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Die Erfindung betrifft eine Antriebs- und Bremsvorrichtung für ein Fahrzeug und ein Fahrzeug mit einer solchen Antriebs- und Bremsvorrichtung. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Elektrofahrzeug.
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Fahrräder erfreuen sich seit langem als leicht zu handhabende und emissionsfreie Fortbewegungsmittel großer Beliebtheit. Über viele Jahre haben sie auch als Sport- bzw. Fitnessgeräte massenhafte Verbreitung gefunden, und es haben sich für unterschiedliche sportliche Einsatzfelder besonders geeignete Typen herausgebildet.
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Seit einigen Jahren wächst auch die Begeisterung für Elektrofahrräder (insb. sogenannte „Pedelecs“). Potenzielle Nutzer*innen sind nicht nur ältere, weniger konditionsstarke oder von sportlichen Ambitionen freie Radfahrer*innen, sondern auch sportliche, jüngere Fahrer*innen, sei es zur Nutzung auf dem Arbeitsweg oder wegen der Möglichkeit, mit ihnen ohne Überbeanspruchung der eigenen Physis den Aktionsradius zu erweitern und/oder die Reisegeschwindigkeit zu erhöhen. Gerade bei Mountainbiker*innen und Rennradfahrer*innen scheint das Interesse an elektrisch unterstützten Mountainbikes zu wachsen.
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Es ist wünschenswert, eine Antriebs- und Bremsvorrichtung für ein Fahrzeug anzugeben, die einfach aufgebaut und flexibel einsetzbar ist. Zudem ist es wünschenswert, ein Fahrzeug anzugeben, das eine solche Antriebs- und Bremsvorrichtung aufweist.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Antriebs- und Bremsvorrichtung für ein Fahrzeug offenbart. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Elektrofahrzeug. Die Antriebs- und Bremsvorrichtung wird im Folgenden auch lediglich als Vorrichtung bezeichnet.
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Das Fahrzeug ist beispielsweise ein Anhänger, ein Roller, ein Scooter oder ein anderes, insbesondere, elektrisch angetriebenes Fahrzeug zur Personenbeförderung und/oder zur Lastenbeförderung. Insbesondere ist das Fahrzeug ein Fahrrad, beispielsweise ein Elektrofahrrad. Im Folgenden wird die Antriebs- und Bremsvorrichtung meistens in Zusammenhang mit einem Fahrrad erläutert. Die Antriebs- und Bremsvorrichtung ist aber nicht auf ein Fahrrad eingeschränkt, sondern das Fahrrad dient als Beispiel für das Fahrzeug.
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Die Antriebs- und Bremsvorrichtung weist eine Rotoreinheit auf. Die Rotoreinheit ist mit einem Laufrad des Fahrrads koppelbar. Die Vorrichtung weist eine Statoreinheit auf. Die Statoreinheit ist mit einem Fahrradrahmen des Fahrrads koppelbar. Die Rotoreinheit weist eine Bremsscheibe und einen Magnetabschnitt auf. Die Bremsscheibe und der Magnetabschnitt sind starr miteinander verbunden. Die Statoreinheit weist einen Bremssattel und einen Stator auf. Der Magnetabschnitt und der Stator sind Teil eines gemeinsamen Elektromotors. Die Statoreinheit und die Rotoreinheit bilden gemeinsam einen Elektromotor zum Antreiben des Laufrads. Zusätzlich ist mittels der Antriebs- und Bremsvorrichtung auch eine Verzögerung des Laufrads realisierbar. Die Rotoreinheit weist hierfür die Bremsscheibe auf und die Statoreinheit den Bremssattel. Gegebenenfalls sind weitere Elemente vorgesehen, um den Elektromotor und die Bremse funktionsfähig auszugestalten. Dies umfasst beispielsweise eine Steuerelektronik mit Prozessoren und Speichern sowie Bremsbacken, Kabel, Bremsgriffe, Akkumulatoren und weitere Elemente.
