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Das
vorliegende Gebrauchsmuster betrifft eine Dynamo- und eine Stromversorgungs-Verwaltungsvorrichtung
und insbesondere eine Vorrichtung, deren Ziel das Verwalten des
Dynamos und der Stromversorgung bei einem Fahrrad ist.
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Nobiltelefone,
Fahrradleuchten, Notebook-Rechner, persönliche-Daten-Assistenten, digitale
Abspielgeräte
(NP3 oder NP4), GPS-Geräte
und dergleichen sind Beispiele für
Gegenstände,
die möglicherweise
auf eine Fahrradtour mitgenommen werden. Die meisten dieser Zubehörteile sind
dem Bereich der Elektronik zuzuordnen, was bedeutet, dass sie entweder
normale Batteriezellen oder wiederaufladbare Batterien für den Betrieb
benötigen, wobei
im vorliegenden Fall wiederaufladbaren Batterien bevorzugt werden.
Nachdem sie eine Zeitlang betrieben wurden, müssen derartige elektronische Geräte wieder
aufgeladen werden, bevor die gespeicherte Energie verbraucht ist.
Während
einer Fahrradtour kann es jedoch sehr schwierig sein, Zugriff auf
einen Energieanschluss zu bekommen.
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In
Wirklichkeit ist es jedoch überhaupt
nicht schwierig, während
einer Fahrradtour Zugriff auf einen Energieanschluss zu bekommen.
Die einfachste und am besten zugängliche
Energiequelle oder Stromquelle ist nämlich das Dynamosystem eines Fahrrades.
Ein handelsübliches
Fahrraddynamosystem speist die Fahrradbeleuchtung mit Energie bzw. Strom.
Sofern man nicht nachts mehrere Stunden lang mit dem Fahrrad unterwegs
ist, steht der größte Teil
des von dem Dynamosystem erzeugten Stroms zur Verfügung. Somit
verfügt
das Dynamosystem eines Fahrrades über ausreichend Strom, um außer einer
Fahrradleuchte auch andere Geräte
mit Energie bzw. Strom zu versorgen. Die vorangehenden Ausführungen
dienen hauptsächlich
der Untersuchung der Durchführbarkeit,
anstatt die konkrete Implementierung einer Technologie zu erläutern, die
sich noch in der Entwicklung befindet. Aus dem Beispiel des Dynamosystems
wird deutlich, dass der von dem System erzeugte Strom effizienter
verwaltet werden und die Auswahl an Stromspeichermitteln den Eigenschaften
und Anforderungen verschiedener elektronischer Geräte genügen muss.
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Bestehende
Mittel zum Speichern von elektrischer Energie bzw. Strom schließen wiederaufladbare
Batterien, Kondensatoren, Ultrakondensatoren (oder Superkondensatoren)
und so weiter mit ein. Eine wiederaufladbare Batterie verfügt im Allgemeinen über eine
höhere
Speicherkapazität,
benötigt
jedoch eine spezielle Gestaltung des Lade-Schaltkreises und des
Entladesteuerungs-Schaltkreises, um eine Beschädigung der Batterie aufgrund
einer Überladung
oder einer Überentladung
zu verhindern. Ein Ultrakondensator speichert Energie aus den getrennten
Ladungen. Je größer die
Oberfläche
ist, die Ladungen speichert, desto konzentrierter sind die getrennten
Ladungen oder desto größer ist
die Kapazität.
Die Oberfläche
eines Ultrakondensators ist abhängig
von porösen
Kohlenstoffmaterialien. Die Porenstruktur dieser Stoffe stellt mehr
Oberfläche
bereit, so dass der Ultrakondensator im Gegensatz zu einem herkömmlichen
Kondensator eine hohe Kapazität
mit einer hohen Disparität
aufweist. Darüber
hinaus hat ein Ultrakondensator die folgenden Vorteile:
- 1. geringe Abmessung, wobei jedoch eine Kapazität im Farad-Bereich
bereitgestellt wird,
- 2. keine spezielle Gestaltung des Lade-Schaltkreises und des Entladesteuerungs-Schaltkreises;
im Vergleich zu einer wiederaufladbaren Batterie wird die Lebensdauer
eines Ultrakondensators weder von einem Überladen noch von einem Überentladen
beeinflusst;
- 3. umweltfreundliche Energie im Sinne des Umweltschutzes.
