DE4035767A1 - Lichtmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtmaschine zur Stromversorgung an mit Muskelkraft angetriebenen Fahrzeugen, insbesondere Fahrrädern. Die Funktionssicherheit ist unabhängig von Wit­ terungseinflüssen ständig gegeben und der Kraftaufwand er­ reicht durch einen hohen Gesamtwirkungsgrad ein Minimum.

Als Standardausrüstung werden an Fahrrädern Dynamos ein­ gesetzt, die über Andruckrollen von einem Laufrad (Vorder- oder Hinterrad) angetrieben werden. Diese Andruckrollen lau­ fen auf der Flanke oder der Lauffläche des Reifens, manche auch an der Felge. Walkarbeit und Verschmutzung, besonders in der kälteren Jahreszeit, die gleichzeitig die mit dem größten Beleuchtungsbedarf ist, bringen erhöhten Kraftaufwand und Funktionsunsicherheit durch Rutschen mit sich. In der Patent­ literatur finden sich zahlreiche Anmeldungen, die diese und weitere Nachteile, zum Beispiel Unfallgefahren, ausführlich beschreiben und Vorrichtungen zu deren Vermeidung vorschlagen.

Als Beispiele seien genannt: DE OS 22 22 375; DE AS 23 09 709; DE OS 26 27 796; DE OS 32 08 720; DD 2 23 306 mit Zitat von DE OS 20 10 267, DE 24 29 298. DE 30 06 649 und DE 27 29 446 sowie DD 2 69 045 und DD 2 2 948.

In den meisten dieser Schriften sind herkömmliche Dynamos mit zusätzlichen Getrieben vorgesehen, die an den unterschied­ lichsten Anbringungsorten montiert werden. Diese zusätzlichen Getriebe sind erforderlich, wenn die große Übersetzung vom Reifen auf die Andruckrolle entfällt.

In anderen Fällen, wo der Stator am Rahmen befestigt ist und ein Magnetträger am Laufrad, wird versucht, die fehlende Übersetzung durch Anordnung möglichst vieler Magnete auf dem Magnetträger auszugleichen. Derartige Vorrichtungen ergeben zwar die Vorteile eines Direktantriebes, führen aber zu großen und offenen Bauformen, die weiterhin verschmutzungs­ gefährdet sind, wegen der offenen Magnete besonders durch magnetische Partikel oder Kleinteile. Es sind sehr viele Magnete erforderlich, von denen jeder nur im Bruchteil einer vollen Umdrehung genutzt wird.

Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Licht­ maschine insbesondere für Fahrräder, zu bauen, die die Nach­ teile herkömmlicher Dynamos, wie Funktionsunsicherheit sowie Verschmutzungs- und Unfallgefahren, vermeidet ohne erheb­ lichen Zusatzaufwand zu erfordern und ohne neue Nachteile zu­ zulassen. Insbesondere wird eine kompakte Bauform angestrebt, die ohne zusätzliche Getriebe bei direktem Antrieb durch eines der Laufräder eine ausreichende Stromerzeugung bei minimalem Kraftaufwand für die Beleuchtung und gegebenenfalls weitere Funktionen gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Anker direkt mit der Radachse und das Erregungssystem mit der Radnabe verbunden ist, wobei der Anker im Bereich der Luft­ spalte in Richtung der Relativbewegung so strukturiert ist, daß eine Vielzahl von Ankerzähnen jeweils mit der gleichen Anzahl von Lücken wechselt, daß weiterhin das Erregungssystem aus zwei Teilsystemen entgegengesetzter Polarität besteht, deren jedes im Bereich der Luftspalte gleich dem Anker struk­ turiert ist und somit eine Vielzahl von Erregerzähnen und Lücken aufweist, wobei aufeinanderfolgende verschiedenpolige Erregerzähne um eine halbe Ankerzahnteilung T gegeneinander versetzt sind. Demzufolge ist die Zahl der Erregerzähne bis zu doppelt so groß, wie die der Ankerzähne. Dadurch, daß der magnetische Fluß bei jeder einzelnen Umdrehung in einer durch die Ankerzahnteilung T vorgegebenen Häufigkeit zwischen sei­ nem positiven und seinem negativen Maximalwert wechselt und dadurch, daß auch jedesmal die gesamte Arbeitswicklung durch­ flutet wird, reicht die Drehzahl des Laufrades für den erfor­ derlichen Energieumsatz aus und können Getriebe zur Drehzahl­ erhöhung entfallen.

