DE102009032169A1

DE102009032169A1 - Elektrische Zusatzantriebsvorrichtung in einem Fahrrad

Info

Publication number: DE102009032169A1
Application number: DE102009032169A
Authority: DE
Inventors: Hans-Hubert Kreuzer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2011-01-27

Abstract

Eine elektrische Zusatzantriebsvorrichtung in einem Fahrrad weist einen Stator mit bestrombaren Spulen und einen Rotor mit Permanentmagneten auf. Die Zusatzantriebsvorrichtung ist als einphasiger Drehmomentwandler ausgeführt, dessen Spulen einphasig bestrombar sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Zusatzantriebsvorrichtung in einem Fahrrad nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
In der DE 699 10 000 T2 wird ein elektromotorischer Radnabenantrieb für ein Fahrrad beschrieben, der einen Gleichstromelektromotor umfasst, welcher in die Radnabe des Fahrrads eingebaut ist. Der Stator des Elektromotors, der als elektronisch kommutierter Dreiphasen-Gleichstrommotor ausgeführt ist, ist in einem feststehenden Statorgehäuse im Inneren der Nabe angebracht. Zur Ganguntersetzung sind Planetenräder drehbeweglich am Gehäuse angeordnet, wobei die Planetenräder mit einem auf der Innenwand der Nabe ausgebildeten Zahnkranz kämmen. Das Kettenzahnrad des Fahrrads ist mit einem Freilauf für Fahrsituationen ausgestattet, in denen der elektromotorische Antrieb die Nabe schneller dreht als das Kettenzahnrad.
Derartige Radnabenantriebe erfordern einen großen Aufwand für die Kommutierung sowie für die Drehmomentregelung, insbesondere unter dem Aspekt der Betriebssicherheit. Nachteilig ist außerdem ein verhältnismäßig geringer Wirkungsgrad.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verhältnismäßig einfach aufgebaute elektrische Zusatzantriebsvorrichtung in einem Fahrrad mit hohem Wirkungsgrad anzugeben, die einen vergleichsweise geringen Aufwand für die Steuerung bzw. Regelung erfordert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Die erfindungsgemäße elektrische Zusatzantriebsvorrichtung wird in einem Fahrrad eingesetzt und weist einen mit bestrombaren Spulen versehenen Stator auf sowie einen Rotor, der mit Permanentmagneten versehen ist. Die Zusatzantriebsvorrichtung ist als ein einphasiger Drehmomentwandler ausgeführt, dessen Spulen im Stator einphasig bestrombar sind. Es handelt sich somit um einen Einphasen-Gleichstrom-Drehmomentwandler, der gegenüber Ausführungen aus dem Stand der Technik verschiedene Vorteile aufweist. Insbesondere der Aufwand in einer zugeordneten Elektronikeinrichtung ist erheblich reduziert, da lediglich ein Einphasenstrom zum Antrieb des Drehmomentwandlers generiert werden muss. Der Drehmomentwandler ist zwar von sich aus nicht in der Lage anzulaufen; dieses spielt aber in der Praxis keine Rolle, da das Anfangsmoment durch die Trittbewegung des Fahrers geliefert wird. Dadurch erhält man andererseits den Vorteil, dass im Falle eines Elektronikfehlers ein unbeabsichtigtes, selbsttätiges Loslaufen des Drehmomentwandlers ausgeschlossen ist.
Ein weiterer Vorteil liegt in dem einfachen konstruktiven Aufbau des Drehmomentwandlers über die direkte Zuordnung eines Magneten zu einer Spule, wodurch geringere Verluste entstehen, was den Wirkungsgrad verbessert und größere Reichweiten ermöglicht. Der Drehmomentwandler benötigt außerdem kein Getriebe wie z. B. ein Planetengetriebe, es handelt sich vielmehr um einen getriebelosen Drehmomentwandler.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist der Drehmomentwandler Spulen auf, die als Luftspulwicklung ohne Spulenkern oder mit einem nichtmagnetischen Spulenkern ausgeführt sind. Dies stellt zum einen eine weitere konstruktive Vereinfachung dar, zum andern können keine Rastmomente auftreten, die der Antriebsbewegung entgegengerichtet sind und einer gleichförmigen Drehmomentunterstützung entgegenstehen. Darüber hinaus besteht bei nicht-betätigtem Motor kein Widerstand, so dass auf einen Freilauf verzichtet werden kann.
In der Ausführung als Luftspulwicklung ohne Spulenkern ist der Spulendraht vorteilhafterweise mit einem Backlack versehen, der neben einer elektrischen Isolierung der Spule außerdem zusätzliche Stabilität verleiht. So weit ein Spulenkern vorgesehen ist, um den die Spule gewickelt ist, besteht dieser aus einem nichtmagnetischen Werkstoff.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Zusatzantriebsvorrichtung mit einem Sensorelement versehen, beispielsweise einem Hall-Sensor, zur Messung des von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds. Das Ausgangssignal des Sensorelementes – in der Regel eine Steuerspannung – wird als Steuersignal einer Elektronikeinrichtung zur Steuerung des die Spulen beaufschlagenden Spulenstroms herangezogen, der gegenüber dem Magnetfeld phasenverschoben ist. Die Phasenverschiebung wird zweckmäßigerweise bereits im Ausgangs- bzw. Messsignal des Sensorelementes erzeugt und beträgt beispielsweise gegenüber dem Magnetfeld 120°. Möglich ist es aber auch, in der Elektronikeinrichtung eine Phasenverschiebung zwischen dem Magnetfeld und dem Spulenstrom auf ein gewünschtes Maß einzustellen.
Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung ist vorgesehen, dass in Umfangsrichtung aufeinander folgende Spulen gegenphasig bestromt werden. Insbesondere in der konstruktiven Ausführung mit gleicher Polzahl von Magneten und Spulen entstehen dadurch den Drehmomentwandler antreibende elektromagnetische Wechselfelder, wobei die Gegenläufigkeit in der Bestromung aufeinander folgender Spulen in jeder Spule bzw. in jedem Magneten zu einer antreibenden Kraft führt.
Zweckmäßigerweise besitzt der Drehmomentwandler eine verhältnismäßig große Anzahl an Permanentmagneten und gleichzahligen Spulen, beispielsweise zumindest sechs Permanentmagnete und sechs Spulen, wobei ggf. auch acht, zehn, zwölf oder mehr Magnete und Spulen vorgesehen sein können.
Zur Leistungseinstellung ist zweckmäßigerweise ein vom Fahrer betätigbares Stellglied, beispielsweise ein Drehgriff am Lenker, zur Erzeugung eines Leistungssignals vorgesehen, das der Elektronikeinrichtung zugeführt wird und dort der Erzeugung des Spulenstroms zugrunde gelegt wird. Dieses Signal kann als pulsweitenmodulierte Spannung (PWM) ausgeführt sein. Dies gewährleistet ein sanftes Einsetzen der unterstützenden Motorkraft, eine minimale Verlustleistung im Kraftverstärker sowie eine gut dosierbare Regelbarkeit der Drehmomententfaltung im Wandler.
Der Drehmomentwandler kann gemäß weiterer vorteilhafter Ausführung auch in einen Generatorbetrieb umgeschaltet werden, so dass der beim Bremsen oder Bergabfahren generierte Strom zum Aufladen der Batterien genutzt werden kann. Zusätzlich zur Rekuperation weist dies den Vorteil auf, dass verschleißfrei gebremst wird, wodurch die mechanischen Bremsen des Fahrrads entlastet werden.
Der Drehmomentwandler kann sowohl als Innenläufer-Motor als auch als Außenläufer-Motor ausgeführt sein. Eine Ausführung als Innenläufer-Motor kommt insbesondere bei einer Positionierung des Drehmomentwandlers im Tretlager des Fahrrades in Betracht, die Ausführung als Außenläufer-Motor dagegen bei einer Anordnung im Vorderrad, bei der der Stator nabenfest angeordnet und der umgreifende Rotor fest mit dem Vorderrad verbunden ist und mit diesem umläuft.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung ein Fahrrad mit einer elektrischen Zusatzantriebsvorrichtung, umfassend einen Drehmomentwandler am Vorderrad bzw. im Tretlager, eine Batterie, eine Elektronikeinrichtung sowie ein Stellglied am Lenkrad des Fahrrads zur Regulierung der elektromotorischen Unterstützung,
2 in schematischer Darstellung einen Drehmomentwandler,
3 ein Schaubild mit dem Verlauf des Magnetfelds, so wie dies von einem Hall-Sensor am Drehmomentwandler registriert wird, und dem dazugehörigen phasenverschobenen Statorfeldverlauf.
Das in 1 dargestellte Fahrrad ist mit einer elektrischen Zusatzantriebsvorrichtung ausgestattet, die als elektromotorischen Antrieb einen Drehmomentwandler 2, zur Stromversorgung eine Batterie 3, eine Elektronikeinrichtung 4 sowie ein Stellglied 5 am Lenker 6 des Fahrrades umfasst. Der Drehmomentwandler 2 ist entweder am Vorderrad 7 angeordnet oder am Tretlager 8 des Fahrrads. Gegebenenfalls kommt auch eine Ausführung mit einem Drehmomentwandler 2 sowohl am Vorderrad als auch am Tretlager in Betracht. In der Ausführung am Vorderrad handelt es sich um einen Außenläufer-Motor, in der Ausführung am Tretlager um einen Innenläufer-Motor. Die Komponenten der elektrischen Zusatzantriebsvorrichtung, also der Drehmomentwandler 2, die Batterie 3, die Elektronikeinrichtung 4 und das Stellglied 5, sind untereinander über Steuer- bzw. Stromleitungen elektrisch verbunden.
Zur Einstellung und Regulierung des Drehmomentwandlers 2 wird vom Fahrer das Stellglied 5 am Lenker 6 betätigt. Hierbei wird eine pulsweitengeregelte Spannung erzeugt, die als Leistungssignal der Elektronikeinrichtung 4 zugeführt wird, in welcher ein entsprechender Strom zur Bestromung der Spulen des Drehmomentwandlers 2 zur Verfügung gestellt wird.
Der Drehmomentwandler 2 ist in einer Ausführung als Innenläufer-Motor schematisch in 2 dargestellt. Am innen liegenden Rotor 9 sind über den Umfang verteilt eine Vielzahl von Permanentmagneten 10 mit Nord-Süd-Polung in Umfangsrichtung angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind insgesamt zwölf Permanentmagnete 10 vorgesehen.
Den Permanentmagneten 10 ist jeweils eine Spule 11 am umgreifenden Stator 12 zugeordnet. Die Spulen 11 sind ohne Spulenkern ausgeführt und vorzugsweise von einem Backlack überzogen. In Betracht kommt auch eine Ausführung mit einem nicht-magnetischen Spulenkern. Auf diese Weise sind Rastmomente zwischen Stator und Rotor ausgeschlossen.
Des Weiteren ist statorseitig ein Sensorelement 13 angeordnet, das vorzugsweise als Hall-Sensor ausgeführt ist. Das Sensorelement 13 misst das von den Permanentmagneten 10 erzeugt Magnetfeld während des Umlaufens des Rotors 9 und erzeugt daraufhin ein Spannungssignal, welches als Steuersignal der Elektronikeinrichtung zur Steuerung des Spulenstroms zur Bestromung der Spulen 11 zugeführt wird.
In 3 ist die Phasenverschiebung zwischen dem von dem Hall-Sensor 13 ermittelten Magnetfeld 14 und dem bei Bestromung der Spulen erzeugten Statorfeld 15 dargestellt. Die Phasenverschiebung beträgt beispielsweise 120°.
Die Bestromung der Spulen 11 am Stator 12 erfolgt einphasig, so dass sämtliche Spulen im gleichen Takt bestromt werden. Unmittelbar aufeinander folgende Spulen werden jedoch gegenläufig bestromt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 69910000 T2 [0002]

