专利名称：自行车照明系统及发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及自行车照明系统，它包含一发电机系统，可由所骑乘之自行车驱动，并装于自行车上；至少一前灯，至少一后灯，在每一种情况下皆由发电机系统供应电力；及一变换装置，它把发电机系统所产生之电力变为经调节之直流电压，以产生光及充电一蓄电池。本发明还涉及一通用之发电机，然而，特别涉及用于自行车之发电机系统。
普通及市售之自行车照明系统在电力及电压上需符合由法律所定之标准。此等标准规定在行驶速度为每小时15公里及超出这一速度时，施加于电灯上之发电机输出电压最大为7V。依据法律规定，发电机输出电压之最小值必须在5kmph(3V)至15kmph(5.8V)和高于15kmph之间符合要求(参见图5a)。根据这些规定，目前之系统法律规定在行驶速度为5至6kmph时仅能产生1.4W之功率。如果人们想增加目前普通发电机之此功率，则实际上不能符合或遵从在15kmph或以上时法律规定之最大电压7V。只有通过各别之负荷措施，方可防止超过法定之最大值。由于这一结果，功率耗散大为增加，且效率大为降低。
故此，普通自行车照明系统在低速范围中不能另加负荷，以充电一蓄电池。仅当行驶速度从约15kmph开始时，普通发电机方可产生充分的电力，可用以充电蓄电池，因为当行驶速度低于上述之15kmph时，此等已知的系统之效率太低(侧装之发电机具有的效率约为17％至24％，滚子式发电机最高可达成30％至35％的效率，及毂式发电机之效率约为40％)。当自行车之行驶速度超过15kmph时，效率额外下降，因为耗用电力同时充电蓄电池。由于这一事实，骑车者需耗费额外的体力，以发动该发电机。
本领域技术人员业已发现这方面的缺点，并了解普通发电机及自行车照明系统并未跟上目前工程知识之水准。
故此，本发明之一主要目的在于提供一种与一发电机相结合之自行车照明系统，此系统适应目前的技术状态和现代之技术，并在经济上有利可图。
本发明之另一重要目的在于提供一种发电机系统，此系统在构造，电力效率，及生产成本方面符合依照本发明之自行车照明系统之要求。
为了实现上述目的，本发明以一项断定为基础，即一满意之自行车照明系统仅能由一种大大提高了效率的发电机实现。
根据本发明目前开发的自行车照明系统之特征为发电机系统之安排及构造之情形为，自约5至7kmph之最小行驶速度开始，发电机产生充足的电力，以充电该蓄电池，同时馈电给前灯及后灯；且变换装置有一上变换及下变换功能，及当行驶速度未达到最小行驶速度时，由蓄电池额外续电。
在一较佳实施例中，变换装置包含一能量变换及能量限制装置及一临限值装置，后者检测经整流之发电机输出电压，由此，在临限值装置测得超过发电机之一规定最低电压时，由电池所供应之电压(加上发电机之经整流之输出电压)借助电子开关装置馈送至能量变换及能量限制装置，且能量变换及能量限制装置之输出电压从而在电池工作期间处于一第一恒定输出电压范围Ua1内，及在发电机之工作期间处于一第二恒定输出电压范围Ua2内，后者范围高于第一恒定输出电压范围；及一电池充电装置在一输出充电电压以上被起动，此电压处在第一恒定输出电压范围与第二恒定输出电压范围之间(参考附图之图5a，5b及5c)。
变换装置之第一恒定输出电压范围Ua1宜在从4.5V至6V之固定范围内。在此工作模式之期间中，变换器之输入电压范围处于0.8V之最小临限值电压与4.8V之最大转变电压之间。变换装置之第二恒定输出电压范围Ua2宜处在6.2V及7V之间的范围内，但宜在6.4V以上。在此工作模式之期间中，变换器之输入电压范围在开始速度范围中为约5V，并增加至在约80kmph速度时之最大80V(参考图5a及5c)。依本发明之启示如此设定变换装置，在每一速度上均能完全满足法律要求及标准。高效率之发电机同变换装置及蓄电池相结合可使联合电池充电，停止光及行驶光系统成为可能，变换装置由电池及直接由发电机操作。
能量变换及能量限制装置宜限制变换装置之输出恒定在4W直至6W，宜在4.5W直至5W。如此，亦可确保电池及发电机以及整个发电机系统之短路安全。
