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DE29921874U1 - Elektromagnetische Maschine für ein Fahrzeug, insbesondere ein Fahrrad

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Description

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Elektromagnetische Maschine für ein Fahrzeug, insbesondere ein

Fahrrad

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Maschine für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad, nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.

Bei Kraftfahrzeugen werden bekannterweise zur Energieerzeugung Lichtmaschinen eingesetzt, die über einen Keilriemen angetrieben werden. Über Kollektoren bekommen diese Lichtmaschinen einen Regelstrom zum Aufbau des Erregerfeldes zugeführt, damit bei niedrigen bzw. hohen Drehzahlen die Spannung konstant bleibt. Dieser Aufbau unterliegt jedoch einem hohen Verschleiß und hat durch Reibung hervorgerufene Verluste.

Bei Fahrrädern sind sogenannte Dynamos weit verbreitet, die am Fahrradreifen, z.B. mit einem Rollenkopf anliegen, der die Drehbewegung des Rades auf einen Generator des Dynamos überträgt. Die Benutzung eines derartigen Dynamos verlangt vom Radfahrer einen erheblichen Mehraufwand an Kraft, da das mit einer starken Feder gegen das Laufrad gepreßte Kopfrad des Dynamos mitgedreht werden muß. Die Benutzung des Dynamos führt außerdem zu einem Verschleiß des Reifens. Bei schlechten Wetterverhältnissen, wie zum Beispiel Regen oder Schnee, bei denen ein funktionierender Dynamo besonders wichtig ist, kann es auch vorkommen, daß das Kopfrad des Dynamos den mechanischen Kontakt zum Reifen verliert. Dies bedeutet, daß das Kopfrad nur noch am Reifen entlangrutscht, anstatt sich zu drehen. Dies führt dazu, daß die Beleuchtung des Fahrrades ausfällt.

• *

Ferner sind auf dem Markt noch Naben- und Walzendynamos verfügbar.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß hierbei keine Regelung der Ausgangsspannung erfolgt, die daher aufgrund langsamer beziehungsweise schneller Drehbewegungen des Kopfrades stark schwankt. Dies kann dazu führen, daß die Stromversorgung der Lichtanlage so groß wird, daß einzelne Leuchtmittel durchbrennen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetische Maschine für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad, zu schaffen, bei der die Übertragung der Drehbewegung zwischen einem sich drehenden Teil, insbesondere einem Fahrzeugrad, und einem feststehendem Teil der Maschine verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch eine elektromechanische Maschine mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst.

Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die übertragung der Drehbewegung zwischen einem sich drehenden Teil eines Fahrzeuges, insbesondere einem Fahrzeugrad, und einem feststehenden Teil der Maschine verbessert ist. Dabei kann die Maschine sowohl als Generator wie auch als Motor wirken. Vorteilhafterweise wird im Generatorbetrieb die Regelung der Ausgangsspannung verbessert und wird bei einem Motorbetrieb das Drehmoment verbessert. Ein besonderer Vorteil besteht auch darin, daß ein Regelfeld zur Erzeugung einer konstanten Spannung verschleißfrei erzeugbar ist.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

eine Spuleneinheit der erfindungsgemäßen elektromechanischen Maschine;

Figur 2

die einem Zahnkranz zugeordnete Spuleneinheit der Figur 1 im offenen Zustand;

Figur 3

die dem Zahnkranz zugeordnete Spuleneinheit der Figur 1 im geschlossenen Zustand;

Figur 4

eine Darstellung zur Erläuterung des sich bei der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine ergebenden magnetischen Hauptflusses und der Anordnung der Regelfeldspulen;

Figur 5 bzw. 6

Darstellungen zur Erläuterung der Abschwächung bzw. Verstärkung des Hauptflusses;

Figuren 7 bis 9

Blockschaltbilder zur Erläuterung der Regelkreisschaltung der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine;

Figur 10

die Aufsicht auf erfindungsgemäßen Maschine;

einen Zahnkranz der elektromagnetischen

Figur 11

eine Seitenansicht des Zahnkranzes der Figur 10;

Figur 12

eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Maschine mit mehreren

Abnehmern;

Figur 13 einen Zahnkranz, der so aufgebaut ist, daß

die magnetischen Flüsse segmentiert werden und

Figuren 14 bis 17 Weiterbildungen der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine berührungslos arbeitende elektromagnetische Maschine, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion arbeitet. Die Maschine besitzt mindestens eine Spuleneinheit die am Rahmen oder dergleichen eines Fahrzeuges, insbesondere eines Fahrrades, befestigt ist, und wenigstens einen magnetisch gut leitenden Rückschlußkranz, der Unterteilungen aufweist und an einem sich drehenden Teil des Fahrzeuges, insbesondere an einem Rad eines Fahrrades, befestigt ist.

