DE102009032169A1 - Electrical auxiliary drive device i.e. single-phase torque converter, for bicycle, has rotor provided with permanent magnets, and stator provided with energisable coils, which are single-phase energisable - Google Patents
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Abstract
Description
Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Zusatzantriebsvorrichtung
in einem Fahrrad nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The
The invention relates to an electric auxiliary drive device
in a bicycle according to the preamble of
In
der
Derartige Radnabenantriebe erfordern einen großen Aufwand für die Kommutierung sowie für die Drehmomentregelung, insbesondere unter dem Aspekt der Betriebssicherheit. Nachteilig ist außerdem ein verhältnismäßig geringer Wirkungsgrad.such Hub drives require a great deal of effort the commutation and for the torque control, in particular in terms of operational safety. Another disadvantage is a relatively low efficiency.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verhältnismäßig einfach aufgebaute elektrische Zusatzantriebsvorrichtung in einem Fahrrad mit hohem Wirkungsgrad anzugeben, die einen vergleichsweise geringen Aufwand für die Steuerung bzw. Regelung erfordert.Of the Invention is based on the object, a relatively simply constructed electrical auxiliary drive device in one Specify a bicycle with high efficiency, which is a comparatively requires little effort for the control or regulation.
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.These
Task is according to the invention with the features
of
Die erfindungsgemäße elektrische Zusatzantriebsvorrichtung wird in einem Fahrrad eingesetzt und weist einen mit bestrombaren Spulen versehenen Stator auf sowie einen Rotor, der mit Permanentmagneten versehen ist. Die Zusatzantriebsvorrichtung ist als ein einphasiger Drehmomentwandler ausgeführt, dessen Spulen im Stator einphasig bestrombar sind. Es handelt sich somit um einen Einphasen-Gleichstrom-Drehmomentwandler, der gegenüber Ausführungen aus dem Stand der Technik verschiedene Vorteile aufweist. Insbesondere der Aufwand in einer zugeordneten Elektronikeinrichtung ist erheblich reduziert, da lediglich ein Einphasenstrom zum Antrieb des Drehmomentwandlers generiert werden muss. Der Drehmomentwandler ist zwar von sich aus nicht in der Lage anzulaufen; dieses spielt aber in der Praxis keine Rolle, da das Anfangsmoment durch die Trittbewegung des Fahrers geliefert wird. Dadurch erhält man andererseits den Vorteil, dass im Falle eines Elektronikfehlers ein unbeabsichtigtes, selbsttätiges Loslaufen des Drehmomentwandlers ausgeschlossen ist.The Electric auxiliary drive device according to the invention is used in a bicycle and has one with power supply Coil provided stator and a rotor, with permanent magnets is provided. The auxiliary drive device is considered a single-phase Torque converter designed whose coils in the stator single-phase are energized. It is thus a single-phase DC torque converter, compared to prior art designs has various advantages. In particular, the effort in one associated electronic device is considerably reduced, since only a single-phase current can be generated to drive the torque converter got to. The torque converter is not capable by itself to run; but this does not matter in practice, because the Initial torque is delivered by the pedaling motion of the driver. On the other hand, this gives the advantage that in the case an electronic fault an unintentional, automatic Loslauf the torque converter is excluded.
Ein weiterer Vorteil liegt in dem einfachen konstruktiven Aufbau des Drehmomentwandlers über die direkte Zuordnung eines Magneten zu einer Spule, wodurch geringere Verluste entstehen, was den Wirkungsgrad verbessert und größere Reichweiten ermöglicht. Der Drehmomentwandler benötigt außerdem kein Getriebe wie z. B. ein Planetengetriebe, es handelt sich vielmehr um einen getriebelosen Drehmomentwandler.One Another advantage lies in the simple construction of the Torque converter via the direct assignment of a magnet to a coil, resulting in lower losses, which increases the efficiency improved and allows longer ranges. The torque converter also needs no gearbox such as B. a planetary gear, it is rather a gearless torque converter.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist der Drehmomentwandler Spulen auf, die als Luftspulwicklung ohne Spulenkern oder mit einem nichtmagnetischen Spulenkern ausgeführt sind. Dies stellt zum einen eine weitere konstruktive Vereinfachung dar, zum andern können keine Rastmomente auftreten, die der Antriebsbewegung entgegengerichtet sind und einer gleichförmigen Drehmomentunterstützung entgegenstehen. Darüber hinaus besteht bei nicht-betätigtem Motor kein Widerstand, so dass auf einen Freilauf verzichtet werden kann.According to one preferred embodiment, the torque converter coils on, as Luftspulwicklung without spool core or with a non-magnetic Spool core are executed. This provides for a further constructive simplification, on the other hand no cogging moments occur which are opposite to the drive movement and a uniform torque assist conflict. In addition, there is no-actuated Engine no resistance, so that waived a freewheel can.
