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In eine Radnabe eingebauter Kleinststromerzeuger, insbesondere für
Fahr- und Krafträder Die Erfindung bezieht sich auf einen in eine Radnabe eingebauten
Kleinststromerzeuger mit Vielpolanordnung für Rotor und Stator, insbesondere für
Fahr- und Krafträder.
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Da die zur Zeit meist angewendete Bauart der durch Reibrad vom Reifen
angetriebenen Fahrraddynamomaschine bei Regenwetter durch die verringerte Reibung
oder bei lehmigen oder tonigen Straßen infolge des am Reifen haftenden Erdreichs
versagt, wurde wiederholt der Versuch gemacht, den Stromerzeuger in die Nabe einzubauen.
Hierbei wurde meist der Anker des Stromerzeugers über ein Zahnradgetriebe in die
erforderliche schnelle Umdrehung versetzt. Der Wirkungsgrad und die Lebensdauer
dieser Maschine sind infolge des notwendigen Schnellaufs naturgemäß begrenzt. Deshalb
hat man Stromerzeuger mit Vielpolanordnung gebaut. Diese Maschinen konnten mit geringer
Umdrehungszahl des Rotors laufen. Man hat diese Fahrraddynamomaschinen bisher in
Wechselpolbauart gebaut. Bei Wechselpolmaschinen besitzen bekanntlich. die benachbarten
Zähne des Rotors verschiedene Polarität. Die zur Spannungserzeugung notwendige magnetische
Flußänderung wird durch Umkehr der magnetischen Flußrichtung bei Drehung um eine
Zahnteilung hervorgerufen. Diese Wechselpolmaschinen fallen so groß aus, daß sie
in einer besonderen Seitentrommel untergebracht werden müssen, wo sie durch äußere
Krafteinwirkung leicht verbogen werden können, so daß Rotor und Stator sich berühren
und die Maschine infolgedessen zerstört wird.
Man kennt auch bereits
langsam laufende Vielpolmaschinen, die als Gleichpolmaschinen mit elektromagnetischer
Erregung gebaut sind. Diese Stromerzeuger sind jedoch bisher nicht als Fahrraddynamomaschinen
verwendet worden, und zwar deshalb nicht, weil die äußeren Abmessungen dieser Maschinen
zu groß waren. Die bekannten Gleichpolmaschinen besitzen zwei oder mehrere sich
aneinander vorbeibewegende Zahnkranzpaare, deren Zahnbreite gleich der halben Teilung
ist. Durch die Gegeneinanderbewegung der Zahnkranzpaare entsteht ein pulsierendes
magnetisches Feld und dadurch in der zentrisch zur Achse angeordneten Spule eine
Wechselspannung.
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Bei allen Fahrradstromerzeugern ist es von Wichtigkeit, daß sie bei
unmittelbarem Antrieb, d. h. also ohne Zwischenschaltung eines Getriebes, den notwendigen
Nutzeffekt aufbringen, der für die Lichtleistung des Fahrrades auch bei geringer
Geschwindigkeit desselben erforderlich ist. Die Spannung muß "so geregelt werden,
daß in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich die Spannung annähernd konstant
bleibt. Zur Spannungsregelung von Fahrradstromerzeugern sind Einrichtungen bekannt,
die durch Ausnutzung der Fliehkraft beim Überschreiten einer bestimmten Drehzahl
einen Teil der Wicklung kurzschließen, die aber durch Verschmutzen der Kontakte
störanfällig sind und außerdem infolge der Kurzschlußströme den Wirkungsgrad herabsetzen.
