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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektroarbeitsmaschine, die an einem Fahrrad vorgesehen ist und wenigstens einen Stator und wenigstens einen permanentmagnetfreien, unbestromten Rotor aufweist, wobei der Rotor durch eine elektrisch leitfähige, kurzschlussfähige Felge des Fahrrades oder durch wenigstens einen elektrisch leitfähigen, kurzschlussfähigen Ring, welcher an wenigstens einem Rad des Fahrrades vorgesehen ist, ausgebildet ist und der Stator wenigstens zwei Spulen aufweist, welche derart an dem Fahrrad vorgesehen sind, dass sie dem Rotor gegenüberstehen und mit diesem wechselwirken können.
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Insbesondere zum Antreiben sogenannter E-Bikes oder Pedelecs, also von Elektrofahrrädern, bei welchen die Pedalkraft eines Fahrers durch einen Elektroantrieb unterstützt wird, sind aus dem Stand der Technik zahlreiche elektrische Antriebskonzepte bekannt.
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In der Druckschrift
WO 91/13 779 A1 ist beispielsweise ein elektrischer Direktantrieb für ein Kraftfahrzeug-Rad beschrieben. Der Direktantrieb weist einen kreisförmigen Läufer, der beispielsweise durch einen elektrisch leitfähigen ringförmigen Bereich der Felge des Kraftfahrzeug-Rades ausgebildet sein kann, sowie einen kreisförmigen Ständer auf, an dem Ständerwicklungen vorgesehen sind und der axial innerhalb des Läufers oder radial neben dem Läufer angeordnet ist und typischerweise von der Rad-Innenseite her gehalten wird, wodurch sich eine umständliche Konstruktion ergibt, die keine dauerhafte Stabilität gewährleisten kann.
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In der Druckschrift
DE 10 2010 022 939 B4 ist ein Elektroantrieb für ein Elektrofahrrad offenbart, wobei der Elektroantrieb eine stromdurchflossene Spule und zumindest einen Magneten umfasst. In einer speziellen Ausführungsform des Elektrofahrrades sind die Spule an einem Rahmen des Elektrofahrrades und die Magnete im Inneren einer Hohlkammerfelge eines Laufrades des Elektrofahrrades vorgesehen.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 109 441 A1 beinhaltet einen Elektromotorantrieb für ein Fahrrad, welcher einen Rotor sowie einen Stator aufweist. Der Rotor besteht aus einem magnetischen Werkstoff mit magnetischem Rückschluss und ist ein- oder beidseitig in eine vordere und/oder hintere Felge des Fahrrades integriert. Der Stator weist mehrere stromdurchflossene Spulen auf und befindet sich an einer oder beiden Seiten der Felge gegenüber dem Rotor. Die Spulen sind vorzugsweise an einem Rahmen des Fahrrades angebracht.
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Nachteilig bei den letztgenannten, aus dem Stand der Technik bekannten Antriebskonzepten ist, dass insbesondere bei der Verwendung von Rotoren mit Permanentmagneten eine hohe Masse rotiert werden muss, wozu eine hohe Antriebskraft notwendig ist. Umgekehrt ergibt sich aufgrund der hohen Masse bei der Verwendung von Permanentmagneten auch eine hohe Abbremskraft zum Abbremsen des rotierenden Rotors. Ferner werden die Fahreigenschaften aufgrund einer solch hohen rotierenden Masse stark beeinträchtigt. Die Verwendung von Permanentmagneten am Rotor hat zudem den Nachteil, dass durch Anziehungskräfte der Permanentmagnete Fremdkörper angezogen werden können, welche die Funktion des Antriebes beeinträchtigen oder sogar zerstören können.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine an einem Fahrrad einsetzbare Elektroarbeitsmaschine zur Verfügung zu stellen, welche möglichst geräuscharm, kostengünstig und leicht am Fahrrad installierbar ist und dennoch eine hohe und dauerhafte mechanische Stabilität an dem Fahrrad aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Elektroarbeitsmaschine der eingangs genannten Gattung gelöst, wobei der Rotor als Innenläufer, der einer in Rotationsrichtung des Rotors konkaven, kreissegmentförmigen Innenseite des Stators gegenüber vorgesehen ist, ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine kann sowohl als Elektroantrieb zum Antreiben eines Fahrrades als auch als Generator zur Stromerzeugung an einem Fahrrad genutzt werden. Dabei wird in der vorliegenden Erfindung unter einem Fahrrad ein Zweirad, ein Mofa, aber auch ein Einrad oder ein Trike oder auch ein Quad verstanden.
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Die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine arbeitet nach dem Kurzschlussläufer-Induktionsprinzip. Durch Anlegen einer Wechselspannung mit Phasenverschiebung an die Statorspulen kommt es zur Ausbildung eines Statordrehfeldes, welches wiederum zur Ausbildung eines Magnetfeldes an dem Rotor führt. In Abhängigkeit davon, ob die Elektroarbeitsmaschine als Motor oder Generator genutzt wird, eilt das Statordrehfeld dem Magnetfeld des Rotors vorweg oder läuft diesem nach.
