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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Radnabenantriebe, insbesondere für den Einsatz an Antriebsrädern für Zweiräder.
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Stand der Technik
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Radnabenantriebe zum Antrieb von elektrisch betriebenen Zweirädern, so genannten E-Scootern, dienen in der Regel als Direktantrieb für ein Hinterrad eines Zweirads und weisen einen Innenstator auf, der fest an der Nabe des Hinterrads montiert ist. Der Innenstator ist mit Statorspulen versehen, um ein elektrisches Statorfeld bereitzustellen. Den Innenstator umgebend ist ein Außenrotor vorgesehen, der an der Hinterradnabe gelagert ist und in der Regel Permanentmagnete aufweist, um ein Erregermagnetfeld bereitzustellen. Durch Wechselwirkung eines gesteuerten Statormagnetfelds mit dem Erregermagnetfeld kann ein Drehmoment auf den Außenrotor erzeugt werden, das zum Antrieb des Hinterrads dient. Der Außenrotor ist außenumfangsseitig mit einer Felge verbunden, die den Reifen des Antriebsrads trägt.
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Durch elektrische Verluste bei der Bestromung der Statorspulen sowie durch Wirbelstromverluste entsteht im Inneren des Radnabenantriebs Verlustwärme, die zum Vermeiden einer Überhitzung von Bauteilen innerhalb des Radnabenantriebs abgeführt werden muss.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Wärmeabführung für einen Radnabenantrieb zur Verfügung zu stellen.
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Aus der
EP 1 137 154 A1 ist ein Radmotor, insbesondere für ein Fahrrad mit elektrischer Unterstützung bekannt. Die nachveröffentlichte Druckschrift
DE 10 2013 100 503 B3 offenbart eine Nabenantriebsvorrichtung mit einem Elektromotor. Die nachveröffentlichte Druckschrift
DE 10 2013 202 592 A1 offenbart einen Radnabenmotor für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor. Die
US 2012 / 0 080 252 A1 offenbart eine Nabeneinheit für ein Elektrofahrrad. Die
DE 697 11 342 T2 offenbart ein bewegliches Gerät, das mit einem Antriebsrad ausgestattet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Kühlelement für einen Radnabenantrieb gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Kühlelement für einen Radnabenantrieb für ein Antriebsrad eines Zweirads vorgesehen, umfassend:
- - eine kreisförmige Abdeckschale mit einer konkaven Innenseite und einer Öffnung zur drehbaren Lagerung auf einer Radnabe; und
- - erste Strukturen, die von der konkaven Innenseite hervorstehen, um bei Drehung der Abdeckschale eine Verwirbelung eines angrenzenden Mediums zu bewirken,
- - zweite hervorstehende Strukturen, die die Oberfläche an der Innenseite vergrößern, um die Wärmeübertragung über die Innenseite zu erhöhen,
- - dritte hervorstehende Strukturen, wobei eine der Innenseite gegenüberliegende Außenseite der Abdeckschale mit den dritten hervorstehenden Strukturen versehen ist, um eine Wärmeabführung an eine Umgebung zu verbessern.
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Bei Radnabenantrieben werden die Felgen üblicherweise durch in vielen Fällen beidseitig angeordnete Abdeckschalen an der Radnabe gehalten, so dass sich ein Außenrotor, an den sich nach außen hin eine Felge anschließt, konzentrisch um den Innenstator drehen kann. Die Abdeckschalen fassen den durch den Innenstator und Außenrotor gebildeten Radnabenantrieb ein und verhindern so das Eindringen von Verschmutzungen und Feuchtigkeit ins Innere des Radnabenantriebs.
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Durch die Abdeckschalen wird jedoch auch ein Austausch von Luft und somit eine Abführung von im Betrieb des Radnabenantriebs erzeugter Wärme verschlechtert. Bei Fahrzuständen mit hoher Belastung können in den Wickelköpfen der Statorspulen Temperaturen auftreten, die die für lackbeschichtete Kupferdrähte zulässigen Temperaturen deutlich überschreiten. Zudem sind üblicherweise, meist in der Nähe oder unter Umständen auch direkt in den Wicklungen der Statorspulen, Hallsensoren zur Messung der Läuferlage eingebaut. Auch derartige Hallsensoren sind temperaturempfindlich und fallen erfahrungsgemäß insbesondere nach Fahrzuständen mit hoher Belastung regelmäßig aus.
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Um eine verbesserte Wärmeabführung zu gewährleisten, wird mindestens eine der Abdeckschalen auf ihrer Innenseite (der konkaven Seite) mit hervorstehenden Strukturen versehen. Diese Strukturen werden beim Drehen der Abdeckschale mit der Felge bzw. dem Läufer des Radnabenantriebs von einer Luftströmung umströmt, wodurch die zusätzliche Wärme abgeführt werden kann. Darüber hinaus bewirken die im Inneren des Radnabenantriebs vorgesehenen Strukturen eine turbulente Luftströmung im Bereich der Statorwicklungen und es sind zusätzliche Strukturen vorgesehen, um die Oberfläche im Inneren der Abdeckung zu vergrößern und so einen Wärmeübergang zwischen der turbulent strömenden Luft und der Abdeckung zu begünstigen.