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Man hat auch bereits den induktiven Spannungsabfall der Wicklung zur
Herabsetzung der Klemmenspannung benutzt. Da aber der magnetische Widerstand der
bisher verwendeten Dauermagnetbauformen der Erhöhung der Induktivität im Wege stand,
hat man bereits einen magnetischen Nebenschluß eingeschaltet. Weil aber auch der
magnetische Nutzfluß zum Teil über den Nebenschluß hinweggeht, sind auch dieser
Lösung Grenzen gesetzt, so daß diese Stromerzeuger einen verhältnismäßig starken
Anstieg der Spannung über den ganzen Arbeitsbereich zeigten. Hinzu kommt, daß ein
Stromerzeuger bei gedrosselter Spannung erheblich größer sein muß als eine ungedrosselte
Maschine gleicher Leistungsabgabe. Die bekannten Bauformen würden demzufolge bei
vollständiger Ausregelung zu große und schwere Maschinen ergeben.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile dadurch, daß der als Gleichpolmaschine
ausgebildete Kleinststromerzeuger einen magnetischen Kreis besitzt, bei dem die
magnetischen Kraftlinien einmal durch einen Luftspalt von unveränderlicher Größe
und das andere Mal durch einen Luftspalt von veränderlicher Größe hindurchtreten,
der sowohl am Stator wie auch am Rotor durch Zähne gebildet wird, deren Breite kleiner
ist als die halbe Teilung der auf Stator und Rotor gleichmäßig und mit gleicher
Zahl verteilten Zähne. Ein solcher Kleinststromerzeuger arbeitet mit gutem Nutzeffekt
auch bei verhältnismäßig langsamer Drehzahl. Die zur Spannungserzeugung notwendige
Flußänderung wird durch Schwankungen der Stärke eines in seiner Richtung gleichbleibenden
magnetischen Feldes erzeugt. Die größte Änderung des magnetischen Flusses ergibt
sich bei einem gegebenen Dauermagnetvolumen bei dieser Anordnung dann, wenn die
Breite- der Zähne wesentlich kleiner ist als ihre halbe Teilung. Die Induktivität,
die zur Spannungsregelung notwendig ist, läßt sich sehr leicht unterbringen, so
daß die volle Ausregelung der Spannung möglich ist, die dann über einen verhältnismäßig
großen Geschwindigkeitsbereich konstant ist.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet
durch einen derartigen Aufbau von Stator und Rotor, daß die magnetischen Kraftlinien
durch den nicht veränderlichen und durch den veränderlichen-Luftspalt entweder in
radialer Richtung oder in der Achsrichtung hindurchtreten: Hierzu kann vorteilhaft
das eine Ende des Rotors bzw. Stators zylindrisch und das andere Ende mit Zähnen
versehen und die Ankerspule zwischen dem gezahnten und dem zylindrischen Ende 'des
Stators angeordnet sein.
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Es ist ferner zweckmäßig, daß die Ankerspule statt mit einem einzigen
mit zwei magnetischen Kreisen verkettet ist und daß die Stator- und Rotorzähne an
den beiden hiernach vorhandenen Luftspalten von veränderlicher Größe gegeneinander
um eine halbe Polteilung versetzt sind. Die Zähne des Stators und des Rotors können
je von einem einzelnen Blech gebildet werden, das auf einem Teil seiner Höhe durch
seitlich anliegende Bleche verstärkt ist. Auf diese Weise läßt sich die erforderliche
Zähnezahl bei größtmöglicher Kleinheia des Stromerzeugers unterbringen. Vorteilhaft
ist es, wenn das erregende Magnetfeld von einem Dauermagneten erzeugt, wird. Es
kann aber auch von einer mit Gleichstrom gespeisten Magnetwicklung geliefert werden.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt,
und zwar zeigt Abb. 1 einen Längsschnitt durch eine Fahrraddynamomaschine, die in
der Fahrradnabe zentrisch zur Achse eingebaut ist, Abb. 2 einen Schnitt in Richtung
II-II der Abb. 1, Abb. 3 einen Schnitt in Richtung III-III der Abb. i, Abb: q. einen
Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform, Abb. 5 einen Längsschnitt durch
eine weitere Ausführungsform, Abb. 6 einen Querschnitt zur Abb. 5, Abb. 7, 8, 9
andere Ausführungsformen, Abb. io und ii den Zusammenbau eines Stromerzeugers aus
abgestuften Blechen, Abb. i2 und 13 Spannungskurven in Abhängigkeit von der Windungszahl
und Frequenz.
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In der Abb. i ist auf der Fahrradachse i ein Stator 2 befestigt, während
der Rotor 3 als äußerer Mantel der Fahrradnabe ausgebildet ist und durch Kugel-
oder Rollenlager q. drehbar gelagert ,ist. Die Speichen des Rades sind mit 5' bezeichnet.
