DE202010017972U1

DE202010017972U1 - Außenläufer-Elektromotor und Kraftfahrzeug mit Außenläufer- Elektromotor

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Publication number: DE202010017972U1
Application number: DE202010017972U
Authority: DE
Original assignee: Clean Mobile AG
Current assignee: TQ-SYSTEMS GMBH, DE
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2013-09-17
Anticipated expiration: 2020-08-18
Also published as: DE102010037017A1

Abstract

Elektromotor (25) für ein Kraftfahrzeug, der folgendes aufweist: – einen Stator (1); – einen Rotor (13), wobei der Rotor (13) auf einer Antriebswelle (17) angeordnet ist, die im Stator (1) gelagert ist; – ein Getriebe; wobei der Elektromotor (25) als Außenläufermotor ausgebildet ist, wobei eine Stirnfläche des Rotors (13) eine Anzahl von Axialmagneten aufweist.

Description

Die Anmeldung betrifft einen Außenläufer-Elektromotor mit einem Getriebe 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.
Aus der DE 10 2007 033 838 ist ein Elektromotor für ein Kraftfahrzeug bekannt, der einen Stator mit vorbestimmten Bereichen für eine Verbindung mit einem und selbsttragende Integration in einen Fahrzeugrahmen aufweist. Zudem weist der Elektromotor einen Rotor mit vorbestimmten Bereichen für die Aufnahme eines Antriebsmittels auf, wobei der Rotor auf einer Antriebswelle angeordnet ist, die im Stator drehbar gelagert ist. Der Elektromotor ist als Außenläufermotor ausgebildet und die Antriebswelle ist in einer Lageraufnahme des Stators gelagert. An die Lageraufnahme schließen sich in radialer Richtung Elektromagneten des Stators an, die ferromagnetische Joche mit Wicklungen aufweisen, wobei die Wicklungen derart angeordnet sind, dass ihre Längsachse radial ausgerichtet ist. An die Joche schließen sich in radialer Richtung eine Vielzahl von Permanentmagneten des Rotors an.
Aus der DE 10 2007 044 078 ist ein ähnlicher Elektromotor bekannt, der zudem ein Planetengetriebe aufweist.
Es soll ein leichtes und kompaktes Fahrzeug mit Elektromotorantrieb angegeben werden, das gleichzeitig einen einfachen und robusten Aufbau und eine erhöhte Leistung bzw. einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist.
Dies wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein erfindungsgemäßer Elektromotor für ein Kraftfahrzeug weist einen Stator mit wenigstens einem oder mit mehreren 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, wobei der Rotor auf einer Antriebswelle angeordnet ist, die im Stator um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Der Elektromotor ist als Außenläufermotor ausgebildet und weist ein Getriebe auf.
Dabei kann der Rotor auch Teil des Getriebes oder einstückig mit einem Teil des Getriebes ausgeführt sein.
Der Elektromotor weist zudem in radialer Richtung Elektromagneten des Stators mit Wicklungen auf. Eine Stirnfläche des Rotors weist eine Anzahl von Axialmagneten auf und die Wicklungen der Elektromagneten sind derart angeordnet, dass ihre Längsachse parallel zu der Drehachse ausgerichtet ist. Die Stirnseite des Rotors ist eine Grenzfläche des Rotors. Dabei verläuft die Flächennormale der Stirnachse parallel zur Drehachse. Die Flächennormalen ist senkrecht zu sämtlichen Geraden, die in der Grenzfläche verlaufen.
Gemäß einer der Anmeldung zugrunde liegenden Erkenntnis hängt bei den aus der DE 10 2007 033 838 und aus der DE 10 2007 044 078 bekannten Elektromotoren die erzeugte Leistung von der Fläche des Spaltes ab, der sich zwischen den Elektromagneten des Stators und den Permanentmagneten des Rotors befindet. Diese Fläche hängt bei gleichbleibender Höhe des Rotors linear von dem Durchmesser des Rotors ab. Für bestimmte Abmessungen des Elektromotors, d. h. für spezielle vorgegebene Randbedingungen, ist dabei einer Erhöhung der Leistung des Elektromotors Grenzen gesetzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor hängt die erzeugte Leistung ebenfalls von der Fläche des Spaltes, der sich zwischen den Elektromagneten des Stators und den Magneten des Rotors befindet, ab. Dabei besitzt der erfindungsgemäße Elektromotor den Vorteil, dass aufgrund der Anordnung der Elektromagneten des Stators und der Axialmagneten des Rotors die erzeugte Leistung im Wesentlichen quadratisch von dem Durchmesser des Rotors abhängt. Dadurch kann für spezielle vorgegebene Abmessungen des Elektromotors, insbesondere für bestimmte Außen- und Innendurchmesser des Elektromotors, eine höhere Leistung bzw. ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Elektromotoren für Kraftfahrzeuge.