Erläuterung des Generatorbetriebes.·

Die erfindungsgemäße elektromagnetische Maschine besteht aus einer Spuleneinheit 1, die in der Figur 1 dargestellt ist, und aus einem Zahnkranz 3, der beispielsweise in der Figur 2 gezeigt ist. Die Spuleneinheit 1 enthält einen Permanentmagneten 5, und Induktionsspulen 7, 9 mit Kern, wobei der Dauermagnet 5 unter einem Winkel von 90° zu den Induktionsspulen 7, 9 angeordnet ist. Durch diese Winkelstellung wird erreicht, daß das magnetische Streufeld der Induktionsspulen 7, 9 senkrecht durchsetzt wird, so daß der entstehende Fluß &phgr; sehr klein ist. Es besteht kein Überdeckungszustand.

Die Figur 2 zeigt die an einem Rückschlußkranz 3 angeordnete Spuleneinheit 1 im offenen Zustand, wobei der magnetische Fluß

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&phgr; sehr klein ist und durch Luftspalte im magnetischen Kreislauf bestimmt wird. Im offenen Zustand ist der Luftspalt, der den magnetischen Fluß bestimmt, zu dem magnetisch gut leitenden Rückschlußkranz verhältnismäßig groß. Er setzt dem Erregerfeld einen Widerstand entgegen, wodurch der magnetische Fluß &phgr; klein gehalten wird. Die in der Umfangsrichtung des Rückschlußkranzes 3 angeordneten, voneinander gleichmäßig beabstandeten Zähne sind mit 11 bezeichnet.

In dem in Figur 3 gezeigten geschlossenen Zustand ist der Rückschlußkranz 3 mit einem Zahnpaar 11, 11 zu den Spulen 7, 9 der Spuleneinheit 1 ausgerichtet (Überdeckung) weshalb der magnetische Kreis geschlossen ist. Der magnetische Fluß &phgr; wird jetzt nur noch durch die zwei kleinen Luftspalte zwischen den Zähnen 11, 11, die das genannte Zahnpaar bilden, und den Spulen 7, 9 der im Generatorbetrieb als Abnahmeeinheit dienenden Spuleneinheit 1 bestimmt.

Durch die fortlaufenden Zustandsänderungen wird ebenfalls eine magnetische Flußänderung erreicht. Aufgrund dieser Flußänderung, die auch die Spulen 7, 9 durchsetzt, wird in den Spulen 7, 9 eine Induktion bewirkt, die der magnetischen Kraft entgegenwirkt. Es kann daher an den Spulen 7, 9 eine elektrische Energie abgegriffen werden. Auf Grund großer Drehzahlen oder großer Flußdichten (Induktionsdichte gemessen in Tesla der Dauermagnete) kann die Energieerzeugung stark schwanken. Beide Faktoren sind proportional zur erzeugten Leistung.

Da bei großen Drehzahlen große Spannungen erzeugt werden und umgekehrt kann ein Nachteil für einen an die Spuleneinheit 1 angeschlossenen Verbraucher entstehen. Es wird daher dem magnetischen Kreis ein zusätzliches Erregerfeld zugeschaltet. Dieses Erregerfeld wird gemäß Figur 4 durch Regelfeldspulen

13, 15 erzeugt, die auf dem Permanentmagneten 5 angeordnet sind. Das Erregerfeld kann bei entsprechender Ansteuerung der zueinander in Reihe geschalteten Regelfeldspulen 13, 15 dem Erregerfeld des Permanentmagneten 5 entgegenwirken bzw. dieses abschwächen oder bei Zusammenwirken der genannten Erregerfelder verstärken. Das Erregerfeld der Regelfeldspulen 13, 15 wird mit der Hilfe einer später im Zusammenhang mit den Figuren 7 bis 9 näher erläuterten Regelkreisschaltung erzeugt.