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Trotz
der oben genannten Vorteile eines Ultrakondensators bedeutet dies
jedoch nicht, dass ein Ultrakondensator eine wiederaufladbare Batterie
hinsichtlich des Dynamos und der Energieversorgung bei einem Fahrrad
vollständig
ersetzen kann. Ultrakondensatoren sind im Hinblick auf eine ideale
Leistungskennlinie von Vorteil, wobei jedoch ihre Energiespeicherfähigkeit
weit unter der einer wiederaufladbaren Batterie liegt.
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Aus
diesem Grund sind herkömmliche
Mittel zum Speichern von elektrischer Energie, was ihre Eigenschaften
betrifft, in ihren jeweiligen Anwendungsgebieten von Vorteil. Das
Prinzip der Nutzung dieser Mittel besteht darin, die Mittel zum
Speichern von Energie nicht nur auszutauschen, sondern sie auch unter
Berücksichtigung
der Eigenschaften der unterschiedlichen, Energie benötigenden
Geräte
effizient und sorgfältig
auszuwählen.
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Hauptziel
des vorliegenden Gebrauchsmusters ist das Bereitstellen einer Dynamo-
und Stromversorgungs-Verwaltungsvorrichtung
für ein
Fahrrad. Die Vorrichtung weist verschiedene Energiespeichereinheiten
mit unterschiedlichen Eigenschaften auf und lädt selektiv verschiedene Energiespeichereinheiten
auf und führt
verschiedenen Lasten mit einer geeigneten Energiespeichereinheit
abhängig
von deren Stromerzeugungszustand und dem tatsächlichen Stromverbrauchsbedarf
elektrische Energie zu, wodurch die Betriebseffizienz des Fahrraddynamos deutlich
verbessert wird.
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Um
das vorgenannte Hauptziel des vorliegenden Gebrauchsmusters zu erreichen,
weist die Dynamo- und Stromversorgungs-Verwaltungsvorrichtung für ein Fahrrad
auf: einen Energieeingangsanschluss (im Folgenden auch bezeichnet
als Stromeingangsanschluss), einen Gleichrichter- und Filterschaltkreis,
einen elektronischen Schaltersatz, ein Energiespeichermodul, eine
Spannungs-Mess-Einheit, eine Steuereinheit und einen Energieausgangsanschluss
(im Folgenden auch bezeichnet als Stromausgangsanschluss).
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Der
Energieeingangsanschluss ist zum Verbinden mit einem Dynamo eingerichtet.
Der Energieaungangsanschluss ist zum Verbinden mit einer Last eingerichtet.
Der Gleichrichter- und Filterschaltkreis weist einen Ausgangsanschluss
und einen Eingangsanschluss auf, der mit dem Energieeingangsanschluss
verbunden ist. Der elektronische Schaltersatz ist zwischen dem Ausgangsanschluss
des Gleichrichter- und Filterschaltkreises und einem Energieausgangsanschluss
angeschlossen. Das Energiespeichermodul ist durch den elektronischen Schaltersatz
jeweils mit dem Gleichrichter- und Filterschaltkreis und dem Energieausgangsanschluss
verbunden und weist mehrere Energiespeichereinheiten auf. Die Spannungs-Mess-Einheit
weist eine Mehrzahl von Eingangsanschlüssen und einen Ausgangsanschluss
auf. Die Mehrzahl von Eingangsanschlüssen ist jeweils mit dem Ausgangsanschluss
des Gleichrichter- und Filterschaltkreises und dem Energieausgangsanschluss
verbunden. Die Steuereinheit weist eine integrierte Lade- und Entladeparameter-Tabelle
auf und ist mit dem Ausgangsanschluss der Spannungs-Mess-Einheit
verbunden und mit dem Energiespeichermodul gekoppelt, um den elektronischen
Schaltersatz zum Laden und Entladen umzuschalten.
