DE102008038255B4

DE102008038255B4 - Elektromotor am Rad

Info

Publication number: DE102008038255B4
Application number: DE102008038255.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-18
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2028-08-19
Also published as: DE102008038255A1

Abstract

Elektromotor an einem Rad eines Beförderungsmittels mit einem Sperrrad (1), einem Elektromagneten (4) mit einem Anker (5) und mit einer Rückholfeder (8), einer Kraftklinke (13) mit einer Andrückfeder (15) und auch einer Sperrklinke (14) mit einer Andrückfeder (15), dadurch gekennzeichnet, dass als Sperrrad (1) eine Bremsscheibe (18) eines Rads des Beförderungsmittels verwendet wird, wobei entlang einem Kreisumfang der Bremsscheibe (18) schräge Zähne angeordnet sind, wobei es im Elektromotor einen Zweiarmhebel (9) mit einer Rotationsachse (10) gibt, welcher die Kraftklinke (13) und den Anker (4) des Elektromagneten (4) verbindet, wobei das Verhältnis der Hebelenden des Zweiarmhebels (9) den Schritt des Sperrrads (1) bei Betätigung des Ankers (5) des Elektromagneten (4) definiert, wobei sich alle Teile des Elektromotors, ausser dem Sperrrad (1), auf einer Fussplatte (3) des Motors befinden und die Fussplatte (3) des Motors auf einem Rahmen des Beförderungsmittels befestigt ist.

Description

Die Anmeldung betrifft einen Elektromotor an einem Rad gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Elektrische Radnabenmotoren haben eine alte Geschichte. Auf der Ausstellung World Expo, die in Paris am 14. April 1900 begann, war das Elektromobil Lohner-Porsche ausgestellt, dessen Antrieb der Ingenieur Ferdinand Porsche entwickelt hat. Die Vorderräder des Autos drehten sich wie der Rotor eines Gleichstrom-Elektromotors und der Motorständer war auf den Achsen befestigt. Eigentlich waren es echte Motor-Räder. Gegenwärtig finden Motor-Räder immer weitere Anwendung beim Antrieb von Elektrofahrrädern, elektrischen Rollstühlen usw. (siehe www.heinzmann.de HEINZMANN Firmenbroschüre). Jetzt werden in Motor-Rädern auch Wechselstrom-Elektromotoren verwendet.
Die Vorzüge von Motor-Rädern sind: die kleinen Abmessungen (Alles befindet sich im Rad), die Abwesenheit zusätzlicher Antriebe, die Einfachheit der Verwaltung. Doch sind ihnen auch Mängel eigen:

