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Die Erfindung betrifft eine Brems- und Antriebseinheit für ein Trainings- und Diagnosegerät, welche insbesondere im Fitness- und/oder Leistungssport eingesetzt wird.
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Eine solche Brems- und Antriebseinheit kann u. a. Anwendung finden in passiven und aktiven Ergometern für das Training sowie für sportmedizinische Diagnostik. Ein Stichwort für die angetriebene (aktive) Version ist dabei: Exzentrisches Training bzw. Exzentrik-Trainer.
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Bei solchen Trainings- und Diagnosegeräten, insbesondere für den Indoorbereich, wird oft angestrebt, dass die Probanden möglichst ein realitätsnahes Fahrgefühl analog dem Outdoorbereich erhalten. Um dies zu ermöglichen, kann das eigene Trainingsgerät des Probanden, beispielsweise ein Fahrrad bzw. Rennrad, mit dem Trainings- und Diagnosegeräte kombiniert werden. Dabei wird beispielsweise das Hinterrad dieses Rennrades durch eine Brems- und Antriebseinheit für ein Trainings- und Diagnosegerät ersetzt.
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Solche Brems- und Antriebseinheiten können in bekannter Art und Weise sowohl als Bremseinheit oder als Antriebseinheit fungieren und unter Verwendung eines elektromagnetischen Bremsprinzips agieren.
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Im Focus stehen dabei Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) mit elektronischer Kommutierung, die als Generator (Bremsen) oder Motor (Antreiben) grundsätzlich betrieben werden können.
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Bremseinheiten für Trainings- und Diagnosegeräte sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt, man kann folgende grundlegende Bremsprinzipien unterscheiden:
- – Mechanisch (mechanische Reibung durch Reibbeläge),
- – Hydraulisch (hydraulischer Widerstand in Öl oder Wasser),
- – Pneumatisch (Luftwiderstand) und
- – Elektromagnetisch (Wirbelstrombremse, Generator, Motor).
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Für hochwertige Geräte haben sich elektromagnetische Bremsen durchgesetzt. Deren Vorteile sind beispielsweise eine gute Steuer- und Regelbarkeit der Bremskraft sowie die Möglichkeit der Verwendung einiger elektromagnetischer Bremsen als Bremse und Antrieb.
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Elektromagnetische Bremsen sind häufig als Wirbelstrombremsen ausgeführt. Dabei rotiert eine Metallscheibe (Rotor) in einem Magnetfeld, das durch einen Dauer- oder Elektromagneten erzeugt wird.
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Nachteile dabei sind u. a.:
- – Für die Erzeugung einer Bremskraft sind hohe Drehzahlen erforderlich. Es sind daher häufig zusätzliche Übersetzungen (Getriebe) nötig. Dies erfordert einen höheren technischen Aufwand und bewirkt funktionsbedingt eine zusätzlichen Verschleiß und Ungenauigkeiten.
- – Alternativ müssen sehr große Metallscheiben eingesetzt werden.
- – Wirbelstrombremsen mit Elektromagneten erfordern funktionsbedingt zusätzliche externe Elektroenergie zur Erzeugung einer Bremskraft.
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Es sind elektromagnetische Bremsen bekannt, die mit handelsüblichen kollektorbehafteten Gleichstromgeneratoren aufgebaut sind.
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Nachteile dabei sind u. a.:
Für die Erzeugung einer Bremskraft sind, wie bei Wirbelstrombremsen, hohe Drehzahlen erforderlich. Es sind daher zusätzliche Übersetzungen (Getriebe) nötig. Dies erfordert einen höheren technischen Aufwand, bringt zusätzlichen Verschleiß und Ungenauigkeiten.
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Verschleiß der Kohlebürsten und des Kollektors.
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Es ist eine elektromagnetische Bremse bekannt, die nach dem Prinzip eines Permanentmagnet-Synchronmotors mit elektronischer Kommutierung arbeitet. Der Bremsgenerator ist dabei nach dem Prinzip eines Außenläufers aufgebaut. Dabei rotiert ein ringförmiger Rotor mit auf der inneren Mantelfläche angebrachten Magneten um einen im Inneren des Rotors befindlichen Stator mit Spulen. Rotor und Stator umschließen sich als Vollkreis über 360°.