Die eine Seite des Rotors bzw. Stators ist mit Zähnen 6
und 7 versehen,
während die andere Seite zylindrisch ausgebildet ist, so daß an dieser Stelle ein
über den ganzen Zylinderumfang konstanter Luftspalt vorhanden ist. Zwischen den
beiden Stirnseiten des Stators befindet sich eine Induktionsspule 8, von welcher
die Klemmenspannung abgenommen wird. Die Breite der Zähne 6 und 7 ist wesentlich
kleiner als die halbe Teilung t.
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Bei Verwendung magnetischer Werkstoffe geringer Koerzitivkraft können
der Kern (Stator) 2 oder der Mantel (Rotor) 3 oder beide als axial magnetisierte
Dauermagneten ausgebildet werden. Ist der Kern 2 als Dauermagnet ausgebildet, so
besteht der mit 9 bezeichnete Ring, der in dem Kern 2 auf der einen Seite eingesetzt
ist, aus Weicheisen, oder er besteht mit dem Kern 2 aus einem Stück. Der Kern 2
und der Ring 9 können auch beide aus Weicheisen bestehen, wenn der Mantel 3 als
Dauermagnet ausgebildet ist. Ebenso können auch der Kern 2 sowie der Ring 9 als
Dauermagnet ausgebildet sein, während der Mantel 3 aus Weicheisen besteht. Es ist
sodann auch möglich, daß lediglich der Ring 9 aus einem Magnetwerkstoff großer Koerzitivkraft
besteht und radial magnetisiert ist, während die Teile 2 und 3 aus Weicheisen bestehen.
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Bei der in Abb. 4 dargestellten Ausführungsform ist der Stator ebenfalls
mit 2 und der Rotor mit 3 bezeichnet. In diesem Falle dient ein Dauermagnet 10,
der radial magnetisiert ist, zur Induzierung zweier Spulen 11 und 12. Die Zähne
des Stators sind mit 13 und 14 bezeichnet. Zwischen ihnen liegen die Spulen 11 und
12, und zwischen den Spulen liegt wiederum der Dauermagnet 10. Die Zähne des Rotors
3 sind mit 15 und 16 bezeichnet. Sie sind gegeneinander um eine halbe Teilung
versetzt, wie es auch in der Abb. 6 angedeutet ist, so daß die erzeugten Spannungen
bei gleichem Wicklungssinn der Spulen um 180° phasenverschoben, bei ungleichem Wicklungssinn
dagegen gleichphasig sind. Zwischen den Zähnen 15 und 16 befindet sich ein zylindrischer
Polansatz, der dem Ringmagneten gegenübersteht. In der einzelnen Spule wird bei
der Anordnung nach Abb.4 bei sonst gleichen Verhältnissen wie in Abb. 1 eine höhere
Spannung induziert, da sich der magnetische Fluß nach Abb.4 direkt im Verhältnis
der magnetischen Leitwerte der Luftspalte der Zahnkränze ändert (bei Vernachlässigung
des Widerstandes in Weicheisen), während die Flußänderung bei der Anordnung nach
Abb. 1 im Verhältnis der Änderung des magnetischen Gesamtleitwertes, also unter
Einschluß des Dauermagneten erfolgt.
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Diese vergrößerte Flußänderung kann auch bei nur einer Spule bei der
Anordnung nach Abb. 5 erreicht werden. Der Stator 2 hat hier zwei um eine halbe
Teilung versetzte Zahnkränze 17 und 18 sowie eine zwischen diesen angeordnete
Spule 19. Außerdem besitzt der Stator einen radial magnetisierten Ringmagneten 2o,
der auf dem einen Ende des Stators aufgesetzt ist. Der Rotor 3 besitzt über die
beiden Zahnkränze 17 und 18 hindurchgehende Zähne 2i1und ist an seinem dem Ringmagneten
2o gegenüberstehenden Ende 22 zylindrisch ausgebildet. Der Dauermagnet kann hier
auch ohne weiteres von einer in der Ringnut 23 untergebrachten nicht gezeichneten
Magnetwicklung ersetzt werden, wobei dann der Teil 2o aus Weicheisen bestehen muß.
