DE102010026650A1 - Fahrrad mit einem gekühlten elektrischen Hilfsantrieb - Google Patents

Fahrrad mit einem gekühlten elektrischen Hilfsantrieb

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DE102010026650A1
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Michael Bogner
Markus Neubauer
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62MRIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/80Accessories, e.g. power sources; Arrangements thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62MRIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/55Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at crank shafts parts

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrrad mit einem Motor als elektrischen Hilfsantrieb. Der Motor umfasst einen Stator, der in einen Teil eines Fahrradrahmens integriert ist. Erfindungsgemäß ist zur Kühlung des Stators ein erster Kühlkörper vorgesehen, der mit einen Teil des Fahrradrahmens verbunden oder durch einen Teil des Fahrradrahmens gebildet ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Fahrrad mit einem elektrischen Hilfsantriebsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Fahrräder mit einem elektrischen Hilfsantrieb sind aus dem Stand der Technik bereits seit vielen Jahren als Elektrofahrräder bekannt. Ein Elektrofahrrad ist ein Fahrrad mit einem zusätzlich eingebauten Elektromotor. Der als Energiequelle dienende Akkumulator ist meist abnehmbar und wird an einer heimischen Steckdose geladen. Aus führerscheinrechtlichen Gründen wird unterschieden zwischen Fahrrädern mit limitierter Tretunterstützung (Pedelec – pedal electric cycle), Fahrrädern mit unlimitierter Tretunterstützung (schnelles Pedelec), Fahrrädern mit tretunabhängigem Zusatzantrieb (e-Bike oder e-Roller) und Elektrorädern ohne Tretantrieb (e-Bike oder e-Scooter).
  • Als Hilfsantriebe für Fahrräder werden fast ausschließlich Gleichstrommotoren verwendet. Dies können kommutatorlose oder bürstenbehaftete Scheibenläufermotoren sein, die für den Direktantrieb geeignet sind. Bürstenbehaftete Motoren mit einem Getriebe sind ebenso einsetzbar. Die Kohlen der Motoren mit Kohlebürsten unterliegen allerdings einem gewissen Verschleiß, wodurch sich der Wartungsaufwand erhöht.
  • Permanent erregte Synchronmaschinen eignen sich sehr gut als Radnabenmotoren. Die ebenfalls wartungsfreien Wechselstromasynchronmotoren finden selten Verwendung.
  • Trotz des üblicherweise sehr guten Wirkungsgrades der an Fahrrädern eingesetzten elektrischen Hilfsantriebsmotoren entsteht im Betrieb eine nicht unerhebliche Verlustleistung, die zur Erwärmung des Elektromotors führt. Die nicht vermeidbare Sonneneinstrahlung und die bei schönem Wetter hohen Umgebungstemperaturen unterstützen diesen Effekt ggf. zusätzlich.
  • Aus der DE 200 12 972 U1 ist ein Fahrradrahmen bekannt, bei welchem eine Tretlagerbrücke, welche zwischen dem Tretlager und dem Unterrohr vorgesehen ist, als Kühlkörper für eine im Akkumulatorfach am Unterrohr angeordnete Steuerelektronik ausgebildet ist.
  • Die DE 10 2005 016 043 A1 zeigt u. a. eine Halterung zum Montieren eines Akkumulatorkastens auf einem elektrischen Fahrrad. Dabei ist ein elektrischer Lüfter in der Aufnahmehöhlung der Halterung vorgesehen, um eine bessere Kühlwirkung beim Einsatz der Akkumulatoren zu erzielen.
  • Aus der DE 196 40 248 C2 ist ein elektrisch unterstütztes Fahrrad bekannt, bei dem die Hilfsantriebseinheit als Hilfselement des Rahmens dient. Als Hilfsantriebseinheit kann beispielsweise ein Elektromotor dienen, der über ein Getriebe an der Tretkurbelwelle wirkt. Eine Batterieeinheit ist im Rahmen montiert und derart positioniert, dass sie sich entlang des Unterrohres erstreckt.
  • Aus der DE 195 22 419 A1 ist ein Fahrrad mit einem Hilfsantrieb bekannt, bei welchem ein Stator des Elektromotors im Bereich des Tretlagers und ein Rotor des Elektromotors am vorderen Kettenrad angeordnet sind. Die vorhandene Tretlagerpatrone der Fahrräder wird dabei gegen eine Einheit ausgetauscht, die sowohl den Stator des Elektromotors mit den Spulenwicklungen, als auch eine Tretlagereinheit aufweist. Das konventionelle Kettenrad mit Kurbelstern und Pedalkurbeln wird gegen eine Einheit des Läufers des Elektromotors mit Kettenrad und Pedalkurbel ausgetauscht. Dabei besteht der Rotor des so entstehenden Direktläufermotors vorteilhaft aus einem Permanentmagneten. Es kann aber auch ein Rotor mit Spulenwicklungen und Bürsten vorgesehen sein.
