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Elektrische Maschine von kleiner Leistung, insbesondere in eine Fahrradnabe
eingebauter Stromerzeuger Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine
von kleiner Leistung mit einem Magnetkreis, der zwei gegeneinander drehbare Teile
enthält, von denen der eine aus einem mehrpoligen Dauermagneten besteht.
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Mit elektrischen Maschinen von kleiner Leistung sollen Elektromotoren
oder Dynamomaschinen mit einer Leistung bis annähernd 3o Watt gemeint sein. Die
Verwendung eines mehrpoligen, insbesondere eines vielpoligen Dauermagneten in solchen
Maschinen hat den Vorteil, daß bei einer verhältnismäßig geringen Umdrehungszahl
die Frequenz der elektrischen Spannung verhältnismäßig hoch sein kann. Dies ist
z. B. von wesentlicher Bedeutung für Nabenlichtmaschinen für Fahrräder mit Rücksicht
auf die erwünschte Gleichmäßigkeit des direkt von der Fahrradlaterne ausgestrahlten
Lichtes bei besonders niedrigen Geschwindigkeiten.
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Die elektrische Maschine nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den einzelnen Teilen Mittel (Distanzmittel) vorgesehen, sind, welche
die erwünschte Länge des zwischen den umlaufenden Teilen vorhandenen Luftspalts
einstellen und die auch die Relativdrehung dieser Teile durch rollende Reibung zulassen.
Einer der wesentlichen Vorteile einer solchen Bauart besteht darin, daß beim Auftreten
äußerer Kräfte an einem der Teile, z. B. infolge einer in der Praxis oft auftretenden
beschränkten Formänderung der Teile des Gehäuses, mit dem der Kreis gekoppelt ist,
die Distanzmittel bewirken, daß die Luftspaltbreite an keiner einzigen Stelle kleiner
wird als
die erforderliche Breite. Dieser Vorteil ist für den Betrieb
elektrischer Maschinen von kleiner Leistung wesentlich, weil die Bauart dieser Maschinen
mit Dauermagneten meist derart ist, daß mit Rücksicht auf den Wunsch, eine tunlichst
große Leistung in einem tunlichst kleinen Raum unterzubringen, was unter anderem
die Anwendung eines weitestgehend kleinen Magnetstahlvolumens einschließt, die Luftspaltbreite
sehr gering, z. B. in der Größenordnung weniger Zehntelmillimeter ist und somit
die Gefahr vorliegt, daß eine Veränderung des Luftspalts infolge von Formänderungen
im vorstehenden Sinne zur Folge hat, daß die gegeneinander umlaufenden Teile sich
berühren und der Betrieb der Maschine gestört wird. Auch ist dabei zu berücksichtigen,
daß bei solchen kleinen Maschinen die für das Gehäuse verwendeten Werkstoffe und
ihre Stärke mit Rücksicht auf ein möglichst geringes Gewicht oft derart gewählt
sind, daß die in Frage kommenden Formänderungen im Betrieb einen schädlichen Einfluß
ausüben, falls dagegen keine besonderen Maßnahmen getroffen werden. Diese Erwägung
gilt im allgemeinen nicht für Maschinen großer Leistung, weil bei ihnen meist nichts
im Wege steht, die Bauart so starr und schwer zu gestalten, daß die in Frage kommenden
Formänderungen keine störende Wirkung ausüben. Ein anderer Vorteil der Bauart nach
der Erfindung ergibt sich dadurch, daß die Distanzmittel eine rollende Reibung zwischen
den sich gegeneinander drehenden Teilen ermöglichen, was z. B. durch Anwendung eines
Kugel- oder Rollenlagers bewerkstelligt werden kann. Solche Distanzmittel haben
nämlich die Eigenschaft, in den von den in Frage kommenden beschränkten Formänderungen
bedingten Grenzen die infolgedessen entstandenen Kraftwechsel aufzunehmen, ohne
daß der Reibungswiderstand zwischen den bewegten Teilen so groß wird, daß ihre Relativbewegung
gestört wird. Trotzdem ist es gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung möglich,
zu bewirken, daß die Größe der erwähnten Kraftwechsel weitestgehend beschränkt bleibt.
