技术领域
[0001] 本
发明涉及自行车车轮的发电机，尤其为发光设备产生电
力。
背景技术
[0002] 已知的瓶发电机(与轮胎
侧壁协作)和
轮毂发电机(内置在前轮毂中)等这种发电机通常作为
交流发电机进行工作。还可以使用附接至自行车
前叉或
框架的螺线管，该螺线管与附接至自行车车轮之一的
辐条的多个
永磁体协作。在这种布置中，当永磁体经过螺线管并改变螺线管中的磁通量时，在螺线管中感应生成
电压。虽然这种
电动机以结构简单和可靠性高为特征，但是它面临输出功率不足的问题。为了给永久(而不只是脉动的)发光提供充足的电功率，需要大量的永磁体，使得这个解决方案昂贵，是不利的。
发明内容
[0003] 因此，本发明的目的是提供自行车车轮的发电机，该发电机具有简单且便宜的结构，并提供高功率输出。
[0004] 这个目的通过具有
权利要求1的特征的发电机来达成。
[0005] 这种发电机包括
铁心和多个旋转轭铁。典型地，铁心附接至自行车的前叉或框架部，而轭铁附接至与自行车的相关车轮并随其旋转。
[0006] 铁心具有至少第一外部腿、中间腿以及第二外部腿，其中电线圈(即绕组)围绕中间腿，由此形成螺线管布置。铁心进一步包括(一体地或作为单独的部件)至少一个永磁体，该永磁体被配置使得铁心的第一外部腿和第二外部腿在相反方向磁化。
[0007] 轭铁具有的长度(相对于它们旋转的方向)只对应于中间腿和铁心的所述外部腿之一之间的距离，即轭铁比铁心(两个外部腿之间的距离)短。轭铁被布置以使得当轭铁与车轮一起旋转时它们经过铁心的第一外部腿，再经过铁心的中间腿，然后经过铁心的第二外部腿。由于这种布置，当轭铁相对于铁心旋转时，在围绕中间腿的线圈中感应生成交流电压。
[0008] 换句话说，铁心的所述中间腿(中间腿带有线圈)与所述第一外部腿和所述第二外部腿一起分别形成第一磁路和第二磁路。这两个磁路在相反方向磁化，如由所述至少一个永磁体所限定。然而，当车轮旋转，轭铁经过铁心时，这两个磁路只能通过各自轭铁交替闭合。因为与铁心的两个外部腿之间的距离相比，轭铁相对较短，所以每个轭铁一次只能闭合第一磁路或第二磁路。因此，当轭铁经过铁心时，它首先闭合第一磁路(在第一方向上在第一线圈中产生磁通量)，然后闭合第二磁路(在相反的第二方向上在第二线圈中产生磁通量)。因此，经过铁心的每个轭铁在铁心中感应生成两个反向电压，由此产生特别高的电压振幅。
[0009] 因此，
发动机的优点是能够获得高功率输出。此外，发电机是便宜的，因为它使用少量的用于线圈的永磁体(优选地只有两个永磁体，如下所说明)。与旋转车轮相关联的轭铁可以替代地由
磁性的软
铁磁性材料(即由便宜的普通可磁化材料，如软
钢制成)制成。
[0010] 在下文和
从属权利要求中说明了发动机的有利实施方式。
[0011] 在具体的有利实施方式中，铁心和轭铁相对于轭铁的旋
转轴A在基本径向方向(+/-10°)相对彼此布置。换句话说，铁心和轭铁都基本上布置在轭铁的旋转面内。为了使由经过的轭铁在线圈中产生的磁通量最大，铁心和旋转轭铁之间具有的空隙应该尽可能的小。虽然由于各种原因将轭铁附接至或靠近自行车车轮的轮圈37是优选的，但是将铁心布置在轭铁的侧向(即，关于轭铁的
旋转轴相对于轭铁在轴向方向定向)已经证明是不利的，这是因为，自行车车轮因轮圈和辐条不可避免的
缺陷而在一次旋转期间往往侧向移动。因此在这种配置中，铁心和轭铁之间形成的空隙将不理想地临时增大。
