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Die Erfindung betrifft ein Rad mit einem Radnabenmotor, umfassend einen an einem Stator drehbar gelagerten Rotor.
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Als ressourcenschonende Form der individuellen Personenbeförderung ist die sogenannte Mikromobilität in den Fokus industrieller Entwicklungsbemühungen gerückt. Darunter fallen insbesondere Kleinstfahrzeuge, welche zum Transport lediglich eines Insassen bestimmt sind und durch einen Elektromotor angetrieben werden. Um dabei einen möglichst kompakten Antrieb zu realisieren, sind Räder mit einem integrierten Radnabenmotor bekannt. Dieser kann als bürstenloser Gleichstrommotor realisiert sein. Solche Motoren umfassen einen Stator mit mehreren Statorspulen, die derart elektrisch angesteuert werden, dass ein magnetisches Drehfeld entsteht. Dieses bewirkt eine Drehung des um den Stator drehbar gelagerten Rotors, der einen Permantentmagnetring aufweist. So wird ein effizienter wie gleichsam platzsparender elektromotorischer Antrieb des Rades realisiert ist.
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Es ist allerdings bei einem solchen Rad mit Radnabenmotor nicht ohne weiteres möglich, dass der Fahrer selbst wie z. B. in einer von einem Fahrrad bekannten Weise Arbeit durch Muskelkraft verrichtet. Dies ist darin begründet, dass die Drehzahlen eines solchen Antriebs durch Muskelkraft (ca. 60 bis 80 min–1) und des Rades (ca. 300 bis 450 min–1) nur mit hohem konstruktiven Aufwand in Einklang zu bringen sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Rad mit einem Radnabenmotor anzugeben, welches es dem Fahrer ermöglicht, sich während der Fahrt körperlich zu betätigen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Rad mit einem Radnabenmotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass am Stator eine drehbar gelagerte Tretlagerwelle mit zwei Tretkurbeln ausgebildet ist und der Stator ein Mittel zum Erzeugen eines Tretwiderstands, welcher einer Drehung der Tretlagerwelle entgegenwirkt, aufweist.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, im Bereich des Stators eine Pedaleinrichtung mit einer am Stator drehbar gelagerten Tretlagerwelle und zwei Tretkurbeln samt Pedalen vorzusehen, so dass der Fahrer während der Fahrt am Rad Arbeit durch Körperkraft verrichten kann. Dazu ist das Mittel zum Erzeugen des Tretwiderstands so ausgelegt, dass der Fahrer beim Treten einer Last entgegenwirken muss, so dass er eine Drehzahl von ca. 60 min–1 bis zu 80 min–1 und bei geübten Fahrern sogar mehr erreichen kann.
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Ein erfindungsgemäßes Rad hat somit den Vorteil, dass die kompakte Bauform eines bekannten Rades mit einem Radnabenmotor weitestgehend erhalten bleibt und dem Fahrer trotzdem ein Mittel zur körperlichen Betätigung während der Fahrt bereitgestellt wird. Darüber hinaus erfordert ein erfindungsgemäßes Rad mit einem Radnabenmotor keine besondere Umgewöhnung, da seine Bedienung von Fahrrädern, Ergometern oder Fitnessgeräten bekannt ist.
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Es wird bei einem erfindungsgemäßen Rad besonders bevorzugt, wenn das Mittel zum Erzeugen des Tretwiderstands als Hysteresebremse, umfassend einen drehfest mit der Tretlagerwelle verbundenen Rotor, ausgebildet ist. Eine solche Hysteresebremse erzeugt ein Bremsmoment, das sie auf die Tretlagerwelle über ihren Rotor ausgeübt wird und damit den Tretwiderstand bestimmt. Solche Hysteresebremsen erzeugen ihr Bremsmoment durch kontinuierliche Ummagnetisierung des ferromagnetischen Materials des Rotors. Ihre lange Lebensdauer und der geringe Wartungsbedarf sind dabei von besonderem Vorteil.
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Es wird bei dem erfindungsgemäßen Rad besonders bevorzugt, dass die Hysteresebremse eine auf ihren Rotor wirkende Erregerspule umfasst. Diese fest innerhalb des Stators ausgebildete Erregerspule erzeugt das für die Bremswirkung notwendige magnetische Feld und wird elektrisch angesteuert. Es lässt sich so vorteilhafterweise über den durch die Erregerspule fließenden Strom das Bremsmoment und mithin der Tretwiderstand regulieren.
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Zusätzlich kann bei einem solchen Rad vorgesehen sein, dass die Hysteresebremse einen um die Tretlagerwelle angeordneten Jochring, in dem die Erregerspule aufgenommen ist, umfasst. Mittels eines solchen Jochrings erhält das von der Erregerspule erzeugte magnetische Feld eine Polstruktur und kann somit ein größeres Bremsmoment im Zusammenwirken mit dem Rotor der Hysteresebremse erzeugen. Sie wird so vorteilhafterweise besonders energieeffizient betrieben.
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Es wird bei dem erfindungsgemäßen Rad mit der Hysteresebremse besonders bevorzugt, dass der Rotor der Hysteresebremse topfartig ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass der Rotor eine zur Tretlagerwelle senkrechte Scheibe aufweist, an deren äußerem Rand ein umlaufender, bevorzugt rechtwinklig abstehender, Vorsprung ausgebildet ist. Die Vorsprünge verlaufen dabei insbesondere innerhalb des Jochrings und stabilisieren das Laufverhalten des Rotors der Hysteresebremse.