In einer Ausgestaltung weist eine Mantelfläche des Rotors eine Anzahl von Radialmagneten auf. Die Mantelfläche des Rotors ist so vorgesehen, dass sie konzentrisch um die Drehachse des Motors verläuft.
Dazu kann der Stator weitere Elektromagnete mit Wicklungen aufweisen, wobei die Wicklungen derart angeordnet sind, dass ihre Längsachse radial ausgerichtet ist, und wobei sich in radialer Richtung die Anzahl von Radialmagneten anschließt. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Kombination aus axialer und radialer Anordnung der Elektromagnete des Stators und der Magnete des Rotors.
Die Axialmagnete und/oder die Radialmagnete des Rotors können als Permanentmagnete ausgebildet sein. Dadurch wird ein besonders einfacher Aufbau des Rotors erreicht.
In einer Ausgestaltung weisen die Elektromagnete und/oder die weiteren Elektromagnete des Stators ferromagnetische Joche auf. Dadurch kann der von den jeweiligen Elektromagneten erzeugte magnetische Fluss gebündelt und die Induktivität und die magnetische Flussdichte vergrößert werden.
Der Rotor kann topfförmig und das Getriebe kann ein Planetengetriebe sein.
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. 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.
Der Rotor ist wie bereits oben ausgeführt auf einer Antriebswelle angeordnet, die im Stator drehbar gelagert ist. Dies 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 Pedale 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 Getriebes, insbesondere 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 Magnete, insbesondere 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 deutlich 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 dem 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 dem 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.
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 verbunden, beispielsweise 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.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Axialmagnete in die Stirnfläche des Rotors integriert. Dazu können die Axialmagnete beispielsweise in einen Boden des Rotors eingelassen sein. Der Stator weist in dieser Ausführungsform eine erste Seitenfläche und eine der ersten Seitenfläche gegenüberliegende zweite Seitenfläche auf. Zudem weist der Stator eine dritte Fläche auf, die die erste Seitenfläche und die zweite Seitenfläche verbindet. Die dritte Fläche kann dabei als Verbindungssteg oder als Mantelfläche ausgebildet sein. Die Stirnfläche des Rotors, beispielsweise der Boden, ist zwischen der ersten Seitenfläche und der zweiten Seitenfläche angeordnet.
Der Stator weist zudem Joche auf, die jeweils mit Wicklungen versehen sind, die über Zuleitungen mit Strom versorgt werden. Die Joche mit den Wicklungen erstrecken sich senkrecht zu der ersten Seitenfläche und der zweiten Seitenfläche und sind axial im Bezug auf eine Drehachse des Rotors ausgerichtet. Die Joche weisen sich in Richtung auf die Stirnfläche des Rotors bzw. in entgegengesetzter Richtung dazu an die Wicklungen anschließende Jochabschlüsse auf. Die sich in entgegengesetzter Richtung befindlichen Jochabschlüsse sind an der ersten Seitenfläche bzw. an der zweiten Seitenfläche befestigt. In dieser Ausführungsform sind somit die Elektromagnete des Stators auf gegenüberliegenden Seiten der Stirnfläche angeordnet. Zudem kann auch in dieser Ausführungsform eine Mantelfläche des Rotors eine Anzahl von Radialmagneten aufweisen. 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 ein Ritzelkranz des Elektromotors 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 den Fahrradrahmen.
Das Antriebsmittel kann dabei als Kette oder als Zahnriemen ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform ist das Getriebe ein Planetengetriebe.
