DE102010032853A1

DE102010032853A1 - Radnabenmotor

Info

Publication number: DE102010032853A1
Application number: DE102010032853A
Authority: DE
Inventors: Michael Bogner; Markus Neubauer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-02
Also published as: WO2012013382A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Radnabenmotor mit einem Stator (03), der mit einer Radachse (01) drehfest verbunden ist und mit einem Rotor zum Antrieb eines Laufrades. Der Rotor ist in einem Rotorgehäuse (11) relativ zum Stator (03) rotierbar auf der Radachse (01) gelagert, wobei das Rotorgehäuse (11) ein Nabengehäuse bildet. Der Motor ist in einen Generatorbetrieb umschaltbar, in welchem er als Nutzbremse fungiert. Erfindungsgemäß ist im Rotorgehäuse (11) weiterhin eine mechanische Zusatzbremsvorrichtung angeordnet, die zusätzlich zur Nutzbremse über einen Betätigungsmechanismus aktivierbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Radnabenmotor, insbesondere für ein Fahrrad, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßer Radnabenmotor umfasst einem Stator, der mit einer Radachse drehfest verbunden ist und einen Rotor zum Antrieb eines Laufrades. Der Rotor ist in einem Rotorgehäuse relativ zum Stator rotierbar auf der Radachse gelagert. Das Rotorgehäuse bildet ein Nabengehäuse.
Fahrräder mit einem 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 Akku ist 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).
Ein Fahrrad mit beschränkter Tretunterstützung (Pedelec) hat die Eigenschaft, dass der Elektromotor nur anspringt, wenn in die Pedale getreten wird. Der Motor unterstützt also nur das Treten. Für das Einschalten oder die Steuerung des Motors kann beispielsweise die Kraft oder das Drehmoment über das Signal eines Kraftsensors an den Pedalen, der Tretkurbel, der Kette oder am Rad gemessen werden. Weiterhin ist es möglich, die Tretgeschwindigkeit über das Signal eines Umdrehungszählers oder Schwellenwertschalters an der Kurbel oder an anderen geeigneten Stellen zu erfassen.
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. Permanenterregte Synchronmaschinen eignen sich sehr gut als Radnabenmotoren. Die ebenfalls wartungsfreien Wechselstromasynchronmotoren finden selten Verwendung.
Es ist bekannt, dass gattungsgemäße Radnabenmotoren im Generatorbetrieb auch als Nutzbremse fungieren können.
Aus der DE 601 29 084 T2 ist eine Steuerungseinrichtung für ein Fahrrad mit einem Hilfsmotor bekannt. Ein bürstenloser Drei-Phasen-Motor ist axialparallel zu einer Tretlagerwelle angeordnet und greift über ein Ritzel in ein auf der Tretlagerwelle angeordnetes Zahnrad ein. Zum Zahnrad benachbart ist eine Kupplungsplatte mit einer Druckplatte vorgesehen. Über einen schwenkbaren Nocken ist die Druckplatte mittels eines Bremsseiles zu betätigen. Beim Betätigen der Bremse wird die Kupplungsplatte gegen das Zahnrad gedrückt und damit die Drehung des Kettenrades auf das Zahnrad und das Ritzel übertragen. Der Motor arbeitet dabei als Generator. Der elektrische Strom wird zum Laden der mitgeführten Batterie (Akkumulator) verwendet.
Aus der DE 197 48 201 C1 ist eine Radnabenantriebsvorrichtung für Räder eines Rollstuhls oder andere Kleinfahrzeuge bekannt. Der Antriebsmotor ist beispielsweise ein Scheibenläufermotor, Stabankermotor oder elektronisch kommutierter Gleichstrommotor. Innerhalb der Radnabe ist ein Getriebe angeordnet. Als vorteilhafte Variante wird vorgeschlagen, innerhalb des Nabenkörpers eine Bremse, eine Kupplung und/oder Steuersensoren vorzusehen. Eine detaillierte Ausführung hierzu ist nicht beschrieben.
Aus DE 20 2006 013 617 U1 und DE 20 2006 010 679 U1 ist ein Elektroantrieb für Fahrräder und weitere Anwendungen bekannt. Der Antriebsmotor ist ein Nabenmotor bzw. eine Naben-Generator-Motor-Kombination, deren Steuerung dafür sorgt, dass bei Betätigung des Bremshebels der Nabenmotor in die Generatorfunktion umschaltet. Zu diesem Zweck wird der Druck des Bremshebels sensorisch erfasst. Je stärker der Bremshebel betätigt wird, umso höher ist die Bremswirkung des Generators und damit die Energierückspeisung in den Akkumulator. Soll das Fahrzeug zum Stillstand gebracht werden, wird durch verstärkten Druck auf den Bremshebel zusätzlich eine mechanische Bremse (z. B. Trommelbremse) wirksam.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Radnabenmotor mit einer erweiterten Funktionalität bereitzustellen, der einen einfachen Aufbau hat und preiswert herstellbar ist.
