DE19522090A1

DE19522090A1 - Elektrische Energieversorgung für ein durch mindestens ein Rad bewegtes Fortbewegungsmittel

Info

Publication number: DE19522090A1
Application number: DE19522090A
Authority: DE
Inventors: Johannes Lubetzki
Original assignee: MEINERS HORST 50679 KOELN DE
Current assignee: MEINERS HORST 50679 KOELN DE
Priority date: 1995-06-19
Filing date: 1995-06-19
Publication date: 1997-01-02

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Energieversorgung für ein durch mindestens ein Rad bewegtes Fortbewegungsmittel.

Elektrische Energieversorgungen für Fortbewegungsmittel mit einem oder mehreren Rädern basieren auf dem Prinzip, daß das bewegte Rad selbst oder der Antrieb für das bewegte Rad einen Dynamo antreibt, der entweder direkt die Energie für am Fortbewegungsmittel benötigte Lampen und andere Geräte zur Verfügung stellt oder eine Batterie speist, die dazu geeignet ist, auch bei einem Stillstand des Fortbewegungsmittels weiterhin für eine elektrische Energieversorgung zu sorgen. Sehr gebräuchlich ist beispielsweise der Dynamo, der bei einem Fahrrad an das Vorder- oder Hinterrad angeschwenkt werden kann, um die Energie für die Lichter des Fahrrads bereit zu stellen. Bei Kraftfahrzeugen spricht man von einer sogenannten Lichtmaschine, die die Rotationskraft des Fahrzeugantriebs in elektrischen Strom umwandelt, um im wesentlichen die Fahrzeugbeleuchtung und die Zündanlage mit elektrischem Strom zu versorgen.

Der Nachteil an einer derartigen elektrischen Energieversorgung liegt darin, daß zum Erzeugen der Energie zusätzliche Teile bewegt werden müssen, die infolge einer nicht optimalen Lagerung Reibung erzeugen, wodurch Antriebsenergie verloren geht, da die als Reibungswärme freiwerdende Energie weder zur Fortbewegung des Fortbewegungsmittel genutzt werden kann noch zu dessen Energieversorgung.

Außerdem entsteht zwangsläufig ein Schlupf bei der Übertragung der Rotationsenergie von einem bewegten Teil auf das andere und auch dieser Schlupf führt zu Reibungswärme und somit zu einem Energieverlust, der dem System ohne Nutzen entzogen wird.

Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die zusätzlich bewegten Teile ein zusätzliches Gewicht für das Fortbewegungsmittel bedeuten, das bei der Bewegung des Fortbewegungsmittels beschleunigt werden muß und somit ebenfalls zusätzliche Energie benötigt.

Besonders auffällig ist dieses Problem bei einem Fahrraddynamo, der bekannterweise eine hohe Reibkraft auf das Rad des Fahrrades ausübt, wenn er zur Stromerzeugung an das Vorder- oder Hinterrad angelegt wird. Außerdem entsteht vor allem bei nassem Wetter leicht ein Schlupf zwischen dem Rad des Dynamo und dem Vorder- oder Hinterrad des Fahrrades und dieser Schlupf ist nur durch eine höhere Anpreßkraft des Rades des Dynamo an das Rad des Fahrrades zu reduzieren. Eine Erhöhung dieser Kraft führt jedoch zu einer erhöhten Reibung, wodurch ein erhöhter Energieaufwand an der Pedale des Fahrrades benötigt wird. Letztlich hat ein Fahrraddynamo auch ein gewisses Gewicht und es ist verständlich, daß insbesondere bei Rennrädern, bei denen besonders auf das Gewicht des Fahrrades geachtet wird, auch das Gewicht des Dynamo nicht zu vernachlässigen ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Energieversorgung für ein durch mindestens ein Rad bewegtes Fortbewegungsmittel so weiterzubilden, daß der am Fortbewegungsmittel benötigte Energieaufwand für die elektrische Energieversorgung reduziert wird.

