DE4234388A1 - Fahrradlichtmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrradlichtmaschine zur Stromversorgung von mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeugen, ins­ besondere Fahrrädern, bei der die Funktionssicherheit unter al­ len Witterungsbedingungen uneingeschränkt gewährleistet ist, wo­ bei diese Maschine ohne mechanische Schaltvorrichtung und ohne zusätzliche Getriebe fest in einer Radnabe montiert sein kann.

Üblicherweise werden an Fahrrädern Dynamos eingesetzt, die von einem der Laufräder angetrieben werden. Die Kraftübertragung er­ folgt hierbei zumeist analog einem Reibradgetriebe, wobei eine Übersetzung der geringen Drehzahl des Rades auf eine hohe Dreh­ zahl die vom Dynamo benötigt wird stattfinden muß. Durch Einwir­ kung von Schmutz und Feuchtigkeit, besonders in der kälteren Jahreszeit, die gleichzeitig den größten Beleuchtungsbedarf er­ fordert, kommt es hier oft zu Funktionsstörungen durch Rutschen. Außerdem müssen alle handelsüblichen Fahrradlichtmaschinen durch Betätigen mechanischer Schaltvorrichtungen zugeschaltet werden, da sie durch ungünstiges Leerlaufverhalten nicht ständig mitlau­ fen können. Dazu soll in den meisten Fällen die Fahrt unterbro­ chen werden, um keine zusätzliche Unfallgefahr herauf zu be­ schwören.

Die Patentliteratur umfaßt zahlreiche Anmeldungen, die sich mit den Nachteilen herkömmlicher Stromversorgungseinrichtungen an Fahrrädern befassen.

Als Beispiele seien: DD/A 2 23 305; DD 2 69 045; DE 32 08 720; DD 2 72 948; DE 40 29 142; DE 40 31 146 und EP 0 425 260 genannt. Keine dieser Erfindungen löst jedoch die oben erwähnten Nach­ teile vollständig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Fahrradlichtma­ schine zu schaffen, die, fest in einer Radnabe eingebaut, stän­ dig mit läuft und den Leichtlauf des Rades im Leerlauf nicht beeinflußt, einen hohen Wirkungsgrad und eine sehr geringe Masse besitzt und preiswert herstellbar ist. Auf diese Weise soll sie die Nachteile herkömmlicher Dynamos bzw. Fahrradlichtmaschinen an mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeugen vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Erre­ gungssystem dieser Fahrradlichtmaschine aus zwei Teilsystemen besteht, die eine Vielzahl von magnetischen Polen 7 aufweist, die jeweils in Richtung der Relativbewegung derart angeordnet sind, daß auf einen magnetischen Nordpol immer ein magnetischer Südpol folgt, und auf einen magnetischen Südpol immer ein magne­ tischer Nordpol folgt, wobei die Magnetpolzahl beider Teilsy­ steme gleich ist. Die magnetischen Nordpole des äußeren Teil­ systems 2 des Erregungssystems stehen den magnetischen Südpolen des inneren Teilsystems 1 des Erregungssystems gegenüber, und die magnetischen Südpole des äußeren Teilsystems 2 des Erre­ gungssystems stehen den magnetischen Nordpolen des inneren Teilsystems 1 des Erregungssystems gegenüber. Dabei wird durch die Vielzahl der Pole gewährleistet, daß die Maschine auch bei geringen Drehzahlen ausreichende elektrische Werte aufweist. Die Spule dieser Maschine besteht aus vielen annährend rechteckigen Ankerwicklungen 6, die quer zur Richtung der Relativbewegung an­ geordnet sind, und von denen sich zwei gegenüberliegende Seiten im Luftspalt 3 der Maschine befinden. Die beiden Teilsysteme des Erregungssystems bilden mehrere magnetische Kreise, von denen jeweils zwei zu gleicher Zeit auf eine Arbeitswicklung ein­ wirkenden, wobei die magnetische Flußrichtung dieser beiden ma­ gnetischen Kreise, die in den Zeichnungen durch die Magnet­ feldlinien 8 dargestellt sind, in gleicher Richtung durch diese Arbeitswicklung verläuft. Außerdem erfahren die beiden Teile des Erregungssystems zueinander keine Relativbewegung, da sie entwe­ der mechanisch bzw. durch die zwischen den beiden Teilsystemen wirkenden Magnetkräfte miteinander verbunden sind. Diese Anord­ nung gewährleistet, daß sich der magnetische Fluß in den magne­ tischen Kreisen des Erregungssystems, wenn man eine geringe Flußänderung die durch die Ankerrückwirkung verursacht wird ver­ nachlässigt, nicht ändert.