Gemäß Figur 5 wird eine Schwächung des Erregerfeldes des Dauermagneten erreicht, weil der Stromfluß in den zueinander in Reihe geschalteten Regelfeldspulen 13 und 15 durch die Regelkreisschaltung so geregelt wird, daß das in ihnen entstehende Feld entgegengesetzt zu dem Feld des Dauermagneten wirkt. Das Feld des Dauermagneten ist in der Figur 5 mit (j>Magn. bezeichnet. Das von den Regelfeldspulen 13 und 15 erzeugte Regelspulenfeld ist mit &phgr;_&Xgr;&rgr;. bezeichnet. Beide Felder <j>_Magn. und <j>sp ergeben zusammen einen resultierenden Hauptfluß (J>_res. , der für die erzeugte Spannung in den Induktionsspulen 7, 9 verantwortlich ist. Die induzierte Spannung ist aufgrund der beschriebenen Verhältnisse relativ klein.

Im Gegensatz dazu wird gemäß Figur 6 der Stromfluß durch die Regelfeldspulen 13 und 15 durch die Regelkreisschaltung so gesteuert, daß das entstehende Erregerfeld &phgr;_3&rgr;. der Regelfeldspulen 13 und 15 dem Dauermagnetfeld <t>Magn. gleichgerichtet ist. Der sich ergebende Hauptfluß (j)_res. ist demnach größer wie derjenige der Figur 5. Die in den Spulen 7, 9 induzierte Spannung ist relativ groß.

Die zur Ansteuerung der Regelfeldspulen 13 und 15 dienende Regelkreisschaltung 20 wird im folgenden im Zusammenhang mit den Figuren 7 bis 9 erläutert. Im wesentlichen besteht die Regelkreisschaltung 20 aus einem Vergleicher 21, und einem

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diesen nachgeschalteten Stellglied 23. Dem Vergleicher 21 wird von einer Schaltung 25 eine Führungsgröße w zugeführt. Am Eingang des Vergleichers 21 liegt die Spannung X einer Induktionsspule 7, 9 an. Am Ausgang des Stellgliedes 23 wird der Strom für die Regelfeldspulen 13, 15 abgegriffen.

Der Regelstrom I des Stellgliedes kann über die Führungsgröße w der Schaltung 25 eingestellt werden. Beispielsweise weist die Schaltung 25 die Form eines Regelwiderstandes auf. Da die Stellgröße y sowohl einen positiven als auch einen negativen Wert besitzen kann, sollte das Stellglied 23 eine Gegentaktstufe sein, die in der Lage ist, den Strom in beiden Richtungen fließen zu lassen. Auf Grund der Flußrichtung des Stromes in den Regelfeldspulen 13 und 15 werden das Magnetfeld bestimmt und die Richtung in der es wirken soll.

Steigt die Spannung X an der Induktionsspule 7 bzw. 9 infolge einer hohen Drehzahl des Rückschlußkranzes 3 an, so nimmt der Wert y am Ausgang des Vergleichers 21 auf Grund des Vergleiches: y = &khgr; - w, einen positiven Zustand (Fig. 8) an. Dieser Zustand bzw. dieser Wert wird aus der Differenz der Größe X (erzeugte Spannung) und der Größe w (Sollspannung) bestimmt, y dient jetzt als Regelgröße mit der das Stellglied 23 gesteuert wird. Im beschriebenen Fall wird die Stromflußrichtung des Stellgliedes 23 so sein, daß die angeschlossenen Regelfeldspulen 13, 15 ein Gegenfeld erzeugen und zwar so stark, wie dies durch den Wert y bestimmt wird. Der magnetisch resultierende Fluß &phgr;_{&Ggr;&THgr;&Xgr;}. wird geschwächt. Die induzierte Spannung an den Induktionsspulen 7, 9 sinkt.

Fällt im Gegensatz dazu die Spannung an den Induktionsspulen 7, 9 unter die Größe w ab, nimmt der Wert von y einen negativen Zustand (Fig. 9) an. Das Stellglied 23 wird jetzt negativ angesteuert, was zur Folge hat, daß der Stromfluß durch die Regelfeldspulen 13 und 15 im Hinblick auf seine

Richtung geändert wird. Das dabei aufgebaute Regelfeld wirkt mit dem Feld des Dauermagneten 5 zusammen, weshalb sich der magnetisch resultierende Fluß &phgr;_&Ggr;&bgr;3. vergrößert und die an den Induktionsspulen 7 und 9 induzierte Spannung ansteigt.

Die Figuren 10 und 11 zeigen den Aufbau eines Rückschlußkranzes 3. Im Wesentlichen weist dieser die Form eines Ringes auf, von dem aus einzelne Zähne 11, die entlang des Umfangs des Ringes gleichmäßig voneinander beabstandet sind, zu einer Seite vorstehen. Um eine Frequenzsteigerung ohne Erhöhung der Drehfrequenz des Rückschlußkranzes 3 erreichen zu können, kann die Unterteilung in den einzelnen Segmenten kleiner gemacht werden. Dies bedeutet, daß die Breite der Zähne 11 und der Zwischenräume zwischen zwei Zähnen 11 kleiner wird.