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Um eine Bewegung des Fahrrades zu erzeugen und/oder Energie während des Fahrradfahrens zu gewinnen, ist bei der vorliegenden Erfindung der Stator der Elektroarbeitsmaschine derart dem Rotor gegenüberliegend angeordnet, dass diese miteinander wechselwirken können und somit durch Rotation des am Rades vorgesehenen Rotors das Fahrrad angetrieben oder ein Strom abgefasst werden kann.
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Der Rotor ist hierfür erfindungsgemäß durch eine elektrisch leitfähige, kurzschlussfähige Felge des Fahrrades oder durch einen elektrisch leitfähigen, kurzschlussfähigen Ring, welcher an wenigstens einem Rad des Fahrrades vorgesehen ist, ausgebildet. Vorteilhafterweise können hierbei Felgen aus Aluminium, kohlefaserverstärken Kunststoffen (CFK), Stahl oder Kombinationen aus diesen Materialien verwendet werden. Ferner können bei der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine auch Räder als Rotor zum Einsatz kommen, bei denen beispielsweise ein elektrisch leitfähiger, kurzschlussfähiger Ring, insbesondere ein Drahtring, in oder an einem Reifen des Rades vorgesehen ist. Auch Räder, welche einen elektrisch leitfähigen, kurzschlussfähigen Ring an oder in der Felge, einer Nabe oder wenigstens einer Speiche des wenigstens einen Rades des Fahrrades aufweisen, können bei der Erfindung Anwendung finden. Anwendungsspezifisch kann ein Innen- sowie ein Außendurchmesser und/oder eine Breite des elektrisch leitfähigen, kurzschlussfähigen Ringes ebenso wie die Anordnung des elektrisch leitfähigen, kurzschlussfähigen Ringes an dem Rad ausgewählt werden.
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Die Ausbildung des Rotors der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine als elektrisch leitfähige, kurzschlussfähige Felge, also als Laufradfelge aus stromleitendem Werkstoff, oder als elektrisch leitfähiger, kurzschlussfähiger Ring an oder in dem wenigstens einen Rad bietet den Vorteil, dass das Gewicht des Fahrrades durch den Rotor wenig bis gar nicht erhöht wird, wodurch eine Antriebskraft zum Bewegen des Fahrrades gering gehalten werden kann und die Fahreigenschaften des Fahrrades nicht negativ beeinflusst werden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass man auch handelsübliche Felgen zur Rotorausbildung verwenden kann.
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Insbesondere durch die permanentmagnetfreie Ausgestaltung des Rotors kann vermieden werden, dass Fremdkörper durch Anziehungskräfte von Permanentmagneten angezogen werden. Entsprechend kann eine lange Lebensdauer der Elektroarbeitsmaschine gewährleistet werden, da die Funktionsweise nicht durch angezogene, magnetische oder magnetisierbare Fremdkörper beeinträchtigt oder zerstört wird. Ferner ergeben sich durch die permanentmagnetfreie Ausgestaltung des Rotors eine im Vergleich zu permanentmagnettragenden Rotoren eine deutlich geringere rotierende Masse und damit bessere Fahreigenschaften. Während Permanentmagnete altern und an Magnetkraft verlieren, sind solche Probleme bei der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine durch die Nutzung des Induktionsprinzips als Wirkprinzip nicht vorhanden.
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Vorteilhafterweise muss der Rotor durch die Ausnutzung des Kurzschlussläufer-Induktionsprinzips nicht bestromt werden, wodurch zum einen die Montage der Elektroarbeitsmaschine vereinfacht wird und zum anderen auf Elemente, wie beispielsweise Schleifringe oder Kohlebürsten, zur Stromübertragung verzichtet werden kann. Es folgt erfindungsgemäß also keine Stromzufuhr in bewegte Komponenten. Entsprechend werden nicht nur die Anschaffungskosten der Elektroarbeitsmaschine gering gehalten, sondern auch laufende Kosten, wie beispielsweise Kosten für Verschleißteile minimiert. Darüber hinaus kann hierdurch bei der vorliegenden Erfindung ein besonders einfacher Ein- und Ausbau des Rades, an dem die Elektroarbeitsmaschine vorgesehen ist, realisiert werden. So kann beispielsweise wie an herkömmlichen Fahrradrädern einfach eine Radmutter oder ein Schnellverschluss an der Radaufhängung gelöst und das Rad ein- und ausgebaut werden.