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Nachteile dabei sind u. a.:
Der Aufbau als Außenläufer mit Vollkreis bedingt eine erhöhte Breite der Bremseinheit. Diese Bremseinheit lässt sich dadurch nicht in alle handelsüblichen Fahrräder, insbesondere Rennräder, einbauen.
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Die Bremseinheit ist speziell geeignet zur Montage als direkten Ersatz eines Laufrades (vorzugsweise des Hinterrades) eines Fahrrades.
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Speziell für diesen Fall muss die Bremseinheit im Bereich der Hinterradgabel sehr schmal ausgeführt sein (ähnlich Laufrad), damit sie sich in moderne, unter aerodynamischen Gesichtspunkten optimierte Fahrräder anstatt eines Hinterrades montieren lässt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine solche Brems- und Antriebseinheit für ein Trainings- und Diagnosegerät bereit zu stellen.
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Diese Brems- und Antriebseinheit soll nach dem Prinzip eines Permanentmagnet-Synchronmotors (PMSM) mit elektronischer Kommutierung arbeiten. Diese soll als Generator (Bremsen) oder Motor (Antreiben) betrieben werden können.
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Diese Brems- und Antriebseinheit, soll bereits bei sehr niedrigen Drehzahlen, d. h. ab einer Drehzahl von 1 U/min, ohne Getriebe und ohne externe Hilfsenergie die erforderlichen hohen Bremskräfte erzeugen.
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Diese Brems- und Antriebseinheit soll es bezüglich ihres konstruktiven Aufbaus bzw. Dimensionierung, insbesondere bezüglich ihrer Breitenausdehnung, ermöglichen, dass auch der Einbau in einem Fahrrad einer extrem schmalen Bauform im Bereich der Hinterradgabel in einfacher Art und Weise möglich ist.
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Der technische Aufbau der Brems- und Antriebseinheit soll es ermöglichen, deren Teile wirtschaftlich auch bei Kleinserien herstellen zu können. Dies erfordert insbesondere eine solche Bauteilgestaltung, welche es ermöglicht, ohne technisch aufwendige Werkzeuge, die Herstellung und Montage in einfacher Art und Weise zu realisieren.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Brems- und Antriebseinheit mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungswesentlich ist, dass der Statorabschnitt 7 und der Stator 15 jeweils die Form eines Kreisbogensegmentes besitzen, wobei der Stator 15 eine Ausdehnung im Bereich von 20 bis 270° bezogen auf die Drehachse (4) besitzt und die Permanentmagnete 6 an der äußeren Mantelfläche des Rotors 5 angeordnet sind.
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Der Bremsgenerator ist dabei nach dem Prinzip eines Innenenläufers aufgebaut. Der konstruktive Aufbau der beschriebenen Anordnung, nämlich die Brems- und Antriebseinheit bzw. ein Teil dieser, in der Form, realisiert in einfachster Art und Weise, dass diese anstatt eines Hinterrades in ein Fahrrad eingespannt werden kann und gleichzeitig als Halterung des Fahrrades dient. Dabei erfolgt die mechanische Kopplung zwischen der Anordnung und dem Fahrrad über die Fahrradkette und einen an der Nabe 3 montierten Kassettenfreilauf mit Kettenritzeln.
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Diese Brems- und Antriebseinheit ist speziell geeignet zur Montage als direkten Ersatz eines Laufrades, vorzugsweise des Hinterrades, eines Fahrrades.
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Speziell für diesen Fall ist die Bremseinheit im Bereich der Hinterradgabel entsprechend schmal ausgeführt, damit sie sich in moderne, unter aerodynamischen Gesichtspunkten optimierte Fahrräder anstatt eines Hinterrades montieren lässt.
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Zur Erzeugung eines maximalen Drehmomentes erfolgt die Ansteuerung der Spulenströme durch eine Steuerelektronik 9 in der Art, dass die Spulen 8 ein magnetisches Drehfeld erzeugen, welches synchron zu den Magneten 6 des drehenden Rotors 5 ist und elektrisch um 90° versetzt vorauseilt (Motorbetrieb) oder nacheilt (Generatorprinzip).
