Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Tret-Generator-Einheit von auch durch Muskelkraft betreibbaren, mobilen und stationären Einrichtungen wie Fahrzeugen und Energie-Gewinnungs-Anlagen.
Stand der Technik
[0002] Der Stand der Technik wird hier beschrieben anhand der Anwendung von Tret-Generatoren in Fahrzeugen:
[0003] US 3 884 317 beschreibt Fahrräder, in welchen Tretgenerator, integriert ins Tretlager, und Antriebsmotor, integriert ins Rad, mittels Schalter und Kabel verbunden sind. Tretgenerator und Radantrieb sind gekapselte Module. Die verwendeten elektrischen Maschinen haben inliegenden Rotor und aussenliegenden Stator.
[0004] Omni beschreibt ein Leichtfahrzeug namens ElectriLite, welches optional mit Tretgeneratoren ausgerüstet werden kann (die Zeichnung ist mit 8.
August 1994 datiert).
Die genaue Bauform der Tretgeneratoren ist nicht näher beschrieben, laut Zeichnung sind jedoch Tretpedalwelle und Generatorwelle konzentrisch. Man erfährt aus den Texten von Omni, dass ein Instrument Panel und Process Control Module, welches Quellen elektrischen Stroms und das Laden der Batterie steuern kann, das dank Tretgenerator(en) während dem Fahren mögliche Fitness-Training überwacht.
[0005] Thomas Müller beschreibt in seiner Diplomarbeit aus dem Fachbereich Industrial Design der Universität GH Wuppertal das "Fahrrad mit elektromagnetischem Antrieb" (WS 94/95, Vorwort vom 5. Januar 1995). Alle zum Bau eines kompletten Antriebs eines elektromagnetisch angetriebenen Elektro-Bike notwendigen Komponenten sind aufgeführt.
Zahnriemen und innen-verzahnte Stirnradgetriebe werden für die Getriebe von Tretgenerator und Rad-Antriebsmotor verwendet.
Die elektrischen Maschinen sind im Fahrzeug-Rahmen integriert, während die Getriebe offen liegen.
Die bürstenlosen elektrischen Maschinen als Innenläufer werden mittels Inverter als Generator oder als rekuperationsfähiger Motor betrieben.
[0006] In DE 19 600 698 ist dieselbe Bauform für den Tretgenerator angegeben wie in US 3 884 317: Der Generator befindet sich in einem grossvolumigen Tretlagergehäuse, an dessen Innenseite sich die Polzähne befinden. Der Rotor sitzt auf der Tretlagerwelle.
[0007] In DE 19 732 430 befinden sich Antrieb und Tretgenerator innerhalb eines grossvolumigen Fahrzeug-Rahmens. Die Drehmoment-Übertragung vom Tretpedal auf den Generator geschieht mittels Zahnriemen.
[0008] In CH 63 999 ist ein hoch integrierter Tretgenerator vorgeschlagen, bei welchem mit Planetengetrieben vom Langsamen ins Schnelle übersetzt wird.
Zeichnung 11 zeigt eine Axialflussmaschine als Generator.
Nachteile des Standes der Technik:
[0009] Direkt, mit 1:1 Übersetzung angetriebene Generatoren sind schwer und voluminös.
[0010] Via einstufige Getriebe angetriebene Generatoren drehen nicht sehr schnell, müssen für eine bestimmte elektrische Ausgangsleistung daher grösser (und schwerer) sein als via zweistufige Getriebe angetriebene Generatoren.
[0011] Sind Tretkurbelwelle und Generator-Welle konzentrisch, so ergeben sich mehrere Nachteile:
a) : Sonnenräder von Planetengetrieben weisen einen durch den Durchmesser der Tretlagerwelle definierten minimalen Durchmesser auf; entsprechend haben die Planetengetriebe ein gegen oben begrenztes Übersetzungsverhältnis.
b) : Das Generatorgehäuse in der Form eines voluminösen Tretlagers hat einen durch den Generator definierten minimalen Durchmesser.
Die Lager der Tretlagerwelle befinden sich im Zentrum der Seitenwände der Generatorgehäuse, welche steif gebaut sein müssen, damit Wiegetritte nicht die Seitenwände durchbiegen. Solche Durchbiegungen stellen eine die Lebensdauer beeinträchtigende, axiale Bewegungen der im Innern des Gehäuse laufenden Getriebe und elektrischen Maschinen dar.
[0012] Elektrische Maschinen in der Form des Innenläufers weisen kürzere Hebel von Welle zu Luftspalt zwischen den Permanent-Magenten des Rotors und den Elektro-Magneten des Stators auf als Aussenläufer.
Entsprechend sind die pro Volumen erzielbaren Drehmomente bei einer bestimmten Feldstärke im Luftspalt kleiner.