Vorteilhafterweise ist der Ritzelkranz fest mit einer 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 Getriebe, beispielsweise einem Planetengetriebe, weist folgende Schritte auf: Es wird ein Rotor des Elektromotors mit vorbestimmten Bereichen für die Aufnahme eines Antriebsmittels bereitgestellt, wobei der Rotor auf einer Antriebswelle angeordnet ist, die in einem Stator des Elektromotors um eine Drehachse drehbar gelagert ist und wobei eine Stirnfläche des Rotors eine Anzahl von Axialmagneten aufweist. Außerdem wird der Stator des Elektromotors bereitgestellt mit Wicklungen zur Erzeugung von Magnetfeldern, wobei die Wicklungen Anschlüsse für eine Versorgungsspannung aufweisen und derart angeordnet sind, dass ihre Längsachse parallel zu der Drehachse ausgerichtet ist. Die Versorgungsspannung wird derart geschaltet, dass das mittels der stromdurchflossenen Wicklungen erzeugte Magnetfeld eine Anziehungskraft auf die Axialmagneten, beispielswiese die Permanentmagneten, des Rotors und damit ein Drehmoment auf den Rotor ausübt, wobei die Wicklungen ein im wesentlichen parallel zu der Drehachse ausgerichtetes Magnetfeld erzeugen.
In einer Ausführungsform weist der Stator des Elektromotors weitere Wicklungen zur Erzeugung von weiteren Magnetfeldern auf, wobei die weiteren Wicklungen eine radial ausgerichtete Längsachse und Anschlüsse für eine weitere Versorgungsspannung aufweisen. Eine Mantelfläche des Rotors weist eine Anzahl von Radialmagneten auf wobei die Radialmagneten den weiteren Wicklungen in Bezug auf die Drehachse in radialer Richtung gegenüberliegen und wobei die weitere Versorgungsspannung derart geschaltet wird, dass das mittels der stromdurchflossenen weiteren Wicklungen erzeugte Magnetfeld eine Anziehungskraft auf die Radialmagneten des Rotors und damit ein Drehmoment auf den Rotor ausübt, wobei die weiteren Wicklungen ein im wesentlichen radial ausgerichtetes Magnetfeld erzeugen.
Dies ermöglicht eine vorteilhafte Kombination aus axialer und radialer Anordnung der Elektromagnete des Stators und der Magnete des Rotors in dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Zum Schalten der Versorgungsspannung und/oder der weiteren Versorgungsspannung wird vorteilhafterweise ein elektronischer Kommutator verwendet, so dass der Elektromotor bürstenlos ausgeführt werden kann. Bei einem derartigen Verfahren wird der Zeitpunkt des jeweiligen Schaltens der jeweiligen Versorgungsspannung nicht wie bei einem klassischen Kommutator mit Schleifkontakten und Bürsten direkt durch die Drehung des Rotors bestimmt, sondern es wird eine elektronische Einrichtung zur Lageerkennung des Rotors verwendet. Die Versorgungsspannung und/oder die weitere Versorgungsspannung wird beispielsweise durch einen Hallsensor oder durch Auswerten von Induktionsströmen in den Wicklungen gesteuert, insbesondere getriggert. Auf diese Weise ist eine sehr genaue Steuerung, insbesondere Triggerung, der jeweiligen 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 heißt 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.
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 Rotor eines erfindungsgemäßen Elektromotors;
4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform;
5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer dritten Ausführungsform;
7 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer vierten Ausführungsform;
8 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer fünften Ausführungsform;
9 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer sechsten Ausführungsform;
10 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gemäß einer siebten Ausführungsform;
11 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Stator eines erfindungsgemäßen Elektromotors für ein Fahrrad gemäß einer achten Ausführungsform;
12 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Rotor eines erfindungsgemäßen Elektromotors gemäß der achten Ausführungsform.
13 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den Rotor gemäß der achten Ausführungsform
14 zeigt einen Ausschnitt aus dem Querschnitt eines Rotors.
Die 1 und 2 illustrieren das Prinzip des Stators und des Rotors des erfindungsgemäßen Elektromotors gemäß einer ersten Ausführungsform. Sie zeigen der Übersichtlichkeit halber nicht das Getriebe, das ebenfalls Teil des erfindungsgemäßen Elektromotors ist.