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In bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ist der mit dem Rotor wechselwirkende Stator durch wenigstens ein Schutzblech und/oder Rahmenteil des Fahrrades ausgebildet. In wieder anderen Ausbildungen der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine kann der Stator auch durch irgendein anderes, an dem Fahrrad vorgesehenes oder befestigtes Zusatzteil ausgebildet sein. Dieses Zusatzteil kann beispielsweise ein separat vom Fahrradrahmen oder dem Schutzblech ausgebildetes Anschraubteil sein, welches zum Beispiel an den Fahrradrahmen angeschraubt ist. Hierbei weist der Stator wenigstens zwei Spulen auf, welche vorzugsweise entlang des Schutzbleches und/oder Rahmenteils und/oder des Zusatzteils voneinander beabstandet angeordnet sind. Die wenigstens zwei Spulen können dabei quer zu der Längsausdehnung des Schutzbleches auf dem Schutzblech und/oder auf dem Rahmenteil oder dem Zusatzteil aufgewickelt, an einer oder mehreren Seiten des Schutzbleches und/oder Rahmenteils und/oder des Zusatzteils angebracht oder in das Schutzblech und/oder in das Rahmenteil und/oder das Zusatzteil integriert sein. So können die wenigstens zwei Spulen beispielsweise mittels einer Haltevorrichtung an dem Schutzblech und/oder dem Rahmenteil und/oder dem Zusatzteil angebracht sein, was den Vorteil bietet, dass im Falle einer Wartung oder Reparatur des Stators die Haltevorrichtung einfach entfernt und die Spulen frei zugänglich gewartet oder repariert werden können.
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Bevorzugt sind die Spulen an einem Schutzblech und/oder Rahmenteil und/oder Zusatzteil angeordnet, welches sich konkav entlang der Radaußenseite erstreckt, da so der Stator optimal mit dem Rotor wechselwirken kann. Die Spulen können hierbei entweder alle an dem Rahmenteil oder dem Zusatzteil, alle an dem Schutzblech oder vereinzelt an dem Schutzblech und/oder an dem Rahmenteil und/oder dem Zusatzteil vorgesehen sein. Wesentlich bei der Anordnung der wenigstens zwei Spulen ist lediglich, dass diese derart an dem Fahrrad vorgesehen werden, dass sie mit dem Rotor wechselwirken können.
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Der erfindungsgemäß als Innenläufer ausgebildete, als Kurzschlussläufer fungierende Rotor ist gegenüber einer Innenseite des den Stator ausbildenden Schutzbleches oder Rahmenteils oder des Zusatzteils, also jener Seite des Schutzbleches oder Rahmenteils oder Zusatzteils, welche zu dem den Rotor aufweisenden Rad des Fahrrades zeigt, vorgesehen. Die Innenseite des Schutzbleches oder Rahmenteils oder Zusatzteils ist erfindungsgemäß in Rotationsrichtung des Rades kreissegmentförmig oder kreisringsektorförmig ausgebildet, wobei das Kreissegment, aus dem der Stator ausgebildet ist, verschieden groß ausgebildet sein kann. In jedem Fall ist das Kreissegment jedoch kleiner als 360°, vorzugsweise kleiner als 180°, besonders bevorzugt ≤ 90° groß. Das Kreissegment kann auch aus mehreren einzelnen Teilkreissegmenten zusammengesetzt sein. Das Kreissegment beziehungsweise der Kreisringsektor, das beziehungsweise der in oder an dem der Stator der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine ausgebildet ist, weist eine definierte Größe auf und ist koradial zu einem Laufrad, in oder an dem der Rotor vorgesehen ist, positioniert.
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Eine solche Anordnung von Rotor und Stator bietet den Vorteil, dass das Rad trotz des daran vorgesehenen Rotors einfach und schnell montiert und demontiert werden kann, da dem Schutzblech oder Rahmenteil gegenüber ein geeignet großer Freiraum vorhanden ist. Ferner können bei einer derartigen Anordnung einzelne Komponenten des Fahrrades zum Anbringen von Komponenten der Elektroarbeitsmaschine ausgenutzt werden, wodurch das Gesamtgewicht des Fahrrades gering gehalten werden kann.
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Besonders bevorzugt weisen die Spulen des Stators der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine einen Eisen-beziehungsweise eisenhaltigen Kern auf. Dadurch sind die Spulen besonders wirksam.
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Je nach Ausgestaltung des Fahrrades als Einrad, Zweirad, Trike oder Quad sowie der Anwendung des jeweiligen Fahrrades kann die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine entweder an einem, mehreren oder allen Rädern des entsprechenden Fahrrades angebracht sein. Wenn das jeweilige Fahrrad mehrere Räder aufweist, jedoch nur eine oder mehrere Elektroarbeitsmaschine(n) Anwendung finden soll(en), kann in Abhängigkeit von der konstruktiven Ausgestaltung des Fahrrades oder anderen Bedingungen entschieden werden, an welchem Rad beziehungsweise welchen Rädern die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine(n) vorgesehen werden soll(en). Insofern ein Fahrrad mehrere erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschinen aufweist, sind diese vorzugsweise miteinander elektrisch gekoppelt oder koppelbar. In alternativen Ausführungsformen können diese Elektroarbeitsmaschinen jedoch auch unabhängig voneinander arbeiten oder nur teilweise miteinander elektrisch gekoppelt an dem Fahrrad vorgesehen sein.
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Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine als Fahrradantrieb, also als Elektromotor, genutzt. Besonders bevorzugt wird das von der als Motor arbeitenden Elektroarbeitsmaschine erzeugte Drehmoment unterstützend zur Fortbewegung des Fahrrades genutzt.