Aufgabe
[0013] Die vorliegende Erfindung bezweckt die Minimierung von Volumen und Gewicht der durch Muskelkraft angetriebenen Generator-Einheit bei trotzdem hohem Drehmoment inbesondere im generatorischen Betrieb.
Lösung
[0014] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Tretgeneratoreinheit mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
Beschreibung
[0015] Die vorliegende Erfindung bezweckt, bezüglich Volumen und Gewicht und erzielbaren generatorischen Bremsmomenten, bezüglich Schutz vor Wetter und Robustheit, bezüglich Wartungs-Freundlichkeit sowie bezüglich Nachrüstbarkeit an bestehende Fahrzeug-Rahmen Verbesserungen zu erzielen im Vergleich zum Stand der Technik.
Figurenverzeichnis
[0016]
<tb>Fig. 1<sep>Generator-Einheit, Querschnitt
<tb>Fig. 2<sep>Generator-Einheit neben Tretlager, erste Getriebestufe, Schutz der ersten Getriebestufe, Montagearten der Generator-Einheit am Tretlager
<tb>Fig. 3<sep>Generator-Einheit neben Tretlager, Riemen- oder Ketten-Getriebe (Schutz der ersten Getriebestufe ist nicht gezeichnet)
<tb>Fig. 4<sep>Generator-Einheit neben Tretlager, Stirnrad-Getriebe (Schutz der ersten Getriebestufe ist nicht gezeichnet)
[0017] Fig. 1 zeigt die erfindungsgemässe Generator-Einheit 1.
(In Fig. 2 ist die Generator-Einheit leicht grau gemustert dargestellt.)
[0018] Fig. 1 zeigt die wichtigsten Komponenten, aus welchen die Generator-Einheit 1 besteht. Das Gehäuse 15 schützt das Planetengetriebe 13, den Generator-Rotor 14 sowie den Generator-Stator 18 vor Wetter, Berührung und Stössen. Die Generator-Elektronik kann im Gehäuse 21, neben dem Gehäuse 15 liegend, montiert sein.
[0019] Der Antrieb 12 führt das Drehmoment, welches mittels Getriebstufe 8 vom benachbarten Tretlager 2 übertragen wird, vom Äusseren ins Innere der Generator-Einheit 1.
Das Planetengetriebe 13 kann eine oder mehrere übersetzende Stufen enthalten.
Am Abtrieb des Planetengetriebes 13 befindet sich der Generator-Rotor 14.
Damit der Generator bei gegebener Stärke des Magnetfeldes im Luftspalt maximales Bremsmoment bei minimalem Volumen aufweist, wird bevorzugt ein Generator der Bauform "Aussenläufer" eingesetzt, bei dem der mit Permanent-Magneten besetzte Rotor 14 einen grösseren Durchmesser aufweist als der die Draht-Windungen der Elektro-Magnete tragende Stator 18.
Gegen Wetter, Berühren und gegen Stösse wird der aussen umlaufende Rotor 14 des Generator geschützt durch ein Gehäuse 15. Das Gehäuse kann einen abgedichteten Deckel aufweisen. Die Trennstelle von Gehäuse und Deckel kann irgendwo am Gehäuse 15 sein, kann radial oder axial dichten.
Naheliegend ist es, die Trennstelle irgendwo zwischen den Stellen 16 und 17 auszuführen.
[0020] Die Phasen des Generators, ausgehend vom Stator 18, sowie elektrische Leitungen von optionalen Sensoren werden über die bekannten Typen Spritzwasser-dichter Durchführungen für elektrische Leiter vom Inneren der Generator-Einheit 1 ins Äussere geführt. Das Gehäuse 21 der Generator-Elektronik kann unmittelbar an die Generator-Einheit anliegend sein oder in einer gewissen Distanz sich befinden.
Befindet sich die Generator-Elektronik zwischen Tretlager 2 und Generator-Einheit 1, ist die Durchführung der elektrischen Leiter vom Generator und den Sensoren zur Elektronik sehr direkt und kurz.
[0021] Nicht eingezeichnet sind Gleit-, Kugel- oder Rollen-Lager der drehbaren Teile Antrieb 12 und Rotor 14 sowie der beweglichen Teile im Planetengetriebe 13.
Es sind so viele Lagerarten möglich und aus bestehenden Konstruktionen bekannt, dass hier auf die Aufzählung verzichtet wird.
Weiter sind nicht eingezeichnet Dichtungen der Welle des Antriebs 12. Die Welle von 12 kann abgedichtet sein mittels geometrischer Schikanen, mittels Dichtlippe oder mittels gedichteter Kugellager.
