DE102007044078A1

DE102007044078A1 - Außenläufer-Elektromotor mit Planetengetriebe, Kraftfahrzeug mit Außenläufer-Elektromotor und Verfahren zum Betreiben eines solchen Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102007044078A1
Application number: DE102007044078A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Höbel
Original assignee: Clean Mobile AG
Current assignee: TQ-SYSTEMS GMBH, DE
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2009-04-02

Abstract

Ein erfindungsgemäßer Elektromotor (25) für ein Kraftfahrzeug weist einen Stator (1) mit vorbestimmten Bereichen (4) für eine Verbindung mit einem Fahrzeugrahmen auf, wobei die Verbindung des Stators (1) mit dem Fahrzeugrahmen beispielsweise durch Verschweißen oder durch Verschrauben erfolgen kann. Der erfindungsgemäße Elektromotor (25) weist ferner einen Rotor (13) auf, wobei der Rotor (13) auf einer Antriebswelle (17) angeordnet sein kann, die im Stator (1) drehbar gelagert ist. Der Elektromotor (25) ist als Außenläufermotor ausgebildet und weist ein Planetengetriebe (26) auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Außenläufer-Elektromotor mit einem Planetengetriebe für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Fahrrad mit Elektroantrieb. Sie betrifft weiter ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Außenläufer-Elektromotor und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Fahrzeugs.
Fahrräder mit einem Elektromotor als Hilfsantrieb weisen üblicherweise ein erstes Antriebsmittel wie eine Kette auf, die das durch den Fahrer über Pedalen bereitgestellte Drehmoment von einem vorderen Kettenrad auf ein hinteres Kettenrad und damit auf die Räder überträgt, und ein zweites Antriebsmittel, das das durch den Elektromotor bereitgestellte Drehmoment auf die Räder des Fahrzeugs überträgt.
Die US 5,570,752 A offenbart ein Fahrrad mit einem Elektromotor, das eine verhältnismäßig komplizierte und aufwendige Getriebekonstruktion für die Übertragung des Drehmoments des Elektromotors aufweist.
Aus der DE 195 22 419 A1 ist ein Fahrrad mit einem als bürstenloser Scheibenläufermotor ausgebildeten Elektromotor bekannt, dessen vorderes Kettenrad als Permanentmagnet ausgebildet ist und den Rotor eines Elektromotors bildet. Im Bereich des Tretlagers ist eine Statorscheibe mit Wicklungen eingeklemmt, die auf den Permanentmagneten wirkt.
Nachteilig ist bei dieser Anordnung, dass zur Abstützung des Drehmoments gegen den Fahrzeugrahmen für einen robusten Betrieb des Fahrzeugs Abstützstifte vorgesehen sein müssen. Ferner ist das Kettenrad durch die Ausführung als Permanentmagnet teuer und schwer und der elektrische Wirkungsgrad ist gering.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein besonders leichtes und kompaktes Fahrzeug mit Elektromotorantrieb anzugeben, das gleichzeitig einen möglichst einfachen und robusten Aufbau und einen guten Wirkungsgrad aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein erfindungsgemäßer Elektromotor für ein Kraftfahrzeug weist einen Stator mit vorbestimmten Bereichen für eine Verbindung mit einem Fahrzeugrahmen auf, wobei die Verbindung des Stators mit dem Fahrzeugrahmen beispielsweise durch Verschweißen oder durch Verschrauben erfolgen kann und die zur Verbindung vorgesehenen Bereiche entsprechend geeignet ausgebildet sind. Der erfindungsgemäße Elektromotor weist ferner einen Rotor auf sowie vorbestimmte Bereiche zur Aufnahme eines Antriebsmittels. Der Elektromotor ist als Außenläufermotor ausgebildet und weist ein Planetengetriebe auf.
Dabei kann der Rotor auch Teil des Planetengetriebes oder einstückig mit einem Teil des Planetengetriebes ausgeführt sein.
Der Außenläufermotor weist einen radialen Aufbau aus einer zentralen Welle, die in einer Lageraufnahme des Stators gelagert ist. An die Lageraufnahme schließen sich in radialer Richtung die Elektromagneten des Stators an, die ferromagnetische Joche mit Wicklungen aufweisen, wobei die Wicklungen derart angeordnet sind, dass ihre Längsachse radial ausgerichtet ist und sie somit ein ebenfalls radial ausgerichtetes Magnetfeld erzeugen. An die Jochabschlüsse der Joche wiederum schließen sich in radialer Richtung eine Vielzahl von Permanentmagneten des Rotors an, die auf der Innenseite eines den Stator umgebenden Rings angeordnet sind und die den Jochabschlüssen gegenüberliegen.
In einer Ausführungsform ist der Rotor auf einer Antriebswelle angeordnet, die im Stator drehbar gelagert ist. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet, wenn der Elektromotor zum Einbau in ein Fahrrad vorgesehen ist. In diesem Fall können Kurbeln mit Pedalen an der Antriebswelle angreifen und der erfindungsgemäße Elektromotor weist den Vorteil auf, dass er platzsparend im Bereich des Tretlagers in den Rahmen fest integrierbar ist und als integraler Bestandteil des Fahrzeugrahmens ausgebildet sein kann und somit robust und besonders stabil ist.