[0012] 然而，如果铁心和轭铁相对彼此在径向方向定向，那么可避免这个问题，因为与轴向的所述缺陷相比，自行车车轮沿其圆周的径向偏离相对较小。因此，在这个实施方式中，在车轮的完整旋转期间能够保持有利的小空隙。这个优点对于本发电机特别重要，因为发电机没有使用旋转的永磁体，而只是使用闭合各磁路的旋转轭铁，如上所述。
[0013] 在另一个有利的实施方式中，铁心和轭铁相对彼此定向于相对于轭铁的旋转面倾斜
角度处于10°和45°之间的方向。在这个实施方式中，上述实施方式所述的维持小空隙的优点在一定程度上被保留，而同时可便于将铁心和轭铁分别安装到自行车和轮子上。
[0014] 在优选的实施方式中，铁心的第一外部腿、中间腿和第二外部腿彼此相隔(对应于各轭铁的长度)，并且它们彼此基本平行定向。如果铁心和轭铁如上所述被布置在轭铁的旋转面内，那么铁心的每个腿均能够相对于轭铁的旋转轴定向于径向方向。在这种情况下，腿彼此并不精确平行。
[0015] 在另一个优选的实施方式中，铁心的第一外部腿、中间腿和第二外部腿通过连接部相连，特别是是在与轭铁相反的腿的各端。因此，这种连接部将引导各相邻两腿之间的
磁场。在这种情况下，当腿彼此平行时，铁心基本是呈E形的。
[0016] 优选地，铁心的第一外部腿、中间腿和第二外部腿由铁磁性材料和由所述至少一个永磁体制成。铁心的铁磁性部分优选地由薄的、电绝缘铁磁性材料(如
软钢)层的层叠制成。可替换地，大体上可以由所述永磁体制成整个铁心，即不使用其他的铁磁性材料部分。
[0017] 所述至少一个永磁体能够由任何已知的具有高矫顽场强度和高剩磁的铁磁性材料制成。
[0018] 在优选实施方式中，铁心的第一外部腿包括具有第一磁化方向的第一永磁体，铁心的第二外部腿包括具有第二磁化方向的第二永磁体，该第二磁化方向与所述第一方向相反。换句话说，铁心设置有两个永磁体，每个永磁体分别与两个外部腿之一相关联。例如，各永磁体能够附接至铁心的相关联外部腿的自由端，或者铁心的各外部腿能够完全由永磁体制成。
[0019] 可替换地，例如，还可以使用单个永磁体，该单个永磁体形成铁心的所述连接部，即该单个永磁体从铁心的第一外部腿延伸至第二外部腿，由此实现两个外部腿在相反方向上磁化。
[0020] 在另一个可替换实施方式中，两个分离的永磁体能够设置在铁心的连接部内，即设置在中间腿的两侧。
[0021] 为了具有特别简单和便宜的结构，铁心优选地只由所述第一外部腿、所述中间腿和所述第二外部腿加上所述连接部组成，其中单个线圈设置在铁心，即设置在中间腿。可替换地，铁心可以包括多于所述三个退和/或多于一个铁心。特别地，可以以一定距离设置两个或更多线圈，该距离对应于一个或几个轭铁之间的距离，线圈由此在给定时间与不同的所述轭铁协作。
[0022] 在铁心可设置安装装置，用于将铁心(与线圈和相关联的电连接装置一起)附接至自行车的前叉或框架部。例如，这种安装装置可以包括
支架、夹具或角板。铁心(与线圈一起)优选地被嵌入非铁磁性材料(例如
聚合物)中。
[0023] 优选地，轭铁围绕轭铁的旋转轴，即围绕相关联的自行车车轮的旋转轴沿圆形布置。轭铁优选地彼此相隔，尤其是相隔的距离对应于铁心的中间腿与所述外部腿之一之间的距离。
[0024] 轭铁可具有直线形状或曲线形状。在具有曲线形状的情况下，
曲率半径对应于各轭铁和它的旋转轴之间的距离，即对应于旋转半径。