Wenn mehr Leistung benötigt wird, können gemäß der Figur 12 mehrere Spuleneinheiten 1 (Abnahmeeinheiten) zusammengeschaltet werden. Dabei sollte darauf geachtet werden, daß die einzelnen Permanentmagneten 5 mit ihren Polen gleich gesetzt sind, das heißt also das die Südpole zweier benachbarter Magneten und die Nordpole zweier benachbarter Magneten jeweils aneinander liegen, da sonst das entstehende Magnetfeld nicht durch die Induktionsspulen 7, 9 verlaufen würde, sondern nach außen geführt würde. In diesem Fall würden nur die beiden außen sitzenden Induktionsspulen 7, 9 zur Induktion beitragen.

Die Induktionsspulen 7, 9 der einzelnen Spuleneinheiten 1 können entweder in Serie oder parallel geschaltet werden. Das selbe gilt für die Regelfeldspulen 13, 15 der einzelnen Spuleneinheiten 1. Die außen sitzenden Induktionsspulen 7, 9 sind vom Kernquerschnitt her um den Faktor 2 kleiner wie ein Zahnquerschnitt, da hier nur der magnetische Fluß eines

Magneten fließt und nicht wie bei den anderen Induktionsspulen 7/9 zwei magnetische Flüsse.

Bei einer Reihenschaltung der Induktionsspulen 7, 9 wird das Magnetfeld der Permanentmagneten 5 sowie das Feld der Regelfeldspulen 13, 15 nach außen gedrückt, weshalb nur die beiden äußeren Induktionsspulen zur elektrischen Induktion beitragen.

Auch eine gemischte Parallel- bzw. Serienschaltung der Induktionsspulen ist denkbar. Dasselbe gilt für die Regelfeidspulen.

Gemäß Figur 13 kann eine Vergrößerung der induzierten Spannung erziehlt werden, wenn der Zahnkranz 3' so aufgebaut wird, daß auf einer unmagnetischen Grundplatte 31 in der Umfangsrichtung einzelne U-förmige Zahnsegmentpaare 33 nebeneinander angeordnet sind, derart, daß die Schenkel des U in der Umfangsrichtung aufeinanderfolgen und die die Schenkel verbindenden Querteile auf der . unmagnetischen Grundplatte 31 befestigt sind. Zwischen jeweils zwei einander zugewandten Zahnsegmentteilen zweier benachbarter Zahnsegmentpaare 33 besteht ein Luftspalt 35. Durch diese Bauart wird erreicht, daß der Flußverlauf schneller unterbrochen wird. Aufgrund dieser schnelleren Unterbrechung wird die Induktionsspannung erhöht. Der magnetische Fluß kann also nicht mehr in andere Pfade übergehen, sondern er wird durch die einzelne Luftspalte 35 in den Zahnsegmentteilen zurückgehalten. Dadurch ergibt sich eine größere Effektivität.

Die Figur 14 zeigt eine andere Ausgestaltung der Spuleneinheit 71, bei der zwei Permanentmagnete 51 und 52 senkrecht zu einem Jochteil 53 angeordnet sind. Die magnetischen Streufelder der Permantentmagnete 51, 52 durchsetzen die Spulen 7, 9 mit Kern jeweils waagrecht, da die Permanetnmagnete 51, 52 jeweils zur

\&igr;&bgr; :

Achse der Spulen 51 bzw. 52 koaxial angeordnet sind, wohingegen bei der Spuleneinheit 1 der Figur 1 der Permanentmagnet 5 senkrecht zu den Achsen der Spulen 7, 9 ausgerichtet ist.

In den Figuren 15 bis 17 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der der Rückschlußkranz 30 so ausgebildet ist, daß er einen Rückschluß nicht wie bei Figur 10 in der Umfangrichtung sondern in radialer Richtung bewirkt. Dies bedeutet, daß die einzelnen Rückschlußzähne 110 an einem Trägerteil 310 so angeordnet sind, daß sie in radialer Richtung verlaufen und eine Länge besitzen, die so groß ist, daß gemäß den Figuren 16 und 17 die Spuleneinheiten 1 bzw. 71 von den Rückschlußzähnen 110 bei Drehung des Rückschlußkranzes 30 voll abgedeckt werden können. Die einzelen Spuleneinheiten, die in beliebiger Zahl vorgesehen werden können, sind ebenfalls radial ausgerichtet. Der Rückschlußkranz 30 ist baulich und vom Material her gesehen relativ einfach und kostengünstig realisierbar.