Falls der Elektromotor zum Einbau in ein Motorrad oder Kraftrad vorgesehen ist, das keine auf einer Kurbel angeordneten Pedalen für den Fahrer aufweist, gibt es einerseits die Möglichkeit, eine gegebenenfalls verkürzte Antriebswelle vorzusehen, auf der beispielsweise ein Ritzel zur Aufnahme einer Kette, ein Kardanritzel zur Aufnahme einer Kardanwelle oder eine Riemenscheibe zur Aufnahme eines Zahnriemens montiert wird. Andererseits gibt es auch die Möglichkeit, keine Antriebswelle vorzusehen, sondern einen vorbestimmten Bereich für die Aufnahme eines Antriebsmittels, also ein Ritzel oder eine Riemenscheibe, direkt mit Teilen des Planetengetriebes zu verbinden. Auch in dieser Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Elektromotor als integraler Bestandteil des Rahmens und damit besonders stabil ausgebildet sein.
Beispielsweise kann der Stator mit Rahmenrohren des Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrrads oder Motorrads, verschraubt oder verschweißt sein. Eine separate Abstützung des Drehmoments ist somit nicht erforderlich.
Ferner weist der erfindungsgemäße Elektromotor den Vorteil auf, dass er verhältnismäßig platzsparend und kompakt ausgeführt sein kann aufgrund der günstigen Geometrie des Elektromotors, die eine Vielzahl kleiner Permanentmagnete anstelle einer massiven Scheibe vorsieht. Außenläufermotoren weisen ein verhältnismäßig großes Trägheitsmoment auf, das sich in der vorliegenden Anwendung sehr vorteilhaft auf die Laufruhe des Fahrzeugs auswirkt.
Durch das Planetengetriebe kann eine Über- oder Untersetzung realisiert werden. Es kann auch ein schaltbares Planetengetriebe vorgesehen sein. Insbesondere kann es ermöglicht werden, sowohl das von einem Fahrer durch Treten verursachte Drehmoment als auch das durch den Elektromotor bereitgestellte Drehmoment gleichzeitig auf die Räder des Fahrzeugs übertragen zu lassen, obwohl die Trittfrequenz des Fahrers sich von der Frequenz des Elektromotors unterscheidet. Dadurch ist es möglich, trotz einer normalen Trittfrequenz des Fahrers den Elektromotor in einem Frequenzbereich zu betreiben, der einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweist oder sonst günstig ist. Im Allgemeinen wird dabei der Motor mit einer deut lich höheren Frequenz als der Trittfrequenz des Fahrers betrieben.
Verschiedene Ausführungsformen des Planetengetriebes sind denkbar. In einer Ausführungsform ist ein Steg des Planetengetriebes fest mit dem Stator des Elektromotors verbunden. Dabei ist es entweder möglich, dass das Hohlrad des Planetengetriebes fest mit dem Rotor verbunden ist oder dass das Sonnenrad des Planetengetriebes fest mit den Rotor verbunden ist.
In einer anderen Ausführungsform ist das Sonnenrad des Planetengetriebes fest mit dem Stator verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist entweder das Hohlrad oder der Steg des Planetengetriebes fest mit den Rotor verbunden. Bei dieser Ausgestaltung ist die Antriebswelle, sofern sie vorhanden ist, vorteilhafterweise in einer Hohlwelle gelagert.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Hohlrad des Planetengetriebes fest mit dem Stator verbunden. Dabei ist entweder das Sonnenrad oder der Steg des Planetengetriebes fest mit dem Rotor verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor als elektronisch kommutierter Gleichstrom-Außenläufermotor ausgebildet. Energiespeicher wie Akkumulatoren zum Betreiben des Elektromotors können im Bereich des Hinterrades oder hinter einem Sitz des Fahrers vorgesehen sein. In dieser Ausführungsform ist der Elektromotor bürstenlos ausgebildet und der Rotor weist eine Anzahl von Permamentmagneten auf. Bürstenlose Elektromotoren haben den Vorteil, dass sie eine höhere Lebensdauer und eine höhere Effizienz aufweisen als solche mit einem Bürstensystem. Durch die Vermeidung des sogenannten Bürstenfeuers wird eine Reduktion hochfrequenter elektromagnetischer Störungen erreicht.
Die Bereiche zur Aufnahme eines Antriebsmittels sind beispielsweise als Ritzelkranz oder als Zahnriemenscheibe ausgebildet. Vorzugsweise sind die Bereiche zur Aufnahme des Antriebsmittels fest mit der Antriebswelle oder mit Bereichen des Planetengetriebes angeschraubt.
An den Enden der Antriebswelle sind in einer Ausführungsform Kurbeln mit Pedalen befestigbar. Der Elektromotor wird somit in das Tretlager des Fahrrads integrierbar beziehungsweise Teile des Elektromotors bilden das Tretlager, und der Elektromotor und die durch die Kraft des Fahrers bewegten Pedalen greifen an derselben Welle an. Dadurch ist der erfindungsgemäße Elektromotor besonders einfach und kompakt aufgebaut.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Antriebswelle in einem Übergangsbereich zum Rotor eine Freilaufeinrichtung auf. Das hat den Vorteil, dass ein Rollen des Fahrzeugs auch ohne eine gleichzeitige Rotation der Antriebswelle möglich ist, so dass der Fahrer nicht ständig treten muss. Der Freilauf wird daher zweckmäßigerweise vorgesehen, wenn der Elektromotor für ein Fahrrad eingesetzt wird.