[0022] Ebenfalls nicht gezeichnet ist ein optionaler Freilauf, welcher vor oder hinter dem Planetengetriebe eingebaut sein kann.
[0023] Fig. 2 zeigt die relative Lage von Generator-Einheit 1 und Tretlager 2.
Tretlager-Achse (Radius des Tret-Lagergehäuses rT) und Generator-Achse (Radius der Umhüllenden der Generator-Einheit rG) haben einen minimalen Abstand von (rT + rA + rG).
rA, der Abstand von Tretlager und Generator, kann 0 oder grösser 0 sein.
[0024] Ist rA > 0, kann zwischen Tretlager 2 und Generator-Einheit 1 ein Gehäuse 21 für die Generator-Elektronik monitert werden (das Gehäuse ist nicht eingezeichnet).
[0025] Eine erste Getriebestufe 8 erlaubt die Übertragung des Tretmomentes von der Tretkurbel mit Pedalarm 5 und Tretlager-Welle 4 auf den Antrieb der Generator-Einheit 12. Die Tretlager-Welle 4 ist im Tret-Lagergehäuse 3 gelagert, wie bekannt bsp. aus dem Fahrradbau.
[0026] Die erste Getriebestufe 8 erhöht die Tourenzahl und reduziert das Tret-Drehmoment. Das am Antrieb 12 der Generator-Einheit anliegende Drehmoment wird mittels Getriebe 13 weiter untersetzt, was zu einer erneuten Erhöhung der Tourenzahl führt.
Die Tourenzahl ist wegen der Getriebestufe eins (8) und wegen der Planetengetriebe 13 in der Generator-Einheit 1 somit mindestens zweimal erhöht worden.
Das erreichbare, totale Übersetzungsverhältnis (Tourenzahl Generator-Rotor/Tourenzahl Tretlager-Welle) liegt in der Grössenordnung von (6 X 5) = 30.
[0027] Geschützt vor Staub und Berührung wird die erste Stufe 8 des Getriebes mittels einer Schutzverkleidung 7. Eine mögliche Ausführung ist der aus dem Fahrradbau bekannten (Ketten-)Kasten, der dort dazu dient, die Kette vom Zahnkranz des Tretlagers bis zur Hinterrad-Nabe zu schützen. Die Schutzverkleidung 7 kann am Tretlager 2 abgestützt werden oder an der Generator-Einheit 1 oder an beiden.
[0028] Die Generator-Einheit 1 ist gekapselt. Es gibt nur eine einzige Durchführung von Drehmoment von aussen ins Innere der Generator-Einheit 1 mittels der Welle 12.
Wenn die Schutzverkleidung 7 auch noch den Antrieb 12 der Generator-Einheit 1 abdeckt, verbessert sich die Schutzwirkung.
[0029] In gewissen Anwendungs-Fällen der Generator-Einheit 1 ist Verwendung eines Freilaufs vorteilhaft. Die Generator-Einheit 1 hat minimales Bau-Volumen dann, wenn der Freilauf sich in der Tretkurbel befindet statt in der Generator-Einheit 1.
Ein möglicher Einbau-Ort in der Tretkurbel ist eingezeichnet (optionaler Freilauf 6).
[0030] In Fig. 1 ist eingezeichnet, mittels welcher Verfahren die Generator-Einheit 1 am Tretlager 2 montiert werden kann.
Es gibt viele Kombinations-Möglichkeiten der Montage-Verfahren.
Am einfachsten ist jedoch die Montage mittels einer oder mehrerer Bügel 19 oder Laschen 20.
[0031] Fig. 3 zeigt die bekannten Bauformen der ersten Getriebstufe 8, wo der Antrieb des Generators entweder mittels Kette (9) oder Zahnriemen (10) erfolgt (die Schutzverkleidung 7 über der ersten Getriebestufe 8 ist nicht gezeichnet).
[0032] Fig. 4 zeigt eine neue Bauform der ersten Getriebstufe 8, wo die Übertragung des Tretmoments vom Tretlager 2 auf die Generator-Einheit 1 mittels Stirnrad-Getriebe erfolgt (die Schutzverkleidung 7 über der ersten Getriebestufe 8 ist nicht gezeichnet).
Die Stirnräder können gerade oder schräg verzahnt sein. Besonders attraktiv ist Verwendung dieser Bauform, wenn der Freilauf 6 angewendet werden soll.
Ausführung der Erfindung
[0033] Gekapselte Ketten- (9) oder Riemen-Getriebe (10) für die erste Getriebestufe 8 sind bekannt. Besonders bevorzugt ist neue Verwendung von Stirnrädern (11) für die erste Getriebestufe, denn dann kann das Bauvolumen reduziert werden.
