專利名稱：用于自行車車輪的發電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及自行車車輪的發電機，尤其為發光設備產生電力。
背景技術：
已知的瓶發電機(與輪胎側壁協作)和輪轂發電機(內置在前輪轂中)等這種發 電機通常作為交流發電機進行工作。還可以使用附接至自行車前叉或框架的螺線管，該螺 線管與附接至自行車車輪之一的輻條的多個永磁體協作。在這種布置中，當永磁體經過螺 線管并改變螺線管中的磁通量時，在螺線管中感應生成電壓。雖然這種電動機以結構簡單 和可靠性高為特征，但是它面臨輸出功率不足的問題。為了給永久(而不只是脈動的)發 光提供充足的電功率，需要大量的永磁體，使得這個解決方案昂貴，是不利的。

發明內容
因此，本發明的目的是提供自行車車輪的發電機，該發電機具有簡單且便宜的結 構，并提供高功率輸出。這個目的通過具有權利要求1的特征的發電機來達成。這種發電機包括鐵心和多個旋轉軛鐵。典型地，鐵心附接至自行車的前叉或框架 部，而軛鐵附接至與自行車的相關車輪并隨其旋轉。鐵心具有至少第一外部腿、中間腿以及第二外部腿，其中電線圈(即繞組)圍繞中 間腿，由此形成螺線管布置。鐵心進一步包括(一體地或作為單獨的部件)至少一個永磁 體，該永磁體被配置使得鐵心的第一外部腿和第二外部腿在相反方向磁化。軛鐵具有的長度(相對于它們旋轉的方向)只對應于中間腿和鐵心的所述外部腿 之一之間的距離，即軛鐵比鐵心(兩個外部腿之間的距離)短。軛鐵被布置以使得當軛鐵 與車輪一起旋轉時它們經過鐵心的第一外部腿，再經過鐵心的中間腿，然后經過鐵心的第 二外部腿。由于這種布置，當軛鐵相對于鐵心旋轉時，在圍繞中間腿的線圈中感應生成交流 電壓。換句話說，鐵心的所述中間腿(中間腿帶有線圈)與所述第一外部腿和所述第二 外部腿一起分別形成第一磁路和第二磁路。這兩個磁路在相反方向磁化，如由所述至少一 個永磁體所限定。然而，當車輪旋轉，軛鐵經過鐵心時，這兩個磁路只能通過各自軛鐵交替 閉合。因為與鐵心的兩個外部腿之間的距離相比，軛鐵相對較短，所以每個軛鐵一次只能閉 合第一磁路或第二磁路。因此，當軛鐵經過鐵心時，它首先閉合第一磁路(在第一方向上在 第一線圈中產生磁通量)，然后閉合第二磁路(在相反的第二方向上在第二線圈中產生磁 通量)。因此，經過鐵心的每個軛鐵在鐵心中感應生成兩個反向電壓，由此產生特別高的電 壓振幅。因此，發動機的優點是能夠獲得高功率輸出。此外，發電機是便宜的，因為它使用 少量的用于線圈的永磁體(優選地只有兩個永磁體，如下所說明)。與旋轉車輪相關聯的軛 鐵可以替代地由磁性的軟鐵磁性材料(即由便宜的普通可磁化材料，如軟鋼制成)制成。
在下文和從屬權利要求中說明了發動機的有利實施方式。在具體的有利實施方式中，鐵心和軛鐵相對于軛鐵的旋轉軸A在基本徑向方向 (+/-10° )相對彼此布置。換句話說，鐵心和軛鐵都基本上布置在軛鐵的旋轉面內。為了 使由經過的軛鐵在線圈中產生的磁通量最大，鐵心和旋轉軛鐵之間具有的空隙應該盡可能 的小。雖然由于各種原因將軛鐵附接至或靠近自行車車輪的輪圈37是優選的，但是將鐵心 布置在軛鐵的側向(即，關于軛鐵的旋轉軸相對于軛鐵在軸向方向定向)已經證明是不利 的，這是因為，自行車車輪因輪圈和輻條不可避免的缺陷而在一次旋轉期間往往側向移動。 因此在這種配置中，鐵心和軛鐵之間形成的空隙將不理想地臨時增大。然而，如果鐵心和軛鐵相對彼此在徑向方向定向，那么可避免這個問題，因為與軸 向的所述缺陷相比，自行車車輪沿其圓周的徑向偏離相對較小。