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Zweirad-Lichtmaschine, insbesondere Fahrradlichtmaschine
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Beschreibung: Bei Fahrrad-Lichtmaschinen handelt es sich um Kleinststromerzeuger,
die zum Versorgen einer Fahrrad-Lichtanlage dienen und in der Regel über ein Schaltgelenk
mit einer drehstarr mit dem Rotor verbundenen Rändelrolle an die Flanke eines Fahrradreifens
anlegbar sind. Diese Fahrrad-Lichtmaschinenbauweise ist, von geringfügigen technisch
konstruktiven und stilistischen Veränderungen abgesehen, seit mehr als fünfzig Jahren
praktisch unverändert geblieben.
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Neben dieser klassischen Bauweise, die bei Millionen ausgeführter
Fahrrad-Lichtmaschinen verwirklicht wurde, sind immer wieder Versuche unternommen
worden, die Lichtmaschine in den Radnaben anzuordnen. So reizvoll dieser Gedanke
angesichts der dadurch verwirklichbaren Kompaktbauweise auch sein mag, so wenig
haben sich derartige Konstruktionen in der Praxis durchsetzen können.
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Sie finden sich vorwiegend als papierner Stand der Technik in der
Patentliteratur.
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Bei all diesen bekannten Lichtmaschinen handelt es sich um Kleinstmaschinen,
die aus den eigentlichen Funktionsteilen und einem diese umgebenden und aufnehmenden
Gehäuse bestehen. Die Erfindung, geht demgegenüber von der Überlegung aus, daß eine
derartige
Lichtmaschine in der Weise in ein Zweirad integrierbar sein muß, daß Teile des Fahrzeugs
und der Lichtmaschine zusammenwachsen, was gegenüber dem Stande der Technik naturgemäß
zu einer ganz wesentlichen Vereinfachung und Verbilligung bei derartigen Lichtmaschinen
führen muß.
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Durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Erfindung ist demgemäß
eine Lichtmaschine der genannten Art geschaffen, bei welcher der Rotor drehfest
und zentrisch mit einem Fahrzeugrad verbindbar und der Stator am Fahrzeugrahmen
befestigbar ist, wobei der Läufer als längs ihres Umfanges mit permanentmagnetischen
Polen jeweils abwechselnd entgegengesetzter Polarität ausgerüstete Magnetscheibe
ausgebildet und der Stator wenigstens ein aus einem Kern und einer von diesem aufgenommenen
Erregerspule bestehender Polschuh mit zwei Schenkeln ist, welche Schenkel ein durch
einen Luftspalt von den permanentmagnetischen Polen des Läufers getrenntes Polpaar
bilden.
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Es handelt sich bei der erfindungsgemäßen Lichtmaschine mithin darum,
daß der als Magnetscheibe ausgebildete Rotor keine besondere Drehlagerung besitzt,
sondern einem der Fahrzeugräder zentrisch zugeordnet wird, so daß die Drehlagerung
des Fahrzeugrades zugleich die Drehlagerung für den Lichtmaschinenrotor bildet,
während der Stator fest am Fahrzeugrahmen anzubringen ist, so daß zwischen ihm und
der in der Art einer Speichenschutzscheibe
bei Mehrgangschaltungen
ausgebilaeten Magnetscheibe ein möglichst geringer Luftspalt einstellbar ist. Nach
seinem Aufbau kann die erfindungsgemäße Lichtmaschine nach Patentanspruch 1 gewissermaßen
mit einer Scheibenbremse verglichen werden, wobei an die Stelle der Bremsscheibe
die Magnetscheibe tritt und an die Stelle der Bremsbacken der am Fahrzeugrahmen
befestigbare Polschuh,welcher den im Umfangsbereich der Bremsscheibe angeordneten
Magnetpolen über einen einstellbaren Luftspalt geringer Spaltweite zugeordnet ist.
