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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch geregelten, elektrischen Hilfsantrieb nach dem Reibradprinzip, welcher sich insbesondere für Fahrräder und ähnliche Leichtfahrzeuge eignet.
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Hilfsantriebe für derartige Fahrzeuge unter Verwendung von Elektromotoren sind bekannt. Die überwiegende Anzahl derartiger Hilfsantriebe arbeitet mit Getriebemotoren im Tretlager oder mit Nabenmotoren. Letztere können mit oder ohne Getriebe ausgeführt werden. Die erforderlichen hohen Drehmomente führen zu hohem Getriebeübersetzungen und/oder hohen Motorgewichten. Des Weiteren ist die Integration in den Antriebsstrang aufwändig und der Einbauraum in Tretlager oder Nabe steht für andere Komponenten nicht mehr zur Verfügung.
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Reibradantriebe bieten grundsätzlich das Potential, diese Nachteile zu vermeiden und insbesondere auch sehr kleine, hochtourige Elektromotoren ohne Getriebe einzusetzen. Aufgrund anderer, prinzipbedingter Nachteile haben sich Antriebe nach dem Reibradprinzip im vorliegenden Anwendungsbereich jedoch nicht durchsetzen können.
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Diese Nachteile sind im Wesentlichen:
- a) Verschleiß der Reibräder und/oder der Radflanken
- b) Hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Toleranzen des Fahrzeugrahmens und der Räder
- c) Hohe und/oder asymmetrische Anpreßkräfte, welche Fahrzeugrahmen, Räder und Lagerungen belasten
- d) Niedriger Wirkungsgrad durch Schlupf und/oder Walkarbeit der Reibräder
- e) Hohe Empfindlichkeit gegen Schwankungen des Reibwertes, insbesondere bei Feuchte und Verschmutzung
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Die beiden letztgenannten Punkte führen zusätzlich zu unerwünschter Geräuschentwicklung. Aufgabe der Erfindung ist es, alle genannten Nachteile zu vermeiden oder wesentlich zu mindern.
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Dies gelingt durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Maßnahmen. Aus der Patentliteratur sind mehrere Ausführungen von Reibradantrieben für den vorliegenden Anwendungsbereich bekannt. Der Stand der Technik ist durch die angeführten Patentschriften dokumentiert:
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Die Verwendung von Synchronmotoren hoher Polpaarzahl - insbesondere von permanenterregten Synchronmotoren - ist aus verschiedenen Patentschriften als vorteilhaft bekannt. Vorteilhaft ist u.a., daß diese Motoren ein geringes Gewicht, gute Wirkungsgrade und - bei hoher Polpaarzahl - relativ große spezifische Drehmomente ermöglichen. Dies ist für den vorgesehenen Anwendungsbereich wichtig, da die Drehzahlen der Antriebsräder niedrig sind. Des Weiteren ist bekannt, daß zwei mechanisch separate Motoren, welche von separaten Wechselrichtern gespeist werden, i.a. vorteilhafter sind als mechanische Verteilgetriebe.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen es - auf diesem Stand der Technik basierend - eine für den Reibradantrieb sehr wichtige, hochdynamische Schlupfregelung zu realisieren, welche die speziellen Eigenschaften der Synchronmotoren ausnutzt und ohne zusätzliche Sensoren arbeitet. Insbesondere werden keine Drehmoment- oder Drehzahl-Sensoren benötigt.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen, welche diese vorteilhafte, hochdynamische Schlupfregelung ermöglichen, sind in den Patentansprüchen 2 und 4 dargelegt. Die erstgenannte Maßnahme ist ein stromgeregelter Betrieb jedes der Synchronmotoren (5), welcher bei dieser Motorbauart durch eine Strommessung und entsprechende direkte Stromregelung der zugeordneten Wechselrichter erfolgen kann. Vorteilhaft ist hier, daß diese Regelung einfach realisierbar ist und - in sehr guter Näherung - einer Drehmomentregelung entspricht. Unter dieser Randbedingung stellt sich die Drehzahl jedes der beiden Synchronmotoren (5) frei ein. Im idealen Grenzfall eines vernachlässigbaren Schlupfes des Reibradantriebs wäre die Drehzahl proportional der Drehzahl des Antriebsrades. Als Antriebsrad wird im Folgenden immer das durch den erfindungsgemäßen Antrieb angetriebene Rad des Fahrzeugs bezeichnet. Beim Auftreten von unerwünschtem Schlupf im motorischen Betrieb werden sich unter den oben erläuterten Randbedingungen die Drehzahl und elektrische Frequenz eines oder beider Synchronmotoren (5) sehr schnell erhöhen.