  • Insbesondere bei wiederholter Fahrt an Steigungen muss vom elektrischen Hilfsmotor eines Fahrrads ein höheres Drehmoment aufgebracht werden, um die nötige Unterstützung leisten zu können. Ein größeres Drehmoment ist jedoch nur mit einem größeren Stromfluss realisierbar. Durch diesen größeren Stromfluss kann es insbesondere bei Berganfahrten relativ schnell zu einer Überhitzung des Motors kommen. Bei zu starker Hitzeentwicklung wird dann die Leistung des Motors reduziert oder der Motor abgeschaltet, was eine weitere Bergfahrt oder zumindest die Nutzung des Unterstützungsmodus unmöglich macht.
  • Die Aufgabe der Erfindung kann also darin gesehen werden, ein Fahrrad mit einem verbesserten elektrischen Hilfsantrieb bereitzustellen, wobei der Hilfsantrieb eine erhöhte Ausfallsicherheit auch bei großer Motorbelastung aufweisen soll, insbesondere gegen eine Überhitzung unempfindlich sein soll. Diese Zielstellung soll unter Berücksichtigung der für Fahrräder generell bestehenden Anforderungen, insbesondere der Gewichtsminimierung verfolgt werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fahrrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Ein erfindungsgemäßes Fahrrad umfasst einen elektrischen Hilfsantriebsmotor, dessen Stator an bzw. in einem Teil eines Fahrradrahmens integriert ist. Beispielsweise können Statorwicklungen im Fahrradrahmen in einem eine Tretlagerwelle umgebenden Bereich des Fahrradrahmens vorgesehen sein, während der Rotor auf der Tretlagerwelle oder auf einem Kettenblatt ausgebildet ist.
  • Erfindungsgemäß ist zur Kühlung des Stators ein Kühlkörper vorgesehen, welcher mit einem Teil des Fahrradrahmens verbunden ist.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Motor als Direktantrieb der Tretlagerwelle ausgebildet. Dabei sind die Statorwicklungen im Tretlagergehäuse angeordnet, während die Dauermagneten des Rotors direkt auf der Tretlagerwelle vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform ist der erste Kühlkörper am Tretlagergehäuse angeordnet.
  • Der erste Kühlkörper umschließt in einer bevorzugten Ausführungsform das Tretlagergehäuse zumindest abschnittsweise. Der erste Kühlkörper kann außerdem mit Kühlrippen oder vergleichbaren, die Wärme abgebende Oberfläche vergrößernden Elementen versehen sein, die sich entlang des Umfangs des Tretlagergehäuses zumindest abschnittsweise erstrecken.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der erste Kühlkörper auch auf einer Stirnfläche des Tretlagergehäuses angebracht sein. Der erste Kühlkörper kann in diesem Fall beispielsweise aus gewelltem Aluminium- oder Stahlblech hergestellt sein.
  • Als Werkstoff für den Kühlkörper wird aufgrund des vergleichsweise geringen Gewichtes Aluminium vorgeschlagen, Stahl oder andere gut Wärme leitende und dabei vorzugsweise leichte Materialien können aber ebenso verwendet werden. Die Herstellung kann durch Guss oder umformtechnisch erfolgen.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der erste Kühlkörper als sogenanntes Wärmerohr ausgebildet. Ein Wärmerohr ist eine Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Arbeitsmediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt, d. h. auf kleiner Querschnittsfläche können große Mengen Wärme transportiert werden. Zur Umwälzung des Arbeitsmediums benötigen Wärmerohre keine zusätzliche Hilfsenergie, wodurch sich der Wartungsaufwand, die Betriebskosten und vor allem auch das Gewicht minimieren.
  • Das Wärmerohr kann prinzipiell innerhalb eines Unterrohres des Fahrradrahmens angeordnet sein, oder direkt durch das Unterrohr des Fahrradrahmens gebildet sein. Ebenso kann es – mit technischen Anpassungen – innerhalb eines Sitzrohres oder eines anderen Rahmenteils ausgebildet werden. Das Wärmerohr enthält ein hermetisch gekapseltes Volumen. Es ist mit einem Arbeitsmedium (z. B. Wasser oder Kühlflüssigkeit) gefüllt, welches das Volumen zu einem kleinen Teil in flüssigen und zum größeren im dampfförmigen Zustand ausfüllt. Darin befinden sich je eine Wärmeübertragungsfläche für Wärmequelle und Wärmesenke.
