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Magnetelektrische Kleinmaschine mit selbsttätiger Spannungsregelung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetelektrische Kleinmaschinen, die
zur Speisung der Lichtanlage, von Fahrzeugen dienen, und vom Fahrzeug mit wechselnder
Geschwindigkeit angetrieben werden, zum Beispiel auf Fahrraddynamos.
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Ein wesentlicher Nachteil der bisher bekannten Dynamos ist, daß ihre
Spannung und damit die Lichtstärke der von ihnen gespeisten Lampen direkt von der
Fahrtgeschwindigkeit abhängig ist. Nur bei einer Fahrtgeschwindigkeit, bzw. innerhalb
eines engbegrenzten Geschwindigkeitsbereichs erreicht somit der Dynamo seine Solleistung
und damit die Lichtanlage ihre volle Lichtstärke. Bei allen höheren Fahrtgeschwindigkeiten
ist die von dem Dynamo erzeugte Spannung zu hoch, und es besteht die Gefahr eines
Durchbrennens der Lampen, während bei allen niedrigeren Fahrtgeschwindigkeiten die
Lampen nur mit unzulänglicher Lichtstärke brennen. Zwingen nun gar schwierige oder
unübersichtliche Wegeverhältnisse dazu, die Gesc'hwind'igkeit sehr stark herabzusetzen,
so fällt die Lichtleistung bis fast auf Null ab, und die Beleuchtung fällt gerade
dann praktisch vollkommen aus, wenn die volle Lichtstärke nicht nur erwünscht, sondern,
im Interesse eines sicheren Fahrens, unbedingt notwendig ist.
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Eine Behebung dieser klar ersichtlichen Mängel der üblichen Fahrraddynamos
ist dadurch möglich, daß die Spannungsabgabe der Dynamos in Abhängigkeit von der
Geschwindigkeit geregelt wird. So ist unter anderem der Vorschlag gemacht worden,
die Induktionswirkung des Magnetsystems und damit die von dem Dynamo erzeugte Spannung
vermittels
zweier getrennter Systeme von Dauertnagneten zu regeln, von denen das eine fest
auf der Antriebswelle angeordnet ist, während das zweite Magnetteil gegenüber dem
ersten verdrehbar und zu diesem Zweck auf der Antriebswelle lose angeordnet ist.
Das zweite Magnetteil wird gegenüber der Antriebswelle und damit gegenüber dem ersten
'_\-lagnetteil durch einen Fliehkraftregler verstellt. Die gesamte Induktionswirkung
der beiden Magnetsysteme hebt sich dann mit zunehmender Verdrehung immer weiter
gegenseitig auf, und sie fällt auf Null, wenn das lose auf der Welle sitzende Magnetteil
gegenüber dem fest angeordneten um eine volle Polteilung verdreht ist.- Es ist also
möglich, bei jeder Geschwindigkeit die Spannung zwischen einem bei gleichsinniger
Stellung der beiden Magnetsysteme gegebenen Höchstwert und der der Verdrehung um
eine volle Polteilung entsprechende Spannung Null. bzw. annähernd Null zu ändern.
Es läßt sich also jeder Geschwindigkeit ein Verdrehwinkel zwischen den beiden Magnetteilen
zuordnen, der einem gewünschten Spannungsverlauf entspricht.