1. Der ziemlich große Energieverbrauch, was zu einer verhältnismässig kurzen Laufzeit bei Akku-Versorgung führt.
2. Das verhältnismässig kleine Drehmoment. Es erlaubt es dem Beförderungsmittel nicht, Wege mit grossem Gefälle hinaufzufahren.
3. Die Abwesenheit einer automatischen Blockierung der Bewegung rückwärts bei Aufwärtsfahrt. Es ist besonders für Rollstühle aktuell.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die angegebenen Mängel zu beseitigen.
Es wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, den Schritt-Kraftelektromotor mit einer Impulssteuerung auf der Grundlage eines Ratschenklinke-Mechanismus zu verwenden. Aus anderen Gebieten der Technik ist die Anwendung des Ratschenklinke-Mechanismus zusammen mit Elektromagneten als Elektromotor bekannt. Zum Beispiel wurden in Fernsprechvermittlungsstellen Schrittschalter mit solchen Motoren von Anfang an verwendet. Auch haben in Uhren mit elektromechanischem Weichenantrieb Anwendung gefunden. Doch ist in diesen Elektromotoren, wie auch in den modernen Schrittelektromotoren ohne Ratschenklinke-Mechanismus, das Erhalten der genauen Position der Abgabewelle Hauptaufgabe. Für den gegebenen Fall wird die Aufgabe des Erhaltens des Kraftantriebes gestellt, und dies gibt der Konstruktion des Elektromotors an einem Rad gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs die Besonderheit.
Der angebotene Elektromotor hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber derzeit bekannten Elektromotor-Rädern.
Der vorliegende Elektromotor hat einen kleinen Energieverbrauch, weil er die Elektroenergie hauptsächlich während des Durchgangs der kurzen Impulse des Stroms via den Elektromagneten konsumiert. Deshalb ist der mittlere Energieverbrauch des Elektromotors klein. Deshalb kann man die Zeit des Laufs des Beförderungsmittels bei gleichen existierenden Akkumulatoren wesentlich vergrößern.
Der im Elektromotor verwendete Elektromagnet hat gute Schubkraft-Charakteristiken bei verhältnismäßig kleinem Kraftbedarf.
Weil man in diesem Elektromotor einen Sperr-Mechanismus mit Sperrklinke verwendet, hat der Elektromotor keinen Rücklauf. Deshalb hat er eine erhöhte Sicherheit der Verwendung, zum Beispiel bei der Bewegung eines Rollstuhls bergauf.
Außerdem hat der Elektromotor kleine Abmessungen, da seine Konstruktion hauptsächlich flach ist (ausgenommen der Elektromagnet) und seine Verwendung hat die Abmessungen des Rads im Vergleich mit einem elektrischen Radnabenmotor fast nicht vergrößert.
Als Beispiel kann man die Charakteristiken des Elektromagneten EM-0080 der Firma MACCON GmbH bringen, den man in Form eines fertigen Bauteils für die Auslegung des Elektromotors verwenden kann. Seine Abmessungen: Durchmesser 80 mm, Dicke 40 mm, Gewicht 1.450 Gramm, Spannung des Gleichstroms 12 Volt, die elektrische Leistung 12,5 Watt, Zugkraft bei Zimmertemperatur 2.100 N. Von hier ausgehend kann man ungefähr die Abmessungen und das Gewicht des ganzen Elektromotors bewerten – sie sind ziemlich klein (siehe http://www.maccon.de/elektrohaftmagnete.html, Datenblatt "Elektromagnete").
Schließlich ist bei der Herstellung des Elektromotors und seiner Teile keine hohe Genauigkeit erforderlich. Deshalb werden die Herstellkosten des Elektromotors nicht hoch.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung weiter erläutert. Es zeigen:
1 ein Beispiel eines Ausführung eines solchen Elektromotors;
2 eine weitere Ausführung eines solchen Elektromotors;
3 einen Schaltplan für eine Spannungsquelle.
Die Pfeile in 1 und 2 zeigen die möglichen Bewegungsrichtungen der einzelnen Elemente des Motors.
In 1 verwendet man als Sperrrad 1 eine Bremsscheibe 18. Daher sind entlang der Kreislinie der Bremsscheibe 18 Schrägzähne angeordnet. Diese Schrägzähne stören die Hauptfunktion der Bremsscheibe 18 nicht. Bei der anderen Variante der Konstruktion (2) ist das Sperrrad 1 unmittelbar an der Bremsscheibe 18 befestigt.
Die Bremsscheibe 18 ist auf dem Rad des Beförderungsmittels, zum Beispiel eines Fahrrades, fest befestigt (in 1 und 2 ist das Rad nicht gezeigt). Der übrige Teil des Motors ist auf einer Fußplatte 3 aufgestellt, die auf dem Rahmen des Beförderungsmittels, zum Beispiel eines Fahrrades (die Elemente der Befestigung der Fußplatte 3 sind nicht gezeigt), befestigt ist. Ein Anker 5 des Elektromagneten 4 ist mit einer Zunge 6 des Elektromagneten 4 fest verbunden und kann kleine Bewegungen in horizontaler Richtung ausführen. Eine Feder 8 ist mit der Zunge 6 des Elektromagneten 4 verbunden und strebt, den Anker 5 des Elektromagneten 4 nach rechts zurückzuziehen. Ein Zweiarmhebel 9 hat die Möglichkeit, sich um die eigene Achse 10 zu drehen, und ist an einem Ende mit der Zunge 6 des Elektromagneten 4 und am anderen Ende mit einem Schlitten 11 verbunden, wobei die Öffnungen auf den Enden des Zweiarmhebels 9 für die freie Bewegung der verknüpften Zunge 6 und des Schlittens 11 oval ausgeführt sind. Der Schlitten 11 wird in Klammern 12, die auf der Fußplatte 3 befestigt sind, geführt. Auf dem Schlitten 11 ist eine Kraftklinke 13 angeordnet, und eine Sperrklinke 14 ist auf der Fußplatte 3 befestigt. Beide Klinken 13, 14 haben die Möglichkeit, sich jeweils um die eigene Achse 10 zu drehen, und werden ständig von Andrückfedern 15 gegen das Sperrrad 1 gedrückt.