Gemäß der Erfindung sind zu diesem Zweck bei einer elektrischen Maschine vorstehend
erwähnter Art, bei der die Teile gleichachsig angeordnet sind, außer den Distanzmitteln
Mittel, z. B. nachgiebige Mittel, verwendet, durch die zumindest einer der Teile
mit einer zuvor bestimmten, verhältnismäßig beschränkten Bewegungsfreiheit gegenüber
dem mit ihm gekuppelten Teil der Maschine angeordnet ist. Durch Anwendung dieser
Mittel kann bewirkt werden, daß beim Auftreten der erwähnten Formänderungen die
infolgedessen auf den Kreis ausgeübten Kräfte von dem formveränderten Teil der Maschine
als Ganzes, wie z. B. bei Verwendung einer Kreuzgelenkkupplung, oder zu einem geringen
Teil von den Mitteln aufgenommen werden, z. B. bei Verwendung einer nachgiebigen
Kupplung. In beiden Fällen wird infolge der Bewegungsfreiheit des betreffenden Teils
des Kreises bewirkt, daß die infolge der Formänderung entstandenen Kraftwechsel
praktisch entweder gar nicht oder nur zu einem geringen Teil auf die Distanzmittel
zwischen den beiden Teilen des magnetischen Kreises übertragen werden.
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Die Anwendung einer bestimmten, verhältnismäßig beschränkten Bewegungsfreiheit
ist besonders wichtig bei Nabenlichtmaschinen für Fahrräder, da die in Frage kommenden
Formänderungen meist in der Nabe infolge äußerer Kräfte entstehen, die auf das Rad
ausgeübt werden, z. B. indem das Rad infolge der unebenen Wegfläche Stöße erleidet
oder indem infolge des Schiefstehens des Fahrrades in einem Fahrradständer od. dgl.
ein Moment auf die Radachse ausgeübt wird, wodurch eine dauernde Formänderung in
der Nabe auftreten kann. Ein solches Moment tritt außerdem oft beim Aufsteigen auf
das Fahrrad auf. Der schädliche Einfluß der infolge der zuletzt erwähnten Ursachen
entstehenden Formänderungen der Nabe kann besonders störend sein, wenn der Hebelarm
des Moments verhältnismäßig groß, d. h. von der Größenordnung des Halbmessers des
Rades ist. Jedoch ist die Formänderung an sich eine solche, daß ihr schädlicher
Einflüß durch eine verhältnismäßig beschränkte Bewegungsfreiheit verringert werden
kann. Diese beschränkte Bewegungsfreiheit reicht somit dazu aus, in diesen Fällen
zu bewirken, daß infolge der Formänderung der Nabe die Distanzmittel zwischen den
beiden Teilen des Magnetkreises auf jeden Fall weniger zusätzlich belastet werden,
als wenn die erwähnte Bewegungsfreiheit nicht vorhanden wäre. Der gleiche Vorteil
tritt selbstverständlich auch auf, wenn das Rad infolge von Spiel in der Lagerung
gegenüber seiner Welle bei seiner Umdrehung auch eine Schlenkerbewegung macht. In
diesem Fall wird im allgemeinen keine Formänderung der Nabe auftreten.
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Sämtliche vorstehend erwähnten Vorteile können auch bei einer elektrischen
Maschine, insbesondere einer Nabenlichtmaschine für ein Fahrrad, erzielt werden,
bei der die beiden Teile des Magnetkreises in axialer Richtung nebeneinander angeordnet
sind. Jedoch ist es möglich, bei der Feststellung der erforderlichen Bewegungsfreiheit
noch auf folgendes Rücksicht zu nehmen: Bei dieser Art von Maschinen ist die magnetische
Anziehungskraft zwischen den beiden Teilen des Magnetkreises unter den gewöhnlichen
Betriebsbedingungen hinreichend groß, um zu bewirken, däß die beiden Teile an den
Distanzmitteln anliegen, wodurch sich die erforderliche Luftspaltlänge selbsttätig
ergibt. Unter von der, gewöhnlichen Betriebsbedingungen abweichenden Verhältnissen
besteht jedoch die Wahrscheinlichkeit, daß der Luftspalt vergrößert wird, obgleich
die magnetische Anziehungskraft bestrebt ist, eine solche Vergrößerung zu verhüten.