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Weiterhin können die ersten Strukturen in radialer Richtung verlaufen. Dadurch wird eine besonders starke Verwirbelung erreicht.
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Am Außenrand der Abdeckschale kann ein Anschlussflansch vorgesehen sein, um eine Felge anzuschließen.
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Die Abdeckschale kann einstückig, insbesondere als Aluminiumdruckgussbauteil, ausgebildet sein.
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Es können zweite hervorstehende Strukturen vorgesehen sein, die die Oberfläche an der Innenseite vergrößern und so die Wärmeübertragung über die Innenseite erhöhen.
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Die zweiten Strukturen können als im Wesentlichen tangential verlaufende Rippen und/oder noppenartige Erhebungen ausgebildet sein.
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Weiterhin kann die Erhebung der ersten Strukturen höher sein als die Erhebung der zweiten Strukturen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann eine der Innenseite gegenüberliegende Außenseite der Abdeckschale mit dritten hervorstehenden Strukturen versehen sein, um eine Wärmeabführung an eine Umgebung zu verbessern.
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Die dritten Strukturen können als im Wesentlichen tangential verlaufende Stege und/oder in radialer Richtung oder schräg zur radialen Richtung verlaufende Kühlrippen ausgebildet sein.
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Gemäß einem weiteren, nicht erfindungsgemäßen Aspekt ist ein Radnabenantrieb vorgesehen, umfassend:
- - einen Elektroantrieb, der an einer Radnabe angeordnet ist und einen Innenstator und einen Außenrotor aufweist,
wobei der Außenrotor durch mindestens eine Abdeckschale an der Radnabe gehalten ist, so dass der Außenrotor konzentrisch um den Innenstator drehbeweglich angeordnet ist und zwischen dem Elektroantrieb und der Abdeckschale ein Raum gebildet ist.
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Weiterhin können die ersten Strukturen zumindest an einem Bereich an der Innenseite vorgesehen sein, der sich bei Drehung des Außenrotors an einem aktiven Bereich des Innenstators vorbeibewegt.
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Zur Kühlung kann der Raum mit Luft oder Öl gefüllt sein, wobei insbesondere Öl eine verbesserte Wärmeabführung von dem Antriebsmotor zu der Abdeckschale gewährleistet.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf das Innere eines Radnabenantriebs ohne Abdeckschale;
- 2 eine Schnittdarstellung durch einen Radnabenantrieb in achsparalleler Richtung;
- 3 eine Darstellung einer Abdeckschale für einen Radnabenantrieb mit einer Ansicht der Innenseite gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 4 eine Darstellung einer Abdeckschale für einen Radnabenantrieb mit einer Ansicht der Innenseite gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 5 eine Darstellung einer strukturierten Außenseite der Abdeckschale; und
- 6 eine Darstellung einer strukturierten Außenseite der Abdeckschale gemäß einer alternativen Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die 1 und 2 zeigen in einer Draufsicht ein Hinterrad 1 (Antriebsrad) eines Zweirads bzw. eine Schnittdarstellung durch das Hinterrad 1 parallel zu einer axialen Richtung des Hinterrads 1. Das Hinterrad 1 weist einen Radnabenantrieb 2 auf, der einen Innenstator 3 umfasst, der fest an einer Radnabe 4 angebracht ist, die beispielsweise an einer Hinterradschwinge gehalten sein kann. Der Innenstator 3 ist drehfest an der Radnabe 4 angeordnet und weist in seinem aktiven Bereich 31 Statorwicklungen auf, um ein Statormagnetfeld bereitzustellen, durch das das Hinterrad 1 des Zweirads angetrieben werden soll. Die Statorwicklungen umfassen Statorspulen, die in geeigneter Weise mithilfe eines Kommutierungsmusters durch eine (nicht gezeigte) Treiberschaltung bestromt werden, um ein umlaufendes Statormagnetfeld zu bewirken.
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Um den Innenstator 3 ist ein Außenrotor 5 angeordnet, der im Wesentlichen konzentrisch drehbeweglich um den Innenstator 3 vorgesehen ist. Der Außenrotor 5 umfasst Rotorpole 51, die vollständig oder teilweise mit Permanentmagneten 52 versehen sein können, um ein entsprechendes Erregermagnetfeld bereitzustellen. Der Außenrotor 5 ist über eine Schraub- oder Nietverbindung mittels eines Flansches 6 mit einer Felge 7 verbunden, die den Reifen 8 zum Bilden des Hinterrads aufnimmt.