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Mittels der Antriebs- und Bremsvorrichtung wird ein elektrisches Antriebssystem für Fahrräder und auch Kleinkraftfahrzeuge realisiert. Der elektrische Antrieb und die mechanische Bremse sind miteinander vereint. Die Bremskraft wird wie von herkömmlichen Scheibenbremsen bekannt direkt auf eine Nabe des Laufrads übertragen. Auch die Antriebskraft wird mittels der Rotoreinheit direkt auf die Nabe des Laufrads übertragen. Zur Montage der Statoreinheit am Fahrradrahmen können insbesondere herkömmliche Schnittstellen verwendet werden, beispielsweise Postmount, IS2000 und/oder Flatmount. Das Gleiche gilt zur Montage der Rotoreinheit am Laufrad. Die Rotoreinheit ist beispielsweise mittels einer Verzahnung auf die Nabe aufgesteckt oder mittels Schrauben oder anderen Elementen mechanisch mit dem Laufrad verbunden. Dies erfolgt insbesondere nach Art und Weise, wie von herkömmlichen Scheibenbremsen bekannt. Die Antriebs- und Bremsvorrichtung ist somit statt einer herkömmlichen Scheibenbremsanlage am Fahrrad montierbar. Ein Vorteil durch die Verwendung dieser Standardschnittstellen ist eine Nachrüstbarkeit durch den Endkunden. Somit kann das Antriebs- und Bremssystem sowohl als Produkt direkt für einen Erstausrüster (OEM; Original Equipment Manufacturer) als auch als Endkundenprodukt genutzt werden.
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Die Antriebs- und Bremsvorrichtung ermöglicht einen Aufbau mit geringerem Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Nabenmotoren. Auf ansonsten zusätzlich notwendige Elemente wie Motorwellen, Lager und Gehäuseteile kann verzichtet werden. Somit sind verbesserte fahrdynamische Eigenschaften realisierbar. Die Antriebs- und Bremsvorrichtung ist einfach und schnell montierbar und demontierbar, insbesondere da bereits gängige Standardschnittstellen weiter verwendbar sind. Aufgrund der Funktionsintegration von Bauteilen ist die Antriebs- und Bremsvorrichtung kosteneffizient realisierbar. Im Betrieb ist eine gute Entwärmung realisierbar, da Aktivteile des Elektromotors offenliegen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Magnetabschnitt eine Vielzahl von Dauermagneten auf. Die Dauermagneten sind ringförmig konzentrisch zu der Bremsscheibe angeordnet. Der Magnetabschnitt und die Bremsscheibe sind in ein einziges gemeinsames Bauteil integriert. Eine Stromversorgung zur Magnetisierung des Magnetabschnitts ist nicht notwendig. Am Magnetabschnitt sind die Dauermagneten angeordnet, die ein Magnetfeld ausbilden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Dauermagnete eine Haupterstreckungsebene auf. Entlang der Haupterstreckungsebene sind die Dauermagnete jeweils deutlich großflächiger ausgebildet als quer zur Haupterstreckungsebene. Vergleichbar weist die Bremsscheibe eine Haupterstreckungsebene auf. Die Bremsscheibe ist entlang der Haupterstreckungsebene deutlich großflächiger ausgebildet als quer zur Haupterstreckungsebene.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Dauermagneten jeweils mit ihrer Haupterstreckungsebene entlang der Haupterstreckungsebene der Bremsscheibe angeordnet. Die Haupterstreckungsebene der Dauermagnete und die Haupterstreckungsebene der Bremsscheibe sind somit gleichgerichtet. Insgesamt ergibt sich somit eine vergleichsweise flache Rotoreinheit. Der Rotor ist somit als bürstenloser Scheibenläufer ausbildbar.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Dauermagnete jeweils mit ihrer Haupterstreckungsebene quer zur Haupterstreckungsebene der Bremsscheibe angeordnet. Die Dauermagnete springen jeweils axial über die Haupterstreckungsebene der Bremsscheibe vor. Der Elektromotor ist so als bürstenloser Innenläufer realisierbar. Die Haupterstreckungsebene der Dauermagnete ist gemäß einer Ausführungsform axial zur Bremsscheibe ausgerichtet. Die Haupterstreckungsebene verläuft zudem radial zur Bremsscheibe. Somit sind die Dauermagnete als eingebettete Magnete vorgesehen. Alternativ ist die Haupterstreckungsebene der Dauermagnete jeweils tangential zur Bremsscheibe ausgerichtet. Die Haupterstreckungsebene ist zudem axial zur Bremsscheibe ausgerichtet. Somit ist es möglich, die Dauermagnete als Oberflächenmagnete auszubilden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdeckt der Stator eine Mehrzahl der Dauermagnete entlang eines Kreisbogens. Die Größe des Kreisbogens ist beispielsweise in Abhängigkeit einer vorgesehenen Leistung des Elektromotors vorgebbar. Somit ist bei gleichem Außendurchmesser mittels der Auslegung des Kreisbogens eine variable Leistungsauslegung für den Elektromotor möglich. Es muss lediglich die Größe des Stators angepasst werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Bremsscheibe radial innerhalb des Magnetabschnitts angeordnet. Somit ist eine gute Übertragung der Antriebsenergie auf das Laufrad realisierbar. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es auch möglich, den Magnetabschnitt radial innerhalb der Bremsscheibe anzuordnen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Stator in einem montierten Zustand axial zu dem Magnetabschnitt angeordnet. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Elektromotor als Scheibenläufer realisiert ist.