因此，在這個實施方式中， 在車輪的完整旋轉期間能夠保持有利的小空隙。這個優點對于本發電機特別重要，因為發 電機沒有使用旋轉的永磁體，而只是使用閉合各磁路的旋轉軛鐵，如上所述。在另一個有利的實施方式中，鐵心和軛鐵相對彼此定向于相對于軛鐵的旋轉面傾 斜角度處于10°和45°之間的方向。在這個實施方式中，上述實施方式所述的維持小空隙 的優點在一定程度上被保留，而同時可便于將鐵心和軛鐵分別安裝到自行車和輪子上。在優選的實施方式中，鐵心的第一外部腿、中間腿和第二外部腿彼此相隔(對應 于各軛鐵的長度)，并且它們彼此基本平行定向。如果鐵心和軛鐵如上所述被布置在軛鐵的 旋轉面內，那么鐵心的每個腿均能夠相對于軛鐵的旋轉軸定向于徑向方向。在這種情況下， 腿彼此并不精確平行。在另一個優選的實施方式中，鐵心的第一外部腿、中間腿和第二外部腿通過連接 部相連，特別是是在與軛鐵相反的腿的各端。因此，這種連接部將引導各相鄰兩腿之間的磁 場。在這種情況下，當腿彼此平行時，鐵心基本是呈E形的。優選地，鐵心的第一外部腿、中間腿和第二外部腿由鐵磁性材料和由所述至少一 個永磁體制成。鐵心的鐵磁性部分優選地由薄的、電絕緣鐵磁性材料(如軟鋼)層的層疊制 成。可替換地，大體上可以由所述永磁體制成整個鐵心，即不使用其他的鐵磁性材料部分。所述至少一個永磁體能夠由任何已知的具有高矯頑場強度和高剩磁的鐵磁性材 料制成。在優選實施方式中，鐵心的第一外部腿包括具有第一磁化方向的第一永磁體，鐵 心的第二外部腿包括具有第二磁化方向的第二永磁體，該第二磁化方向與所述第一方向相 反。換句話說，鐵心設置有兩個永磁體，每個永磁體分別與兩個外部腿之一相關聯。例如， 各永磁體能夠附接至鐵心的相關聯外部腿的自由端，或者鐵心的各外部腿能夠完全由永磁 體制成。可替換地，例如，還可以使用單個永磁體，該單個永磁體形成鐵心的所述連接部， 即該單個永磁體從鐵心的第一外部腿延伸至第二外部腿，由此實現兩個外部腿在相反方向 上磁化。在另一個可替換實施方式中，兩個分離的永磁體能夠設置在鐵心的連接部內，即 設置在中間腿的兩側。為了具有特別簡單和便宜的結構，鐵心優選地只由所述第一外部腿、所述中間腿 和所述第二外部腿加上所述連接部組成，其中單個線圈設置在鐵心，即設置在中間腿。可替換地，鐵心可以包括多于所述三個退和/或多于一個鐵心。特別地，可以以一定距離設置兩 個或更多線圈，該距離對應于一個或幾個軛鐵之間的距離，線圈由此在給定時間與不同的 所述軛鐵協作。在鐵心可設置安裝裝置，用于將鐵心(與線圈和相關聯的電連接裝置一起)附接 至自行車的前叉或框架部。例如，這種安裝裝置可以包括支架、夾具或角板。鐵心(與線圈 一起)優選地被嵌入非鐵磁性材料(例如聚合物)中。優選地，軛鐵圍繞軛鐵的旋轉軸，即圍繞相關聯的自行車車輪的旋轉軸沿圓形布 置。軛鐵優選地彼此相隔，尤其是相隔的距離對應于鐵心的中間腿與所述外部腿之一之間 的距離。軛鐵可具有直線形狀或曲線形狀。在具有曲線形狀的情況下，曲率半徑對應于各 軛鐵和它的旋轉軸之間的距離，即對應于旋轉半徑。軛鐵優選地由鐵磁性材料制成。為了避免渦電流，軛鐵優選地由薄的、電絕緣鐵磁 性材料(如軟鋼)層的層疊制成。在有利的實施方式中，軛鐵被布置在車輪的徑向外側位置，特別地布置在車輪的 輪圈或輪胎處或布置在靠近車輪的輪圈的輻條處。軛鐵的這種徑向外側布置允許向車輪提 供最大數量的軛鐵(在車輪的圓周方向具有給定長度)，這提高了發電機的效率。在優選的實施方式中，軛鐵設置有載置裝置，用于將軛鐵附接至自行車車輪。