DE4229261C1 - Elektrischer Generator für Fahrrad und Einzelräder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Generator für ein Fahrrad oder ein Einzelrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, den man wahlweise auch als Motor betreiben kann.

Üblicherweise erfolgt die Beleuchtung an Fahrrädern elektrisch durch mecha­ nisches Zuschalten eines seitlich am Rahmen angebrachten Dynamos. Hierbei trägt die verlängerte Achse des Dynamorotors ein Reibrad, welches, durch seitliches Abrollen am Fahrradreifen in Drehung versetzt, im Dynamo den erforderlichen Strom für die Lampen von Scheinwerfer und Rücklicht erzeugt. Nachteilig hierbei erweist sich die Tatsache, daß die Antriebsenergie für den Dynamo und die dabei entstehenden Reibungsverluste zusätzliche Muskel­ kraft erfordern. Weiter erweist sich bei nasser Straße als nachteilig, daß durch Feuchte und Schmutz zwischen Reifen und Reibrad ein gewisser Schlupf entsteht und dadurch die Funktion beeinträchtigt und der Fahrer selbst diesem Schleuderschmutz ausgesetzt ist.

In der DE 32 08 720 C2 wird eine Lichtmaschine für Fahrräder beschrieben, bei der im eingekoppelten Zustand zwei symmetrisch zur Radebene an der Reifenlauffläche angreifende Reibräder für den Generatorantrieb sorgen. Außer dem Vorteil einer ausgewogenen gleichmäßigeren Lagerbelastung der Reibräder und einem dadurch erreichten besseren Wirkungsgrad haften auch dieser Anordnung die schon erwähnten Nachteile an.

Um solche Nachteile zu mindern bzw. zu vermeiden, wurden verschiedene sogenannte Nabenlichtmaschinen entwickelt und u. a. in der DE 32 16 900 C2 als Anmeldungen bekannt. Hierbei wurden die Generatorbauteile konstruktiv in einer der beiden, im Durchmesser vergrößerten Radnaben untergebracht. Damit diese Systeme bei Tage, wenn sie nicht genutzt wurden, keine zu­ sätzliche Antriebskraft erforderten, waren sie so ausgelegt, daß sie durch von außen betätigbare Einstellglieder antriebsmäßig ausgekoppelt werden konnten. Solche Nabenlichtmaschinen vermieden zwar die Nachteile von Witterungseinflüssen, waren aber aufgrund komplizierter Mechanik aufwendiger in der Herstellung und blieben wirtschaftlich bedeutungslos.

Aus der DE 30 09 336 A1 ist ein Fahrradmotor bekannt, dessen Aufbau innerhalb einer großen speziellen Nabe eines Rades vorgesehen und dessen Scheiben­ rotor über ein kinematisches Getriebe mit dem Nabenkörper verbunden ist. Weiter sind zwei elektromagnetische Kupplungen vorgesehen, um den Rotor über zwei Getriebe mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen wahl­ weise mit dem äußeren Nabenkörper zu kuppeln. Wenn auch diese in die Nabe integrierte Motorlösung als gutes Konzept angesehen werden kann, so ist doch der technische Aufwand erheblich, und die Reibungsverluste über die Getriebe verringern den Wirkungsgrad. Außerdem handelt es sich nur um ein Motorkonzept, das zudem noch Getriebestufen benötigt.

In der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundegelegten DE 35 39 597 A1 wird ein Fahrrad-Stromgenerator beschrieben, der bei Fahrbewegungen ohne mechanische Berührung immer in Funktion ist. Hierbei ist der Rotor an der Radnabe und der Stator auf der Radachse befestigt. Der Generator selbst ist eine Vergrößerung der allgemein angewandten Fahrraddynamobauweise. Diese Anordnung vermeidet die Nachteile der vor­ genannten Gattungen mit mechanischen Antriebsabgriffen, erfordert aber einen dauernden Kraftaufwand, der nur bei Bergabfahrt bedeutungslos bleibt.