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Bei der letztgenannten, manuell unterstützten Variante einer als Motor fungierenden Elektroarbeitsmaschine reicht es aus, wenn an dem Stator wenigstens zwei bei Bestromung ein Drehfeld ausbildende Spulen vorgesehen sind, da hier der Anschub der Rotordrehung durch den Fahrer selbst vorgenommen werden kann. Die Richtung der Rotordrehung ist jedoch auch hier davon abhängig, in welche Richtung der Anschub des Rotors erfolgt. Da der Fahrer die Pedale typischerweise so treten wird, dass das Fahrrad in Fahrtrichtung und nicht dieser entgegen rollt, wird auch die weitere, durch die Elektroarbeitsmaschine unterstützte Drehbewegung des Rades in der Fahrtrichtung erfolgen.
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Besteht keine Möglichkeit, einen Anschub für eine Raddrehung zu realisieren, muss sich die Elektroarbeitsmaschine selbst in Gang setzen können, wodurch es in diesem Fall erforderlich ist, dass die Elektroarbeitsmaschine an dem Stator wenigstens drei bei Bestromung ein Drehfeld ausbildende Spulen aufweist.
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Zum Antreiben des Fahrrades wird das Funktionsprinzip eines Kurzschlussläufer-Induktionsmotors ausgenutzt, wobei durch Anlegen von zueinander phasenverschobenen Wechselspannungen an die wenigstens zwei Spulen des Stators ein Drehfeld ausgebildet wird, welches in der stromleitenden Felge oder dem elektrisch leitfähigen, kurzschlussfähigen Ring des Rotors eine Spannung induziert. Mit anderen Worten, die beispielsweise am Fahrradrahmen installierten Spulen induzieren nacheinander eine Spannung in der Radfelge oder dem elektrisch leitfähigen Ring. Resultierend fließt in der Felge oder dem elektrisch leitfähigen, kurzschlussfähigen Ring ein Kurzschlussstrom, welcher zur Ausbildung eines Magnetfeldes führt. Wenn die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine als Motor genutzt wird, eilt das von dem Rotor ausgebildete Magnetfeld dem Drehfeld des Stators hinterher, wodurch eine Drehbewegung des Rotors und damit des Rades erzeugt wird. Es wird also eine Rotation der als Kurschlussläufer fungierenden Felge beziehungsweise des Rings und somit im Antriebsbetrieb eine Kraft in und im Bremsbetrieb eine Kraft entgegen der Fahrtrichtung des Fahrrades bewirkt.
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Dieses Antriebskonzept ist für alle Felgen aus stromleitenden Werkstoffen geeignet.
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Durch Variation einer Frequenz der an den Motor angelegten Wechselspannung kann maßgeblich die Umfangsgeschwindigkeit des Rades beeinflusst werden. Bei der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine kann die Frequenz des Drehfeldes hierzu anwendungsfallspezifisch, auch während des Motorbetriebes, eingestellt werden. Dies eröffnet beispielsweise die Möglichkeit, an dem Motor eine Grenzfrequenz einzustellen, bei welcher sich eine für das Fahrrad beispielsweise durch den Gesetzgeber vorgegebene zulässige Maximalunterstützung der Geschwindigkeit des Fahrrades, wie beispielsweise bis 25 km/h, ergibt. Man benötigt zur Überwachung dieser Maximalunterstützung dann keine Geschwindigkeitsmessung an dem Fahrrad, sondern dessen Maximalgeschwindigkeit kann bereits durch Voreinstellung der Höchstfrequenz der Bestromung der Spulen der Elektroarbeitsmaschine definiert werden. Oberhalb dieser Höchstfrequenz wird durch die Elektroarbeitsmaschine erzeugte Energie nicht in Bewegungsenergie des Fahrrades umgewandelt, sondern wird beispielsweise in einem Generatorbetrieb der Elektroarbeitsmaschine abgespeichert. Vorzugsweise ist der Motor hierfür mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung verbunden, mit der eine Höchstfrequenz der Bestromung der Spulen einstellbar ist. Eine derartige Steuer- oder Regeleinrichtung kann beispielsweise an einem Lenker oder Rahmenteil des Fahrrades vorgesehen sein.
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Ferner kann durch Änderung des Betrages der in dem Rotor induzierten Spannung das erreichbare Drehmoment, welches das Fahrrad antreibt, beeinflusst werden. Vorzugweise ist auch der Betrag der in dem Rotor induzierten Spannung, insbesondere auch während des Motorbetriebs, variierbar. Besonders bevorzugt kann auch die im Rotor induzierte Spannung mittels der oben beschriebenen Regeleinrichtung geändert werden.
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Je nach Anwendungsfall kann die Anzahl der an dem Fahrrad vorgesehenen Motoren, ebenso Wie die Anordnung des wenigstens einen Motors an dem Fahrrad angepasst werden.
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In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine ist die Elektroarbeitsmaschine ein Generator, wobei es grundsätzlich möglich ist, ein und dieselbe erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine wechselweise als Motor oder als Generator zu betreiben. Bei der Verwendung der Elektroarbeitsmaschine als Generator muss der Stator, im Gegensatz zum Motor, nur wenigstens zwei mit zueinander phasenverschobenen Strom betriebene Spulen aufweisen.