Der Stator 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 39, einen Innenring 40 und zwischen dem Außenring 39 und dem Innenring 40 angeordnete Kugeln 38. Der Innenring 40 umschließt eine Öffnung 24, die einen Durchmesser d_i aufweist. Die Öffnung 124 ist zur Aufnahme einer in der 1 nicht gezeigten Antriebswelle vorgesehen. d_i kann zum Beispiel 20 mm betragen.
Der Stator 1 weist zudem Joche 6 auf, die jeweils mit Wicklungen 7 versehen sind, die über hier nur schematisch dargestellte Zuleitungen 23 mit Strom versorgt werden. Die Joche 6 mit den Wicklungen 7 erstrecken sich senkrecht zu der Platte 2. Sie sind also axial im Bezug auf eine in 1 nicht dargestellte Drehachse des ebenfalls nicht gezeigten Rotors ausgerichtet. Die Joche 6 weisen sich in Richtung auf die Platte 2 bzw. in entgegengesetzter Richtung dazu an die Wicklungen 7 anschließende Jochabschlüsse 34 auf, wobei die sich in Richtung auf die Platte 2 befindlichen Jochabschlüsse 34 an der Platte 2 befestigt sind. An die Jochabschlüsse schließt sich 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 einer Stirnfläche in Form eines Bodens 14 und einer Mantelfläche in Form eines Rands 15 auf. Der Rotor 13 weist einen Durchmesser D auf mit 250 mm ≤ D ≤ 350 mm.
An der Innenseite 30 des Bodens 14 ist eine Vielzahl von Axialmagneten, die in dieser Ausführungsform Permanentmagnete 16 sind, angeordnet. Die Permanentmagnete 16 sind dabei axial im Bezug auf die in 3 dargestellte Drehachse 41 des Rotors 13 ausgerichtet. Die Permanentmagnete 16 sind derart nebeneinander angeordnet, dass sie in der Richtung des Umfangs des Rotors 13, die durch den Pfeil 136 angedeutet ist, benachbart sind. Dabei liegt jeweils ein Nordpol eines der Permanentmagneten neben einem Südpol eines benachbarten Permanentmagneten. Die Permanentmagnete sind derart gepolt, dass ihre Polung in axialer Richtung sich ändert. In Bezug auf die z-Richtung liegen Nordpol und Südpol eines Permanentmagneten somit übereinander.
Der Rotor 13 ist in dieser Ausführungsform auf der Antriebswelle 17 des Fahrrads gelagert. Die Antriebswelle 17 weist einen Durchmesser d_a 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 Pedale sind dabei mittels eines Befestigungselements 21 wie einer Schraube an den Kurbeln 19 befestigt.
3 zeigt einen Querschnitt durch den Rotor 13. In dieser Darstellung ist erkennbar, dass der Rotor 13 eine Höhe h aufweist, die typischerweise 30 bis 60 mm beträgt.
In dieser Darstellung ist auch erkennbar, dass der Rotor 13 im Bereich seines Bodens 14 einen Ritzelkranz 22 zur Aufnahme einer nicht gezeigten Kette aufweist. Der Ritzelkranz 22 ist in dieser Ausführungsform mit dem Boden 14 des Rotors 13 verschraubbar. Dazu sind Gewindelöcher 127 vorgesehen.
4 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 Getriebe auf, das in dieser Ausführungsform ein Planetengetriebe 26 ist, das sich in ein Sonnenrad 27, über einen Steg 31 verbundene Planetenräder 28 und ein Hohlrad 29 gliedert. In der in 4 gezeigten Ansicht ist nur ein Planetenrad 28 zu sehen, es können aber mehrere vorhanden sein.
In der in 4 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 17 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 mit der Platte 2 verbunden.
Ferner wird der Rotor 13 mit den an der Innenseite seines Bodens 14 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 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 kann es vorteilhaft sein, die Drehgeschwindigkeit des Hohlrads 29 und damit des Rotors 13 größer zu wählen 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.
5 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 an der Platte 2 des Stators 1 angeschweißt ist. 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 Pedale 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 breiter ausgestaltet und mit breiteren Wicklungen versehen werden können.
6 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 wiederum 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.
