DE4035767C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtmaschine, insbesondere für Fahrräder, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 oder 3 (z. B. DE-PS 9 10 798).

Die als Standardausrüstung an Fahrrädern eingesetzten Dyna­ mos weisen erhebliche Nachteile auf (erhöhten Kraftaufwand durch die Walkarbeit, Funktionsunsicherheit durch Rutschen, Unfallgefahren etc.). Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde bereits eine Vielzahl von Vorrichtungen vorgeschlagen.

Der in den deutschen Patentschriften DE 9 10 798, DE 9 23 016 und DE 9 04 311 beschriebene, in eine Fahrradnabe eingebaute Stromerzeuger weist dadurch, daß die in einer Spur angeordneten Polstücke beider Teile der Rinnenseitenwand verschiedene Pole des Magneten großflächig in unmittelbare Nachbarschaft bringen, einen hohen Streufluß auf. Dieser Nachteil kann nur durch eine relativ große Bauform ausgeglichen werden, die auch bei den erforderlichen höheren Polpaarzahlen noch genügend große Abstände gewährleistet bzw. ausreichend Platz für das zur Erzielung eines hinreichend starken Nutzflusses notwendige Magnetvolumen bietet.

In etz Archiv, Bd. 10 (1988) H.5 S. 143 bis 149 sind "Permanenterregte Synchronmaschinen hoher Kraftdichte nach dem Transversalflußkonzept" systematisiert und mit Beispielen belegt, zu denen die hier vorgeschlagene Lösung vom Grund­ prinzip her im weitesten Sinne gerechnet werden kann. Die energetisch günstige "zweiseitig wirkende Bauform", die der vorgeschlagenen Lichtmaschine ebenbürtig wäre, erfordert hier jedoch zwei konzentrische Anker, wodurch Aufwand und Baugröße zunehmen, so daß ein Einsatz für den vorgesehenen Zweck nicht in Frage kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, 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 ei­ nes der Laufräder eine ausreichende Stromerzeugung bei minimalem Kraftaufwand für die Beleuchtung und gegebenenfalls weitere Funktionen gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß Patentanspruch 1 dadurch gelöst, daß sowohl die Ankerzähne als auch die Erregerzähne zwei Spuren längs des Luftspalts bilden, die in Richtung der Relativbewegung verlaufen, und daß das Erregungssystem einen ringförmigen, zur Radachse koaxialen Permanentmagneten aufweist, der so magnetisiert ist, daß seine dem Luftspalt zugewandte Fläche einen Pol und seine vom Luftspalt abgewandte Fläche den Ge­ genpol trägt, wobei an die Polflächen des ringförmigen Permanentmagneten angesetzte Weicheisenelemente im Luft­ spaltbereich dergestalt als Erregerzähne ausgebildet sind, daß sich Erregerzähne jedes der beiden Pole des Magneten in beiden Spuren befinden.

Die Funktionssicherheit einer solchen, direkt mit Achse und Radnabe verbundenen Maschine ist unabhängig von Witterungs­ einflüssen ständig gegeben und der Kraftaufwand erreicht durch einen hohen Gesamtwirkungsgrad ein Minimum.

Es ist günstig, wenn die Polflächen des Permanentmagneten zwischen den Blechpaketen der Erregerzähne mit Flußleit­ stücken nahezu vollständig bedeckt sind.

Die mindestens nahezu vollständige Bedeckung der Magnetpolflächen mit Flußleitstücken ermöglicht eine weit über der remanenten Induktion preiswerter Magnete liegende Luftspaltinduktion, die bis zur Sättigungsinduktion des Eisens gesteigert werden kann. Die (zeitlich versetzte) Ankopplung jedes der beiden Magnetpole an beide Ankerspuren bewirkt einerseits die optimale Ausnutzung der Magnete und reduziert dabei andererseits in hohem Maße die den Nutzfluß schwächenden Streuflußanteile.

