DE102021000407B3 - Electrical auxiliary drive for a bicycle, and an electric bicycle or a bicycle ergometer with such an electrical auxiliary drive - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Hilfsantrieb (10) für ein Fahrrad, insbesondere Pedelec, oder für einen Fahrradergometer und ein Fahrrad, insbesondere Pedelec oder einen Fahrradergometer mit einem solchen Hilfsantrieb. Der elektrische Hilfsantrieb weist einen Stator (12) und einen Rotor (14) auf. Ein von einem Fahrer aufgebrachtes Drehmoment ist über ein Getriebeelement (16) und ein Drehmomentübertragungselement (18) auf den Rotor (14) übertragbar, wobei das Getriebeelement (16) und das Drehmomentübertragungselement (18) in axialer Richtung miteinander gekoppelt sind und koaxial in Bezug auf die Rotationsachse des Rotors angeordnet sind, wobei das Drehmomentübertragungselement (18) zumindest einen magnetostriktiven Bereich (181) aufweist. Eine erste Sensoreinrichtung (20) ist konfiguriert, um ein auf das Drehmomentübertragungselement (18) übertragenes Drehmoment an dem magnetostriktiven Bereich des Drehmomentübertragungselements (18) zu messen und ein daraus resultierendes Drehmomentsignal an eine Steuereinheit (34) des elektrischen Hilfsantriebes (10) zu übertragen, wobei das Drehmomentsignal einem drehmomentinduzierten Magnetfluss an dem magnetostriktiven Bereich (181) entspricht. Die Steuereinheit (34) ist konfiguriert, um aus dem Drehmomentsignal ein Hilfs-Drehmoment für den Fahrer von dem elektrischen Hilfsantrieb zu steuern. Die erste Sensoreinrichtung (34) ist konfiguriert, um den drehmomentinduzierten Magnetfluss an dem Drehmomentübertragungselement (18) von außen an dem magnetostriktiven Bereich (181) des Drehmomentübertragungselements (18) zu messen.The present invention relates to an electric auxiliary drive (10) for a bicycle, in particular a pedelec, or for a bicycle ergometer and a bicycle, in particular a pedelec, or a bicycle ergometer with such an auxiliary drive. The electric auxiliary drive has a stator (12) and a rotor (14). A torque applied by a driver can be transmitted to the rotor (14) via a transmission element (16) and a torque transmission element (18), the transmission element (16) and the torque transmission element (18) being coupled to one another in the axial direction and being coaxial with respect to the axis of rotation of the rotor are arranged, wherein the torque transmission element (18) has at least one magnetostrictive area (181). A first sensor device (20) is configured to measure a torque transmitted to the torque transmission element (18) in the magnetostrictive region of the torque transmission element (18) and to transmit a resulting torque signal to a control unit (34) of the electric auxiliary drive (10), wherein the torque signal corresponds to a torque-induced magnetic flux at the magnetostrictive region (181). The control unit (34) is configured to control an assist torque for the driver from the electric assist drive from the torque signal. The first sensor device (34) is configured to measure the torque-induced magnetic flux on the torque transmission element (18) from the outside on the magnetostrictive region (181) of the torque transmission element (18).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Hilfsantrieb für ein Fahrrad, insbesondere Pedelec, oder für einen Fahrradergometer und ein Fahrrad, insbesondere Pedelec, oder einen Fahrradergometer mit einem solchen elektrischen Hilfsantrieb.The present invention relates to an electric auxiliary drive for a bicycle, in particular a pedelec, or for a bicycle ergometer and a bicycle, in particular a pedelec, or a bicycle ergometer with such an electric auxiliary drive.
Der Einsatz von elektrischen Hilfsantrieben für Fahrzeuge und Fahrräder, zum Beispiel City E-Bikes, Gravel-Bikes und Pedelecs nimmt stetig zu. Bei Pedelecs oder E-Bikes sind die elektrische Hilfsantriebe üblicherweise im Rahmen, sogenannter Mittelmotor, oder an der Hinterradnabe, sogenannter Hinterrad-Nabenmotor, angeordnet. Das von einem Fahrer aufgebrachte Drehmoment und die Winkelgeschwindigkeit beziehungsweise Trittfrequenz sind für die Steuerung eines elektrischen Hilfsantriebs von Bedeutung. Die Erfassung des Drehmoments und der Trittfrequenz ermöglicht eine Erfassung der vom Fahrer aufgebrachten Leistung. Zur harmonischen Ansteuerung eines elektrischen Hilfsantriebs bei Pedelecs und E-Bikes ist bekannt, die vom Fahrer eingebrachte Leistung zu erfassen und daraus mittels eines geeigneten Softwarealgorithmus eine Drehmomentanforderung für den Hilfsantrieb zu generieren.The use of electric auxiliary drives for vehicles and bicycles, such as city e-bikes, gravel bikes and pedelecs, is constantly increasing. In the case of pedelecs or e-bikes, the electric auxiliary drives are usually arranged in the frame, so-called central motor, or on the rear wheel hub, so-called rear-wheel hub motor. The torque applied by a driver and the angular velocity or cadence are important for the control of an electric auxiliary drive. The detection of the torque and the cadence enables the power applied by the driver to be recorded. For the harmonious control of an electric auxiliary drive in pedelecs and e-bikes, it is known to record the power input by the driver and to use a suitable software algorithm to generate a torque request for the auxiliary drive.