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In der Abb. 7 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der
ein Magnetring 24 mit einem gezahnten Weicheisenring 25 versehen ist. Der Ring 24
ist auf einem Flansch 26 befestigt. Der Magnet ist in diesem Falle als Rotor zu
betrachten, der sich gegenüber einem aus Weicheisen bestehenden Teil 27 dreht. Der
Magnet greift in die Ringnut 28 des Teiles 27 ein, in welcher auch die Spule 29
angeordnet ist: Der Stator 27 ist mit Zähnen 30 versehen, die den Zähnen 25 des
Magneten 24 gegenüberstehen. Die innere Seite der Ringnut 28 sowie des Ringmagneten
24 ist zylindrisch ausgebildet, so daß an dieser Stelle ein über den ganzen Zylinderumfang
konstanter Luftspalt entsteht, der mit 31 bezeichnet ist. Diese Bauart hat den Vorteil,
daß sich am Außenumfang des Ringmagneten bzw. des Stators 27 mehr Zähne unterbringen
lassen als innen.
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In der in Abb. 8 dargestellten Ausführungsform ist der flache zylindrische
Magnet 32 axial magnetisiert. Er liegt zentrisch zur Drehachse und wird von der
Wicklung 33 umgeben. Der Stator 34 besitzt Zähne 35, die den Zähnen 36 des Rotors
37 gegenüberstehen. Diese Zähne sind radial gerichtet. Der gleichbleibende Luftspalt
entsteht zwischen Rotormitte und dem Dauermagneten 32. Es besteht auch die Möglichkeit,
den Teil 37 als Dauermagneten auszubilden und die Teile 32 und 34 aus einem
Weicheisenstück anzufertigen. In diesem Falle würden die Zähne 36 des Rotors 37
aus Weicheisen bestehen, die nachträglich in dem Dauermagneten eingesetzt sind,
so wie es bereits in der Abb. 7 beispielsweise dargestellt ist.
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In der Abb. 9 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der
der Stator 38 mit einseitigen Zähnen 39 versehen ist. Der Rotor 4o besitzt Zähne
44 die den Zähnen 39 gegenüberstehen, und ist aus zwei Teilen zusammengesetzt, zwischen
denen sich der Magnetkörper 42 befindet, der als Ringmagnet ausgebildet und axial
magnetisiert ist. Der gleichbleibende Luftspalt entsteht zwischen den zylindrischen
Teilen des Rotors 38 und des Stators 40. Er ist mit 43 bezeichnet.
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Die zur Regelung erforderliche Induktivität der Wicklung ist bei den
Anordnungen mit Magneten großen Querschnitts und kleiner Länge leicht zu erreichen.
Sie ist besonders groß bei den Anordnungen nach Abb. 4 und 5, da hier der von der
Spule erzeugte magnetische Wechselfluß am Dauermagneten vorbeigeführt wird und so
der magnetische Kreis hierfür einen besonders kleinen Widerstand besitzt. Die Ermittlung
der erforderlichen Windungszahl wird so vorgenommen, daß bei verschiedenen, den
ganzen Arbeitsbereich umfassenden Frequenzen die in Abb. 12, dargestellte Kurvenschar
bei der vorgeschriebenen Belastung aufgenommen wird. Die Kurven zeigen anfangs einen
der
Windungszahl und Frequenz annähernd proportionalen Verlauf, krümmen sich dann und
fallen nach dem Überschreiten eines Maximums, dessen Scheitel um so höher liegt,
je höher die Frequenz ist, wieder ab; und zwar um so steiler, je höher die Frequenz
ist. Die notwendige Windungszahl findet man jetzt durch Aufsuchen des der geforderten
Regelgenauigkeit entsprechenden Abstandes einer dem Arbeitsbereich entsprechenden
Zahl von Kurven. Für diesen Punkt ergibt sich für die Klemmenspannung als Funktion
der Frequenz die Kurve nach Abb. 13.
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In den besprochenen Ausführungsformen ist die zur Regelung erforderliche
Induktivität durch die Wicklung und den magnetischen Kreis des Stromerzeugers gegeben.