7 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 der Platte 2 gegenüber liegenden Deckel 36 auf.
In dieser Ausführungsform ist jeweils der Steg 31 fest mit der Platte 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.
8 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.
9 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 der Platte 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.
10 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 7 bis 9 für den Einsatz an einem Kraftrad geeignet, das keine Kurbeln mit Pedalen aufweist.
11 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Stator 1 eines erfindungsgemäßen Elektromotors für ein Fahrrad gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Stator 1 weist dabei neben den Komponenten, die bereits der in 1 gezeigte Stator gemäß der ersten Ausführungsform beinhaltet weitere Komponenten auf. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und im Folgenden nicht näher erläutert.
Ein Basisring 5 umschließt die Lageraufnahme 8 des Stators 1, der weitere Joche 42 des Stators 1 trägt. Die weiteren Joche 42 sind jeweils mit Wicklungen 43 versehen, die über hier nur schematisch dargestellte Zuleitungen 44 mit Strom versorgt werden. Die Joche 42 mit den Wicklungen 43 erstrecken sich radial von dem Basisring 5 nach außen und weisen sich radial an die Wicklungen 43 anschließende Jochabschlüsse 45 auf.
Die in 11 gezeigte Ausführungsform des Stators 1 ermöglicht eine vorteilhafte Kombination aus axialer und radialer Anordnung der Elektromagnete des Stators 1 und der Magnete des in der folgenden 12 gezeigten Rotors.
In 11 sind lediglich wenige Joche 6 und 42 gezeigt. Für ein ruhiges Laufverhalten des Fahrrads und zur Bereitstellung eines hohen Drehmoments ist jedoch eine weitaus größere Zahl von Jochen 6 und 42 mit Wicklungen 7 bzw. 43 vorgesehen.
12 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Rotor 13 eines erfindungsgemäßen Elektromotors gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Rotor 46 weist dabei neben den Komponenten, die bereits der in 2 gezeigte Rotor gemäß der ersten Ausführungsform beinhaltet weitere Komponenten auf. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 2 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und im Folgenden nicht näher erläutert.
An der Innenseite 47 des Randes 15 ist eine Vielzahl von Radialmagneten, die in der gezeigten Ausführungsform Permanentmagnete 46 sind, angeordnet. Die Permanentmagnete 46 sind derart angeordnet, dass ihre Polung in der Richtung des Umfangs des Rotors 13, die durch den Pfeil 36 angedeutet ist, wechselt.
Die in 12 gezeigte Ausführungsform des Rotors 13 ermöglicht eine vorteilhafte Kombination aus axialer und radialer Anordnung der Elektromagnete des in 11 gezeigten Stators 1 und der Permanentmagnete 16 und 46 des Rotors 13.
13 zeigt einen Querschnitt durch den Rotor aus 12. Die Permanentmagnete 46 sind an dem Rand 15 angebracht, während die Permanentsignale 16 an dem Boden 2 angebracht sind.
14 zeigt einen Schnitt durch den Elektromotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in Umfangrichtung, die in 2 durch den Pfeil 36 angedeutet ist. Dabei erfolgt der Schnitt entlang der in 9 eingezeichneten Linie B-B'.
In 14 ist der magnetische Fluss 50 mit Hilfe einer gestrichelten Linie gezeigt. Die Wicklungen 7 erzeugen in den Jochen 6 jeweils ein Magnetfeld. Der magnetische Fluss wird zwischen in Umfangrichtung benachbarten Jochen geschlossen. Dabei verläuft der Fluss jeweils von einem ersten Joch durch den Luftspalt 51 zu einem der Permanentmagnete, durch den Boden 14, den zweiten der Permanentmagnete, durch einen zweiten Luftspalt 51 zu dem zweiten Joch 6, durch Jochabschluss 34 des zweiten Jochs 6 und durch den Jochabschluss 34 des ersten Jochs 6 zurück zu dem ersten Joch 6, womit der magnetische Fluss geschlossen ist. Dadurch, dass der magnetische Fluss durch die Luftspalte 51 hindurchgeht, ist eine hohe Effektivität des Elektromotors gewährleistet.