在又一较佳结构中，变换装置另包含一整流电路，用以产生经整流及滤平之发电机输出电压，此电压馈送至能量变换及能量限制装置，一第一分压网路，它把发电机之一第一经整流及速度比例之输出电压变换为一第一分电压，并把此第一分电压供应至第一临限值开关，一第二分压网路，它把发电机之经整流及速度比例之输出电压变换为一第二分电压，并把此第二分电压供应至一第二临限值开关，由此，当由第一临限值开关装置测得发电机之经整流之输出电压超过一第一临限电压时，第一临限值开关通过电子开关装置将电池电压供应至能量变换及能量限制装置，且由此，第二临限值开关发送一信号至能量变换及能量限制装置，以将后者之输出电压自第一恒定输出电压变换至第二恒定输出电压，及每当第二临限值开关探知未到达或超过一第二临限电压时，则反之而行，一延迟电路，连接至第一临限值开关之输出端及电子开关装置，及当发电机之经整流之输出电压低于第一临限电压时，在一预定时间，(例如四分钟)之终了断开该电子开关装置，以切断来自能量变换及能量限制装置之输入端的电池之电压，及一电池充电变换器，它在输出端上连接至能量变换及能量限制装置，且在电池工作之期间中亦保持作用，以充电该电池。
第一临限值开关通过电子开关装置用约0.8V之临限电压Vx接通电池电压。
电池充电变换器用6.1V，直至最大7V之输出电压Ua工作，它随较高之功率变换而按比例增加，视电池之充电情形而定。
为确保发电机系统所需之特征性特色，提供一发电机，它含有高效率及非常低的线圈内阻，且它(已在约5至7kmph之速度上)用低之输出电压产生至少4.5W之输出；及一变换装置，它把这发电机输出变换为一输出电压6.2V至7V。为达成高效率，发电机包含一内路及一外路(参阅
图1a及1b)所示，二者安装成可在同一方向上绕一固定之空气心线圈同步转动，因而内路及外路各包含相同极距之n个极。
由于内路及外路可在相同方向上绕固定之空气心线圈同步转动之事实(连同进步之强力磁铁以及极低之线圈内阻，它宜低于1.5欧)故可实现高磁场强度，因为有较小之铁及磁铁体积及非常低之磁滞损失。实际有效之磁路由二分路MK1及MK2构成(参阅图1b所示)。
内路最好包含n(例如宜为六)个内极靴，及在每一内极靴处，有横向安排之二成同极性构形之磁极。如此，二磁表面本身延伸于极靴表面(图1a中之b1)上，由于二磁表面远大于极靴表面，故磁通密度向极靴表面对应增加。
而且，此安排具有优点，因为内路之极靴(图1b之e至d)具有较小之体积，从而可减轻重量。磁通在外路上分配为二部份，它们指向相对位置之外极靴(图1b之g—m)上。
外路同样包含n(宜为六)个外极靴，这种安排与内极靴相对，及成鼻形伸向后者，外极靴之构造情形为，使内极靴与相应之外极靴之间之各空气隙均为磁通之最短径路(MK1，MK2)。如此，有利地降低漏磁通。
为降低同极性磁铁之相互干扰，各内极靴在其中间由一槽分开为二相同之部份，槽在径向产生一空气隙。此安排产生附加之优点，即减小极靴体积及增加磁铁高度。这意味着，可同时导致每极之二半磁铁长度及最小之磁铁体积及加倍之磁铁表面。
内极靴中之空气隙降低二同极性磁铁面之相互干扰，因为磁通各成半通过极靴而至外路。每一极靴中之二磁通具有最适宜之短磁路途径，故其结果为最佳之磁通。另一优点为可制造一极小之发电机，它具有非常高之磁通密度，同时此发电机具有重量轻，磁铁体积小，及效率高之结构。依本发明之拟定自行车照明系统用之发电机可产生之效率至少约为90％。
举例言之，依本发明所构制之整个自行车照明系统之实际效率，对3W之照明功率及1W之充电能量来说，在蓄电池放电之情形中为(参考3W)约60％，及当蓄电池充电情况下为80％。
此外有利之处在于，空气心线圈具有非常低之电感(低于150μH，宜低于100μH)。如此，产生可略而不计之反电感，从而甚难或全不呈现极敏感性，同时，电感损失极低。
线圈(23)宜在每极中分为二相同之线圈节段，此等节段依正确之极性串连(图2a中之23.1至23.6)。
虽然发明特别涉及自行车照明系统，本领域技术人员容易明了依照发明之发电机特点亦可使用于其他之发电机应用上。
磁铁安排及磁路结构之有创造力的特征可有利地用于电马达。
在下文，在各种图中举例说明较佳示范实施例时，根据自行照明系统和发电机进一步描述诸特点与优点。