Der Rotor weist in einer Ausführungsform einen Durchmesser D auf mit 250 mm ≤ D ≤ 350 mm. Die Höhe h des Rotors beträgt beispielsweise 30 mm ≤ h ≤ 60 mm. Damit ist der Elektromotor kompakt genug, um im Bereich des Tretlagers zwischen den Pedalkurbeln des Fahrzeugs und damit auch etwa im Schwerpunkt des Fahrzeugs angeordnet zu werden.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Fahrrad mit einem Elektromotor oder ein Motorrad, weist den erfindungsgemäßen Elektromotor auf, wobei der Stator des Elektromotors mit Rahmenrohren des Kraftfahrzeugs verbunden ist und eine Antriebswelle durch ein Antriebsmittel mit einem Rad des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Der Stator kann an Rahmenrohre des Fahrzeugs angeschweißt oder angeschraubt sein. In jedem Fall ist er stabil mit dem Fahrzeugrahmen verbunden und benötigt somit keine Drehmomentabstützung gegen des Fahrradrahmen.
Vorteilhafterweise ist der Ritzelkranz fest mit der Antriebswelle und entweder mit dem Steg oder dem Sonnenrad oder dem Hohlrad des Planetengetriebes verbunden.
Auf den Enden der Antriebswelle sind in einer Ausführungsform Kurbeln mit Pedalen befestigt. Somit kann der Elektromotor im Bereich des Tretlagers eines Fahrrads befestigt sein und dieses ersetzen, wobei der Motor und der Fahrer an der gleichen Antriebswelle angreifen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem als Außenläufermotor ausgebildeten Elektromotor mit einem Planetengetriebe weist folgende Schritte auf: Es wird ein Stator des Elektromotors bereitgestellt mit Wicklungen zur Erzeugung von Magnetfeldern in radialer Richtung, wobei die Wicklungen Anschlüsse für eine Versorgungsspannung aufweisen. Außerdem wird ein Rotor des Elektromotors mit Permanentmagneten bereitgestellt, wobei die Permanentmagnete derart angeordnet werden, dass sie den Wicklungen in Bezug auf eine Drehachse des Rotors in radialer Richtung gegenüberliegen. Die Versorgungsspannung wird derart geschaltet, dass das mittels der stromdurchflossenen Wicklungen erzeugte Magnetfeld eine Anziehungskraft auf die Permanentmagneten des Rotors und damit ein Drehmoment auf den Rotor ausübt.
Zum Schalten der Versorgungsspannung wird vorteilhafterweise ein elektronischer Kommutator verwendet, so dass der Elektromotor bürstenlos ausgeführt werden kann. Die Versorgungsspannung wird beispielsweise durch einen Hallsensor oder durch Auswerten von Induktionsströmen in den Wicklungen getriggert wird. Auf diese Weise ist eine sehr genaue Triggerung der Versorgungsspannung sichergestellt, so dass auch hohe Drehzahlen des Elektromotors möglich sind.
Einer der mehreren der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken beinhaltet, dass die Tragebereiche des Stators, die z. B. als Platte oder als Gitterplatte ausgebildet sein können, einen integralen bzw. selbsttragenden Bestandteil des Fahrzeugrahmens darstellen. Dadurch lässt sich der erfindungsgemäße Elektromotor besonders gut und einfach in ein Fahrzeug integrieren. Anders als im Stand der Technik, wo umständliche zusätzliche Bauteile vorgesehen werden müssen, fügt sich der erfindungsgemäße Elektromotor in ein Rahmenkonzept ein, wobei vorteilhafterweise in einer besonderen Ausgestaltung eine Ausgangswelle des Elektromotors als Tretlagerachse beispielsweise für ein mit Kurbeln angetriebenes Fahrzeug ausgeführt sein kann.
Falls eine Hinterradfederung für das Fahrzeug mit Hilfe einer Schwinge vorgesehen ist, wie dies beispielsweise bei Motorrädern üblich ist, ist der erfindungsgemäße Elektromotor vorteilhafterweise derart angeordnet, dass seine Drehachse, das hießt die Drehachse des Rotors beziehungsweise die Antriebswelle, mit der Drehachse der Schwinge zusammenfällt oder zumindest eng in deren Bereich liegt. Dabei können die Arme der Schwinge gegebenenfalls auch auf beiden Seiten des Fahrzeugs an der Antriebwelle angreifen.
Mit der bestehenden Ausgestaltung können auch Elektromotoren mit wesentlich höherem Wirkungsgrad als im Stand der Technik bereit gestellt werden.
In einer Ausführungsform lassen sich dabei radial am Umfang des Rotors angeordnete Dauermagnete vorsehen, die von den ebenfalls radial vorgesehenen Spulen des Stators mit einer elektromagnetischen Kraft beaufschlagt werden. Radial am Umfang vorgesehene Dauermagnete und entsprechende Joche von Elektromagneten bewähren sich besonders, weil bei diesen die Spaltbreite nur im sehr geringen Ausmaß schwankt, was einen hohen Wirkungsgrad bereit stellt. Bei den im Stand der Technik bekannten Elektromotoren unterliegt die Spaltbreite zwischen Stator und Rotor wesentlich größeren Schwankungen.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Wesentlichen mit Dauermagneten am Rotor und mit elektromagnetischen Spulen am Stator beschrieben. Ebenso ist es möglich, Dauermagnete am Stator vorzusehen und diese mit Elektromagneten am Rotor zu betätigen, was einen höheren Schaltungsaufwand bedeutet. Daneben können auch Elektromagnete sowohl am Stator als auch am Rotor vorgesehen werden, ohne einen weiteren der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Stator eines erfindungsgemäßen Elektromotors für ein Fahrrad gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Rotor eines erfindungsgemäßen Elektromotors;
3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform;
4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform;
5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer dritten Ausführungsform;
6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer vierten Ausführungsform;
7 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer fünften Ausführungsform;
8 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer sechsten Ausführungsform und
9 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer siebten Ausführungsform.
