DE19632391C1 - Energiewandlersystem in einer Radnabe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Energiewandlersystem in einer Radnabe und ein Verfahren zu dessen Betrieb.

Aus der DE 30 43 269 A1 ist ein Seitendynamo für Fahrräder bekannt, der sich durch die Integration der Ansteuerelektronik und eines Akkumulators in das Dynamogehäuse auszeichnet. Das Ein- und Ausschalten des Dynamos erfolgt manuell über die Bewegung des Reibrades. Der mechanische Zu- und Abschalter des Dynamos ist erforderlich, da der Dynamo im Leerlauf Verluste erzeugt. Der Umformer zwischen dem Stromerzeuger und dem Akkumulator ist als Diodenschaltung ausgebildet.

Aus der DE-PS 9 33 040 ist bekannt, eine als Generator betriebene Gleichpolmaschine als Außenläufer ausgebildet ohne Getriebe in der Radnabe eines Fahr- oder Kraftrades anzuordnen. Bei der Gleichpolmaschine handelt es sich um eine fremderregte Maschine, wobei das erregende Magnetfeld vorteilhaft von Permanentmagneten erzeugt wird. Die Permanentmagneterregung verursacht jedoch ein starkes Rastmoment.

In der DE 43 17 817 C1 wird eine Drehstromlichtmaschine mit Permanentmagneten im Rotor beschrieben, deren Stator aus drei versetzt zueinander angeordneten Induktionsspulen mit Polfingerkäfigen aus Weicheisen besteht. Die elektrische Maschine soll als Ladegenerator ständig mitlaufen. Allerdings erzeugen die Permanentmagnete spürbare Ummagnetisierungsver­ luste in den ungeblechten Polfingern des Stators.

Aus der DE 44 11 145 A1 ist ebenfalls ein Generator mit baugleichen Induktionsspulen bekannt, die allerdings keinen Phasenversatz aufweisen und zur Erhöhung der Betriebssicherheit parallelgeschaltet sind. Der Rotor mit den Permanentmagneten ist direkt mit dem Rad ver­ bunden. Um bei niedrigen Drehzahlen bereits eine für die Beleuchtung ausreichende Leistung zu erzeugen, weist der Generator ein erhebliches Gewicht und Volumen auf. Weiterhin ent­ stehen auch in dieser Ausführungsform permanent Ummagnetisierungsverluste im Statoreisen.

Ein kleineres Bauvolumen wird durch ein Übersetzungsgetriebe erreicht, das die Drehzahl erhöht. Getriebegeneratoren in der Radnabe sind aus der JP 3-258 673 A oder der EP 0 528 347 A1 bekannt. Planetengetriebe sind aber teuer und erhöhen den Betriebswiderstand zusätzlich.

Eine weitere bekannte Alternative stellen Generatoren mit eisenloser Wicklung in der Rad­ nabe dar, wie sie in der DE 37 03 523 C2 (DC-Scheibenläufer), der DE 39 18 166 C2 (EC-Scheibenläufer) oder der DE 42 34 388 A1 beschrieben werden. Eisenlose Wicklungen vergrößern den magnetisch wirksamen Luftspalt und führen damit zu hohen Magnetkosten.

Ebenfalls mit Permanentmagneten ist ein bürstenloser, einphasiger Außenläufer gemäß der DE 42 32 182 A1 ausgestattet, bei dem die Leerlaufverluste im Eisen- durch eine Verdrehung von zwei Magnetringen zueinander vermindert werden sollen. Die Leerlaufverluste sind sonst nur vermeidbar, indem der Rotor mechanisch vom Rad getrennt wird.

Eine Verringerung des Gewichts ist durch eine Erhöhung des Generatordurchmessers in der Radnabe erreichbar. Bauformen hierzu sind u. a. aus der DE-OS 27 27 827, der DE 42 29 457 A1 oder der DE 42 29 261 C1 bekannt. Nachteilig sind hierbei der geringe Schutzgrad und die hohen Magnetkosten aufgrund der großen Fläche und des ungünstigen Luftspaltes.

In der DE 42 29 261 C1 wird der Generator so leistungsstark ausgelegt, daß er auch im Motorbetrieb eine nennenswerten Beitrag zur Antriebsleistung erbringen kann. Für den Motor­ betrieb ist hierzu ein Akkumulator vorgesehen, der am Fahrradrahmen angeordnet wird. Dieses System ist für normale Beleuchtungszwecke zu schwer und zu teuer.

Die DE 43 14 290 A1 beschreibt eine geschaltete Reluktanzmaschine und ein Verfahren zur Regelung im Generatorbetrieb. Hierbei handelt es sich um eine komplexe, mehrphasige Bauform einer nach dem Reluktanzprinzip funktionierenden Maschine.

