DE4012161A1

DE4012161A1 - Voltage-regulated permanent magnet dynamo for bicycle - uses ferromagnetic particles displaced outward by centrifugal force to alter magnetic resistance

Info

Publication number: DE4012161A1
Application number: DE19904012161
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Volkrodt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-04-14
Filing date: 1990-04-14
Publication date: 1991-10-17

Abstract

The magnetic flux return path for the permanent magnets is provided by ferromanetic particles, instead of by a solid yoke. The ferromagnetic particles are in the form of a magnetic powder or miniature balls which are displaced outwards in response to the centrifugal force for increasing the magnetic resistance of the magnetic circuit. This prevents any further increase in the induced electromagnetic voltage in the stator winding at high r.p.m. USE - Maintaining constant output voltage.

Description

Als Beispiel für eine elektrische Dauermagnetmaschine, die trotz stark variabler Antriebsdrehzahl eine etwa konstante Ausgangsspannung liefert, damit angeschlos sene Glühbirnen nicht durchbrennen, diene ein Fahrraddynamo. Er soll bei einer Fahrradgeschwindigkeit von 10 km/h eine Spannung von etwa 6 V liefern. Bei 25 km/h dürfen aber 7 V nicht überschritten werden. Bei den gegenwärtigen her kömmlichen Fahrraddynamos erfolgt die Begrenzung von Überspannungen durch eine Ständerbauweise, bei der bei steigender Drehzahl etwa frequenzproportional Wirbelströme und Flußverdrängung auftreten. Kein Wunder, wenn dieses verlust behaftete Verfahren dann einen Radfahrer zwingt, bei 25 km/h bis zu 20 W kör perliche Leistung aufzubringen, um die Beleuchtung des Fahrrades mit lediglich 3 Watt Leistungsbedarf sicherzustellen.As an example of an electrical permanent magnet machine that despite being highly variable Drive speed provides an approximately constant output voltage, so connected Don't burn his lightbulbs, serve a bicycle dynamo. He is said to be at one Bicycle speed of 10 km / h deliver a voltage of about 6 V. At 25 km / h may not exceed 7 V. With the current ones Conventional bicycle dynamos are used to limit overvoltages a stator design in which the frequency increases roughly in proportion to the frequency Eddy currents and flow displacement occur. No wonder if this is lost This method then forces a cyclist to drive up to 20 W at 25 km / h to put personal effort to the lighting of the bike with only Ensure 3 watt power requirement.

Es besteht seit langem unter Radfahrern die Forderung, Fahrraddynamos zu entwickeln, die statt des bisherigen Wirkungsgrades von etwa 20-35% mit über doppelt so hohem Wirkungsgrad arbeiten. Solche höheren Wirkungsgrade sind mit herkömmlichen Dauermagnetmaschinen ohne ausgeprägte Streufelder und unter Vermeidung von übertriebenen Wirbelstromverlusten problemlos machbar. Dann bedarf es aber zur Begrenzung der Ausgangsspannung spezieller Maßnahmen zur etwa drehzahlproportionalen Schwächung des Erregerfelds oberhalb des Erreichens der Sollspannung. Das kann z. B. gemäß Patentschrift P 40 01 042.2 durch mechanische Fliehkraftregelung erfolgen, bei der der Luftspalt zwischen dem ro tierenden Dauermagnetläufer und dem feststehenden Ständerpaket derart vergrö ßert wird, daß der die Ständerwicklung durchdringende Fluß so reduziert wird, daß die induzierte Generatorspannung ab einer bestimmten Drehzahl nicht weiter an steigen kann. Derartige Fliehkraftsysteme, die ohne zu hohe Unwucht sauber arbeiten, sind bei einem Fahrraddynamo, der im Einzelhandel 1990 zu etwa DM 10.- vertrieben wird, trotz Massenproduktion kaum kostengünstig realisierbar. Daher wurde nach anderen, kostengünstigeren Lösungen gesucht.There has long been a requirement among cyclists to use bicycle dynamos develop that instead of the previous efficiency of about 20-35% with over work twice as efficiently. Such higher efficiencies are included conventional permanent magnet machines without pronounced stray fields and under Avoidance of excessive eddy current losses easily possible. Then However, special measures are required to limit the output voltage such as a speed-proportional weakening of the excitation field above reaching the target voltage. That can e.g. B. according to patent specification P 40 01 042.2 mechanical centrifugal force control take place in which the air gap between the ro turing permanent magnet rotor and the fixed stator package so large ßert is that the flux penetrating the stator winding is reduced so that the induced generator voltage does not continue to increase from a certain speed can rise. Such centrifugal systems that clean without excessive unbalance are working on a bicycle dynamo that retailed in 1990 at about DM 10.- is sold, despite mass production hardly cost-effectively. Therefore, other, cheaper solutions were sought.