Die 1 und 2 illustrieren das Prinzip des Stators und des Rotors des erfindungsgemäßen Elektromotors. Sie zeigen der Übersichtlichkeit halber nicht das Planetengetriebe, das ebenfalls Teil des erfindungsgemäßen Elektromotors ist.
Der Statur 1 des erfindungsgemäßen Außenläufer-Elektromotors, der in 1 schematisch in Draufsicht gezeigt ist, weist eine Platte 2 auf, die in dieser Ausführungsform integraler Bestandteil des Rahmens eines nicht näher dargestellten Fahrrads ist, von dem in der 1 lediglich Abschnitte von drei Rahmenrohren 3 gezeigt sind. Die Platte 2 weist an ihrem äußeren Rand Bereiche 4 auf, die zur Befestigung an den Rahmenrohren 3 vorgesehen sind. Jeder Bereich 4 ist in dieser Ausführungsform als rechteckiger Flanschträger ausgebildet.
Die Platte 2 des Stators 1 weist innen eine Lageraufnahme 8 mit einem Kugellager 12 auf. Das Kugellager 12 umfasst einen Außenring 9, einen Innenring 11 und zwischen dem Außenring 9 und dem Innenring 11 angeordnete Kugeln 10. Der Innenring 11 umschließt eine Öffnung 24, die einen Durchmesser d_i aufweist. Die Öffnung 24 ist zur Aufnahme einer in der 1 nicht gezeigten Antriebswelle vorgesehen. d_i kann zum Beispiel 20 mm betragen.
Die Lageraufnahme 8 des Stators 1 wird von dem Basisring 5 umschlossen, der die Joche 6 des Stators 1 trägt. Die Joche 6 sind jeweils mit Wicklungen 7 versehen, die über hier nur schematisch dargestellte Zuleitungen 23 mit Strom versorgt werden. Die Joche 6 mit den Wicklungen 7 erstrecken sich radial von dem Basisring 5 nach außen und weisen sich radial an die Wicklungen 7 anschließende Jochabschlüsse 34 auf. An die Jochabschlüsse schließt sich ebenfalls in radialer Richtung ein Laufbereich 35 für den in 1 nicht gezeigten Rotor des Elektromotors an.
In der 1 sind lediglich wenige Joche 6 gezeigt. Für ein ruhiges Laufverhalten des Fahrrads und zur Bereitstellung eines hohen Drehmoments ist jedoch eine weitaus größere Zahl von Jochen 6 mit Wicklungen 7 vorgesehen.
2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Rotor 13 des erfindungsgemäßen Elektromotors. Der Rotor 13 weist eine Topfform mit einem Boden 14 und einem Rand 15 auf. Der Rotor 13 weist einen Durchmesser D auf mit 250 mm ≤ D ≤ 350 mm.
An der Innenseite 26 des Randes 15 ist eine Vielzahl von Permanentmagneten 16 angeordnet. Die Permanentmagnete 16 sind derart angeordnet, dass ihre Polung in der Richtung des Umfangs des Rotors 13, die durch den Pfeil 36 angedeutet ist, wechselt.
Der Rotor 13 ist in dieser Ausführungsform auf der Antriebswelle 17 des Fahrrads gelagert. Die Antriebswelle 17 weist einen Durchmesser da auf, der beispielsweise 20 mm betragen kann. Die Antriebswelle 17 weist an jedem ihrer Enden Vierkantverbindungen 18 zur Anbringung einer Kurbel 19 für eine Pedale 20 auf. Anstelle der Vierkantverbindung 18 kann selbstverständlich auch eine Sechskantverbindung oder eine Vielzahlverbindung oder Ähnliches eingesetzt werden. Die Pedalen sind dabei mittels eines Befestigungselements 21 wie einer Schraube an den Kurbeln 19 befestigt.
Die 3 bis 8 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen eines Elektromotor gemäß der Erfindung.
3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform des Elektromotors 25 mit dem im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen Rotor 13 und Stator 1.
Der Elektromotor 25 weist ein Planetengetriebe 26 auf, das sich in ein Sonnenrad 27, über einen Steg 31 verbundene Planetenräder 28 und ein Hohlrad 29 gliedert. In der in 3 gezeigten Ansicht ist nur ein Planetenrad 28 zu sehen, es können aber mehrere vorhanden sein.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist der Steg 31 fest mit dem Stator 1 des Elektromotors 25 verbunden. Damit ist das Zentrum 32 des Planetenrads 28 in Bezug auf den Stator 1 in Ruhe. Der Zahnkranz 33 des Planetenrads 28 ist am Zentrum 32 gelagert, in den Zahnkranz 33 greift das Sonnenrad 27 ein, das fest auf der Antriebswelle 27 montiert ist. Das Hohlrad 29, in das der Zahnkranz 33 des Planetenrads 28 ebenfalls eingreift, ist fest mit dem Boden 14 des Rotors 13 verbunden.
Zur Montage des erfindungsgemäßen Elektromotors wird beispielsweise folgendermaßen vorgegangen: Die Platte 2 des Stators 1 wird in den dazu vorgesehenen Bereichen 4 mit dem Rahmen eines Fahrrads verbunden, in dem er beispielsweise, wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, mit den Rahmenrohren 3 verschweißt wird. Anschließend wird das Kugellager 12 in der Lageraufnahme 8 montiert und die Joche 6 mit den Jochabschlüssen 34 und den Wicklungen 7 werden am Basisring 5 mit der Lageraufnahme 8 verbunden.