例 如，所述載置裝置能夠適于將各軛鐵附接至車輪的輻條、輪圈或輪胎。能夠為所有軛鐵提供共用的載置裝置，例如形成圍繞車輪的旋轉軸圓形延伸的軛 鐵圈。在這種情況下，載置裝置(與軛鐵一起)能夠被直接附接在車輪中或附接至車輪。可 替換地，能夠為每個軛鐵或為各多個軛鐵提供單獨的載置裝置。在這種情況下，載置裝置還 能夠適于彼此依次附接。優選地，所述載置裝置由各軛鐵嵌入其中的非鐵磁性材料(例如聚合物)制成。在有利的實施方式中，發電機還包括另一個上文所述的那種鐵心(特別地還設置 有線圈)，其中兩個鐵心優選地與相同的多個軛鐵協作，由此形成兩個電壓源。優選地，兩個 鐵心被布置在軛鐵的旋轉面的兩側。可替換地，兩個鐵心能夠彼此鄰近地布置在同側或布 置在軛鐵的旋轉面內。在另一個實施方式中，所述線圈被連接至評估電路，該評估電路適于評估在線圈 中感應生成的電壓脈沖以確定旋轉軛鐵的旋轉速度。當旋轉速度達到(即超過或低于)預 定閾值時，評估電路產生控制信號。所述控制信號可以在發電機內或者對于外部設備用作 開信號或關信號，例如當自行車速度變低時，激活發電機的蓄電池支援模式，用于直接從線 圈向發光設備提供足夠電能。類似地，所述線圈能夠連接至評估電路，該評估電路評估在線圈中感應生成的電 壓脈沖以確定旋轉軛鐵的減速率。例如，這種減速率能夠通過在兩個不同時間點及時測量 各電壓脈沖速率(即每單位時間的電壓脈沖數量)來確定。當減速率達到(即超過)預定 閾值時，評估電路產生剎車燈控制信號。這種剎車燈控制信號能夠用于激活設置在自行車 尾部的剎車燈，以給出剎車動作的警告。在又一個實施方式中，所述線圈連接至能源和控制裝置，其中控制裝置適于從能 源向線圈提供電能，使得軛鐵由線圈產生的變化磁場有效(actively)驅動。換句話說，控
6制裝置使線圈以同步方式在線圈中產生磁場，使得軛鐵受驅動以進行旋轉運動，由此對相 關聯自行車車輪形成電驅動。


下面參照附圖以示例性方式說明本發明。圖1至圖3示出了包括鐵心和多個旋轉軛鐵的發電機，軛鐵相對于鐵心布置在不 同位置；圖如和圖4b示出了根據本發明第一實施方式的設置有發電機的自行車車輪的前 視截面圖，及發電機的詳細視圖；圖如和圖恥示出了根據本發明第二實施方式的設置有發電機的自行車車輪的前 視截面圖，及發電機的詳細視圖；圖6示出了根據本發明第三實施方式的設置有發電機的自行車車輪的前視截面 圖；以及圖7示出了根據本發明第四實施方式的設置有發電機的自行車車輪的前視截面 圖。附圖標記
11鐵心
13軛鐵
15第一外部腿
17中間腿
19第二外部腿
21線圈
23連接部
25第一永磁體
27第二永磁體
31自行車車輪
33輪轂
35輻條
37輪圈
39輪胎
A旋轉軸
B軛鐵的移動方向
C磁場的方向
D雜散磁場
E軸偏
F自行車車輪的中間面
G定向方向
具體實施例方式圖1至圖3示出了用于自行車車輪的發電機，該發電機被設置用于產生電能以提 供給例如自行車的發光設備。發電機包括E形鐵心11和多個軛鐵13，軛鐵13與自行車車 輪(未示出)一起移動。鐵心11包括第一外部腿15、中間腿17和第二外部腿19，其中電 線圈21圍繞中間腿17。腿15、17、19彼此相隔，并彼此平行定向。鐵心11的連接部23連 接腿15、17、19，使得每個腿15、17、19具有面向軛鐵13的自由端。第一永磁體25附接至 第一外部腿15的自由端。第二永磁體27附接至第二外部腿19的自由端。這兩個永磁體 25、27被分別形成且被布置成使這兩個外部腿15、19在相反方向磁化。