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Diese bisher bekannte Anordnung hat jedoch die folgenden grundsätzlichen
Nachteile: Der Antrieb des achsfesten Teils des Feldmagnetsystems erfolgt direkt
von der Antriebswelle aus. Der Antrieb des lose auf der Antriebswelle angeordneten
Magnetsystems dagegen erfolgt über den Regler, d. h. eine drehkraftschlüssige Verbindung
zwischen der Antriebswelle und dem verstellbaren Magnetteil wird, erst durch eine
entsprechende Auslenkung des Reglers und die dadurch bewirkte Spannung der Reglerfeder
bewirkt. Jede Verstellung des Reglers bewirkt nun auch eine entsprechende Verdrehung
des losen -Magnetteils gegenüber dem festen Magnetteil und damit eine Änderung der
erzeugten Spannung. Um dadurch keine zu große Abweichung von dem vorgesehenen Spannungsverlauf
entstehen zu lassen, müssen die Reglerschwungmassen und die Stärke der Reglerfeder
so groß gewählt werden, daß das Verstellmoment des Reglers groß ist im Verhältnis
zu dem für den Antrieb des losen Magnetteils erforderlichen Drehmoment. Dieser Nachteil
wirkt sich um so krasser aus, je größer das vom Regler zu übertragende Antriebsdrehmoment
ist, vor allem im Bereich kleiner Geschwindigkeiten, und je unterschiedlicher ferner
das Antriebsdrehmoment bei den verschiedenen Geschwindigkeitsstufen ist. Nun sind
gerade bei dem auf gleiche Lichtleistung geregelten Fahrraddynamo sowohl die Unterschiede
im Drehmoment bei den verschiedenen Geschwindigkeiten, als auch wegen der weit geringeren
Drehzahl, bei der die volle Lichtleistung erreicht wird, auch der Höchstwert des
Antriebsdrehmoments weit größer, als dies bei dem Dynamo ohne Spannungsregelung
der Fall ist.
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In der Abb. r ist der Unterschied im Verlauf der Drehmomente 3Td über
die Geschwindigkeit v dargestellt. Die Kurve A zeigt den Verlauf des mindesterforderlichen
Antriebsdrehmoments für einen Dynamo der üblichen Art ohne Spannungsregelung, während
die Kurve I3 das mindesterforderliche Antriebsdrehmoment für einen Dynamo zeigt,
die auf konstante Lichtleistung geregelt wird. Je niedriger hierbei die Geschwindigkeit
ist, bei der der Dynamo seine volle Leistung erreicht, um so größer ist das zu übertragende
Antriebsdrehmoment und um so größer müßten entsprechend dem vorher Gesagten die
Reglerschwungmassen sein. Die erforderlichen großen Schwungmassen würden jedoch
eine wesentliche Vergrößerung der Gehäuseabmessungen bedingen, außerdem wären die
die Schwungmassen tragenden Reglerteile wegen der bei 'hohen Geschwindigkeiten auftretenden
großen Fliehkräfte starken Beanspruchungen ausgesetzt und müßten ihrerseits wieder
schwerer ausgeführt werden.
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Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Anordnung ist, daß auch
die Drehbeschleunigungen beim Anfahren, plötzlichen Geschwindigkeitsänderungen;
scharfem Bremsen usw. über den Regler auf das verstellbare Magnetteil übertragen
werden. Die hierdurch bedingten zusätzlichen Auslenkungen des Reglers würden für
die Zeitdauer der Beschleunigung ein Abweichen der erzeugten Spannung von der Sollspannung
bewirken, und, je nachdem ob diese Abweichung nach oben oder nach unten erfolgt,
würden entweder die Lampen mit ungenügender Lichtstärke brennen, oder aber es bestände
die Gefahr eines Durchbrennens der Birne.
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Die Behebung der im vorstehenden beschriebenen Nachteile der bisherigen
Anordnung und damit die Schaffung einer bei allen Betriebszuständen zuverlässig
arbeitenden Regelung ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Das Wesen der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß beide
Magnetteile auf der Antriebswelle lose angeordnet und untereinander und mit der
Welle durch ein Differentialgetriebe bzw. durch eine innerhalb des Verstellbereichs
kinematisch gleichwirkende Winkelführung od. dgl. verbunden sind; wie in der Abb.2
schematisch dargestellt ist.
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In der Abb. 2 sind r und 2 die. beiden Magnetteile, die auf der Antriebswelle
3 drehbar angeordnet sind. Mit der Welle 3 fest, z. B. mittels des Stiftes 4, verbunden
ist das Planetenrad 5 mit den Ritzeln 6, die in die Tellerräder 7 eingreifen, die
ihrerseits mit den Magnetteilen r und 2 fest verbunden sind. Jede Bewegung der beiden
Magnetteile in gleichem Drehsinne erfolgt so über eine drehkraftschlüssige Verbindung
mit der Antriebswelle. Dieser gleichsinnigen, mit der Drehzahl der Antriebswelle
erfolgenden Drehbewegung beider Magnetteile kann nun in der beim Differential bekannten
Weise eine gegenseitige Verdrehung der beiden Magnetteile überlagert werden. Diese
der gleichsinnigen Drehung zu überlagernde gegenseitige Verdrehung der beiden Magnetteile
wird durch einen gegen Federkraft arbeitenden Fliehkraftregler in Abhängigkeit von
der Drehzahl der Antriebswelle und damit der Fahrtgeschwindigkeit bewirkt.