Ferner wird der Rotor 13 mit den an der Innenseite seines Randes 15 angebrachten Permanentmagneten 16 und dem mit dem Boden 14 verbundenen Hohlrad 29 bereitgestellt. Der Rotor 13 wird in den in dieser Ausführungsform topfförmigen Stator 1 eingesetzt und mit diesem durch Einführen der Antriebswelle 17 mit dem mit der Antriebswelle 17 fest verbundenen Sonnenrad 27 in die Öffnung im Innenring mit dem Kugellager 12 und mit dem Kugellager 9 des Rotors 13 verbunden. Dabei kommt der Rand 15 mit den Permanentmagneten 16 im Laufbereich 35 des Stators 1 zu liegen. Schließlich wird der Steg 31 mit den Planetenrädern 28 zwischen Hohlrad 29 und Sonnenrad 27 eingesetzt und der Steg 31 wird mit dem Stator 1 fest verbunden.
Abschließend werden die Kurbeln mit den Pedalen auf der Antriebswelle 17 montiert.
Es ist auch möglich, den Elektromotor 25 zunächst durch Einsetzen des Rotors 13 in den Stator 1 zusammenzufügen und erst danach mit den Rahmenrohren 3 zu verbinden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Verbindung der Platte 2 des Stators 1 mit den Rahmenrohren 3 durch Verschrauben und nicht durch Verschweißen erfolgt.
Im Betrieb sind die Wicklungen 7 von einem elektrischen Strom durchflossen und stellen ein Magnetfeld bereit, das durch die Wechselwirkung mit den Permanentmagneten 16 des Rotors 13 ein Drehmoment erzeugt. Dazu wird die den Strom durch die Wicklungen bereitstellende Spannung in jedem Moment so geschaltet, dass die Permanentmagnete 16 von dem in Richtung des Umfangs des Rotors 13 jeweils folgenden Jochabschluss 34 angezogen werden, während sie durch den gerade passierten Jochabschluss 34 abgestoßen werden.
Zum Schalten der Versorgungsspannung für die Wicklungen 7 kann ein elektronischer Kommutator verwendet werden. Das Triggern der Spannung erfolg dabei beispielsweise kontaktlos durch einen Hallsensor oder durch Auswerten von Induktionsströmen in den Wicklungen.
Auf diese Weise stellt der Rotor 13 eine Drehbewegung bereit, die er durch das mitdrehende Hohlrad 29 über die Planetenräder 28 und das Sonnenrad 27 auf die Antriebswelle 17 überträgt. Ein Fahrer des Fahrrads kann mittels der Pedalen ein Drehmoment ebenfalls auf die Antriebswelle 17 übertragen.
Das Drehmoment wird dann über den fest auf der Antriebswelle 17 montierten Ritzelkranz 22 mittels einer nicht gezeigten Kette auf die Räder des Fahrrads übertragen. In einer nicht gezeigten Ausführungsform ist anstelle des Ritzelkranzes eine Zahnriemenscheibe vorgesehen und anstelle einer Kette ein Zahnriemen. Es kann bei dieser und den übrigen Ausführungsformen auch eine Freilaufeinrichtung mit Sperrklingen oder Klemmrollen vorgesehen sein. Dies hat den Vorteil, dass es aufgrund des Freilaufs für den Fahrer nicht notwendig ist, ständig die Pedalen zu betätigen, sondern die Rotation der Antriebswelle 17 kann auch von der Bewegung der Pedalen abgekoppelt werden, so dass ein Antrieb des Fahrrads allein über den Elektromotor 25 ohne eine Unterstützung durch den Fahrer stattfindet.
An dieser Ausführungsform ist vorteilhaft, dass die Drehgeschwindigkeit des Hohlrads 29 und damit des Rotors 13 größer ist als die der Antriebswelle 17. Bei einer normalen Trittfrequenz des Fahrers ist es somit möglich, den Elektromotor 25 mit einer höheren Frequenz zu betreiben als die Trittfrequenz. Bei manchen Anwendungen kann es jedoch bei dieser und den weiteren Ausführungsformen auch vorteilhaft sein, umgekehrt durch das Planetengetriebe eine Übersetzung zu erzielen, so dass der Elektromotor mit einer Frequenz betrieben werden kann, die niedriger ist als die Trittfrequenz. Dabei kann das gewünschte Verhältnis der Frequenzen sehr flexibel durch eine geeignete Wahl der Durchmesser von Sonnenrad 27, Planetenrad 28 und Hohlrad 29 eingestellt werden.
Zudem ist vorteilhaft, dass das Planetengetriebe 26 in dieser Ausführungsform besonders einfach aufgebaut und somit leicht und robust ist und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors 25. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die Anordnung der das Planetengetriebe 26 bildenden Elemente. In dieser Ausführungsform ist das Sonnenrad 27 fest durch Schweißnähte 11 mit einer Hohlwelle 10 verbunden, die wiederum am Boden 2 des Stators 1 angeschweißt ist. Mit der Hohlwelle 10 fest verbunden ist auch der Basisring 5 für die Joche 6. Somit ist in dieser Ausführungsform das Sonnenrad 27 im System des Stators 1 in Ruhe.
Der Rotor 13 ist mittels des Kugellagers 9 an der Hohlwelle gelagert und im Übrigen so aufgebaut wie im ersten Ausführungsbeispiel. Der Boden 14 des Rotors 13 ist fest mit dem Hohlrad 29 verbunden.