图1a与1b显示依本发明之发电机之一较宜示范实施例之横断面图；图2a与2b分别用一透视断面和一展开图显示内磁路安排与固定线圈安排；图3概要显示依本发明之自行车照明系统之一较宜之示范实施例之方块图，尤其是，借此清楚显示所提出之变换装置(5)；图4a至4e分别显示用来说明本发明作用之一些电压/速度—时间图和一个电压—时间图；图5a、5b及5c显示电压—速度图，用以进一步说明本发明之作用，图5a用于放电或故障之电池，及图5c用于正常电池；图6显示一个依本发明所完成，并由定制之固态集成开关电路(ASIC)所实施之自行车照明系统之电路装置之实施例；图7显示依侧装发电机系统所构制之发电机系统之第一示范实施例之纵断面图；及图8显示依滚子式发电机系统所构制之发电机系统之第二示范实施例之纵断面图。
依本发明利用和依图1a和1b说明之发电机较佳实施例，以自内侧至外侧之同心排列次序包括一旋转内路21，一固定空气心线圈23.1至23.6，及一与内路21同步旋转之外路22，在图1b所示之示范实施例中，内路21及外路22各包含6极(a—f)，它们以相同之极距彼此相对排列，故所形成之极距角度为60度。内路21之六极被构制成六极靴a—f之形式，而外路22之各极亦同样构制成六极靴g—m形式，它们处在与极靴a—f相对之位置，且成鼻形向后者伸出，以形成尽量最小之空气隙30。内路21之极靴a—f为软铁所制，而内磁路之支持件(41)本身为非铁质的。外路22完全为软铁构成(极数为6，此值为较宜之所定)。
在内路21之极靴a—f之间，安排六个永久磁铁24—29，其安排方式为各磁铁以同极性靠于每一极靴之侧边上。其结果为在磁铁24及29上之二磁铁表面(以参考文字a1及a2(磁铁宽度)标示)本身在极靴表面b1(极靴f)上延伸。垂直于图纸面而延伸之永久磁铁24—29之磁铁长度M1(图2a)与整个装置之决定情形为，各磁铁表面a1及a2之和远大于相应极靴表面b1。如此，磁通密度向极靴表面b1而相应增加。此安排另有优点，因为内路之六极靴a—f具有较小之质量，故可减轻重量。
然而，发电机之整个旋转部分主要由于旋转之外路而具有较高之惯性力距，故大为改善轮子之滑动行为。
磁通通过外路22之各个鼻形伸出之极靴g—m分为二部分(MK1及MK2，见图1b所示)。由于外路之极靴g—m之鼻形，此形状亦适用于线圈之周边，故产生空气隙30(显示于一对极靴，即极靴f及m之间)，作为磁通之最短径路。从而降低漏磁通。
为降低靠于内路21之各极靴a—f之二侧边上之同极性磁铁之相互作用，此等极靴a—f各设有在其中部处的由各径向空气隙31—36形成之槽。此安排之优点显示为极靴体积小而且具有大磁铁高度，即每极有二磁铁宽度，同时具有尽量最小之磁铁体积及双倍之磁铁表面。
在极靴a—f中所设之此等径向空隙31—36可防止二同极性磁铁面表面之相互作用，因为磁力线皆在外路成半地流过极靴，极靴之二半磁通具有最适宜之短磁路径路(MK1及MK2)，因此为一最适宜之磁通。另一优点为，如此，可实现一小发电机，它具有极高之磁通密度，低重量，小磁铁体积，均匀之磁负荷，及非常高之效率。
图2a以透视断面图显示较佳发电机之内磁路及线圈安排。在图2b中，以展开之安排显示线绕线圈之节段，它们依次为23.2、23.1、23.6及23.5，与极靴b，a，f及e一起产生极磁场N3，S2，及N1。线圈节段23.2，23.1，23.6及23.5之线圈连接及二绕组方向I及II概要地显示于图2b中。
由于通常一线圈被引导于二异极性之极上，故六极之安排需要三线圈，此并不特别显示于图中。如此，图1a和1b与图2a和2b所示之空气心线圈23在每一极场中分为二相同之线圈节段23.1至23.6(见图2a和2b)，它们依正确极性串联连接。如此实现较小之整个高度。图1a及1b所示，即，在六极情况下提供，以角节距60度相互安排。
为制造坚固及固定之空气心线圈，由自连漆包铜线所构成之绕组独立地卷绕及弯曲于线圈装置之基准圆上。线圈插进一适当之塑料注入造型模具中。各线圈已在连接销插头处相接及安装(图7中39)。塑胶注入造型模具同时包含一外壳基座或底座(图7中37)。其后，整个装置由塑胶材料注入造型，以形成无引入线之插入组件。此种构造使电子零件可直接插进发电机系统之外壳底座上。故此无需另外接线。固定空气心线圈之线已经先加处理，无需其后之处理或再完工。
