DE102007033838A1

DE102007033838A1 - Electric motor i.e. electronically commutated-direct current external rotor motor, for motor vehicle i.e. bicycle with electric drive, has planetary gear with base that is connected with drive shaft

Info

Publication number: DE102007033838A1
Application number: DE200710033838
Authority: DE
Inventors: Rudolf Höbel; Robert Haas; Michael Hörmann
Original assignee: Clean Mobile AG
Current assignee: TQ-SYSTEMS GMBH, DE
Priority date: 2007-07-18
Filing date: 2007-07-18
Publication date: 2009-05-14

Abstract

The electric motor (25) has a stator (1) with a predetermined region (4) for connection with a vehicle frame. A rotor (13) is mounted with respect to the stator in a rotatable manner. A planetary gear (26) has a hollow wheel (29) that is connected with the rotor and a sun wheel (27) that is connected with a hollow shaft, where a base (31) of the planetary gear is connected with a drive shaft (17). Multiple crank levers are fastened with pedals at ends of the drive shaft. The drive shaft exhibits a freewheel device (33) in a transition zone for the rotor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Außenläufer-Elektromotor 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.The The invention relates to an external rotor electric motor for a motor vehicle, in particular for a bicycle with electric drive. It further relates to a motor vehicle with a such external rotor electric motor and a method for operating such a vehicle.

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.Cycles with an electric motor as an auxiliary drive usually have a first drive means such as a chain on which the driver over Pedals provided torque from a front sprocket on a rear sprocket and thus transfers to the wheels, and a second drive means that provides the power supplied by the electric motor Torque transfers to the wheels of the vehicle.

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.From the DE 195 22 419 A1 is a bicycle with a designed as a brushless pancake motor electric motor known, the front sprocket is designed as a permanent magnet and forms the rotor of an electric motor. In the area of the bottom bracket, a stator disk is clamped with windings, which acts on the permanent magnet.

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.adversely is in this arrangement that to support the torque against the vehicle frame for a robust operation of the Vehicle support pins must be provided. Furthermore, the sprocket is designed as a permanent magnet expensive and heavy.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein besonders leichtes und kompaktes Fahrzeug mit Elektromotorantrieb anzugeben, das gleichzeitig einen möglichst einfachen und robusten Aufbau aufweist.task The invention is therefore a particularly lightweight and compact Specify vehicle with electric motor drive, the same time as possible has a simple and robust construction.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.According to the invention this object with the subject of the independent claims solved. Advantageous developments of the invention are Subject of the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßer Elektromotor für ein Kraftfahrzeug weist einen Stator mit vorbestimmten Bereichen für eine Verbindung mit einem Fahrzeugrahmen auf, wobei die Verbindung des Stators mit dem Fahrzeugrahmen beispielsweise durch Verschweißen oder durch Verschrauben erfolgen kann und die zur Verbindung vorgesehenen Bereiche entsprechend geeignet ausgebildet sind. Der erfindungsgemäße Elektromotor weist ferner einen Rotor 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.One Electric motor according to the invention for a motor vehicle has a stator with predetermined areas for one Connection to a vehicle frame, wherein the connection of the Stators with the vehicle frame, for example by welding or can be done by screwing and provided for connection Areas are designed accordingly suitable. The inventive Electric motor also has a rotor with predetermined areas for receiving a drive means, wherein the rotor is arranged on a drive shaft which is rotatably mounted in the stator is. The electric motor is designed as an external rotor motor.

Der Außenläufermotor weist einen radialen Aufbau aus einer zentralen Welle, die in einer Lageraufnahme des Stators gelagert ist. An die Lageraufnahme schließen sich in radialer Richtung die Elektromagneten des Stators an, die ferromagnetische Joche mit Wicklungen aufweisen, wobei die Wicklungen derart angeordnet sind, dass ihre Längsachse radial ausgerichtet ist und sie somit ein ebenfalls radial ausgerichtetes Magnetfeld erzeugen. An die Jochabschlüsse der Joche wiederum schließen sich in radialer Richtung eine Vielzahl von Permanentmagneten des Rotors an, die auf der Innenseite eines den Stator umgebenden Rings angeordnet sind und die den Jochabschlüssen gegenüberliegen.Of the External rotor motor has a radial structure a central shaft, which is stored in a bearing receptacle of the stator is. At the bearing seat close in the radial direction the electromagnets of the stator, the ferromagnetic yokes with Windings, wherein the windings are arranged such that their longitudinal axis is radially aligned and thus they generate a likewise radially aligned magnetic field. At the yoke ends The yokes in turn close in the radial direction a plurality of permanent magnets of the rotor on the inside a ring surrounding the stator are arranged and the yoke terminations are opposite.