In das Hohlrad 29 und das Sonnenrad 27 greift das Planetenrad 28 ein, das mit seinem Zentrum 32 drehbar auf dem Steg 31 gelagert ist. Der Steg 31 ist fest mit der Antriebswelle 17 verbunden. Somit überträgt der Steg 31 seine Drehbewegung direkt auf die Antriebswelle 17, auf der wiederum Kurbeln 19 für Pedalen befestigt sind. Beim Betrieb dieser Ausführungsform des Fahrrads dreht das mit dem Rotor 13 fest verbundene Hohlrad 29 mit der gleichen Frequenz, mit der sich der Rotor 13 dreht. Das Planetenrad 28, das zwischen Hohlrad 29 und feststehendem Sonnenrad 27 abrollt, überträgt das Drehmoment auf den Steg 31, an dem das Drehmoment über die feste Verbindung mit der Antriebswelle 17 abgegriffen wird. Auf der Antriebswelle 17 ist ein Ritzelkranz 22 montiert, der mittels eines nicht gezeigten Antriebsmittels das Drehmoment weiter auf die Räder des Fahrrads überträgt.
An dieser Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, dass die Drehgeschwindigkeit des Hohlrads 29 und damit des Rotors 13 größer ist als die des Stegs 31 und damit der Antriebswelle 17. Bei einer normalen Trittfrequenz des Fahrers ist es somit auch bei dieser Ausführungsform möglich, den Elektromotor 25 mit einer höheren Frequenz zu betreiben als die Trittfrequenz. Dabei kann das gewünschte Verhältnis der Frequenzen sehr flexibel durch eine geeignete Wahl der Durchmesser von Sonnenrad 27, Planetenrad 28 und Hohlrad 29 eingestellt werden. Zudem ist vorteilhaft, dass wegen des Wegfalls des Kugellagers 12 mehr Platz für den Stator vorhanden ist, so dass die Joche 6 länger ausgestaltet und mit mehr Wicklungen 27 versehen werden können.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors 25. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten und der zweiten Ausführungsform durch die Anordnung der das Planetengetriebe 26 bildenden Elemente. In dieser Ausführungsform ist wie in der ersten Ausführungsform das Hohlrad 29 fest mit dem Stator 1 verbunden und somit im System des Stators 1 in Ruhe.
Das Sonnenrad 27 ist mit einer Hohlwelle 10 fest verbunden oder einstückig mit dieser ausgeführt. Die Hohlwelle 10 wie derum ist fest mit dem Boden 14 des Rotors 13 verbunden. Das Sonnenrad 27 dreht sich somit mit der Frequenz des Rotors 13.
In der Hohlwelle 10 ist die Antriebswelle 17 drehbar gelagert, die über den Ritzelkranz 22 mit dem Steg 31 verbunden ist. Der Steg 31 ist mittels eines Kugellagers 24 an der Hohlwelle 10 gelagert. Bei dieser Ausführungsform wird somit das Drehmoment wie in der zweiten Ausführungsform am Steg 31 abgegriffen.
Bei dieser Ausführungsform ist vorteilhaft, dass die Drehgeschwindigkeit des Sonnenrads 27 und damit des Rotors 13 größer ist als die des Stegs 31 und damit der Antriebswelle 17. Bei einer normalen Trittfrequenz des Fahrers ist es somit auch bei dieser Ausführungsform möglich, den Elektromotor 25 mit einer höheren Frequenz zu betreiben als die Trittfrequenz. Dabei kann das gewünschte Verhältnis der Frequenzen sehr flexibel durch eine geeignete Wahl der Durchmesser von Sonnenrad 27, Planetenrad 28 und Hohlrad 29 eingestellt werden.
6 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors 25. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den bereits beschriebenen Ausführungsformen durch die Anordnung der das Planetengetriebe 26 bildenden Elemente. In dieser Ausführungsform ist symmetrisch auf beiden Seiten des Elektromotors 25 ein Planetengetriebe 26 angeordnet. Dazu weist der Stator 1 einen dem Boden 2 gegenüber liegenden Deckel 36 auf.
In dieser Ausführungsform ist jeweils der Steg 31 fest mit dem Boden 2 bzw. dem Deckel 36 des Stators 1 verbunden und somit im System des Stators 1 in Ruhe. Das Sonnenrad 27 ist fest mit dem Boden 14 des Rotors 13 verbunden und dreht sich somit mit derselben Frequenz wie der Rotor 13. Die Antriebswelle 17 ist in dieser Ausführungsform nicht durchgehend ausgeführt, sondern auf jeder Seite für das Planetengetriebe 26 unterbrochen. Das Sonnenrad 27 greift auf jeder Seite in den Zahnkranz 33 des Planetenrads 28 ein, dass in dem Hohlrad 29 abrollt. Das Hohlrad 29 ist jeweils fest mit einem Ritzelkranz 22 verbunden.
Bei dieser Ausführungsform ist vorteilhaft, dass die Drehgeschwindigkeit des Sonnenrads 27 und damit des Rotors 13 größer ist als die des Stegs 31 und damit der Antriebswelle 17. Bei einer normalen Trittfrequenz des Fahrers ist es somit auch bei dieser Ausführungsform möglich, den Elektromotor 25 mit einer höheren Frequenz zu betreiben als die Trittfrequenz. Dabei kann das gewünschte Verhältnis der Frequenzen sehr flexibel durch eine geeignete Wahl der Durchmesser von Sonnenrad 27, Planetenrad 28 und Hohlrad 29 eingestellt werden.