Die nachstehend beschriebene erfinderische Lösung bedient sich des Umstandes, daß es bei Dauermagnetmaschinen nicht nur einen zum Ständer gerichteten Luftspalt gibt, sondern auch ein zweiter möglich ist, der aber normalerweise durch ein ortsfestes ferromagnetisches Joch abgeschlossen ist. Wird statt dieses festen, massiven Joches nunmehr ein bewegliches, z. B. aus Magnetpulverbrücken gebildetes eingesetzt, so kann mit dessen Hilfe auf die Charakteristik des gesam ten magnetischen Kreises wirksam Einfluß genommen werden. Am einfachsten läßt sich dies bei Maschinen mit axialer Erregung und vertikaler Welle verwirk lichen. Hier rotiert eine wechselpolig durchmagnetisierte Dauermagnetscheibe über einem ringförmigen Ständer, der entweder ringbewickelt ist, oder nach oben zum Dauermagnet hin Ständernuten und -Zähne besitzt. Auf der Oberseite der Dauermagnetscheiben bilden ferromagnetische Partikel, z. B. solche, wie sie seit Jahrzehnten in Magnetpulverkupplungen gebräuchlich sind, durch Zusammen klumpen ferromagnetische Brücken über die Pollücken hinweg. Die Kräfte, mit denen das Magnetpulver zu der Dauermagnetscheibe gezogen wird, sind proportio nal B_j ², also dem Quadrat der Induktionen im Jochbereich. Im Ruhezustand bildet das ausreichend vorhandene Magnetpulver eine fast perfekte Jochbrücke ohne Schwächung des Nutzflusses des Dauermagnetkreises. Kommt nun die Dauermagnetscheibe in Rotation, so wirken Fliehkräfte auf das Magnetpulver. Sie wachsen quadratisch mit der Drehzahl. Dadurch wird ab einer vorbestimmbaren Drehzahl ein Teil des Magnetpulvers nach außen weggeschleudert und lagert sich außerhalb des Magnetfelds der Dauermagnetscheibe an der Innenseite einer mag netischen Kapsel an. Durch die Formgebung der Kapsel, Wahl der Art und der Menge des Magnetpulvermaterials, durch Zumischung von Gleitmitteln wie auch optimale Wahl der Polpaarzahl und Aufmagnetisierungsart der Dauermagnet scheibe läßt sich die Schwächung des Dauermagnetflusses durch Fliehkraftwir kung derart beeinflussen, daß z. B. bei der Fahrradgeschwindigkeit von 10 km/h die Magnetpulver-Jochbrücke noch voll vorhanden ist, hingegen oberhalb 25 km/h und somit 6,25facher Fliehkraft so abgebaut ist, daß der magnetische Jochrück schluß nahezu unterbrochen ist. Wir haben es bei dieser Art der Spannungs regelung mit dem Prinzip der Feldschwächung zu tun. Sie ist mit geringem Ko stenaufwand realisierbar und ermöglicht durch Minderung der Eisenverluste im Gefolge der Feldschwächung bei ansteigenden Drehzahlen bei Geschwindigkeiten um 25 km/h Wirkungsgrade in der Größenordnung bis zu 80%. Dann braucht ein Radfahrer mit einem durchschnittlichen körperlichen Leistungsvermögen von etwa 30 Watt bei Nachtfahrt nicht mehr wie gegenwärtig allein zur Bereitstellung der Fahrradbeleuchtung bis zu 20 Watt Leistung aufzubringen, sondern es genügen etwa 4 Watt. Dieser Gewinn wird in Zukunft bei Kaufentscheidungen Fahrraddynamos mit sehr gutem Wirkungsgrad entscheidend begünstigen.The inventive solution described below makes use of the fact that there is not only one air gap facing the stator in permanent magnet machines, but also a second one, which is normally closed by a fixed ferromagnetic yoke. Instead of this solid, solid yoke, a movable, z. B. formed from magnetic powder bridges, can be used to influence the characteristics of the entire magnetic circuit effectively with its help. The easiest way to achieve this is with machines with axial excitation and vertical shaft. Here, a permanent magnet disk magnetized through an alternating pole rotates over a ring-shaped stator, which is either ring-wound or has stator grooves and teeth upwards towards the permanent magnet. On the top of the permanent magnet discs form ferromagnetic particles, e.g. B. such, as they have been used for decades in magnetic particle couplings, by clumping together ferromagnetic bridges across the pole gaps. The forces with which the magnetic powder is drawn to the permanent magnet disc are proportional B _j ² , i.e. the square of the induction in the yoke area. In the idle state, the sufficient magnetic powder forms an almost perfect yoke bridge without weakening the useful flow of the permanent magnetic circuit. If the permanent magnetic disc now rotates, centrifugal forces act on the magnetic powder. They grow quadratically with the speed. As a result, a portion of the magnetic powder is thrown outwards from a predeterminable rotational speed and is deposited outside the magnetic field of the permanent magnetic disk on the inside of a magnetic capsule. By the shape of the capsule, choice of the type and amount of magnetic powder material, by admixing lubricants as well as optimal choice of the number of pole pairs and type of magnetization of the permanent magnet disc, the weakening of the permanent magnetic flux can be influenced by centrifugal force such that z. B. at the bike speed of 10 km / h the magnetic powder yoke bridge is still fully available, however, above 25 km / h and thus 6.25 times centrifugal force is reduced so that the magnetic yoke back is almost interrupted. This type of voltage control is based on the principle of field weakening. It can be implemented at low cost and, by reducing the iron losses as a result of the field weakening at increasing speeds at speeds of around 25 km / h, enables efficiency levels of up to 80%. Then a cyclist with an average physical performance of about 30 watts no longer needs to use up to 20 watts of power to provide the bicycle lights alone, as is currently the case, but about 4 watts are sufficient. In the future, this profit will decisively favor bicycle dynamos with very good efficiency when making purchase decisions.