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Die Unteransprüche betreffen zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
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So bezieht sich Patentanspruch 2 auf eine Lichtmaschine mit einer
Magnetscheibe, die beidseitig mit permanentmagnetischen Polen jeweils abwechselnd
entgegengesetzter Polarität ausgerüstet ist, und zwar in der Weise, daß einem Nordpol
auf der einen Seite der Scheibe jeweils ein Südpol auf der anderen Scheibenseite
gegenübersteht. Der Polschuh kann bei dieser Ausgestaltung mit seinen Schenkeln
den mit Magnetpolen bestückten Rand der Magnetscheibe U-förmig umgreifen, so daß
die von den Rotorpolen erzeugten magnetischen Felder senkrecht zur Magnetscheibe
und zur Oberfläche des Statorpolpaares durch den Stator hindurchtreten und auf die
Erregerspule des Polschuhs einwirken.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung nach Patentanspruch 3 besteht auch
in der an sich bekannten Ausbildung der Magnetscheibe als Topfscheibe mit einem
konzentrisch zur Rotationsachse verlaufenden, sich rechtwinklich von der Scheibenebene
forterstreckenden und die permanentmagnetischen Pole tragenden Scheibenand, wobei
wiederum dieser Scheibenrand von den Schenkeln des Polschuhs U-förmig umgriffen
ist.
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Bei topfförmiger Ausbildung der Magnet scheibe kann auch nur die Innenseite
des konzentrisch zur Rotationsachse verlaufenden Magnetscheibenrandes mit Magnetpolen
abwechselnd entgegengesetzter Polarität belegt und wenigstens ein Polschuh vorgesehen
sein, dessen Polschenkel sich etwa radial erstrecken und - in Umfangsrichtung gesehen
- mit Abstand voneinander verlaufen.
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Die im Patentanspruh 5 beschriebene Erfindung kennzeichnet schMEß
lich einen besonders einfachen Lichtmaschinenaufbau, bei dem die Magnetscheibe mit
zwei in radialem Abstand voneinander verlaufenden Magnetringen aus permanentmagnetischen
Polen jeweils abwechselnd entgegengesetzter Polarität in der Weise belegt ist, daß
auf einer Normalen je ein Pol eines jeden Magnetringes liegt und die einander so
zugeordneten Pole entgegengesetzte Polarität haben, und bei dem die Schenkel des
Polschuhs in radialem Abstand voneinander senkrecht zur Scheibenachse verlaufen,
so daß
der innere Schenkel des Polschuhs dem inneren Magnetring
und der äußere Polschuhschenkel dem äußeren Magnetring zugeordnet ist.
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Einige Ausführungsformen der Erfindung sollen nachstehend anhand der
beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:
Fig. 1 die Anordnung einer erfindungsgemäßen Lichtmaschine im Bereich der Hinterradnabe
eines Fahrrades mit am Hinterrad drehfest befestigter Magnet scheibe und an der
Hinterradgabel fest angebrachtem Polschuh, Fig. 2 in einer gegenüber Fig. 1 vergrößerten
Darstellung eine Möglichkeit der Ausbildung einer Magnetscheibe, Fig. 3 die Magnetscheibe
gemäß Fig. 2 in einer Schnittansicht nach der Schnittlinie III-III mit zugeordnetem
Polschuh, Fig. 4 eine als Topfscheibe ausgebildete Magnetscheibe in einer Ansicht
wie Fig. 2, Fig. 5 eine Schnittansicht gemäß Schnittlinie V-V der Magnetscheibe
nach Fig. 4 mit zugeordnetem Polschuh, Fig. 6 in einer Ansicht wie Fig. 4 eine abgewandelte
Ausführungsform der topfförmigen Magnetscheibe mit im Inneren des Topfs angeordneten,
um 1800 gegeneinander versetzten Polschuhen,
Fig. 7 die Lichtmaschine
nach Fig. 6 in einer Schnittansicht gemäß Schnittlinie VII-VII, Fig. 8 eine weitere
Abwandlungsform in einerAnsicht wie Fig. 2 mit zwei einander konzentrisch umschließenden
Magnetringen und Fig. 9 die Lichtmaschine nach Fig. 8 in einer Schnittansicht gemäß
Schnittlinie IX-IX.
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Bei dem in Fig. 1 veranschaulichten Fahrrad 1 ist die erfindungsgemäße
Lichtmaschine 10 dem Hinterrad 2 zugeordnet. Diese Lichtmaschine besteht im wesentlichen
aus einer in der Art einer Speichenschutzscheibe bei Mehrgangschaltungen im Bereich
der Radnabe 3 mit dem Hinterrad drehfest verbundenen Magnetscheibe 11 und einem
Polschuh 12, der an einer Strebe 4 der Hinterradgabel des Fahrradrahmens befestigt
ist.