Der erfindungsgemäße Elektromotor weist den Vorteil auf, dass er im Bereich des Tretlagers in den Rahmen fest integrierbar ist und somit als integraler Bestandteil des Fahrzeugrahmens ausgebildet sein kann und somit robust und besonders stabil ist. Beispielsweise kann der Stator mit Rahmenrohren des Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrrads, verschraubt oder verschweißt sein. Eine separate Abstützung des Drehmoments ist somit nicht erforderlich.Of the Electric motor according to the invention has the advantage on that he can be firmly integrated into the frame in the area of the bottom bracket is and thus be formed as an integral part of the vehicle frame can and therefore is robust and very stable. For example, can the stator with frame tubes of the vehicle, in particular a bicycle, screwed or welded. A separate support the torque is therefore not required.

Ferner weist der erfindungsgemäße Elektromotor den Vorteil auf, dass er verhältnismäßig platzsparend und kompakt ausgeführt sein kann aufgrund der günstigen Geometrie des Elektromotors, die eine Vielzahl kleiner Permanentmagnete anstelle einer massiven Scheibe vorsieht. Außenläufermotoren weisen ein verhältnismäßig großes Trägheitsmoment auf, das sich in der vorliegenden Anwendung vorteilhaft auf die Laufruhe des Fahrzeugs auswirkt.Further the electric motor according to the invention has the advantage on that he is relatively space efficient and compact can be made due to the cheap Geometry of the electric motor, which has a large number of small permanent magnets instead of a massive disc. External rotor motors point a relatively large moment of inertia, which in the present application advantageous to the smoothness of the vehicle.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor als elektronisch kommutierter Gleichstrom-Außenläufermotor ausgebildet. Energiespeicher wie Akkumulatoren zum Betreiben des Elektromotors können im Bereich des Hinterrades oder hinter einem Sitz des Fahrers vorgesehen sein. In dieser Ausführungsform ist der Elektromotor bürstenlos ausgebildet und der Rotor weist eine Anzahl von Permamentmagneten auf. Bürstenlose Elektromotoren haben den Vorteil, dass sie eine höhere Lebensdauer und eine höhere Effizienz aufweisen als solche mit einem Bürstensystem. Durch die Vermeidung des sogenannten Bürstenfeuers wird eine Reduktion hochfrequenter elektromagnetischer Störungen erreicht.In A preferred embodiment is the electric motor as electronically commutated DC external rotor motor educated. Energy storage such as batteries for operating the electric motor can be in the area of the rear wheel or behind a seat be provided by the driver. In this embodiment the electric motor is brushless and the rotor has a number of permanent magnets. Brushless Electric motors have the advantage that they have a higher Life and higher efficiency than such with a brush system. By avoiding the so-called Brushfire becomes a reduction of high frequency electromagnetic Disturbances achieved.

Die Bereiche zur Aufnahme eines Antriebsmittels sind beispielsweise als Ritzelkranz oder als Zahnriemenscheibe ausgebildet. Vorzugsweise sind die Bereiche zur Aufnahme des Antriebsmittels am Rotor angeschraubt.The Areas for receiving a drive means are, for example designed as a sprocket or as a toothed belt pulley. Preferably the areas for receiving the drive means are bolted to the rotor.

An den Enden der Antriebswelle sind vorzugsweise Kurbeln mit Pedalen befestigbar. Der Elektromotor ist 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.At the ends of the drive shaft cranks with pedals are preferably fastened. Of the Electric motor is thus integrated into the bottom bracket of the bicycle or parts of the electric motor form the bottom bracket and the electric motor and the moved by the force of the driver pedals attack on the same shaft. As a result, the electric motor according to the invention is particularly simple and compact.

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.In an advantageous embodiment, the drive shaft in a transition region to the rotor, a freewheel device on. This has the advantage of rolling the vehicle even without a simultaneous rotation of the drive shaft is possible, so that the driver does not have to pedal constantly.

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 Fedalkurbeln des Fahrzeugs und damit auch etwa im Schwerpunkt des Fahrzeugs angeordnet zu werden.Of the Rotor has a diameter in one embodiment D on with 250 mm ≤ D ≤ 350 mm. The height h of the rotor is, for example, 30 mm ≦ h ≦ 60 mm. Thus, the electric motor is compact enough to be in the range of Tretlagers between the Fedalkurbeln of the vehicle and thus also to be arranged approximately in the center of gravity of the vehicle.

Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Fahrrad mit einem Elektromotor, weist den erfindungsgemäßen Elektromotor auf, wobei der Stator des Elektromotors mit Rahmenrohren des Kraftfahrzeugs verbunden ist und die Antriebswelle durch ein Antriebsmittel mit einem Rad des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Der Stator kann an Rahmenrohre des Fahr zeugs angeschweißt oder angeschraubt sein. In jedem Fall ist er stabil mit dem Fahrzeugrahmen verbunden und benötigt somit keine Drehmomentabstützung gegen des Fahrradrahmen.One Motor vehicle according to the invention, for example a bicycle with an electric motor, the inventive Electric motor, wherein the stator of the electric motor with frame tubes of the Motor vehicle is connected and the drive shaft by a drive means is connected to a wheel of the motor vehicle. The stator can welded or screwed to frame tubes of the vehicle be. In any case, it is stably connected to the vehicle frame and thus requires no torque support against the bicycle frame.

Auf den Enden der Antriebswelle sind vorzugsweise Kurbeln mit Pedalen befestigt. Somit ist der Elektromotor im Bereich des Tretlagers eines Fahrrads befestigt und ersetzt dieses, wobei der Motor und der Fahrer an der gleichen Antriebswelle angreifen.On the ends of the drive shaft are preferably cranks with pedals attached. Thus, the electric motor is in the area of the bottom bracket attached to a bicycle and replaced this, the engine and the driver to attack on the same drive shaft.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem als Außenläufermotor ausgebildeten Elektromotor weist folgende Schritte auf: Es wird ein Stator des Elektromotors bereitgestellt mit Wicklungen zur Erzeugung von Magnetfeldern in radialer Richtung, wobei die Wicklungen Anschlüsse für eine Versorgungsspannung aufweisen. Außerdem wird ein Rotor des Elektromotors mit Permanentmagneten bereitgestellt, wobei die Permanentmagnete derart angeordnet werden, dass sie den Wicklungen in Bezug auf eine Antriebswelle in radialer Richtung gegenüberliegen. Die Versorgungsspannung wird derart geschaltet, dass das mittels der stromdurchflossenen Wicklungen erzeugte Magnetfeld eine Anziehungskraft auf die Permanentmagneten des Rotors und damit ein Drehmoment auf den Rotor ausübt.One Inventive method for operating a Motor vehicle with an external rotor motor trained electric motor has the following steps: It is a stator of the electric motor provided with windings for generation of magnetic fields in the radial direction, with the windings connections for a supply voltage. Furthermore a rotor of the electric motor is provided with permanent magnets, wherein the permanent magnets are arranged so that they Windings with respect to a drive shaft in the radial direction are opposite. The supply voltage is switched in such a way that the magnetic field generated by the current-carrying windings an attractive force on the permanent magnets of the rotor and thus applies a torque to the rotor.

Zum Schalten der Versorgungsspannung wird vorteilhafterweise ein elektronischer Kommutator verwendet, so dass der Elektromotor bürstenlos ausgeführt werden kann. Die Versorgungsspannung wird beispielsweise durch einen Hallsensor oder durch Auswerten von Induktionsströmen in den Wicklungen getriggert wird. Auf diese Weise ist eine sehr genaue Triggerung der Versorgungsspannung sichergestellt, so dass auch hohe Drehzahlen des Elektromotors möglich sind.To the Switching the supply voltage is advantageously an electronic Commutator used so that the electric motor is brushless can be. The supply voltage is for example by a Hall sensor or by evaluating induction currents in the windings is triggered. This way is a very accurate one Triggering the supply voltage ensured, so too high speeds of the electric motor are possible.

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 die Ausgangswelle des Elektromotors als Tretlagerachse beispielsweise für ein mit Kurbeln angetriebenes Fahrzeug ausgeführt sein kann.one includes the idea underlying several of the invention, that the support areas of the stator, the z. B. as a plate or as Grid plate can be formed an integral or represent self-supporting part of the vehicle frame. This allows the electric motor according to the invention very good and easy to integrate into a vehicle. Different to in the prior art, where awkward additional Components must be provided, the fits Electric motor according to the invention in a frame concept a, wherein advantageously in a particular embodiment, the Output shaft of the electric motor as a bottom bracket, for example designed for a vehicle powered by cranks can be.

Mit der bestehenden Ausgestaltung können auch Elektromotoren mit wesentlich höherem Wirkungsgrad als im Stand der Technik bereit gestellt werden.With The existing design can also be electric motors with much higher efficiency than in the prior art to be provided.