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Daneben kann das erfindungsgemäße Rad mit der Hysteresebremse ein Mittel zum Einstellen des Tretwiderstands aufweisen. Dadurch kann der Fahrer den Tretwiderstand je nach eigenem Wunsch und körperlicher Kondition regulieren. Da die Hysteresebremse elektrisch angesteuert wird, kann das Mittel zum Reduzieren des Tretwiderstands insbesondere auf die Anregung des vom Stator der Hysteresebremse erzeugten Magnetfeldes einwirken.
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Alternativ kann das erfindungsgemäße Rad dadurch weitergebildet sein, dass das Mittel zum Erzeugen des Tretwiderstands als elektrodynamische Generator ausgebildet ist. In diesem Fall ist innerhalb des Stators des Radnabenmotors ein weiterer Stator des elektrodynamischen Generators ausgebildet. Dessen Rotor ist wiederum drehfest mit der Tretlagerwelle verbunden. Es kann dabei mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass die durch den Generator erzeugte elektrische Energie dem Radnabenmotor zu dessen Antrieb zuführbar ist oder in einem elektrischen Energiespeicher speicherbar ist.
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Es ist schließlich bei dem erfindungsgemäßen Rad besonders zweckmäßig, wenn an dem Rotor des Radnabenmotors ein Reifen angeordnet ist. Dieser mit dem Rotor drehfest verbundene Reifen kann aus einem Vollmaterial wie Gummi ausgebildet sein, es wird jedoch bevorzugt, dass an dem Rotor eine Felgenstruktur ausgebildet ist, welche zur Aufnahme eines Luftreifens ausgebildet ist.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, umfassend ein erfindungsgemäßes Rad mit einem Radnabenmotor, dessen Stator an einem Fahrzeugrahmen befestigt ist. Sämtliche Ausführungen zum Rad mit Radnabenmotor lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Fahrzeug übertragen, so dass auch mit diesen die bereits genannten Vorteile erzielt werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rades mit Radnabenmotor in perspektivischer Ansicht;
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2 einen Querschnitt des in 1 gezeigten Rades; und
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3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges.
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1 zeigt ein Rad 1 mit einem Radnabenmotor 2 in perspektivischer Darstellung. Durch eine Nabe des Rades ist eine Tretlagerwelle 3 durchgeführt und drehbar gelagert, welche an beiden Seiten jeweils eine Tretkurbel 4, 5 aufweist. Diese weisen an ihrem freien Ende jeweils ein rechtwinklig angeordnetes drehbar gelagertes Pedal 6, 7 auf. Im Bereich der Nabe ist das Rad 1 mit einer Gabel 8 verbunden.
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2 zeigt das in 1 gezeigte Rad 1 im Querschnitt. Der Radnabenmotor 2 umfasst einen Stator 9, an dem die Gabel 8 befestigt ist. Im Bereich des Außendurchmessers des Stators 9 sind mehrere Statorspulen 10, 11 angeordnet, die zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes elektronisch angesteuert werden. Mittels zweier Lager 12, 13 ist um den Stator 9 ein Rotor 14 drehbar angeordnet, welcher statorseitig einen Permanentmagnetring 15 aufweist, der durch das magnetische Drehfeld in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Dem Magnetring 15 gegenüberliegend ist am Rotor 14 eine Felge 16 zur Aufnahme eines Reifens 17 ausgebildet.
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Innerhalb des Stators 9 ist eine Hysteresebremse 18, umfassend einen Jochring 19, mehrere Erregerspulen 20, 21 und einen Rotor 22 ausgebildet. Der Rotor 22 ist drehfest mit der Tretlagerwelle 3 verbunden, welche mittels zweier Lager 23, 24 innerhalb der Hysteresebremse 18 gelagert ist. Die Erregerspulen 20, 21 erzeugen, wenn sie von einem elektrischen Strom durchflossen werden, einen magnetischen Fluss durch den Jochring 19, welcher durch wiederkehrende Umpolarisierung des ferromagnetischen Materials des Rotors 22 eine Bremskraft auf diesen ausübt. Diese Bremskraft wird von einem Fahrer, der die Pedale 6, 7 betätigt, als Tretwiderstand wahrgenommen. Darüber hinaus weist die Hysteresebremse 18 ein hier nicht gezeigtes Mittel zum Einstellen des Tretwiderstands auf, über welches die Bestromung der Erregerspulen 20, 21 und damit auch der Tretwiderstand durch den Fahrer veränderbar ist.
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3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeuges 25, umfassend einen Fahrzeugrahmen 26, an dem zwei nicht angetriebene Räder 27, 28 sowie mittels einer Gabel 8 das Rad 1 mit dem Radnabenmotor 2 angeordnet ist. Das Rad 1 umfasst die Tretlagerwelle 3 mit den beiden Pedalen 6, 7, die der Fahrer gegen einen innerhalb des Rades 1 erzeugten Tretwiderstand betätigen kann. Ferner ist ein Mittel zur Einstellung des Tretwiderstands 29 mit dem Rad 1 verbunden, mittels welchem der Fahrer einen gewünschten Tretwiderstand vorgeben kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rad
- 2
- Radnabenmotor
- 3
- Tretlagerwelle
- 4
- Tretkurbel
- 5
- Tretkurbel
- 6
- Pedal
- 7
- Pedal
- 8
- Gabel
- 9
- Stator
- 10
- Statorspule
- 11
- Statorspule
- 12
- Lager
- 13
- Lager
- 14
- Rotor
- 15
- Permanentmagnetring
- 16
- Felge
- 17
- Reifen
- 18
- Hysteresebremse
- 19
- Jochring
- 20
- Erregerspule
- 21
- Erregerspule
- 22
- Rotor
- 23
- Lager
- 24
- Lager
- 25
- Fahrzeug
- 26
- Fahrzeugrahmen
- 27
- Rad
- 28
- Rad
- 29
- Mittel zur Einstellung des Tretwiderstands