Es ist möglich, das Erregungssystem so zu gestalten, daß es aus einer Folge von Stabmagneten wechselnder Polarität be­ steht, die vorteilhaft im Bereich der Luftspalte mit Fluß­ leitstücken versehen und in diesem Bereich als Erregerzähne ausgebildet sind, wobei zweckmäßig die Stabmagnete und ebenso die Ankerzähne in axial orientierten Ebenen liegen.

Hierbei ergibt sich eine besonders einfache Ausführungsform, weil sowohl die Stabmagnete als auch die Ankerzähne in den gleichen axial orientierten Ebenen liegen können und min­ destens ein Teil des Erregerblechpaketes entfällt.

Hinsichtlich der erreichbaren Flußdichten, der optimalen Aus­ nutzung des Magnetvolumens und der Streuflußproblematik kann es günstiger sein das Erregungssystem so zu gestalten, daß die beiden Teilsysteme einen gemeinsamen Permanentmagneten enthalten, der gegebenenfalls zusammengesetzt ist aus mehre­ ren Permanentmagneten gleicher Polarität, wobei sowohl dessen Nord- als auch dessen Südpol über gemäß Anspruch 1 struk­ turierte Luftspalte jeweils mit beiden Seiten des Ankers so gekoppelt sind, daß bei Deckung der linksseitigen Erreger­ zähne des Nordpoles mit den Ankerzähnen die rechtsseitigen Erregerzähne des Südpoles sich mit den Ankerzähnen decken während die linksseitigen Erregerzähne des Südpoles Lücken des Ankers gegenüberstehen ebenso wie die rechtsseitigen Er­ regerzähne des Nordpoles.

Eine Anordnung, die besonders bei kleinen Maschinen weniger Rücksicht auf Streuflüsse erfordert erreicht man dadurch, daß jedes der beiden Teilsysteme aus einer Folge von Einzel­ magneten besteht, die in Richtung der Relativbewegung magne­ tisiert und deren Flußleitstücke als Erregerzähne ausgebildet sind, wobei sowohl die Erregerzähne der Nordpole als auch die der Südpole so mit beiden Seiten des Ankers gekoppelt sind, daß bei Deckung der linksseitigen Erregerzähne des Nordpoles mit den Ankerzähnen die rechtsseitigen Erregerzähne des Süd­ poles sich mit den Ankerzähnen decken während die links­ seitigen Erregerzähne des Südpoles Lücken des Ankers gegen­ überstehen ebenso wie die rechtsseitigen Erregerzähne des Nordpoles und daß weiterhin die Einzelmagnete der beiden ent­ gegengesetzt magnetisierten Teilsysteme mit ihren Erreger­ zähnen in wechselnder Folge bei einem Mittenabstand vom Ein­ einhalbfachen der Ankerzahnteilung T längs der Ankerzähne angeordnet sind. Hierbei sind zwar von drei Ankerzähnen je­ weils nur zwei mit dem Erregungssystem gekoppelt, die bezüg­ lich der Streuflüsse günstigeren geometrischen Verhältnisse erlauben aber eine höhere Ausnutzung der Ankerzahnquer­ schnitte.

In diesen Fällen ist es günstig, wenn die Zähne der beiden Seiten des Ankers um eine halbe Ankerzahnteilung T gegenein­ ander versetzt sind, während die gleichpoligen Erregerzähne in axial orientierten Ebenen liegen.

Obwohl beim Direktantrieb die durch Walkarbeit am Reifen und die durch Reibung verursachten Verluste entfallen, weiterhin durch günstige Gestaltung des Übergangsverhaltens beim Fluß­ wechsel die Magnetkräfte auf einem geringen Wert gehalten werden können, kann es vorteilhaft sein, daß das Erregungs­ system nicht ständig mit dem Laufrad mitläuft. In diesem Falle wird die Zuordnung des Erregungssystemes zur Radnabe so gestaltet, daß das Erregungssystem separat gegenüber der Rad­ achse drehbar gelagert ist und für die Kopplung mit der Rad­ nabe an dieser ein schaltbarer Mitnehmer angebracht ist.

Lichtmaschinen der erfindungsgemäßen Bauart werden zweckmäßig als Erstausstattung bei der Fahrradproduktion gleich mit ein­ gebaut. Sie sind praktisch verschleißfrei, unbedingt funk­ tionssicher und erfordern durch den hohen Wirkungsgrad einen minimalen Kraftaufwand.

Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläu­ tert werden: Sie wird anhand von 5 Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigt Fig. 1 die Lichtmaschine in der Draufsicht (Er­ regungssystem 3 in Schnittdarstellung, Anker 1 zur Hälfte ge­ schnitten), Fig. 2 und Fig. 3 jeweils teilweise die linke und die rechte Seitenansicht sowie Fig. 4 teilweise die Sei­ tenansicht mit einem aus Einzelmagneten 11 bestehenden Erre­ gungssystem 3 und Fig. 5 teilweise die zugehörige Draufsicht in Schnittdarstellung.

Der Anker 1 ist radial geschichtet, wobei dessen Einzelbleche so zugeschnitten sind, daß einerseits die gewünschte Eintei­ lung in Ankerzähne 6 und Lücken 7 zustande kommt, anderer­ seits ein größtmöglicher Eisenquerschnitt und ein Wicklungs­ raum für die Arbeitswicklung 12. Die gesamte Arbeitswicklung 12 wird somit vom gesamten über die Ankerzähne 6 eingelei­ teten magnetischen Fluß durchflutet.

Die Ankerzähne 6 der rechten Ankerseite sind gegenüber denen der linken um eine halbe Ankerzahnteilung T9 versetzt.

Dieser Teil der Lichtmaschine wird zweckmäßig direkt auf der Radachse 2 montiert. Dann können die Enden der Arbeits­ wicklung 12 ohne zusätzliche Kontakte in Nuten oder Bohrungen der Radachse 2 direkt zum Anschluß für die Lampen geführt werden.

Das Erregungssystem 3 besteht ebenfalls aus radial geschich­ teten Blechen, die mit U-förmigem Zuschnitt auf einem Außen­ ring und mit rechteckigem Zuschnitt auf einem Innenring an­ geordnet sind, wobei zwischen diesen beiden Ringen ein ring­ förmiger Permanentmagnet 10 mit radialer Magnetisierung liegt. Die Bleche von Außen- und Innenring sind paketweise zusammengefaßt und bilden so die Erregerzähne 8, wobei die Erregerzähne 8 von Außen- und Innenring um eine halbe Anker­ zahnteilung T9 gegeneinander versetzt sind. Die Oberfläche des Permanentmagneten 10 zwischen den Blechpaketen der Er­ regerzähne 8 wird mit Flußleitstücken gefüllt. Alle Erreger­ zähne 8 sind bis auf einen kleinen Luftspalt 5 an die Anker­ zähne 6 herangeführt. Da die Ankerzähne 6 beider Seiten gegeneinander versetzt sind, können die Erregerzähne 8 in axial orientierten Ebenen liegen.

Daraus ergibt sich die folgende Wirkungsweise: Decken sich die linksseitigen Erregerzähne 8 des Außenringes mit den Ankerzähnen 6, dann stehen die rechtsseitigen Erregerzähne 8 des Außenringes Lücken 7 gegenüber, während gleichzeitig die rechtsseitigen Erregerzähne 8 des Innenringes sich mit Anker­ zähnen 6 decken, während die linksseitigen Erregerzähne 8 des Innenringes Lücken 7 gegenüberstehen. Bei Drehung des Erre­ gungssystems 3 um eine halbe Ankerzahnteilung T9 kehren sich die Verhältnisse um, der Anker 1 wird mit entgegengesetzter Polarität durchflutet. Bei Drehung des Erregungssystems 3 um eine Ankerzahnteilung T9 wird also eine volle Flußwechsel­ periode durchlaufen, positiven und negativen Maximalwert ein­ geschlossen.

Ein anderer Aufbau des Erregungssystems ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. Hier besteht dieses aus einer Folge von Einzel­ magneten 11 mit direkt angesetzten Erregerzähnen 8. Aufeinan­ derfolgende Einzelmagnete 11 besitzen entgegengesetzte Pola­ rität, so daß die benachbarten Erregerzähne 8 zweier Einzel­ magnete 11 gleichpolig sind. Die Erregerzähne 8 eines Einzel­ magneten 11 liegen im Abstand einer halben Ankerzahnteilung T9 zueinander. Der Abstand der Einzelmagnete 11 zueinander be­ trägt das Eineinhalbfache der Ankerzahnteilung T9. Die Ankerzähne 6 der linken Seite sind gegenüber denen der rech­ ten Seite um eine halbe Ankerzahnteilung T9 versetzt. Da in dieser Anordnung sowohl die Streuflüsse innerhalb eines Magnetsystems als auch die der Magnetsysteme untereinander äußerst gering gehalten werden können, ist die Erstreckung beider Teilsysteme über die volle Breite der Ankerzähne 6 möglich, das heißt, können Ankerzähne 6 und Erregerzähne 8 gleichbreit sein. Außerdem läßt sich über die radiale Aus­ dehnung der Einzelmagnete 11 leicht der benötigte Fluß einstellen.