In einem besonderen Fall lassen sich dabei radial am Umfang des Rotors angeordnete Dauermagnete vorsehen, die von den ebenfalls radial vorgesehenen Spulen des Stators mit einer elektromagnetischen Kraft beaufschlagt werden. Radial am Umfang vorgesehene Dauermagnete und entsprechende Joche von Elektromagneten bewähren sich besonders, weil bei diesen die Spaltbreite nur im sehr geringen Ausmaß schwankt, was einen hohen Wirkungsgrad bereit stellt. Bei den im Stand der Technik bekannten Elektromotoren unterliegt die Spaltbreite zwischen Stator und Rotor wesentlich größeren Schwankungen.In a special case can be radially on the circumference of the rotor Provide arranged permanent magnets, which also from the radial provided coils of the stator with an electromagnetic force be charged. Radially provided on the circumference permanent magnets and corresponding yokes of electromagnets prove themselves particularly because in these the gap width fluctuates only to a very small extent, which provides high efficiency. In the in the state of Technology known electric motors subject to the gap width between Stator and rotor much larger fluctuations.

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.The Embodiments of the invention are essentially with permanent magnets on the rotor and with electromagnetic coils on the rotor Stator described. It is also possible to use permanent magnets to provide on the stator and to operate them with electromagnets on the rotor, which means a higher circuit complexity. In addition, you can Also provided electromagnets both on the stator and on the rotor be without another underlying idea of the invention to leave.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.embodiments The invention will be described below with reference to the attached Figures explained in more detail.

1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Stator eines erfindungsgemäßen Elektromotors für ein Fahrrad gemäß einer ersten Ausführungsform; 1 shows schematically a plan view of the stator of an electric motor according to the invention for a bicycle according to a first embodiment;

2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Rotor eines erfindungsgemäßen Elektromotors; 2 shows schematically a plan view of the rotor of an electric motor according to the invention;

3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den Rotor eines erfindungsgemäßen Elektromotors; 3 schematically shows a cross section through the rotor of an electric motor according to the invention;

4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor gemäß der ersten Ausführungsform; 4 schematically shows a cross section through the electric motor according to the invention according to the first embodiment;

5 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Stator eines erfindungsgemäßen Elektromotors gemäß einer zweiten und dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors; 5 schematically shows a plan view of the stator of an electric motor according to the invention according to a second and third embodiment of the electric motor according to the invention;

6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors; 6 shows schematically a cross section through a second embodiment of the electric motor according to the invention;

7 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors und 7 schematically shows a cross section through a third embodiment of the electric motor according to the invention and

8 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors. 8th schematically shows a cross section through an alternative embodiment of the electric motor according to the invention.

Die 1 bis 4 zeigen schematisch einen Elektromotor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.The 1 to 4 show schematically an electric motor according to a first embodiment of the invention.

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.The stator 1 the external rotor electric motor according to the invention, which in 1 is shown schematically in plan view, has a plate 2 auf, which in this embodiment is an integral part of the frame of a bicycle, not shown, of which in the 1 only sections of three frame tubes 3 are shown. The plate 2 has areas at its outer edge 4 on, for attachment to the frame tubes 3 are provided. Every area 4 is formed in this embodiment as a rectangular flange.

Die Platte 2 des Stators 1 weist innen eine Lageraufnahme 8 mit einem Kugellager 12 auf. Das Kugellager 12 umfasst einen Außenring 9, einen Innenring 11 und zwischen dem Außenring 9 und dem Innenring 11 angeordnete Kugeln 10. Der Innenring 11 umschließt eine Öffnung 24, die einen Durchmesser d_i aufweist. Die Öffnung 24 ist zur Aufnahme einer in der 1 nicht gezeigten Antriebswelle vorgesehen. d_i kann zum Beispiel 20 mm betragen.The plate 2 of the stator 1 has a bearing inside 8th with a ball bearing 12 on. The ball bearing 12 includes an outer ring 9 , an inner ring 11 and between the outer ring 9 and the inner ring 11 arranged balls 10 , The inner ring 11 encloses an opening 24 having a diameter d _i . The opening 24 is to take one in the 1 Not shown drive shaft provided. d _i can be 20 mm, for example.