Weiterhin ist durch die DE 39 11 627 A1 eine Beleuchtungsanlage für Fahr­ räder bekannt, bei welcher die Versorgung der Lampen über einen Akku und die Aufladung desselben über einen Generator erfolgt. Bei diesem wird eine stationäre Spulenanordnung durch alternierende Magnetfolgen, die im Reifen untergebracht sind, induktiv beaufschlagt. Eine solche Anordnung hat zwar den Vorteil der berührungslosen Funktion, doch dürften der praktischen Verwirklichung einige Schwierigkeiten entgegenstehen. So ist mit niederem Wirkungsgrad zu rechnen, da sich die Luftspaltver­ hältnisse infolge Reifendicke und Schmutzabstand recht ungünstig aus­ wirken. Außerdem dürften die Magnetfelder Eisenteilchen, die auf der Straße liegen, anziehen.

Außerdem ist in der DE-OS 28 40 423 eine elektronisch gesteuerte Beleuchtung für Fahrräder beschrieben, bei der die Lampen, je nach Fahrgeschwindigkeit, bis zum Erreichen eines vorgegebenen Generator­ spannungswertes mit einer Batterie und darüber mit dem Ausgang des Generators verbunden sind oder eine Lampe mit dem Generator und die andere mit der Batterie so lange verbunden bleiben, bis der Generator genügend Energie für beide Lampen liefert.

Eine solche Bauart verbessert sicher die Erkennbarkeit der Radfahrer bei Dunkelheit, unabhängig von der augenblicklichen Bewegungssituation, und trägt somit zur größeren Sicherheit im Verkehr bei. Weniger vor­ teilhaft bleibt, daß als Generator der übliche Fahrraddynamo mit seinen bekannten Nachteilen Anwendung findet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fahrrad-Generator zu schaffen, der sowohl als Generator für die Beleuchtung sowie auch als Motor zur Antriebsunterstützung genutzt werden kann, der ohne mecha­ nische Berührung auskommt und somit alle dadurch entstehenden Nachteile vermeidet. Darüber hinaus soll die bei Dunkelheit für die Sicherheit der Radfahrer so wichtige Forderung nach nicht unterbrechender Be­ leuchtung bei Stillstand oder geringer Fahrt erfüllt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 gelöst.

Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß bei entsprechender Gestaltung der Statorbleche kein zusätzlicher Kraftaufwand entsteht, da Rotor 30 und Stator 20, durch den Luftspalt 29 getrennt, nur über den magnetischen Fluß in Wirkverbindung stehen. Der als flacher Scheiben­ läufer ausgelegte Rotor 30 mit koaxial zur Radachse 10 angeordneten Magneten 32 ist fest auf eines der Räder montiert, so daß bei jeder Drehbewegung des Rades in den auf gleichem Radius gegenüber liegenden Luftspulen 25 des Stators 20 Strom erzeugt wird. Der sich aus der An­ ordnung der Magnete ergebende Wechselstrom wird über einen Gleichrichter und Spannungsregler in den Akku 3 geleitet.

Eine besonders volumengünstige Flachbaukonstruktion ergibt sich durch die Verwendung von Seltene-Erden-Dauermagneten. Solche SE-Dauermagnete mit sehr hohen Energiedichten und niederem spezifischen Gewicht erhöhen wesentlich den Wirkungsgrad. Derselbe kann weiterhin noch dadurch er­ höht werden, daß an den Statorblechen radial zu den Spulen Polzungen herausgearbeitet werden.

Als außerordentlich günstig auf das Gesamtgewicht und die Herstellkosten des Generators wirkt sich die Ausführung von Scheibenläufer- und Stator­ körpern in Kunststoff aus.

Wird ein höherer Nutzungsgrad als Motor gewünscht, kann zusätzlich ein Solargenerator 39 zur Akku-Aufladung angebaut und zugeschaltet werden.