Diese Aufgabe wird mit einer gattungsgemäßen Energieversorgung dadurch gelöst, daß an dem Rad ein Permanentmagnet angeordnet ist und am Fortbewegungsmittel relativ zum Permanentmagnet stationär eine Spule so positionierbar ist, daß der Permanentmagnet sich bei einer Drehung des Rades in einem kleinen Abstand zur Spule an ihr entlang bewegt.

Das Prinzip der Stromerzeugung durch einen Permanentmagnet, der sich relativ zu einer Spule bewegt, ist bekannt. Der Einsatz dieses Prinzips als elektrische Energieversorgung für ein durch mindestens ein Rad bewegtes Fortbewegungsmittel ist aber besonders vorteilhaft, da die Energie für das Fortbewegungsmittel ohne zusätzliche bewegte Teile erzeugt wird. Während die Spule stationär beispielsweise am Rahmen des Fahrrades befestigt ist, befindet sich der Permanentmagnet auf einem Radius des Rades und somit wird der Permanentmagnet relativ zur Spule bewegt, ohne daß weitere Teile ihn Drehung versetzt werden müssen. Vorzugsweise ist die Spule am Rahmen und der Magnet am Rad befestigt, da dann der induzierte Strom nicht vom Rad auf den Rahmen übertragen werden muß. Verständlicherweise ist aber auch eine umgekehrte Anordnung möglich. Im ersten Feld ist es auch möglich die Speichen des Rades zu magnetisieren und im zweiten Fall, die Speichen als Spule miteinander zu verbinden. Da der Magnet die Spule nicht berührt, entsteht keine zusätzliche Reibung durch die Energieerzeugung und die gesamte Bremskraft, die durch das Zusammenwirken von Spule und Magnet entsteht, kann in elektrische Energie umgewandelt werden.

Verständlicherweise entsteht auch kein Schlupf, da sowohl die Spule als auch der Magnet fest mit dem Rahmen bzw. mit dem Rad verbunden sind.

Das benötigte Gewicht stammt im wesentlichen vom Gewicht des Permanentmagneten, dessen Gewicht aber genau auf die benötigte Energiemenge abgestimmt werden kann.

Vorteilhaft ist es, wenn die elektrische Energieversorgung den an der Spule entstehenden Wechselstrom gleichrichtet und einer Kondensatorschaltung zuführt, die eine kontinuierliche Energieabnahme ermöglicht. Die Kombination der erfindungsgemäßen elektrischen Energieversorgung mit einer Kondensatorschaltung erlaubt es, die diskontinuierlich anfallenden Energiestöße so umzusetzen, daß eine kontinuierliche Energieabnahme möglich wird. Als Alternative dazu könnten die gleichgerichteten Stromstöße auch einer Batterie zugeführt werden. Da Batterien jedoch meist ein sehr hohes Gewicht haben, wird die erste Alternative bevorzugt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform hat die Kondensatorschaltung eine so hohe Kapazität, daß auch bei Stillstand des Rades noch über eine bestimmte Zeit eine Energieabnahme möglich ist. Bekannterweise ist es von Nachteil, wenn Fortbewegungsmittel im Moment ihres Stillstandes nicht mehr mit Energie versorgt werden und insbesondere die Beleuchtung beim Stillstand des Fahrzeuges ausgeht. Dies wird erfindungsgemäß mit einer erhöhten Kondensatorkapazität gelöst, die je nach Anwendungsfall so ausgelegt werden kann, daß beispielsweise eine den praktischen Bedingungen angemessener Zeit die Beleuchtung weiterbrennt.

Da viele Fortbewegungsmittel nicht kontinuierlich mit elektrischer Energie versorgt werden müssen, ist es in diesem Fall vorteilhaft, wenn die Spule eine Verschiebeeinrichtung aufweist, um relativ zur Umlaufbahn des Permanentmagneten bewegbar zu sein. Diese Verschiebeeinrichtung wirkt als Schalter, da die elektrische Energieversorgung nur dann Strom erzeugt, wenn der Permanentmagnet sich bei einer Drehung des Rades in einem kleinen Abstand zur Spule an ihr entlang bewegt. So kann beispielsweise an einem Fahrrad die elektrische Energieversorgung durch ein Verschieben der Spule längs der Gabel an- und ausgeschaltet werden.