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Die Spulenströme durch die drei elektrisch um 120° versetzten Phasen werden durch die Steuerelektronik 9 in üblicher Art und Weise so reguliert, dass ein gewünschtes Brems- oder Antriebsdrehmoment entsteht.
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Die in Aufbau und Funktion diesbezüglich übliche Steuerelektronik 9 ist so ausgelegt, dass sie die im Generatorbetrieb durch mechanische Energie erzeugte elektrische Energie im Lastwiderstand 10 in Wärmeenergie umwandelt.
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Im Motorbetrieb führt sie externe elektrische Energie in üblicher Art und Weise zu.
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Der Lastwiderstand 10 ist als elektronisch steuerbarer Widerstand ausgeführt und arbeitet nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation.
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Die im Lastwiderstand 10 erzeugte Wärme kann in üblicher Art und Weise durch einen Lüfter an die Umgebung abgegeben werden.
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Als Drehfeld wird im Sinne der Erfindung und in der Elektrotechnik ein Magnetfeld bezeichnet, dass sich fortlaufend um eine Rotationsachse dreht. Drehfelder werden erzeugt, um die Wellen von Drehstrommotoren und selbstständig anlaufenden Wechselstrommotoren anzutreiben. Das Drehfeld zieht den koaxial auf der Welle des Motors befestigten Rotor magnetisch mit.
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Beim Drehen des Rotors entstehen durch magnetische Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator sogenannte Wirbelströme, die ein zusätzliches, im Anwendungsfall unerwünschtes Drehmoment erzeugen. Dieses ist von der Temperatur des Rotors und Stators abhängig. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann die Temperatur von Rotor und Stator gemessen und nach einer abgespeicherten temperaturabhängigen Kennlinie das zusätzliche Drehmoment ermittelt und damit das gewünschte, eingestellte Drehmoment korrigiert werden.
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Beim Drehen des Rotors 5 entsteht bedingt durch die magnetische Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten 6 des Rotors 5 und den Zähnen 8 des Stators 15 ein ungleichmäßiger Drehmomentverlauf. Dies führt zu einer für den Probanden fühlbaren, ruckenden, Drehbewegung. Man nennt diesen Effekt in der Technik „Rastmoment”. Dieses Rastmoment ist für den hier vorliegenden Anwendungsfall, nämlich für ein Trainings- und Diagnosegerät, welche insbesondere im Fitness- und/oder Leistungssport eingesetzt wird, störend und sollte minimiert werden.
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Beim Radfahren in der Natur hat man eine Massenträgheit. Das bedeutet insbesondere, wenn man beschleunigt, muss man eine zusätzliche Kraft aufwenden, um seine Masse zu beschleunigen und wenn man aufhört zu treten rollt man ohne Kraftaufwand weiter.
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Bei herkömmlichen Ergometern wird dieser Effekt durch eine Schwungscheibe simuliert. Eine Schwungscheibe hat den Nachteil, dass sie groß und schwer ist. Die zusätzliche Kraft beim Beschleunigen und den Energiespeicher beim Ausrollen (negative Beschleunigung) wird im Ausführungsbeispiel ohne Schwungscheibe durch Simulation erzeugt. Dazu wird die Winkelbeschleunigung des Rotors gemessen.
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Über ein Bedieninterface kann ein Sportlergewicht vorgegeben werden. Die Steuereinheit berechnet mit Hilfe der Winkelbeschleunigung des Rotors und dem Sportlergewicht das aus der Massenträgheit resultierende zusätzliche Brems- oder Antriebsdrehmoment F = m·a (Kraft ist Masse mal Beschleunigung).
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Dieses kann von der Brems- und Antriebseinheit zusätzlich zur gewünschten Belastung aufgebracht werden.
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Im Sinne der Erfindung kann der mechanische Aufbau in der Form modifiziert werden, dass die Brems- und Antriebseinheit 17 anstatt eines Hinterrades in ein Fahrrad eingespannt werden kann und gleichzeitig als Halterung des Fahrrades dient. Dabei erfolgt die mechanische Kopplung zwischen der Anordnung und dem Fahrrad über die Fahrradkette und einen an der Nabe 3 montierten Kassettenfreilauf mit Kettenritzeln.
