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Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrrad mit einem Vorder- und Hinterrad, das mit Muskelkraft über eine Pedaltretkurbel angetrieben und zusätzlich einen direkten Elektroantrieb als Elektromotor mit einer Versorgung über einen Akkumulator aufweist, bestehend aus einem in die Peripherie des Hinterrades integrierten Rotor als Polrad, wobei der Rotor kraftschlüssig im Bereich einer Felge des Hinterrades angeordnet ist, dem beiderseits Statoreinheiten als Teilelemente am Fahrradrahmen zugeordnet sind.
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Bei Elektrofahrrädern (Pedelecs) wirkt der Elektroantrieb als zusätzliche Unterstützung zum Muskelkraft-Pedaltretkurbel-Betrieb. Unvorteilhaft beeinträchtigen alle bekannten Elektro-Fahrradantriebe des Hinterrades die klassischen Funktions-Mechanismen eines mit Muskelkraft über eine Pedaltretkurbel angetriebenen zweirädrigen Fahrrades:
- Unvorteilhaft lässt der Hinterradnaben-Elektromotor den Einbau einer frei ausgewählten hocheffizienten Nabenschaltung mit Rücktrittbremse nicht zu, da er deren Position einnimmt.
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Wegen ihres kleinen Rotordurchmessers wirken in Hinterradnaben-Elektromotoren zur Erreichung eines großen Drehmomentes insbesondere beim Anfahren und beim Beschleunigen große, elektrische Energie verbrauchende Antriebskräfte, die vom Fahrradrahmen und von den Speichen mechanisch aufgenommen werden müssen. Dabei ist der Einsatz verstärkter Rahmenteile und Speichen erforderlich. Beim Nachrüsten vorhandener Fahrräder besteht das Risiko des Rahmenbruchs.
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Einige Hersteller passen durch Begrenzung des maximalen Drehmomentes auf beispielsweise 40 Newtonmeter (Nm) ihren Hinterradnaben-Elektromotor auf die Stabilitätseigenschaften von Standard-Fahrradrahmen und Standard-Speichen an, was in der Folge die Anschubleistung des Motors nachteilig begrenzt.
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Beim Hinterradfelgen-Elektromotor befindet sich der Rotor im Felgenkranz mit beidseitig zugeordneten am Rahmen befestigten Teilkreis-Statoren.
Diese Antriebe wirken als Anschub am Felgenkranz, der mit geringen Antriebskräften über einen großen Rotordurchmesser ein großes Drehmoment erzeugen kann, wodurch die elektrischen Leistungsspitzen geglättet werden, was zu einer langsameren Entladung des Akkumulators führt.
Eine Anordnung von Permanentmagneten im Polrad bewirkt nachteilig die Aufnahme von Schmutz beim Reifendurchlauf auf der Fahrbahn mit der Folge, dass der Stator verschmutzt und Schaden nehmen kann.
Um einen möglichst geringen Luftspalt zwischen Rotor und Stator einzurichten und gleichzeitig ein durch die Magnetkräfte verursachtes Anhaften des Rotors am Stator zu vermeiden, wird die Felge des Rotors hier mittels sehr stramm eingestellter Distanzrollen gespurt, die durch ihre rollende Reibung den Elektroantrieb nachteilig hemmen und ein Pedalierern nur mit Muskelkraft praktisch ausschließen.
Für die Nachrüstung vorhandener Fahrräder sind diese Systeme nicht geeignet. Eine derartige Anordnung ist bereits nach der
DE 10 2010 022 939 A1 bekannt. Auch nach der JP 2006 - 1 516 A ist eine Anordnung dieser Art vorgeschlagen worden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen zusätzlichen direkten Hinterrad-Elektroantrieb für ein mit Muskelkraft über eine Pedaltretkurbel angetriebenes zweirädriges Fahrrad zu schaffen, wobei die Funktions-Mechanismen eines beliebigen Fahrrades nicht beeinträchtigt werden sollen, so dass ein ungehindertes Pedalieren auch bei ausgeschaltetem Elekromotor möglich ist.