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Sofern die beiden Magnetteile in ihrer magnetischen Wirkung und in
ihren Massenträgheitsmomenten gleich sind, können bei der in der. Abh. 2
dargestellten
Anordnung weder aus dem Antriebsdrehmoment noch aus Beschleunigungsmomenten irgendwelche
Rückwirkungen auf -die Regelerstellung entstehen, so daß die eingangs beschriebenen
Nachteile der bisher bekannten Anordnung entfallen.
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Die Anordnung des Fliehkraftreglers ist ebenfalls in der Abb. 2 schematisch
dargestellt. An dem vermittels des Stiftes 8 auf der Antriebswelle 3 befestigten
NI itriehmer9 sind die Schwungmassen io aasgelenkt. An den Schwungmassen
io befestigte Gleitstifte i i ragen in radiale Aussparungen 12 des Magneten i hinein.
Jede Auslenkung der Schwungmassen io bewirkt so -über die Gleitstifte i i eine Verdrehung
des Magneten i gegenüber der Antriebswelle 3 und damit über das Differentialgetriebe
5, 6, 7 eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Verdrehung des Magneten
2 gegenüber der Antriebswelle 3.
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In der Abb. 3 ist die Anordnung der Schwungtnassen in einer Seitenansicht
dargestellt.
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Der Auslenkung der Schwungmassen io und damit der gegenseitigen Verdrehung
der Magnete i und 2 wirken die Federn 13 entgegen. Die Anordnung der Federn 13 ist
in der Alb. 2 sowie in der Abb.4, die die Anordnung in der Seitenansicht zeigt,
schematisch dargestellt.
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In dein in den Abb. 2 und 4 dargestellten Beispiel sind die IZeglerfedern
13 als Blattfedern ausgebildet, die mittels der Schraube 15 und des Zw-isdhenstückes
14 fest mit der Antriebswelle 3 verbunden sind. Mit ihrem freien Ende liegen die
Federn 13 an den Anschlagstiften 16 an, die in dein Magneten 2 fest eingesetzt sind
und wirken so einer Verdrehung des Magneten gegenüber der Antriebswelle 3 entgegen.
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Die in der Alb. 2 als Beispiel dargestellte Ausführungsform des Differentialgetriebes
als vollständiges Zahnradgetriebe ist lediglich der besseren Anschaulichkeit wegen
gewählt, mit der diese Ausführungsform die beabsichtigte Wirkung verdeutlicht. Da
es sich bei der gegenseitigen Verdrehung der beiden Magnete nur um verhältnismäßig
kleine Beträge handelt, kann innerhalb des Verstellbereichs die gleiche Wirkung
auch mittels einfacher und in hezug auf den Herstellungsaufwand günstigerer `'Winkelführungen
od. dgl. erreicht werden.
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In der Abb.5 ist ein Beispiel für eine solche Zwangsführung schematisch
dargestellt. Auf der Antriebswelle 3 drehbar angeordnet sind die beiden Verstellhebel
17 und 18. An den Verstellhebeln 17 und 18 greifen die Lenker i9 an, die durch die
Bolzen 20 verbunden sind, die in den Aussparungen 21 des M itnehiners 22 gleiten.
Dieser Mitnehmer 22 ist durch den Stift 23 mit der Antriebswelle 3 fest verbunden.
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I3ei dieser Anordnung können die Verstellhebel 17 und 18 nur gleich
große, aber entgegengesetzt gerichtete Verdrehungen gegenüber dem Mitnehmer 22 bzw.
der Antriebswelle 3 ausführen, wobei die Bolzen 20 in den Aussparungen 21 gleiten.
