ausgebildet sind, deren einander zugewandte Magnetpole sich in ihrer Polarität entlang der Umfangsrichtung abwechseln, und wobei d) die Spulen (41") der Statorscheibe (40") mit den zu der Drehachse des Generator-Rotors (39") parallelen Wickelachsen nach Art einer mehrpoligen Wicklung oder Drehstromwicklung angeordnet sind, wobei jeweils mehrere Spulen (41") des Generator-Rotors (39"), in denen phasengleiche Spannungen induziert werden, in Reihe geschalten sind, so dass sich diese Spannungen linear addieren, und wobei e) die die Spulen (41") tragende Statorscheibe (40") ringförmig ausgebildet und entlang ihres Außenumfangs an mehreren Stellen mit zu der Drehwelle (46) des Rotors (39") parallelen Abstandsschrauben (47) oder Abstandsbolzen an einem Haltekreuz (45) oder an einem Haltestern befestigt ist, der seinerseits am Rahmen (6") des Trainings- oder Fitnessgerätes (1) unverdrehbar festgelegt ist.
2. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (3) zur Stromeinspeisung einen ein- oder dreiphasigen Wechselstrom-Ausgang (30) aufweist.
3. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (3) zur Stromeinspeisung eine Einrichtung zur Synchronisierung der Ausgangs-Wechselspannung (30) mit der Wechselspannung des öffentlichen Stromversorgungsnetzes (4) aufweist.
4. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom-Ausgang (30) über eine ein- oder dreiphasige Reaktanz (51) mit dem öffentlichen Stromversorgungsnetz (4) gekoppelt ist.
5. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem öffentlichen Stromversorgungsnetz (4) und/oder an dem Wechselstrom-Ausgang (30) der Einrichtung (3) zur Stromeinspeisung wenigstens ein Spannungswandler (31,55,57) und/oder - sensor angekoppelt ist.
6. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (57) an dem Dreh- oder Wechselstrom-Ausgang (30) der Einrichtung (3) zur Stromeinspeisung eine etwas größere Untersetzung aufweist als der Spannungswandler (55) an dem öffentlichen Stromversorgungsnetz (4).
7. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal wenigstens eines Spannungswandlers (31,55) und/oder -sensors am öffentlichen Stromversorgungsnetz (4) als Sollwert für eine Synchronisations- und/oder Regelschaltung (34) dient.
8. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal wenigstens eines Spannungswandlers (57) und/oder -sensors an dem Dreh- oder Wechselstrom-Ausgang (30) der Einrichtung (3) zur Stromeinspeisung als Istwert für eine Synchronisations- und/oder Regelschaltung (34) dient.
9. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal eines Stromwandlers (32) und/oder -sensors an dem Wechselstrom-Ausgang (30), der Einrichtung (3) zur Stromeinspeisung als Istwert für eine Synchronisations- und/oder Regelschaltung (34) dient.
10. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach Anspruch 7 in Verbindung mit Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen Subtrahierer (33) zur Bildung einer Differenz zwischen Soll- und Istwert.
11. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Differenz zwischen Soll- und Istwert die Ausgangsspannung an dem Dreh- oder Wechselstrom-Ausgang (30) der Einrichtung (3) zur Stromeinspeisung geregelt wird.
12. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Regler (35), der ein Zweipunktregler ist.
13. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen Regler (35), der ein Proportionalregler ist oder eine Proportionalkomponente aufweist.
14. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellglied der Ausgangsverstärker eines Wechselrichters (30) oder einer Wechselrichterbaugruppe (30) dient.
15. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (30) oder die Wechselrichterbaugruppe (30) einen geschalteten oder getakteten Ausgangsverstärker aufweist.
16. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterbaugruppe (30) Bestandteil eines Umrichters ist.
17. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler ein mehrpoliger Wechselstromgenerator (21) ist.
18. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Energiewandlers größer ist als dessen Länge.
19. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gleichstromausgang des Gleichrichters (23) ein Akkumulator (26) angeschlossen ist, von dem ein Anzeigeelement (28) gespeist wird, das der Anzeige der in das öffentliche Stromnetz (4) aktuell eingespeisten Leistung dient, und/oder der Anzeige des Ladezustands des Akkumulators (26), und/oder der Anzeige der aktuell erzeugten Leistung (P_G) des Wechsel- oder Drehstromgenerators (21).
20. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daddurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromausgang des Gleichrichters (23) herausgeführt und/oder mit einem Steckanschluss versehen ist, so dass die Gleichrichter (23) mehrerer Fitnessgeräte (1) parallelgeschalten werden können.
21. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen von dem Generator (21) und/oder von einer daraus generierten Gleich-, Wechsel- oder Drehstromspannung gespeisten Verbraucher (27).
22. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass es die Form eines mittels Pedalen (19) antreibbaren Heimtrainers (5) aufweist, wobei der Generator (21) auf einer von der Tretkurbelachse (17) lotrecht durchsetzten Ebene, welche zu beiden Pedalen (19) etwa gleiche Abstände aufweist, angeordnet ist.
23. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass es die Form eines mittels Pedalen (19) antreibbaren Heimtrainers (5) aufweist, wobei der Generator (21) anstelle einer Schwung- und/oder Bremsscheibe eingebaut ist.
24. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (21) mittels einer Kette (22) angetrieben wird oder mittels einer in eine Verzahnung an einem rundumlaufenden Bereich des Generators (21) kraftschlüssig eingreifenden Kette (22), oder über ein mit dem Rotor des Generators verbundenes Kettenritzel, welches eine kleinere Zähnezahl z₂ aufweisen kann als das Kettenrad der Tretkurbel (16).
25. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (39) des Generators (21) auf einem Freilauf gelagert ist, so dass er bei einer Unterbrechung des Tretens weiter rotieren kann.
26. Trainings- oder Fitnessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (3) zur Einspeisung des Stroms in ein öffentliches Stromversorgungsnetz (4) zusammen mit dem Energiewandler (21), an dem Trainings- oder Fitnessgerät (1) nachrüstbar ist.
27. Nachrüstsatz (2) für ein Trainings- oder Fitnessgerät (1), umfassend einen Wechsel- oder Drehstromgenerator (21) zur Umwandlung der aufgewandten Energie in Strom, wobei dem Wechsel- oder Drehstromgenerator (21) ein Gleichrichter (23) nachgeschalten ist, um die Ausgangs-Wechselspannung (u_G) des Wechsel- oder Drehstromgenerators (21) in eine Gleichspannung (u_Z) eines Zwischenkreises (24) umzuwandeln, die als Eingangsspannung für einen Wechselrichter (29) dient, der daraus ausgangsseitig eine mit dem Stromversorgungsnetz (4) kompatible Wechselspannung an seinem Ausgang (30) erzeugt zur Einspeisung von Strom in ein öffentliches Stromversorgungsnetz (4), wobei sich eine scheibenförmige, mehrere Spulen (41") tragende Statorkomponente (40") zwischen zwei jeweils ringscheibenförmigen Hälften (39a", 39b") des Generator-Rotors (39") befindet, wobei a) die Spulen (41") in Umfangsrichtung der Statorscheibe (40") derart aneinandergereiht sind, dass die Wickelachsen der Spulen (41") parallel zu der Drehachse des Generator-Rotors (39") verlaufen und der verkettete Magnetfluss die Spulen (41") lotrecht zu der Ebene der Statorscheibe (40") durchsetzt, wobei b) an den einander zugewandten Innenseiten der beiden ringscheibenförmigen Rotorhälften (39a", 39b") jeweils Permanentmagnete (43a, 43b) derart befestigt sind, dass die einander zugewandten Seiten eines Paars von Magneten (43a, 43b) an der selben Azimutposition unterschiedliche Magnetpole tragen, so dass sich die Magnetfeldlinien geradewegs von dem Südpol eines Magneten (43a) zum Nordpol des zugeordneten Magneten (43b) erstrecken und dabei die Statorscheibe (40") samt der dortigen Spulen (41") lotrecht zu der Ebene der Statorscheibe (40") durchsetzen, wobei c) die Permanentmagnete (43a, 43b) als Neodymmagnete ausgebildet sind, deren einander zugewandte Magnetpole sich in ihrer Polarität entlang der Umfangsrichtung abwechseln, wobei d) die Spulen (41") der Statorscheibe (40") mit den zu der Drehachse des Generator-Rotors (39") parallelen Wickelachsen nach Art einer mehrpoligen Wicklung oder Drehstromwicklung angeordnet sind, wobei jeweils mehrere Spulen (41") des Generator-Rotors (39"), in denen phasengleiche Spannungen induziert werden, in Reihe geschalten sind, so dass sich diese Spannungen linear addieren, und wobei e) die die Spulen (41") tragende Statorscheibe (40") ringförmig ausgebildet und entlang ihres Außenumfangs an mehreren Stellen mit zu der Drehwelle (46) des Rotors (39") parallelen Abstandsschrauben (47) oder Abstandsbolzen an einem Haltekreuz (45) oder an einem Haltestern befestigt ist, der seinerseits am Rahmen (6") des Trainings- oder Fitnessgerätes (1) unverdrehbar festgelegt ist.

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