[0034] Die erste Getriebestufe ist durch eine Schutzverkleidung (7) abgedeckt. Im einfachsten Fall ist diese wie ein geschlossener Kettenkasten, bekannt aus dem Fahrradbau, aufgebaut.
Vibrationen der Schutzeinrichtung können vermieden werden durch Abstützen des Schutzes 7 sowohl auf dem Tretlager 2 wie auch auf der Generator-Einheit 1.
Bei selbsttragender Bauweise der Schutzverkleidung kann diese entweder auf dem Tretlager 2, insbesondere dem Tret-Lagergehäuse 3, oder der Generator-Einheit 1 abgestützt sein.
Eine bevorzugte Bauform der Erfindung ist diejenige, bei der die Schutzverkleidung eine Verlängerung des Gehäuse 15 ist.
Diese Bauform ist besonders vorteilhaft dann, wenn bsp. am Pedalarm 5 auf der Welle 4 oder auf der Welle 4 selber ein Freilauf 6 gelagert wird, und wenn die Getriebestufe 8 eine aus Stirnrädern aufgebaute Getriebestufe ist.
[0035] Der Freilauf 6 ist bevorzugt im Tretlager 2, insbesondere in der Tretkurbel, montiert. Einbau des Freilaufs 6 in aussen verzahnte Stirnräder ist einfach.
[0036] Der optionale Freilauf kann aber statt in Pos. 6 in der Tretkurbel auch in der Generator-Einheit 1 angeordnet sein, vor oder nach dem Planetengetriebe 13.
Dies ist dann vorteilhaft wenn im Bereich des Tretlagers 2 nur Standard-Fahrrad-Komponenten zum Einsatz kommen sollen.
[0037] In der Generator-Einheit 1 liegen die Achsen von Planetengetriebe 13 und Generator-Rotor 14 in der bevorzugten Ausführung konzentrisch. Angetrieben werden vom Antrieb 12 der Generator-Einheit her typischerweise die Planetenräder von 13. Der aussen liegende, innen verzahnte Zahnkranz des Planetengetriebes 13 ist mit dem Gehäuse um den Generator fest verbunden. Das Sonnenrad von 13 sitzt auf der Welle des Generator-Rotors, so dass der Antrieb desselben ohne Zwischenstufe erfolgt.
[0038] Eine weitere, denkbare Ausführung der Erfindung besteht darin, dass in der Generator-Einheit andere Typen als Planeten-Getriebe verwendet werden, bsp. auch Stirnrad-Getriebe.
Mittels Stirnradgetriebe statt mittels Planetengetriebe kann seitlicher Versatz von Antrieb 12, Getriebe, Generator (Rotor 14 und Stator 18) erzielt werden.
[0039] Als Generatoren kommen mechanisch oder elektronisch kommutierte, elektrische Maschinen in Frage. Grundsätzlich können Generatoren mit innenliegendem Rotor oder aussenliegendem Rotor benutzt werden.
Minimales Volumen der Generator-Einheit erreicht man jedoch für ein bestimmtes, generatorisches Bremsmoment durch Wahl eines Aussenläufers, bei welchen der Rotor 14 aussen um den Stator 18 läuft.
Der Rotor 14 ist bevorzugt mit Permanent-Magneten bestückt, während die Windungen der Draht-Spulen sich auf dem Stator 18 befinden.
Im Aussenläufer sind die Permanent-Magnete einfacher gegen Rausfallen wegen Fliehkräften zu sichern als beim Innenläufer.
[0040] Der Rotor 14 hat üblicherweise die Form einer Glocke,
welche über den Stator 18 übergestülpt ist. Die Öffnung der Glocke kann dem Antrieb 12 zugewandt oder abgewandt sein. Ist der Rotor auf der dem Antrieb 12 abgewandten Seite offen, kann der Stator 18 direkter auf die Gehäusewand 15 oder den Deckel im Gehäuse 15 abgestützt werden (Trennstellen zwischen Deckel und Gehäuse bsp. bei den Stellen 16 oder 17). Dies verbessert die Kühlung des Stators 18.
[0041] Es ist denkbar, dass die Kapselung gegen Spritzwasser der elektrischen Komponenten der Generator Einheit 1, insbesondere des Stators 18, mittels eines Gehäuse aus Plastik erfolgt, welches durch den Luftspalt zwischen Stator 18 und Rotor 14 führt.
Nachteil dieser Ausführung wäre jedoch, dass der Rotor dann nicht gegen Berührung oder Stösse geschützt ist, ausser man bringt Bügel oder Lochbleche an, welche um den Rotor schützend herumgreifen.
[0042] Die zur kontrollierten Belastung des Generators notwendige Leistungs-Elektronik befindet sich mit Vorteil in einem Gehäuse 21 zwischen der Generator-Einheit 1 und dem Tretlager 2.