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Die abhängigen Ansprüche 2 bis 4 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ohne diese damit zu begrenzen.
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Bevorzugt ist, dass der Stator 15 aus zwei Statorabschnitten 7 besteht. Zur Minimierung des Rastmomentes dient insbesondere die magnetische Teilung des Stators 15 in zumindest zwei Statorabschnitte 7.
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Bevorzugt ist, dass die Permanentmagnete 6 eine Scheibenform besitzen. Damit wird nicht die übliche Quaderform gewählt, sondern die Scheibenform, um ein möglichst kleines Rastmoment zu erzielen.
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Zwischen den Permanentmagneten 6 und dem Stators 15 entsteht eine magnetische Kraftwirkung, die beim Drehen ein Rastmoment erzeugt. Immer wenn sich ein Permanentmagnet 6 und ein Zahn 8 des Stators 15 gegenüber stehen ist das Rastmoment am größten. Durch runde Permanentmagnete 6 (Scheibenmagnete) wird beim Weiterdrehen zum nächsten Permanentmagnet 6 das Rastmoment verringert.
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Bevorzugt ist eine Anordnung des Stators 15 im hinteren Bereich, außerhalb des kritischen Bereiches der Hinterradgabel des Fahrradrahmens 18.
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Im Abstand von 175 mm vom Einspannunkt der Hinterradgabel 19 in Richtung Tretlager 14 kann beispielsweise die Breite der Brems- und Antriebseinheit maximal 32 mm einschließlich Verkleidung (Gehäuse) betragen.
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Im Folgenden soll die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden, wobei diese durch diese nicht beschränkt wird. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
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1 eine schematische Ansicht, nämlich eine Seitenansicht, einer Brems- und Antriebseinheit 17,
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2 eine weitere schematische Ansicht, nämlich eine Draufsicht der Brems- und Antriebseinheit 17 gemäß 1,
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3 eine schematische Ansicht, nämlich eine Seitenansicht, einer Brems- und Antriebseinheit 17, welche mit einem Fahrradrahmen 18 verbunden bzw. in dieses eingebaut ist und
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4 eine schematische Ansicht, nämlich eine Draufsicht, einer Brems- und Antriebseinheit 17, welche mit einem Fahrradrahmen 18 verbunden bzw. in dieses eingebaut ist.
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1 zeigt eine schematische Ansicht, nämlich eine Seitenansicht, einer Brems- und Antriebseinheit 17. Am Rahmen 1 sind der Stator 15 und der Lastwiderstand 10 befestigt. Außerdem ist am Rahmen 1 ist eine zweiteilige Querstrebe 2 (in 1 ist nur ein Teil der Querstrebe 2 erkennbar) angeordnet, in welcher die Nabe 3 angeordnet ist. Zentrisch durch die Nabe 3 verläuft die Drehachse 4.
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Auf der Nabe 3 ist der Rotor 5 befestigt, welcher einen radförmigen Grundkörper mit einem Durchmesser von 345,5 mm und mit vier Speichen besitzt.
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Auf der äußeren Mantelfläche des Rotors 5, welche 20 mm breit ist, sind die vierundfünfzig Permanentmagnete 6 mit wechselnder Polung (Nord/Süd) angeordnet. Es ergibt sich daraus eine Polteilung von 6,66° (360°/54 Permanentmagnete 6).
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Die Permanentmagnete 6 besitzen eine Scheibenform mit einer Höhe von 2 mm und einem Durchmesser von 20 mm.
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Der Stator 15 besteht aus zwei ringförmigen Statorabschnitten 7 mit an der inneren Ringseite angeordneten rechteckigen Zähnen 8. Die Statorabschnitte 7 sind durch den Ausschnitt 11 beabstandet voneinander angeordnet und dadurch insbesondere magnetisch entkoppelt.
