DE102009003932B4

DE102009003932B4 - Elektromotor am Rad

Info

Publication number: DE102009003932B4
Application number: DE200910003932
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-01-05
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2029-01-06
Also published as: DE102009003932A1

Abstract

Elektromotor am Rad, umfassend ein Sperrrad (1), mehrere Elektromagneten (14) mit jeweils einem Anker (17), einer Rückholfeder (11), einer Sperrklinke (4) und einem Zweiarmhebel (6) sowie eine Platte (3), wobei der Anker (17) eines Elektromagneten (14) und dessen Sperrklinke (4) mittels eines Zweiarmhebels (6) verbunden sind, wobei das Verhältnis der Schultern des Zweiarmhebels den Schritt des Sperrrads (1) bei aufgegebener Verschiebung des Ankers (17) des Elektromagneten (14) definiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor am Rad.
Derzeit finden elektrische Radnabenmotoren verbreitet Einsatz. Die Vorzüge elektrischer Radnabenmotoren sind ihre kleinen Abmessungen (Alles befindet sich im Rad.), das Fehlen zusätzlicher Antriebe und ihr einfacher Aufbau. Ein Hauptmangel elektrischer Radnabenmotoren ist jedoch der ziemlich große Verbrauch an elektrischer Energie. Dieser verringert die Fahrtzeit von mit den Radnabenmotoren und Akkumulatoren ausgestatteten Verkehrsmitteln beträchtlich. Dieser Nachteil ist in bedeutendem Maße bei Elektromotoren gemäß DE 20 2008 010 997 U1 und DE 20 2008 011 214 U1 überwunden, bei denen ein modernisierter elektrischer Schrittmotor mit einer Strom-Impulsquelle verwendet wird. Der Einsatz industriell herstellter Elektromagneten bei diesen Elektromotoren ermöglicht es, ein großes Drehmoment bei kleinem Energieverbrauch zu bekommen. Diese Elektromotoren eignen sich zum Beispiel für den Antrieb von Rollstühlen.
Die mit solchen Elektromotoren erreichbare Geschwindigkeit kann jedoch zum Beispiel bei Einsatz in Elektrofahrrädern und Elektromobilen nicht ausreichend sein. Ausserdem fehlt die Möglichkeit, im Bedarfsfall das Drehmoment zu vergrößern.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obenstehend aufgeführten Mängel zu beseitigen. Es wird als Lösung vorgeschlagen, einen Elektromotor zu verwenden, umfassend ein Sperrrad, mehrere Elektromagneten mit jeweils einem Anker, einer Rückholfeder, einer Sperrklinke und einem Zweiarmhebel sowie eine Platte. Der Anker eines Elektromagneten und dessen Sperrklinke sind mittels eines Zweiarmhebels verbunden. Das Verhältnis der Schultern des Zweiarmhebels definiert den Schritt des Sperrrads bei aufgegebener Verschiebung des Ankers des Elektromagneten. Bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor wirken alle Sperrklinken auf ein einziges Sperrrad, welches die Arbeitswelle dreht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors am Rad mit vier Elektromagneten,
2 ein Beispiel der Baugruppe für die Richtungsänderung der Traktion des Elektromagneten,
3 und 4 ein Beispiel für den Antrieb der Sperrklinke für einen Elektromagneten und
5 ein Blockschaltbild eines Beispiels der Steuerung von vier Elektromagneten.
In 1, 3 und 4 ist das Rad des Beförderungsmittels nicht gezeigt, mit dem der Elektromotor verbunden wird. In 3 zeigen Pfeile die Bewegungsrichtung der einzelnen Teile des Antriebes der Sperrklinke.
Außer einem Stoßteil hat eine Sperrklinke 4 einen zylindrischen Teil, der sich am anderen Ende befindet.
In der Schaltung der Steuerung von Elektromagneten 14 des Elektromotors (5) können verwendet sein:

1. Die Schaltung eines regelbaren Frequenzgenerators 24 kann auf Grundlage eines NE555-Timers ausgeführt sein. Ein Potentiometer 25 dient als ein Frequenzregler.
2. Die Schaltungen der Steuerschaltung sowie die Grundlage eines Univibrators 26 kann auf Basis der Serie 4000 oder deren Kombinationen ausgeführt werden. Der Univibrator bildet kurze Impulse mit normierter Dauer, die von der Frequenz des Generators unabhängig ist. Die Impulsdauer sollte für die sichere Auslösung des Elektromagneten genügen.
3. Als Verstärker 30 können n-Kanal-MOSFET-Transistoren verwendet werden.