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Die Einzelheiten der Lichtmaschinenausbildung verdeutlichen die Fig.
2 und 3, wobei jedoch die Mittel zum Befestigen der Magnetscheibe 11 im Bereich
der Hinterradnabe und des Polschuhs 12 an einer Strebe der Hinterradgabel weggelassen
sind.
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Die Magnetscheibe 11 umfaßt eine Trägerscheibe 13, deren Randbereich
auf beiden Scheibenseiten mit Magnetbändern 14, 15 belegt ist. Diese beiden Magnetbänder
besitzen aufeinanderfolgend Magnetpole 16, 17 jeweils abwechselnd entgegengesetzter
Polarität.
Demgemäß handelt es sich bei jedem ersten, dritten, fünften usw. Magnetpol um einen
Nordpol 16, hingegen bei jedem zweiten, vierten, sechsten usw. Magnetpol 17 um einen
Südpol.
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Die Anordnung ist im übrigen so getroffen, daß jeweils einem Nordpol
16 des auf der einen Seite der Trägerscheibe 13 angebrachten Magnetringes 14 ein
Südpol 17 des auf der anderen Seite der Trägerscheibe angeordneten Magnetringes
15 gegenübersteht.
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Der Polschuh 12 besteht aus einem Kern 20 mit Schenkeln 21, 22, die
den mit Magnetbändern 14, 15 belegten Randbereich der Trägerscheibe 13 unter Ausbildung
jeweils eines Luftspaltes geringer Spaltweite U-förmig umgreifen. Der die Schenkel
21, 22 des Polschuhs verbindende Steg trägt eine Erregerwicklung 23.
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Die von den Magnetpolen 16, 17 erzeugten Magnetfelder treten beim
Umlauf der Magnetscheibe 11 um die bei 19 angedeutete Rotationsachse senkrecht zur
Scheibenebene und etwa senkrecht zur Oberfläche des von den Schenkeln 21, 22 gebildeten
Statorpolpaares in den Kern 20 ein und beaufschlagen die Erregerspule 23 mit einem
Erregerfeld. Demgemäß wird, in Abhängigkeit von von der Frequenz des Erregerfeldes,
also in Abhängigkeit/ der Umlaufgeschwindigkeit der Magnetscheibe und der Windungszahl
der Erregerwicklung, in letzterer eine Spannung induziert, die über die Windungsenden
der Erregerspule abgreifbar ist.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 sind für gleiche Teile
wie in den Fig. 2 und 3 gleiche Bezugszeichen verwendet worden, jedoch um Einhundert
erhöht.
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Die Magnetscheibe 111 umfaßt wiederum eine Trägerscheibe 113, bei
der jedoch, im Unterschied zu der Ausführungsform nach Fig.
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2, der Rand 118 etwa rechtwinklich zur Scheibenebene verformt ist.
Die Magnetscheibe ist mithin eine sogenannte Toscheibe, deren rechtwinklich aus
der Scheibenebene heraus geformter Rand 118 sich in der Art eines Randflanschs konzentrisch
um die Rotationsachse 119 herumerstreckt. Dieser Rand ist wiederum beidseitig mit
Magnetbändern 114, 115 belegt und jedes dieser Magnetbänder trägt Magnetpole 116,117
bzw. 116', 117' von jeweils abwechselnd entgegengesetzter Polarität. Die Anordnung
ist dabei wiederum so getroffen, daß einem Nordpol des innenliegenden Magnetringes
114 ein Südpol des äußeren Magnetringes 115 gegenübersteht.
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Der Polschuh 112 unterscheidet sich in seinem Aufbau nicht vom Polschuh
12, wohl aber hinsichtlich seiner gegenüber Fig. 3 um 900 gedrehten Anordnung. Die
Schenkel 121, 122 des Kerns 120 umgreifen wiederum den mit Magnetbändern belegten
Rand 118 der Magnetscheibe 111 und zwischen den Oberflächen der Schenkel des Statorpolpaares
und den Magnetpolen 116, 117 bzw. 116', 117' der Magnetscheibe befinden sich Luftspalte
möglichst
geringer Spaltweiten. Im wesentlichen parallel zur Ebene
der Trägerscheibe 113 auftretende Magnetfelder wirken somit über die Schenkel 121,
122 auf die im Stegbereich des Kerns 120 angeordnete Erregerspule 123 ein.