Tritt nun eine Relativbewegung zwischen den Arbeitswicklungen und dem Erregungssystem auf, so durchlaufen die beiden im Luft­ spalt 3 der Maschine befindlichen Seiten der Arbeitswicklungen die durch das Erregungssystem im Bereich des Luftspaltes 3 der Maschine gebildeten magnetischen Kreise. Da die magnetische Flußrichtung zweier benachbarter Magnetkreise im Erregungssystem entgegengesetzt ist, bewirkt das Durchlaufen zweier Magnetkreise eine vollständige Flußumkehr durch eine Arbeitswicklung. Durch diesen Flußwechsel wird eine ganze Periode einer Wechselspannung in der Arbeitswicklung induziert. Durch den Bau sehr vielpoliger Maschinen kann somit, auch bei geringen Drehzahlen wie sie bei­ spielsweise an Fahrrädern auftreten, eine sehr hohe Flußwechsel­ frequenz erreicht werden. Ein Flußwechsel, der geeignet wäre Ummagnetisierungsverluste zu erzeugen, findet hier lediglich im Luftspalt 3 der Maschine statt. Daraus resultiert auch, daß die Maschine im Leerlauf nur Verluste, die durch die Lagerung 11 verursacht werden, aufweist.

Eine sehr günstige Gestaltung der Maschine ergibt sich, wenn die beiden Teilsysteme aus jeweils einem Magneten gebildet werden, wobei das innere Teilsystem 1 des Erregungssystems aus einem Ringmagneten, der z. B. aus plastgebundenem Hoch­ energiemagnetwerkstoff bestehen kann, der mehrpolig lateral am Umfang magnetisiert ist, und das äußere Teilsystem 2 des Er­ regungssystems aus einem Ringmagneten bestehen kann, der z. B. ebenfalls aus einem plastgebundenem Hochenergiemagnetwerkstoff bestehen kann, der mehrpolig lateral in der Ringbohrung magneti­ siert ist.

Außerdem ist es auch möglich diese Maschine nur mit dem inneren Teilsystem 1 des Erregungssystems zu betreiben. Man erhält da­ durch zwar eine etwas geringere magnetische Flußwechselamplitude durch die Arbeitswicklungen, vereinfacht die Bauform jedoch er­ heblich.

Um den Einsatz von anisotropen Magnetwerkstoffen mit höherem Energieprodukt zu realisieren, ist es möglich, eines oder beide Teilsysteme des Erregungssystems aus Einzelmagneten zu fertigen, wobei die Magnetisierungsrichtung dieser Einzelmagnete tangen­ tial zum Umfang der Maschine verläuft, und die Einzelmagnete so angeordnet sind, daß jedem magnetischen Nordpol immer ein ma­ gnetischer Nordpol gegenüber steht und jedem magnetischen Südpol immer ein magnetischer Südpol gegenübersteht, wobei der Raum zwischen den Einzelmagneten mit einem Körper ausgefüllt ist, der aus einem Material mit hoher magnetischer Leitfähigkeit besteht und der jeweils einen Magnetpol 7 bildet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß diese Fahrradlichtmaschine fest in einer Nabe einge­ baut sein kann. Dadurch ist eine Beeinträchtigung der Funktion durch Verschmutzung, auch bei ungünstigen Witte­ rungsverhältnissen ausgeschlossen. Außerdem zeichnen sich Licht­ maschinen der erfindungsgemäßen Bauart dadurch aus, daß sie im Leerlauf keine Raststellungen durch sich magnetisch anziehende Bauteile und keine Ummagnetisierungsverluste aufweisen. Dadurch kann diese Maschine ständig im Rad mitlaufen und, auch während der Fahrt, durch einfaches Betätigen des Lichtschalters oder Einschalten anderer Verbraucher zugeschaltet werden. Fahrtunter­ brechungen und Schaltvorgänge an oft verschmutzten mechanischen Vorrichtungen entfallen. Zudem kann diese Maschine, in bezug auf Fertigungstoleranzen und Anzahl der Einzelteile, sehr unproble­ matisch und preisgünstig hergestellt werden und besitzt, da sie eisenlos und unter Verwendung von plastgebundenen Magnetwerk­ stoffen herstellbar ist, eine sehr geringe Masse. Der Wirkungs­ grad ist, da keine Ummagnetisierungsverluste auftreten, sehr hoch.