Vorteilhaft ist der Akku 3 in einem Halter untergebracht, der sich ähnlich einer Luftpumpe am Rahmen befestigen und im Bedarfsfall zur stationären Aufladung entnehmen läßt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele nach der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Gesamtanordnung des als Motor betreibbaren Generators am Hinterrad eines Fahrrades,

Fig. 2 einen auf das Wesentlichste bezogenen Teilschnitt AB in Fig. 3 durch die Hinterachse und den als Motor betreibbaren Generator,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie CD in Fig. 2 durch den als Motor betreibbaren Generator,

Fig. 4 eine Variante nach Fig. 2,

Fig. 5 das abstrahierende Blockschaltbild zu dem als Motor betreibbaren Fahrrad-Generator,

Fig. 6 Schema Statorwicklungen - Steuerelemente.

In Fig. 1 ist ein Fahrrad mit eingebautem Generator 2 auf der Hinterachse 10, einem abnehmbaren Akkuhalter 37 mit Anschlußkopf 4, den Versorgungsleitungen 5 sowie dem Umschalter 6 dargestellt. Statt am Hinterrad eines Fahrrades kann der Generator 2 auch am Vorderrad montiert werden. Vorteil­ hafterweise ist der Akkuhalter 37 nach Art einer Luftpumpe gestaltet und wird mit dem Anschlußkopf 4 über die Randelschrauben 41 am Rahmen 1 be­ festigt. Der Anschlußkopf 4 ist mit nicht näher dargestellten federnden Stiften zur Kontaktnahme am Akkuhalter 37 versehen. Am Schalter 6, welcher in Griff­ nähe am Lenker befestigt ist, werden die gewünschten Funktionen eingestellt. Der Schalter 6 ist über die elektrischen Versorgungsleitungen 5 mit dem Generator 2 und den Lampen 7 und 8 verbunden.

Durch die besondere konstruktive Ausgestaltung erfordert der Generator 2 in Funktion nur geringfügigen zusätz­ lichen Energieaufwand. Somit ist es möglich, ihn generell zu betreiben, d. h. wenn am Schalter 6 auf Mittelstellung "b" geschaltet ist, wird im Generator 2 entsprechend der Fahrgeschwindigkeit elektrische Ladung für den Akku 3 erzeugt. Dies wird vorteilhaft bei Gefällstrecken und nicht ansteigenden Fahrbahnen genutzt. Benötigt man bei Steigungen oder Gegen­ wind motorische Unterstützung, so schaltet man auf Stellung "a" am Schalter 6. Bei eintretender Dämmerung wird keine Hemmschwelle wegen erhöhten Kraft­ bedarfs zu überwinden sein, denn das Einschalten der Beleuchtung erfordert keine zusätzliche Belastung. Die Lampen 7 und 8 werden ebenfalls am Schal­ ter 6 über Stellung "c" eingeschaltet. Unabhängig von der Fahrgeschwindig­ keit wird hiermit eine gleichbleibende Helligkeit erreicht, die auch bei Stillstand anhält. Somit wird die Gefährdung von Radfahrern bei Dunkelheit im Straßenverkehr wesentlich vermindert.

In Fig. 2 ist u. a. der Stator 20 aus dem erwähnten Kunststoffkörper 21, verbunden mit einer im Zentrum vorgesehenen Metallscheibe 22, welche auf der Fahrradachse 10 befestigt ist, dargestellt. Weiterhin ist der Rotor 30 mit dem aus Kunststoff bestehenden scheibenförmigen Ringkörper 31 darge­ stellt, welcher vorteilhafterweise, wie in Fig. 3 gezeigt, über Schraub­ verbindungen 35 direkt an den Speichen des Rades befestigt ist. Durch eine solche Ausgestaltung von Rotor und Stator wird es möglich, daß dieser Generator ohne eigenständige Achse auskommt, im voraus auf das Rad montiert, geprüft und in bekannter Weise als Einheit in das Fahrrad ein- und ausgebaut werden kann. Für eine rasche Abkopplung des elektrischen Versorgungskabels 5 ist eine Steckverbindung 27 zur Leiterplattenschaltung 23 vorgesehen. Besonders vorteilhaft wirkt sich diese Bauart beim nachträg­ lichen Einbringen (Nachrüsten) in die sich bereits auf dem Markt befind­ lichen Fahrräder aus. Im Statorkörper 21 sind Ausnehmungen 24 zur Auf­ nahme der Bauelemente der Leiterplattenschaltung 23, des Statorbleches 26 sowie der Spulen 25 vorgesehen.