Die Lageraufnahme 8 des Stators 1 wird von dem Basisring 5 umschlossen, der die Joche 6 des Stators 1 trägt. Die Joche 6 sind jeweils mit Wicklungen 7 versehen, die über hier nur schematisch dargestellte Zuleitungen 23 mit Strom versorgt werden. Die Joche 6 mit den Wicklungen 7 erstrecken sich radial von dem Basisring 5 nach außen und weisen sich radial an die Wicklungen 7 anschließende Jochabschlüsse 34 auf. An die Jochabschlüsse schließt sich ebenfalls in radialer Richtung ein Laufbereich 35 für den in 1 nicht gezeigten Rotor des Elektromotors an.The camp recording 8th of the stator 1 is from the base ring 5 enclosed the yokes 6 of the stator 1 wearing. The yokes 6 are each with windings 7 provided, the only schematically shown here leads 23 be powered. The yokes 6 with the windings 7 extend radially from the base ring 5 outwards and point radially to the windings 7 adjoining yoke ends 34 on. At the Jochabschlüsse also includes a running area in the radial direction 35 for the in 1 not shown rotor of the electric motor.

In der Figur 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.In the figure are only a few yokes 6 shown. However, for a quiet running of the bicycle and to provide a high torque is a much larger number of yokes 6 with windings 7 intended.

2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Rotor 13 des erfindungsgemäßen Elektromotors. Der Rotor 13 weist eine Topfform mit einem Boden 14 und einem Rand 15 auf. Der Rotor 13 weist einen Durchmesser D auf mit 250 mm ≤ D ≤ 350 mm. 2 schematically shows a plan view of the rotor 13 the electric motor according to the invention. The rotor 13 has a pot shape with a bottom 14 and a border 15 on. The rotor 13 has a diameter D of 250 mm ≤ D ≤ 350 mm.

An der Innenseite 26 des Randes 15 ist eine Vielzahl von Permanentmagneten 16 angeordnet. Die Permanentmagnete 16 sind derart angeordnet, dass ihre Polung in der Richtung des Umfangs des Rotors 13, die durch den Pfeil 36 angedeutet ist, wechselt.On the inside 26 of the edge 15 is a variety of permanent magnets 16 arranged. The permanent magnets 16 are arranged such that their polarity in the direction of the circumference of the rotor 13 that by the arrow 36 is indicated, changes.

Der Rotor 13 ist in dieser Ausführungsform fest auf der Antriebswelle 17 des Fahrrads angeordnet, er kann auch einstückig mit der Antriebswelle 17 ausgeführt sein. 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. Die Pedalen sind dabei mittels eines Befestigungselements 21 wie einer Schraube an den Kurbeln 19 befestigt.The rotor 13 is fixed on the drive shaft in this embodiment 17 the bicycle arranged, he can also be integral with the drive shaft 17 be executed. The drive shaft 17 has a diameter d _a , which may be 20 mm, for example. The drive shaft 17 has square connections at each of its ends 18 for attaching a crank 19 for a pedals 20 on. The pedals are by means of a fastener 21 like a screw on the cranks 19 attached.

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. 3 shows a cross section through the rotor 13 , In this illustration it can be seen that the rotor 13 has a height h which is typically 30 to 60 mm.

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 27 vorgesehen.In this illustration it can also be seen that the rotor 13 in the area of his soil 14 a sprocket wreath 22 for receiving a chain, not shown. The sprocket wreath 22 is in this embodiment with the ground 14 of the rotor 13 screwed. These are threaded holes 27 intended.

4 zeigt schematisch einen Querschnitt entlang der Linie A-A aus 1, wobei in dieser Darstellung nicht nur der Stator 1, sondern auch der Rotor 13 gezeigt ist. Der Rotor 13 ist derart angeordnet, dass sich die Antriebswelle 17 durch die Öffnung 24 im Innenring 11 des Kugellagers 12 erstreckt und mittels des in dieser Figur lediglich symbolisch dargestellten Kugellagers 12 gelagert ist. Dabei entspricht der Durchmesser d_i des zentralen Lochs 24 im Wesentlichen dem Durchmesser d_a der Antriebswelle 17. 4 schematically shows a cross section along the line AA 1 , in which not only the stator 1 but also the rotor 13 is shown. The rotor 13 is arranged such that the drive shaft 17 through the opening 24 in the inner ring 11 of the ball bearing 12 extends and by means of the ball bearing shown only symbolically in this figure 12 is stored. In this case, the diameter d _i corresponds to the central hole 24 essentially the diameter d _{a of} the drive shaft 17 ,

Der mit den Permanentmagneten 16 bestückte Rand 15 des Rotors 13 ist in dem Laufbereich 35 des Stators 1 angeordnet, der sich in radialer Richtung an die Jochabschlüsse 34 des Stators 1 anschließt. Die Permanentmagnete 16 des Rotors 13 liegen den Hochabschlüssen 34 der Joche 6 mit den Wicklungen 7 gegenüber.The one with the permanent magnets 16 equipped edge 15 of the rotor 13 is in the running area 35 of the stator 1 arranged in the radial direction of the yoke terminations 34 of the stator 1 followed. The permanent magnets 16 of the rotor 13 are the high achievements 34 the yokes 6 with the windings 7 across from.