Der Aufbau des Elektromotors wird am Beispiel des Antriebes der Sperrklinke 4 (3, 4) betrachtet, da er für jeden Elektromagneten gleich ist. Der Antrieb enthält die Sperrklinke 4, deren zylindrischer Teil sich in einer Öffnung eines sich drehenden Sektors 6 frei dreht. Das sich drehende Kreissegment 6 befindet sich in einem sektorförmigen Ausschnitt einer Platte 3, in dem es sich in bestimmten Grenzen in beide Richtung drehen kann. Die Bewegung ist in eine Richtung durch eine exzentrische regelbaren Stütze 9 begrenzt. Die Sperrklinke 4 und das sich drehende Kreissegment 6 haben identische Dicke, die kleiner als die Dicke der Platte 3 ist. Dies ist für eine freie Bewegung der Sperrklinke 4 und des sich drehenden Kreissegments 6 notwendig.
Eine flache Feder 5 garantiert den ständigen Kontakt der Sperrklinke 4 mit einem Sperrrad 1. Eine flexible Zugstange 10 ist mit Hilfe einer Leiste 7 und von Schrauben 8 näher zur Rotationsachse des sich drehenden Sektors 6 befestigt. Als flexible Zugstange 10 kann ein Seil, eine Kette usw. verwendet werden. Weiter erstreckt sich die flexible Zugstange 10 durch einen schmalen Schlitz der Platte 3. Sie biegt sich um eine Seilrolle 12, die auf einem Bolzen 13 drehbar gelagert ist. Dann erstreckt sie sich durch ein Loch der Abstützung 18 des Elektromagneten 14 und ist hart am Anker 17 des Elektromagneten 14 befestigt. Die flexible Zugstange 10, die Seilrolle 12 und der Bolzen 13 bilden eine Baugruppe zur Veränderung der Richtung der Schubkraft des Elektromagneten 14 (2). Eine solche Baugruppe wird benötigt, weil Elektromagneten üblicherweise einen Durchmesser aufweisen, der wesentlich größer als ihre Höhe ist. Deswegen ist es wünschenswert, zur Verringerung der Abmessungen des Elektromotors die platte Seite des Elektromagneten parallel der Platte 3 zu stellen. Das heißt, dass der Elektromagnet 14 den Anker 17 senkrecht zur Platte 3 zieht. Die Sperrklinke 4 befindet sich im Körper der Platte 3.
Im Spalt zwischen den platten Teilen des sich drehenden Sektors 6 und des sektorförmigen Ausschnittes in der Platte 3 ist auf der flexible Zugstange 10 eine zylindrische Rückholfeder 11 aufgesetzt. Deswegen druckbeaufschlagt das sich drehende Kreissegment 6 bei ausgeschaltetem Elektromagneten 14 die exzentrische regelbare Stütze 9 und zieht den Anker 17 vom Elektromagneten 14. Das gewährleistet den notwendigen Raum für den nachfolgenden Arbeitslauf des Ankers 17. Der Raum soll klein (ungefähr 2 mm) sein, da bei Vergrösserung des Raums die Schubkraft des Elektromagneten 14 stark abfällt. Um die geforderte Verstellung der Sperrklinke 4 zu gewährleisten (ungefähr 7 mm), wird der Zweiarmhebel benötigt. Bei dem gegebenen Mechanismus ist der Zweiarmhebel als sich drehendes Kreissegment 6 ausgeführt. Die Beziehung der Schultern entspricht hier der Beziehung der beiden Radien: des ersten Radius – vom Zentrum der Drehachse des sich drehenden Sektors 6 bis zum Zentrum der Drehachse der Sperrklinke 4 und des zweiten Radius – auch vom Zentrum der Drehachse des sich drehenden Sektors 6 bis zum Befestigungspunkt der Zugstange 10. Um die Reibung zu verringern, sind auf dem zylindrischen Teil des sich drehenden Sektors 6 Vertiefungen vorgesehen, in die Schmierfett eingebracht werden kann. Zu diesem Zweck können auch im Körper des sich drehenden Sektors 6 Öffnungen vorgesehen sein, die die Fläche der Schubbewegung des sich drehenden Sektors 6 oben und unten verringern (Diese Öffnungen sind in 3 nicht gezeigt.). Die Platte 3 des Elektromotors ist oben und unten mittels Deckeln 20 und 21 verschlossen (1, 3, 4). Deshalb sind alle Antriebsmechanismen für die Sperrklinke 4 von der Umwelt isoliert.
Bei der Abgabe eines Stromimpulses auf den Elektromagneten 14 zeiht dieser den Anker 17 zum Elektromagneten 14 heran (4) und durch die Zugstange 10 dreht sich das drehbare Kreissegment 6 im Uhrzeigersinn (3). Aufgrund des Verhältnisses der Schultern wird die Sperrklinke 4 um einen Schritt des Sperrrads 1 versetzt und das Sperrrad 1 dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn. Nach der Unterbrechung des Stromimpulses, kehren das sich drehende Kreissegment 6 und der Anker 17 unter dem Einfluss von der zylindrischen Rückholfeder 11 in die Ausgangslage zurück. Bei der Ausgabe des folgenden Stromimpulses dreht sich das Sperrrad 1 noch um einen Schritt usw. Die Sperrklinken 4 der Elektromagnete 14, auf welche die Stromimpulse nicht gegeben wurden, rutschen einfach entlang der Zähne der Sperrrads 1 und üben keine Wirkung auf die Bewegung des Sperrrads 1 im Gegenuhrzeigersinn aus. Sie verhindern das Drehen des Sperrrads 1 im Uhrzeigersinn zwischen der Pausen der Vorschubs durch die Stromimpulse.
Die Steuerschaltung der Elektromagneten 14 des Elektromotors (5) garantiert die Abgabe der Stromimpulse auf die Elektromagneten 14 entsprechend der Betriebsart. Der Generator 24 erzeugt Impulse, deren Frequenz mittels des eines Potentiometers 25 geregelt wird. Diese Impulse werden auf die Eingänge des Univibrators 26 und eines binären Zählers 27 gegeben. Der Univibrator 26 bildet Stromimpulse mit kurzer, normierter Impulsdauer, die von der Arbeitsfrequenz des Generators 24 unabhängig ist. Diese Impulse kommen auf die beide Teile eines UND-Gatters 29 "3UND-2UND-ODER". Die Ausgänge des Zählers 27 sind mit den Eingängen eines Decodierers 28 verbunden. Der binäre Zähler 27 und der Decodierer 28 bilden zusammen ein Ring-Schieberegister, dessen Ausgangsimpulse auf den Eingang "3UND" des Gatters 29 gehen, wohin ein Zulassungssignal der logischen "1" gleichzeitig geht. Das Zulassungssignal wird von dem Widerstand 32 erzeugt, der mit dem Eingang des Gatters 31 "NICHT" und einem Umschalter 33 für den Arbeitsmodus des Elektromotors verbunden ist. Das zweite Ende des Widerstands 32 mit dem Potential "+" verbunden. Der Umschalter 33 befindet sich im ausgeschalteten Zustand, was den ersten Arbeitsmodus des Elektromotors gewährleistet. Am Ausgang des Gatters 31 "NICHT" erscheint als Signal die logische "0", die den Teil "2UND" des Gatters 29 sperrt. In diesem Modus erscheinen die Impulse abwechselnd an den Ausgängen der Gatter 29 und verstärken mittels entsprechender Verstärker 30 und die Elektromagneten 14 werden einer nach dem anderen eingeschaltet. Dabei schaltet sich jedesmal nur ein einziger Elektromagnet 14 nur für die kurze Zeit der Impulsdauer ein. Deshalb entspricht in diesem Modus der Energieverbrauch der Elektromagneten 14 dem Energieverbrauch der Elektromotoren gemäß DE 20 2008 010 997 U1 und DE 20 2008 011 214 U1 . Die allgemeine Schnelligkeit des Elektromotors ist jedoch viermal so groß, was der Zahl der Elektromagneten 14 entspricht.
Wenn die Notwendigkeit besteht, das Drehmoment des Elektromotors zu vergrössern (bei Fahrtbeginn oder bei Aufwärtsfahrt), wird der zweite Arbeitsmodus angewendet. Dabei wird der Umschalter 33 für den Arbeitsmodus eingeschaltet und das Signal logische "0" sperrt die Aktion des Ring-Schieberegisters. Am Ausgang des Gatters 31 "NICHT" erscheint das erlaubende Signal logische "1", das den Durchgang der Signale vom Univibrator 26 gleichzeitig auf die Ausgänge aller Elemente 29 erlaubt. Das bewirkt die gleichzeitige Einschaltung aller vier Elektromagnete 14 und das Drehmoment wird vervierfacht. Natürlich wächst Energieverbrauch während des zweiten Arbeitsmodus. Es muss jedoch festgestellt werden, dass die Zustände des Fahrtbeginns und der Aufwärtsfahrt gewöhnlich kurzzeitig sind und den Speicher des versorgenden Akkumulators nicht wesentlich beeinflussen.
Außer dem vorgeschlagenen Steuerschema des Elektromotors kann ein Mikrocontroller verwendet werdenn, womit die Funktionalität der Verwaltung vergrössert wird. Zum Beispiel kann der Elektromotor beim Start automatisch in den zweiten Arbeitsmodus umgeschaltet werden. Es können im zweiten Arbeitsmodus zur Energieeinsparung nicht alle Elektromagneten 14, sondern nur ein Teil derselben arbeiten, etc.
Natürlich ist die Unterbringung des Sperrrads 1 des Elektromotors unmittelbar am Rad des Verkehrsmittels nicht obligatorisch. Das Sperrrad 1 kann unmittelbar auf der Platte 3 des Elektromotors angeordnet werden und der Elektromotor mit dem Rad des Beförderungsmittels mittels Transmission-Kette, Kardanwelle-verbunden werden, etc.. Der Aufbau wird etwas komplizierter, aber es ergibt sich eine größere Flexibilität bei der Entwicklung des Verkehrsmittels.
So gewährleistet der vorgeschlagene Elektromotor die Vergrösserung der Geschwindigkeit bei fast demselben kleinen Energieverbrauch, wie ihn die erwähnten bekannten Elektromotoren haben, wobei eine bedeutende Vergrösserung des Drehmoments benötigt wird. Außerdem ist der vorgeschlagene Aufbau des Elektromotors flach, mit Ausnahme der Peripherie, wo sich die Elektromagneten 14 befinden. Dabei sind die Antriebsmechanismen der Sperrklinke 4 von der Umgebung isoliert, was die Zuverlässigkeit der Arbeit des Elektromotors bei den ungünstigen äußeren Bedingungen vergrößert.
Bezugszeichenliste