Das Innere des Gehäuses 21 der Elektronik kann über einen Kanal mit dem Innern von Gehäuse 15 der Generator-Einheit verbunden sein.
In einer anderen Bauweise befindet sich die Elektronik axial vor oder hinter dem Generator.
[0043] Die mechanische Verbindung von Generator-Einheit 1 und Tretlager 2 kann auf diverse Arten geschehen.
Sehr einfach ist es, die Generator-Einheit 1 mit Bügel (19) mit Gewinde an das Tret-Lagergehäuse 3 oder an Rohre, welche am Tret-Lagergehäuse 3 befestigt sind, heranzuziehen.
Sind der Fahrzeugrahmen und/oder das Tretlager 2 mit Laschen (20) ausgerüstet, kann die Generator-Einheit 1 ebenfalls mittels Laschen und über Verschraubungen mechanisch mit dem Fahrzeug verbunden werden.
Verbindungen von Tretlager 2 und Generator-Einheit 1 mittels Laschen, Bügeln etc., können indirekt erfolgen,
wenn das Gehäuse für die Elektronik 21 als Zwischenstück dient.
[0044] Vorteile, welche die oben beschriebenen Ausführungen der Erfindung zur Folge haben:
[0045] Der Generator in Aussenläufer-Bauform erlaubt, bezogen auf das Volumen und das Gewicht der Generator-Einheit, ein maximales generatorisches Bremsmoment zu erzeugen.
[0046] Damit der Rotor des Aussenläufer nicht durch Dichtungen am freien Drehen gehindert ist, wird der Rotor selber nicht als Gehäuse verwendet, sondern ist in einem Gehäuse eingebaut. Das Gehäuse hat einerseits statisch tragende Funktion, andererseits Schutzfunktion.
Ein abnehmbarer Deckel erlaubt einfachen Zugang zum Generator zwecks Montage und Wartung.
[0047] Eine weitere Reduktion des Bauvolumens der Generator-Einheit ergibt sich dadurch, dass der Freilauf nicht in der Generator-Einheit selber eingebaut sein muss, sondern dass der Freilauf in der die Generator-Einheit antreibenden Treteinrichtung integriert sein kann.
[0048] Verwendung von Stirnrad- statt von Ketten- oder Riemen-Getrieben verkleinert die Baugrösse nochmals.
Stirnräder erlauben das Kuppeln von Tretlager und Generator-Einheit in ausschliesslich radialer Richtung.
[0049] Da das Gehäuse nebst der Durchführung der Antriebswelle vom Äusseren ins Innere des Generator-Gehäuses nur einen zweiten Spalt aufweist, kann hohe Spritzwasserfestigkeit der Generator-Einheit erreicht werden (die Anzahl abzudichtender Stellen ist minimal).
[0050] Da die Generator-Einheit mittels Lasche(n) oder Bügel(n) an das danebenliegende Tretlager montiert werden kann, ergibt sich einfache Nachrüstbarkeit an typische Rahmenformen von Fahrzeugen.
Liste der verwendeten Bezeichnungen:
[0051]
1 : Generator-Einheit (leicht grau gemustert in Fig. 2)
2 : Tretlager (dünne Linien in Fig. 2)
3 : Tret-Lagergehäuse
4 : Tretlager-Welle
5 : Pedalarm
6 : Optionaler Freilauf
7 : Schutzverkleidung der ersten Getriebestufe (gestrichelte Linien in Fig. 2)
8 :
Erste Getriebestufe
9 : Kettengetriebe
10 : Zahnriemengetriebe
11 : Stirnradgetriebe
12 : Antrieb des Planetengetriebes resp. der Generator-Einheit
13 : Planetengetriebe
14 : Generator-Rotor
15 : Gehäuse
16 : Trennstelle zu Deckel, Variante 1
17 : Trennstelle zu Deckel, Variante 2
18 : Generator-Stator
19 : Bügel/Zugstangen
20 : Lasche
21 : Gehäuse der Generator-Elektronik
rT : Radius des Tret-Lagergehäuses
rA : Abstand von Tret-Lagergehäuse und Generator-Einheit
rG : Radius der Generator-Einheit
Technical area
The invention relates to a pedal-generator unit of operable by muscle power, mobile and stationary facilities such as vehicles and energy-recovery facilities.
State of the art
The prior art is described here with reference to the use of pedal generators in vehicles:
US 3,884,317 describes bicycles in which pedal generator, integrated into the bottom bracket, and drive motor, integrated into the wheel, are connected by means of switches and cables. Step generator and wheel drive are encapsulated modules. The electrical machines used have inboard rotor and external stator.