  • Eine bevorzugte Art eines Wärmerohres ist eine Heatpipe, bei der mit Kapillaren nach dem Dochtprinzip das flüssige Arbeitsmedium zum Verdampfer zurückgeführt wird. Das kondensierte Medium fließt dann lageunabhängig in den Kapillaren zurück.
  • Es ist aber ebenso möglich, das Wärmerohr als Thermosiphon auszuführen, da beim Unterrohr des Fahrradrahmens das Medium aufgrund der Schwerkraft im Wärmerohr kreist. Dadurch fließt das Wärmeträgermedium selbständig in den Verdampfer zurück.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1: eine Detaildarstellung eines Fahrradrahmens mit einem Kühlkörper;
  • 2: eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A in 1;
  • 3: eine Prinzipdarstellung eines Fahrradrahmens mit einem Wärmerohr als Kühlkörper.
  • In 1 ist ein Teil eines Fahrradrahmens dargestellt, bei welchem ein elektrischer Motor (nicht dargestellt) als Hilfsantrieb in ein Tretlagergehäuse 01 integriert ist.
  • Ausgehend vom Tretlagergehäuse 01 erstrecken sich in an sich bekannter Weise ein Sitzrohr 02, ein Unterrohr 03 sowie zwei in der Bildebene hintereinander liegende Kettenstreben 04 als Teile eines Fahrradrahmens. Im Tretlagergehäuse 01 ist drehbar eine Tretlagerwelle 06 gelagert, mit der zwei Tretkurbeln 07 drehfest verbunden sind.
  • Der Motor umfasst in bekannter Weise einen Stator mit Statorwicklungen, welche im Tretlagergehäuse 01 fest angeordnet sind. Der Rotor wird vorzugsweise durch Permanentmagneten gebildet, welche auf der Tretlagerwelle 06 angeordnet sind. Alternativ kann der Rotor aber auch auf einem nicht dargestellten Kettenblatt ausgebildet sein, wie es aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist. Andere Ausführungsformen beispielsweise mit Rotorwicklungen und elektronischer Kommutierung oder Schleifkontakten, oder auch Scheibenläufermotoren können hier ebenfalls Verwendung finden. Der elektrische Hilfsantriebsmotor kann auch direkt in eine Tretlagerpatrone integriert sein, welche bei der Montage in das Tretlagergehäuse eingeschoben wird.
  • Das Tretlagergehäuse 01 abschnittsweise umschließend ist ein Kühlkörper 08 vorgesehen, welcher zur weiteren Abführung der Verlustwärme des Stators ausgebildet ist. Der Kühlkörper 08 trägt vorzugsweise längs verlaufende Kühlrippen 09, welche sich zumindest abschnittsweise über den Umfang des Tretlagergehäuses 01 erstrecken. Alternativ kann der erste Kühlkörper 08 auch stirnseitig des Tretlagergehäuses 01 angeordnet sein.
  • Der Stator des elektrischen Motors, in welchem beim Betrieb die Verlustwärme anfällt, ist gut Wärme leitend mit dem Tretlagergehäuse 01 verbunden, beispielsweise indem die Gehäuseteile des Stators integral mit Abschnitten des Tretlagergehäuses ausgeformt sind. Der erste Kühlkörper 08 steht in gutem Wärmekontakt mit dem Tretlagergehäuse, um die Verlustwärme schnell vom Motor abführen zu können. Wenn der Kühlkörper 08 als eigenständiges Bauteil am Tretlagergehäuse 01 angebracht ist, kann der Wärmeübergang beispielsweise durch die Verwendung von Wärmeleitpaste zwischen den Bauteilen optimiert werden. Eine einstückige Ausbildung von Tretlagergehäuse und Kühlkörper ist hinsichtlich des angestrebten geringen Wärmewiderstands besonders vorteilhaft.
  • 2 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung des Tretlagergehäuses 01 entlang der Schnittlinie A-A gemäß 1. In dieser Darstellung ist der Verlauf der Kühlrippen 09 um den Umfang des Tretlagergehäuses 01 erkennbar. Dem Fachmann sind weitere Maßnahmen zur Optimierung der Wärmeabgabe an die Umgebung geläufig.
  • 3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der der erste Kühlkörper 08 als Thermosiphon oder Heatpipe ausgebildet ist. Im Tretlagergehäuse 01 ist dabei wiederum ein Motor (nicht dargestellt) zum hilfsweisen Antrieb der Tretlagerwelle 06 angeordnet. Konstruktiv wurde hier das Unterrohr 03 zwischen dem Tretlagergehäuse 01 und einem Lenklager 11 verändert, um den Kühlkörper aufzunehmen. Grundsätzlich können dazu aber auch andere Rahmenteile herangezogen werden.