Aus der DE 44 47 159 A1 ist eine vorteilhafte Ausführungsform einer geschalteten Reluk­ tanzmaschine in der Bauform als Transversalflußmaschine mit einer gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaften Luftspaltanordnung bekannt. Der weichmagnetische Körper besteht aus einer Vielzahl von Segmenten aus geschichteten Elektroblechen, was einen hohen Montage­ aufwand verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in der Radnabe integriertes Energie­ wandlersystem derart weiterzuentwickeln, daß bei niedrigen Herstellungskosten ein kleines Bauvolumen und Gewicht, eine hohe Effizienz und eine sichere Stromversorgung in allen Betriebsbereichen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 oder 5 wiedergegebene Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß besteht das Energiewandlersystem aus einem in oder an der Radnabe angeordneten Reluktanzgenerator, einer Ansteuerelektronik und einem elektrischen Energie­ speicher. Die Ansteuerelektronik regelt die Generatorleistung in Abhängigkeit des Ladezu­ standes der Batterie, der Drehzahl und dem aktuellen Energiebedarf. Hierbei wird die aus dem Energiespeicher bezogene Erregerenergie so eingestellt, daß, solange der Energiebedarf und der Ladezustand es erfordern, die entsprechend der Drehzahl optimale Energiemenge im Generator umgesetzt wird. Ein Fuzzy-Regler ermöglicht bei sinkendem Ladezustand einen nahezu kon­ tinuierlichen Übergang von einem Betrieb mit minimalen Verlusten zum Betrieb mit maximaler Energieausbeute.

Die Betriebsführung des Wandlersystems ist bestrebt, den Energiespeicher möglichst mit Entladezyklen geringer Tiefe nahe am Volladezustand zu betreiben. Als Energiespeicher eignen sich hierzu vorzugsweise Lithium-Akkumulatoren oder Kondensatoren mit hoher Energiedichte. Wenn als Verbraucher nur Lichtquellen vorhanden sind und deren Betriebszeit durch Fotosensoren gesteuert wird, führt dieser automatische Betrieb zu einer nahezu vollständigen Entlastung des Fahrers und zu einer Verbesserung der Betriebssicherheit des Fahrzeuges.

Vorzugsweise sind auch die Elektronik und der Energiespeicher ebenfalls in oder an der Radnabe eines muskelbetriebenen Fahrzeuges angeordnet. Dies erleichtert die Montage, verringert die Störanfälligkeit und vermindert die EMV-Probleme.

Neben den Vorzügen der gleichmäßigen Energieversorgung der Verbraucher unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit sowie der Möglichkeit, für eine bestimmte Zeit nach dem Anhalten oder generell eine Standbeleuchtung zu realisieren, besteht durch die Nutzung eines Energiespeichers der wesentliche Vorteil in einer deutlichen Reduktion der Generatormasse. Im Gegen­ satz zu Wandlersystemen ohne Energiespeicher muß der Nabengenerator seine Nennleistung nicht bei einer Minimalgeschwindigkeit (z. B. 6 km/h) erzeugen können, sondern es reicht aus, wenn er die Nennleistung bei der ca. 3-fach höheren Durchschnittsgeschwindigkeit (18 km/h) erzeugen kann. Hierdurch wird die Reluktanzmaschine deutlich kleiner und preisgünstiger.

Bei niedrigem Energieverbrauch und vollem Energiespeicher bleibt die Reluktanzmaschine unerregt, und im Wandlersystem entstehen nahezu keine Verluste.

Zusammenfassend zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiewandlersystem gegenüber dem Stand der Technik durch

• - kompakte, leichte Bauform,
• - preiswerte Herstellung,
• - vernachlässigbare Leerlaufverluste,
• - Einsparung der Magnetkosten,
• - hohe Versorgungssicherheit,
• - integrierte Standlichtoption,

und einfache Montage und Bedienung aus.

Weiterhin kann der Energiespeicher bei erhöhtem Energiebedarf z. B. im Winter durch externe Energiezufuhr geladen und so der Fahrwiderstand reduziert werden.

In den Zeichnungen sind zwei vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Energiewandlersystem in der Radnabe mit Akkumulatoren,