Omni describes a light vehicle called ElectriLite, which can optionally be equipped with pedal generators (the drawing is 8.
Dated August, 1994).
The exact design of the pedal generators is not described in detail, according to the drawing, however, pedal pedal shaft and generator shaft are concentric. One learns from the texts of Omni, that an instrument panel and process control modules, which can control sources of electric current and the charging of the battery, which supervises possible fitness training thanks to pedal generator (s) while driving.
Thomas Müller describes in his diploma thesis from the Department of Industrial Design of the University of GH Wuppertal the "bicycle with electromagnetic drive" (WS 94/95, foreword of January 5, 1995). All components necessary for the construction of a complete drive of an electromagnetically driven electric bike are listed.
Timing belts and internal-toothed helical gears are used for the gearbox of pedal generator and wheel drive motor.
The electric machines are integrated in the vehicle frame while the gears are open.
The brushless electrical machines as internal rotor are operated by means of inverter as a generator or as a recuperative engine.
In DE 19 600 698 the same design for the pedal generator is given as in US 3,884,317: The generator is located in a large-volume bottom bracket, on the inside of the pole teeth are. The rotor sits on the bottom bracket shaft.
In DE 19 732 430 drive and pedal generator are within a large-volume vehicle frame. The torque transmission from the foot pedal to the generator is done by means of a toothed belt.
In CH 63 999 a highly integrated pedal generator is proposed in which is translated by planetary gears from slow to fast.
Drawing 11 shows an axial flow machine as a generator.
Disadvantages of the prior art:
Direct, with 1: 1 ratio driven generators are heavy and bulky.
Via single-stage gearbox driven generators do not turn very fast, therefore have to be greater (and heavier) for a given electrical output than as generators driven via two-stage gearboxes.
Are pedal crankshaft and generator shaft concentric, so there are several disadvantages:
a): sun gears of planetary gears have a defined by the diameter of the bottom bracket shaft minimum diameter; Correspondingly, the planetary gear have an upwardly limited gear ratio.
b): The generator housing in the form of a voluminous bottom bracket has a minimum diameter defined by the generator.
The bearings of the bottom bracket are located in the center of the side walls of the generator housing, which must be rigid, so that Wiegetritte not bend the side walls. Such deflections represent a lifetime impairing, axial movements of the running inside the housing gear and electric machines.
Electrical machines in the form of the inner rotor have shorter lever from shaft to air gap between the permanent magnets of the rotor and the electric magnets of the stator as an external rotor.
Correspondingly, the torques that can be achieved per volume are smaller at a specific field strength in the air gap.
task
The present invention aims to minimize the volume and weight of powered by muscle power generator unit while still high torque, especially in generator mode.
solution
The object is achieved by a pedal generator unit having the features of patent claim 1.
description
The present invention aims to achieve improvements in terms of volume and weight and recoverable regenerative braking torques, with respect to protection from weather and ruggedness, with regard to maintenance friendliness and retrofitting to existing vehicle frame improvements compared to the prior art.
Figure directory
[0016]
<Tb> FIG. 1 <sep> generator unit, cross section
<Tb> FIG. 2 <sep> Generator unit next to bottom bracket, first gear stage, protection of the first gear stage, assembly methods of the generator unit on the bottom bracket
<Tb> FIG. 3 <sep> Generator unit next to bottom bracket, belt or chain transmission (protection of first gear stage is not shown)
<Tb> FIG. 4 <sep> generator unit next to bottom bracket, helical gearbox (protection of first gear stage is not shown)
Fig. 1 shows the inventive generator unit. 1
(In Fig. 2, the generator unit is shown slightly gray patterned.)
Fig. 1 shows the main components of which the generator unit 1 consists. The housing 15 protects the planetary gear 13, the generator rotor 14 and the generator stator 18 from weather, contact and shocks. The generator electronics can be mounted in the housing 21, lying next to the housing 15.
The drive 12 performs the torque which is transmitted by means of gear stage 8 from the adjacent bottom bracket 2, from the outside into the interior of the generator unit. 1
The planetary gear 13 may include one or more translating stages.
At the output of the planetary gear 13 is the generator rotor 14th
In order for the generator to have maximum braking torque with a minimum volume for a given strength of the magnetic field in the air gap, a generator of the external rotor type is preferably used, in which the rotor 14, which is filled with permanent magnets, has a larger diameter than the wire windings of the electric motor Magnets bearing stator 18.
Against weather, touching and against bumps the outer circumferential rotor 14 of the generator is protected by a housing 15. The housing may have a sealed lid. The separation point of the housing and cover can be anywhere on the housing 15, can seal radially or axially.
It is obvious to carry out the separation point somewhere between the points 16 and 17.