上述之方法可使一空气心线圈23具有非常低之电感，即宜低于150μH。如此，产生可略而不计之反电感，由此甚难或可完全不感觉到磁极之敏感性。线圈之电阻宜低于1.6欧，如此，在实际完成之发电机1之结构中，所产生之磁负荷大于0.6T。在此制成之发电机结构中，平均线圈直径为31mm，磁铁长度为30mm，及外直径约为44mm。力争提供约20mm之一较短之线圈长度40(图2b和图7)。因此亦可提高发电机之基本发明功率特性。
下面现参考图3，4及5，说明整个自行车系统，及尤其是一变换装置之较佳实施例之构造及工作模式。
图3显示依本发明所构制之自行车照明系统之一较佳示范实施例之方块图。依上述方式所制之发电机1所产生之交流电压由一整流器11整流，并由一电容器C1滤平。在电路节点18产生经整流之发电机电压UeDYN及一电池电压UBATT之和，如此后所述。
在电路节点18处所产生之联合电压UeDYN及UBATT供应至一能源变换及能源限制装置10之输入端，它将此电压/电力分别变换为6V及6.4V。此能量变换及能量限制装置10具有本身最适应于发电机1之内阻之特性特色。在输入电压低行驶速度慢之情形，能量变换及能量限制装置10升高所产生之电压(电力)。在行驶速度高及因而发电机之输出电压及输出电力亦高之情形，能量变换及能量限制装置10降低电路节点18上所供应之电压，宜降至在一输出侧Ua之6.4V，并保持此电压大致恒定不变，变化范围约为±10mV。由应用代表最新之技术状态之电子组件(诸如肖特基二极管和功率场效应晶体管FET)，可实现此能量变换及能量限制装置10之85％以上之效率。此效率在低电压之情形中约为85％，且在电路节点18处之高之输入电压(例如约9V)之情形，能量转换及限制装置10之效率可达90％以上。
当现在讨论第一临限值开关13，第二临限值开关15，以及一延迟电路17及一电池监视电路19之功能与操作方式时，可更佳地明了变换装置5之整个性能。
第一临限值开关13发电机1之输出电压由整流器整流，该整流器包含二个二极管D3、及D4，并由一电容器C4滤平。此电压Vx与行驶速度成比例，它由一第一分压器12分配，第一分压器由二电阻器R1及R2构成，该电压并供应至第一限临值开关13之输入端(电压UT1)。此第一临限值开关13用较Vx＝0.8V为高之一输入电压启动一闸门电路T1。这意味着通过闸门电路T1，一电池4之电压借助一电子开关S116和一保护二极管D1而供应至加法电路节点18。第一临限值开关13之另一输出设定延迟电路17为零(静态)。
如第一临限值开关13之输入电压低于Vx＝0.8V，则延迟电路17开动。后者由一振荡器及一些计数链构成。电池电压由闸门电路T1，电子开关装置16，及保护二极管D1保持供应于加法电路节点18上，直至延迟电路17之输出由闸门电路T1断开电子开关装置16为止。因而切断电池电压。闸门电路T1因此而由第一临限值开关13启动，并随延迟电路17之开动而动作。在电池4完全放电或故障或不存在之情形，由电池监视电路19防止电路节点18上之启动。
第二临限值开关15在电容器C4上所产生之发电机1之速度比例电压经一第二分压器14而供应至第二临限值开关15(电压UT2)，此分压器由二电阻器R3及R4构成。在发电机输出电压低于Vx＝4.5V之情形，第二临限值开关15用一输出信号启动能量变换及能量限制装置10，从而使能量变换及能量限制装置10之输出电压到达(可调整之)4.5V至6V(Ua1)。如发电机1之输出电压在4.8V以上，则能量变换及能量限制装置10由第二临限值开关15之输出信号设定，使它在其输出端上产生6.4V(Ua2)，这意味着，根据图3所示之变换装置5之较佳示范实施例之工作模式，用第二临限值开关15在其Vx低于4.5V时之输入电压UT2，自电池4获得电压，以用于产生停止时之灯光，及用第二临限值开关15在其Vx高于4.8V时之输入电压UT2，自发电机1获得输出电压(行驶电压)。自电池操作至发电机操作之转换，从而是平稳的。