Zudem sind der Elektromotor 25 und insbesondere das Planetengetriebe 26 in dieser Ausführungsform zwar relativ aufwendig, allerdings auch symmetrisch ausgeführt und somit gut ausbalanciert.
7 zeigt eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors 25. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den bereits beschriebenen Ausführungsformen durch die Anordnung der das Planetengetriebe 26 bildenden Elemente. In dieser Ausführungsform ist das Hohlrad 29 fest mit dem Stator 1 verbunden und somit im System des Stators 1 in Ruhe.
Das Sonnenrad 27 ist fest mit der Antriebswelle 17 verbunden bzw. einstückig mit dieser ausgeführt. Die Antriebswelle 17 ist fest mit dem Boden 14 des Rotors 13 verbunden und dreht sich somit mit der gleichen Frequenz wie der Rotor 13.
Am Steg 31 beziehungsweise am Zentrum 32 des Planetenrads 28 ist ein Ritzelkranz 22 montiert, über den das Drehmoment mittels eines nicht dargestellten Antriebsmittels auf die Räder des Fahrrads übertragen wird.
Bei dieser Ausführungsform ist vorteilhaft, dass das Planetengetriebe besonders einfach und damit leicht und robust aufgebaut ist. Der Rotor 13 ist fest mit der Antriebswelle 17 verbunden, auf der auch die hier nicht gezeigten Kurbeln mit Pedalen für den Fahrer montiert sind. Somit entspricht die Trittfrequenz des Fahrers in dieser Ausführungsform der Frequenz des Rotors 13.
Durch die Verbindung des Ritzelkranzes 22 mit dem Zentrum 32 des Planetenrads 28 und damit mit dem Steg 31 findet zwischen Sonnenrad 27 und Ritzelkranz 22 eine Untersetzung statt, die durch eine geeignete Wahl der Durchmesser von Sonnenrad 27, Planetenrad 28 und Hohlrad 29 eingestellt werden kann.
8 zeigt eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors 25. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den bereits beschriebenen Ausführungsformen durch die Anordnung der das Planetengetriebe 26 bildenden Elemente. In dieser Ausführungsform ist das Sonnenrad 27 fest mit einer Hohlwelle 10 verbunden oder einstückig mit dieser ausgeführt. Die Hohlwelle 10 selbst ist fest mit dem Boden 2 des Stators 1 verbunden. Das Sonnenrad 27 ist somit im System des Stators 1 in Ruhe.
Der Rotor 13 ist mittels des Kugellagers 9 an der Hohlwelle 10 gelagert. Der Boden 14 des Rotors 13 ist fest mit dem Steg 31 verbunden.
In das Hohlrad 29 und das Sonnenrad 27 greift das Planetenrad 28 ein, das mit seinem Zentrum 32 drehbar auf dem Steg 31 gelagert ist. Das Hohlrad 29 ist fest mit der Antriebswelle 17 verbunden. Somit überträgt der Rotor 13 seine Drehbewegung über den Steg 31 auf das Planetenrad 28, das wiederum in das fest stehende Sonnenrad 27 und in das Hohlrad 29 eingreift und somit über das Hohlrad 29 auf die Antriebswelle 17 wirkt.
Der in dieser Figur nicht gezeigte Ritzelkranz kann beispielsweise außen am Hohlrad 29 befestigt oder direkt auf der Antriebswelle 17 montiert sein.
Bei dieser Ausführungsform entspricht entweder die Frequenz des Rotors 13 derjenigen des Hohlrads 29 und damit der Trittfrequenz des Fahrers, oder, falls der Ritzelkranz auf dem Planetenrad 28 montiert wird, die Frequenz des Rotors ist geringer als die Trittfrequenz des Fahrers. Im letzteren Fall ist der Elektromotor nur für speziellere Anwendungen geeignet.
Vorteilhaft ist an der sechsten Ausführungsform, dass wie in der zweiten Ausführungsform viel Platz für den Rotor 13 vorhanden ist und somit die Joche 6 mit den Wicklungen 7 besonders groß ausgeführt werden können.
9 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer sechsten Ausführungsform, die im wesentlichen der dritten Ausführungsform gemäß 5 entspricht. Der Unterschied besteht darin, dass die Antriebswelle 17 leicht verkürzt und nicht zur Aufnahme von Kurbeln mit Pedalen vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform ist der Elektromotor besonders zum Antrieb eines Kraftrads geeignet. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen wie beispielsweise die gemäß den 6 bis 8 für den Einsatz an einem Kraftrad geeignet, das keine Kurbeln mit Pedalen aufweist.

1: Stator
2: Platte
3: Rahmenrohr
4: Bereiche
5: Basisring
6: Joch
7: Wicklungen
8: Lageraufnahme
9: Kugellager
10: Hohlwelle
11: Schweißnaht
12: Kugellager
13: Rotor
14: Boden
15: Rand
16: Permanentmagnet
17: Antriebswelle
18: Vierkantverbindung
19: Kurbel
20: Pedale
21: Befestigungselement
22: Ritzelkranz
23: Zuleitung
24: Kugellager
25: Elektromotor
26: Planetengetriebe
27: Sonnenrad
28: Planetenrad
29: Hohlrad
31: Steg
32: Zentrum
33: Zahnkranz
34: Jochabschluss
35: Laufbereich
36: Deckel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5570752 A [0003]
- DE 19522419 A1 [0004]

Claims

Elektromotor (25) für ein Kraftfahrzeug, der folgendes aufweist: – einen Statur (1) mit vorbestimmten Bereichen (4) für eine Verbindung mit einem Fahrzeugrahmen; – einen Rotor (13); – vorbestimmte Bereiche zur Aufnahme eines Antriebsmittels; – ein Planetengetriebe (26); – der Elektromotor (25) ist als Außenläufermotor ausgebildet.
