Stromerzeuger, insbesondere für Fahr- und Krafträder. Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromerzeuger, insbesondere für Fahr- und Krafträder, mit Vielpolanordnung eines Ro tors und einem magnetischen Kreis, der einer seits einen nicht veränderlichen, anderseits einen durch Zähne veränderlichen Luftspalt besitzt.
Man hat diese Fahrraddynamomaschinen bisher in Wechselpolbauart gebaut. Die Wechselpolmaschinen sind jedoch im Aufbau kompliziert und benötigen einen ziemlich gro ssen Raumbedarf, insbesondere im Durch messer.
Demgegenüber haben Gleichpolmaschinen zwar einen einfachen Aufbau, konnten aber bisher nicht so kleinen Abmessungen wie sie für Fährraddynamomaschinen notwendig sind, gebaut werden, da sie keine genügende Lei stung abgeben konnten.
Die Erfindung bezweckt eine Fahrrad- dynämomaschine als Gleichpolmaschine mit der notwendigen Leistungsabgabe herstellen zu können und eine kleine Maschine ein- facher Bauart zu schaffen. Zu diesem Zweck ist nach der Erfindung bei der Gleichpol- maschine die Breite der Zähne auf dem Rotor und auf dem Stator kleiner als deren halbe Teilung.
Bei einer Gleichpolmaschine wird die zur Spannungserzeugung notwendige Flussände rung durch Schwankungen der Stärke eines in seiner Richtung gleichbleibenden magneti schen Feldes erzeugt. Solche Änderungen können nur durch stark unterschiedliche ma gnetische Widerstände erzeugt werden, die wiederum durch verschieden lange Luftwege gebildet werden müssen. Bei kleinen viel- poligen Maschinen, bei denen die Polbreite schon fast von der gleichen Grössenordnung wie .die Länge des kleinsten technisch her stellbaren Luftspaltes ist, kann diese Fluss änderung durch die oben angegebenen Mittel erreicht werden.
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 Ge- schwindigkeitsbereich konstant ist.
Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispie len dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Fahrraddynamomaschine, die in der Fahrrad nabe zentrisch zur Achse eingebaut ist, Fig. 2 einen Schnitt in Richtung II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt in Richtung III-III der Fig. 1, Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine an dere Ausführungsform, Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine wei tere Ausführungsform, Fig. 6 einen Querschnitt in Richtung IV-IV zur Fig. 5, Fig. 7, 8 und 9 andere Ausführungsfor men, Fig. 10 einen Längsschnitt durch einen Stromerzeuger der aus abgestuften Blechen zusammengesetzt ist, Fig. 11 einen Querschnitt in Richtung V-V der Fig. 10.
In den Fig. 1, 2 und 3 ist auf der Fahr radnabe 1 ein Statur 2 befestigt, während der Rotor 3 als äusserer Mantel der Fahrrad nabe ausgebildet ist und durch Kugel- oder Rollenlager 4 drehbar gelagert ist. Die Spei chen des Rades sind mit 5 bezeichnet. Die eine Seite des Rotors bezw. Stators ist mit Zähnen 6 und 7 versehen, während die an dere Seite zylindrisch ausgebildet ist, so dass an dieser Stelle ein konstanter Luftspalt vor handen ist. Zwischen den beiden Seiten des Stators befindet sich eine Induktionsspule 8, von welcher die Klemmenspannung abgenom men wird.
Die Breite der Zähne 6 und 7 ist wesentlich kleiner als die halbe Teilung Bei Verwendung magnetischer Werk stoffe geringer Koerzitivkraft kann der Kern (Statur) 2 oder der Mantel (Rotor) 3 oder beide als axial magnetisierte Dauermagnete ausgebildet werden. In diesem Falle besteht der mit 9 bezeichnete Ring, der in den Kern 2 auf der einen Seite eingesetzt ist, aus Weicheisen, oder er besteht mit dem Kern 2 aus einem Stück. Es besteht auch die Mög lichkeit, dass der Mantel 3 als Dauermagnet ausgebildet ist, während der Kern 2 und der Ring 9 aus Weicheisen bestehen. Ebenso kön nen auch der Kern 2 sowie der Ring 9 als Dauermagnet ausgebildet sein, während der Mantel 3 aus Weicheisen besteht.