Ferner ist es die Aufgabe, gegebenenfalls die Anordnung als Nachrüstsatz für vorhandene Fahrräder einzusetzen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass das Polrad des Rotors durch einzelne beabstandete Einheiten aus jeweils einem Elektromagneten mit einer getrennten Induktionsspule zur Versorgung gebildet ist, wobei dem Polrad Einheiten des Stators zugeordnet sind, bestehend aus einem Elektromagneten mit einer verbundenen Stromversorgung des Akkumulators und einer mit der Induktionsspule des Rotors korrespondierenden Induktionsspule des Stators zur Induktionskopplung für eine elektrische Versorgung, wobei die Induktionsspule des Stators mit der Stromversorgung des Akkumulators verbunden ist.
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Vorteilhaft wird durch die gleichsinnige und einander abstoßende Magnetfeldausrichtung der Elektromagnete von Rotor und Statorpaar ein Anhaften des Rotors am Stator ausgeschlossen bei vorteilhafter Einstellung des Luftspaltes auf ein Minimum, wobei die Stromversorgung der Rotor-Elektromagnete vorteilhaft induktiv und ohne mechanischen Kontakt erfolgt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die beiderseitigen Statoreinheiten jeweils über Stellantriebe zur achsialen Verstellung angeordnet und ein elektrisch unterstützter Fahrradbetrieb und einen Betrieb ohne elektrische Unterstützung einstellbar ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Stromversorgung durch den Akkumulator für die Einheiten des Stators über Schaltelemente für einen elektrisch unterstützten Fahrradbetrieb und einen Betrieb ohne elektromotorische Unterstützung ein- und ausschaltbar sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die elektrische Versorgung der einzelnen beabstandeten Einheiten des Stators durch eine elektronische Schaltungsanordnung zusätzlich steuerbar ist.
Dadurch ist es vorteilhaft möglich, die Elektromagnete gezielt und funktionsgerecht zu aktivieren.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Polrad des Rotors aus baugleichen Modulen gebildet ist, die eine Umhüllung aufweisen. Vorteilhaft können diese Module bei vorhandenen Fahrrädern als Nachrüstsatz zum Einsatz kommen und es eignen sich diese Module zur kostengünstigen Serienherstellung.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine Gesamtdarstellung eines Fahrrades mit elektrischem Antrieb, wobei ein Stator mit dem Fahrradrahmen verschraubt ist,
- 2 eine vergrößerte Teilansicht der hinteren Fahrradhälfte, wobei ein Polrad modular aufgebaut ist,
- 3 eine Schnittdarstellung (2 A-A) senkrecht zum Hinterradreifen und eine Systemdarstellung der Stromversorgung durch Kabel in einem Betriebszustand mit elektromotorischer Unterstützung,
- 4 eine Schnittdarstellung (2 A-A) senkrecht zum Hinterradreifen und einer Systemdarstellung ohne Kabel in einem Betriebszustand ohne elektromotorische Unterstützung,
- 5 eine Schnittdarstellung des Elektromotors (4 B-B) parallel zum Hinterradreifen als Systemdarstellung ohne Kabel,
- 6 eine Gesamtansicht des Hinterrades mit modular aufgebautem Polrad,
- 7 eine vergrößerte Teilansicht des Hinterrades mit modular aufgebautem Polrad, wobei die Polrad-Module im Zwischenraum der Speichen positioniert sind,
- 8 eine Gesamtdarstellung eines Fahrrades mit elektrischem Antrieb, wobei der Stator mit dem Fahrradrahmen verschraubt ist,
