DE4411145A1 - Nabe mit darin angeordnetem Gleichstromgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fahrradnabe mit darin angeordnetem Gleichstromgenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und bei welcher der Gleichstromgenerator ganz allgemein Dynamospulen und -magnete enthält und durch die Drehbewegung der Nabe antreibbar ist.

Bei einer herkömmlichen Nabe mit darin angeordnetem Gleichstromgenerator, wie sie beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung Kokai Nr. 3-258 673 beschrieben ist, wird die Drehgeschwindigkeit der Nabe über eine beschleunigende Planetenmechanik erhöht, um dann auf einen umlaufenden Magneten übertragen zu werden. Damit läuft der Gleichstromgenerator schneller um als die Nabe. Dadurch können Spule und Magnet klein bleiben bzw. mit Hilfe eines kostengünstigen Magneten kann eine relativ hohe Spannung erzeugt werden.

Außerdem können, wie in der japanischen Patentveröffentlichung Kokai Nr. 57-71 257 beispielsweise beschrieben, Spule und Magnet einen so großen Durchmesser aufweisen, daß große Magnetpole in hoher Zahl entstehen, wodurch sich der durch sie geführte magnetische Induktionsfluß erhöht. Auf diese Weise wird eine effiziente Nutzung der Magnetkräfte erreicht. Infolgedessen läßt sich auch dann eine vergleichsweise hohe Spannung erreichen, wenn der Gleichstromgenerator mit gleicher Geschwindigkeit wie die Nabe umläuft.

Die erstgenannte Ausbildung hat den Nachteil, daß die beschleunigende Mechanik als solche einen Betriebswiderstand erzeugt, die während der Fahrt zu erhöhter Fahrbelastung führt.

Im zweiten Fall hat der Gleichstromgenerator wegen der großen Spule und des großen Magneten große Abmessungen. Dies führt zu einem großen Außendurchmesser der gesamten Nabe bzw. zu einem großen Durchmesser zumindest eines Teils, in dem der Generator vorgesehen ist, auch wenn andere Teile der Nabe einen kleinen Durchmesser haben können. Diese Nabe bringt auch hinsichtlich ihres äußeren Erscheinungsbildes einen Nachteil mit sich.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Fahrradnabe mit daran angeordnetem Gleichstromgenerator zu schaffen, der eine vergleichsweise hohe Spannung bei verringertem Verlust an Antriebskraft erzeugt und dennoch kompakt gebaut, einfach aufgebaut und kostengünstig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Fahrradnabe der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher neben der ersten Spulenanordnung eine zweite Spulenanordnung auf der Nabenspindel abgestützt ist, um welche koaxial zur Nabenspindel ein Draht gewickelt ist.

Unter der Voraussetzung, daß der Außendurchmesser des Gleichstromgenerators bei Anordnung der Magnete außerhalb der Spulen derselbe ist, kann der Unterschied zwischen dem Außen- und dem Innendurchmesser der Spulen größer sein als bei Anordnung der Magnete innerhalb der Spulen. Damit können die Spulen eine größere Zahl Wicklungen bzw. Windungsgänge aufweisen. Außerdem können die Abmessungen der außerhalb der Spulen angeordneten Magnetpole größer sein bzw. die Magnetpole in größerer Anzahl auf dem Umfang der Spulen vorgesehen werden, wodurch es möglich wird, den magnetischen Induktionsfluß durch die Spulen zu verstärken.

In den Fällen, wie bei der vorliegenden Erfindung, sind somit die Spulen der Generatoreinheiten elektrisch in Reihe geschaltet, während der Generator insgesamt die von den jeweiligen Generatoreinheiten unter effizienter Ausnutzung der Magnetkräfte erzeugten Einzelleistungen zusammenfaßt und in kombinierter Form abgibt. Auch wenn die Generatoreinheiten mit gleicher Geschwindigkeit umlaufen wie die Nabe erzeugt der Generator insgesamt eine gemessen an seiner Größe hohe Spannung.