Die Notwendigkeit, den Zweiarm-Hebel 9 in die Konstruktion des Elektromotors einzubringen, ist durch Folgendes bedingt: Zur Übertragung großer Kräfte auf das Sperrrad 1 sollen seine Schrägzähne genügend groß sein, und entsprechend soll die Teilung der Schrägzähne ziemlich groß sein. Andererseits soll der maximale Weg des Ankers 5 nach Möglichkeit klein sein. Deshalb gewährleistet der Zweiarmhebel 9 mit entsprechendem Verhältnis der Hebelarme die Verstellung des Sperrrads 1 um einen Schritt bei kleinem Weg des Ankers 5 des Elektromagneten 4.
Ein Beispiel der Ausführung der elektrischen Versorgung für diesen Elektromotor ist in 3 gezeigt. Die Spannungsquelle enthält einen Stammoszillator mit Regulierung der Impulsfrequenz, einen Former der kurzen Impulse durch die Front der Impulse des Stammoszillators und einen Leistungsstromschalter, der den Elektromagneten 4 des Elektromotors als Last hat. Der Stammoszillator ist mit dem Präzisions-Timer IC1 555N, einem Widerstand R1, einem Potentiometer R2 und Kondensatoren C1 und C2 ausgeführt. Er stellt das typische Schema eines Multivibrators mit unsymmetrischen Eigenschwingungen dar und weist keine Besonderheiten auf. Die Frequenz des Stammoszillators definiert man mit der Kondensatorkapazität C1 und dem elektrischen Widerstand des Potentiometers R2. Man kann diese Frequenz in einem großen Bereich durch Änderung des elektrischen Widerstands des Potentiometers R2 leicht verändern. Vom Ausgang gehen die Abgabeimpulse des Stammoszillators des Präzisions-Timers IC1 auf die Differentialkette C3 R3 und mit der Front des Impulses startet der Univibrator (Schaltung IC2, Widerstand R4 und Kondensator C4). Am Ausgang des Univibrators entwickelt sich ein kurzer positiver Impuls, dessen Dauer die Kondensatorkapazität C4 und der elektrische Widerstand R4 definieren und die von der Frequenz des Stammoszillators nicht abhängt. Dieser Impuls gelangt über den Widerstand R5 auf das Gate des MOSFET n-Kanal-Transistors T1, öffnet ihn und wird über die Last (Elektromagnet 4) als Stromimpuls weitergeleitet.
Der vorliegende Elektromotor arbeitet auf folgende Weise. Im Ausgangszustand ist der Elektromagnet 4 stromlos. Sein Anker 5 und die Zunge 6 werden mittels der Feder 8 maximal nach rechts versetzt und versetzen somit den Schlitten 11 mit Hilfe des Zweiarmhebels 9 nach links. Den maximalen Weg des Schlittens 11 und entsprechend auch den des Ankers 5 des Elektromagneten 4 kann man mit Hilfe des Exzenterkurventrägers 16 einstellen und mit der Schraube 7 fixieren. Bei dem Anschluss der Stromversorgung des Elektromotors gehen die Stromimpulse auf den Elektromagneten 4 und schalten ihn kurzzeitig ein. Deshalb wird bei jedem Stromimpuls der Anker 5 zum Elektromagneten 4 gezogen. Diese Bewegung wird über den Zweiarmhebel 9 auf den Schlitten 11 übertragen. Eine Kraftklinke 13, welche sich auf dem Schlitten 11 befindet, schiebt das Sperrrad 1 und dreht es einen Schritt weiter. Dabei behindert die Sperrklinke 14 eine Rückdrehung des Sperrrads 1 nach dem Ende des Stromimpulses. Nach Abschluss der Wirkung des Stromimpulses kehrt der Anker 5 des Elektromagneten 4 unter dem Einfluss der Feder 8 nach rechts zurück. Die Kraftklinke 13 gleitet entlang dem Zahn des Sperrrads 1 und verschiebt sich zusammen mit dem Schlitten 11 nach links.
Damit der Sperrrad 1 und entsprechend das Rad des Beförderungsmittels eine volle Umdrehung macht, muss man auf den Elektromagneten Impulse geben, deren Zahl der Zahl der Zähne des Sperrrads 1 entspricht. Zum Beispiel, wenn der Durchmesser des Sperrrads 1 100 mm und ein Schritt der Zähne zirka 7 mm sind, wird das Sperrrad 1 45 Zähne haben. Damit wird das Rad des Beförderungsmittels eine Umdrehung pro Sekunde machen, wenn am Elektromagneten 4 die Stromimpulse mit der Frequenz 45 Hertz ankommen. Einfache Berechnungen erlauben, die entsprechende Geschwindigkeit des Beförderungsmittels zu bestimmen. So wird für den Rollstuhl mit den Rädern vom Durchmesser 26 Zoll die Geschwindigkeit: V = (π·26 + 2,54:100)·3600:1000 ≈ 7,47 km/h
Durch Verstellen der Impulsfrequenz des Stammoszillators kann man die Geschwindigkeit des Rollstuhls ab 0 bis zur notwendigen Fahrgeschwindigkeit regeln.
Natürlich ist diese Geschwindigkeit für ein Elektrofahrrad nicht genug, aber wenn man die Frequenz der Impulse entsprechend erhöht, kann man höhere Geschwindigkeiten der Bewegung bekommen.
Doch kann man die geforderte Frequenz der Impulse wesentlich verringern, wenn man den Durchmesser des Sperrrads 1 und die Zahl seiner Zähne verringert (siehe 2).
Bezugszeichenliste