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Es ist für das Verständnis der Erfindung entscheidend, zu erkennen, daß die im Rotor der kleinen und leichten Synchronmotoren (5) gespeicherte Energie um Größenordnungen unter der im Antriebsrad gespeicherten Energie liegt. Dies bedeutet für den vorliegenden Anwendungsbereich, daß die Rotordrehzahl bei plötzlicher Abnahme des Reibschlusses bereits im Millisekunden-Bereich nennenswert ansteigen kann. Gemäß der Erfindung ist es jedoch möglich, diesen Anstieg der Rotordrehzahl durch Auswertung der elektrischen Frequenz der Motoren entsprechend schnell zu erkennen, und in Folge den Strom-Sollwert um einen vorgegebenen geringen Betrag abzusenken.
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Aufgrund der relativ hohen Drehzahl und der hohen Polanzahl der Synchronmotoren (5) sind sehr kurze Meßintervalle möglich. Insbesondere gilt dies, wenn eine Periodendauer-Messung durch digitales Auszählen einer hohen Trägerfrequenz gewählt wird. Das Wiederanheben des Strom-Sollwertes kann - in kleineren Stufen - bei Unterschreiten einer vorgegebenen Differenz der Meßwerte erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, den Strom-Sollwert in - klein gewählten - Stufen mit einer frei wählbaren niedrigen Taktfrequenz wieder auf seinen Nennwert anzuheben. Resultierend wird mittels des erfindungsgemäßen Vorgehens eine laufende Anpassung des Drehmomentes an die Reibschluß-Verhältnisse in Zeitintervallen von ca. 1 Millisekunde erreicht, wodurch Verschleiß und Geräusch-Emissionen extrem reduziert werden. Des Weiteren kann durch dieses Vorgehen die Anpresskraft fortlaufend auf den tatsächlich erforderlichen Wert reduziert und eine Überdimensionierung vermieden werden. Der Wirkungsgrad wird demnach nicht nur durch die Reduktion des Schlupfes, sondern auch durch die geringere Verformungsarbeit im Reibrad wesentlich verbessert.
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Zwecks weiterer Erläuterung der Erfindung wird auf die folgenden Abbildungen Bezug genommen. Die 1 bis 3 zeigen beispielhaft eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung in Anwendung für ein Fahrrad. Es stellen dar:
- 1: Ein erfindungsgemäßer Antrieb im Axialschnitt (senkrecht zur Felge) durch beide Antriebseinheiten im Freilaufmodus (abgehoben von der Felge oder dem Reifen)
- 2: Dieser erfindungsgemäße Antrieb im Axialschnitt (senkrecht zur Felge) durch beide Antriebseinheiten im Antriebsmodus (angepresst an die Felge oder den Reifen)
- 3: Dieser erfindungsgemäße Antrieb in Ansicht auf eine Antriebseinheit (7) mit zugehöriger Befestigung am Rahmen des Fahrzeugs
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Die Benennung der Teile:
- 1.
- U-Federbügel
- 2.
- Kurvenscheibe
- 3.
- Servo-Einheit
- 4.
- Reibrad
- 5.
- Synchron-Motor
- 6.
- Antriebseinheit (besteht aus 2+3+4+5+7)
- 7.
- Motor-Träger
- 8.
- Lagerachse von Teil 7
- 9.
- Befestigung, Verschraubung von 1 mit 7
- 10.
- Schutzblech
- 11.