Die erfindungsgemäße elektrische Energieversorgung mit Gleichrichter- und Kondensatorschaltung ist ganz besonders dazu geeignet, für ein mit menschlicher Kraft angegebenes Fortbewegungsmittel verwendet zu werden. Gerade bei mit menschlicher Kraft angetriebenen Fortbewegungsmitteln wie beispielsweise Dreirädern, Fahrrädern oder Rollstühlen ist besonders darauf zu achten, daß die mit menschlicher Kraft eingesetzte Energie möglichst gering gehalten wird. Außerdem haben derartige Fortbewegungsmittel üblicherweise nur ein geringes Gewicht und daher macht sich eine geringe Erhöhung der Reibungskraft besonders leicht bemerkbar.

Außerdem ist die erfindungsgemäße elektrische Energieversorgung besonders dazu geeignet, zur Versorgung mindestens einer Leuchtdiode mit Gleichstrom zu dienen. Die Verwendung von Leuchtdioden ermöglicht einen besonders hohen Wirkungsgrad bei der Lichterzeugung aus elektrischem Strom und dadurch wird es möglich, mit besonders wenig Energieaufwand viele Leuchtdioden brennen zu lassen.

Da im Straßenverkehr vorgeschrieben ist, daß nach vorne strahlendes Licht weiß sein muß, und nach hinten strahlendes Licht rot strahlen muß, wird außerdem vorgeschlagen, verschiedenfarbige Leuchtdioden mit Gleichstrom zu versorgen. Dadurch kann optimal auf die Anforderungen im Straßenverkehr Rücksicht genommen werden.

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch den vorderen Teil eines Fahrrades mit der erfindungsgemäßen elektrischen Energieversorgung und

Fig. 2 ein Schaltbild der elektrischen Energieversorgung.

In Fig. 1 ist die elektrische Energieversorgung 1 am Beispiel eines Fahrrades gezeigt. Sie besteht im wesentlichen aus dem Permanentmagneten 2 und der schematisch gezeigten Spule 3. Der Permanentmagnet 2 ist an den Speichen 4, 5 des Rades 6 etwa tangential verlaufend auf einem bestimmten Abstand zur Narbe 7 befestigt.

Im selben Abstand zur Narbe 7 ist die Spule 3 an der Gabel 8 des Fahrrades so befestigt, daß der Permanentmagnet 2 sich beim Drehen des Rades 6 in einem kleinen Abstand zur Spule 3 entlangbewegt.

Die Spule 3 ist mit einer Schaltung 9 verbunden, deren Auslöser über Leitungen 10 und 11 das Vorderlicht 12 und das Rücklicht (nicht gezeigt) mit Gleichstrom versorgen.

Die Spule 3 und die Schaltung 9 liegen auf einer Platte 13, die relativ zu einer weiteren Platte 14 verschiebbar gelagert ist.

Das Licht 12 ist eine übliche Fahrradleuchte, die anstelle einer Glühbirne mehrere Leuchtdioden 15 aufweist.

Die Schaltung 9 ist in Fig. 2 näher erläutert. Die durch den Magneten 2 an der Spule 3 induzierte Wechselspannung liegt zwischen J1 und J2 an. Diese Wechselspannung wird in einem Gleichrichter D1 bis D4 gleichgerichtet und dem Ladekondensator C1 zugeführt. Der Widerstand R1 dient zusammen mit der Zenerdiode D5, den Kondensator D2 und den Transistoren T1 bis T4 der Spannungsstabilisierung und das Potentiometer P1 dient der Spannungseinstellung. Am Potentiometer P1 kann beispielsweise die für Fahrräder übliche Spannung von 12 V eingestellt werden. Darüber hinaus sind als Schutzwiderstand der Kondensator C3 und die Widerstande R2 und R3 vorgesehen und vor dem Ausgang J3, J4 der Schaltung die Sicherung S1.