Um die Luftspaltbreite in diesen Fällen konstant halten zu können, ist es wesentlich,
daß zumindest einer der Teile eine Bewegungsfreiheit in. vorstehendem Sinne hat.
Gemäß der Erfindung werden zu diesem Zweck außer den Distanzmitteln noch andere,
zweckmäßig nachgiebige Mittel verwendet, durch die zumindest einer der Teile mit
einer
zuvor bestimmten, verhältnismäßig beschränkten Bewegungsfreiheit
gegenüber dem mit ihm gekuppelten Teil der Maschine angeordnet ist, die auch unter
von den üblichen Betriebsbedingungen abweichenden Verhältnissen zuläßt, daß die
magnetische Anziehungskraft zwischen den beiden Teilen eine Vergrößerung der Luftspaltbreite
praktisch verhütet.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung der Maschinengattung,
bei der die beiden umlaufenden Teile des Magnetkreises in axialer Richtung nebeneinander
angeordnet sind, sind außer den Distanzmitteln nachgiebige Mittel verwendet, durch
die zumindest einer der Teile mit einer zuvor bestimmten, verhältnismäßig beschränkten
Bewegungsfreiheit gegen den mit ihm gekuppelten Teil der Maschine angeordnet ist,
wobei die Mittel derart gewählt sind, daß sie auch unter von den gewöhnlichen Betriebsbedingungen
abweichenden Verhältnissen gemeinsam mit der magnetischen Anziehungskraft zwischen
den beiden Teilen eine Vergrößerung der Luftspaltbreite verhüten. Es ist empfehlenswert,
eine solche Ausgestaltung anzuwenden, wenn die magnetische Anziehungskraft nicht
so groß ist, daß sie an und für sich fähig ist, eine Luftspaltvergrößerung zu verhüten.
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Da bei Nabenlichtmaschinen die Wahrscheinlichkeit einer Formänderung
der Nabe, wie vorstehend beschrieben, besonders groß ist, wird bei einer Nabenlichtmaschine
gemäß der Erfindung, bei der einer der Teile eines Magnetkreises aus einem zusammen
mit der Nabe umlaufenden Dauermagneten besteht, letzterer von den Mitteln zur Sicherung
der beschränkten Bewegungsfreiheit in der Nabe abgestützt. Eine besonders einfache
und wirksame Ausführungsform ergibt sich, wenn nachgiebige Mittel angewendet werden,
die ausschließlich aus einem oder mehreren zwischen einer zylindrischen Innenfläche
der Nabe und einer zylindrischen Fläche eines der Teile des Magnetkreises angebrachten
Gummiringen bestehen.
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Zur Erzielung einer in radialer Richtung gedrängten Bauart der Maschinengattung,
bei der die beiden umlaufenden Teile des Magnetkreises in axialer Richtung nebeneinander
angeordnet sind, wird zweckmäßig ein ringförmiger Dauermagnet verwendet, und die
Anschlagflächen für die rollenden Teile der Distanzmittel weisen einen Durchmesser
auf, der kleiner als der lichte Ringdurchmesser ist, und bilden einen Teil mit dem
Dauermagneten bzw. dem anderen Teil des Magnetkreises.