- Reifen
- 12.
- Felge
- 13.
- Schelle zur Befestigung von 8 an 14
- 14.
- Rahmenrohr des Fahrzeugs
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Jeder der beiden elektrischen Synchron-Motoren (5) ist mit auf seiner Welle befestigtem Reibrad (4) und einer elektrischen Servo-Einheit (3) mit dem Motorträger (7) fest zu je einer um dessen Lagerachse (8) schwenkbaren Antriebseinheit (6) verbunden, die 3 noch einmal in einer Draufsicht zeigt. Die beiden Antriebseinheiten (6) sind völlig identisch. Ihre beiden Lagerachsen (8) sind parallel zueinander beidseitig vom Antriebsrad an geeigneten Stellen mit dem Fahrrad starr verbunden, z.B. mit Rohrschellen (13) an Gabel oder Rahmenrohr (14). Des Weiteren sind dargestellt die Felge (12) mit dem Reifen (11) und dem Schutzblech (12).
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Gut sichtbar ist der der erfindungsgemäße U-Federbügel (1). Er umschließt von oben beide Antriebseinheiten und ist an seinen unteren Enden in Nähe der Lagerachsen (8) mit den Motorträgern (7) mit z.B. Schrauben (9) fest verbunden. Kennzeichnende Eigenschaft des U-Federbügels (1) ist seine im oberen Bereich wesentlich größere Federkonstante als die in seinen auslaufenden Flanken zu den Befestigungspunkten (9) hin. Diese Eigenschaft kann durch unterschiedliche Querschnitte oder Materialien, aber auch durch eine Kombination mehrerer Materialien erreicht werden. Der obere Bereich des U-Federbügels (1) mit der größeren Federkonstante erzeugt die Anpresskraft der Reibräder, der untere Bereich mit der kleineren Federkonstante dient der korrekten Positionierung des U-Federbügels (1).
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Dargestellt sind weiterhin die beiden Servo-Einheiten (3) zur Steuerung der Anpresskraft und zum vollständigen Abheben der Reibräder (4), die sie sich über ihre drehbaren Kurvenscheiben (2) von innen am U-Federbügel (1) abstützen. Über die beiden Servo-Einheiten (3) mit ihren Kurvenscheiben (2) läßt sich die Anpresskraft sehr rasch und präzise verändern und dem gewünschten Sollwert anpassen.
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Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß ein vollkommenes Entkoppeln des elektrischen Antriebs vom Antriebsrad des Fahrzeugs möglich ist. Dadurch wird ein Freilaufmodus (s. 1) realisiert, in welchem keinerlei unerwünschte Bremsmomente auftreten. Das definierte Abheben der Reibräder (4) in diesem Modus kann durch verschiedene, dem Fachmann geläufige, einfache Maßnahmen sichergestellt werden. Eine sehr einfache geeignete Maßnahme sind beispielsweise weiche Zugfedern zwischen jedem Motor-Träger (7) und dem Fahrzeugrahmen. Eine weitere Möglichkeit ist es, den U-Federbügel (1) so zu gestalten, daß er diese Funktion zusätzlich erfüllt.
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Die Befestigung (9) der Enden des U-Federbügels (1) an den Motorträgern (7) in Nähe der Lagerachsen (8) ergibt in der erfindungsgemäßen Anordnung den Vorteil, daß die Anpresskräfte auch bei mechanischen Toleranzen sowie Axialschlag des Antriebsrades immer symmetrisch gehalten werden.
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Im dargestellten Beispiel wälzen sich die Reibräder (4) gegenüberliegend beidseitig an den Felgen (12) ab. Es könnten alternativ die Flanken Reifen (11) als Eingriffsflächen genutzt werden.