鐵心的腿15、17、19 和連接部23形成在一起作為軟鋼的單層絕緣層。各軛鐵13所具有的長度基本對應于鐵心11的中間腿17和外部腿15、19之一之間 的距離。此外，兩個相鄰軛鐵13之間的距離基本對應于鐵心11的中間腿17和外部腿15、 19之一之間的距離。在車輪旋轉期間，軛鐵13圍車輪的軸A(在圖1至圖3中未示出)旋 轉。由此，軛鐵13沿著鐵心11在方向B移動，使得每一個軛鐵13經過第一外部腿15，再經 過中間腿17，然后經過第二外部腿19。在圖1至圖3中示出了這種移動的不同階段。只要有一個軛鐵13經過鐵心11，那么在線圈21中將感應生成交流電壓，如下將說 明的那樣。圖1示出了的情況是，軛鐵13之一布置在鐵心11的第一外部腿15的自由端(即， 第一永磁體2 和中間腿17之間，且在軛鐵13和鐵心11之間只余下小空隙。因此，軛鐵 13使磁路閉合，該磁路從帶有線圈21的中間腿17經由連接部23的一部分和第一外部腿 15延伸至軛鐵13，然后從軛鐵13回到中間腿17，如指示磁場方向的箭頭C所示。當如圖1 所示在線圈21內建立磁場時，在線圈21內感應生成第一電壓，該第一電壓能夠用于對蓄電 池充電或者直接向發光設備提供電能。此時，鐵心11的第二外部腿19沒有起作用，因為第 二外部腿19的自由端面向兩個相鄰軛鐵13之間的縫隙，并因此只產生雜散磁場D。圖2示出了中間階段，在該中間階段，這個軛鐵13面對鐵心11的中間腿17并因 此幾乎從第一外部腿15延伸至第二外部腿19。在兩個外部腿15、19之間(通過連接部23 和軛鐵13)形成弱磁路。然而，在中間腿17中(并因此在線圈21中)，磁場已破壞。如圖3所示，當這個軛鐵13繼續移動直至它延伸到鐵心11的中間腿17和第二外 部腿19之間時，第二磁路閉合，該第二磁路自中間腿17經由軛鐵13延伸至第二外部腿19， 并從第二外部腿19經由連接部23回到中間腿17。當在線圈21中建立相關的磁場時，它的 方向C與根據圖1的線圈21中創建的磁場的方向相反。因此，現在在線圈21中感應生成 電壓，該電壓的極性與根據圖1的情況下感應生成的電壓極性相反。因此，每次軛鐵13完全地經過鐵心11，就通過線圈21產生交流電壓。因此發電機 具有有利的高效率。發電機還具有簡單的結構，因為鐵心11只需要兩個永磁體25、27，而軛鐵13能夠 由磁性的軟鐵磁性材料制成。因為軛鐵13具有簡單的直線(rectilinear)形狀，所以用電 絕緣層的層疊制成軛鐵13也是便宜的。因此，可以以低成本阻止渦電流并可以提高發電機 的效率。這同樣適用于鐵心11。圖如以示意性的前視截面圖示出了當發電機附接至自行車車輪31時發電機的第 一實施方式。自行車車輪31包括輪轂33、多個輻條35、輪圈37以及輪胎39。軛鐵13能夠附接至例如輻條35。為此，軛鐵13可以設置有載置裝置(或者是所有軛鐵13共用的載置 裝置，或者是單獨的載置裝置)。特別地，軛鐵13能夠被嵌入非鐵磁性材料中以將軛鐵13 彼此相連和/或以允許將軛鐵13安裝至自行車車輪31。鐵心11 (與線圈、永磁體等一起)被附接至相對于可旋轉的車輪31不動的自行車 的一部分，例如自行車前叉或框架部(未示出)圖4b示出了根據圖如的發電機的詳細視圖。因為鐵心11側向布置至軛鐵13的 旋轉面，所以在鐵心11和各軛鐵13之間創建的磁場的方向C垂直于軛鐵13的旋轉面(即 平行于輪子31的旋轉軸A)且垂直于軛鐵13延伸。根據圖如和圖4b的發電機的布置具有易于安裝至自行車的優點。