[0025] 轭铁优选地由铁磁性材料制成。为了避免涡
电流，轭铁优选地由薄的、电绝缘铁磁性材料(如软钢)层的层叠制成。
[0026] 在有利的实施方式中，轭铁被布置在车轮的径向外侧
位置，特别地布置在车轮的轮圈或轮胎处或布置在靠近车轮的轮圈的辐条处。轭铁的这种径向外侧布置允许向车轮提供最大数量的轭铁(在车轮的圆周方向具有给定长度)，这提高了发电机的效率。
[0027] 在优选的实施方式中，轭铁设置有载置装置，用于将轭铁附接至自行车车轮。例如，所述载置装置能够适于将各轭铁附接至车轮的辐条、轮圈或轮胎。
[0028] 能够为所有轭铁提供共用的载置装置，例如形成围绕车轮的旋转轴圆形延伸的轭铁圈。在这种情况下，载置装置(与轭铁一起)能够被直接附接在车轮中或附接至车轮。可替换地，能够为每个轭铁或为各多个轭铁提供单独的载置装置。在这种情况下，载置装置还能够适于彼此依次附接。
[0029] 优选地，所述载置装置由各轭铁嵌入其中的非铁磁性材料(例如聚合物)制成。
[0030] 在有利的实施方式中，发电机还包括另一个上文所述的那种铁心(特别地还设置有线圈)，其中两个铁心优选地与相同的多个轭铁协作，由此形成两个电压源。优选地，两个铁心被布置在轭铁的旋转面的两侧。可替换地，两个铁心能够彼此邻近地布置在同侧或布置在轭铁的旋转面内。
[0031] 在另一个实施方式中，所述线圈被连接至评估
电路，该评估电路适于评估在线圈中感应生成的电压脉冲以确定旋转轭铁的旋转速度。当旋转速度达到(即超过或低于)预定
阈值时，评估电路产生控制
信号。所述
控制信号可以在发电机内或者对于外部设备用作开信号或关信号，例如当自行车速度变低时，激活发电机的
蓄电池支援模式，用于直接从线圈向发光设备提供足够
电能。
[0032] 类似地，所述线圈能够连接至评估电路，该评估电路评估在线圈中感应生成的电压脉冲以确定旋转轭铁的减速率。例如，这种减速率能够通过在两个不同时间点及时测量各电压脉冲速率(即每单位时间的电压脉冲数量)来确定。当减速率达到(即超过)预定阈值时，评估电路产生
刹车灯控制信号。这种刹车灯控制信号能够用于激活设置在自行车尾部的刹车灯，以给出刹车动作的警告。
[0033] 在又一个实施方式中，所述线圈连接至
能源和控制装置，其中控制装置适于从能源向线圈提供电能，使得轭铁由线圈产生的变化磁场有效(actively)驱动。换句话说，控制装置使线圈以同步方式在线圈中产生磁场，使得轭铁受驱动以进行旋转运动，由此对相关联自行车车轮形成电驱动。
附图说明
[0034] 下面参照附图以示例性方式说明本发明。
[0035] 图1至图3示出了包括铁心和多个旋转轭铁的发电机，轭铁相对于铁心布置在不同位置；
[0036] 图4a和图4b示出了根据本发明第一实施方式的设置有发电机的自行车车轮的前视截面图，及发电机的详细视图；
[0037] 图5a和图5b示出了根据本发明第二实施方式的设置有发电机的自行车车轮的前视截面图，及发电机的详细视图；
[0038] 图6示出了根据本发明第三实施方式的设置有发电机的自行车车轮的前视截面图；以及
[0039] 图7示出了根据本发明第四实施方式的设置有发电机的自行车车轮的前视截面图。
[0040] 附图标记
[0041] 11 铁心
[0042] 13 轭铁
[0043] 15 第一外部腿
[0044] 17 中间腿
[0045] 19 第二外部腿
[0046] 21 线圈