Die Anmeldung betrifft allgemein zudem:

Ziffer 1: Ein Kraftfahrzeug mit einem vorgestellten Elektromotor (25), wobei der Stator (1) des Elektromotors (25) mit Rahmenrohren (3) des Kraftfahrzeugs verbunden ist und ein Ritzelkranz (22) des Elektromotors (25) durch ein Antriebsmittel mit einem Rad des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Ziffer 2: Ein Kraftfahrzeug nach Ziffer 1, wobei das Kraftfahrzeug als Fahrrad ausgebildet ist.
Ziffer 3: Kraftfahrzeug nach Ziffer 1, wobei das Kraftfahrzeug als Motorrad ausgebildet ist.
Ziffer 4: Kraftfahrzeug nach einem der Ziffern 1 bis 3, wobei das Antriebsmittel als Kette ausgebildet ist.
Ziffer 5: Ein Kraftfahrzeug nach einem der Ziffern 1 bis 3, wobei das Antriebsmittel als Zahnriemen ausgebildet ist.
Ziffer 6: Ein Kraftfahrzeug nach einem der Ziffern 1 bis 5, wobei der Ritzelkranz (22) fest mit einer Antriebswelle (17) verbunden ist.
Ziffer 7: Ein Kraftfahrzeug nach einem der Ziffern 1 bis 6, wobei das Getriebe ein Planetengetriebe ist.
Ziffer 8: Ein Kraftfahrzeug nach Ziffer 7, wobei der Ritzelkranz (22) fest mit einem Steg (31) des Planetengetriebes (26) verbunden ist.
Ziffer 9: Ein Kraftfahrzeug nach Ziffer 7, wobei der Ritzelkranz (22) fest mit einem Hohlrad (29) des Planetengetriebes (26) verbunden ist.
Ziffer 10: Ein Kraftfahrzeug nach Ziffer 7, wobei der Ritzelkranz (22) fest mit einem Sonnenrad (27) des Planetengetriebes (26) verbunden ist.
Ziffer 11: Ein Kraftfahrzeug nach einem der Ziffern 1 bis 10, wobei der Elektromotor (25) an Rahmenrohre (3) des Kraftfahrzeugs angeschweißt ist.
Ziffer 12: Ein Kraftfahrzeug nach einem der Ziffern 1 bis 11, wobei der Elektromotor (25) an Rahmenrohre (3) des Kraftfahrzeugs angeschraubt ist.
Ziffer 13: Ein Kraftfahrzeug nach einem der Ziffern 1 bis 12, 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.
Ziffer 14: Ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem als Außenläufermotor ausgebildeten Elektromotor (25) mit einem Getriebe, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Bereitstellen eines Rotors (13) des Elektromotors (25), wobei der Rotor (13) auf einer Antriebswelle (17) angeordnet ist, die in einem Stator (1) des Elektromotors (25) gelagert ist und wobei eine Stirnfläche des Rotors (13) eine Anzahl von Axialmagneten aufweist; – Bereitstellen des Stators (1) des Elektromotors (25) mit Wicklungen zur Erzeugung von Magnetfeldern, wobei die Wicklungen (7) Zuleitungen (23) für eine Versorgungsspannung aufweisen; – Schalten der Versorgungsspannung derart, dass das mittels der stromdurchflossenen Wicklungen (7) erzeugte Magnetfeld eine Anziehungskraft auf die Axialmagnete des Rotors (13) und damit ein Drehmoment auf den Rotor (13) ausübt, wobei die Wicklungen (7) ein im wesentlichen parallel zu einer Drehachse des Rotors (13) ausgerichtetes Magnetfeld erzeugen.
Ziffer 15: Ein Verfahren nach Ziffer 14, wobei der Stator (1) des Elektromotors (25) weitere Wicklungen (43) zur Erzeugung von weiteren Magnetfeldern aufweist, wobei die weiteren Wicklungen (43) Zuleitungen (44) für eine weitere Versorgungsspannung aufweisen und wobei eine Mantelfläche des Rotors (13) eine Anzahl von Radialmagneten aufweist, wobei die weitere Versorgungsspannung derart geschaltet wird, dass das mittels der stromdurchflossenen weiteren Wicklungen (43) erzeugte Magnetfeld eine Anziehungskraft auf die Radialmagnete des Rotors (13) und damit ein Drehmoment auf den Rotor (13) ausübt, wobei die weiteren Wicklungen (43) ein im wesentlichen radial ausgerichtetes Magnetfeld erzeugen.