在能量变换及能量限制装置10之输出端处，连接一充电变换器20，它在输出电压Ua一旦超过6.1V时即刻馈电给电池，及依比例增加而升至6.4V，此取决于蓄电池4上之充电情形。如此确保在电池停止灯光操作之期间中电池不充电。且确保当发电机之能量不足时电压不致降至6V以下。
与能量变换及能量限制装置10之输出端连接的一个电阻分压器R5，R6，传递一控制信号UT3，用以控制输出电压Ua(反馈)，此控制电压受第二临限值开关15之影响。
以下更详细讨论图3所概要显示之变换装置5之功能，特别结合图4a至4e及图5a至5c来说明。图4a至4e以曲线图概要显示电压Ug(≌Vx)，UT1及UT2(电压Vx之分电压)之时间上变化，此等分电压分别由第一分压器12及第二分压器14产生，并分别供应至第一临限值开关13及第二临限值开关15，从而假定此等电压之近于线性及与速度成比例之依赖性关系，此等电压依据假设之自零至30kmph之速度增加，在时刻t1(t1′)开始自零上升，直至时刻t3(t3′)为止，然后自t3(t3′)开始再约成线性下降，直至时刻t5(t5′)为止。在时刻t1(t1′)时，电压UT1达到Vx＝0.8V，第一临限值开关13启动，及在时刻t5(t5′)时，这电压又下降至Vx＝0.8V以下，第一临限值开关13不作用(开动及行驶操作)。在时刻t1(t1′)及t5(15′)之间之时刻，延迟电路17保持不作用。在时刻15(15′)，延迟电路17开始测量延迟时间，例如四分钟，它终止于时刻t8(图4c)，并由闸门电路T1断开电子开关装置16，并从而切断电池电压。如发电机电压在延迟时间(例如四分钟)t5—t1′之终了以前上升(图4a)，则延迟电路由第一临限值开关13使其不作用，且例如在时刻t1(t1′)时重行开始作用。
当电压Vx超过4.8V时，第二临限值开关15(图3)在时刻t2由第二分压器14(图3)，即由分电压UT2发动(图4d)。当电压Vx在时刻t4降至4.5V以下时(图4d)，第二临限值开关15由第二分压器14即由电压UT2使其不作用。在第二临限值开关作用之期间中，能量变换及能量限制装置10(图3)把输出电压Ua2变换至一较宜之6.4V。此在行驶速度超过约5至7kmph时发生(图4a及4e)。在第二临限值开关之不作用范围内(行驶速度低于3kmph)，能量变换及能量限制装置10把输出电压Ua1变换至4.5V至6V，但宜固定设定于例如5.5V，如图4e所示。
图4a至4e所示之功能—时间图可合并成图5a至5e所示之电压—速度图中。自Ua＝4.5V至Ua＝6.4V之变换发生于约5至7kmph之行驶速度上。
图4a至4e所示之功能—时间图显示(取决于电压＋速度/时间变化(图4a))第一临限值开关13(图4b)，延迟电路17(图4c)，第二临限值开关15(图4d)，及输出电压Ua，即Ua1及Ua2之作用(图4e)。
当临限电压Vx降至约0.8V以下时，延迟电路17启动(换言之，自行车停止)。延迟电路17现在在四分钟之期间中用闸门电路T1及开关S1(图3)把电池4之电压供应至电路节点18，从而至能量变换及能量限制装置10。后者现产生停止灯光用之输出电压。在四分钟时间之终了，开关S1断开，且整个系统从而关掉。如果在延迟期间中，当电压Vx等于0.8V时，第一临限值开关13超过控制信号Vx，则延迟电路17设定回至零，且从此开始正常行驶程序，如以前在“第一临限值开关13”之题目下所述。
总之，此意为当自行车停止时，停止灯至少亮起四分钟。且于重新开始时，照明系统转变，而不中断行驶程序。
电池监视电路19(图3)在充电状态及其作用能力方面监视电池。在电池放电或不能工作时，电池—充电监视电路19可防止电池接至电路节点18，使系统依照图5a(在无停止灯情况下)直接由发电机Ug和能量变换及能量限制装置10来运转及操作，如此确保，防止蓄电池完全放电。
图5a，5b及5c显示由依本发明之自行车照明系统所达成之输出电压Ua之过程。此之过程以一曲线K1之形式显示，该曲线延伸于由阴影线表示之法定标准区域之间。输出电压之过程由Ua1及Ua2标示(图5b)。另一方面，一曲线K2(图5a)显示一普通自行车照明系统之输出电压之过程。停止光区域由参考文字STL标示，并延伸于自零至约5kmph之一速度区域上。