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Die beiden Statorabschnitte 7 und der Stator 15 besitzen jeweils die Form eines Kreisbogensegmentes, wobei der Stator 15 eine Ausdehnung von 143,3° bezogen auf die Drehachse 4 besitzt.
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Jeder der beiden Statorabschnitte 7 besitzt neun Spulen 16, welche jeweils auf einem Zahn 8 angeordnet sind, wobei sich der Zahn 8 im Hohlraum der Spulen 16 befindet. Der Zahn 8 ist integraler Bestandteil des jeweiligen Statorabschnittes 7.
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Der Stator 15 mit den Zähnen 8 ist aus vierzig Blechen (Trafoblech), mit einer Dicke von 0,5 mm, in üblicher Art und Weise geblecht. Der Stator 15 ist 20 mm breit.
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Die Brems- und Antriebseinheit 17 besitzt eine diesbezüglich übliche elektronische Steuereinheit 9, welche mit den Bauteilen der Brems- und Antriebseinheit 17 in üblicher Art und Weise elektrisch verbunden bzw. verschalten ist (in 1 nicht dargestellt).
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2 zeigt eine weitere schematische Ansicht, nämlich eine Draufsicht der Brems- und Antriebseinheit 17 gemäß 1. Auf der äußeren Mantelfläche des Rotors 5 sind die scheibenförmigen Permanentmagnete 6 erkennbar. Auf der Nabe 3 ist ein Zahnkranz 12 in üblicher Art und Weise angeordnet.
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Zur Minimierung des Rastmomentes wurde der Stator 15 folgendermaßen optimiert:
- • Aufteilung in zwei magnetisch getrennte Statorabschnitte 7a' zehn Polteilungen (66,6°),
- • Versatz der zwei Statorabschnitte 7 um 1,5 Polteilungen (9,99°) und
- • die magnetische Trennung der beiden Statorabschnitte 7 erfolgt durch die Ausschnitte 11.
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Die Wicklung der beiden Statorabschnitte 7 besteht insgesamt aus achtzehn Spulen 16.
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Die Anordnung und Verdrahtung der Spulen 16 erfolgt so, dass drei elektrisch um 120° versetzte Stromphasen entstehen, die zur Ansteuerung als Generator oder Motor dienen.
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3 zeigt eine schematische Ansicht, nämlich eine Seitenansicht, einer Brems- und Antriebseinheit 17, welche mit einem Fahrradrahmen 18 verbunden bzw. in dieses eingebaut ist. Dabei ist der Rotor 5 zwischen den beiden Kettenstreben 13 angeordnet.
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In 3 ist eine Brems- und Antriebseinheit 17, wie grundsätzlich in den 1 und 2 dargestellt und beschrieben, dargestellt. Am Fahrradrahmen 18 des Fahrrades ist in üblicher Art und Weise ein Tretlager 14 angeordnet, welches durch eine übliche Fahrradkette mit dem Zahnkranz 12 verbunden ist.
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Im Abstand von 175 mm vom Einspannunkt 19 der Hinterradgabel in Richtung Tretlager 14 kann beispielsweise die Breite der Brems- und Antriebseinheit maximal 32 mm einschließlich Verkleidung (Gehäuse) betragen.
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4 zeigt eine schematische Ansicht, nämlich eine Draufsicht, einer Brems- und Antriebseinheit 17, welche mit einem Fahrradrahmen 18 verbunden bzw. in dieses eingebaut ist. Der Rotor 5 ist mit Spiel zwischen den beiden Teilen der Kettenstrebe 13 drehbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rahmen
- 2
- Querstrebe
- 3
- Nabe
- 4
- Drehachse
- 5
- Rotor
- 6
- Permanentmagnet
- 7
- Statorabschnitt
- 8
- Zahn (Stator-Zahn mit Spule)
- 9
- Steuerelektronik
- 10
- Lastwiderstand
- 11
- Ausschnitt
- 12
- Zahnkranz
- 13
- Kettenstrebe (Hinterradgabel)
- 14
- Tretlager
- 15
- Stator
- 16
- Spule
- 17
- Brems- und Antriebseinheit
- 18
- Fahrradrahmen
- 19
- Einspannpunkt Hinterradgabel