Fig. 2 zeigt zwei Schnitte gemäß den Linien A-A und B-B in Fig. 1,

Fig. 3 zeigt ein Energiewandlersystem in der Radnabe mit einem Kondensator,

Fig. 4 zeigt zwei Schnitte gemäß den Linien A-A und B-B in Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen in der Radnabe 1 integrierten zweiphasigen Reluktanzgenerator 2, der über eine Elektronik 3 mit einem Energiespeicher 4 verbunden ist. Dieser besteht aus fünf Akku­ mulatorzellen, die in einem Spritzguß-Aluminiumkörper 5 liegen. Nach dem Öffnen des Naben­ deckels 6 und dem Verdrehen der Kontaktscheibe 7 können die Akkumulatorzellen ausgewech­ selt werden. Der Reluktanzgenerator 2 besteht aus zwei Leiterringen 8, die von drei Seiten von einem aus drei bis fünf Teilen bestehenden weichmagnetischen Körper 9 umgeben werden. Dieser wird als Eisenpulverpreßteil oder Sintermaterial hergestellt. Die den magnetischen Kreis periodisch schließenden weichmagnetischen Rotorsegmente 10 sind in zwei Ringen eingegossen, die an der Radnabe 1 tangential fest aber axialbeweglich befestigt sind. Gleitanlaufringe sichern die Position der Rotorringe gegenüber dem Stator, wobei die Radnabe im Normalbetrieb über Kugellager 11 gegenüber der Achse 12 abgestützt ist.

In Fig. 2a ist ein Schnitt durch den Reluktanzgenerator 2 und in Fig. 2b ein Schnitt durch die Kontaktscheibe 7 des in Fig. 1 dargestellten Energiewandlersystems dargestellt.

Fig. 3 zeigt ein ähnliches Energiewandlersystem, wobei in der Radnabe 21 neben dem Reluk­ tanzgenerator 22 und der Elektronik 23 diesmal als Energiespeicher 24 ein hohlzylindrischer Kondensator eingebaut ist. Nach dem Öffnen des Nabendeckels 25 ist die Elektronik 23 direkt zugänglich, während der wartungsfreie Kondensator im zur Gewichtsersparnis verengten Teil 27 der Radnabe steckt. Der Reluktanzgenerator 22 ist in eine Vergußmasse 26 eingebettet und besteht aus zwei versetzt angeordneten, baugleichen Baugruppen, die wiederum aus jeweils einem Leiterring 28 und dem ihn umgebenden weichmagnetischen Statorkörper 29 bestehen. Die Rotorsegmente 30 erstrecken sich über beide Phasen des Reluktanzgenerators 22 und sind fest in die verstärkte Nabenhälfte eingefügt. Lager 31 und Achse 32 können als konventionelle Komponenten zugekauft werden.

In Fig. 4a ist ein Schnitt durch den Hochleistungskondensator 24 und in Fig. 2b ein Schnitt durch den Reluktanzgenerator 22 des in Fig. 3 dargestellten Energiewandlersystems dargestellt.

Claims (5)

1. Energiewandlersystem, bestehend aus einem geschalteten Reluktanzgenerator (2; 22), einem Energiespeicher (4; 24) und einer mit dem Reluktanzgenerator (2; 22) und dem Energiespeicher (4; 24) verbundenen Elektronik (3; 23) zur Ansteuerung des Reluktanzgenera­ tors (2; 22), wobei der Reluktanzgenerator (2; 22), der Energiespeicher (4; 24) und die Elektronik (3; 23) in oder an einer Radnabe (1; 21) eines Fahrzeuges angeordnet sind.

2. Energiewandlersystem nach Anspruch 1, wobei der Reluktanzgenerator (2; 22) Leiter­ ringe (8; 28) aufweist, die jeweils von drei Seiten von einem weichmagnetischen Statorkörper (9; 29) eingeschlossen sind und durch radial außerhalb der Leiterringe (8; 28) angeordnete Luftspalte von weichmagnetischen Rotorsegmenten (10; 30), welche direkt mit der Radnabe (1; 21) verbunden sind, getrennt sind.

3. Energiewandlersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der elektrische Energiespeicher (4; 24) als die Radachse (32) der Radnabe (21) umschließender, hülsenförmiger Konden­ sator ausgebildet ist.

4. Energiewandlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Reluktanzgenerator (2; 22) in einen Gußkörper (5; 26) aus geschäumten Leichtmetall eingebettet ist, welcher Aussparungen für die Montage der Elektronik (3; 23) und des Energiespeichers (4; 24) aufweist.

5. Verfahren zu Betrieb eines in oder an einer Radnabe (1; 21) eines Fahrzeuges ange­ ordneten Energiewandlersystems, das aus einem geschalteten Reluktanzgenerator (2; 22), einem Energiespeicher (4; 24) und einer mit dem Reluktanzgenerator (2; 22) und dem Energiespeicher (4; 24) verbundenen Elektronik (3; 23) zur Ansteuerung des Reluktanzgenera­ tors (2; 22) und zur Regelung des Ladezustandes des Energiespeichers (4; 24) besteht, wobei der Reluktanzgenerator (2; 22) von der Elektronik (3; 23) mit Erregerimpulsen beauf­ schlagt wird, deren Stärke von der Elektronik (3; 23) in Abhängigkeit des Ladezustandes des Energiespeichers (4; 24), des momentanen Verbrauchs und der Drehzahl des Reluktanzgenerators (2; 22) bestimmt wird.