Es ist so dann auch möglich, dass lediglich der Ring 9 aus einem Magnetwerkstoff grosser Koer- zitivkraft besteht und radial magnetisiert ist, während die Teile 2 und 3 aus Weicheisen bestehen. Die Verwendung von Magnetwerk stoffen grosser Koerzitivkraft ergibt im all gemeinen bessere Wirkungen bei grossem Querschnitt und kleiner Länge.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausfüh rungsform ist der Statur ebenfalls mit<B>271</B> und der Rotor mit 3 bezeichnet. In diesem Falle dient ein Dauermagnet 10, der radial magnetisiert ist, zur Induzierung zweier Spu len 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. Die Breite der Zähne 13 und 14 des Stators und der Zähne 15 und 16 des Rotors ist kleiner als deren halbe Teilung.
Die Zähne 15 und 16 (Fig. 4) sind gegen einander um eine halbe Teilung versetzt, wie es auch in der Fig. 6 für die Zähne 17 und 18 des Stators nach Fig. 5 angedeutet ist, so dass die erzeugten Spannungen bei glei chem Wicklungssinn der Spulen um 180 phasenverschoben, bei ungleichem Wicklungs sinn dagegen gleichphasig sind. Zwischen den Zähnen 15 und 16 befindet sich ein zylin drischer Teil, der dem Ringmagneten gegen übersteht.
In der einzelnen Spule wird bei der Anordnung nach Fig. 4 bei sonst gleichen Verhältnissen wie in Fig. 1 eine höhere Spannung induziert, da sich der magnetische Fluss 4 direkt im Verhältnis der magnetischen Widerstände der Luftspalte der Zahnkränze ändert (bei Vernachlässigung des Widerstan des in Weicheisen), während die Flussände- rung bei der Anordnung nach Fig. 1 im Verhältnis der Änderung des magnetischen Gesamtwiderstandes, also unter Einschluss des Dauermagneten erfolgt.
Diese vergrösserte Flussänderung kann auch bei nur einer Spule bei der Anordnung nach Fig. 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 be sitzt der Stator einen radial magnetisierten Ringmagneten 20, der auf dem einen Ende des Stators aufgesetzt ist. Der Rotor 3 be sitzt über die beiden Zahnkränze 17 und 18 hindurchgehende Zähne 21 und ist an seinem dem Ringmagneten 20 gegenüberstehenden Ende 22 zylindrisch ausgebildet. Die Breite der Zähne 17 und 18 des Stators 2 und der Zähne 21 des Rotors 3 ist ebenfalls kleiner als deren halbe Teilung.
Der Dauermagnet kann hier auch ohne weiteres durch eine in der Ringnut 23 untergebrachten, nicht ge zeichneten Magnetwicklung ersetzt werden, wobei dann der Teil 20 aus Weicheisen be stehen muss. In der Fig. 7 ist eine weitere Ausfüh rungsform dargestellt, bei, der ein Magnet-. ring 24 mt einem gezahnten Weicheisenring 25 versehen ist. Der Ring 24 ist auf einem Flansch 26 befestigt. Der Magnet ist in die sem Falle als Rotor zu betrachten, der sich gegenüber einem aus Weicheisen bestehenden Teil 27 dreht. Der Magnet greift in die Ringnut 28 des Teils 27 ein, in welcher auch die Spule 29 angeordnet ist.
Der Stator 27 ist an seinem grösseren Durchmesser mit Zäh nen 30 versehen, die den Zähnen 25 des Magneten 24 gegenüberstehen, Die innere Seite der Ringnut 28 sowie des Ringmagne ten 24 ist zylindrisch ausgebildet, so dass an dieser Stelle ein konstanter Luftspalt ent steht, der mit 31 bezeichnet ist. Die Breite der Zähne 25 des als Rotor wirkenden Ring magneten 24 und der Zähne 30 des Stators 27 ist auch bei dieser Ausführungsform klei ner als deren halbe Teilung. Diese Bauart hat den Vorteil, dass sich am Aussenumfange des Ringmagneten bezw. des Stators 27 mehr Zähne unterbringen lassen als innen, In der in Fig. 8 dargestellten Ausfüh rungsform 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 gegenüber stehen. Diese Zähne sind radial gerichtet. Die Breite der Zähne 35 des Stators 34 und der Zähne 36 des Rotors ist kleiner als deren halbe Teilung. Diese Bauart hat den Vor teil, einer äusserst flachen Bauart der Dy namomaschine. Der gleichbleibende Luftspalt entsteht gegenüber dem Dauermagneten 32. Es besteht auch die Möglichkeit, den Teil 37 als Dauermagneten auszubilden und die Teile 32 und 34 aus einem Weicheisenstück anzu fertigen. In diesem Falle würden die Zähne 36 des Rotors 37 aus Weicheisen bestehen, die nachträglich in dem Dauermagneten ein gesetzt sind, so wie es bereits in der Fig. 7 beispielsweise dargestellt ist.