上述之自行车照明系统与发电机系统从而特别具有下所列之优点—发电机具有相当高之效率，它在行驶速度约为5至7kmph时产生4.5W以上之功率输出；—该发电机功率由上变换与下变换之变换装置变换为6.4V，并在约5kmph以上之速度中保持恒定不变；—该能量于是一方面直接用于充电蓄电池，及另一方面用于产生光；—变换装置已自2V开始作用，输入电压自1.5V开始并高至80V(80V相当于约80kmph)；—分配于行驶灯光及停止灯光中之能量比率为1—2∶1，这意味着二单位之行驶灯光及一单位之停止灯光，而与速度无关。此分配比率目前仍完全受蓄电池之充电容量所限制。此比率在扩大充电容量之情况下可大为改变，且例如可为0.5∶1之比率。然而，此种电池仍无供应或具有其他缺点；—自行车照明系统非常符合法定之发电机—行驶功率曲线，标准，及规格，因为可不间断地提供灯光及电池充电用之恒定及充分之能量；—由于变换装置5之能量变换及能量限制装置10之输出电压之有效分配，以在约5kmph以下之速度时提供4.5至6V之输出电压，和提供6.4V之“行驶”电压，故完全满足停止及任何行驶速度用之确实3W之标准；—非常可靠地确保电池充电平衡；—由于整个自行车照明系统之高效率，故达成低得多之骑行阻力。换言之，移动及发动发电机所需之踩踏能量大为降低，但发电机功率增加；—使用空气心线圈于发电机上，可消除磁力波动之形成；—发电机1具有非常低之电感损失，无需滑动接触，故此较佳及较可靠；及—最后，整个磁路(外路和内路)之转动，可消除发电机之磁损失。
图6显示变换装置5之一较佳示范实施例，它由定制之固态集成开关电路50制成，其引线连接外电路或变换电路之控制元件。
由于所有电子功能件均属复杂及昂贵，且由于其构造(此包含集成标准开关电路)需要大量之组件以及相当大之空间，故可在一单芯片ASIC50中灵敏地达成所有功能(数字和模拟功能)。自行车照明系统为一大量生产或大批之物品，故显然大量生产定制之固态集成开关电路50在经济上亦值得。不能集成或不能灵敏地集成之组件，诸如整流器11，变压器T，电容器C1，C2，C3，C4，功率输出晶体管及其他组成部件，皆连接至定制之固态集成开关电路50之引线上，如图6之电路安排所示。
由于设有定制之固态集成开关电路50用于变换装置5之电子功能上，故可使后者非常小巧，它可连同电池4装于一小之外壳中，它可与发电机外壳整装或另外装于其上。
图7可显示依本发明所提出之发电机1之一示范实施例之纵断面，作为一侧装之发电机，包含一整体之电池4及一整体之变换装置5。发电机系统1以已知之方式装于一转臂34上，并包含一上外壳部份30，它覆盖转动之内路及外路，及固定之线圈部分23.1—23.6；及包含一下外壳部份31，它覆盖电池4及变换装置5，此下外壳部份31固定连接于上外壳部分30。线圈节段23.1至23.6与一外壳基部37构成一体，及变换装置5由导销39连接于线圈节段23.1—23.6。诸灯之连接线33置于下外壳部份31之下部中。一感测器S2装于发电机系统中。它可检测整个发电机系统是否处在空载的准备操作或不作用之位置中，并供应一信号至变换装置5(图3)，从而即时中断现有之停止灯光。当发电机系统倾斜离开时，这感测器(图3中S2)用以停止整个自行车照明系统之激励，它装在转臂34之外壳中。由自行车轮驱动之一驱动轮35固定连接于发电机心轴38，它又连接于内路之支持心轴。发电机心轴38以可自由转动之方式安装于一上枢轴承36及一下枢轴承36′中。虽然图7之纵向断面图中所显示之发电机系统被制成一侧装之发电机系统，但本领域技术人员容易知道依本发明所构制之发电机系统之上述特定特性亦适用于一滚子式发电机系统(图8)，或一般式发电机系统。
当然亦可提供发电机系统之另一示范实施例，其中图6所示之变换装置5，其外部组件及电池可与发电机分离，并分开置于自行车上。
权利要求
