DE102011109441A1

DE102011109441A1 - Elektromotorantrieb für das Fahrrad (e-Bike, Pedelec)

Info

Publication number: DE102011109441A1
Application number: DE201110109441
Authority: DE
Inventors: André Frank; Cornelia Herter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-03
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2012-07-05

Abstract

Elektromotorantrieb für das Fahrrad (e-Bike, Pedelec), dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroantrieb einen bürstenlosen Elektromotor darstellt, dessen Sekundärteil, der Rotor, aus einem magnetischen Werkstoff (1) mit magnetischem Rückschluss (2) besteht, ein- oder beidseitig in die vordere und/oder hintere Laufradfelge (3) eines Fahrrades integriert ist und dass der Primärteil, der Stator (5), bestehend aus einer Anzahl von Strom durchflossenen Spulen (4), sich an einer oder beiden Seiten der Laufradfelge, gegenüber dem Rotor, befindet.

Description

Bürstenlose Elektromotore werden bereits in elektrischen Fahrradantrieben aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften wie beispielsweise:

– hohes Drehmoment (Außenläufer)
– geringe Lärmemission
– hoher Wirkungsgrad
– geringe spezifische Drehzahl

Es handelt sich hierbei entsprechend ihrer konstruktiven Anordnung um Radnabenelektroantriebe und entsprechend ihrem Wirkprinzip um so genannte bürstenlose Außenläufermotore.
Auch bekannt sind herkömmliche bürstenbehaftete oder bürstenlose Elektromotore, die in Kombination mit einem Getriebe in unmittelbarer Nähe des Tretlagers verbaut werden. Diese klassische Variante (Motor, Getriebe, Transmission) eines Antriebes soll hier aber nicht vergleichend betrachtet werden.
In den Radnabenelektroantrieben dreht sich das bewegliche Sekundärteil (Läufer), an dem die Speichen des Laufrades befestigt sind, um das unbewegliche Primärteil (Stator), der fest in der Nabe des Laufrades und damit im Rahmen des Fahrrades montiert ist.
Trotzdem hierbei auf ein mechanisches Transmissionsglied (Kette, Riemen, Welle, etc.) verzichtet werden konnte, was Material und Energie spart, hat dieser Antrieb noch mehrere unerwünschte Eigenschaften:

– hohes Gewicht (ca. 3 kg...4 kg)
– großer Bedarf an hochwertigen Materialien (Fe, Cu. Al)
– aufwendige Produktion (viele Arbeitsschritte, hoher Energiebedarf)
– Kühlung durch Wärmeleitung in den Rahmen nahezu ausgeschlossen (Kugellager)

Auch die physikalisch bedingte Generatorfunktion des Antriebes ist konstruktionsbedingt nicht abstellbar, was zu einem verlustbehafteten Freilauf des Laufrades im ausgeschalteten Zustand des Antriebes führt (Schleppmoment).
Der vorliegenden Erfindung hingegen liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb vorzuschlagen, der nicht über die genannten unerwünschten Eigenschaften verfügt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1–4 gelöst.
Der erfindungsgemäße Elektromotorantrieb für das Fahrrad zeichnet sich gegenüber den bekannten bürstenlosen Radnabenmotoren, die über eine elektrische Leistung von ca. 250 W verfügen, durch folgende Vorteile aus:

– geringes Gewicht (< 1 kg), da z. B. auch die Felge, die in jedem Laufrad eines Fahrrades mechanisch notwendig ist, in Material und Form gleichzeitig auch den Rotor (Träger der Magnete und des Rückschlussringes) bildet
– hohes Drehmoment, da der Hebelarm entsprechend der verwendeten Felge ca. Laufraddurchmesser/2 (z. B. 26 Zoll/2 = 13 Zoll) beträgt
– Material sparende Bauweise, einfach und effizient zu fertigen, geringe Kosten
– die Konstruktion ermöglicht einen verlustfreien Freilauf des Laufrades im ausgeschalteten Zustand des Antriebes, in dem der Stator (5) mit einer geeigneten Vorrichtung wenige Millimeter vom Rotor entfernt wird
– beliebige und einfache Skalierbarkeit der Motorleistung durch Variation der Spulenanzahl und damit der Statorbreite
– gute Kühlung des Stators (Luft, Wärmeleitung in Rahmen) möglich
– kosteneffizienter Einbau im Vorder- und Rücklaufrad möglich
– geringe Abmessungen/Volumen, optisch nahezu unauffällig