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Bei der Ausgestaltung der Elektroarbeitsmaschine als Generator wird Energie, welche beim Radfahren oder auch beim Bremsen erzeugt wird, in elektrische Energie umgewandelt. Zur Stromgewinnung beziehungsweise Energierückgewinnung während des Radfahrens wird durch Anlegen von zueinander phasenverschobenen Wechselspannungen an die wenigstens zwei Spulen des Stators ein Drehfeld ausgebildet, durch welches in der Felge oder dem elektrisch leitfähigen, kurzschlussfähigen Ring des Rotors eine Spannung induziert wird. Infolge dessen fließt in der Felge oder dem elektrisch leitfähigen, kurzschlussfähigen Ring ein Kurzschlussstrom, welcher wiederum zur Ausbildung eines Magnetfeldes führt. Wenn sich der Rotor und damit das Rad des Fahrrades schneller dreht als das Drehfeld des Stators, was beispielsweise beim Bergabfahren der Fall sein kann, wird ein durch die Rotorbewegung erzeugter Strom in die Spulen zurückgeschoben, wodurch die Elektroarbeitsmaschine als Generator fungieren kann.
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Der derart gewonnene Strom kann nun beispielsweise zum Betreiben von wenigstens einer an dem Fahrrad vorgesehenen Lichtquelle, zur Unterstützung eines Bremsvorganges und/oder zur Aktivierung einer anderen elektrisch betriebenen am Fahrrad vorgesehenen Einrichtung genutzt werden. Ferner kann der gewonnene Strom aber auch gespeichert werden und zu einem anderen Zeitpunkt zum Antreiben wenigstens eines Rades des Fahrrades verwendet werden.
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Der Generator kann im Vergleich zu dem oben beschriebenen Motor zweiphasig, also unter Verwendung von nur zwei Spulen, arbeiten, da bei einem Generator die Drehrichtung nicht wichtig ist.
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Die Anordnung des Generators an dem Fahrrad kann hierbei wie zuvor beschrieben anwendungsfallspezifisch ausgewählt werden. Auch die Anzahl der verwendeten Spulen kann in alternativen Ausgestaltungsvarianten des Generators variieren. So kann der Generator beispielsweise auch drei oder eine andere Anzahl an Spulen aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass sie kein verschleiß- oder reibungsbehaftetes Getriebe benötigt. Durch das nicht vorhandene Getriebe ist die Elektroarbeitsmaschine im stromlosen Zustand im Freilauf, arbeitet also rückwirkungsfrei. Durch das berührungslose Antriebskonzept ist die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine nahezu verschleißfrei. Zudem ist die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine robust und störungsunanfällig.
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Die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine weist einen geräuschlosen Antriebs- und Bremsbetrieb auf, es wirken bei ihr keine Antriebs- und Bremskräfte auf Speichen. Die Antriebs- und Bremskräfte werden bei der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine unmittelbar an der Wirkstelle erzeugt. Außerdem kann in die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine eine Schmutzfängerfunktion integriert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Elektroarbeitsmaschine ist die Felge ein Spritzgussteil, in das der wenigstens eine elektrisch leitfähige, kurzschlussfähige Ring eingebracht ist. Durch die Ausbildung der Felge als Spritzgussteil kann der elektrisch leitfähige, kurzschlussfähige Ringe besonders einfach in die Felge integriert werden beziehungsweise mit dieser verbunden werden. Hierbei kann der Ring selbst entweder als stromleitender Insert in die spritzgegossene Felge eingespritzt sein oder aber beispielsweise in Form eines Geleges oder einfachen Drahtes in das Spritzgussteil eingelegt sein. Erfindungsgemäß kann der elektrisch leitfähige, kurzschlussfähige Ring an jeder beliebigen Stelle der Felge vorgesehen werden, muss aber elektrisch gesehen in sich geschlossen sein. So kann der elektrisch leitfähige, kurzschlussfähige Ring beispielsweise in oder an einem Rand der Felge oder in der Mitte der Felge vorgesehen sein. Ebenso kann der elektrisch leitfähige, kurzschlussfähige Ring jedoch auch in oder an einer Ecke der Felge platziert sein.
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Eine derart als Spritzgussteil ausgebildete Felge ist mechanisch besonders stabil und in ihrer Formgebung weitestgehend variabel. Es können unterschiedlichste Materialien zur Herstellung einer solchen Felge eingesetzt werden und verschiedenste Oberflächenstrukturen, wie zum Beispiel glatte Oberflächen, Muster, Gravuren und Farbeffekte, daran ausgebildet werden. Insbesondere bei der Herstellung von Massenprodukten hat sich das Spritzgießen als besonders wirtschaftlich erwiesen, wodurch die Kosten von mit der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine versehenen Fahrrädern gering gehalten werden können.