1.自行车照明系统，包含一发电机系统(1，5)，它包括一发电机(1)，且可由所骑乘之自行车驱动并装于其上；至少一前灯(2)及至少一后灯(3)，二者皆由发电机系统(1，5)供应电力；及一变换装置(5)，它把发电机系统所产生之电力变换为经调节之直流电压，用以产生光及用以充电一蓄电池(4)；其特征在于该发电机系统(1)之被安排及构造的情形为，自约5至7kmph之最低行驶速度开始，它产生一电力，其足以充电电池(4)，同时馈电给前灯(2)及后灯(3)；及该变换装置(5)具有一上变换及下变换功能，且在未到达最低行驶速度时，另由蓄电池(4)供应电力。
2.根据权利要求1所述的自行车照明系统，其特征在于所述变换装置(5)包含一能量变换及能量限制装置(10)及一临限值装置(12至17)，后者检测经整流之发电机输出电压(UeDYN)，从而，当临限值装置测得超过发电机的规定最低电压时，由电池(4)所供应的电压(UBATT)连同经整流的发电机(1)之输出电压(UeDYN)，由一电子开关装置(16)馈送至能量变换及能量限制装置(10)；及能量变换及能量限制装置(10)的输出电压(Ua)在电池工作之期间中在一第一恒定输出电压范围(Ua1)内，及在发电机工作之期间中在一第二恒定输出电压范围(Ua2)内，后者高于第一恒定输出电压范围(Ua1)，及一电池充电装置(20)在一输出充电电压(U0)以上被起动，此电压介于第一恒定输出电压范围(Ua1)与第二恒定输出电压范围(Ua2)之间。
3.根据权利要求2所述的自行车照明系统，其特征在于所述变换装置(5)的第一恒定输出电压范围为自4至6V，宜为自4.5至6V范围，及输出充电电压(U0)宜为6.1V。
4.根据权利要求2或3所述的自行车照明系统，其特征在于所述能量变换及能量限制装置(10)把变换装置(5)之输出恒定地限制在4至6W，宜在4.5至5W。
5.根据权利要求1至4中之一项所述的自行车照明系统，其特征在于所述变换装置(5)另包含一整流电路(11)，用以产生经整流及滤平的发电机输出电压(UDYN)，它供应至能量变换及能量限制装置(10)；一第一分压网路(12，R1，R2)，它把发电机的经整流且与行驶速度成比例之第一输出电压变换为一第一分电压(UT1)，并供应此分电压至一第一临限值开关(13)；一第二分压网路(14，R3，R4)，它把发电机(1)之经整流且与行驶速度成比例之输出电压(UeDYN)变换为一第二分电压(UT2)，并供应此分电压至一第二临限值开关(15)，从而当由第一临限值开关(13)检测到发电机(1)所供应的经整流之电压(UeDYN)已超过第一临限电压时，第一临限值开关(13)借助电子开关装置(16)把电池电压(UBATT)供应至能量变换及能量限制装置(10)，且第二临限值开关把一信号供应至能量变换及能量限制装置(10)，以便把其输出电压从第一恒定输出电压(Ua1)转换成第二恒定输出电压(Ua2)，且每当第二临限值开关(15)测得未到达或超过第二临限电压时，则反之而行；一延迟电路(17)，它连接于第一临限值开关(13)的输出端及电子开关装置(16)，且它在发电机(1)的经整流之输出电压(UeDYN)降至第一临限电压以下时，在一预定时间之终了断开电子开关装置(16)，以便从能量变换及能量限制装置(10)的输入中切断蓄电池(4)的电压(UBATT)；及一电池充电变换器(20)，它在其输出侧上连接于能量变换及能量限制装置(10)，且它亦在电池工作之期间中，保持作用，以充电该电池(4)。
6.根据权利要求1至5中之一项所述的自行车照明系统，其特征在于在发电机系统(1，5)处设有一感测器(S2，32)，它测得处在不工作状态中的发电机系统未准备工作，并供应一信号至变换装置(5)，此信号即时切断现有之停止光。
7.根据前述权利要求之一所述的自行车照明系统，其特征在于所述发电机(1)包含一内路(21)及一外路(22)，二者被安装得可在相同方向上绕一由线圈节段(23.1至23.6)所构成的固定空气心线圈同步转动；及内路(20)与外路(22)各包含n个极(a—f及g—m)，其极距相同。
8.根据权利要求7所述的发电机(1)，其特征在于所述内路(21)包含n个极靴(a—f)，及在每一此内极靴(a—f)处，皆有横向安排之二磁极(M1—M2，M3—M4，M5—M6，M7—M8，M9—M10及M11—M12)成同极性构形。