[0047] 23 连接部
[0048] 25 第一永磁体
[0049] 27 第二永磁体
[0050] 31 自行车车轮
[0051] 33 轮毂
[0052] 35 辐条
[0053] 37 轮圈
[0054] 39 轮胎
[0055] A 旋转轴
[0056] B 轭铁的移动方向
[0057] C 磁场的方向
[0059] E 轴偏
[0060] F 自行车车轮的中间面
[0061] G 定向方向
具体实施方式
[0062] 图1至图3示出了用于自行车车轮的发电机，该发电机被设置用于产生电能以提供给例如自行车的发光设备。发电机包括E形铁心11和多个轭铁13，轭铁13与自行车车轮(未示出)一起移动。铁心11包括第一外部腿15、中间腿17和第二外部腿19，其中电线圈21围绕中间腿17。腿15、17、19彼此相隔，并彼此平行定向。铁心11的连接部23连接腿15、17、19，使得每个腿15、17、19具有面向轭铁13的自由端。第一永磁体25附接至第一外部腿15的自由端。第二永磁体27附接至第二外部腿19的自由端。这两个永磁体25、27被分别形成且被布置成使这两个外部腿15、19在相反方向磁化。铁心的腿15、17、19和连接部23形成在一起作为软钢的
单层绝缘层。
[0063] 各轭铁13所具有的长度基本对应于铁心11的中间腿17和外部腿15、19之一之间的距离。此外，两个相邻轭铁13之间的距离基本对应于铁心11的中间腿17和外部腿15、19之一之间的距离。在车轮旋转期间，轭铁13围车轮的轴A(在图1至图3中未示出)旋转。由此，轭铁13沿着铁心11在方向B移动，使得每一个轭铁13经过第一外部腿15，再经过中间腿17，然后经过第二外部腿19。在图1至图3中示出了这种移动的不同阶段。
[0064] 只要有一个轭铁13经过铁心11，那么在线圈21中将感应生成交流电压，如下将说明的那样。
[0065] 图1示出了的情况是，轭铁13之一布置在铁心11的第一外部腿15的自由端(即，第一永磁体25)和中间腿17之间，且在轭铁13和铁心11之间只余下小空隙。因此，轭铁13使磁路闭合，该磁路从带有线圈21的中间腿17经由连接部23的一部分和第一外部腿
15延伸至轭铁13，然后从轭铁13回到中间腿17，如指示磁场方向的箭头C所示。当如图1所示在线圈21内建立磁场时，在线圈21内感应生成第一电压，该第一电压能够用于对
蓄电池充电或者直接向发光设备提供电能。此时，铁心11的第二外部腿19没有起作用，因为第二外部腿19的自由端面向两个相邻轭铁13之间的缝隙，并因此只产生杂散磁场D。
[0066] 图2示出了中间阶段，在该中间阶段，这个轭铁13面对铁心11的中间腿17并因此几乎从第一外部腿15延伸至第二外部腿19。在两个外部腿15、19之间(通过连接部23和轭铁13)形成弱磁路。然而，在中间腿17中(并因此在线圈21中)，磁场已破坏。
[0067] 如图3所示，当这个轭铁13继续移动直至它延伸到铁心11的中间腿17和第二外部腿19之间时，第二磁路闭合，该第二磁路自中间腿17经由轭铁13延伸至第二外部腿19，并从第二外部腿19经由连接部23回到中间腿17。当在线圈21中建立相关的磁场时，它的方向C与根据图1的线圈21中创建的磁场的方向相反。因此，现在在线圈21中感应生成电压，该电压的极性与根据图1的情况下感应生成的电压极性相反。