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Alternativ oder zusätzlich ist der Stator gemäß zumindest einer Ausführungsform im montierten Zustand radial zu dem Magnetabschnitt angeordnet. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Elektromotor als Innenläufer ausgebildet ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Stator mindestens einen Elektromagneten auf. Der Elektromagnet wirkt im montierten Zustand mit dem Magnetabschnitt zusammen, um einen Antrieb für das Laufrad zu realisieren. Der Bremssattel weist einen Bremsbelag auf, der im montierten Zustand mit der Bremsscheibe zusammenwirkt, um eine Bremswirkung für das Laufrad zu realisieren.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrrad offenbart, insbesondere ein Elektrofahrrad. Das Fahrrad weist einen Fahrradrahmen auf. Das Fahrrad weist ein Laufrad auf. Das Laufrad ist mit dem Fahrradrahmen gekoppelt. Der Fahrradrahmen weist insbesondere eine Fahrradgabel und einen Hauptrahmen auf. Der Hauptrahmen weist beispielsweise das Sattelrohr, das Steuerrohr und das Unterrohr auf.
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Das Fahrrad weist eine hier beschriebene Antriebs- und Bremsvorrichtung gemäß zumindest einer Ausführungsform auf. Die Rotoreinheit der Vorrichtung ist starr mit dem Laufrad gekoppelt. Die Statoreinheit ist starr mit dem Fahrradrahmen gekoppelt. Die Rotoreinheit ist relativ zu der Statoreinheit rotierbar ist zum Antreiben des Laufrads. Zudem ist mittels einem Zusammenwirken der Statoreinheit und der Rotoreinheit ein Abbremsen des Laufrads möglich. Das Abbremsen ist insbesondere nicht nur mechanisch mittels einem Kontakt zwischen dem Bremsbelag und der Bremsscheibe möglich, sondern alternativ oder zusätzlich auch mittels Rekuperation als Rekuperationsbremse. Dies wird insbesondere durch ein Zusammenwirken zwischen dem Stator und dem Magnetabschnitt realisiert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Fahrrad eine zweite Antriebs- und Bremsvorrichtung gemäß zumindest einer Ausführungsform auf. Das Fahrrad weist ein zweites Laufrad auf, das mit dem Fahrradrahmen gekoppelt ist. Die Rotoreinheit der zweiten Antriebs- und Bremsvorrichtung ist starr mit dem zweiten Laufrad gekoppelt. Die Statoreinheit der zweiten Antriebs- und Bremsvorrichtung ist starr mit dem Fahrradrahmen gekoppelt. Das Laufrad ist von der Antriebs- und Bremsvorrichtung antreibbar. Das zweite Laufrad ist von der zweiten Antriebs- und Bremsvorrichtung antreibbar. Entsprechend ist das zweite Laufrad auch von der zweiten Antriebs- und Bremsvorrichtung abbremsbar. Somit ist ein gleichzeitiger Antrieb von Vorder- und Hinterrad des Fahrrads einfach realisierbar. Insgesamt ist die Antriebsvorrichtung designschön am Fahrrad integrierbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den folgenden, im Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente können in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrrads gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2 eine schematische Darstellung einer Antriebs- und Bremsvorrichtung im montierten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 3 eine schematische Darstellung einer Antriebs- und Bremsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 4 eine Antriebs- und Bremsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 5 und 6 eine schematische Darstellung einer Rotoreinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 7 eine schematische Darstellung einer Rotoreinheit und eines Stators gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 8 eine schematische Darstellung einer Rotoreinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 9 eine schematische Darstellung einer Rotoreinheit und eines Stators gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
- 10 eine schematische Darstellung einer Rotoreinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100. Als Beispiel für das Fahrzeug wird im Folgenden ein Fahrrad 100 verwendet. Das Fahrzeug 100 kann auch ein anderes Fahrzeug sein, insbesondere ein Fahrzeug, das für die Verwendung mit Bremsscheiben ausgebildet ist.