Bei der in Anspruch 3 angegebenen Lösung der gestellten Aufgabe wird das Erregungssystem so gestaltet, daß es aus einer Folge von auf einem zur Radachse koaxialen Kreis gleichmäßig verteilt angeordneten Einzelmagneten besteht, die abwechselnd in und entgegen der Richtung der Relativbe­ wegung magnetisiert sind, wobei an die Einzelmagnete ange­ setzte und deren Polflächen nahezu vollständig bedeckende Weicheisenelemente im Luftspaltbereich dergestalt als Erre­ gerzähne ausgebildet sind, daß sich Erregerzähne jedes der beiden Pole der Einzelmagnete in beiden Spuren befinden. Diese Anordnung ist besonders bei kleinen Maschinen optimal hinsichtlich der Streuflüsse.

In beiden Ausführungen der Lichtmaschine sind aufeinan­ derfolgende verschiedenpolige Erregerzähne um eine halbe Teilung einer Ankerzahnspur gegeneinander versetzt, wobei sowohl die nordpolaren als auch die südpolaren Erregerzähne so mit den beiden Spuren des Ankers gekoppelt sind, daß bei Deckung der linksseitigen nordpolaren Erregerzähne mit den Ankerzähnen die rechtsseitigen südpolaren Erregerzähne sich mit den Ankerzähnen decken, während die linksseitigen süd­ polaren Erregerzähne Lücken des Ankers gegenüberstehen ebenso wie die rechtsseitigen nordpolaren Erregerzähne.

Zweckmäßig versetzt man die Ankerzähne der beiden Spuren um eine halbe Teilung einer Ankerzahnspur gegeneinander, während die gleichpoligen Erregerzähne axial orientiert sind.

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.

Die Erfindung soll an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden: Sie wird anhand von 5 Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Lichtmaschine (Erregungssystem 3 in Schnittdarstellung, Anker 1 zur Hälfte geschnitten),

Fig. 2 und Fig. 3 jeweils teilweise die linke und die rechte Seitenansicht der Lichtmaschine nach Fig. 1,

Fig. 4 teilweise die Seitenansicht einer zweiten Ausführung der erfindungsgemäßen Lichtmaschine mit einem aus Einzel­ magneten 11 bestehenden Erregungssystem 3 und

Fig. 5 teilweise die zugehörige Draufsicht in Schnittdar­ stellung.

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 Ankerzahnspur sind gegenüber denen der linken um eine halbe Teilung 9 einer Ankerzahnspur 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 in beiden Spuren, wobei die Erregerzähne 8 von Außen- und Innenring um eine halbe Teilung 9 einer Ankerzahnspur gegeneinander ersetzt sind.

Die Polfläche des Permanentmagneten 10 zwischen den Blechpaketen der Erregerzähne 8 wird mit Flußleitstücken gefüllt.

Alle Erregerzähne 8 sind bis auf einen kleinen Luftspalt 5 an die Ankerzähne 6 herangeführt.

Da die Ankerzähne 6 beider Spuren 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 An­ kerzähnen 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 Erregungssystems 3 um eine halbe Teilung 9 einer Ankerzahnspur kehren sich die Verhältnisse um, der Anker 1 wird mit entgegengesetzter Polarität durchflutet. Bei Drehung des Erregungssystems 3 um eine Teilung 9 einer Ankerzahnspur wird also eine volle Flußwechselperiode durch­ laufen, positiven und negativen Maximalwert eingeschlossen. Dabei wird die gesamte Magnetpolfläche in beiden Halbwellen genutzt.

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 Magnetisierungsrichtung, so daß die benachbarten Erregerzähne 8 zweier Einzel­ magnete 11 gleichpolig sind. Die Erregerzähne 8 eines Einzel­ magneten 11 liegen im Abstand einer halben Teilung 9 einer Ankerzahnspur zueinander. Der Mitten-Abstand der Einzelmagnete 11 zueinander beträgt das Eineinhalbfache einer Teilung 9 einer Ankerzahnspur.

Die Ankerzähne 6 der linken Spur sind gegenüber denen der rechten Spur um eine halbe Teilung 9 einer Ankerzahnspur 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 Teilsystem 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.