Desgleichen ist der Rotorringkörper 31 mit Ausnehmungen für Magnete 32 und Eisenrückschluß 33 versehen.

Nach Fig. 2 und 3 sind im scheibenförmigen Kunststoffrotorkörper 31 in den nach innen geschlossenen zylindrischen Ausnehmungen die vorzugsweise axial magnetisierten, zylindrischen SE-Magnete 32 mit abwechselnder Polarität angeordnet. Die den Spulen 25 abgewandte Magnetpolseite wird durch einen ferromagnetischen Rückschluß 33 abgeschirmt.

Im Statorkörper 21 sind axial zu den Rotormagneten 32 die zylindrischen Luftspulen 25 in die-nach innen geschlossenen Ausnehmungen eingelegt. Zwischen den Spulen 25 und der Leiterplatte 23 befindet sich das Stator­ blech 26. Die Spulenanschlüsse sind mit der nicht näher dargestellten elektronischen Schaltung der Leiterplatte 23 galvanisch verbunden. Leiterplatte 23 und Statorblech 26 können in ihrer Anordnung auch ver­ tauscht sein. Dies ergibt gewisse Fertigungsvorteile, da die Spulen 25 dann direkt auf der Leiterplatte 23 angeordnet werden können. Die scheibenförmigen Stator- und Rotorkörper können jedoch auch aus ferro­ magnetischen Blechen, ähnlich wie bei bekannten Scheibenläufermotoren, ausgestaltet werden.

In Fig. 4 ist eine Variante dargestellt, wobei Statorträger 43 und Rotor­ körper 41 aus ferromagnetischem Material ausgeführt sind. Der Vorteil einer solchen Ausführung liegt primär auf der Rotorseite 30, welche sich durch einen sehr einfachen Aufbau auszeichnet. Die Magnete 32 sind hierbei direkt auf den aus ferromagnetischem Material erstellten Rotorkörper 41 montiert. Dieser ist so geformt, daß eine gute magnetische Abschirmung stattfindet. Ebenfalls aus ferromagnetischem Material ist der Statorkörper 43 gestaltet. Die Spulen 25, Schaltung 23 und das/die Statorbleche 26 sind wiederum in einem, mit den konstruktiven Merkmalen von Fig. 2 dargestellten, Kunst­ stoffkörper 42 untergebracht, welcher am Statorträger 43 befestigt ist.

Sekundär hat diese Ausführung den Vorteil, daß der Generator 2 ein absolut magnetisch abgeschirmtes System bildet. Nachteilig hingegen wirken sich ein höheres Gerätegewicht und höhere Wirbelströme aus.

Gemäß Fig. 5 ist der Generator in Mittelstellung b des Schalters 6 in Generatorfunktion geschaltet. Bei Fahrbewegungen wird somit der dabei erzeugte sinusförmige Wechselstrom über den Gleichrichter und Spannungsregler 36 in den Akku 3 transferiert und derselbe stetig zugeladen.

In Schalterstellung 6a wird der Generator in umgekehrter Weise als Motor aus dem Akku gespeist. Dabei wird die Steuerung des Motors durch die nicht näher dargestellte elektronische Schaltung auf der Leiterplatte 23 über­ nommen. In diese Schaltung, die im wesentlichen die Schalttransistoren für den Strom der Statorwicklungen enthält, sind die Hallgeneratoren 34 schaltungstechnisch integriert. Bekanntlich lassen sich solche Hallgene­ ratorhalbleiter durch magnetische Induktion beeinflussen, d. h. durch einen bestimmten magnetischen Polfluß, Nord- oder Südpol, leitend oder sperrend schalten. Vorzugsweise sind, wie in Fig. 6 dargestellt, zwei Hallgene­ ratoren 34 gegenpolig zwischen den Spulen 25 angeordnet. Die beim Vor­ beigleiten der Dauermagnetpole an den Hallgeneratoren entstehenden Aus­ gangssignale werden zur Ansteuerung der Schalttransistoren genutzt. Hierbei ist die Schaltung so angelegt, daß der Stromfluß in den Stator­ wicklungen I und II nacheinander, abwechselnd und richtungsgleich erfolgt. Der Versorgungsstrom des Motors wird also selbststeuernd durch die alternierend angeordneten Rotormagnete 32 bewirkt. Vorteilhafterweise findet hierbei von niederen zu höheren Drehzahlen ein Stromgefälle statt.