Zur Veranschaulichung der erfinderischen Lösung diene als Beispiel anliegende zeichnerische Darstellung.To illustrate the inventive solution serve as an example drawn illustration.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen axialerregten Fahrraddynamo bei kleiner Drehzahl, Fig. 1 shows a longitudinal section through a bicycle dynamo axialerregten at low speed,

Fig. 2 wie 1, jedoch bei hoher Drehzahl und starker Fliehkraft, Fig. 2 as 1, but at a high speed and a strong centrifugal force,

Fig. 3 Querschnitte durch Läufer und Ständer, Fig. 3 cross sections through rotor and stator,

Fig. 4 Veränderungen der Arbeitspunkte auf der Dauermagnetkennlinie. Fig. 4 changes in the operating points on the permanent magnet characteristic.

In Fig. 1 ist 1 die senkrechte Welle des Dynamos, auf der die axial mehrpolig magnetisierte Dauermagnetscheibe 2 sitzt. Sie ist nach oben durch eine amagne tische Kapsel 3 eingeschlossen. Deren Innenraum ist mit ferromagnetischen Par tikeln (Magnetpulver oder Miniatur-Eisenkugeln) gefüllt. Diese lagern sich über wiegend im Bereich der größten Feldstärke oberhalb der Pollücken 5 an (siehe in Fig. 3 linker, oberer Schnitt), und bilden ferromagnetische Jochbrücken. In den jeweiligen Polmitten ist die Kapsel bis zur Auflage am Scheibenmagnet eingesickt (siehe 6 in Fig. 3 links, oben), so daß entsprechend der Polzahl Kammern für das Magnetpulver gebildet werden, um dieserart eine einseitige Verlagerung von Magnetpulver mit der Folge einer zu großen Unwucht des Läufers zu verhindern.In Fig. 1, 1 is the vertical shaft of the dynamo on which the axially multi-pole magnetized permanent magnet disk 2 is seated. It is enclosed at the top by an amagne capsule 3 . Their interior is filled with ferromagnetic particles (magnetic powder or miniature iron balls). These accumulate predominantly in the area of the greatest field strength above the pole gaps 5 (see upper left section in FIG. 3) and form ferromagnetic yoke bridges. In the respective pole centers, the capsule is sunk until it rests on the disc magnet (see 6 in Fig. 3, top left), so that chambers for the magnetic powder are formed in accordance with the number of poles in order to displace magnetic powder on one side with the consequence of being too large To prevent the runner from being unbalanced.