[0068] 因此，每次轭铁13完全地经过铁心11，就通过线圈21产生交流电压。因此发电机具有有利的高效率。
[0069] 发电机还具有简单的结构，因为铁心11只需要两个永磁体25、27，而轭铁13能够由磁性的软铁磁性材料制成。因为轭铁13具有简单的直线(rectilinear)形状，所以用电绝缘层的层叠制成轭铁13也是便宜的。因此，可以以低成本阻止涡电流并可以提高发电机的效率。这同样适用于铁心11。
[0070] 图4a以示意性的前视截面图示出了当发电机附接至自行车车轮31时发电机的第一实施方式。自行车车轮31包括轮毂33、多个辐条35、轮圈37以及轮胎39。轭铁13能够附接至例如辐条35。为此，轭铁13可以设置有载置装置(或者是所有轭铁13共用的载置装置，或者是单独的载置装置)。特别地，轭铁13能够被嵌入非铁磁性材料中以将轭铁13彼此相连和/或以允许将轭铁13安装至自行车车轮31。
[0071] 铁心11(与线圈、永磁体等一起)被附接至相对于可旋转的车轮31不动的自行车的一部分，例如
自行车前叉或框架部(未示出)
[0072] 图4b示出了根据图4a的发电机的详细视图。因为铁心11侧向布置至轭铁13的旋转面，所以在铁心11和各轭铁13之间创建的磁场的方向C垂直于轭铁13的旋转面(即平行于轮子31的旋转轴A)且垂直于轭铁13延伸。
[0073] 根据图4a和图4b的发电机的布置具有易于安装至自行车的优点。然而，存在与自行车车轮31的固有缺点有关的重大缺陷。在一次旋转期间，自行车车轮31往往会出现摆动的轴偏E。因而，在一次旋转期间，铁心11和轭铁13之间的空隙(见图4b)明显地改变，这将降低发电机的效率，是不利的。
[0074] 图5a和图5b在相应视图中示出了改进的第二实施方式。在这个实施方式中，铁心11和轭铁13相对于轭铁13的旋转轴A在径向方向相对彼此布置，即铁心11和轭铁13都布置在轭铁13的旋转面内。因此，在铁心11和轭铁13之间创建的磁场的方向C相对于轭铁13的旋转轴A在径向方向延伸。这种布置导致发电机更好的效率，因为自行车车轮31径向的典型缺点小于结合图4a和图4b所说明的轴偏E。因此，在自行车车轮31的整个旋转期间，能够维持最小的空隙。
[0075] 轭铁13能够被附接(或者通过共用的载置装置或者单独地)至自行车车轮31的辐条35、轮圈37或轮胎39。铁心11能够被附接至自行车的固定部分。
[0076] 图6示出了发电机包括两个铁心11的实施方式，这两个铁心11各与一套轭铁13协作。两个铁心11被布置在自行车车轮31的中间面F(中间面F垂直于旋转轴A延伸)的两侧(opposite sides)。有利地，两套轭铁13被连接至辐条35，并通过共用的载置装置彼此连接，该共用的载置装置优选地围绕车轮31的旋转轴A延伸为一个完整的圆。在本实施方式有利的变体中，两个铁心11能够与公共的(单个)多个轭铁13协作。两个铁心11可以被布置为在圆周方向上相对彼此偏离，以防止它们的磁场相互干扰。
[0077] 图7示出了轭铁13附接至自行车车轮31的轮圈37的实施方式。铁心11和各自的轭铁13相对彼此定向于方向G，该方向G相对于轭铁13的旋转面(或者相对于自行车车轮31的中间面F)倾斜15°的角α。与图5a和图5b所示类似，在自行车车轮31的整个旋转期间，在铁心11和轭铁13之间能够维持小空隙，而同时可以便于将铁心11和轭铁13分别安装到自行车和轮子31上。