Die Erfindung soll an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:

Sie wird anhand von 4 Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigt:

Fig. 1 die Seitenansicht einer achtzehnpoligen einfachen Bauform in Schnittdarstellung ohne Gehäuse, Achse und Lagerung,

Fig. 2 die dazugehörige Draufsicht in Schnittdarstellung mit Ge­ häuse, Achse und Lagerung,

Fig. 3 die Seitenansicht einer sechspoligen Ausführung mit einem Erregungssystem, daß aus zwei Teilsystemen besteht ohne Gehäuse, Achse und Lagerung, und

Fig. 4 die dazugehörige Draufsicht in Schnittdarstellung mit Ge­ häuse, Achse und Lagerung.

Bei der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausführung wurde zu Gunsten einer besonders einfachen Bauform auf das äußere Teilsy­ stem 2 des Erregungssystems verzichtet. Das innere Teilsystem 1 des Erregungssystems besteht aus einem lateral am Umfang magnetisierten Ringmagneten, der in Richtung der Relativbewegung eine Vielzahl von Magnetpolen 7 aufweist, und in dessen Ring­ bohrung die Achse 9 eingespritzt ist. Der Ankerkörper ist eisen­ los und kann aus einem Plastwerkstoff bestehen. Er hat zur Achse 9 keine direkte Verbindung und kann, nachdem die Ankerwicklungen 6 aufgebracht sind, in das Gehäuse 10, das hier gleichzeitig die Radnabe ist, eingepreßt werden. Dadurch ergibt sich eine feste Verbindung zwischen Gehäuse 10 und Ankerspule. Die Ankerspule besteht aus vielen Ankerwicklungen 6, die, in der Seitenansicht betrachtet, sternförmig angebracht sind. Dabei werden jeweils in zwei sich gegenüberliegende Wickelfenster 5 des Ankerkörpers eine oder mehrere Ankerwicklungen 6 derart eingebracht, daß jede Ankerwicklung 6 durch ein Wickelfenster 5, seitlich auf der einen Seite am inneren Teilsystem 1 des Erregungssystems und an der Achse 9 vorbei, durch das gegenüberliegende Wickelfenster 5 und seitlich an der anderen Seite am inneren Teilsystem 1 des Erregungssystems und an der Achse 9 vorbei zurück zum Ausgangs­ punkt der Wicklung verläuft. Ist die gewünschte Windungszahl er­ reicht, führt die letzte Wicklung noch einmal durch das Wic­ kelfenster 5 hindurch und wird dann durch das in Richtung der Relativbewegung direkt benachbarte Wickelfenster 5 geführt. Da­ durch kehrt sich die Wickelrichtung um. Die folgenden Ankerwicklungen 6 werden ebenfalls seitlich an Erregungssystem und Achse 9 vorbei und durch das gegenüberliegende Wickelfenster 5 geführt. Ist auch hier die gewünschte Windungszahl erreicht, erfolgt nun wieder wie oben beschrieben der Wechsel der Wickel­ fenster 5 und die damit verbundene Umkehr der Wickelrichtung. In gleicher Weise werden auch alle weiteren Wickelfenster 5 ge­ füllt. Diese Anordnung gewährleistet, daß der maximal mögliche Fluß durch die Ankerspule doppelt so hoch ist wie der zwischen zwei benachbarten Magnetpolen 7 des inneren Teilsystems 1 des Erregungssystems, und daß es keine ungenutzten Streuflüsse gibt, da jeder vom inneren Teilsystem 1 des Erregungssystems ausge­ hende Magnetfluß durch das Innere einer Ankerwicklung 6 verlau­ fen muß.