Claims

1. Elektromagnetische Maschine für ein Fahrzeug, insbesondere ein Fahrrad, gekennzeichnet durch wenigstens eine an einem Fahrzeugrahmen des Fahrzeuges zu befestigende Spuleneinheit (1; 71) und einem an einem sich drehenden Teil des Fahrzeuges zu befestigenden Rückschlußteil (3; 30), das bei seiner Drehung den magnetischen Fluß in der Spuleneinheit (1; 71) wechseln läßt.

2. Elektromagnetische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spuleneinheit (1) einen stabförmigen Permanentmagneten (5) aufweist, an dessen Endbereichen jeweils eine Spule (7, 9) mit Kern derart angeordnet ist, daß die Achse der Spule (7, 9) senkrecht zur Längserstreckung des Permanentmagneten (5) verläuft.

3. Elektromagnetische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spuleneinheit (71) zwei Permanentmagneten (51, 52) aufweist, die voneinander beabstandet sind und deren eine Enden durch ein Rückschlußteil (53) überbrückt sind, und daß an den anderen Enden der Permanentmagneten (51, 52) jeweils eine Spule (7, 9) mit Kern derart angeordnet ist, daß die Achsen der Spulen (7, 9) und der Permanentmagneten (51, 52) koaxial zueinander ausgerichtet sind.

4. Elektromagnetische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlußteil (3) die Form eines Zahnkranzes besitzt, der in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandete Zähne (11) aufweist, und daß wenigstens eine Spuleneinheit (1) auf einer axial versetzten Linie gleichen Umfangs angeordnet ist.

5. Elektromagnetische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Zähnen (11) des Rückschlußteiles (3) gleich dem Abstand zwischen zwei Spulen (7, 9) der Spuleneinheit (1) ist.

6. Elektromagnetische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlußteil (30) in der Umfangsrichtung aufeinanderfolgend Rückschlußzähne (110) besitzt, die gleichmäßig voneinander beabstandet sind und in radialer Richtung so lang bemessen sind, daß sie die Spulen (7, 9) wenigstens einer radial ausgerichteten Spuleneinheit (1; 71) überdecken können.

7. Elektromagnetische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Dauermagneten (5) der Spuleneinheit (1) wenigstens eine Regelfeldspule (13, 15) angeordnet ist, an die zur Regelung der Induktionsspannung an den Spulen (7, 9) ein dem Magnetfeld des Dauermagneten (5) gleichgerichtetes oder entgegengesetztes Feld anlegbar ist.

8. Elektromagnetische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Permanentmagneten (5) zwei voneinander beabstandete und in Serie geschaltete Regelfeldspulen (13, 15) angeordnet sind.

9. Elektromagnetische Maschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelkreisschaltung (20) vorgesehen ist, die einen Vergleicher (21) aufweist, der eine Differenz zwischen der Spannung an den Spulen (7, 9) und einem Führungswert (w) eines Stellgliedes (25) entsprechende Stellgröße (y) an einem Stellglied (23) erzeugt, daß in Abhängigkeit von den Vorzeichen der Stellgröße (y) der wenigstens einen Regelfeldspule (13, 15) einen dem magnetischen Fluß des Permanentmagneten (5) gleichgerichteten oder entgegengesetzten magnetischen Fluß erzeugt.

10. Elektromagnetische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlußteil (3; 30) auf einer unmagnetischen Grundplatte (31) in der Umfangsrichtung einzelne U-förmige Zahnsegmentpaare (33) nebeneinander umfaßt, zwischen denen jeweils ein Luftspalt (35) angeordnet ist.

11. Elektromagnetische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umfangsrichtung des Rückschlußteiles (3) mehrere Spuleneinheiten (1) hintereinander angeordnet sind, derart, daß die jeweils gleichen Pole der Permanentmagnete (5) nebeneinander angeordnet sind und daß den außenliegenden Endbereichen der außenliegenden Permanentmagnete (5) jeweils eine Spule (7, 9) zugeordnet ist, deren Kern die Hälfte der Breite eines Zahnes (11) besitzt, und daß zwischen den äußeren Spulen (7, 9) den einander zugewandten Endbereichen zweier benachbarter Permanentmagnete (5) jeweils eine gemeinsame Spule (7/9) mit Kern zugeordnet ist, dessen Breite der Breite eines Zahnes (11) entspricht.

12. Elektromagnetische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (7, 9; 51, 52) in Reihe oder parallel geschaltet sind.