Elektromotor nach Anspruch 1, wobei der Rotor (13) auf einer Antriebswelle (17) angeordnet ist, die im Stator (1) drehbar gelagert ist.
Elektromotor nach Anspruch 2, wobei die Antriebswelle (17) in einer Hohlwelle (10) gelagert ist.
Elektromotor (25) nach Anspruch 2 oder 3, wobei an den Enden der Antriebswelle (17) Kurbeln (19) mit Pedalen (20) befestigbar sind.
Elektromotor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Antriebswelle (17) in einem Übergangsbereich zum Rotor (13) eine Freilaufeinrichtung (33) aufweist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Steg (31) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Statur (1) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 6, wobei ein Hohlrad (29) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Rotor (13) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 6, wobei ein Sonnenrad (27) des Planetengetriebes (26) fest mit den Rotor (13) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Sonnenrad (27) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Stator (1) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 9, wobei ein Hohlrad (29) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Rotor (13) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 9, wobei ein Steg (31) des Planetengetriebes (26) fest mit den Rotor (13) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Hohlrad (29) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Stator (1) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 12, wobei ein Sonnenrad (27) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Rotor (13) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 12, wobei ein Steg (31) des Planetengetriebes (26) fest mit den Rotor (13) verbunden ist.
Elektromotor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Elektromotor (25) als elektronisch kommutierter Gleichstrom-Außenläufermotor ausgebildet ist.
Elektromotor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Elektromotor (25) bürstenlos ausgebildet ist und der Rotor (13) eine Anzahl von Permanentmagneten (16) aufweist.
Elektromotor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Bereiche zur Aufnahme eines Antriebsmittels als Ritzelkranz (22) ausgebildet sind.
Elektromotor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Bereiche zur Aufnahme eines Antriebsmittels als Zahnriemenscheibe ausgebildet sind.
Elektromotor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Bereiche zur Aufnahme eines Antriebsmittels als Kardanritzel ausgebildet sind.
Elektromotor (25) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Bereiche zur Aufnahme des Antriebsmittels fest mit der Antriebswelle (17) oder mit Bereichen des Planetengetriebes (26) verbunden sind.
Elektromotor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei der Rotor (13) einen Durchmesser D aufweist mit 250 mm ≤ D ≤ 350 mm.
Elektromotor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Rotor (13) eine Höhe aufweist mit 30 mm ≤ h ≤ 60 mm.
Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei der Stator (1) des Elektromotors (25) mit Rahmenrohren (3) des Kraftfahrzeugs und ein Ritzelkranz (22) des Elektromotors (25) durch ein Antriebsmittel mit einem Rad des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 23, wobei das Kraftfahrzeug als Fahrrad ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 23, wobei das Kraftfahrzeug als Motorrad ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei das Antriebsmittel als Kette ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei das Antriebsmittel als Zahnriemen ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 27, wobei der Ritzelkranz (22) fest mit einer Antriebswelle (17) verbunden ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 28, wobei der Ritzelkranz (22) fest mit einem Steg (31) des Planetengetriebes (26) verbunden ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 28, wobei der Ritzelkranz (22) fest mit einem Hohlrad (29) des Planetengetriebes (26) verbunden ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 28, wobei der Ritzelkranz (22) fest mit einem Sonnenrad (27) des Planetengetriebes (26) verbunden ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 31, wobei der Elektromotor (25) an Rahmenrohre (3) des Kraftfahrzeugs angeschweißt ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 32, wobei der Elektromotor (25) an Rahmenrohre (3) des Kraftfahrzeugs angeschraubt ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 33, wobei das Kraftfahrzeug eine Radaufhängung mit einer Schwinge aufweist, die um eine Rotationsachse drehbar am Kraftfahrzeug gelagert ist, wobei die Rotationsachse der Schwinge im Wesentlichen der Rotationsachse des Rotors (13) entspricht.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem als Außenläufermotor ausgebildeten Elektromotor (25) mit einem Planetengetriebe (26), das folgende Schritte aufweist: – Bereitstellen eines Stators (1) des Elektromotors (25) mit Wicklungen zur Erzeugung von Magnetfeldern, wobei die Wicklungen (7) Anschlüsse (23) für eine Versorgungsspannung aufweisen; – Bereitstellen eines Rotors (13) des Elektromotors (25) mit Permanentmagneten, wobei die Permanentmagneten (16) den Wicklungen (7) in Bezug auf eine Drehachse des Rotors (13) in radialer Richtung gegenüberliegen; – Schalten der Versorgungsspannung derart, dass das mittels der stromdurchflossenen Wicklungen (7) er zeugte Magnetfeld eine Anziehungskraft auf die Permanentmagneten (16) des Rotors (13) und damit ein Drehmoment auf den Rotor (13) ausübt.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei zum Schalten der Versorgungsspannung ein elektronischer Kommutator verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei die Versorgungsspannung durch einen Hallsensor getriggert wird.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei die Versorgungsspannung durch Auswerten von Induktionsströmen in den Wicklungen (7) getriggert wird.