The phases of the generator, starting from the stator 18, as well as electrical lines of optional sensors are performed on the known types of spray-tight bushings for electrical conductors from the interior of the generator unit 1 to the outside. The housing 21 of the generator electronics may be directly adjacent to the generator unit or located at a certain distance.
If the generator electronics are located between bottom bracket 2 and generator unit 1, the implementation of the electrical conductors from the generator and the sensors to the electronics is very direct and short.
Not shown are sliding, ball or roller bearings of the rotatable parts drive 12 and rotor 14 and the moving parts in the planetary gear thirteenth
There are so many types of bearings possible and known from existing designs that is omitted here on the list.
Next are not shown seals the shaft of the drive 12. The shaft of 12 may be sealed by means of geometric baffles, by means of sealing lip or by means of sealed ball bearings.
Also not drawn is an optional freewheel which can be installed in front of or behind the planetary gear.
Fig. 2 shows the relative position of generator unit 1 and bottom bracket. 2
Bottom bracket axis (radius of the pedal bearing housing rT) and generator axis (radius of the generator unit envelope rG) have a minimum distance of (rT + rA + rG).
rA, the distance between bottom bracket and generator, can be 0 or greater 0.
If rA> 0, a housing 21 for the generator electronics can be monitert between bottom bracket 2 and generator unit 1 (the housing is not shown).
A first gear 8 allows the transmission of the pedal torque of the crank with pedal arm 5 and bottom bracket shaft 4 on the drive of the generator unit 12. The bottom bracket shaft 4 is mounted in the pedal bearing housing 3, as is known, for example. from the bicycle construction.
The first gear 8 increases the number of turns and reduces the pedal torque. The voltage applied to the drive 12 of the generator unit torque is further reduced by means of gear 13, which leads to a renewed increase in the number of turns.
The number of revolutions has been increased at least twice because of the gear stage one (8) and because of the planetary gear 13 in the generator unit 1.
The achievable, total gear ratio (number of revolutions generator-rotor / number of revolutions bottom bracket shaft) is of the order of (6 X 5) = 30.
Protected from dust and contact the first stage 8 of the transmission by means of a protective cover 7. One possible embodiment is known from the bicycle (chain) box, which serves there, the chain from the sprocket of the bottom bracket to the rear wheel Hub to protect. The protective cover 7 can be supported on the bottom bracket 2 or on the generator unit 1 or both.
The generator unit 1 is encapsulated. There is only a single implementation of torque from the outside into the interior of the generator unit 1 by means of the shaft 12.
If the protective cover 7 also covers the drive 12 of the generator unit 1, the protective effect improves.
In certain applications of the generator unit 1 use of a freewheel is advantageous. The generator unit 1 has a minimum construction volume when the freewheel is in the pedal crank instead of in the generator unit 1.
A possible installation place in the crank is shown (optional freewheel 6).
In Fig. 1 is indicated, by means of which method, the generator unit 1 can be mounted on the bottom bracket 2.
There are many possible combinations of assembly procedures.
The easiest way, however, is the assembly by means of one or more brackets 19 or tabs 20th
Fig. 3 shows the known types of the first gear stage 8, where the drive of the generator either by means of chain (9) or toothed belt (10) takes place (the protective covering 7 on the first gear 8 is not shown).
Fig. 4 shows a new design of the first gear stage 8, where the transmission of the pedal torque from the bottom bracket 2 on the generator unit 1 by means of spur gear is done (the protective covering 7 on the first gear stage 8 is not shown).
The spur gears can be straight or helical toothed. Particularly attractive is the use of this design, when the freewheel 6 is to be applied.
Embodiment of the invention
Encapsulated chain (9) or belt transmission (10) for the first gear 8 are known. Particularly preferred is new use of spur gears (11) for the first gear stage, because then the volume of construction can be reduced.
The first gear stage is covered by a protective cover (7). In the simplest case, this is like a closed chain case, known from the bicycle, built.
Vibrations of the protective device can be avoided by supporting the protection 7 both on the bottom bracket 2 as well as on the generator unit. 1
In self-supporting construction of the protective cover this can either be supported on the bottom bracket 2, in particular the pedal bearing housing 3, or the generator unit 1.
A preferred embodiment of the invention is that in which the protective covering is an extension of the housing 15.
This design is particularly advantageous if, for example. on the pedal arm 5 on the shaft 4 or on the shaft 4 itself a freewheel 6 is mounted, and when the gear 8 is a gear constructed of spur gears.
The freewheel 6 is preferably mounted in the bottom bracket 2, in particular in the crank. Installation of the freewheel 6 in externally toothed spur gears is easy.