Man kann die Abmessungen der Maschinen dadurch wesentlich verkleinern, daß man sie
zunächst nur im Hinblick auf die erforderliche Stromerzeugung konstruiert und die
dafür notwendige Induktivität in einer besonderen Drosselspule erzeugt. Es kann
zwischen dem Stromerzeuger und dem Verbraucher eine zusätzliche Drosselspule geschaltet
werden, die entweder im Gehäuse des Stromerzeugers oder im Gehäuse des Verbrauchers
oder auch in einem besonderen Gehäuse untergebracht werden kann. Durch diese Drosselspule
kann die Induktivität des Stromkreises unabhängig von derjenigen des Stromerzeugers
auf einen beliebig hohen Wert gebracht werden. Die Unterschiede der Klemmenspannungen
der Stromerzeuger, die sich durch Bearbeitungsungenauigkeiten und Verschiedenheit
der Werkstoffe ergeben, können durch diese Zusatzdrossel dadurch ausgeglichen werden,
daß man entweder aus einer genügend großen Zahl mit dem Streuungsbereich entsprechenden
Indüktivitätswerten eine passende Spule auswählt oder -die Spule mit Anzapfungen
versieht und so die erforderliche Induktivität einstellt.
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Der Stromerzeuger eignet sich außer für die Fahrzeugbeleuchtung zum
Betrieb von Rundfunkgeräten, zur Batterieladung unter Zwischenschaltung von Gleichrichtern
oder zur Versorgung anderer gleichbleibender Verbraucher bei Antrieb durch Wind-
oder Wasserräder. Soll bei gegebener Frequenz und Belastung eine möglichst hohe
Leistung abgegeben werden, so wird die Windungszahl verwendet, bei der die der Frequenz
entsprechende Kurve in Abb. 12 ihr Maximum erreicht. Es lassen sich also durch Verwendung
eines Stromerzeugers der erfindungsgemäßen Bauart kleine und leichte Kurbelinduktoren
ohne Zahnräder herstellen. Gibt man dem Stromerzeuger eine Wicklung, die einem Arbeitspunkt
auf dem aufsteigenden Teil der Kurve in Abb. 12 entspricht, so erhält man eine Maschine,
die bei gleichbleibender Drehzahl infolge des geringen Widerstandes und der geringen
Induktivität ihrer Wicklung bei schwankender Belastung nur geringe Spannungsänderung
zeigt.
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In den massiven Eisenkernen entstehen beim Betrieb des Stromerzeugers
Wirbelströme, die bei den niedrigen Frequenzen, z. B. der Fernsprechinduktoren,
unschädlich sind, bei hohen Frequenzen dagegen den Wirkungsgrad so stark herabsetzen,
daß sie durch die bekannten Mittel der Unterteilung des Eisenkernes herabgesetzt
werden müssen. Zweckmäßig werden passend geschnittene Stücke aus Dynamoblech in
eine mit entsprechenden Haltevorrichtungen versehene Formgelegt und die Zwischenräume,
z. B. im Spritzguß- oder Spritzpreßverfahren, mit Isolierstoff ausgefüllt. Zur Verringerung
des magnetischen Widerstandes wird nach der Erfindung der sektorförmige Raum zwischen
den die Zähne bildenden Blechen durch in ihrer Breite abgestufte Bleche 44 ausgefüllt,
die mit möglichst geringem Abstand am Hauptblech 45 anliegen, also zweckmäßig an
diesem beispielsweise durch Punktschweißen befestigt sind. Die die Blechpakete tragenden
Bauteile werden zweckmäßig mit in die Form eingelegt und so durch die Preßmasse
mit den Blechen verbunden. Die Blechpakete können, falls dies notwendig ist, spanabhebend
bearbeitet werden.
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In den Abb. 10 und 11 ist im Längsschnitt und Querschnitt die Anordnung
der Bleche dargestellt, wie sie für einen Stromerzeuger nach Abb. 1 zweckmäßig ist.
Hierbei kann die Raumausnutzung durch Verwendung einer größeren Zahl dünner und
entsprechend abgestufter Bleche beliebig gesteigert werden.