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Aus Herstellungsgründen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das
mit dem Magneten verbundene Organ aus einem mit dem Magneten in einem einzigen Stück
hergestellten hohlzylinderförmigen Magnetstahlstück zu bilden. Wenn hierbei die
Anschlagfläche für die Distanzmittel in der gleichen Ebene wie die Flächen der dem
Luftspalt zugewendeten Magnetpole liegen muß, kann dies auf besonders einfache Weise
durch eine Schleifbehandlung bewerkstelligt werden. Die Erfindung ist in der Zeichnung
an einigen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen einer Nabenlichtmaschine
näher erläutert.
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Fig. I zeigt einen Schnitt durch eine Nabenlichtmaschine, bei der
die beiden Teile des Magnetkreises in axialer Richtung nebeneinander angeordnet
sind und bei der ein nicht umlaufender Teil des Generatorkreises auf nachgiebigen
Abstützmitteln angebracht ist; Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Nabenlichtmaschine
mit gleicher Anordnung der beiden Teile des Magnetkreises, bei der ein umlaufender
Teil nachgiebig angeordnet ist, und Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine Nabenlichtmaschine,
bei der die beiden Teile des Magnetkreises gleichachsig angeordnet sind und bei
der ein umlaufender Teil nachgiebig abgestützt ist.
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In den Figuren, in denen einander entsprechende Teile mit den gleichen
Ziffern bezeichnet sind, ist die Nabe 2 mittels zweier Kugellager 3 und mittels
zweier auf der Welle I nachstellbarer Kegel 4 gelagert. Nur ein Kugellager und ein
Kegel sind in den Figuren sichtbar; die zweiten Exemplare sind in üblicher Weise
auf der anderen Seite der Velle I angeordnet. Die Nabe 2 besteht aus einem Teil
I9, der mit einem Flansch 2o versehen ist, an dem der Teil 5 der Nabe 2 mit großem
Durchmesser befestigt ist und der die Teile der Lichtmaschine zum großen Teil umgibt.
Der Teil 5 und der Teil 2 der Nabe sind mit den Flanschen 6 bzw. 7 zur Befestigung
nicht in den Figuren dargestellter Speichen des Rades versehen.
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In Fig. I bestehen die beiden Teile des Magnetkreises aus einem mehrpoligen
Dauermagneten Io und einem Blechpaket 2I, zwischen denen sich der Luftspalt I8 befindet.
Der Dauermagnet Io besteht aus einer ringförmigen Platte 22 und Polstücken 23, die
in axialer Richtung vorstehen und in tangentialer Richtung in regelmäßigen Abständen
voneinander liegen. Die Platte 22 und die Polstücke 23 sind aus einem einzigen Stück
Magnetstahl hergestellt. Der Dauermagnet Io ist mittels einer Platte 8 an der Nabe
2 befestigt. Das Blechpaket 2I, das aus nebeneinanderliegenden, sich radial erstreckenden
Blechen zusammengebaut ist, ist auf einer Platte II angebracht, die mittels eines
ringförmigen, Gummikörpers I2 auf der Welle I gehalten wird. Der Gummikörper I2
wird zwischen dem Kegel 4 und einer Mutter I3 an der Welle I festgeklemmt, wodurch
das Blechpaket 21 eine zuvor einzustellende, verhältnismäßig beschränkte Bewegungsfreiheit
gegen die Welle 1 aufweist. Jedes Blech ist im wesentlichen in Form eines nicht
geschlossenen Ringes gestaltet, dessen Enden Z1a durch zwischen ihnen angebrachtes
Isoliermaterial in tangentialer Richtung in gewissem Abstand nebeneinander gehalten
werden und gegenüber den Polstücken 23 des Dauermagneten liegen. In den. rechteckförmigen
Öffnungen des Blechpakets liegt eine Spule 14, in der die Generatorspannung erzeugt
wird:. Zwischen dem Magneten io und dein Blechpaket 21 sind Distanzmittel in Form
eines Kugellagers 16 angeordnet, das mit zwei Anschlagringen
I5
und I7 versehen ist, von denen der eine, I5, an dem Blechpaket und der andere, I7,
am Dauermagneten befestigt ist. Durch das Kugellager I6 wird die Breite des Luftspalts
I8 eingestellt, d. h. daß dieses Kugellager verhütet, daß infolge der magnetischen
Anziehungskraft zwischen Magneten und Blechpaket die Luftspaltbreite kleiner wird
als erforderlich ist. Ferner wird durch das Kugellager die Drehung des Magneten
Io gegenüber dem Blechpaket 2I durch rollende Reibung ermöglicht. Selbstverständlich
kann das Kugellager I6 durch ein Rollenlager ersetzt werden.