Bezugszeichenliste

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
30: Innenseite
31: Steg
32: Zentrum
33: Zahnkranz
34: Jochabschluss
35: Laufbereich
36: Deckel
37: Gewindeloch
38: Kugeln
39: Außenring
40: Innenring
41: Drehachse
42: Joch
43: Wicklungen
44: Zuleitung
45: Jochabschluss
46: Permanentmagnet
47: Innenseite
124: Öffnung
136: Pfeil
127: Gewindelöcher
d_a: Außendurchmesser der Kurbel
d_i: Innendurchmesser des zentralen Lochs
D: Durchmesser des Rotors
h: Höhe des Rotors

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]
DE 102007033838 [0006, 0013]
DE 102007044078 [0007, 0013]

Claims

Elektromotor (25) für ein Kraftfahrzeug, der folgendes aufweist: – einen Stator (1); – einen Rotor (13), wobei der Rotor (13) auf einer Antriebswelle (17) angeordnet ist, die im Stator (1) gelagert ist; – ein Getriebe; wobei der Elektromotor (25) als Außenläufermotor ausgebildet ist, wobei eine Stirnfläche des Rotors (13) eine Anzahl von Axialmagneten aufweist.
Elektromotor (25) nach Anspruch 1, wobei eine Mantelfläche des Rotors (13) eine Anzahl von Radialmagneten aufweist.
Elektromotor (25) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Axialmagnete als Permanentmagnete (16) ausgebildet sind.
Elektromotor (25) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Radialmagnete als Permanentmagnete (46) ausgebildet sind.
Elektromotor (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator (1) Elektromagnete aufweist und die Elektromagnete ferromagnetische Joche (6, 42) aufweisen.
Elektromotor (25) nach Anspruch 5, wobei die Elektromagnete auf gegenüberliegenden Seiten der Stirnfläche angeordnet sind.
Elektromotor (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Axialmagnete in die Stirnfläche des Rotors (13) integriert sind.
Elektromotor (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (13) topfförmig ist.
Elektromotor (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe ein Planetengetriebe ist.
Elektromotor (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (25) als elektronisch kommutierter Gleichstrom-Außenläufermotor ausgebildet ist.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle (17) in einer Hohlwelle (10) gelagert ist.
Elektromotor (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an den Enden der Antriebswelle (17) Kurbeln (19) mit Pedalen (20) befestigbar sind.
Elektromotor (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle (17) in einem Übergangsbereich zum Rotor (13) eine Freilaufeinrichtung aufweist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei ein Steg (31) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Stator (1) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 14, wobei ein Hohlrad (29) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Rotor (13) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 14, wobei ein Sonnenrad (27) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Rotor (13) verbunden ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei ein Sonnenrad (27) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Stator (1) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 17, wobei ein Steg (31) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Rotor (13) verbunden ist, der Rotor (13) mittels eines Kugellagers (9) an einer Hohlwelle (10) gelagert ist und ein Hohlrad (29) des Planetengetriebes fest mit der Antriebswelle (17) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 17, wobei ein Hohlrad (29) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Rotor (13) verbunden ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei ein Hohlrad (29) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Stator (1) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 20, wobei ein Sonnenrad (27) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Rotor (13) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 20, wobei ein Steg (31) des Planetengetriebes (26) fest mit dem Rotor (13) verbunden ist.
Elektromotor (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bereiche zur Aufnahme eines Antriebsmittels als Ritzelkranz (22) ausgebildet sind.
Elektromotor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Bereiche zur Aufnahme eines Antriebsmittels als Zahnriemenscheibe ausgebildet sind.
Elektromotor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Bereiche zur Aufnahme eines Antriebsmittels als Kardanritzel ausgebildet sind.
Elektromotor (25) nach einem der Ansprüche 23 bis 25, 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 vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (13) einen Durchmesser D aufweist mit 250 mm ≤ D ≤ 350 mm.
Elektromotor (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (13) eine Höhe aufweist mit 30 mm ≤ h ≤ 60 mm