Der Nutzfluß der Dauermagnetscheibe 2 tritt nach unten durch den Arbeits luftspalt 7 in das ringförmige Ständerpaket 8 mit seinen Spulenwicklungen 9, 10 über und induziert dort eine der Drehzahl und dem Nutzfluß proportionale Span nung. Mit steigender Drehzahl werden die ferromagnetischen Partikel durch Fliehkraft gemäß Fig. 2 nach außen geschleudert. Die Joch-Rückschlußbrücke wird zunehmend schwächer. Der hierdurch stark ansteigende magnetische Wider stand des gesamten magnetischen Kreises führt dazu, daß in Fig. 4 der Arbeits punkt in der BH-Kennlinie des Dauermagneten vom Punkt A zum Punkt B mit stark reduzierter Induktion absinkt.The useful flow of the permanent magnet disk 2 passes down through the working air gap 7 into the annular stator assembly 8 with its coil windings 9 , 10 and induces a voltage that is proportional to the speed and the useful flow. With increasing speed, the ferromagnetic particles are thrown outwards by centrifugal force according to FIG. 2. The yoke return bridge is becoming increasingly weaker. The thereby strongly increasing magnetic resistance of the entire magnetic circuit leads to the fact that in Fig. 4 the working point in the BH characteristic of the permanent magnet from point A to point B drops with a greatly reduced induction.

Fig. 3 zeigt oben links eine Aufsicht auf die Verteilung der ferromagnetischen Partikel 4 oberhalb der Dauermagnetscheibe und oben rechts die Polaufteilung, hier als Beispiel 8-polig. Aus dem unteren Schnitt durch das Ständerpaket 8 ist die Anordnung der Ständerspulen 9, 10 im ringförmigen Paket entnehmbar. Das Paket kann entweder aus aufgewickeltem, genutetem Elektroblech oder aus Ferrit pulver oder kunststoffgebundenem Eisenpulver bestehen. Fig. 3 shows the top left, a top view of the distribution of the ferromagnetic particles 4 above, the permanent magnet disc and the upper right Polaufteilung, here as an example of 8-pole. The arrangement of the stator coils 9 , 10 in the ring-shaped packet can be seen from the lower section through the stator packet 8 . The package can either consist of coiled, grooved electrical sheet or of ferrite powder or plastic-bonded iron powder.

Das etwa im doppelten Maßstab auf Fig. 1-3 dargestellte aktive Material eines mit Magnetpulver spannungsgeregelten Fahrraddynamos hat in Wirklichkeit im Inneren des Gehäuses heutiger Seiten-Dynamos Platz. Ein vergleichbares Spannungsregelsystem ist anwendbar bei Notstromaggregaten oder kleinen Wasserturbinen, um beim Auftreten von Überdrehzahlen die Spannung zu begrenzen. Dies ist eine kostengünstigere Regelung als andere Systeme, die zudem bei wartungsarmen Dauermagnetmaschinen meist nicht anwendbar sind.The active material of a bicycle dynamo, which is voltage-regulated with magnetic powder, is shown on a double scale in Fig. 1-3 in reality inside the housing of today's side dynamos. A comparable voltage control system can be used with emergency power generators or small water turbines in order to limit the voltage when overspeed occurs. This is a more cost-effective regulation than other systems, which are also mostly not applicable to low-maintenance permanent magnet machines.

Auch Anwendungen bei Dauermagnet-Motoren, die z. B. über Batterie mit konstanter Spannung gespeist werden, und bei denen man gern mittels etwa dreh zahlproportionaler Feldschwächung auf höhere Drehzahlen kommen möchte, sind gegeben.Applications with permanent magnet motors, e.g. B. with battery constant voltage, and where you like to turn around number-proportional field weakening would like to come to higher speeds given.

Claims

1. With magnetic powder via centrifugal force-controlled permanent magnet machine, characterized in that the outer return circuit of the permanent magnet for excitation does not consist of a fixed yoke, but is formed from ferromagnetic particles such as magnetic powder or miniature balls, which are thrown outwards with increasing centrifugal force, whereby the resulting increase in magnetic resistance in the overall circuit leads to a weakening of the useful flow, so that the electromagnetic voltage induced in the stator winding does not increase further at excessive speeds.

2. With magnetic powder over centrifugal force, voltage-controlled permanent magnet machine according to claim 1, characterized in that the permanent magnet rotor as Multi-pole magnetized disc for axial flow exit on both sides is dimensioned, the ferromagnetic forming the yoke yoke Particles on the side of the permanent stomach opposite the working air gap net slice in a capsule with sufficient space on the outer periphery for the purpose Attach the magnetic particles at high centrifugal force.