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Das Fahrrad 100 ist insbesondere als Elektrofahrrad ausgestaltet. Das Fahrrad 100 weist einen Fahrradrahmen 103 auf. Der Fahrradrahmen 103 weist unter anderem einen Hauptrahmen 106 sowie eine Fahrradgabel 104 auf. Das Fahrrad 100 weist gemäß Ausführungsbeispielen weitere nicht explizit dargestellte Elemente auf, beispielsweise einen Sattel.
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Der Hauptrahmen 106 weist beispielsweise ein Unterrohr und ein Steuerrohr und weitere Rohre auf. Die Fahrradgabel 104 ist verschwenkbar mit dem Hauptrahmen 106 gekoppelt.
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Ein erstes Laufrad 101 ist mit der Fahrradgabel 104 gekoppelt. Das erste Laufrad 101 kann auch als Vorderrad bezeichnet werden. Ein zweites Laufrad 102 ist mit dem Hauptrahmen 106 gekoppelt. Das zweite Laufrad 102 kann auch als Hinterrad bezeichnet werden.
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Am ersten Laufrad 101 ist eine erste Antriebs- und Bremsvorrichtung 110 angeordnet. Am zweiten Laufrad 102 ist eine zweite Antriebs- und Bremsvorrichtung 120 angeordnet. Gemäß Ausführungsbeispielen sind die erste und die zweite Antriebs- und Bremsvorrichtung jeweils gleichartig aufgebaut. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen sind die Antriebs- und Bremsvorrichtung 110 und 120 jeweils unterschiedlich zueinander aufgebaut. Beispielsweise weisen die Antriebs- und Bremsvorrichtungen 110, 120 jeweils die gleiche elektrische Leistung auf oder zueinander unterschiedliche elektrische Leistungen.
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Wie noch näher im Zusammenhang mit den nachfolgenden Figuren erläutert, ist jeweils ein Teil der Antriebs- und Bremsvorrichtungen 110, 120 mit dem Fahrradrahmen 103 gekoppelt. Ein Teil der Antriebs- und Bremsvorrichtung 110 ist somit an der Fahrradgabel 104 befestigt. Ein Teil der Antriebs- und Bremsvorrichtung 120 ist am Hauptrahmen 106 befestigt. Ein weiterer Teil der ersten Antriebs- und Bremsvorrichtung 110 ist an dem ersten Laufrad 101 befestigt. Ein weiterer Teil der Antriebs- und Bremsvorrichtung 120 ist an dem zweiten Laufrad 102 befestigt. Somit ist das erste Laufrad 101 mittels der ersten Antriebs- und Bremsvorrichtung 110 sowohl antreibbar als auch abbremsbar. Das zweite Laufrad 102 ist mittels der zweiten Antriebs- und Bremsvorrichtung 120 antreibbar und abbremsbar.
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2 zeigt die Antriebs- und Bremsvorrichtung 110, 120 im montierten Zustand. Die Antriebs- und Bremsvorrichtung 110, 120 wird im Folgenden auch lediglich als Vorrichtung 110, 120 bezeichnet.
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Die Antriebs- und Bremsvorrichtung 110, 120 weist eine Rotoreinheit 111 auf. Die Rotoreinheit 111 ist starr mit dem Laufrad 101, 102 gekoppelt. Insbesondere ist die Rotoreinheit 111 an einer Nabe 107 des Laufrads 101, 102 befestigt. Eine Relativbewegung zwischen der Rotoreinheit 111 und der Nabe 107 ist insbesondere nicht möglich.