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In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine umgibt der Stator den Rotor zumindest teilweise U-förmig oder klauenartig. Bei einer derartigen Ausführungsform des Stators kann dieser besonders effektiv mit dem Rotor wechselwirken. Insbesondere bei der Ausbildung des Stators durch ein Schutzblech ist eine U-förmige Ausgestaltung vorteilhaft, da hierbei das Schutzblech in seiner herkömmlichen Form ausgebildet werden kann und seine eigentliche Funktion, nämlich eine/n Radfahrer/n vor Beschmutzung und Verletzung zu schützen, optimal erfüllen kann. Ferner kann der Stator aber auch als separat ausgebildetes U-förmiges Element ausgestaltet sein, welches beispielsweise an einer Außenseite des Schutzbleches oder Rahmenteils vorgesehen werden kann. Hierbei ist der Stator vorzugsweise derart an dem Schutzblech oder Rahmenteil angeordnet, dass dieser das Rad zumindest teilweise umschließt. Ebenso gut kann der U-förmig ausgebildete Stator aber auch durch ein Rahmenteil des Fahrrades ausgebildet sein, sodass dieser optimal mit dem vorzugsweise in dem U-förmig ausgebildeten Rahmenteil rotierenden Rotor wechselwirken kann.
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Eine klauenartige Ausbildung des Stators bietet sich insbesondere bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine an nabenlosen Rädern an, da diese am Radumkreis, dem sogenannten Orbit, gehalten werden. Bei der vorliegenden Erfindung kann hierbei der Stator beispielsweise durch die Halterung des nabenlosen Rades ausgebildet werden. Ferner kann eine klauenartige Ausbildung des Stators aber auch verwendet werden, wenn kein nabenloses Rad verwendet wird.
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In einer besonders einfach demontierbaren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Stator einen aus wenigstens zwei miteinander lösbar verbundenen Statorkernsegmenten zusammengesetzten Statorkern auf, wobei die Spulen nicht auf allen der Statorkernsegmente vorgesehen sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
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1 schematisch einen Teil eines Fahrrades mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine in einer Seitenansicht zeigt;
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2 schematisch einen Teil eines Fahrrades mit einer alternativen Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine in einer Seitenansicht zeigt;
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3 schematisch einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße, an einem Rad vorgesehene Elektroarbeitsmaschine zeigt;
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4 schematisch einen Querschnitt durch eine alternative Ausgestaltungsvariante einer an einem Rad angebrachten erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine zeigt; und
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5 schematisch einen Querschnitt durch eine weitere mögliche Ausbildung einer an einem Rad angebrachten erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine zeigt.
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1 zeigt schematisch einen Teil eines Fahrrades 2 mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1 in einer Seitenansicht. In dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist das Fahrrad 2 ein Zweirad, wobei die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine 1 an einem Hinterrad 7 als Laufrad des Fahrrades 2 angebracht ist. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die erfindungsgemäße Elektroarbeitsmaschine 1 jedoch auch einem Vorderrad oder an einem Hinter- und einem Vorderrad des Fahrrades 2 oder auch an einem Rad 7 eines Einrades oder an einem oder mehreren Rädern eines Trikes oder eines Quads vorgesehen sein.
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Die Elektroarbeitsmaschine 1 weist einen Rotor 4 auf. Der Rotor 4 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als ein elektrisch leitfähiger, kurzschlussfähiger Ring 6 ausgebildet, welcher an einer Felge 5 des Rades 7 angebracht ist. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Rotor 4 auch durch einen in einem Reifen des Rades 7 eingebrachten Draht oder durch die Felge 5 selbst ausgebildet sein. Ferner muss bei wieder anderen Ausbildungen der vorliegenden Erfindung der elektrisch leitfähige, kurzschlussfähige Ring 6 auch nicht an der Felge 5 platziert sein, sondern kann an wenigstens einer Speiche des Rades 7, einer Nabe des Rades 7 oder einer anderen beliebigen Stelle des Rades 7 vorgesehen sein.
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Überdies muss der elektrisch leitfähige, kurzschlussfähige Ring 6 auch nicht wie in 1 veranschaulicht aus einem Stück gefertigt sein, sondern kann aus einzelnen miteinander verbunden Stücken zusammengesetzt sein.
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Das Material zur Ausbildung des Rotors 4 ist frei wählbar, wesentlich ist nur, dass wenigstens ein elektrisch leitfähiges, kurzschlussfähiges Material oder ein entsprechender Materialverbund und kein Permanentmagnet zur Rotorausbildung verwendet wird. Ebenso sind auch der Innen- und Außendurchmesser sowie die Dicke des elektrisch leitfähigen, kurzschlussfähigen Ringes 6 anwendungsspezifisch auswählbar.
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Die Elektroarbeitsmaschine 1 weist ferner einen Stator 3 auf. Der Stator 3 ist in dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1 durch ein Schutzblech 9 des Fahrrades 2 ausgebildet, wobei das Schutzblech 9 in der gezeigten Ausgestaltungsvariante circa ein Drittel eines Umfanges des Rades 7 überragt. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Schutzblech 9 auch mehr oder weniger als ein Drittel des Radumfanges überdecken und/oder schmaler oder breiter ausgebildet sein und/oder näher oder weiter entfernt als in der Darstellung der 1 von dem Rad 7 platziert sein.