Bezugszeichen

 1 Anker
 2 Radachse
 3 Erregungssystem
 4 Radnabe
 5 Luftspalt
 6 Ankerzahn
 7 Lücke
 8 Erregerzahn
 9 Ankerzahnteilung T
10 Permanentmagnet
11 Einzelmagnet
12 Arbeitswicklung

Claims (7)

1. Lichtmaschine, insbesondere für Fahrräder, bestehend aus einem die Arbeitswicklung tragenden Anker und einem Erre­ gungssystem die einen ferromagnetischen Kreis bilden, der je einen Luftspalt für jeden Magnetpol aufweist dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Anker (1) direkt mit der Radachse (2) und das Erregungssystem (3) mit der Radnabe (4) verbunden ist, wobei der Anker (1) im Bereich der Luftspalte (5) in Richtung der Relativbewegung so strukturiert ist, daß eine Vielzahl von Ankerzähnen (6) jeweils mit der gleichen Anzahl von Lücken (7) wechselt, daß weiterhin das Erregungssystem (3) aus zwei Teilsystemen entgegengesetzter Polarität besteht, deren jedes im Bereich der Luftspalte (5) gleich dem Anker (1) strukturiert ist und somit eine Vielzahl von Erregerzähnen (8) und Lücken (7) aufweist, wobei aufeinanderfolgende ver­ schiedenpolige Erregerzähne (8) um eine halbe Ankerzahntei­ lung (T9) gegeneinander versetzt sind.

2. Lichtmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregungssystem (3) aus einer Folge von Stabmagneten wechselnder Polarität besteht, die im Bereich der Luftspalte (5) mit Flußleitstücken versehen und in diesem Bereich als Erregerzähne (8) ausgebildet sind.

3. Lichtmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß sowohl die Stabmagnete als auch die Ankerzähne (6) in axial orientierten Ebenen liegen.

4. Lichtmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilsysteme einen gemeinsamen Permanentmagne­ ten (10) enthalten, wobei sowohl dessen Nord- als auch dessen Südpol über strukturierte Luftspalte (5) jeweils mit beiden Seiten des Ankers (1) so gekoppelt sind, daß bei Deckung der linksseitigen Erregerzähne (8) des Nordpoles mit den Anker­ zähnen (6) die rechtsseitigen Erregerzähne (8) des Südpoles sich mit den Ankerzähnen (6) decken während die linksseitigen Erregerzähne (8) des Südpoles Lücken (7) des Ankers (1) gegenüberstehen ebenso wie die rechtsseitigen Erregerzähne (8) des Nordpoles.

5. Lichtmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Teilsysteme aus einer Folge von Einzel­ magneten (11) besteht, die in Richtung der Relativbewegung magnetisiert und deren Flußleitstücke als Erregerzähne (8) ausgebildet sind, wobei sowohl die Erregerzähne (8) der Nord­ pole als auch die der Südpole so mit beiden Seiten des Ankers (1) gekoppelt sind, daß bei Deckung der linksseitigen Erre­ gerzähne (8) des Nordpoles mit den Ankerzähnen (6) die rechtsseitigen Erregerzähne (8) des Südpoles sich mit den Ankerzähnen decken während die linksseitigen Erregerzähne (8) des Südpoles Lücken (7) des Ankers (1) gegenüberstehen ebenso wie die rechtsseitigen Erregerzähne (8) des Nordpoles und daß weiterhin die Einzelmagnete (11) der beiden entgegengesetzt magnetisierten Teilsysteme mit ihren Erregerzähnen (8) in wechselnder Folge bei einem Mittenabstand vom Eineinhalb­ fachen der Ankerzahnteilung (T9) längs der Ankerzähne (6) angeordnet sind.

6. Lichtmaschine nach Anspruch 1 und 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ankerzähne (6) der beiden Seiten des Ankers (1) um eine halbe Ankerzahnteilung (T9) gegeneinander versetzt sind, während die gleichpoligen Erregerzähne (8) in axial orientierten Ebenen liegen.

7. Lichtmaschine nach Anspruch 1 und 2 oder 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Erregungssystem (3) separat gegenüber der Radachse (2) drehbar gelagert und für die Kop­ plung mit der Radnabe (4) an dieser ein schaltbarer Mitnehmer angebracht ist.