- 9 eine vergrößerte Teilansicht der hinteren Fahrradhälfte, wobei das Polrad eine bauliche Einheit mit der Felge bildet und beliebige Naben- und Zahnkranzmodelle einspeichbar sind,
- 10 eine Schnittdarstellung (9 C-C) senkrecht zum Hinterradreifen als Systemdarstellung ohne Kabel in einem Betriebszustand ohne elektromotorische Unterstützung,
- 11 eine Schnittdarstellung (9 C-C) senkrecht zum Hinterradreifen als Systemdarstellung ohne Kabel in einem Betriebszustand mit elektromotorischer Unterstützung,
- 12 eine Ansicht des mit dem Fahrradrahmen verschraubten Stators, vorgerichtet für eine teleskopische Anpassung an verschiedene Winkel von Rahmengabeln,
- 13 eine Gesamtdarstellung eines Fahrrades mit elektrischem Antrieb, wobei der Stator mit dem Fahrradrahmen verschweisst ist,
- 14 eine vergrößerte Teilansicht der hinteren Fahrradhälfte, wobei das Polrad eine bauliche Einheit mit Felge und Speichen bildet und beliebige Kassettenzahnkränze verwendbar sind,
- 15 eine Schnittdarstellung (14 D-D) senkrecht zum Hinterradreifen als Systemdarstellung ohne Kabel in einem Betriebszustand ohne elektromotorische Unterstützung,
- 16 eine Gesamtdarstellung eines Fahrrades mit elektrischem Antrieb und einen Fahrrad-Tragrahmen mit schalenförmigem Teilchassis zur kraftschlüssigen Befestigung der Stator-Einheiten und zur Aufnahme der Akkumulatorzelle,
- 17 eine vergrößerte Teilansicht der hinteren Fahrradhälfte (16),
- 18 eine Gesamtdarstellung eines Fahrrades mit elektrischem Antrieb, wobei der Stator mit dem Fahrradrahmen verschweisst ist,
- 19 eine vergrößerte Teilansicht der hinteren Fahrradhälfte (18), wobei das Polrad eingebaute Akkumulatorzellen aufweist,
- 20 eine Schnittdarstellung (19 E-E) senkrecht zum Hinterradreifen als Systemdarstellung ohne Kabel in einem Betriebszustand ohne elektromotorische Unterstützung sowie induktiver Schaltung der Elektromagnete des Rotors über die Induktionsspulen des Stators.
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Der reibungsfreie Polrad 1 - Direktläufer wandelt die elektrische Energie vorteilhaft an der Peripherie des Fahrrad-Hinterrades zwischen den Stator-Einheiten 5 induktiv in Bewegungsenergie; die Drehrichtung wird dabei vom gleichzeitig stattfindenden Muskelkraft-Pedaltretkurbel-Betrieb vorgegeben.
Vorteilhaft entsteht bezogen auf die periphere Anordnung des Stators im Hinterrad-Motorsystem kein konzentrisches Drehmoment, wodurch Leistungsspitzen für den Akkumulator 8 geglättet werden. Vorteilhaft zieht der Motor auch bei geringer Drehzahl kraftvoll durch. Die Beanspruchung der Drehachse beschränkt sich im Wesentlichen auf das Stützen und das Zentrieren des Hinterrades. Die Motorkrafteinwirkung auf den Tragrahmen des Fahrrades wird konstruktiv dezentralisiert; schwere Rahmenverstärkungen sind nicht erforderlich.
Vorteilhaft weisen die Elektromagnete des Polrades 3 und die elektromagnetischen Stator-Pole 6 bezogen auf ihre jeweilige Kreisring-Zuordnung ungleiche Teilungswinkel auf (5), wodurch eine gleichzeitige deckungsgleiche Überlagerung aller Stator-Pole 6 mit Elektromagneten des Polrades 3 ausgeschlossen wird, so dass sich ein vorteilhaft gleichmäßig verteilter (pulsierender Gleichstrom)-Leistungsabruf für den Akkumulator 8 darstellt und Leistungsspitzen geglättet sowie den Rundlauf störende Polrastmomente unterbunden werden.