然而，存在與 自行車車輪31的固有缺點有關的重大缺陷。在一次旋轉期間，自行車車輪31往往會出現 擺動的軸偏E。因而，在一次旋轉期間，鐵心11和軛鐵13之間的空隙(見圖4b)明顯地改 變，這將降低發電機的效率，是不利的。圖如和圖恥在相應視圖中示出了改進的第二實施方式。在這個實施方式中，鐵 心11和軛鐵13相對于軛鐵13的旋轉軸A在徑向方向相對彼此布置，即鐵心11和軛鐵13 都布置在軛鐵13的旋轉面內。因此，在鐵心11和軛鐵13之間創建的磁場的方向C相對于 軛鐵13的旋轉軸A在徑向方向延伸。這種布置導致發電機更好的效率，因為自行車車輪31 徑向的典型缺點小于結合圖如和圖4b所說明的軸偏E。因此，在自行車車輪31的整個旋 轉期間，能夠維持最小的空隙。軛鐵13能夠被附接(或者通過共用的載置裝置或者單獨地)至自行車車輪31的 輻條35、輪圈37或輪胎39。鐵心11能夠被附接至自行車的固定部分。圖6示出了發電機包括兩個鐵心11的實施方式，這兩個鐵心11各與一套軛鐵13 協作。兩個鐵心11被布置在自行車車輪31的中間面F(中間面F垂直于旋轉軸A延伸) 的兩側(opposite sides)。有利地，兩套軛鐵13被連接至輻條35，并通過共用的載置裝置 彼此連接，該共用的載置裝置優選地圍繞車輪31的旋轉軸A延伸為一個完整的圓。在本實 施方式有利的變體中，兩個鐵心11能夠與公共的(單個)多個軛鐵13協作。兩個鐵心11 可以被布置為在圓周方向上相對彼此偏離，以防止它們的磁場相互干擾。圖7示出了軛鐵13附接至自行車車輪31的輪圈37的實施方式。鐵心11和各自 的軛鐵13相對彼此定向于方向G，該方向G相對于軛鐵13的旋轉面(或者相對于自行車車 輪31的中間面F)傾斜15°的角a。與圖fe和圖恥所示類似，在自行車車輪31的整個 旋轉期間，在鐵心11和軛鐵13之間能夠維持小空隙，而同時可以便于將鐵心11和軛鐵13 分別安裝到自行車和輪子31上。
權利要求
1.用于自行車車輪(31)的發電機，包括鐵心(11)和多個旋轉軛鐵(13)，其中，鐵心(11)具有第一外部腿(15)、中間腿(17)以及第二外部腿(19)，電線圈 (21)圍繞中間腿，鐵心包括至少一個永磁體05、27)，永磁體被配置使得鐵心的第一外部 腿(1 和第二外部腿(19)在相反方向磁化，以及其中，軛鐵(13)具有的長度對應于鐵心的中間腿(17)和外部腿(15、19)之一之間的 距離，軛鐵(1 被布置以使得當軛鐵旋轉時它們依次經過鐵心的第一外部腿(13)、中間腿 (15)和第二外部腿(19)，從而當各個軛鐵經過鐵心時在線圈中感應生成交流電壓。
2.如權利要求1所述的發電機，其中，鐵心(11)和軛鐵(13)相對于軛鐵(13)的旋轉 軸(A)在徑向方向相對彼此布置，或者，鐵心(11)和軛鐵(1 相對彼此定向于相對于軛鐵 (13)的旋轉面傾斜角度(α)處于10°和45°之間的方向(G)。
3.如權利要求1所述的發電機，其中，鐵心(11)的第一外部腿(15)、中間腿(17)和第 二外部腿(19)通過連接部相連。
4.如權利要求1所述的發電機，其中，鐵心(11)的第一外部腿(15)、中間腿(17)和第 二外部腿(19)彼此相隔，并且彼此基本平行定向。
5.如權利要求4所述的發電機，其中，鐵心(11)的第一外部腿(15)、中間腿(17)和第 二外部腿(19)通過連接部相連。
6.如權利要求5所述的發電機，其中，鐵心基本呈E形，單個線圈設置于所述鐵心。