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Die Vorrichtung 110, 120 weist eine Statoreinheit 114 auf. Die Statoreinheit 114 ist starr mit dem Fahrradrahmen 103 gekoppelt. Insbesondere ist die Statoreinheit 114 an der Fahrradgabel 104 oder dem Hauptrahmen 106 so befestigt, dass eine Relativbewegung zwischen der Statoreinheit 114 und der Fahrradgabel 104 beziehungsweise dem Hauptrahmen 106 vermieden wird.
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Die Rotoreinheit 111 weist eine Bremsscheibe 112 und einen Magnetabschnitt 113 auf. Die Bremsscheibe 112 und der Magnetabschnitt 113 sind insbesondere mit einem einstückigen gemeinsamen Grundkörper ausgebildet. Dieser Grundkörper bildet beispielsweise sowohl die Bremsscheibe 112 aus als auch eine Aufnahme für Dauermagnete 117 der Rotoreinheit 111. Es ist auch möglich, den Magnetabschnitt 113 zunächst gesondert zu fertigen und nachfolgend die Bremsscheibe 112 und den Magnetabschnitt 113 starr miteinander zu verbinden. Insbesondere ist eine Relativbewegung zwischen der Bremsscheibe 112 und dem Magnetabschnitt 113 nicht möglich.
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Der Magnetabschnitt 113 ist mittels der Bremsscheibe 112 mit der Nabe 107 verbunden. Die Bremsscheibe 112 ist beispielsweise an der Nabe 107 befestigt. Hierfür können insbesondere bereits etablierte Standardverbindungen verwendet werden. Die Bremsscheibe 112 und der Magnetabschnitt 113 sind konzentrisch zueinander aufgebaut. Eine Drehachse 124 bildet das gemeinsame Zentrum der Bremsscheibe 112 und des Magnetabschnitts 113. Die Achse 124 ist auch die Drehachse der Nabe 107 und des Laufrads 101, 102. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Magnetabschnitt 113 radial außerhalb der Bremsscheibe 112 angeordnet. Der Magnetabschnitt 113 weist einen größeren Durchmesser auf als die Bremsscheibe 112.
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Der Magnetabschnitt 113 ist ringförmig ausgebildet und umgibt die Bremsscheibe 112 vollständig. Der Magnetabschnitt 113 weist eine Vielzahl von Dauermagneten 117 auf. Die Dauermagnete 117 sind ringförmig entlang des Magnetabschnitts 113 angeordnet. Die Dauermagnete 117 umgeben die Bremsscheibe 112 insbesondere vollständig. Die Anzahl der Dauermagnete 117 ist insbesondere abhängig vom Radius der Bremsscheibe 112 und vom Radius des Magnetabschnitts 113. Insbesondere ist es möglich, mehr oder weniger als die dargestellten Dauermagnete 117 vorzusehen.
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Die Dauermagnete 117 sind entlang einer radialen Richtung 125 außerhalb der Bremsscheibe 112 angeordnet. Die Statoreinheit 114 weist einen Bremssattel 115 auf. Die Statoreinheit 114 weist zudem einen Stator 116 auf.
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Der Bremssattel 115 dient beispielsweise als Aufnahme für Bremsbeläge 123. Die Bremsbeläge 123, die beispielsweise mittels eines Seilzugs oder hydraulisch betätigt werden, können entlang einer axialen Richtung 126 relativ zu der Bremsscheibe 112 bewegt werden. Bei einem mechanischen Kontakt zwischen der Bremsscheibe 112 und dem Bremsbelag 123 wird aufgrund der Reibung eine Bremskraft auf das Laufrad 101, 102 ausgewirkt.
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Die verwendeten Richtungsangaben, wie radiale Richtung 125 oder axiale Richtung 126 beziehen sich auf die Achse 124.