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Die erfindungsgemäße Steuerung der Anpresskraft mit den Servo-Einheiten (3) über den U-Federbügel (1) ist gegenüber der zum Stand der Technik zählenden mechanischen Selbstspannung von Reibradantrieben von großem Vorteil: Die Selbstspannung erzeugt bekanntermaßen auf rein mechanische Weise eine proportional mit dem übertragenen Drehmoment steigende Anpresskraft, hat aber gegenüber der Erfindung zwei erhebliche Nachteile. Diese sind:
- • Sie reagiert empfindlich auf mechanische Toleranzen und Montage-Ungenauigkeiten sowie auf Axialschlag des Antriebsrades
- • Sie läßt keine schnelle Anpassung an veränderliche Reibwerte zu. Bei vielen Anwendungen im Maschinenbau ist das unerheblich - im vorliegenden Anwendungsbereich jedoch sehr nachteilig. Der ungeschützte Betrieb bei unterschiedlichsten Bedingungen (Feuchte, Schmutz) hat eine große Schwankung der Reibwerte zur Folge. Wenn aber die Proportionalität von Anpresskraft und Drehmoment dem tatsächlichen Reibwert nicht angepasst werden kann, muß entweder mit in der Regel zu hoher Anpresskraft gefahren werden, oder es tritt störender Schlupf auf. Beides ist ungünstig, da dies höhere Walkarbeit, schlechteren Wirkungsgrad und höheren Verschleiß zur Folge hat.
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Bei richtiger Ausgestaltung bieten die Kurvenscheiben (2) einen weiteren Vorteil, nämlich die bekannte Möglichkeit der Selbsthemmung. Das bedeutet, sie bleiben in jeder angewählten Stellung durch Reibung am U-Federbügel (1) stehen, ohne daß die zugehörige Servo-Einheit (3) dauernd mittels elektrischer Bestromung Haltekräfte erzeugen muß.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin begründet, daß sich die zwei erfindungsgemäßen Maßnahmen nach Patentanspruch 3 und nach Patentanspruch 4 kombinieren lassen. Ersterer betrifft die elektrische Steuerbarkeit der Anpreßkraft, welche aufgrund der Kurvenscheiben (2) - im Gegensatz zu Spindeltrieben - sehr schnell erfolgen kann. Mit Servo-Einheiten (3) nach Stand der Technik sind Verstell-Geschwindigkeiten größer als 1 Winkelgrad pro Millisekunde leicht erreichbar. Patentanspruch 4 betrifft die schnelle Erkennung von beginnendem Schlupf und die darauf folgende Drehmoment-Anpassung, welche u.a. aufgrund der rein elektrischen, sensorlosen Erfassung ebenfalls sehr schnell erfolgt.
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Gemäß Patentanspruch 5 der Erfindung ist es nun möglich, mittels entsprechender Steuerung der Servo-Einheiten (3) die Anpreßkraft im Falle ungünstiger Reibschluß-Bedingungen anzupassen. Wesentlich ist hier die Möglichkeit, die Betriebszustände, welche eine derartige Anpassung erfordern, ohne zusätzliche Sensoren sicher und schnell zu erkennen. Gemäß der Erfindung erfolgt dies durch einen Vergleich des Strom-Soll-Wertes mit dem Mittelwert des Strom-Istwertes. Die Mittelwert-Bildung kann elektronisch - analog oder digital - in der Antriebssteuerung erfolgen. Es ist weder eine Drehzahlmessung noch ein Mindestwert für den Schlupf notwendig, um diese Auswertung zu realisieren.
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Es kann vorteilhafterweise festgelegt werden, daß bei Unterschreiten des Sollwertes um einen wählbaren, kleinen Prozentsatz oder einen festen Betrag, die Anpreßkraft in kleinen Schritten erhöht wird. Es ist bekannt, daß es für die entgegengesetzte Verstellrichtung ausreichend ist, die Anpreßkraft in vergleichsweise kleineren Schritten und wählbaren Zeitschnitten abzusenken. Resultierend kann der erfindungsgemäße Antrieb somit immer mit der minimal notwendigen Anpreßkraft nahe der Schlupfgrenze betrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69031993 T2 [0006]
- DE 19802937 C2 [0006]
- DE 29922683 U1 [0006]
- DE 102009053973 B4 [0006]
- DE 102012006830 A1 [0006]