Die Spulen der Generatoreinheiten können elektrisch parallel geschaltet sein. Dies bietet den Vorteil, daß bei Ausfall einer der Generatoreinheiten, beispielsweise wegen Unterbrechung ihrer Spule, der Generator insgesamt weiterhin mittels der verbliebenen Einheit bzw. der übrigen Einheiten weiterhin Strom erzeugt.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Auswirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden ausführlicheren Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines erheblichen Abschnitts einer Nabe, die erfindungsgemäß einen Gleichstromgenerator enthält;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Spulenkörpers als Träger einer Spule;

Fig. 3 eine Vorderansicht des Spulenkörpers gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Vorderansicht eines Teils einer Dynamoeinheit bildenden Kernelements;

Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie X-X′ aus Fig. 4;

Fig. 6 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Spule;

Fig. 7 eine fragmentarische Vorderansicht mit der Darstellung der Form der Magnetpole;

Fig. 8 eine Schnittansicht zur Darstellung einer Gesamtausbildung einer zylinderförmigen Magnetbaugruppe;

Fig. 9 eine vergrößerte Ansicht mit der Darstellung von Details der in Fig. 8 gezeigten Magnetbaugruppe; und

Fig. 10 eine Ansicht zur Darstellung eines modifizierten Anschlusses der Spulen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Im folgenden wird nun eine erfindungsgemäße Fahrradnabe mit darin angeordnetem Gleichstromgenerator anhand der Zeichnung beschrieben.

Wie Fig. 1 zeigt, weist eine Nabe 2 einen Nabenkörper 2a mit einem Paar Nabenflansche 1 und einer Nabenkappe 2b auf, die an einem Ende des Nabenkörpers 2a aufgesetzt ist. Die Nabe 2 ist über Kugeln 3 und Kugelandruckelemente 4 drehbar auf einer Nabenspindel 5 gelagert. Drei Generatorspulen 7 sind koaxial zur Nabenspindel 5 entlang deren Achse 6 so angeordnet, daß zur Unterbringung des Generators nur ein minimaler Einbauraum erforderlich ist. Der in der Nabe 2 angeordnete Generator 2 umfaßt eine zylinderförmige Magnetbaugruppe 8, welche die Spulen 7 umschließt.

Des weiteren weist der Gleichstromgenerator einen ersten bis dritten Generator bzw. eine erste bis dritte Dynamoeinheit D1 bis D3 auf. Die erste Dynamoeinheit D1 besteht aus einer Spulenanordnung nahe einem Ende der Nabe 2 und aus der zylinderförmigen Magnetbaugruppe 8. Die zweite Dynamoeinheit D2 besteht aus einer mittleren Spulenanordnung und aus der zylinderförmigen Magnetbaugruppe 8. Die dritte Dynamoeinheit D3 besteht aus einer Spulenanordnung nahe dem anderen Ende der Nabe 2 und aus der zylinderförmigen Magnetbaugruppe 8. Bei Drehung der Nabe 2 während der Fahrt des Fahrrads, erzeugen die Dynamoeinheiten D1 bis D3 Strom. In der Nabenspindel 5 ist eine Vertiefung bzw. Nut 5a ausgebildet, die von den Spulenanordnungen aus in Achsrichtung der Spindel verläuft. Entlang der Vertiefung 5a, durch eines der Kugelandruckelemente 4 und aus der Nabe 2 heraus führt eine Zuleitung 9, um einen (nicht dargestellten) Scheinwerfer mit Strom zu versorgen. Die drei Spulenanordnungen sind durch eine Vielzahl von Verbindungsstiften 10 fest miteinander verbunden. In ein Ende der Vertiefung 5a in der Nabenspindel 5 ist ein Drehanschlagteil 11 eingesetzt, das mit einem Kernelement 12 in Eingriff steht, welches einen Teil der Spulenanordnung der dritten Dynamoeinheit D3 bildet. Damit sind alle Spulenanordnungen gegenüber der Nabenspindel 5 drehsicher fixiert. Bei Verwendung der den Gleichstromgenerator enthaltenden Nabe ist die Nabenspindel 5 fest an den Rahmenteilen F so fixiert, daß sie gegen Drehung gesichert ist. Infolgedessen sind auch alle Spulenanordnungen gegen Drehung gegenüber den Rahmenteilen F des Fahrrads fixiert.

Die zylindrische Magnetbaugruppe 8 umfaßt, wie Fig. 8 zeigt, vier gebogene Magnete 8a. Gemäß Fig. 1 sind diese Magnete 8a auf dem Umfang der Nabe 2 innerhalb eines aus reinem Stahl bestehenden und koaxial zur Nabenachse 6 angeordneten zylinderförmigen Trägerjochs 14 angeordnet. Mittels eines Magnetfixierrings 15, der sich nahe einem Ende der Nabe 2 und der Nabenkappe 2b befindet, ist die zylindrische Magnetbaugruppe 8 zusammen mit dem Trägerjoch 14 am Nabenkörper 2a fest angebracht. Damit ist infolge der Fixierwirkung des Magnetfixierrings 15 und der Nabenkappe 2b die zylinderförmige Magnetbaugruppe 8 zusammen mit der Nabe 2 drehbar.