In der dritten Schalterstellung 6c wird die Beleuchtung mit den Lampen 7 und 8 eingeschaltet. Diese werden primär aus dem Akku 3 gespeist, wobei die Schaltung so ausgelegt ist, daß der Generator jetzt parallel als Generator wirkt.

Der beschriebene Aufbau läßt die Arbeitsweise und die Vorteile der Erfindung erkennen.

Dieser als Motor betreibbare Fahrradgenerator ist durch seine Flach­ bauweise außerordentlich kompakt und durch die konstruktive Auslegung, wodurch insbesondere ein Nachrüsten der bereits sich in Umlauf befind­ lichen Fahrräder möglich wird, besonders vorteilhaft. In Motorfunktion geschaltet unterstützt er die Energieleistung des Fahrers, und beim Ein­ schalten der Beleuchtung treten die Nachteile bisher bekannter Fahrrad­ dynamos nicht auf. Durch die wechselseitige Nutzbarkeit des Fahrrad- Generators werden Steigungen und Gefälle geradezu in einen idealen Energiekreislauf umgesetzt.

Claims (9)

1. Generator für ein Fahrrad oder ein Einzelrad, dessen mit Permanent­ magneten bestückter Rotor am drehbaren Rad und dessen durch eine Spulenanordnung zur Aufnahme der induzierten Spannung gebildeter Stator auf einer Radachse befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (2) zur Antriebsunterstützung als Motor betreibbar ist, daß ein Akkumulator (3) zur Speicherung der bei Fahrbewegungen erzeugten elektrischen Energie vorgesehen ist, und daß eine elektro­ nische Schaltungsanordnung auf einer Leiterplatte (23) derart schalt­ bar ist, daß wahlweise die Beleuchtung (7, 8) und/oder der als Motor betriebene Generator (2) aus dem Akkumulator (3) gespeist werden.

2. Als Motor betreibbarer Generator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Statorwicklungen magnetfeldabhängige Halbleiter (34) in vorbestimmtem Winkelabstand angeordnet sind, die bei Motorbetrieb in Verbindung mit der elektronischen Schaltungsanordnung bewirken, daß immer mindestens eine Statorwicklung erregt ist.

3. Als Motor betreibbarer Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetfeldabhängige Steuerelemente Hallsensoren eingesetzt sind.

4. Als Motor betreibbarer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (30) einen scheibenförmigen kreisrunden Kunststoff­ körper (31) aufweist, in welchem Ausnehmungen zur Aufnahme von Permanent­ magneten (32) und einem ferromagnetischen Rückschluß (33) vorgesehen sind.

5. Als Motor betreibbarer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (20) einen scheibenförmigen, kreisrunden Kunststoff­ körper (21) aufweist, der im Zentrum mit einer Metallscheibe (22) verbunden ist, welche mit der Radachse verschraubt ist, und daß im Kunststoffkörper (21) Ausnehmungen zur Aufnahme der Spulen (25), eines Statorblechs (26) sowie der Leiterplatte (23) und der elektro­ nischen Bauelemente vorgesehen sind.

6. Als Motor betreibbarer Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorblech (26) aus mehreren gleichen, ineinander verzahnten Formstücken zusammengefügt ist.

7. Als Motor betreibbarer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Rotor und Stator einen scheibenförmigen Trägerkörper (41, 43) aus ferromagnetischem Blech aufweisen.

8. Als Motor betreibbarer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator (3) in einem abnehmbaren Halter (37) mit inte­ griertem Gleichrichter (36) angeordnet ist.

9. Als Motor betreibbarer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelfunktionen Laden, Beleuchten, Antreiben manuell über einen einzigen Schalter (6) einstellbar sind.