In der Fig. 9 ist eine weitere Ausfüh rungsform dargestellt, bei der der Stator 38 mit einseitigen Zähnen 39 versehen ist. Der Rotor 40 besitzt Zähne 41, die den Zähnen 39 gegenüberstehen und ist aus zwei Teilen zusammengesetzt, zwischen denen sich der Magnetkörper 42 befindet, der als Ring magnet ausgebildet und axial magnetisiert ist. Der gleichbleibende Luftspalt entsteht zwi schen den zylindrischen Teilen des Rotors 38 und des Stators 40. Er ist mit 43 bezeichnet.
Die Breite der Zähne 39 des Stators 38 und der Zähne 41 des Rotors 40 ist auch bei dieser Ausführungsform kleiner als deren halbe Teilung.
Die zur Regelung erforderliche Induktivi- tat der Wicklung ist bei den Anordnungen mit Magneten grossen Querschnittes und klei ner Länge leicht zu erreichen. Sie ist beson ders gross bei den. Anordnungen nach Fig. 4 und 5, da hier der von der Spule erzeugte magnetische Wechselfluss am Dauermagneten vorbeigeführt wird und so der magnetische greis hierfür einen besonders kleinen Wider stand besitzt.
In den besprochenen Ausführungsformen ist die zur Regelung erforderliche Induktivi- tät durch die Wicklung und den magneti schen Kreis des Stromerzeugers gegeben. Man kann die Abmessungen der -Maschinen dadurch wesentlich verkleinern, dass man sie zunächst nur im Hinblick auf die erforder liche Stromerzeugung konstruiert und die zur angenäherten Konstanthaltung der Span nung notwendige Induktivität in einer be sonderen Drosselspule erzeugt. Es kann zwi schen den Stromerzeuger und den Verbrau cher eine zusätzliche Drosselspule geschaltet werden, die entweder im Gehäuse des Strom erzeugers oder im Gehäuse des Verbrauchers oder auch in einem besonderen Gehäuse unter gebracht -erden kann.
Durch diese Drossel spule kann die Induktivität des Stromkreises unabhängig von derjenigen des Stromerzeu gers auf einen beliebig hohen 'Wert gebracht werden. Die Unterschiede der Klemmenspan nungen der Stromerzeuger, die sich durch Bearbeitungsungenauigkeiten und Verschie denheit der Werkstoffe ergeben, können durch diese Zusatzdrossel dadurch ausgeglichen werden, dass man entweder aus einer genü gend grossen Zahl mit dem Streuungsbereich entsprechenden Induktivitätswerten eine pas sende Spule auswählt oder die Spule mit An- za.pfungen versieht und so die erforderliche Induktivität einstellt.
In den massiven Eisenkernen entstehen beim Betrieb des Stromerzeugers Wirbel ströme, die bei den niedrigen Frequenzen, zum Beispiel der Fernsprechinduktoren, un schädlich sind, bei hohen Frequenzen dagegen den Wirkungsgrad so stark herabsetzen, dass sie durch die bekannten Mittel der Unter teilung des Eisenkernes herabgesetzt werden müssen, wie es in Fig. 10 und 11 dargestellt ist. Zur Verringerung des magnetischen Wi derstandes wird der sektorförmige Raum zwi schen den die Zähne bildenden Blechen 45 durch in ihrer Breite abgestufte anliegende Bleche 44- ausgefüllt, die zweckmässig durch Punktschweissen befestigt sind. Die Zwischen räume zwischen den Blechen können mit Iso liermasse ausgefüllt werden.
Die gegenüber liegenden Zähne werden aus Blechen 46 ge bildet, die ebenfalls durch seitlich anliegende Bleche verstärkt sind. Es lassen sich auch durch Verwendung eines Stromerzeugers der beschriebenen Bauart kleine und leichte Kur belinduktoren ohne Zahnräder herstellen.
Electricity generators, in particular for bicycles and motorcycles. The invention relates to a power generator, in particular for bicycles and motorcycles, with a multi-pole arrangement of a Ro sector and a magnetic circuit, which on the one hand has an invariable, on the other hand, a variable air gap by teeth.