Die Spulenanordnung jeder der Dynamoeinheiten D1 bis D3 umfaßt einen aus Polypropylen-Kunststoff bestehenden Spulenkörper 16, wie Fig. 2 und 3 dies zeigen, sowie ein Paar aus reinem Stahl bestehende Kernelemente 12 und 13, die als Magnetkraftleiter dienen, wie Fig. 3 und 5 dies zeigen. Diese Bauteile werden gemäß Fig. 6 mit Hilfe der Verbindungsstifte 10 zusammengehalten und fest miteinander verbunden. Aus Fig. 6 ist außerdem ersichtlich, daß die Spule dadurch gebildet ist, daß Draht in mehrfachen radialen und auch axialen Touren auf den Spulenkörper 16 aufgewickelt ist. Das Paar Kernelemente 12 und 13 weist im wesentlichen die gleiche Form auf, so daß in Fig. 4 und 5 nur das Kernelement 12 dargestellt ist. Dieses Kernelement 12 weist einen radial verlaufenden Seitenabschnitt 12b, ein radial nach innen vorspringendes zylinderförmiges Nabenstück 12c und 16 Magnetpole 12a auf, die in Abständen auf dem Umfang der Spule 7 angeordnet sind. Das Kernelement 13 besitzt entsprechende Abschnitte. Die bei dem zum Paar gehörenden Kernelemente 12 und 13 sind so zusammengebaut, daß die Magnetpole 12a und die Magnetpole 13a unter Belassung entsprechender Zwischenräume zueinander versetzt sind, wie dies in Fig. 7 zu erkennen ist.

Gemäß Fig. 9 sind in jedem der vier Magnete 8a acht Magnetpole entlang deren jeweiliger Innenwandung ausgebildet, wobei Nord- und Südpole abwechselnd angeordnet sind. Auf diese Weise verlaufen in der zylinderförmigen Magnetbaugruppe 8 32 Magnetpole entlang deren Innenwandung, wobei sich die Nord- und Südpole abwechseln. Fig. 9 zeigt einen ersten Zustand der Gegenüberstellung, bei dem die 16 Nordpole der Magnetbaugruppe 8 den 16 Magnetpolen 12a auf einem (12) der Kernelemente gegenüberstehen, während die 16 Südpole der Magnetbaugruppe 8 den 16 Magnetpolen 13a des anderen Kernelements 13 gegenüberliegen. Dreht sich die zylinderförmige Magnetbaugruppe 8 um einen Betrag, der einem Magnetpol entspricht, so entsteht ein zweiter Magnetzustand, bei dem die 16 Nordpole der Magnetbaugruppe 8 den 16 Magnetpolen 13a des Kernelements 13 gegenüberstehen, während gegenüber den 16 Magnetpolen 12a des Kernelements 12 die 16 Südpole der Magnetbaugruppe 9 liegen. Bei dem ersten Zustand der Gegenüberstellung werden die Magnetpole 12a zu Südpolen, wodurch der Vorsprung 12c zum Nordpol wird. Die Magnetpole 13a werden zu Nordpolen und damit wird das Nabenstück bzw. der Vorsprung 13c zum Südpol. Bei dem zweiten Zustand der Gegenüberstellung werden die Magnetpole 12a zu Nordpolen und damit wird das Nabenstück 12c zum Südpol. Die Magnetpole 13a werden zu Südpolen, wodurch der Vorsprung 13c zum Nordpol wird. Infolgedessen kehrt sich die Richtung der radial innerhalb der Spule 7 verlaufenden Magnetfelder zwischen dem ersten und zweiten Zustand jeweils um, mit der Folge, daß entsprechend dem Faradayschen Gesetz Strom induziert wird.

Die Spulen der ersten bis dritten Dynamoeinheit D1 bis D3 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Damit erzeugt der Gleichstromgenerator insgesamt Strom mit höherer Spannung als jede einzelne der drei Dynamoeinheiten D1 bis D3, der dann über die Leitung 9 abgegeben wird. Mit anderen Worten wird der von den drei Dynamoeinheiten D1 bis D3 erzeugte Strom zusammengeführt und kombiniert als Strom mit höherer Spannung abgegeben, als ihn jede der drei Dynamoeinheiten D1 bis D3 für sich erzeugt.

Bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel ist die Magnetbaugruppe 8 außerhalb der Spulen 7 angeordnet. Vorausgesetzt, daß der Einbauraum für die Unterbringung des Generators in der Nabe vorgesehen ist, kann der Unterschied zwischen Außen- und Innendurchmesser bei den Spulen 7 größer sein als in dem Fall, daß die Magnetbaugruppe innerhalb der Spulen 7 angeordnet ist. Damit ist Möglichkeit gegeben, die Spulen 7 mit einer größeren Anzahl von Windungen bzw. Wickeltouren auszuführen, um so eine hohe Spannung zu erzeugen. Außerdem ist es möglich, die Abmessungen der außerhalb der Spulen 7 angeordneten Magnetpole 12a und 13a zu vergrößern bzw. mehr Magnetpole auf dem Umfang der Spulen 7 anzuordnen, so daß nun der magnetische Induktionsfluß aus der Magnetbaugruppe 8 effizient durch die Spulen 7 hindurchgehen kann.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel weist die Magnetbaugruppe 8 eine Länge auf, die einer Länge der ersten bis dritten Dynamoeinheit D1 bis D3 in Achsrichtung der Nabenspindel 5 entspricht. Mit anderen Worten teilen sich die drei Dynamoeinheiten D1 bis D3 dieselbe Magnetbaugruppe 8, wodurch sich der Aufbau vereinfacht. Alternativ können für die jeweiligen Dynamoeinheiten D1 bis D3 auch separate Magnetbaugruppen vorgesehen sein.

Wie deutlich aus Fig. 7 zu erkennen ist, ist jeder der Magnetpole 12a und 13a an einem nach innen zu liegenden Ende mit dem Kernelement 12 bzw. 13 über eine Länge L1 verbunden, die größer ist als die Länge L2 eines nach außen zu gelegenen Endes in Umfangsrichtung der Spule. Dies bedeutet, daß über den Umfang der Spule die Magnetpole 12a und 13a in größerer Anzahl vorgesehen werden können als dies der Fall wäre, wenn das innen und außen liegende Ende jedes Magnetpols die gleiche Länge besitzt. Darüber hinaus bietet trotz einer kleinen Übernahmefläche für den Induktionsfluß am außenliegenden Ende jedes Magnetpols dessen innenliegendes Ende eine große Fläche für den Durchtritt des magnetischen Induktionsflusses, der von der Magnetbaugruppe 8 in die Spule 7 übertritt. Auf diese Weise kann im wesentlichen der gesamte magnetische Induktionsfluß, der von den Magnetpolen 12a bzw. 13a übernommen wird, auf die Spule übergehen.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel kann in der in Fig. 10 dargestellten Weise auch modifiziert werden, wobei die Spulen 7 der drei Dynamoeinheiten D1 bis D3 parallel zueinander geschaltet sind.

In diesem Fall kann bei Ausfall von einer oder zwei Dynamoeinheiten D1-D3 der von der verbliebenen Dynamoeinheit bzw. von den übrigen Dynamoeinheiten erzeugte Strom die Beleuchtung weiter unterhalten.

Claims (15)

1. Fahrradnabe mit darin angeordnetem Gleichstromgenerator, welche folgendes aufweist:
eine am Fahradrahmen befestigte Nabenspindel, welche zwischen einem ersten und einem zweiten Ende verläuft;
eine erste Spulenanordnung, die sich auf der Nabenspindel abstützt und um die ein Draht koaxial zur Nabenspindel gewickelt ist;
sowie eine Vielzahl von Magneten, die radial außerhalb der Spulenanordnung so angeordnet sind, daß sie relativ zur Spulenanordnung drehbar sind,
wobei die Magnetpole der Magnete in radialer Richtung der Spulenanordnung ausgerichtet sind,
gekennzeichnet durch eine zweite Spulenanordnung auf der Nabenspindel (7), die neben der ersten Spulenanordnung auf der Nabenspindel (7) abgestützt ist und um welche koaxial zur Nabenspindel (5) ein Draht (9) gewickelt ist.

2. Fahrradnabe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie des weiteren eine Spulenanordnung aufweist, die sich neben der abstützt und einen koaxial zur Nabenspindel (5) aufgewickelten Draht (9) aufweist, sowie eine dritte, von der Spulenanordnung (7) radial nach außen angeordnete Spulenanordnung.