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In der in 1 veranschaulichten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1 ist das Schutzblech 9 U-förmig ausgebildet und umschließt das Rad 7 des Fahrrades 2 zumindest teilweise. In weiteren optionalen Ausgestaltungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann das Schutzblech 9 jedoch auch eine andere Form als die in 1 gezeigt aufweisen. Wesentlich bei der Ausgestaltung des Schutzbleches 9 und damit des Stators 3 ist jedoch, dass diese derart ausgebildet sind, dass der Stator 3 mit dem Rotor 4 elektrisch wechselwirken kann. In weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1 kann das Schutzblech 9 auch an einer anderen Stelle als in 1 gezeigt an dem Fahrrad 2 vorgesehen sein. Ebenso kann der Stator 3 in alternativen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1 nicht durch das Schutzblech 9 selbst ausgebildet sein, sondern als separates Element an einer Innenseite des Schutzbleches 9 angebracht sein.
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Insbesondere bei einer Ausgestaltungsvariante des Rades 7 als nabenloses Rad ist es bei der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1 möglich, dass der Stator 3 klauenartig ausgebildet ist, sodass dieser das nabenlose Rad 7 umgreifen kann. Hierbei ist der Rotor 4 vorzugsweise als Felge 5 oder als an dem Rad 7 vorgesehener elektrisch leitfähiger, kurzschlussfähiger Ring ausgebildet.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Stator 3 drei Spulen 8, 8', 8'' auf, kann in anderen Ausführungsformen jedoch auch nur zwei oder mehr als drei Spulen 8, 8', 8'' aufweisen.
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Im einfachsten Fall ist eine Spule 8, 8', 8'', wie in 1 veranschaulicht, durch Wicklung eines Drahtes quer zur Längsausdehnung des Schutzbleches 9 ausgebildet. In weiteren Ausgestaltungsvarianten kann die Spule 8, 8', 8'' jedoch als separat ausgebildete und an dem Schutzblech 9 montierte Spule 8, 8', 8'' ausgestaltet sein. Die Spule 8, 8', 8'' kann beispielsweise durch Wicklung eines Kupferlackdrahtes, versilberten Kupferdrahtes oder einer Hochfrequenzlitze um einen Trägerkörper ausgebildet sein. Ein derart ausgestalteter Stator 3 kann an unterschiedlichen Stellen des Schutzbleches 9 oder Rahmenteils 10 des Fahrrades 2 angeordnet sein. In wieder anderen Varianten der vorliegenden Erfindung kann die Spule 8, 8', 8'' aber auch durch um das Rahmenteil 10 vorgesehene Wicklungen ausgebildet sein.
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Bei der Elektroarbeitsmaschine kann nicht nur das Wickel- und/oder Trägerkörpermaterial der Spule 8, 8', 8'' variiert werden, sondern auch der Drahtdurchmesser, die Windungsanordnung, -form und -anzahl. Ebenso kann die Spule 8, 8', 8'' auch durch spiralförmig anlegte Leiterbahnen auf Leiterplatten, die gegebenenfalls von einem umschließenden Ferritkern umgeben sind, ausgebildet sein. Bei der Ausbildung der Spule 8, 8', 8'' ist lediglich von Bedeutung, dass die Wicklungen dieser gegeneinander und gegenüber einem elektrisch leitfähigen Trägerkörper elektrisch isoliert sind. Vorzugsweise weisen die Spulen 8, 8', 8'' einen eisenhaltigen Kern auf.
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2 zeigt schematisch einen Teil eines Fahrrades 2' mit einer alternativen Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1' in einer Seitenansicht, wobei gleiche Bezugszeichen wie in 1 gleiche Komponenten bezeichnen, weshalb an dieser Stelle auf die vorhergehende Beschreibung dieser Komponenten verwiesen wird.
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Die in 2 veranschaulichte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1' weist einen Stator 3' auf, der durch ein Rahmenteil 10 des Fahrrades 2' ausgebildet ist. Das Rahmenteil 10 ist in dem gezeigten Beispiel U-förmig ausgestaltet, sodass dieses das Rad 7 umgibt. Hierdurch können die an dem U-förmig ausgebildeten Rahmenteil 10 vorgesehenen Spulen 8, 8', 8'' optimal mit einem Rotor 4 der Elektroarbeitsmaschine 1' wechselwirken.
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In alternativen Ausgestaltungsvarianten der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1, 1' kann das Rahmenteil 10 des Fahrrades 2' jedoch auch rohrförmig oder andersartig ausgestaltet sein. Ebenso können die an dem Rahmenteil 10 vorgesehenen Spulen 8, 8', 8'' abweichend zu der in 2 gezeigten Darstellung angeordnet sein. Auch die Anzahl der Spulen 8, 8', 8'', welche an dem Rahmenteil 10 vorgesehen sind, kann von der in 2 veranschaulichten Anzahl abweichen.