Werden nun die beiden Verstellhebel 17 und 18 mit je einem der Magnetteile i und
2 verbunden, so sind innerhalb des möglichen Verstellbereichs die gleichen kinematischen
Verhältnisse gegeben wie bei der in der Abb. ä dargestellten Verbindung der beiden
Magnetteile durch das Differentialgetriebe 5, 6 und 7. Die Übertragung der auf beide
Magnetteile gleichsinnig wirkenden Antriebs- und Beschleunigungsdrehmomente erfolgt
hierbei in direkt kraftschlüssiger Weise über den M.itnehmer 22 und den Bolzen 20,
so daß der Regler von der Übertragung dieser verhältnismäßig großen Kräfte vollkommen
entlastet ist und keine zusätzliche. Verdrehung der beiden Magnetteile i und 2 erfolgt.
Da bei der in derAbb. 5 dargestellten Winkelführung die Lenker i9 und die Bolzen
2o gleichzeitig als Schwungmassen wirken, erübrigt sich bei entsprechender Ausführung
der Teile i9 und 2o die gesonderte Ausführung der in den Abb. 2 und 3 dargestellten
Schwungmassenanordnung.
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Da es ferner bei der Anordnung der Gegenfedern 13 nur darauf ankommt,
daß diese der gegenseitigen Verdrehung der beiden Magnetteile i und 2 entgegenwirken,
können sie auch, direkt oder indirekt wirkend, zwischen den Magnetteilen i und 2
angebracht sein. In der Abb. 5 ist dieser Fall durch die zwischen den Verstellhebeln
17 und 18 angebrachten Zugfedern 24 dargestellt.
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Die in der Abb.5 dargestellte Zwangsführung wirkt somit gleichzeitig
als Differentialgetriebe und als Fliehkraftregler. Um einen einfachen Anschluß der
Verstellhebel 17 und 18 an die Magnetteile i und 2 zu ermöglichen, ist diese Zwangsführung
zweckmäßig zwischen den beiden Magneten i und 2 angeordnet.
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Es gibt zahlreiche konstruktive Möglichkeiten für die Ausführung der
erfindungsgemäßen Dynamoanordnung sowohl in der Ausführung und Anordnung der Magnete
als auch in der Ausführung des Reglers und der als differential wirkenden Zwangsführung.
Maßgebend für den Erfindungsgedanken ist, daß zwei gegeneinander verdrehbare, lose
auf der Antriebswelle sitzende Magnetsysteme untereinander und mit der Antriebswelle
durch ein Differentialgetriebe bzw. eine innerhalb des Verstellbereichs klimatisch
gleichwirkende Anordnung in einer Weise verbunden sind, die zwar eine gegenseitige
Verdrehung beider Magnetteile gestattet, bei gleichsinniger Drehung jedoch eine
kraftschlüssige Verbindung beider Magnete mit der Antriebswelle darstellt. Die Übertragung
von Drehmomenten ist also möglich, ohne daß hierdurch eine Verformung der Federn
bzw. der sonstigen einer Auslenkung der Reglerschwungmassen entgegenwirkenden elastischen
Mittel und somit eine Auslenkung des Reglers eintritt. Hierdurch wird eine Änderung
der Reglerstellung und damit der Lichtstärke durch Änderungen im Antriebsdrehmoment
oder durch Beschleunigungsvorgänge verhindert. Der Regler selber kann, da er nur
noch geringe Reibungskräfte usw. zu überwinden hat, weit kleiner und leichter gehalten
werden und ist innerhalb der üblichen Gehäuseabmessungen ausführbar, was bei der
bisher bekannten Anordnung praktisch unmöglich war. Ferner gestattet die erfindungsgemäße
Anordnung,
den Dynamo so auszulegen, daß die volle Lichtleistung
schon bei weit geringeren Geschwindigkeiten erreicht wird, als dies wegen der bei
kleinen Geschwindigkeiten zur Erzielung der vollen Leistung erforderlichen großen
Drehmomente bei der bisher bekannten Anordnung ohne praktisch untragbare Vergrößerung
der Abmessungen des Reglers und damit der Gehäuseabmessungen möglich wäre.