Ein erfindungsgemäßer Radnabenmotor umfasst zunächst in bekannter Weise einem Stator, der mit einer Radachse drehfest verbunden ist und einen Rotor zum Antrieb eines Laufrades.
Der Rotor ist in einem Rotorgehäuse relativ zum Stator rotierbar auf der Radachse gelagert. Das Rotorgehäuse bildet ein Nabengehäuse. Der Motor ist vorzugsweise als permanenterregter Gleichstrommotor oder Synchronmotor ausgeführt, dessen Statorwicklung bzw. -wicklungen in bekannter Weise innerhalb des Nabengehäuses drehfest zur Radachse angeordnet sind. Der Rotor wird durch Permanentmagneten gebildet, welche an einer inneren Mantelfläche des im Wesentlichen zylinderförmigen Nabengehäuses dem Stator radial gegenüberliegend angebracht sind.
Der Nabenmotor kann bekanntermaßen als Motorbremse bzw. elektromotorische Bremse fungieren. Als Motorbremse wird der mechanische Widerstand bezeichnet, den ein Motor einem von außen aufgezwungenen Drehmoment entgegensetzt. Zweck ist, die Bewegungsenergie des Laufrades durch entgegenwirkende Reibungskräfte in Wärme oder vorzugsweise elektrische Energie zum Laden des Akkumulators umzuwandeln. Die Bremsleistung und das Maß der Rekuperation sind abhängig von der Leistung des Nabenmotors, der Speicherleistung und der freien Kapazität des Akkumulators. Dabei wird der innere Widerstand der mitlaufenden Antriebsmaschine für die Abbremsung genutzt, indem beispielsweise bei Bergabfahrt die Rotationsenergie des Laufrades zum Antrieb des Generators verwendet wird.
Erfindungsgemäß ist im Nabengehäuse eine mechanische Zusatzbremsvorrichtung integriert. Diese Zusatzbremsvorrichtung kann beispielsweise eine Trommel- oder Scheibenbremse, eine magnetorheologische Bremse, eine Lamellenbremse oder auch eine elektrohydraulische Bremse sein.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass durch die Integration der Zusatzbremsvorrichtung in den Nabenmotor auf eine separate Bremsvorrichtung für das Laufrad verzichtet werden kann. Durch die Integration der Bremse in das Nabengehäuse werden sowohl Montageaufwand als auch Wartungsbedarf der Bremse am Fahrrad verringert. Außerdem kann durch Verzicht auf eine separate Bremse das Gewicht des Fahrrads verringert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die elektromotorische Nutzbremse und die mechanische Bremse derart kombiniert, dass zunächst bei nur leichter Betätigung eines Bremshebels oder einer Rücktrittbremse die elektromotorische Bremse aktiviert wird, indem der Nabenmotor in den Generatorbetrieb umgeschaltet wird, wodurch ein mäßiges Abbremsen des Fahrzeuges erreicht wird. Wird die Bremse stärker betätigt, so wird zusätzlich die mechanische Zusatzbremsvorrichtung aktiviert. Dies hat neben der Energierückgewinnung den Vorteil, dass der Verschleiß der mechanischen Bremse im Vergleich zu herkömmlichen Bremssystemen stark herabgesetzt wird.
Die Stärke der Betätigung der Bremse kann beispielsweise in der Art ermittelt werden, wie sie von einer elektrohydraulischen Bremse bekannt ist. Bei der elektrohydraulischen Bremse wird der Fahrerwunsch (Teilbremsung, Notbremsung, usw.) elektronisch über eine Sensorik erfasst. Dabei ermittelt ein Wegsensor den zeitlichen Verlauf des Bremshebelwegs und daraus die Geschwindigkeit und Beschleunigung der Bremsenbetätigung. Zusätzlich wird über einen Drucksensor der Druckverlauf beim Bremsen erfasst. Daraus leitet ein Steuergerät den Fahrerwunsch ab und setzt diesen in die gewünschte Bremsbetätigung um.
Eine einfachere Methode hierfür ist die mechanische Umsetzung des Bremshebelweges auf die Steuerung der Betätigung der Zusatzbremsvorrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Generatorbetrieb durch einen elektrischen Kontakt geschaltet, der bei leichter Betätigung der Bremse geöffnet oder geschlossen wird. Erst bei weiterer oder stärkerer Betätigung der Bremse wird die mechanische Zusatzbremsvorrichtung z. B. über ein Bremsseil aktiviert.
Zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Nabenmotors mit einer Scheibenbremse;
2: eine Schnittansicht eines Radnabenmotors mit einer Rücktrittbremse.
1 zeigt einen Radnabenmotor in einer Schnittdarstellung entlang einer Radachse 01. Die Radachse 01 ist in radseitigen Enden der Sitzstreben 02 eines Fahrradrahmens befestigt.
Der Radnabenmotor umfasst einen Stator 03, welcher drehfest auf der Radachse 01 angeordnet ist. Der Stator 03 trägt zumindest eine Statorwicklung mit mehreren über den Umfang verteilten Statorspulen 04, welche auf Statorpolen 06 angeordnet sind.
Ein Rotorkörper 07 ist drehbar mittels zumindest zweier Wälzlager 08 auf der Radachse 01 gelagert. Gegenüber dem Stator 03 ist der Rotorkörper 07 über zwei weitere Wälzlager 09 verkippungssicher gelagert. Bei ausreichend steifer Umgebungskonstruktion können die Wälzlager 09 ggf. entfallen.
Ein Rotorgehäuse 11 ist drehfest mit dem Rotorkörper 07, beispielsweise durch eine Schraubverbindung 12 verbunden und bildet mit einem sich radial erstreckenden Abschnitt 13 ein Nabengehäuse. An der im Wesentlichen zylindrischen Mantelfläche des Rotorgehäuses 11 sind auf der Innenseite Permanentmagneten 14 angebracht, um in bekannter Weise den Rotor des Elektromotors zu bilden. Auf der Außenseite der zylindrischen Mantelfläche des Rotorgehäuses 11 sind Speichenflansche 16 angeordnet, mit denen das nicht dargestellte Laufrad mit der Nabe verbunden wird.
Am Rotorkörper 07 ist eine Bremsscheibe 17 angeordnet, welche mit einem Bremsbelag 18 zusammenwirkt. Der Bremsbelag 18 ist an mehreren, über den Umfang des Stators 03 verteilten Betätigungskolben 19 befestigt. Die Betätigungskolben 19 sind im Stator 03 axial bewegbar gelagert. Eine Scheibe 21 ist mit einem nicht dargestellten Bremsbowdenzug verdrehbar. Auf der Scheibe 21 sind gegenüberliegend zu den Betätigungskolben 19 in Umfangsrichtung ansteigende Rampen 22 befestigt. Bei einer Drehung der Scheiben 21 drückt jeweils die ansteigende Rampe 22 auf den Betätigungskolben 19, wodurch dieser in Richtung Bremsscheibe 17 verschoben wird. Dabei wird zuerst ein elektrischer Kontakt 23 geöffnet, der zwischen dem Stator und der Bremsscheibe angeordnet ist. Dieser Kontakt 23 sorgt über eine Steuerschaltung dafür, dass der Nabenmotor in den Generatorbetrieb umgeschaltet wird. Diese kann in einer Anzeige für den Benutzer dargestellt werden.
Erst bei einer weiteren Verdrehung der Scheibe 21 durch ein weiteres Betätigen der Bremse kommt der Bremsbelag 18 an der Bremsscheibe 17 zur Anlage und leitet die mechanische Bremsung ein.
Beim Lösen der Bremse werden die Betätigungskolben 19 durch eine Federkraft von Tellerfedern 24, die sich gegen den Stator 03 und einen Sicherungsring 26 abstützen, in ihre Ausgangslage zurück gedrückt. Der Kontakt 23 wird wieder geschlossen und der Nabenmotor kann wieder im Motorbetrieb arbeiten.
In 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung für eine Hinterradnabe mit einer Rücktrittbremse dargestellt. Die Teile des Motors, also Stator und Rotor, haben prinzipiell den in 1 beschriebenen Aufbau.
Innerhalb des Rotorgehäuses 11 ist die Rücktrittbremse angeordnet. Im Wesentlichen zeichnet sich die Rücktrittbremse durch die Anordnung von drei Freiläufen 31, 32, 33 aus.
Wird ein Antriebsritzel 36 in Antriebsrichtung gedreht, so sperrt der Freilauf 31 und das Drehmoment wird über das Rotorgehäuse 11 auf das Laufrad übertragen. Ist der Nabenmotor im Unterstützungsbetrieb, so entkoppelt der Freilauf 31 das Rotorgehäuse 11 vom Antriebsritzel 36, damit die Pedale nicht vom Motor mitgeschleppt werden.