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Wenn im Betrieb der Nabenlichtmaschine die Nabe 2 einer Formveränderung
unterliegt oder wenn sich die Stellung der Nabe 2 gegenüber der Welle I ändert,
worunter selbstverständlich die Relativdrehung der Welle I und Nabe 2 gegeneinander
nicht inbegriffen ist, wird eine Verschiebung des Dauermagneten Io, die die Breite
des Luftspaltes I8 vergrößern möchte, infolge der magnetischen Anziehungskraft des
Dauermagneten vom Blechpaket 2I mitgemacht werden, wozu es durch die Bewegungsfreiheit
infolge der Nachgiebigkeit des Gummikörpers I2 befähigt ist. Die beschränkte Bewegungsfreiheit
des Blechpakets 2I läßt somit zu, daß auch unter von den üblichen Betriebsbedingungen
abweichenden Verhältnissen die magnetische Anziehungskraft zwischen den beiden Teilen
eine Vergrößerung der Luftspaltbreite praktisch verhütet.
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Bei einer vorstehend erwähnten Lageveränderung des Magneten Io, welche
bestrebt ist, die Breite des Luftspalts zu verkleinern, wird vom Magneten Io über
die Distanzmittel I7, I6, I5 ein Druck auf das Blechpaket 2I ausübt, wodurch das
Blechpaket, hierzu durch den Gummikörper I2 befähigt, sich unter Aufrechterhaltung
der Luftspaltbreite gegenüber dem Magneten einstellen kann. Jede Kombination der
vorstehend erwähnten Verschiebungen des Dauermagneten Io wird die Länge des Luftspalts
I8 somit ebensowenig beeinflussen. Im allgemeinen wird die magnetische Anziehungskraft
dazu ausreichen, eine Vergrößerung der Luftspaltbreite I8 bei Spaltbreiten von wenigen
Zehntelmillimetern zu verhüten. Gegebenenfalls kann die Anziehungskraft dadurch
verstärkt oder geschwächt werden, daß dem Gummiring I2 eine Vorspannung in einer
gewünschten Richtung gegeben wird.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der Dauermagnet 24 mittels
eines zwischen der zylindrischen Innenfläche 5a des Nabenteils 5 und der zylindrischen
Außenfläche 26a der Polstücke 26 angeordneten Gummiringes 25 in der Nabe 2 abgestützt.
Auch ist es möglich, den Magneten 24 durch die Nabe mittels eines gestrichelt dargestellten
nachgiebigen Ringes 27 abzustützen, der zwischen einer zylindrischen Innenfläche
2a der Nabe 2 und der zylindrischen Innenfläche 28a eines ringförmigen, aus Magnetstahl
bestehenden und mit dem Magnetkörper 24 in einem einzigen Stück hergestellten Organs
28 angebracht ist. Dieses Organ 28 und das ringförmige, am Blechpaket 3o befestigte
Organ 29 bilden gemeinsam die Anschlagringe des Kugellagers. Das Blechpaket 3o ist
hier mittels einer zwischen dem Kegel 4 und einer Mutter 32 eingeklemmten Platte
3I an der Welle I befestigt. Bei einer Lagenveränderung der Nabe 2 gegenüber der
Welle I oder im Falle der Formänderung der Nabe wird der Magnet 24 wegen der magnetischen
Anziehungskraft zwischen Magneten und Blechpaket diese Lagenveränderung nicht mitmachen,
wozu er durch die nachgiebigen Mittel 25 oder 27 befähigt ist, während die Drehbewegung
der Nabe 2 gegenüber der Welle I vom Magneten 24 dagegen mitgemacht wird. Auch in
diesem Fall sind die nachgiebigen Mittel 25 und/oder 27 derart gewählt, daß die
magnetische Kraft eine Vergrößerung der Luftspaltbreite praktisch verhütet. Die
magnetische Anziehungskraft kann gegebenenfalls durch einen gestrichelt dargestellten
elastischen Ring 33 verstärkt werden. In diesem Fall sind die elastischen Mittel
25 und/oder 27 und 33 derart gewählt, daß sie gemeinsam mit der magnetischen Anziehungskraft
eine Vergrößerung der Luftspaltbreite praktisch verhüten. Zu diesem Zweck kann gegebenenfalls
der Ring 33 aber auch allein, d. h. ohne die elastischen Mittel 25, 27 vorgesehen
sein.