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Auch bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 sind für gleiche
Teile wie in den vorhergehenden Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet worden,
jedoch wiederum zur Unterscheidung um Einhundert erhöht.
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Die MAGnetscheibe 211 ist wiederum als Topfscheibe mit einem aus der
Ebene der Trägerscheibe 213 rechtwinklich hochgeformten Rand 218 ausgebildet, der
sich konzentrisch um die Rotationsachse 219 herumerstreckt. Im Unterschied zu der
Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 ist jedoch nur die Innenseite des Randflanschs
218 mit einem Magnetband 214 belegt, das nebeneinanderliegende Magnetpole 216, 217
abwechselnd entgegengesetzter Polarität besitzt.
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In dem von dem Randflansch 218 umschlossenen Innenraum der Topfet
scheibe sind, um 1800 in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, zwei Polschuhe
212, 212' angeordnet. Jeder dieser Polschuhe umfaßt einen Weicheisenkern 220, 220'
mit zwei im Abstand voneinander verlaufenden Schenkeln 221, 222 bzw. 221', 222'.
In dem die Schenkel verbindenden Stegabschnitt eines jeden Polschuhs ist eine Erregerwicklung
223, 223' angeordnet. Die im Abstand voneinander
verlaufenden
Schenkel eines jeden Polschuhs erstrecken sich radial nach außen und enden in geringen
Abständen von den Magnetpolen 216, 217 des Magnetbandes 214. Es ist ersichtlich,
daß bei dieser Ausbildung durch einfache Radialverschiebung der Polschuhe die Einstellung
besonders enger Luftspalt zwischen den Oberflächen der Statorpolpaare und den Magnetpolen
des Magnetbandes 214 gelingt.
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Die Ausführungsform nach den Fig. 8 und 9, bei der wiederum die gleichen
Bezugszeichen, jedoch nochmals um Einhundert erhöht, verwendet worden sind, hat
eine gewisse Ähnlichkeit mit der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3. Im Unterschied
dazu sind jedoch in radialem Abstand voneinander auf der Trägerscheibe 31! der Magnetscheibe
311 zwei Magnetringe 314, 315 angeordnet, die einander konzentrisch umschließen.
Die Magnetringe sind in gleicher Weise wie bei denübrigen Ausführungsformen mit
in Umfangsrichtung jeweils aufeinanderfolgenden Magnetpolen 316, 317 bzw.
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316', 317', von jeweils entgegengesetzter Polarität ausgebildet.
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Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß jeweils zwei Magnetpole
der beiden Magnetringe mit entgegengesetzter Polarität auf einer die Rotationsachse
319 der Anordnung schneidenden NormaLer liegen, beispielsweise ein Nordpol 316 des
Magnetringes 314 und ein Südpol 317' des Magnetringes 315.
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Der Polschuh 312 besteht auch bei dieser Anordnung wiederum aus einem
im wesentlichen U-förmigen Weicheisenkern 320, dessen im
Abstand
voneinander verlaufende Schenkel 321, 322 sich senkrecht zur Magnetscheibenebene
in Richtung auf die beiden Magnetringe 314, 315 erstrecken. Auf jedem dieser Schenkel
ist eine Erregerspule 323> 323' angeordnet. Angesichts der einander konzentrisch
umschließenden Magnetringe 314, 315 verlaufen die genannten Schenkel 321, 322 des
Polschuhs in radialem Abstand voneinander, welcher dem Radialabstand zwischen den
beiden Magnetringen entspricht.
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Während die Trägerscheibe 313 in nicht weiter dargestellter Weise
mit der Nabe eines Fahrzeugrades verbunden ist, wie in Fig.
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1 veranschaulicht, ist der Polschuh in der bei 325 in Fig. 9 angedeuteten
Weise mit der Strebe 4 eines im übrigen nicht veranschaulichten Fahrradrahmens verbunden.
Es ist ersichtlich, daß bei einer derartigen Polschuhanordnung in besonders einfacher
Weise die Einstellung des Luftspaltes zwischen den Oberflächen der Schenkel des
Polschuhpaares und den magnetischen Polen der Magnetbänder gelingt, indem der Polschuh
in seinerGesamtheit mehr oder weniger senkrecht zur Magnetscheibenebene verschoben
wird.
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L e e r s e i t e