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Der Stator 116 weist einen Elektromagneten 122 beziehungsweise eine Vielzahl von Elektromagneten 122 auf. Die Anzahl der Elektromagneten 122 ergibt sich insbesondere daraus, wie viele Dauermagnete 117 von dem Stator 116 abgedeckt werden. Die Elektromagnete 122 sind mit einem nicht explizit dargestellten Speicher für elektrische Energie verbunden, insbesondere mittels elektrischer Leitungen. Das Fahrrad 100 weist beispielsweise einen Akkumulator auf, der mit den jeweiligen Statoreinheiten 114 der Vorrichtungen 110, 120 elektrisch verbunden ist. Die Verbindung umfasst gegebenenfalls weitere nicht explizit dargestellte Elemente wie Steuervorrichtungen und/oder weitere Logikschaltungen, Prozessoren und Speicher.
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Der Stator 116 und der Magnetabschnitt 113 bilden gemeinsam einen Elektromotor 200 aus. Der Elektromotor 200 weist gegebenenfalls weitere nicht explizit dargestellte Elemente auf. Der Stator 116 und insbesondere die Elektromagneten 122 werden so bestromt, dass aufgrund der daraus resultierenden Magnetfelder der Magnetabschnitte 113 in Rotation relativ zum Stator 116 versetzt wird. Der Magnetabschnitt 113 wird im Betrieb mittels des Stators 116 angetrieben, sodass der Magnetabschnitt 113 eine Rotation um die Achse 124 durchführt. Die rotatorische Bewegung des Magnetabschnitts 113 wird mittels der Bremsscheibe 112 auf die Nabe 107 übertragen. Somit wird das Laufrad 101, 102 angetrieben.
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Gemäß Ausführungsbeispielen wird zusätzlich zu der Bremsfunktion der Bremsbelegen 123 und der Bremsscheibe 112 auch eine Rekuperationsbremse mittels des Magnetabschnitts 113 und des Stators 116 realisiert. Beispielsweise wird bei einer Betätigung eines zugeordneten Bremshebels zunächst nur rekuperatorisch gebremst. Entsprechen wirken die Magnetabschnitt 113 und der Stator 116 als elektromotorische Bremse. Die aus der Bewegungsenergie gewonnene elektrische Energie wird beispielsweise in dem Energiespeicher des Fahrrads 100 gespeichert. Bei einer stärkeren Betätigung des Bremshebels wird dann alternativ oder zusätzlich mittels der Bremsscheibe 122 und der Bremsbelege 123 mechanisch mittels Reibung gebremst. Beispielweise wird bei einer Auslenkung des Bremshebels aus seiner Ruheposition bis zu 20% rein rekuperatorisch gebremst. Ab einer Auslenkung von größer als 20% wird mechanisch gebremst. Eine entsprechende Bremssteuerung ist hierfür am Fahrrad 100 vorgesehen.
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3 zeigt die Antriebs- und Bremsvorrichtung 110, 120 mit dem Stator 116, der sich entlang eines Kreisbogens 121 erstreckt. In der Darstellung gemäß 3 weist der Kreisbogen 121 einen Winkel von etwa 110° auf. Dies ist rein beispielhaft zu verstehen. Wie sich insbesondere auch aus 4 ergibt, sind verschiedenste Kreisbögen 121 realisierbar. Im Ausführungsbeispiel der 4 weist der Kreisbogen 121 beispielsweise einen Winkel von 320° auf. Die Länge des Kreisbogens 121 beziehungsweise der dazugehörige Winkel wird insbesondere von einer vorgegebenen Leistung für den Elektromotor 200 bestimmt. Je größer der Kreisbogen 121, je leistungsstärker ist der Elektromotor 200. Insbesondere ist es somit möglich, die Leistung des Elektromotors 200 an Vorgaben anzupassen, ohne hierzu die Rotoreinheit 111 verändern zu müssen. Auch die Montage mit dem Fahrradrahmen 103 kann hiervon unverändert bleiben. Insbesondere wird die Anzahl der Elektromagneten des Stators 116 von der Größe des Kreisbogens 121 bestimmt. Je größer der Kreisbogen 121 desto mehr Elektromagneten 122 sind vorgesehen.