Daraus ergibt sich folgende Wirkungsweise. Führt das Rad, das fest mit der Ankerspule verbunden ist, eine Relativbewegung ge­ genüber der Achse 9, die fest mit dem inneren Teilsystem 1 des Erregungssystems verbunden ist, aus, so durchlaufen die beiden äußeren Enden jeder Ankerwicklung 6 die am Umfang des inneren Teilsystems 1 des Erregungssystems befindlichen magnetischen Kreise, die in den Zeichnungen durch die Magnetfeldlinien 8 dar­ gestellt sind. Dadurch wird in der Ankerspule eine Spannung in­ duziert, die über einen Schleifring abgenommen werden kann, wo­ bei der Anschlußdraht über eine Nut in der Achse 9 nach außen geführt werden kann, und der andere Spulenkontakt auf der Gehäu­ semasse liegen kann. Das Gehäuse 10 besteht dabei aus einem elektrisch leitenden Material. Wenn das Gehäuse 10 außerdem eine gute magnetische Leitfähigkeit besitzt, so wird durch die etwas geringere Gegenfeldstärke die dadurch über den Magneten des inneren Teilsystems 1 des Erregungssystems herrscht der maximal mögliche magnetische Fluß durch die Ankerwicklungen 6 etwas hö­ her sein, und es ist dann auch mit Ummagnetisierungsverlusten im Gehäuse 10 zu rechnen.

Die in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellte Ausführung zeigt eine um­ fangreichere Bauform der erfindungsgemäßen Maschine. Die Anker­ wicklungen 6 sind hier fest mit der Achse 9 verbunden und die beiden Teile des Erregungssystems sind jeweils mit Hilfe von Ku­ gellagern 11 beweglich zur Achse 9 gelagert. Außerdem ist das äußere Teilsystem 2 des Erregungssystems fest mit dem Gehäuse 10 verbunden. Die durch eine solche Ausführung erzielbaren magneti­ schen Flußwechselamplituden sind wesentlich höher, weil die Ma­ gnetlänge der gebildeten Magnetkreise wesentlich größer und die Länge des Luftspaltes 3 wesentlich kleiner ist. Ummagnetisie­ rungsverluste können hier auch bei magnetisch leitfähigem Ge­ häuse 10 nicht auftreten.

Die Wirkungsweise ist dieselbe wie oben beschrieben, wobei hier zu beachten ist, daß das innere Teilsystem 1 des Erre­ gungssystems durch die magnetischen Anziehungskräfte die zwi­ schen den beiden Teilen des Erregungssystems wirken bewegt wird, und es deshalb zu keiner Relativbewegung zwischen den beiden Teilen des Erregungssystems kommt.

Bezugszeichen

 1 inneres Teilsystem des Erregungssystems
 2 äußeres Teilsystem des Erregungssystems
 3 Luftspalt der Maschine
 4 Ankerkörper
 5 Wickelfenster
 6 Ankerwicklung
 7 Magnetpole
 8 Magnetfeldlinien
 9 Achse
10 Gehäuse
11 Lagerung

Claims (8)