Zur Montage des erfindungsgemäßen Elektromotors wird folgendermaßen vorgegangen: Die Platte 2 des Stators 1 wird in den dazu vorgesehenen Bereichen 4 mit dem Rahmen eines Fahrrads verbunden, in dem er beispielsweise, wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, mit den Rahmenrohren 3 verschweißt wird. Anschließend wird das Kugellager 12 in der Lageraufnahme 8 montiert und die Joche 6 mit den Jochabschlüssen 34 und den Wicklungen 7 werden am Basisring 5 mit der Lageraufnahme 8 verbunden.For mounting the electric motor according to the invention, the procedure is as follows: the plate 2 of the stator 1 will be in the designated areas 4 connected to the frame of a bicycle, in which he, for example, as shown in this embodiment, with the frame tubes 3 is welded. Subsequently, the ball bearing 12 in the warehouse 8th mounted and the yokes 6 with the yoke ends 34 and the windings 7 be at the base ring 5 with the bearing receiver 8th connected.

Ferner wird der Rotor 13 mit den an der Innenseite 26 seines Randes 15 angebrachten Permanentmagneten 16 bereitgestellt. Der Rotor 13 wird in den in dieser Ausführungsform topfförmigen Stator 1 eingesetzt und mit diesem durch Einführen der Antriebswelle 17 in die Öffnung 24 im Innenring 11 mit dem Kugellager 12 verbunden. Dabei kommt der Rand 15 mit den Permanentmagneten 16 im Laufbereich 35 des Stators 1 zu liegen. Abschließend werden die Kurbeln 19 mit den Pedalen 20 auf der Antriebswelle 17 montiert.Further, the rotor becomes 13 with those on the inside 26 his edge 15 attached permanent magnets 16 provided. The rotor 13 becomes in the cup-shaped in this embodiment stator 1 used and with this by inserting the drive shaft 17 in the opening 24 in the inner ring 11 with the ball bearing 12 connected. Here comes the edge 15 with the permanent magnets 16 in the running area 35 of the stator 1 to lie. Finally, the cranks 19 with the pedals 20 on the drive shaft 17 assembled.

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.It is also possible to use the electric motor 25 first by inserting the rotor 13 in the stator 1 put together and only then with the frame tubes 3 connect to. This is especially possible if the connection of the plate 2 of the stator 1 with the frame tubes 3 by screwing and not by welding.

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.In operation are the windings 7 traversed by an electric current and provide a magnetic field, through the interaction with the permanent magnets 16 of the rotor 13 generates a torque. For this purpose, the current that provides the current through the windings is switched in each moment so that the permanent magnets 16 from that in the direction of the circumference of the rotor 13 each following yoke conclusion 34 be attracted while passing through the yoke just passed 34 be repelled.

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.For switching the supply voltage for the windings ( 7 ) an electronic commutator can be used. The triggers of the voltage succeed, for example, contactlessly by a Hall sensor or by evaluating induction currents in the windings.

Das Drehmoment wird über den fest auf dem Rotor 13 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.The torque is above the fixed on the rotor 13 mounted sprocket wheel 22 transmitted to the wheels of the bicycle by means of a chain, not shown. In one embodiment, not shown, a toothed belt pulley is provided instead of the pinion ring and instead of a chain, a toothed belt.

Das Fahrrad mit dem erfindungsgemäßen Elektromotor 25 kann jedoch zusätzlich auch durch den Fahrer über die an der Antriebswelle 17 montierten Pedalen 20 angetrieben werden. Sowohl der Elektromotor 25 als auch die Pedalen 20 greifen demnach an der gleichen Antriebswelle 17 an und benötigen daher zur Übertragung des Drehmoments lediglich eine einzige, gemeinsame Kette oder einen Zahnriemen.The bicycle with the electric motor according to the invention 25 However, in addition, by the driver on the drive shaft 17 mounted pedals 20 are driven. Both the electric motor 25 as well as the pedals 20 Therefore, grab the same drive shaft 17 and therefore require only a single, common chain or a toothed belt to transmit the torque.