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Wenn
der Dynamo eingeschaltet ist, misst die Steuereinheit den von dem
Dynamo erzeugten Strom und ermittelt auf Grundlage der integrierten Lade-
und Entladeparameter, welche Energiespeichereinheit aufgeladen oder
entladen ist. Wenn sie eine Stromverbrauchsanfrage detektiert, wählt die Steuereinheit
gemäß den integrierten
Lade- und Entladeparametern eine Energiespeichereinheit aus, um den
von der Last angeforderten Strom bereitzustellen. Insbesondere werden
angesichts des identischen Lastzustandes magnetische Feldlinien,
die von dem Dynamo erzeugt werden, deutlich verringert, und die
magnetische Dämpfung
wird weiter verringert, so dass der Betrieb des Dynamos zu keiner übermäßigen Belastung
führt,
die die Geschwindigkeit des Fahrrades deutlich verringert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
Blockschaltplan einer ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß dem vorliegenden
Gebrauchsmuster,
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2 einen
Teilschaltplan einer zweiten bevorzugten Ausführungsform gemäß dem vorliegenden
Gebrauchsmuster, und
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3 einen
Schaltplan eines analogen Schalters in einem ersten elektronischen
Schalter und in einem zweiten elektronischen Schalter des elektronischen
Schaltersatzes gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 weist eine Dynamo- und Stromversorgungs-Verwaltungsvorrichtung
für ein
Fahrrad auf: einen Energieeingangsanschluss (IN), einen Gleichrichter-
und Filterschaltkreis 10, einen elektronischen Schaltersatz,
ein Energiespeichermodul 30, eine Spannungs-Mess-Einheit 40,
eine Steuereinheit 50 und einen Energieausgangsanschluss
(OUT).
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Der
Gleichrichter- und Filterschaltkreis 10 weist einen Eingangsanschluss
und einen Ausgangsanschluss auf. Der Eingangsanschluss ist mit dem
Energieeingangsanschluss (IN) verbunden, mit dem ein an einem Fahrrad
montierter Dynamo 7 verbunden ist. Somit speist der Dynamo 7 den
Gleichrichter- und Filterschaltkreis 10 durch den Energieeingangsanschluss
(IN) mit Strom.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
weist der elektronische Schaltersatz einen ersten elektronischen
Schalter 21 und eines zweiten elektronischen Schalter 22 auf,
die jeweils zwischen dem Ausgangsanschluss des Gleichrichter- und
Filterschaltkreises 10 und dem Energieausgangsanschluss
(OUT) angeschlossen sind. Der erste und der zweite elektronische
Schalter 21, 22 sind normalerweise offen und werden
zum Einschalten oder Ausschalten von der Steuereinheit 50 gesteuert.
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Das
Energiespeichermodul 30 weist mehrere Energiespeichereinheiten 31 bis 33 auf.
Die Energiespeichereinheiten 31 bis 33 können eines
von einer Sekundärbatterie,
einem Kondensator und einem Ultrakondensator oder einer Batterieanordnung,
einer Kondensatoranordnung und einer Ultrakondensatoranordnung sein.
Zum Durchführen
des Aufladens wird eine der Energiespeichereinheiten 31 bis 33 in
dem Energiespeichermodul 30 von der Steuereinheit 50 mittels
des ersten elektronischen Schalters 21 ausgewählt. Zum
Durchführen
des Entladens wird eine der Energiespeichereinheiten 31 bis 33 in
dem Energiespeichermodul 30 von der Steuereinheit 50 mittels
des zweiten elektronischen Schalters 22 ausgewählt. Da
elektrische Lasten 60 mit dem Energieausgangsanschluss
verbunden sind, speist die Dynamo- und Stromversorgungs-Verwaltungsvorrichtung
die Lasten 60 mit dem Strom aus dem Energiespeichermodul 30.