1: Sperrrad
2: Drehachse des Rads
3: Fußplatte des Motors
4: Elektromagnet
5: Anker des Elektromagneten 4
6: Zunge des Elektromagneten 4
7: Schraube
8: Rückholfeder des Elektromagneten 4
9: Zweiarmhebel
10: Drehachse
11: Schlitten
12: Klammer
13: Kraftklinke
14: Sperrklinke
15: Andrückfeder
16: Exzenterkurventräger
17: Befestigungsklammer für den Elektromagneten 4 an der Fußplatte 3 des Motors
18: Bremsscheibe

Claims

Elektromotor an einem Rad eines Beförderungsmittels mit einem Sperrrad (1), einem Elektromagneten (4) mit einem Anker (5) und mit einer Rückholfeder (8), einer Kraftklinke (13) mit einer Andrückfeder (15) und auch einer Sperrklinke (14) mit einer Andrückfeder (15), dadurch gekennzeichnet, dass als Sperrrad (1) eine Bremsscheibe (18) eines Rads des Beförderungsmittels verwendet wird, wobei entlang einem Kreisumfang der Bremsscheibe (18) schräge Zähne angeordnet sind, wobei es im Elektromotor einen Zweiarmhebel (9) mit einer Rotationsachse (10) gibt, welcher die Kraftklinke (13) und den Anker (4) des Elektromagneten (4) verbindet, wobei das Verhältnis der Hebelenden des Zweiarmhebels (9) den Schritt des Sperrrads (1) bei Betätigung des Ankers (5) des Elektromagneten (4) definiert, wobei sich alle Teile des Elektromotors, ausser dem Sperrrad (1), auf einer Fussplatte (3) des Motors befinden und die Fussplatte (3) des Motors auf einem Rahmen des Beförderungsmittels befestigt ist.
Elektromotor am Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine gewöhnliche Bremsscheibe verwendet wird, wobei auf der Bremsscheibe (18) das Sperrrad (1) starr befestigt ist.