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Beim Pedalieren ohne Motorunterstützung (4, 10, 15, und 20) ist die Position der elektromagnetischen Stator-Pole 6 vorteilhaft so weit entfernt vom Fahrrad-Hinterrad und von den Elektromagneten des Polrades 3, dass eine Beeinträchtigung des Muskelkraft-Pedaltretkurbel-Betriebes ausgeschlossen ist.
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Beim Zuschalten der Motorunterstützung (3 und 11) fahren Stellmotore M die elektromagnetischen Stator-Pole 6 in Richtung der Drehachse des Fahrrad-Hinterrades so nah an die Elektromagnete des Polrades 3 heran, dass ein sehr dünner Luftspalt auf beiden Seiten der Elektromagnete des Polrades 3 verbleibt.
Der Vortrieb des Fahrrad-Hinterrades zwischen den Stator-Einheiten 5 erfolgt direkt und elektroinduktiv ohne mechanischen Antriebskontakt (Vorteil: keine Reibungsverluste) durch einander abstoßende Magnetkräfte der auf beiden Seiten des jeweiligen Luftspaltes gleichsinnigen Magnetpolausrichtungen zwischen Elektromagneten des Polrades 3 und elektromagnetischen Stator-Polen 6. Vorteilhaft ist dadurch ein mechanischer Kontakt zwischen den Elektromagneten des Polrades 3 und elektromagnetischen Stator-Polen 6 wegen der einander abstoßenden Magnetpolausrichtungen praktisch ausgeschlossen.
Vorteilhaft lässt sich der Luftspalt mittels der Stellmotore M minimieren und damit die Magnetkraftwirkung erhöhen.
Vorteilhaft gleichen federnde Lager der Stellmotore M fertigungsbedingte Toleranzen bei der Montage der Stator-Einheiten 5 und Toleranzen beim Rundlauf des Fahrrad-Hinterrades aus.
(Die federnden Lager sind in den Zeichnungen / Figuren als Spiralfedern den Stellmotoren zugeordnet dargestellt)
Alternativ zu den Stellmotoren M sind Verstellhebel mit Seilzug- Betätigung per Hand vorgesehen; ähnlich einer bekannten Felgenbremse.
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Sobald ein Elektromagnet des Polrades 3 durch die Rotation des Fahrrad-Hinterrades in den Teilkreis der Stator-Einheiten 5 einfährt (5) und eine deckungsgleiche Position mit dem ersten elektromagnetischen Stator-Polpaar 6 erreicht hat, wird der Elektromagnet des Polrades 3 von der mit der Akkumulatorzelle 8 verkabelten Induktionsspule des Stators 9 über die dem Elektromagneten des Polrades 3 zugeordnete Induktionsspule des Polrades 4 mit elektrischem Strom versorgt und der Elektromagnet des Polrades 3 wird aktiviert / magnetisiert.
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Zeitgleich wird das zugeordnete Paar elektromagnetischer Stator-Pole 6 vom Akkumulator 8 mit elektrischem Strom versorgt, so dass diese ebenfalls aktiviert / magnetisiert werden.
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Die Stromfluss-Schaltungen werden so eingestellt, dass die Magnetpolausrichtungen der Elektromagnete des Polrades 3 und Stator-Pole 6 auf beiden Seiten des jeweiligen Luftspaltes gleichsinnig ausgerichtet sind und einander abstoßen.
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Durch die abstoßende Magnetkraft bewegt sich das Fahrrad-Hinterrad mit dem Elektromagneten des Polrades 3 in Richtung zum nächsten Stator-Polpaar 6.
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Auf halber Strecke (5) zum nächsten Stator-Polpaar 6 sind zwischen den Induktionsspulen des Stators 9 nichtleitende Beabstandungen angeordnet, die eine elektrische Energieübertragung zur Induktionsspule des Polrades 4 unterbinden und die Magnetisierung des Elektromagneten des Polrades 3 aufheben.
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Zeitgleich wird die Stromversorgung der elektromagnetischen Stator-Pole 6 vom Akkumulator 8 abgeschaltet, so dass auch hier die Magnetiserung aufgehoben ist.