So far, these bicycle dynamo machines have been built in a reversible pole design. However, the polarity reversing machines are complicated in structure and require a fairly large amount of space, especially in diameter.
In contrast, homopolar machines have a simple structure, but could not be built so small dimensions as they are necessary for Fährraddynamo machines, since they could not deliver sufficient performance.
The invention aims to be able to produce a bicycle dynamo machine as a homopolar machine with the necessary power output and to create a small machine of a simple design. For this purpose, according to the invention, in the homopolar machine, the width of the teeth on the rotor and on the stator is less than half their pitch.
In a homopolar machine, the flux change required to generate the voltage is generated by fluctuations in the strength of a magnetic field that is constant in its direction. Such changes can only be generated by greatly differing magnetic resistances, which in turn have to be formed by airways of different lengths. In small multi-pole machines, in which the pole width is almost of the same order of magnitude as the length of the smallest technically adjustable air gap, this change in flux can be achieved by the means indicated above.
The inductance, which is necessary for voltage regulation, can be accommodated very easily, so that the full regulation of the voltage is possible, which is then constant over a relatively large speed range.
The object of the invention is shown in the drawing in several Ausführungsbeispie len, namely: Fig. 1 shows a longitudinal section through a bicycle dynamo machine, which is installed in the bicycle hub centered on the axis, Fig. 2 is a section in the direction II-II of FIG 1, FIG. 3 shows a section in the direction III-III of FIG. 1, FIG. 4 shows a longitudinal section through another embodiment, FIG. 5 shows a longitudinal section through a further embodiment, FIG. 6 shows a cross section in the direction IV-IV 5, 7, 8 and 9 other embodiments, FIG. 10 shows a longitudinal section through a power generator which is composed of stepped metal sheets, FIG. 11 shows a cross section in the direction VV of FIG. 10.
In Figs. 1, 2 and 3, a stature 2 is attached to the driving wheel hub 1, while the rotor 3 is designed as the outer shell of the bicycle hub and is rotatably supported by ball or roller bearings 4. The Spei surfaces of the wheel are denoted by 5. One side of the rotor respectively. The stator is provided with teeth 6 and 7, while the other side is cylindrical, so that a constant air gap is available at this point. There is an induction coil 8 between the two sides of the stator, from which the terminal voltage is removed.
The width of the teeth 6 and 7 is much smaller than half the division. When using magnetic materials with low coercive force, the core (stature) 2 or the casing (rotor) 3 or both can be designed as axially magnetized permanent magnets. In this case, the ring marked 9, which is inserted into the core 2 on one side, consists of soft iron, or it consists of the core 2 in one piece. There is also the possibility that the jacket 3 is designed as a permanent magnet, while the core 2 and the ring 9 are made of soft iron. Likewise, the core 2 and the ring 9 can also be designed as a permanent magnet, while the jacket 3 consists of soft iron.
It is then also possible that only the ring 9 consists of a magnetic material with high coercive force and is magnetized radially, while the parts 2 and 3 consist of soft iron. The use of magnetic materials with a large coercive force generally results in better effects with a large cross-section and a small length.
In the embodiment shown in FIG. 4, the stature is also designated by <B> 271 </B> and the rotor by 3. In this case, a permanent magnet 10, which is magnetized radially, is used to induce two Spu len 11 and 12. The teeth of the stator are denoted by 13 and 14. The coils 11 and 12 lie between them, and the permanent magnet 10 again lies between the coils. The teeth of the rotor 3 are denoted by 15 and 16. The width of the teeth 13 and 14 of the stator and the teeth 15 and 16 of the rotor is less than half their pitch.
The teeth 15 and 16 (FIG. 4) are offset from one another by half a pitch, as is also indicated in FIG. 6 for the teeth 17 and 18 of the stator according to FIG. 5, so that the voltages generated at the same chem The winding direction of the coils is 180 out of phase, but are in phase if the winding direction is not the same. Between the teeth 15 and 16 there is a cylin drical part that faces the ring magnet against.
In the arrangement according to FIG. 4, a higher voltage is induced in the individual coil with otherwise the same conditions as in FIG Soft iron), while the change in flux in the arrangement according to FIG. 1 takes place in the ratio of the change in the total magnetic resistance, i.e. with the inclusion of the permanent magnet.