9.根据权利要求7或8所述的发电机(1)，其特征在于所述外路(22)包含n个外极靴(g—m)，它们与诸内极靴(a—f)相对，并成鼻形伸向后者，外极靴的构造为，各内极靴与相应外极靴间之气隙为磁通之最短路径。
10.根据权利要求7、8或9所述之发电机(1)，其特征在于每一内极靴(a—f)在其中都包含一槽(31—36)，它沿径向延伸，并形成一空气隙，以降低横向靠于各内极靴(a—f)上的相应二磁铁(M1，M2，…)之间的相互干扰。
11.根据权利要求7至10中一项所述的发电机(1)，其特征在于与各内极靴(a—f)邻接的二侧边磁铁之表面积(a1，a2)之和(a1＋a2)大于所述各内极靴(a—f)之周边表面积(b1)。
12.根据权利要求7至11中之一项所述的静电机(1)，其特征在于空气心线圈(23)的电感小于150μH。
13.根据权利要求12所述的发电机(1)，其特征在于所述发电机(1)的空气心线圈(23)的线圈电阻及内阻小于1.5欧。
14.根据权利要求7—13中之一项所述的发电机(1)，其特征在于所述空气心线圈(23)在每极磁场处被分为二相等之线圈节段(23.1至23.6)，它们依正确极性串连。
15.根据权利要7至14中之一项所述的发电机(1)，其特征在于极数n至少为四，但宜为六。
16.根据权利要求7至15中之一项所述的具有发电机(1)之发电机系统(1，5)，其特征在于在行驶速度为3.5至5kmph及负荷电阻为3欧时的功率输出为至少3W，及在行驶速度为7kmph时，为4.5W以上。
17.根据权利要求7至16中之一项所述的具有发电机(1)之发电机系统(1，5)，其特征在于所述发电机所产生之输出电压在速度每变化1kmph时变化约0.8至1.2V。
18.根据权利要求7至15中之一项所述的具有发电机(1)之发电机系统(1，5)，其特征在于所述发电机(1)被制成一侧装之发电机或一滚子式发电机(图8)。
19.根据权利要求7至18中之一项所述的具有发电机(1)之发电机系统(1，5)，其特征在于所述变换装置(5)(图3)包含一专用固态集成开关电路(ASIC 50)(图6)。
20.根据权利要求7至19中之一项所述之具有发电机(1)之发电机系统(1，5)，其特征在于所述变换装置(5)连同蓄电池(4)安排于一与发电机(1)分离的外壳中。
21.根据权利要求18至20中之一项所述之具有发电机(1)之发电机系统(1，5)，其特征在于所述变换装置(5)的分离外壳(31)安装于发电机(1)之外壳(30，37)处。
22.根据权利要求7至19中之一项所述之具有发电机(1)之发电机系统(1，5)，其特征在于所述变换装置(5)及蓄电池(4)与发电机(1)一起安置于具有二部份的一外壳中。
23.根据权利要求7至15中之一项所述之发电机(1)之结构，其特征在于所述磁铁装置及磁路结构之特征被用于一般发电机中。
24.根据权利要求7至15中之一项所述之发电机(1)之结构，其特征在于所述磁铁装置及磁路结构之特征被用于电马达中。
全文摘要
一种创新之自行车照明系统包括一高级性能之发电机系统(1，5)，它含有一发电机(1)及一变换装置(5)，(5)连接于(1)及灯。变换装置(5)把由发电机(1)所产生之电力变换为经调节之直流电压，用以产生光及同时充电一电池。发电机(1)包含一内路(21)及一外路(22)，二者绕一固定的空气心线圈(23)转动，极靴同(23)形成一高效率的发电装置，由此达到至少90％的效率。由此电力输出，确保发电机系统(1，5)自最低行驶速度5kmph开始产生一电能，它足以充电该电池同时供应能量至前灯(2)及后灯(3)。只要不超过此最低行驶速度，则变换装置(5)及前及后灯(2，3)另由电池馈电(停止光)。诸如临限值装置(12-16)及一延迟电路(17)等电子组件确保所提出之自行车照明系统产生约6V的一恒定的照明电压，并可依1-2∶1分配产生光与充电蓄电池(4)所需之能量，基本上不受自约5kmph开始之速度之影响。在电池(4)故障时，发电机(1)用发电机系统(1，5)直接供应光源。
文档编号B62J6/06GK1122121SQ95190020
公开日1996年5月8日 申请日期1995年1月11日 优先权日1994年1月11日
发明者埃德里·施沃勒 申请人:埃德温·施沃勒