7.如權利要求6所述的發電機，其中，鐵心的第一外部腿(1 包括具有第一磁化方向 的第一永磁體(25)，以及其中，鐵心的第二外部腿(19)包括具有第二磁化方向的第二永磁 體(27)，所述第二磁化方向與所述第一方向相反。
8.如權利要求1所述的發電機，其中，鐵心(11)的第一外部腿(15)、中間腿(17)和第 二外部腿(19)由鐵磁性材料和所述至少一個永磁體(25、27)制成。
9.如權利要求1所述的發電機，其中，鐵心的第一外部腿(1 包括具有第一磁化方向 的第一永磁體(25)，以及其中，鐵心的第二外部腿(19)包括具有第二磁化方向的第二永磁 體(27)，所述第二磁化方向與所述第一方向相反。
10.如權利要求1所述的發電機，其中，鐵心基本呈E形，單個線圈設置于所述鐵心。
11.如權利要求1所述的發電機，其中，在鐵心(11)上設置有安裝裝置，用于將所述鐵 心附接至自行車的前叉或框架部。
12.如權利要求1所述的發電機，其中，軛鐵(1 沿圓形布置，且軛鐵彼此相隔。
13.如權利要求1所述的發電機，其中，軛鐵(1 布置在自行車車輪(31)的徑向外側 位置處。
14.如權利要求1所述的發電機，其中，軛鐵(1 是直的，或者軛鐵(1 是曲的且所具 有的曲率半徑對應于軛鐵(13)和它的旋轉軸㈧之間的距離。
15.如權利要求1所述的發電機，其中，軛鐵(13)由非永久磁化的鐵磁性材料制成。
16.如權利要求1所述的發電機，其中，軛鐵(13)設置有載置裝置，用于將軛鐵附接至 自行車車輪(31)。
17.如權利要求16所述的發電機，其中，為所有軛鐵(1 提供共用的載置裝置，或者為每個軛鐵(1 提供單獨的載置裝置。
18.如權利要求16所述的發電機，其中，所述載置裝置由各軛鐵(1 嵌入其中的非鐵 磁性材料制成。
19.如權利要求1所述的發電機，其中，所述發電機還包括至少另一個設置有線圈 的鐵心(11)，其中鐵心(11)各自與各自的多個軛鐵(13)協作，或與相同的多個軛鐵(13) 協作，并且優選地這些鐵心布置在軛鐵的旋轉面的兩側。
20.如權利要求1所述的發電機，其中，線圈被連接至評估電路，所述評估電路適 于評估所述線圈中感應生成的電壓脈沖以確定旋轉軛鐵(1 的旋轉速度，并且當旋轉速 度達到預定閾值時，所述評估電路適于產生控制信號。
21.如權利要求1所述的發電機，其中，線圈被連接至評估電路，所述評估電路適 于評估所述線圈中感應生成的電壓脈沖以確定旋轉軛鐵(1 的減速率，并且當減速率達 到預定閾值時，所述評估電路適于產生剎車燈控制信號。
22.如權利要求1所述的發電機，其中，線圈連接至能源和控制裝置，其中所述控 制裝置適于從所述能源向所述線圈提供電能，使得軛鐵(1 由所述線圈產生的變化磁場 驅動。
全文摘要
用于自行車車輪的發電機，包括鐵心和多個旋轉軛鐵。鐵心具有第一外部腿、中間腿以及第二外部腿，其中電線圈圍繞中間腿。鐵心包括至少一個永磁體，該永磁體被配置使得鐵心的第一外部腿和第二外部腿在相反方向磁化。軛鐵具有的長度對應于鐵心的中間腿和外部腿之一之間的距離。軛鐵被布置以使得當軛鐵旋轉時它們經過鐵心的第一外部腿，再經過鐵心的中間腿，然后經過鐵心的述第二外部腿，從而當各個軛鐵經過鐵心時，在鐵心中感應生成交流電壓。
文檔編號H02K1/06GK102064616SQ201010547408
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月15日 優先權日2009年11月13日
發明者不公告發明人 申請人:Abus·奧古斯特·布萊梅克·索恩有限股份兩合公司