Claims

Elektrische Zusatzantriebsvorrichtung in einem Fahrrad (1), mit einem Stator (12), der mit bestrombaren Spulen (11) versehen ist, und einem Rotor (9), der mit Permanentmagneten (10) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzantriebsvorrichtung als einphasiger Drehmomentwandler (2) ausgeführt ist, dessen Spulen (11) einphasig bestrombar sind.
Zusatzantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (11) als Luftspulwicklung ohne Spulenkern oder mit einem nichtmagnetischen Spulenkern ausgeführt sind.
Zusatzantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement (13) zur Messung des von den Permanentmagneten (10) erzeugten Magnetfelds vorgesehen ist.
Zusatzantriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Sensorelements (13) als Steuersignal in einer Elektronikeinrichtung (4) zur Steuerung eines gegenüber dem Magnetfeld des Rotors phasenverschobenen Spulenstroms dient.
Zusatzantriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung des Spulenstroms gegenüber dem Magnetfeld des Rotors 120° beträgt.
Zusatzantriebsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Spulen (11) gegenphasig bestrombar sind.
Zusatzantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein Hallsensor (13) ist.
Zusatzantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Fahrer betätigbares Stellglied (5) zur Erzeugung eines Leistungssignals vorgesehen ist, das in der Elektronikeinrichtung (4) zur Erzeugung des Spulenstroms dient.
Zusatzantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie bzw. Akku-Einheit (3) zur Spannungsversorgung des Drehmomentwandlers (2) vorgesehen ist.
Zusatzantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Permanentmagneten (10) genau eine Spule (11) zugeordnet ist.
Zusatzantriebsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens sechs Permanentmagnete (10) und sechs Spulen (11) vorgesehen sind.
Zusatzantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Ausführung des Drehmomentwandlers (2) als Innenläufer-Motor.
Zusatzantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Ausführung des Drehmomentwandlers (2) als Außenläufer-Motor.
Fahrrad mit einer Zusatzantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13.