The optional freewheel can be arranged instead of Pos. 6 in the pedal crank in the generator unit 1, before or after the planetary gear thirteenth
This is advantageous if in the area of the bottom bracket 2 only standard bicycle components are to be used.
In the generator unit 1, the axes of planetary gear 13 and generator rotor 14 are concentric in the preferred embodiment. The planetary gears of FIG. 13 are typically driven by the drive 12 of the generator unit. The outer, internally toothed ring gear of the planetary gear 13 is fixedly connected to the housing around the generator. The sun gear of 13 sits on the shaft of the generator rotor, so that the drive takes place without intermediate stage.
Another conceivable embodiment of the invention is that other types are used as planetary gear in the generator unit, eg. also spur gear.
By means of spur gear instead of by means of planetary gear lateral offset of drive 12, gear, generator (rotor 14 and stator 18) can be achieved.
As generators come mechanically or electronically commutated, electric machines in question. In principle, generators with internal rotor or external rotor can be used.
However, minimum volume of the generator unit can be achieved for a specific regenerative braking torque by selecting an external rotor in which the rotor 14 runs outside the stator 18.
The rotor 14 is preferably equipped with permanent magnets, while the turns of the wire coils are located on the stator 18.
In the outer rotor, the permanent magnets are easier to secure against falling out due to centrifugal forces than the inner rotor.
The rotor 14 is usually in the form of a bell,
which is slipped over the stator 18. The opening of the bell may be facing or facing away from the drive 12. If the rotor is open on the side facing away from the drive 12, the stator 18 can be supported more directly on the housing wall 15 or the cover in the housing 15 (separation points between the cover and the housing, for example at the points 16 or 17). This improves the cooling of the stator 18.
It is conceivable that the encapsulation against splashing of the electrical components of the generator unit 1, in particular of the stator 18, by means of a housing made of plastic, which leads through the air gap between the stator 18 and rotor 14.
Disadvantage of this embodiment, however, would be that the rotor is then not protected against contact or bumps, except one brings bracket or perforated plates, which engage around the rotor protective.
The time required for the controlled load of the generator power electronics is located with advantage in a housing 21 between the generator unit 1 and the bottom bracket. 2
The interior of the housing 21 of the electronics may be connected via a channel to the interior of housing 15 of the generator unit.
In another design, the electronics is located axially in front of or behind the generator.
The mechanical connection of the generator unit 1 and bottom bracket 2 can be done in various ways.
It is very simple to use the generator unit 1 with a threaded bracket (19) on the pedal bearing housing 3 or on pipes which are fastened to the pedal bearing housing 3.
If the vehicle frame and / or the bottom bracket 2 equipped with tabs (20), the generator unit 1 can also be mechanically connected by means of tabs and screwed to the vehicle.
Connections of bottom bracket 2 and generator unit 1 by means of tabs, ironing, etc., can be done indirectly,
when the housing for the electronics 21 serves as an intermediate piece.
Advantages which result from the embodiments of the invention described above:
The generator in outer rotor design allows based on the volume and weight of the generator unit to generate a maximum regenerative braking torque.
So that the rotor of the outer rotor is not hindered by seals on free rotation, the rotor itself is not used as a housing, but is installed in a housing. The housing has a static load-bearing function on the one hand, and a protective function on the other.
A removable lid allows easy access to the generator for installation and maintenance.
A further reduction of the construction volume of the generator unit results from the fact that the freewheel does not have to be installed in the generator unit itself, but that the freewheel can be integrated in the pedal unit driving the generator unit.
Use of spur instead of chain or belt transmissions reduces the size again.
Spur gears allow the coupling of bottom bracket and generator unit in exclusively radial direction.
Since the housing in addition to the implementation of the drive shaft from the outside into the interior of the generator housing has only a second gap, high splash water resistance of the generator unit can be achieved (the number of sealed points is minimal).
Since the generator unit by means of tab (s) or bracket (s) can be mounted on the adjacent bottom bracket, easy retrofitting results in typical frame shapes of vehicles.
List of used terms:
[0051]
1: generator unit (slightly gray patterned in Fig. 2)
2: bottom bracket (thin lines in Fig. 2)
3: Pedal bearing housing
4: bottom bracket shaft
5: Pedalarm
6: Optional freewheel
7: Protective cover of the first gear stage (dashed lines in FIG. 2)
8th :
First gear stage
9: chain transmission
10: toothed belt transmission
11: helical gear
12: drive of the planetary gear respectively. the generator unit
13: planetary gear
14: generator rotor
15: housing
16: separation point to lid, version 1
17: separation point to cover, variant 2
18: generator stator
19: stirrups / tie rods
20: tab
21: Housing of the generator electronics
rT: radius of the pedal bearing housing
rA: distance from pedal bearing housing and generator unit
rG: radius of the generator unit