3. Fahrradnabe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Magneten (8, 8a) in Achsrichtung der Nabenspindel (5) in Reihe so angeordnet ist, daß sie gemeinsam für die erste und zweite Spulenanordnung (7) vorgesehen sind.

4. Fahrradnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten und zweiten Spulenanordnung (7) jeweils ein Spulenkörper (16) vorgesehen ist, auf den der Draht (9) gewickelt ist, wobei der Draht in mehrfachen Touren sowohl radial als auch axial auf den Spulenkörper (16) gewickelt ist.

5. Fahrradnabe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (16) aus Kunststoff besteht.

6. Fahrradnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Spulenanordnung jeweils einen ersten Magnetkraftleiter (12) gegenüber dem ersten Ende der Nabenspindel (5) und einen dren anderem Ende gegenüberliegenden zweiten Magnetkraftleiter (13) aufweisen.

7. Fahrradnabe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Magnetkraftleiter (12) einen eine Seitenfläche der Spulenanordnung (7) gegenüber dem ersten Ende bildenden Seitenbereich (12b), einen in Achsrichtung der Nabenspindel (5) verlaufenden und eine radial nach innen liegende Fläche der Spulenanordnung bildenden zylinderförmigen Vorsprung (12c) und auf dem Umfang der Spulenanordnung (7) angeordnete Magnetpole (12a) aufweist, welche sich von dem Seitenbereich zum zweiten Ende in Achsrichtung der Nebenspindel (5) erstrecken; und daß der zweite Magnetkraftleiter (13) einen eine Seitenfläche der Spulenanordnung (7) gegenüber dem zweiten Ende bildenden Seitenbereich (13b), einen in Achsrichtung der Nabenspindel (5) verlaufenden und eine radial nach innen liegende Fläche der Spulenanordnung bildenden zylinderförmigen Vorsprung (13c) und auf dem Umfang der Spulenanordnung (7) angeordnete Magnetpole (13a) aufweist, welche sich von dem Seitenbereich zu dem ersten Ende in Achsrichtung der Nabenspindel (5) erstrecken.

8. Fahrradnabe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zylinderförmige Vorsprung (12c) des ersten Magnetkraftleiters (12) und der zylinderförmige Vorsprung (13c) des zweiten Magnetkraftleiters (13) jeweils äußere Endflächen aufweisen, die im wesentlichen miteinander in Berührung stehen.

9. Fahrradnabe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole (12a; 13a) des ersten bzw. des zweiten Magnetkraftleiters (12, 13) sich in Form einer Vielzahl von Streifen gegenüberstehen, die in Abständen auf dem Umfang der Spulenanordnung (7) angeordnet sind, wobei die von den Magnetpolen (12a) des ersten Magnetkraftleiters (12) gebildeten Streifen und die von den Magnetpolen (13a) des zweiten Magnetkraftleiters (13) abwechselnd auf dem Umfang der Spulenanordnung angeordnet sind.

10. Fahrradnabe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Magnetpolen (12a; 13a) des ersten und zweiten Magnetkraftleiters (12 bzw. 13) gebildeten Streifen eine Breite über den Umfang der Spulenanordnung (7) aufweisen, die zu den freien Enden hin allmählich abnimmt.

11. Fahrradnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Magnete (8; 8a) in Umfangsrichtung eine Breite aufweist, die im wesentlichen der Breite jedes der von den Magnetpolen (12a; 13a) des ersten und zweiten Magnetkraftleiters (12, 13) gebildeten Streifen entspricht.

12. Fahrradnabe nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Magnetkraftleiter (12, 13) über Verbindungsstifte (10) miteinander verbunden sind, die mit dem zylinderförmigen Vorsprung (12c, 13c) jedes Magnetkraftleiters (12, 13) in Eingriff stehen.

13. Fahrradnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie des weiteren ein zylinderförmiges Trägerjoch (14) aufweist, das radial außerhalb der Spulenanordnungen (7) liegt.

14. Fahrradnabe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerjoch (14) aus reinem Stahl besteht.

15. Fahrradnabe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nabenspindel (5) eine Vertiefung (5a) ausgebildet ist, die zur Aufnahme eines Leitungsdrahts zur Weiterleitung des Stroms an den Drähten (9) der Spulenanordnungen (7) nach außen aus der Nabe (2) heraus in Achsrichtung der Nabenspindel (5) verläuft.