This increased change in flux can also be achieved with only one coil in the arrangement according to FIG. The stator 2 here has two ring gears 17 and 18 offset by half a pitch, and a coil 19 arranged between them. In addition, the stator sits a radially magnetized ring magnet 20, which is placed on one end of the stator. The rotor 3 be seated on the two ring gears 17 and 18 through teeth 21 and is cylindrical at its end 22 opposite the ring magnet 20. The width of the teeth 17 and 18 of the stator 2 and the teeth 21 of the rotor 3 is also smaller than half their division.
The permanent magnet can easily be replaced here by a magnet winding housed in the annular groove 23, not shown, in which case the part 20 must be made of soft iron. In Fig. 7, a further Ausfüh is shown approximately in which a magnet. ring 24 mt a toothed soft iron ring 25 is provided. The ring 24 is fastened on a flange 26. In this case, the magnet is to be regarded as a rotor that rotates relative to a part 27 made of soft iron. The magnet engages in the annular groove 28 of the part 27 in which the coil 29 is also arranged.
The stator 27 is provided at its larger diameter with teeth 30 which face the teeth 25 of the magnet 24, the inner side of the annular groove 28 and the ring magnet 24 is cylindrical so that a constant air gap is ent at this point is designated 31. The width of the teeth 25 of the rotor acting as a ring magnet 24 and the teeth 30 of the stator 27 is also in this embodiment klei ner than half the division. This design has the advantage that BEZW on the outer circumference of the ring magnet. of the stator 27 can accommodate more teeth than inside, In the Ausfüh shown in Fig. 8, the flat cylindrical magnet 32 is axially magnetized.
It is centered on the axis of rotation and is surrounded by the winding 33. The stator 34 has teeth 35 which the. Teeth 36 of the rotor 37 are opposite. These teeth are directed radially. The width of the teeth 35 of the stator 34 and the teeth 36 of the rotor is less than half their pitch. This type of construction has the advantage of being an extremely flat type of dynamic machine. The constant air gap arises compared to the permanent magnet 32. It is also possible to design the part 37 as a permanent magnet and to manufacture the parts 32 and 34 from a piece of soft iron. In this case, the teeth 36 of the rotor 37 would consist of soft iron, which are subsequently set in the permanent magnet, as is already shown in FIG. 7, for example.
In Fig. 9, a further Ausfüh approximately form is shown in which the stator 38 is provided with teeth 39 on one side. The rotor 40 has teeth 41 which face the teeth 39 and is composed of two parts, between which there is the magnetic body 42, which is designed as a ring magnet and is axially magnetized. The constant air gap is created between the cylindrical parts of the rotor 38 and the stator 40. It is denoted by 43.
The width of the teeth 39 of the stator 38 and the teeth 41 of the rotor 40 is also smaller than half the pitch in this embodiment.
The inductance of the winding required for regulation is easy to achieve in arrangements with magnets with a large cross-section and small length. It is particularly large with the. Arrangements according to FIGS. 4 and 5, since here the alternating magnetic flux generated by the coil is passed by the permanent magnet and so the old magnetic element has a particularly small resistance.
In the embodiments discussed, the inductance required for regulation is given by the winding and the magnetic circuit of the power generator. The dimensions of the machines can be reduced significantly by initially designing them only with regard to the required electricity generation and generating the inductance necessary to keep the voltage approximately constant in a special choke coil. An additional choke coil can be switched between the power generator and the consumer, which can either be placed in the housing of the power generator or in the housing of the consumer or in a special housing.
Through this choke coil, the inductance of the circuit can be brought to any high 'value regardless of that of the Stromerzeu gers. The differences in the terminal voltages of the power generators, which result from machining inaccuracies and different materials, can be compensated for by this additional choke by either selecting a suitable coil from a sufficiently large number of inductance values corresponding to the scatter range, or also selecting the coil Za.supplies and thus sets the required inductance.
Eddy currents arise in the massive iron cores during operation of the power generator, which are harmless at the low frequencies, for example the telephone inductors, but at high frequencies reduce the efficiency so much that they are reduced by the known means of subdividing the iron core as shown in FIGS. 10 and 11. To reduce the magnetic resistance, the sector-shaped space between tween the metal sheets 45 forming the teeth is filled by adjacent metal sheets 44 which are stepped in width and which are expediently attached by spot welding. The spaces between the sheets can be filled with insulating compound.
The opposing teeth are formed from metal sheets 46, which are also reinforced by laterally adjacent sheets. Small and light spa inductors without gears can also be produced by using a power generator of the type described.