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5 zeigt die Rotoreinheit 111 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Rotoreinheit 111 gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist so ausgebildet, dass der Elektromotor 200 als Scheibenläufer realisiert ist. Eine Haupterstreckungsebene 118 der Dauermagnete 117 verläuft radial zur Bremsscheibe 112. Die Haupterstreckungsebene 118 der Dauermagnete 117 wird von zwei radialen Richtungen 125, 127 aufgespannt. Die Haupterstreckungsebene 118 der Dauermagnete 117 entspricht der größten Fläche der Dauermagneten 117. Die Flächen der Dauermagnete 117 quer zur Haupterstreckungsebene 118 sind kleiner als die Flächen, die entlang der Haupterstreckungsebene 118 verlaufen. Die Dauermagnete 117 springen somit im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht wesentlich entlang der axialen Richtung 126 über die Bremsscheibe 112 vor.
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Die Bremsscheibe 112 weist eine Haupterstreckungsebene 119 auf. Die Haupterstreckungsebene 119 der Bremsscheibe 112 verläuft im Wesentlichen in einer Ebene, die von den radialen Richtungen 125, 127 aufgespannt wird. Die Haupterstreckungsebene 118 der Dauermagneten 117 und die Haupterstreckungsebene 119 der Bremsscheibe 112 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel somit gleichgerichtet zueinander. Die gesamte Rotoreinheit 111 ist flächig ausgebildet.
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Im montierten Zustand ist der Stator 116 axial neben dem Dauermagneten 117 angeordnet, wie beispielsweise in den 1 bis 4 schematisch dargestellt. Somit ist der Elektromotor 200 als Scheibenläufer ausgebildet. Radial ist somit Bauraumbedarf reduzierbar, insbesondere im Vergleich zu den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.
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7 und 8 zeigen die Rotoreinheit 111 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sowie den dazugehörigen Stator 116. Der wesentliche Aufbau und die wesentlichen Funktionalitäten der Antriebs- und Bremsvorrichtung 110, 120 mit der Rotoreinheit 111 und dem Stator 116 gemäß den 7 und 8 entspricht denjenigen der Antriebs- und Bremsvorrichtungen 110, 120 wie im Zusammenhang mit den 1 bis 4 erläutert. Im Folgenden wird vorrangig auf die Unterschiede eingegangen.
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Ein Elektromotor 200 mit der Rotoreinheit 111 gemäß den 7 und 8 ist als Innenläufer realisiert. Der Stator 116 ist radial neben der Rotoreinheit 111 angeordnet. Gemäß Ausführungsbeispielen sind die Bremsscheibe 112, der Magnetabschnitt 113 und der Stator 116 konzentrisch ausgebildet. Die Permanentmagnete 117 sind so angeordnet, dass sie entlang der axialen Richtung 126 über die Haupterstreckungsebene 119 der Bremsscheibe 112 vorspringen. Die Haupterstreckungsebene 118 der Dauermagnete 117 verläuft entlang einer Ebene, die von einer der radialen Richtungen 125, 127 und der axialen Richtung 126 aufgespannt wird. Die Haupterstreckungsebene 118 der Dauermagnete 117 und die Haupterstreckungsebene 119 der Bremsscheibe 112 sind somit quer zueinander ausgerichtet.
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9 und 10 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Elektromotor 200 als Innenläufer ausgebildet ist. Auch hier gelten die wesentlichen Merkmale und Funktionalitäten der Antriebs- und Bremsvorrichtungen 110, 120 im Zusammenhang mit 1 bis 8 erläutert. Im Unterschied zur Rotoreinheit 111 gemäß den 5 und 6 sind die Dauermagnete 117 bei der Rotoreinheit 111 gemäß den 9 und 10 axial vorspringend angeordnet. Die Dauermagnete 117 sind jedoch nicht wie im Zusammenhang mit den 7 und 8 dargestellt in den Magnetabschnitt 113 eingebettet. Gemäß den Ausführungsbeispielen der 9 und 10 sind die Dauermagnete 117 als Oberflächenmagnete ausgebildet und angeordnet. Die Dauermagnete 117 springen axial über die Haupterstreckungsebene 119 der Bremsscheibe 112 vor. Die Haupterstreckungsebene 118 der Dauermagnete 117 ist tangential zur Bremsscheibe 112 ausgerichtet. Die Haupterstreckungsebene 118 verläuft entlang einer tangentialen Richtungen 118 sowie der axialen Richtung 126.