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Der Rotor 4 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als elektrisch leitfähiger, kurzschlussfähiger Ring 6 ausgebildet, kann wie zuvor beschrieben jedoch auch durch die Felge 5 ausgebildet sein oder an einer anderen Stelle als der Felge 5 platziert sein.
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3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, an einem Rad 7 vorgesehenen Elektroarbeitsmaschine 1'', wobei auch hier gleiche Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren gleiche Komponenten bezeichnen und auf die obigen Ausführungen zu diesen Komponenten verwiesen wird.
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Die in 3 gezeigte Elektroarbeitsmaschine 1'' weist einen Rotor 4' auf, der durch eine Felge 5 des Rades 7 ausgebildet ist.
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Die Felge 5 hält einen axial außen liegenden von einem Stator 3 zumindest teilweise umschlossenen Reifen 12. Die Felge 5 mit dem Reifen 12 liegt dabei einer konkaven, kreissegmentförmigen Innenseite 11 des Stators 3 gegenüber. Hierbei umschließt der Stator 3 den Reifen 12 in axialer Richtung derart, dass Enden 15, 15' des Stators 3 jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Rotors 4 mit geringem Abstand zum Rotor 4' vorgesehen sind.
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In weiteren Ausgestaltungsvarianten der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1, 1, 1'' kann der Stator 3 auch eckig ausgebildet sein, einen größeren oder kleineren Öffnungswinkel 14 und/oder einen größeren oder kleineren Durchmesser als in 3 gezeigt aufweisen, sodass der Stator 3 näher oder weiter entfernt von dem Rotor 4' platziert werden kann.
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Wie in dem Ausführungsbeispiel von 3 gezeigt ist, ist der Stator 3 durch ein Schutzblech 9 des Fahrrades 2 ausgebildet. Der Stator 3 kann jedoch, wie zuvor erwähnt, auch durch ein Rahmenteil 10 des Fahrrades 2 ausgebildet oder an diesem befestigt sein.
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Der Stator 3 der Elektroarbeitsmaschine 1'' weist wenigstens zwei Spulen 8, 8' auf, wobei diese wie in 3 veranschaulicht einfach durch Umwickeln des Schutzbleches 9 mit einem Draht oder anderen, ein Magnetfeld ausbildenden Materialien ausgebildet sein können.
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In dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Wicklungen um den kompletten Umfangsabschnitt des Stators 3 vorgesehen, können in alternativen Varianten der vorliegenden Erfindung jedoch auch nur partiell an dem Stator 3 angeordnet sein. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Windungsanordnung, -form, und -anzahl der Spulen 8, 8', 8'' anwendungsspezifisch ausgewählt werden.
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Die Spule 8, 8', 8'' wird über jeweils einen an den Statorenden 15, 15' vorgesehenen Anschluss 13, 13' elektrisch kontaktiert, sodass diese entweder für den Motor- oder Generatorbetrieb genutzt werden kann.
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4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine alternative Ausgestaltungsvariante einer an einem Rad 7 angebrachten Elektroarbeitsmaschine 1'''. Auch hier bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in den vorherigen Figuren gleiche Komponenten, weshalb auf die vorherigen Ausführungen zu diesen Komponenten verwiesen wird.
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Im Vergleich zu der in 3 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1'' ist der Rotor 4 der Elektroarbeitsmaschine 1''' in der in 4 gezeigten Ausgestaltungsvariante nicht durch die Felge 5, sondern durch einen in die Felge 5 integrierten elektrisch leitfähigen, kurzschlussfähigen Ring 6 ausgebildet. Hierbei kann es sich bei der Felge 5 beispielsweise um ein Spritzgussteil handeln, in welches der elektrisch leitfähige, kurzschlussfähige Ring 6 eingespritzt oder eingelegt wurde.
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Der elektrisch leitfähige, kurzschlussfähige Ring 6 kann dabei entweder aus einem Stück ausgebildet sein oder aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt sein.
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In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der elektrisch leitfähige, kurzschlussfähige Ring 6 jedoch auch an einer Außenseite der Felge 5, in oder an dem Reifen 12 oder an wenigstens einer hier nicht gezeigten Speiche des Rades 7 angebracht sein. Ferner können auch die Abmessungen und die Form des elektrisch leitfähigen, kurzschlussfähigen Ringes 6 variiert werden.
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5 zeigt schematisch eine weitere mögliche Ausbildung einer an einem Rad eines Fahrrades angebrachten erfindungsgemäßen Elektroarbeitsmaschine 1''''. Die Elektroarbeitsmaschine 1'''' weist einen Stator 3'' aus einzelnen, miteinander verbundenen eisenhaltigen Statorkernsegmenten 3a, 3b, 3c auf. Die Statorkernsegmente 3a, 3b, 3c können beispielsweise mittels schematisch durch Strichlinien angedeutete und in Richtung der Pfeile A, A' lösbare Schraub- oder Steckverbindungen 16 verbunden sein. Dabei sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nur auf dem Statorkernsegment 3b die Spulen 8, 8', 8'' vorgesehen. Diese Anordnung ist besonders einfach demontierbar, zum Beispiel für einen Radwechsel an dem Fahrrad.