5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine zweite bzw. dritte Ausführungsform des Stators 1 des erfindungsgemäßen Elektromotors. In diesen Ausführungsformen ist die Platte 2 des Stators 1 nicht direkt an die Rahmenrohre 3 angeschweißt. Stattdessen sind an die Rahmenrohre 3 Halteplatten 28 angeschweißt, die in 5 lediglich gestrichelt angedeutet sind. Anstelle separater Halteplatten 28 für jedes Rahmenrohr 3 kann auch ein gemeinsamer Haltering 31 vorgesehen sein, der in 5 ebenfalls gestrichelt angedeutet ist, oder eine andere Art der gemeinsamen Halteplatte. Dabei hat ein gemeinsamer Haltering 31 oder eine anders geformte gemeinsame Halteplatte den Vorteil, dass der Rahmen des Fahr rads auch ohne den Elektromotor zusammenhängt und selbsttragend ist. 5 shows a schematic plan view of a second and third embodiment of the stator 1 the electric motor according to the invention. In these embodiments, the plate is 2 of the stator 1 not directly to the frame tubes 3 welded. Instead, to the frame tubes 3 holding plates 28 welded in 5 are indicated only by dashed lines. Instead of separate holding plates 28 for each frame tube 3 can also have a common retaining ring 31 be provided in the 5 also indicated by dashed lines, or another type of common mounting plate. It has a common retaining ring 31 or a differently shaped common retaining plate has the advantage that the frame of the driving wheel is also connected without the electric motor and is self-supporting.

Die Platte 2 des Stators 1 weist Bereiche 4 zur Befestigung an den Halteplatten 28 oder am Haltering 31 des Rahmens auf, wobei die Bereiche 4 in dieser Ausführungsform als Platten ausgebildet sind und Löcher 29 zur Aufnahme von Befestigungselementen wie Schrauben aufweisen.The plate 2 of the stator 1 has areas 4 for attachment to the retaining plates 28 or on the retaining ring 31 of the frame, the areas 4 are formed in this embodiment as plates and holes 29 have for receiving fasteners such as screws.

6 zeigt den Elektromotor 25 gemäß 5 im Querschnitt entlang der Linie A-A. Gezeigt ist die zweite Ausführungsform, bei der die Platte 2 des Stators 1 in ihren Bereichen 4 an separaten Halteplatten 28 der Rahmenrohre 3 befestigt wird. 6 shows the electric motor 25 according to 5 in cross section along the line AA. Shown is the second embodiment, in which the plate 2 of the stator 1 in their fields 4 on separate holding plates 28 the frame tubes 3 is attached.

Die dritte Ausführungsform des Elektromotors 25 mit einem gemeinsamen Haltering 31 ist in 7 schematisch im Querschnitt gezeigt. Der Haltering 25 ist wie die Halteplatten 28 in der zweiten Ausführungsform an der Platte 2 des Stators 1 befestigt. Zur Aufnahme von Befestigungselementen wie Schrauben sind wiederum Löcher 29 vorgesehen.The third embodiment of the electric motor 25 with a common retaining ring 31 is in 7 shown schematically in cross section. The retaining ring 25 is like the holding plates 28 in the second embodiment on the plate 2 of the stator 1 attached. To accommodate fasteners such as screws are again holes 29 intended.

8 zeigt eine alternative Ausführungsform des Elektromotors 25 schematisch im Querschnitt. In dieser Ausführungsform weist der Rotor 13 eine Freilaufeinrichtung 33 mit Sperrklingen oder Klemmrollen auf. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein ständiges Treten eines Fahrers nicht erforderlich ist. In dieser Ausführungsform ist es aufgrund des Freilaufs 33 für den Fahrer nicht notwendig, ständig die Pedalen zu betätigen, sondern die Rotation der Antriebswelle 17 kann auch von der Bewegung des Rotors 13 abgekoppelt werden, so dass ein Antrieb des Fahrrads allein über den Elektromotor 25 ohne eine Unterstützung durch den Fahrer stattfindet. 8th shows an alternative embodiment of the electric motor 25 schematically in cross section. In this embodiment, the rotor 13 a freewheel device 33 with pawls or pinch rollers on. This embodiment has the advantage that a constant pedaling of a driver is not required. In this embodiment, it is due to the freewheel 33 for the driver is not necessary to constantly press the pedals, but the rotation of the drive shaft 17 can also from the movement of the rotor 13 be decoupled, so that a drive of the bike alone on the electric motor 25 without any support from the driver.