1: Sperrrad
2: Loch zur Befestigung des Sperrrads am Rad eines Beförderungsmittels
3: Platte des Elektromotors
4: Sperrklinke
5: flache Feder
6: sich drehendes Kreissegment (Zweiarmhebel)
7: Befestigungsleiste für die Zugstange 10
8: Befestigungsschrauben für die Zugstange 10
9: exzentrische regelbare Stütze
10: flexible Zugstange
11: zylindrische Rückholeder
12: Seilrolle der Zugstange 10
13: Bolzen der Seilrolle 12
14: Elektromagnet
15: Loch für den Befestigung des Spannbügels 16 des Elektromagneten 14
16: Spannbügel des Elektromagneten 14
17: Anker des Elektromagneten 14
18: Abstützung des Elektromagneten 14
19: Verschlussring
20: oberer Deckel des Elektromotors
21: unterer Deckel des Elektromotors
22: Gabel des Fahrrades
23: Befestigungselemente für die Platte 3 des Elektromotors 14 zur Gabel 22 des Fahrrads
24: Generator mit Frequenzregelung
25: Potentiometer zur Frequenzregelung
26: Univibrator
27: binärer Zähler mit zwei Ausgängen
28: Decodierer
29: Gatter "3UND-2UND-ODER"
30: Leistungsverstärker
31: Gatter "NICHT"
32: Widerstand
33: Umschalter für des Elektromotors