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Um eine Lagerung des Außenrotors 5, der Felge 7 und des Reifens 8 um die Radnabe 4 zu gewährleisten, sind in der Regel in axialer Richtung beidseitig des Radnabenantriebs 2 Abdeckschalen 10 vorgesehen, die kreisförmig ausgebildet sind und eine Mittenöffnung 11 aufweisen, durch die die Abdeckschalen 10 auf die Radnabe 4 aufgesteckt werden und dort gelagert, insbesondere mithilfe eines (nicht dargestellten) Lagers gehalten werden. Am Außenumfang der Abdeckschalen 10 ist ein Flansch 12 vorgesehen, an dem der Außenrotor 5 befestigt ist, so dass der Luftspalt zwischen Innenstator 3 und Außenrotor 5 mit konstanter Breite gewährleistet ist.
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Die Abdeckschalen10 sind im Wesentlichen teller- bzw. schalenförmig ausgebildet, so dass zwischen dem Innenstator 3 und der Abdeckschale 10 ein abgeschlossener Raum gebildet ist, der üblicherweise mit Luft gefüllt ist. Anstelle von Luft kann auch ein anderes Medium im abgeschlossenen Raum vorgesehen sein, wie z. B. Öl. Dadurch kann eine verbesserte Wärmeabfuhr gewährleistet werden.
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Die Abdeckschalen 10 werden so um den Radnabenantrieb 2 angeordnet, dass dieser durch die konkaven Seiten der Abdeckschalen 10 in dem abgeschlossenen Raum aufgenommen ist. Die Abdeckschalen 10 werden üblicherweise in einem Aluminiumdruckgussverfahren hergestellt.
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Wie in 3 deutlich gezeigt, sind nun zur Abführung der durch die Statorwicklungen des Innenstators 3 und durch Wirbelströme im Außenrotor 5 gebildeten Wärme aus dem Inneren des Radnabenantriebs 2 erste hervorstehende Strukturen 14 auf der Innenseite mindestens einer der Abdeckschalen 10 vorgesehen. Die mit den ersten Strukturen 14 strukturierte Abdeckschale 10 bildet ein Kühlelement für den Radnabenantrieb 2.
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Die ersten Strukturen 14 dienen dazu, eine Verwirbelung der sich im Inneren des Radnabenantriebs 2 befindlichen Luft und somit eine gute Umströmung der Statorwicklungen zu bewirken. Zur Verbesserung der Turbulenz der Strömung können die ersten Strukturen 14 auf der Innenseite der Abdeckschale 10 durch radial verlaufende Stege ausgebildet sein, insbesondere acht Stege, die in gleichem Winkel voneinander beabstandet sind und in Richtung des Innenstators 3 von der Abdeckschale 10 hervorstehen. Im zusammengesetzten Zustand bewegen sich die Stege 14 bei einer Drehung des Radnabenantriebs 2 nahe an dem aktiven Bereich 31 des Innenstators 3 vorbei und bewirken dort eine starke Verwirbelung der Luft, die zu einer verbesserten Wärmeabführung führt.
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Um insgesamt die Fläche im Inneren der Abdeckschale 10 weiter zu vergrößern, können weiterhin als zweite Strukturen 15 hervorstehende umlaufende Rippen vorgesehen sein, die zum einen die Stabilität der Abdeckschale 10 verbessern und zum anderen die Oberfläche deutlich vergrößern, über die Wärme aus dem Raum im Inneren der Abdeckschalen 10 an die strukturierte Abdeckschale 10 abgegeben werden kann.
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Die in tangentialer Richtung verlaufenden Rippen 15 weisen eine geringere Erhebungshöhe auf als die radial verlaufenden Stege 14, so dass sie die turbulente Luftströmung möglichst wenig laminarisieren. Insbesondere sind mehrere konzentrisch angeordnete tangentiale Rippen 15 vorgesehen, so dass in radialer Richtung zwei benachbarte tangentiale Rippen 15 versetzt zum Luftspalt angeordnet sind.
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Wie in 4 dargestellt, können anstelle der umlaufenden Rippen 15 auch noppenartige Erhebungen 16 als zweite Strukturen zwischen den radial verlaufenden Stegen 14 vorgesehen sein, die ebenfalls die Oberfläche zur Aufnahme der von dem Innenstator 3 abgeführten Wärme vergrößern.
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Sowohl die Strukturen, wie sie in 3 dargestellt sind, als auch die Strukturen der 4 eignen sich zur Herstellung in einem schieberfreien Aluminiumdruckgusswerkzeug, so dass die wesentlichen Anforderungen an die Wärmeabführung kostengünstig erreicht werden können.
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In 5 ist eine Darstellung einer Außenseite (der konvexen Seite) der strukturierten Abdeckschale 10 gezeigt. Die Außenseite weist dritte hervorstehende Strukturen 17 auf, die z. B. durch konzentrisch zur Radnabenachse verlaufende tangentiale Stege gebildet sein können. Die dritten hervorstehenden Strukturen 17 dienen dazu, die Außenfläche der Abdeckung zu vergrößern und somit eine verbesserte Wärmeabführung nach außen in die Umgebung zu gewährleisten.
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In einer alternativen Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist, sind die dritten Strukturen 17 auf der Außenfläche als in radialer Richtung bzw. schräg zur radialen Richtung verlaufenden Kühlrippen ausgebildet, die es ermöglichen, die Abwärme effektiver an den Fahrtwind abzugeben.