In der Ausführung als Luftspulwicklung ohne Spulenkern ist der Spulendraht vorteilhafterweise mit einem Backlack versehen, der neben einer elektrischen Isolierung der Spule außerdem zusätzliche Stabilität verleiht. So weit ein Spulenkern vorgesehen ist, um den die Spule gewickelt ist, besteht dieser aus einem nichtmagnetischen Werkstoff.In the execution as Lufttspulwicklung without spool core is the coil wire advantageously provided with a baked enamel, the next to an electrical insulation of the coil as well gives additional stability. So far a coil core is provided, around which the coil is wound, this consists of a non-magnetic material.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Zusatzantriebsvorrichtung mit einem Sensorelement versehen, beispielsweise einem Hall-Sensor, zur Messung des von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds. Das Ausgangssignal des Sensorelementes – in der Regel eine Steuerspannung – wird als Steuersignal einer Elektronikeinrichtung zur Steuerung des die Spulen beaufschlagenden Spulenstroms herangezogen, der gegenüber dem Magnetfeld phasenverschoben ist. Die Phasenverschiebung wird zweckmäßigerweise bereits im Ausgangs- bzw. Messsignal des Sensorelementes erzeugt und beträgt beispielsweise gegenüber dem Magnetfeld 120°. Möglich ist es aber auch, in der Elektronikeinrichtung eine Phasenverschiebung zwischen dem Magnetfeld und dem Spulenstrom auf ein gewünschtes Maß einzustellen.According to one advantageous development is the additional drive device with a sensor element provided, for example, a Hall sensor, the Measurement of the magnetic field generated by the permanent magnets. The Output signal of the sensor element - usually a Control voltage - is used as a control signal of an electronic device used to control the coil current acting on the coils, which is out of phase with the magnetic field. The Phase shift is expediently already generated in the output or measurement signal of the sensor element and is for example, with respect to the magnetic field 120 °. It is also possible, however, in the electronics device a phase shift between the magnetic field and the coil current to set to a desired level.
Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung ist vorgesehen, dass in Umfangsrichtung aufeinander folgende Spulen gegenphasig bestromt werden. Insbesondere in der konstruktiven Ausführung mit gleicher Polzahl von Magneten und Spulen entstehen dadurch den Drehmomentwandler antreibende elektromagnetische Wechselfelder, wobei die Gegenläufigkeit in der Bestromung aufeinander folgender Spulen in jeder Spule bzw. in jedem Magneten zu einer antreibenden Kraft führt.According to others expedient embodiment is provided that in the circumferential direction successive coils in phase opposition be energized. In particular in the structural design with the same number of poles of magnets and coils thereby arise the Torque converter driving alternating electromagnetic fields, where the opposition in the energization to each other following coils in each coil or in each magnet to one driving force leads.
Zweckmäßigerweise besitzt der Drehmomentwandler eine verhältnismäßig große Anzahl an Permanentmagneten und gleichzahligen Spulen, beispielsweise zumindest sechs Permanentmagnete und sechs Spulen, wobei ggf. auch acht, zehn, zwölf oder mehr Magnete und Spulen vorgesehen sein können.Conveniently, the torque converter has a relative large number of permanent magnets and equal-numbered coils, For example, at least six permanent magnets and six coils, where appropriate, eight, ten, twelve or more magnets and Coils can be provided.
Zur Leistungseinstellung ist zweckmäßigerweise ein vom Fahrer betätigbares Stellglied, beispielsweise ein Drehgriff am Lenker, zur Erzeugung eines Leistungssignals vorgesehen, das der Elektronikeinrichtung zugeführt wird und dort der Erzeugung des Spulenstroms zugrunde gelegt wird. Dieses Signal kann als pulsweitenmodulierte Spannung (PWM) ausgeführt sein. Dies gewährleistet ein sanftes Einsetzen der unterstützenden Motorkraft, eine minimale Verlustleistung im Kraftverstärker sowie eine gut dosierbare Regelbarkeit der Drehmomententfaltung im Wandler.to Power setting is conveniently a actuatable by the driver actuator, for example a Rotary handle on the handlebar, designed to generate a power signal, which is supplied to the electronic device and there the Generation of the coil current is used. This signal can be designed as a pulse width modulated voltage (PWM). This ensures a gentle onset of supportive Engine power, a minimal power loss in the power amplifier as well as a well controlled controllability of the torque development in the Converter.
Der Drehmomentwandler kann gemäß weiterer vorteilhafter Ausführung auch in einen Generatorbetrieb umgeschaltet werden, so dass der beim Bremsen oder Bergabfahren generierte Strom zum Aufladen der Batterien genutzt werden kann. Zusätzlich zur Rekuperation weist dies den Vorteil auf, dass verschleißfrei gebremst wird, wodurch die mechanischen Bremsen des Fahrrads entlastet werden.Of the Torque converter can according to further advantageous Version also switched to generator mode so that the electricity generated during braking or downhill driving can be used to charge the batteries. additionally For recuperation, this has the advantage that wear-free is braked, which relieves the mechanical brakes of the bike become.
Der Drehmomentwandler kann sowohl als Innenläufer-Motor als auch als Außenläufer-Motor ausgeführt sein. Eine Ausführung als Innenläufer-Motor kommt insbesondere bei einer Positionierung des Drehmomentwandlers im Tretlager des Fahrrades in Betracht, die Ausführung als Außenläufer-Motor dagegen bei einer Anordnung im Vorderrad, bei der der Stator nabenfest angeordnet und der umgreifende Rotor fest mit dem Vorderrad verbunden ist und mit diesem umläuft.Of the Torque converter can be used both as an internal rotor motor also designed as an external rotor motor be. A version comes as an internal rotor motor in particular with a positioning of the torque converter in the Bottom bracket of the bicycle into consideration, the execution as External rotor motor, however, in an arrangement in the front wheel, in which the stator arranged hub fixed and the encompassing Rotor is firmly connected to the front wheel and rotates with this.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:Further Advantages and expedient designs are the other claims, the description of the figures and to take the drawings. Show it:
Das
in
Zur
Einstellung und Regulierung des Drehmomentwandlers
Der
Drehmomentwandler
Den
Permanentmagneten
Des
Weiteren ist statorseitig ein Sensorelement
In
Die
Bestromung der Spulen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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