Claims

Elektromotor am Rad, umfassend ein Sperrrad (1), mehrere Elektromagneten (14) mit jeweils einem Anker (17), einer Rückholfeder (11), einer Sperrklinke (4) und einem Zweiarmhebel (6) sowie eine Platte (3), wobei der Anker (17) eines Elektromagneten (14) und dessen Sperrklinke (4) mittels eines Zweiarmhebels (6) verbunden sind, wobei das Verhältnis der Schultern des Zweiarmhebels den Schritt des Sperrrads (1) bei aufgegebener Verschiebung des Ankers (17) des Elektromagneten (14) definiert.
Elektromotor am Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Sperrrad (1) in einer Luke in der Mitte der Platte (3) befindet und die Elektromagneten (14) am Umfang der Platte (3) angeordnet sind, wobei der Anker (17) und der Zweiarmhebel (6) mittels einer Zugstange (10) verbunden sind.
Elektromotor am Rad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweiarmhebel (6) die Gestalt eines Kreissegments hat, in einem Ausschnitt der Platte (3) angeordnet und dort in bestimmten Grenzen drehbar ist, wobei das Verhältnis der Schultern dem Verhältnis von zwei Radien entspricht, von denen sich der erste Radius vom Zentrum des Drehachse des sich drehenden Kreissegments (6) bis zum Zentrum des Drehachse der Sperrklinke (4) und der zweite Radius sich vom Zentrum der Drehachse des sich drehenden Kreissegments (6) bis zum Punkt der Befestigung der Zugstange (10) erstreckt.
Elektromotor am Rad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrklinke (4) außer einem Stossteil einen zylindrischen Teil am anderen Ende aufweist, der sich in einer zylindrischen Öffnung des sich drehenden Kreissegments (6) befindet, wobei sich die Sperrklinke (4) in bestimmten Grenzen drehen kann, die Sperrklinke (4) mittels einer flachen Feder (5) ständig zu den Zähnen des Sperrrads (1) hin gedrückt wird, und das sich drehende Kreissegment (6) und die Sperrklinke (4) gleiche Dicke haben und sich in der eine grössere Dicke aufweisenden Platte (3) befinden.