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Die Haupterstreckungsebene 118 der Dauermagnete 117 ist radial nach außen gewandt.
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Der Stator 116 ist radial zur Rotoreinheit 111 angeordnet. Die Dauermagnete 117 und die Elektromagnete 122 sind radial nebeneinander angeordnet. Somit ist eine Innenläuferanordnung des Elektromotors 200 realisiert. Die Innenläuferanordnung gemäß den 7 bis 10 ermöglicht eine Bauraumeinsparung entlang der axialen Richtung 126 insbesondere im Vergleich zu der Scheibenläuferanordnung. Bei der Innenläuferanordnung gemäß den 7 bis 10 ist ausgehend von der Drehachse 124 zunächst die Bremsscheibe 112, dann der Magnetabschnitt 113 mit den Dauermagneten 117 und nachfolgend der Stator 116 mit den Elektromagneten 122 angeordnet. Der Stator 116 ist radial somit weiter von der Nabe 107 entfernt als die Dauermagnete 117. Im Unterschied dazu ist gemäß der Scheibenläuferanordnung, wie beispielsweise in 2 dargestellt, der Stator 116 radial gleich weit von der Nabe 107 entfernt wie die Dauermagnete 117. Ausgehend von der Drehachse 124 ist ebenfalls zunächst die Bremsscheibe 112 angeordnet. Nachfolgend sind entlang der radialen Richtung 125 sowohl der Magnetabschnitt 113 mit den Dauermagneten 117 als auch der Stator 116 mit den Elektromagneten 122 angeordnet. Diese sind dafür entlang der axialen Richtung 126 nebeneinander angeordnet.
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Die Antriebs- und Bremsvorrichtung 110, 120 in den verschiedenen Ausgestaltungen ermöglicht stets eine Kombination aus elektrischem Antrieb und mechanischer Bremse. Die Antriebs- und Bremsvorrichtung 110, 120 vereint den Elektromotor 200 mit einer Scheibenbremse 112, 115, 123. Der Stator 116 ist ganz oder teilweise in den Bremssattel 115 integriert, sodass die Statoreinheit 114 ausgebildet ist. Der Magnetabschnitt 113, der als Rotor dient, ist ganz oder teilweise in die Bremsscheibe 112 integriert, sodass die Rotoreinheit 111 ausgebildet ist. Die Bremskräfte und die Antriebskräfte werden im Betrieb somit direkt auf die Nabe des Laufrads 101, 102 übertragen. Hierbei ist es möglich, den Elektromotor 200 in verschiedenen Varianten auszugestalten, insbesondere als Scheibenläufer, Innenläufer oder anderem bürstenlosen Elektromotor. Der Stator 116 umspannt gemäß Ausführungsbeispielen lediglich einen Kreisbogen 121 von weniger als 180° oder einen Kreisbogen 121 von mehr als 180°, beispielsweise als gesamtumlaufender Stator 116. Die Antriebs- und Bremsvorrichtung 110, 120 ermöglicht so einen flexiblen Einsatz, eine einfache Montage und Demontage sowie eine bessere Entwärmung als bei herkömmlichen Radnabenmotoren. Zudem kann Gewicht eingespart werden und die Kosten geringer gehalten werden. Ein Antrieb sowohl des Vorderrads 101 als auch des Hinterrads 102 ist einfach realisierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Fahrzeug
- 101, 102
- Laufrad
- 103
- Fahrradrahmen
- 104
- Fahrradgabel
- 106
- Hauptrahmen
- 107
- Nabe
- 110, 120
- Antriebs- und Bremsvorrichtung
- 111
- Rotoreinheit
- 112
- Bremsscheibe
- 113
- Magnetabschnitt
- 114
- Statoreinheit
- 115
- Bremssattel
- 116
- Stator
- 117
- Dauermagnete
- 118
- Haupterstreckungsebene der Dauermagnete
- 119
- Haupterstreckungsebene der Bremsscheibe
- 121
- Kreisbogen
- 122
- Elektromagnet
- 123
- Bremsbelege
- 124
- Achse
- 125
- radiale Richtung
- 126
- axiale Richtung
- 127
- radiale Richtung
- 128
- tangentiale Richtung
- 200
- Elektromotor