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Der Vorgang wird periodisch fortgesetzt, sobald sich der Elektromagnet des Polrades 3 durch die Rotation des Fahrrad-Hinterrades im Teilkreis der Stator-Einheiten 5 weiterbewegt und eine deckungsgleiche Position mit dem nächsten elektromagnetischen Stator-Polpaar 6 erreicht.
Dieser Vorgang betrifft alle Elektromagnete des Polrades 3, die sich im Teilkreis der Stator-Einheiten 5 befinden.
Je größer der Teilkreis (Bogenmaß) der Stator-Einheiten 5 ausgebildet ist, desto größer ist die mögliche Antriebsleistung des Elektromotors.
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Bedingt durch den großen Durchmesser des Polrades 1 und seinen direkten induktiven Magnetkraft-Vorschub im Teilkreis der Stator-Einheiten 5 an der Peripherie des Fahrrad-Hinterrades verbrauchen die Antriebskräfte wenig elektrische Energie beim Anfahren und beim Beschleunigen, wodurch elektrische Leistungsspitzen vorteilhaft geglättet werden, was vorteilhaft zu vergleichsweise größeren Reichweiten führt beziehungsweise zum Einsatz kleinerer Akkumulatoren 8 bei gleicher Reichweite.
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Der in Anspruch 5. vorgestellte modulare Aufbau (6 und 7) des Polrades 1 aus in Serienfertigung kostengünstig herstellbaren Polrad-Modulen 12 eignet sich vorteilhaft zum nachträglichen Einbau in vorhandene Fahrräder als Nachrüstsatz zusammen mit Stator-Einheiten 5, die kraftschlüssig mit dem Tragrahmen des Fahrrades verschraubt sind (1 bis 4 und 8 bis 12). Optional kann die Konstruktion teleskopisch anpassbar auf unterschiedliche Fahrradmodelle ausgebildet werden (12).
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16 und 17 zeigen einen Fahrrad-Tragrahmen mit schalenförmigem Teilchassis zur kraftschlüssigen Befestigung der Stator-Einheiten 5 und zur Aufnahme der Akkumulatorzelle 8.
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Als Variante ist für die Stromversorgung der Elektromagnete des Polrades 3 vorgesehen, das Polrad mit an die Radkranzgeometrie angepassten Akkumulatorzellen 13 zu bestücken (13), die einseitig mit Induktionsspulen 4 versehen sind.
Zur Aktivierung der Stromversorgung für die Magnetisierung der Elektromagnete des Polrades 3 ist eine Schaltung / Steuerung über die Induktionsspule des Stators 9 vorgesehen (20).
Die Aufladung der Akkumulatorzellen erfolgt über eine elektrische Ladebuchse [14].
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Die Druckluftventile zum Aufpumpen des Gummireifens werden mit einer aufschraubbaren zylindrischen Verlängerung versehen, so dass vorteilhaft Standardbereifung zum Einsatz kommen kann.
Am Einlaufbeginn der Stator-Einheiten 5 ist vorteilhaft gegen die Drehrichtung des Fahrrad-Hinterrades gerichtet ein Schmutzabweiser 15 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Polrad
- 2
- Rotor
- 3
- Elektromagnete des Polrades
- 4
- Induktionsspulen des Polrades
- 5
- Stator
- 6
- Elektromagnete des Stators
- 7
- Stromversorgungskabel für Stator-Magnete (6)
- 8
- Akkumulator
- 9
- Induktionsspulen des Stators
- 10
- Stromversorgungskabel für Stator-Induktionsspulen (9)
- 11
- Stellantriebe zur Bewegung der Statoreinheiten (5)
- 12
- Polrad-Module (baugleich)
- M
- Stellmotore (elektrisch)
- 13
- Radkranz-Akkumulatorzelle
- 14
- elektrische Ladebuchse
- 15
- Schmutzabweiser