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Eingangsanschlüsse der
Spannungs-Mess-Einheit 40 sind zum Messen einer Eingangsspannung
aus dem Gleichrichter- und Filterschaltkreis 10 und einer
Ausgansspannung aus dem Energieausgangsanschluss (OUT) jeweils mit
einem Ausgangsanschluss des Gleichrichter- und Filterschaltkreises 10 und
dem Energieausgangsanschluss (OUT) verbunden, und erzeugen entsprechende
Gemessene-Spannung-Signale. Die Steuereinheit 50 ist zum
Erhalten der Gemessene-Spannung-Signale
von der Spannungs-Mess-Einheit 40 mit Ausgangsanschlüssen der
Spannungs-Mess-Einheit 40 verbunden. Darüber hinaus ist
die Steuereinheit 50 zum Bereitstellen der Gespeicherte-Spannung-Werte
an die Steuereinheit 50 auch mit Ausgangsanschlüssen der
Energiespeichereinheiten 31 bis 33 verbunden.
Dementsprechend kann die Steuereinheit 50 Eingangsspannung
des Dynamos 7 und Ausgangsspannung des Energieausgangsanschlusses
(OUT) durch den Gleichrichter- und Filterschaltkreis 40 und
die Spannungen der Energiespeichereinheiten 31 bis 33 erhalten.
Die Steuereinheit 50 bestimmt, welche der Energiespeichereinheiten 31 bis 33 mit
dem von dem Dynamo 7 erzeugten Strom aufgeladen wird. Abhängig von
den Stromspeicherzuständen
der Energiespeichereinheiten 31 bis 33 wird wahlweise
eine der Energiespeichereinheiten 31 bis 33 mit
dem Energieausgangsanschluss (OUT) verbunden, indem der zweite elektronische
Schalter 22 gesteuert wird, damit die Last 60 mit
Strom gespeist wird.
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Unter
Bezugnahme auf die 2 weist eine Dynamo- und Stromversorgungs-Verwaltungsvorrichtung
für ein
Fahrrad auf: einen Energieeingangsanschluss (IN), einen Gleichrichter-
und Filterschaltkreis 10, einen elektronischen Schaltersatz,
ein Energiespeichermodul 30, eine Spannungs-Mess-Einheit 40,
eine Steuereinheit 50 und einen Energieausgangsanschluss
(OUT). Die Vorrichtung weist im Wesentlichen die gleichen Komponenten
wie diejenige der ersten Ausführungsform
auf, wobei jedoch eine genauere Beschreibung derselben bereitgestellt wird.
Die Vorrichtung unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform
bezüglich
der Verbindung zwischen dem Energiespeichermodul 30, der
Spannungs-Mess-Einheit 40 und
der Steuereinheit 50. Die Spannungs-Mess-Einheit 40 weist zwei
Spannungs-Mess-Puffer 41, 42 auf. Eingangsanschlüsse von
einem der Spannungs-Mess-Puffer 41, 42 sind jeweils
mit dem Ausgangsanschluss des Gleichrichter- und Filterschaltkreises 10 und
den Ausgangsanschlüssen
des ersten elektronischen Schalters 21 verbunden. Eingangsanschlüsse des
anderen Spannungs-Mess-Puffers 42 sind
jeweils mit den Ausgangsanschlüssen
des zweiten elektronischen Schalters 22 und dem Ausgangsanschluss
des Lastpuffers 54 verbunden. Die Steuereinheit 50 weist
einen Mikroprozessor 53 auf, der eine integrierte Lade- und
Entladeparametertabelle aufweist. Die Lade- und Entladeparametertabelle
zeichnet Lade- und Entladeparameter jeder Energiespeichereinheit 31 bis 33 auf.
Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
weist der Mikroprozessor 53 mehrere Eingangsanschlüsse auf,
die mit Ausgangsanschlüssen
der Spannungs-Mess-Puffer 41, 42 verbunden
sind und zum Umwandeln von von der Spannungs-Mess-Einheit 40 gemessenen
Spannungssignale in digitale Signale mit mehreren Analog-Digital-Wandlern
(ADC) verbunden sind. Dementsprechend kann der Mikroprozessor 53 Eingangsspannung
aus dem Gleichrichter- und Filterschaltkreis 10 und Ausgangsspannung
aus dem Energieausgangsanschluss (OUT) und die Spannungen der Energiespeichereinheiten 31 bis 33 erhalten.
Der Mikroprozessor 53 weist ferner mehrere E/A (I/O)-Puffer 51, 52 auf,
die jeweils zwischen dem ersten elektronischen Schalter 21 und dem
Mikroprozessor 53 und zwischen dem zweiten elektronischen
Schalter 22 und dem Mikroprozessor 53 angeschlossen
sind. Der erste und der zweite elektronische Schalter 21, 22 sind
aus mehreren, normalerweise offenen analogen Schaltern gebildet. Unter
Bezugnahme auf die 3 weist jeder der in 2 durch
gestrichelte Linien hervorgehobenen analogen Schalter einen ersten
Transistor 23 und einen zweiten Transistor 24 auf.
Der erste Transistor 23 ist ein Bipolartransistor und der
zweite Transistor 24 ist ein MOSFET-Transistor (MOSFET,
engl. metal Oxide semiconductor field-effect transistor (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor]).
Die Basis des ersten Transistors 23 ist ein Steuerstrom-Eingangsanschluss
(C), dessen Kollektor mit einem Gate-Anschluss des zweiten Transistors 24 verbunden
ist und durch einen Widerstand (100 K) mit dem Source-Anschluss
des zweiten Transistors 24 und einem Schaltstrom-Eingangsanschluss
(A) verbunden ist. Der Drain-Anschluss des zweiten Transistors 24 ist ein
Schaltstrom-Ausgangsanschluss (B).
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Wenn
der Analogschalter für
den ersten elektronischen Schalter 21 verwendet wird, dann wird
der Schaltstrom-Eingangsanschluss (A) mit dem Gleichrichterund Filterschaltkreis 10 verbunden,
der Schaltstrom-Ausgangsanschluss
(B) wird mit dem Spannungs-Mess-Puffer 41 verbunden und
der Steuerstrom-Eingangsanschluss (C) wird mit dem I/O-Puffer 51 verbunden.
Dementsprechend wird der zweite Transistor 24 eingeschaltet,
wenn das von dem I/O-Puffer 51 an den Steuerstrom-Eingangsanschluss
(C) ausgegebene Signal hoch ist, so dass der Strom von dem Schaltstrom-Eingangsanschluss (A)
durch den Schaltstrom-Ausgangsanschluss (B) zu dem Spannungs-Mess-Puffer 41 fließt. Wenn
das von dem I/O-Puffer 51 an
den Steuerstrom-Eingangsanschluss (C) ausgegebene Signal niedrig
ist, dann werden der erste Transistor 23 und der zweite Transistor 24 alle
ausgeschaltet und von dem Schaltstrom-Eingangsanschluss (A) fließt kein
Strom zu dem Schaltstrom-Ausgangsanschluss
(B).
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Wenn
der Analogschalter für
den zweiten elektronischen Schalter 22 verwendet wird,
dann wird der Schaltstrom-Eingangsanschluss (A) mit dem Spannungs-Mess-Puffer 41 verbunden,
der Schaltstrom-Ausgangsanschluss
(B) wird mit dem Lastpuffer 54 verbunden und der Steuerstrom-Eingangsanschluss
(C) wird mit dem I/O-Puffer 52 verbunden. Dementsprechend
wird der zweite Transistor 24 eingeschaltet, wenn das von
dem I/O-Puffer 52 an den Steuerstrom-Eingangsanschluss
(C) ausgegebene Signal hoch ist, so dass von dem Schaltstrom-Eingangsanschluss
(A) durch den Schaltstrom-Ausgangsanschluss
(B) Strom zu dem Spannungs-Mess-Puffer 42 fließt. Wenn
das von dem I/O-Puffer 52 an den Steuerstrom-Eingangsanschluss
(C) ausgegebene Signal niedrig ist, werden sowohl der erste Transistor 23 als
auch der zweite Transistor 24 ausgeschaltet und von dem
Schaltstrom-Eingangsanschluss (A) zu dem Schaltstrom-Ausgangsanschluss
(B) fließt
kein Strom.