11: Statorstator
22: Platteplate
33: Rahmenrohrframe tube
44: Bereicheareas
55: Basisringbase ring
66: Jochyoke
77: Wicklungenwindings
88th: Lageraufnahmebearing seat
99: Außenringouter ring
1010: Kugelnroll
1111: Innenringinner ring
1212: Kugellagerball-bearing
1313: Rotorrotor
1414: Bodenground
1515: Randedge
1616: Permanentmagnetpermanent magnet
1717: Antriebswelledrive shaft
1818: VierkantverbindungSquare head
1919: Kurbelcrank
2020: Pedalepedals
2121: Befestigungselementfastener
2222: Ritzelkranzpinion wreath
2323: Zuleitungsupply
2424: Öffnung im Innenringopening in the inner ring
2525: Elektromotorelectric motor
2626: Innenseiteinside
2727: Gewindelochthreaded hole
2828: HalteplatteRetaining plate
2929: Lochhole
3131: Halteringretaining ring
3333: FreilaufeinrichtungFreewheel device
3434: JochabschlussJochabschluss
3535: Laufbereichoverflow area
d_a d _a: Außendurchmesser der Kurbelouter diameter the crank
d_i d _i: Innendurchmesser des zentralen LochsInner diameter the central hole
DD: Durchmesser des Rotorsdiameter of the rotor
hH: Höhe des Rotorsheight of the rotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 19522419 A1 [0003]

Claims

Electric motor ( 25 ) for a motor vehicle, comprising: - a stator ( 1 ) with predetermined areas ( 4 ) for connection with and self-supporting integration into a vehicle frame; A rotor ( 13 ) with predetermined areas for receiving a drive means, wherein the rotor ( 13 ) on a drive shaft ( 17 ) arranged in the stator ( 1 ) is rotatably mounted; - the electric motor ( 25 ) is designed as an external rotor motor.

Electric motor ( 25 ) according to claim 1, wherein the electric motor ( 25 ) is formed as an electronically commutated DC external rotor motor.

Electric motor ( 25 ) according to claim 1 or 2, wherein the electric motor ( 25 ) is formed brushless and the rotor ( 13 ) a number of permanent magnets ( 16 ) having.

Electric motor ( 25 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the areas for receiving a drive means as a sprocket rim ( 22 ) is trained.

Electric motor ( 25 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the areas for receiving a drive means is designed as a toothed belt pulley.

Electric motor ( 25 ) according to one of claims 1 to 5, wherein at the ends of the drive shaft ( 17 ) Cranking ( 19 ) with pedals ( 20 ) are fastened.

Electric motor ( 25 ) according to one of claims 1 to 6, wherein the areas for receiving the drive means on the rotor ( 13 ) are screwed.

Electric motor ( 25 ) according to one of claims 1 to 7, wherein the drive shaft ( 17 ) in a transition region to the rotor ( 13 ) a freewheel device ( 33 ) having.

Electric motor ( 25 ) according to one of claims 1 to 8, wherein the rotor ( 13 ) has a diameter D of 250 mm ≤ D ≤ 350 mm.

Electric motor ( 25 ) according to one of claims 1 to 9, wherein the rotor ( 13 ) has a height h of 30 mm ≤ h ≤ 60 mm.

Motor vehicle with an electric motor ( 25 ) according to one of claims 1 to 10, wherein the stator ( 1 ) of the electric motor ( 25 ) with frame tubes ( 3 ) of the motor vehicle and is self-supporting, integral part of the frame and the drive shaft is connected by a drive means with a wheel of the motor vehicle.

Motor vehicle according to claim 11, wherein the motor vehicle is designed as a bicycle.

Motor vehicle according to claim 11 or 12, wherein the Drive means is designed as a chain.

Motor vehicle according to claim 11 or 12, wherein the Drive means is designed as a toothed belt.

Motor vehicle according to one of claims 11 to 14, wherein the electric motor ( 25 ) on frame tubes ( 3 ) of the motor vehicle is welded.

Motor vehicle according to one of claims 11 to 14, wherein the electric motor ( 25 ) on frame tubes ( 3 ) of the motor vehicle is screwed.

Method for operating a motor vehicle with an electric motor designed as an external rotor motor and self-supporting in a frame of the vehicle ( 25 ), comprising the following steps: - providing a stator ( 1 ) of the electric motor ( 25 ) with windings for generating magnetic fields, wherein the windings ( 7 ) Connections ( 23 ) for a supply voltage; Providing a rotor ( 13 ) of the electric motor ( 25 ) with permanent magnets, wherein the permanent magnets ( 16 ) the windings ( 7 ) with respect to a drive shaft ( 17 ) are opposite in the radial direction; Switching the supply voltage such that the current flowing through the windings ( 7 ) magnetic field attracting the permanent magnets ( 16 ) of the rotor ( 13 ) and thus a torque on the rotor ( 13 ) exercises.

The method of claim 17, wherein for switching the Supply voltage an electronic commutator is used.

The method of claim 18, wherein the supply voltage is triggered by a Hall sensor.

Method according to claim 18, wherein the supply voltage is determined by evaluating induction currents in the windings ( 7 ) is triggered.