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1 eine Schnittdarstellung durch die obere Hälfte eines Laufrades
2 den Längsschnitt durch einen 12-nutigen Stator (5)
3 die Anordnung von 158 Permanentmagneten in einer 20-Zoll-Laufradfelge
4 die Anordnung der Permanentmagnete entlang der Laufradfelgenkrümmung
1 zeigt eine Schnittdarstellung durch den oberen Teil eines Laufrades. Der Reifen (12) liegt in der Laufradfelge (3) und ist mit Hilfe der Speichen (13) an der Radachse drehbar befestigt. Die Radachse ist in den Fahrradrahmen (9) eingespannt.
In die Laufradfelge (3) sind beidseitig die Permanentmagnete (1) mit dem magnetischen Rückschluss (2) integriert.
Die Anordnung kann prinzipiell auch einseitig ausgeführt werden, hat aber den Nachteil besonders hohe mechanische Stabilitätsanforderungen an die Einspeichung der Laufradfelge zu stellen, da die Anzugskräfte „Magnete (1)-Stator (5)” erheblich sind, quer zur Laufradfelge wirken und zum kompletten Anzug der Laufradfelgenseite an die Permanentmagnete führen kann.
Die beidseitige Anordnung führt im Idealfall zur Aufhebung der Querkräfte, so dass diese Ausführung geringere Stabilitätsanforderungen an die Laufradfelge hat.
Jeweils gegenüber den Permanentmagneten (1) ist eine Anzahl von Spulen (4) angeordnet.
Die Spulen sind elektrisch mit dem Steuergerät (10) verbunden, dass seinerseits die für den Betrieb der Spulen erforderliche Elektroenergie aus einem Akkumulator (11) bezieht.
In der 2 ist der Längsschnitt durch einen 12-nutigen Stator (5) mit 12 eingebrachten Spulen (15) dargestellt. Der Stator (5) besteht aus einer Anzahl geschichteter Elektrobleche, um bei den Ummagnetisierungen die Wirbelstromverluste gering zu halten. Die Form des Stators (5) ist derart beschaffen, dass seine Mittellinie der Krümmung der Mittellinie (7, 4) einer 20-Zoll Laufradfelge folgt, so dass den 12 Wicklungsköpfen (14) des Stators (5) genau 10 Permanentmagnete (1, 1) in der Laufradfelge (3, 1) gegenüberstehen.
3 zeigt beispielhaft die Anordnung von 158 Permanentmagneten (1) in einer 20-Zoll-Laufradfelge (3).
4 zeigt auszugsweise die äquidistante (6) und Polarität wechselnde (Nord-Süd – Nord- ...) Anordnung der Permanentmagnete (1) entlang der Laufradfelgenkrümmung (7).

Claims

Elektromotorantrieb für das Fahrrad (e-Bike, Pedelec), dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroantrieb einen bürstenlosen Elektromotor darstellt, dessen Sekundärteil, der Rotor, aus einem magnetischen Werkstoff (1) mit magnetischem Rückschluss (2) besteht, ein- oder beidseitig in die vordere und/oder hintere Laufradfelge (3) eines Fahrrades integriert ist und dass der Primärteil, der Stator (5), bestehend aus einer Anzahl von Strom durchflossenen Spulen (4), sich an einer oder beiden Seiten der Laufradfelge, gegenüber dem Rotor, befindet.
Elektromotorantrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Werkstoff aus einem durchgängigen, pol-wechselndem Material besteht oder sich aus einer Anzahl von Permanentmagneten, die geometrisch äquidistant (6) verteilt sind, von Magnet zu Magnet die Polausrichtung wechselnd (einem Nord-Süd ausgerichtetem Magneten folgt ein Süd-Nord ausgerichteter Magnet, usw.), zusammensetzt, in der Laufradfelge angeordnet ist und rückseitig mit einem aus magnetisch leitfähigem Material bestehenden Rückschlussring (2) verbunden ist.
Elektromotorantrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (5) aus einem magnetisch leitfähigen Material (5) besteht, als Träger von einer Anzahl von Strom durchflossenen Spulen (4) dient, in seiner Form dem geometrischen Verlauf der Laufradfelge (7) folgt, seine Länge (8) dem Gesamtumfang oder einem Teil der Laufradfelge (3) entspricht und so an einer geeigneten Stelle des Fahrrades (9) befestigt ist, dass sich die Spulen in ihrer Ausrichtung gegenüber dem magnetischen Werkstoff in der Laufradfelge befinden.
Elektromotorantrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (4) des Stators (5) von einem elektrischen Steuergerät (10) derart angesteuert werden, dass mit Hilfe der elektrischen Energie des Akkumulators (11) elektromagnetische Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen den im Rotor befindlichen magnetischen Werkstoff (1) und den von Strom durchflossenen Spulen (4) entstehen, die zu einer Rotation des gesamten Laufrades führen.
Elektromotorantrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (4) oder weitere Spulen des Stators (5) von einem elektrischen Steuergerät (10) derart angesteuert werden, dass mit Hilfe der elektrischen Energie des Akkumulators (11) elektromagnetische Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen den im Rotor befindlichen magnetischen Werkstoff (1) und den von Strom durchflossenen Spulen (4) oder weiteren Spulen des Stators (5) entstehen, die zu einer mechanischen Zentrierung der Laufradfelge (3) zwischen den Statoren (5) führt.
Elektromotorantrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spulen (4) des Stators (5) zur Minimierung des Schleppmomentes durch eine geeignete mechanische Vorrichtung derart verschieben oder drehen lassen, dass die magnetische und damit Kraft entfaltende Wechselwirkung zwischen ihnen und dem magnetischen Werkstoff (1) erheblich einschränkt ist.