Beispielhafte Werte für die einzelnen Schaltelemente werden im folgenden angegeben:

C1
Elko 2200 µF 50/63 V Axial
C2	Elko steh. 220 µF 35 V
C3	Elko steh. 10 µF 35 V
D1-4	1N5401 Diode
D5	Zenerdiode 0,4 W 33 V
P1	Poti 6 mm 47 kOhm lin
PL1	Platine 40483
R1/3	Widerstand 3,0 kOhm 1/4 W
R2	Widerstand 270 kOhm 1/4 W
SI1	Sicherung 5×20 mm 3,15 A F
S2/3	Sicherungs-Cliphälfte 5×20 mm
T1	BC547B Transistor
T2	BC140-16 Transistor
T3	BD137 Transistor
T4	MJ11014 Darling. Transistor

Dabei berechnet sich die Energiewechselspannung aus der stabilisierten Spannung Uss wie folgt:

Die Spannung am Ladeelko C₂ läßt sich wie folgt berechnen:

Wenn das Fahrrad bewegt wird, bewegt sich bei jeder Umdrehung des Rades 6 der Permanentmagnet 2 in geringem Abstand an der Spule 3 entlang, wodurch in der Spule 3 eine Wechselspannung erzeugt wird. Diese Wechselspannung wird in der Schaltung 9 gleichgerichtet, stabilisiert und auf 12 V eingestellt. Die dabei entstehende Gleichspannung dient zur Versorgung der Fahrradlichter, wie bspw. dem Vorderlicht 12, das mit mehreren parallel geschalteten Leuchtdioden 15 versehen ist. Je nach benötigter Lichtstärke können mehr oder weniger Leuchtdioden vorgesehen werden. Während die Leuchtdioden 15 weißes Licht erzeugen, versorgt die Leitung 11 das Rücklicht, das mit roten Leuchtdioden versehen ist, um am hinteren Ende des Fahrrades ein rotes Licht zu erzeugen.

Während der Bewegung des Fahrrades wird der Ladekondensator C1 aufgeladen, so daß bei einem Anhalten des Fahrrades, bspw. vor einer roten Ampel, die Beleuchtung des Fahrrades weiterleuchten kann, bis der Ladekondensator entladen ist. Die Größe des Ladekondensators kann an die jeweiligen Praxisverhältnisse angepaßt werden.

Wenn kein Licht benötigt wird, können die Spule 3 und die Schaltung 9, die auf der Platte 13 montiert sind, auf der Platte 14 so verschoben werden, daß die Spule 3 nicht mehr mit dem Permanentmagnet 2 zusammenwirkt. Dadurch wird die Induktion eines Stromes unterbunden und die Beleuchtung des Fahrrades ausgeschaltet.

Claims

1. Elektrische Energieversorgung (1) für ein durch mindestens ein Rad (6) bewegtes Fortbewegungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rad (6) ein Permanentmagnet (2) angeordnet ist und am Fortbewegungsmittel relativ zum Permanentmagnet (2) stationär eine Spule (3) so positionierbar ist, daß der Permanentmagnet (2) sich bei einer Drehung des Rades (6) in einem kleinen Abstand zur Spule an ihr entlang bewegt.

2. Elektrische Energieversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie den an der Spule (3) entstehenden Wechselstrom gleichrichtet und einer Kondensatorschaltung zuführt, die eine kontinuierliche Energieabnahme ermöglicht.

3. Elektrische Energieversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorschaltung eine so hohe Kapazität hat, daß auch bei Stillstand des Rades (6) noch über eine bestimmte Zeit eine Energieabnahme möglich ist.

4. Elektrische Energieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (3) eine Verschiebeeinrichtung (13, 14) aufweist, um relativ zur Umlaufbahn des Permanentmagneten (2) bewegbar zu sein.

5. Verwendung einer elektrischen Energieversorgung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, für ein mit menschlicher Kraft angetriebenes Fortbewegungsmittel.

6. Verwendung einer elektrischen Energieversorgung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, zur Versorgung mindestens einer Leuchtdiode (15) mit Gleichstrom.

7. Verwendung einer elektrischen Energieversorgung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie verschiedenfarbige Leuchtdioden (15) mit Gleichstrom versorgt.