  • Das Unterrohr 03 ist luftdicht zu den anliegenden Teilen des Fahrradrahmens durch Dichtscheiben 12, 13 abgeschlossen. Im Unterrohr 03 befindet sich ein Arbeitsmedium 14, welches an der Dichtscheibe 12 die Wärme des Tretlagermotors aufnimmt. Dadurch verdampft das Medium 14 und steigt als Dampf 16 im Unterrohr 03 auf. An den Innenflächen 17 des Unterrohres 03 kondensiert das Medium 14 wieder und läuft entlang des Unterrohres 03 aufgrund der Schwerkraft wieder zurück in das Reservoir an der Dichtung 12. Das adaptierte Unterrohr 03 bildet dabei in seiner Gesamtheit den ersten Kühlkörper 08.
  • Konstruktiv kann das Unterrohr 03 vom Fahrradrahmen entkoppelt sein und erst nachträglich eingesetzt werden.
  • Zur Rückführung des Mediums 14 können alternativ oder zusätzlich Kapillaren nach dem Dochtprinzip im Unterrohr 03 vorgesehen sein. Beispielsweise können die Kapillaren durch ein Kupferdrahtgeflecht gebildet sein. Dann ist die Ausführungsform des Wärmerohres eine Heatpipe.
  • Alternativ könnte der als Wärmerohr ausgeführte erste Kühlkörper 08 auch in das Sitzrohr 02 integriert werden.
  • Gemäß einer nochmals abgewandelten Ausführungsform der Erfindung werden der am Tretlager angebrachte Kühlkörper und das im Rahmen integrierte Wärmerohr vorteilhaft miteinander kombiniert. Auf diese Weise kann eine große Wärmemenge vom Motor effizient abgeführt werden.
  • Prinzipiell kann die Erfindung bei allen Hilfsantrieben verwendet werden, die eine direkte Kopplung zum Fahrradrahmen haben, bei der also der Stator oder Teile davon im Fahrradrahmen oder in direkt im Fahrradrahmen integrierten Teilen angeordnet sind.
  • Bezugszeichenliste
  • 01
    Tretlagergehäuse
    02
    Sitzrohr
    03
    Unterrohr
    04
    Kettenstrebe
    05
    06
    Tretlagerwelle
    07
    Tretkurbel
    08
    Kühlkörper
    09
    Kühlrippen
    10
    11
    Lenklager
    12
    Dichtscheibe
    13
    Dichtscheibe
    14
    Arbeitsmedium
    15
    16
    Dampf
    17
    Innenseite
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 20012972 U1 [0006]
    • DE 102005016043 A1 [0007]
    • DE 19640248 C2 [0008]
    • DE 19522419 A1 [0009]

Claims (10)

  1. Fahrrad mit einem elektrischen Hilfsantriebsmotor, wobei der Motor einen Stator umfasst, der in einen Teil eines Fahrradrahmens integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung des Motors mindestens ein Kühlkörper (08) vorgesehen ist, der mit einem Teil des Fahrradrahmens verbunden oder durch einen Teil des Fahrradrahmens gebildet ist.
  2. Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor als Direktantrieb einer Tretlagerwelle (06) ausgebildet ist.
  3. Fahrrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (08) ein Tretlagergehäuse (01) zumindest abschnittsweise umschließt.
  4. Fahrrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (08) Kühlrippen (09) umfasst, die sich entlang des Umfangs des Tretlagergehäuses (01) erstrecken.
  5. Fahrrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (08) als Wärmerohr ausgebildet ist.
  6. Fahrrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr in einen Teil des Fahrradrahmens integriert ist.
  7. Fahrrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr ein Thermosiphon oder ein Heatpipe ist, das in einem Unterrohr (03) des Fahrradrahmens angeordnet ist.
  8. Fahrrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterrohr (03) ein Arbeitsmedium (14) enthält und durch Dichtscheiben (12, 13) luftdicht zum restlichen Fahrradrahmen abgeschlossen ist.
  9. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung eines an einem Kettenblatt angeordneten Rotors ein weiterer Kühlköper vorgesehen ist, der auf dem Kettenblatt vorgesehen ist.
  10. Fahrrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper sowohl einen am Tretlagergehäuse angebrachten Kühlköperteil (08) als auch ein im Fahrradrahmen integriertes Wärmerohr umfasst.
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