Claims (6)

1. Lichtmaschine, insbesondere für Fahrräder, mit einem die Arbeitswicklung (12) tragenden Anker (1) und mit einem Erre­ gungssystem (3), die einen magnetischen Kreis bilden, wobei der Anker (1) direkt mit der Radachse (2) und das Erregungs­ system (3) mit der Radnabe (4) verbunden ist und der Anker (1) im Bereich des Luftspalts (5) in Richtung der Relativbewegung eine Vielzahl von Ankerzähnen (6) und das Erregungssystem (3) eine Vielzahl von Erregerzähnen (8) aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sowohl die Ankerzähne (6) als auch die Erreger­ zähne (8) zwei Spuren längs des Luftspalts (5) bilden, die in Richtung der Relativbewegung verlaufen, und daß das Erregung­ system (3) einen ringförmigen, zur Radachse (2) koaxialen Per­ manentmagneten (10) aufweist, der so magnetisiert ist, daß seine dem Luftspalt (5) zugewandte Fläche einen Pol und seine vom Luftspalt (5) abgewandte Fläche den Gegenpol trägt, wobei an die Polflächen des ringförmigen Permanentmagneten (10) angesetzte Weicheisenelemente im Luftspaltbereich derge­ stalt als Erregerzähne (8) ausgebildet sind, daß sich Erre­ gerzähne (8) jedes der beiden Pole des Magneten (10) in bei­ den Spuren befinden (Fig. 1 bis 3).

2. Lichtmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen des Permanentmagneten (10) zwischen den Blechpaketen der Erregerzähne (8) mit Flußleitstücken nahezu vollständig bedeckt sind.

3. Lichtmaschine, insbesondere für Fahrräder, mit einem die Arbeitswicklung (12) tragenden Anker (1) und mit einem Erre­ gungssystem (3), die einen magnetischen Kreis bilden, wobei der Anker (1) direkt mit der Radachse (2) und das Erregungs­ system (3) mit der Radnabe (4) verbunden ist und der Anker (1) im Bereich des Luftspalts (5) in Richtung der Relativbewegung eine Vielzahl von Ankerzähnen (6) und das Erregungssystem (3) eine Vielzahl von Erregerzähnen (8) aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sowohl die Ankerzähne (6) als auch die Erreger­ zähne (8) zwei Spuren längs des Luftspalts bilden, die in Richtung der Relativbewegung verlaufen, und daß das Erregung­ system (3) aus einer Folge von auf einem zur Radachse (2) ko­ axialen Kreis gleichmäßig verteilt angeordneten Einzelmagne­ ten (11) besteht, die abwechselnd in und entgegen der Rich­ tung der Relativbewegung magnetisiert sind, wobei an die Ein­ zelmagnete (11) angesetzte und deren Polflächen nahezu vollständig bedeckende Weicheisenelemente im Luftspaltbereich dergestalt als Erregerzähne (8) ausgebildet sind, daß sich Erregerzähne (8) jedes der beiden Pole der Einzelmagnete (11) in beiden Spuren befinden (Fig. 4 und 5).

4. Lichtmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aufeinanderfolgende verschiedenpolige Erreger­ zähne (8) um eine halbe Teilung (9) einer Ankerzahnspur ge­ geneinander versetzt sind und daß sowohl die nordpolaren als auch die südpolaren Erregerzähne (8) so mit den beiden Spuren des Ankers (1) gekoppelt sind, daß bei Deckung der linkssei­ tigen nordpolaren Erregerzähne (8) mit den Ankerzähnen (6) die rechtsseitigen südpolaren Erregerzähne (8) sich mit den Ankerzähnen (6) decken, während die linksseitigen südpolaren Erregerzähne (8) Lücken (7) des Ankers (1) gegenüberstehen, ebenso wie die rechtsseitigen nordpolaren Erregerzähne (8).

5. Lichtmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerzähne (6) der beiden Spuren um eine halbe Teilung (9) einer Ankerzahnspur gegen­ einander versetzt sind, während die gleichpoligen Erreger­ zähne (8) axial orientiert sind.

6. Lichtmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregungssystem (3) separat gegenüber der Radachse (2) drehbar gelagert und für die Kopp­ lung mit der Radnabe (4) an dieser ein schaltbarer Mitnehmer angebracht ist.