1. Fahrradlichtmaschine, bestehend aus einem die Arbeitswicklungen tragenden Ankerkörper oder formbeständigen An­ kerwicklungen und einem beweglich dazu angeordneten Erre­ gungssystem aus Permanentmagneten, wobei sich die annährend rechteckigen Ankerwicklungen teilweise im Luftspalt der Fahr­ radlichtmaschine befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ kerwicklungen (6) quer zur Richtung der Relativbewegung ange­ ordnet sind und sich zwei gegenüberliegende Seiten der Anker­ wicklungen (6) im Luftspalt (3) der Maschine befinden, und daß das Erregungssystem aus zwei Teilsystemen besteht, die eine Vielzahl von magnetischen Polen (7) aufweisen, die jeweils in Richtung der Relativbewegung derart angeordnet sind, daß auf einen magnetischen Nordpol immer ein magnetischer Südpol folgt, und auf einen magnetischen Südpol immer ein magnetischer Nordpol folgt, wobei die Magnetpolzahl beider Teilsysteme gleich ist, und daß die magnetischen Nordpole des äußeren Teilsystems (2) des Erregungssystems den magnetischen Südpolen des inneren Teilsystems (1) des Erregungssystems gegenüberstehen, und die magnetischen Südpole des äußeren Teilsystems (2) des Erregungssystems den magnetischen Nordpolen des inneren Teilsy­ stems (1) des Erregungssystems gegenüberstehen, und die mehrere magnetische Kreise bilden, von denen jeweils zwei Magnetkreise gleichzeitig auf eine Ankerwicklung (6) einwirken, wobei die Ma­ gnetpole (7) jedes Teilsystems so angeordnet sind, daß die ma­ gnetische Flußrichtung der zugleich auf eine Ankerwicklung (6) einwirkenden magnetischen Kreise in gleicher Richtung durch diese Ankerwicklung (6) verläuft, und daß weiterhin die zwei Teile des Erregungssystems zueinander keine Relativbewegung erfahren, aber die Arbeitswicklungen eine Relativbewegung gegen­ über den zwei Teilen des Erregungssystems vollführen.

2. Fahrradlichtmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nur ein Teilsystem des Erregungssystems Magnetpole (7) aufweist, und daß das andere Teilsystem des Erregungssystems keine Magnetpole (7) aufweist, dafür aber aus Flußleitstücken besteht, die geeignet sind, mit jeweils einem magnetischen Nord­ pol und einem benachbarten magnetischen Südpol des zweiten Teil­ systems des Erregungssystems magnetische Kreise zu bilden.

3. Fahrradlichtmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zwei Teile des Erregungssystems nur durch Ma­ gnetkräfte verbunden sind.

4. Fahrradlichtmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zwei Teile des Erregungssystems mechanisch und durch Magnetkräfte verbunden sind.

5. Fahrradlichtmaschine nach Anspruch 1 oder 2 und 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Erregungssystems oder beide Teile des Erregungssystems aus jeweils einem Magneten be­ stehen, welcher mehrpolig, lateral am Umfang bzw. mehrpolig, la­ teral in der Ringbohrung magnetisiert ist.

6. Fahrradlichtmaschine nach Anspruch 1 oder 2 und 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Erregungssystems oder beide Teile des Erregungssystems aus Einzelmagneten bestehen, deren Magnetisierungsrichtung tangential zur Richtung der Relativbewegung verläuft, und die so angeordnet sind, daß jedem magnetischen Nordpol immer ein magnetischer Nordpol gegenüber steht und jedem magnetischen Südpol immer ein magnetischer Süd­ pol gegenübersteht, wobei der Raum zwischen den Einzelmagneten mit einem Körper ausgefüllt ist, der aus einem Material mit ho­ her magnetischer Leitfähigkeit besteht, und der jeweils einen Magnetpol (7) bildet.

7. Fahrradlichtmaschine nach Anspruch 1 und 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrradlichtmaschine nur mit dem inneren Teilsystem (1) des Erregungssystems ausgeführt wird, wobei auf das äußere Teilsystem (2) des Erregungssystems zu Gunsten einer einfacheren Bauform verzichtet wird.

8. Fahrradlichtmaschine nach Anspruch 1 oder 2 und 3 oder 4 und 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen den Ankerwicklungen (6) im Luftspalt (3) mit Körpern ausgefüllt sind, die eine hohe magnetische Leitfähigkeit besitzen und zur Verringerung des magnetischen Widerstandes in den magnetischen Kreisen dienen.