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Die Gummiringe 25, 27 und/oder 33 können gegebenenfalls durch Blatt-
oder Schraubenfedern ersetzt werden.
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Auch ist es möglich, den Magneten 24 mittels einer zylindrischen Dose
mit elastischem Boden an der Nabe 2 zu befestigen. Der vorstehende Rand der Dose
kann zu diesem Zweck am Magneten 24 befestigt sein, während der Boden der Dose derart
an der Nabe 2 befestigt sein kann, daß der vorstehende Rand samt dem Magneten 24
gegenüber der Nabe etwas Spiel hat.
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Ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. I ergibt die Bauart
nach Fig. 2 den Vorteil, daß im Fall der Form- oder Lagenveränderung der Nabe die
Kugeln der Distanzmittel im allgemeinen wesentlich günstiger belastet werden, als
wenn der Magnet starr mit der Nabe verbunden wäre.
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Sowohl aus Fig. I als auch aus Fig. 2 ist ferner ersichtlich, daß
die Anschlagflächen für die Kugeln des Lagers einen Durchmesser aufweisen, der kleiner
ist als der lichte Durchmesser der Polstücke 23 bzw. 26, wodurch sich in radialer
Richtung ein gedrängter Bau ergibt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 besteht der Dauermagnet 34 aus
einem Zylinder 34a und Polstücken 35, die in radialer Richtung vorstehen und in
tangentialer Richtung -in gleichen Abständen voneinander liegen. Die Blechpakete
36 sind., ebenfalls in radialer Richtung nach außen vorstehend, in gleichmäßigen
Abständen auf einer Buchse 37 aus mag netisierbarem Werkstoff angebracht, die ein
Ganzes mit einer mittels des Kegels 4. und einer Mutter 39 an der Welle i befestigten
Platte 38 bildet. Jedes Blechpaket ist mit einer Spule 4o umgeben. Die Distanzmittel
bestehen aus einem Rollenlager mit Rollen 41 und Anschlagringen 42 und 43, von .denen
der eine, 42, am Magneten 34
und der andere, 43, an den Blechpaketen
36 befestigt ist. Hierdurch ergibt sich, daß die Luftspaltbreite trotz eintretender
Formänderungen an keiner einzigen Stelle kleiner als die erforderliche Breite wird.
Der Magnet 34 ist mittels eines elastischen Ringes 44 in der Nabe abgestützt, wodurch
der Magnet eine beschränkte Bewegungsfreiheit gegenüber der Nabe aufweist.
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Auch bei dieser Ausführungsform werden infolgedessen die Rollen der
Distanzmittel bedeutend günstiger belastet, als wenn der Magnet starr an der Nabe
befestigt wäre.
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Es ist selbstverständlich möglich, bei den schematisch dargestellten
Ausführungsformen die Anordnung des Dauermagneten und der Blechpakete zu vertauschen.
Die Blechpakete werden in diesem Fall mit einem Schleifkontakt verseben werden müssen.
Auch können gegebenenfalls beide Teile in entgegengesetzter Richtung drehbar sein.