Wird der Rücktritt betätigt, also das Antriebsritzel entgegen der Fahrtrichtung getrieben, so dreht eine nicht dargestellte Kette das Antriebsritzel 36 gegen die Laufrichtung. Die Freiläufe 32, 33 sperren. Dadurch kann ein Bremskonus 37 in axialer Richtung verschoben werden. Dies erfolgt über ein Gewinde 38 mit einer großen Steigung, die nicht selbsthemmend ist. Es wird ein Reibschluss und damit eine Bremswirkung zwischen dem Bremskonus 37 und einer Bremsfläche 39, welche an einer inneren Konusfläche des Stators 03 angeordnet ist, erreicht. Das Bremsmoment wird vom Bremskonus 37 über eine Passfeder 41 in eine Hülse 42 geleitet. Von dort wird die Bremskraft über den sperrenden Freilauf 32 in das Rotorgehäuse 11 geleitet.
Zur Erzielung einer Nutzbremswirkung kann der Motor bei dieser Ausführungsform z. B. durch einen eigenständig zu bedienenden oder automatisch durch den Rücktritt betätigten Schalter in den Generatorbetrieb umgeschaltet werden.
Bezugszeichenliste

01: Radachse
02: Sitzstreben
03: Stator
04: Statorspule
05
06: Statorpol
07: Rotorkörper
08: Wälzlager
09: Wälzlager
10
11: Rotorgehäuse
12: Schraubverbindung
13: Abschnitt
14: Permanentmagneten
15
16: Speichenflansch
17: Bremsscheibe
18: Bremsbelag
19: Betätigungskolben
20
21: Scheibe
22: Rampe
23: Kontakt
24: Tellerfeder
25
26: Sicherungsring
27
28
29
30
31: Freilauf
32: Freilauf
33: Freilauf
34
35
36: Antriebsritzel
37: Bremskonus
38: Gewinde
39: Bremsfläche
40
41: Passfeder
42: Hülse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60129084 T2 [0007]
DE 19748201 C1 [0008]
DE 202006013617 U1 [0009]
DE 202006010679 U1 [0009]

Claims

Radnabenmotor mit einem Stator (03), der mit einer Radachse (01) drehfest verbunden ist, mit einem Rotor zum Antrieb eines Laufrades, der in einem Rotorgehäuse (11) relativ zum Stator (03) rotierbar auf der Radachse (01) gelagert ist, wobei das Rotorgehäuse (11) ein Nabengehäuse bildet und wobei der Motor in einen Generatorbetrieb umschaltbar ist, in welchem er als Nutzbremse fungiert, dadurch gekennzeichnet, dass im Rotorgehäuse (11) weiterhin eine mechanische Zusatzbremsvorrichtung angeordnet ist, die zusätzlich zur Nutzbremse über einen Betätigungsmechanismus aktivierbar ist.
Radnabenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzbremsvorrichtung eine magnetorheologische Bremsvorrichtung oder eine Lamellenkupplungsbremse ist.
Radnabenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Zusatzbremsvorrichtung eine Scheibenbremse ist.
Radnabenmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenbremse eine Bremsscheibe (17) umfasst, welche fest im Rotorgehäuse (11) angeordnet ist, wobei im Stator (03) mehrere, um den Umfang verteilte axial verschiebbare Betätigungskolben (19) angeordnet sind, an deren Ende der Bremsscheibe (17) gegenüberliegend ein Bremsbelag (18) befestigt ist, wobei bei axialer Verschiebung der Betätigungskolben (19) der Bremsbelag (18) an der Bremsscheibe (17) zum Anschlag kommt.
Radnabenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Zusatzbremsvorrichtung eine Rücktrittbremse ist, die einen axial verschiebbaren Bremskonus (37) umfasst, der über mehrere Freiläufe (31, 32, 33) mit dem Antriebsritzel (36) der Hinterradnabe verbunden ist und wobei der Betätigungsmechanismus ein Steilgewinde (38) umfasst.
Radnabenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bremse eine Trommelbremse ist.
Radnabenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsmechanismus einen elektrischen Kontakt (23) umfasst, der bei anfänglicher Betätigung der Bremse aktiviert wird und der den Motor in den Generatorbetrieb umschaltet, bevor bei weiterer oder stärkerer Betätigung die mechanische Zusatzbremsvorrichtung aktiviert wird.
Radnabenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Steuerschaltung umfasst, die in den Stator integriert ist.
Radnabenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betätigung der mechanischen Zusatzbremsvorrichtung bedarfsweise zusätzlich zur Betätigung der Nutzbremse erfolgt.