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Die
Schaltsteueranschlüsse
sind durch die I/O-Puffer 51, 52 mit
den Ausgangsanschlüssen
des Mikroprozessors 53 verbunden und werden von dem Mikroprozessor 53 gesteuert.
Ein Lastpuffer 54 ist zwischen dem zweiten elektronischen
Schalter 22 und dem Energieausgangsanschluss (OUT) montiert.
Der Lastpuffer 54 ist durch den I/O-Puffer 52 mit dem
Mikroprozessor 53 verbunden und wird von dem Mikroprozessor 53 gesteuert.
Zusammen mit dem Vergleichen dieser Spannungen mit denjenigen in der
integrierten Lade- und Entladeparametertabelle bestimmt der Mikroprozessor 53,
welche der Energiespeichereinheiten 31 bis 33 mit
dem durch den Dynamo 7 erzeugten Strom aufgeladen wird.
Abhängig
von den Stromspeicherzuständen
der Energiespeichereinheiten 31 bis 33 wird eine
der Energiespeichereinheiten 31 bis 33 zum Einspeisen
von Strom selektiv mit dem Energieausgangsanschluss (OUT) verbunden.
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Die
vorangehende Beschreibung ist mit der wesentlichen Struktur des
vorliegenden Gebrauchsmusters verknüpft. Das Funktionskonzept wird
im Folgenden ausführlich
erläutert.
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Wenn
der Dynamo gestartet wird, misst der Mikroprozessor 53 der
Steuereinheit 50 durch die Spannungsmessungspuffer 41, 42 jeweils
den von dem Dynamo 7 erzeugten Strom und den Stromspeicherzustand
der Energiespeichereinheiten 31 bis 33. Der Mikroprozessor 53 schaltet
in Zusammenarbeit mit der integrierten Lade- und Entladeparametertabelle
einen der Analogschalter des ersten elektronischen Schalters 21 an
und bestimmt das Aufladen der entsprechenden Energiespeichereinheit.
Wenn eine Stromverbrauchsanfrage detektiert wird, schaltet der Mikroprozessor 53 entsprechend
dem Stromspeicherzustand der Energiespeichereinheiten 31 bis 33,
den Lade- und Entladeparametern und dem Lastzustand einen der Analogschalter
des zweiten elektronischen Schalters 22 ein, um eine passende
Energiespeichereinheit 31 bis 33 zum Speisen der
Last 60 mit Strom auszuwählen. Mittels der obengenannten Schaltkreise
kann ein Fahrraddynamo die Stromverbrauchsanforderungen unterschiedlicher
Lasten erfüllen
und wird seine funktionale Effizienz verbessert. Angesichts des
identischen Lastzustandes werden die magnetischen Feldlinien der
von dem Dynamo erzeugten Kraft deutlich verringert und die magnetische
Dämpfung
wird weiter verringert, so dass der Betrieb des Dynamos zu keiner übermäßigen Belastung
gegen das Fahrrad führt.
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Obwohl
zahlreiche Eigenschaften und Vorteile des vorliegenden Gebrauchsmusters
in der vorangehenden Beschreibung dargelegt wurden, ist die Offenbarung
zusammen mit den Einzelheiten der Struktur und der Funktion des
Gebrauchsmusters lediglich erläuternd. Änderungen
können
im Einzelnen insbesondere in Bezug auf die Form, die Größe und die
Anordnung von Bauteilen innerhalb der Prinzipien des Gebrauchsmusters
in dem Maße
durchgeführt werden,
wie es durch den Schutzumfang der angehängten Ansprüche angegeben ist.