Die Drehmomentmessung kann beispielsweise durch Sensoren auf Basis von Dehnmessstreifen erfolgen. Dabei wird unter Verwendung von ein oder mehr direkt an der Welle angebrachten Dehnmesstreifen an der Außenumfangsfläche der Welle eine durch Dehnung verursachte Widerstandsänderung mit einer Brückenschaltung oder anderen wohlbekannten Einrichtung gemessen. Diese sind jedoch infolge der direkten Berührung mit der drehenden Welle fehleranfällig und weisen meist eine hohe mechanische Komplexität auf. Die Signale werden üblicherweise durch Kabelanordnungen an eine Steuereinheit übertragen, was die Montage an einem Pedelec erschwert. Hinzu kommt, dass sie relativ teuer sind.The torque can be measured, for example, by sensors based on strain gauges. Here, using one or more strain gauges attached directly to the shaft, a change in resistance caused by strain is measured on the outer peripheral surface of the shaft with a bridge circuit or other well-known device. However, these are error-prone due to the direct contact with the rotating shaft and usually have a high mechanical complexity. The signals are usually transmitted to a control unit by cable arrangements, which makes assembly on a pedelec more difficult. In addition, they are relatively expensive.
Die Drehmomentmessung mittels berührungslosen Drehmomentsensoren basiert heutzutage zumeist auf dem magnetostriktiven Prinzip. Dieses ermöglicht eine vereinfachte und verbesserte Erfassung des Drehmoments. Magnetostriktion ist eine Eigenschaft ferromagnetischer (eisenbasierter, magnetisierbarer) Werkstoffe, durch die Werkstoffe ihre Form oder Größe ändern, wenn ein Magnetfeld vorhanden ist. Dieser magnetostriktive Effekt kann zur Messung des Drehmoments genutzt werden. Magnetostriktion beruht auf dem Zusammenwirken von Magnetfeldern. Solche Systeme weisen oft einen einfachen mechanischen Aufbau auf und sind zudem kostengünstig herzustellen.Nowadays, torque measurement using non-contact torque sensors is mostly based on the magnetostrictive principle. This enables a simplified and improved detection of the torque. Magnetostriction is a property of ferromagnetic (iron-based, magnetizable) materials that causes materials to change shape or size when a magnetic field is present. This magnetostrictive effect can be used to measure torque. Magnetostriction is based on the interaction of magnetic fields. Such systems often have a simple mechanical structure and are also inexpensive to produce.
US 2013 / 0 049 444 A1 offenbart eine Nabe für ein Fahrrad mit einem Drehmomentübertragungselement, wobei ein Drehmoment auf einen magnetostriktiven Bereich des Drehmomentübertragungselements übertragen wird. Eine Sensoreinrichtung mit mindestens einem Sensor ist im Inneren der Nabe angeordnet, um den drehmomentinduzierten magnetischen Fluss an dem magnetostriktiven Bereich zu messen.US 2013/0 049 444 A1 discloses a hub for a bicycle with a torque transmission element, wherein a torque is transmitted to a magnetostrictive region of the torque transmission element. A sensor device with at least one sensor is arranged inside the hub to measure the torque-induced magnetic flux at the magnetostrictive region.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektrischen Hilfsantrieb sowie ein elektrisches Fahrrad oder ein Fahrradergometer mit einem solchen elektrischen Hilfsantrieb vorzusehen, wobei der Hilfsantrieb in vereinfachter und verbesserter Weise ein Hilfs-Drehmoment durch verbesserte Drehmomentmessung bereitstellt und zudem einen einfachen mechanischen Aufbau und eine kostengünstige Herstellung des elektrischen Hilfsantriebs mit einer Drehmomentmesseinrichtung beziehungsweise Leistungsmesseinrichtung gewährleistet.The object of the invention is to provide an electric auxiliary drive and an electric bicycle or a bicycle ergometer with such an electric auxiliary drive, with the auxiliary drive providing an auxiliary torque in a simplified and improved manner through improved torque measurement and also a simple mechanical structure and inexpensive production of the electric auxiliary drive with a torque measuring device or power measuring device.
Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Hilfsantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein elektrisch betriebenes Fahrrad oder einen Fahrradergometer mit einem solchen elektrischen Hilfsantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.This object is achieved by an electrical auxiliary drive with the features of claim 1 and by an electrically operated bicycle or a bicycle ergometer with such an electrical auxiliary drive with the features of
Entsprechend wird ein elektrischer Hilfsantrieb für ein Fahrrad, insbesondere Pedelec, oder für einen Fahrradergometer vorgeschlagen, aufweisend einen Stator und einen Rotor. Ein von einem Fahrer aufgebrachtes Drehmoment ist über ein Getriebeelement und ein Drehmomentübertragungselement auf den Rotor übertragbar, wobei das Getriebeelement und das Drehmomentübertragungselement in axialer Richtung aneinander angrenzen und koaxial in Bezug auf die Rotationsachse des Rotors angeordnet sind. Das Drehmomentübertragungselement weist zumindest einen magnetostriktiven Bereich auf. Eine erste Sensoreinrichtung ist konfiguriert, um ein auf das Drehmomentübertragungselement übertragenes Drehmoment an dem magnetostriktiven Bereich des Drehmomentübertragungselements zu messen und ein daraus resultierendes Drehmomentsignal an eine Steuereinheit des elektrischen Hilfsantriebes zu übertragen. Das Drehmomentsignal entspricht einem drehmomentinduzierten Magnetfluss an dem magnetostriktiven Bereich. Die Steuereinheit ist konfiguriert, um aus dem Drehmomentsignal ein Hilfs-Drehmoment für den Fahrer von dem elektrischen Hilfsantrieb zu steuern. Die erste Sensoreinrichtung ist konfiguriert, um den drehmomentinduzierten Magnetfluss an dem Drehmomentübertragungselement von außen an dem magnetostriktiven Bereich des Drehmomentübertragungselements zu messen.Accordingly, an electric auxiliary drive for a bicycle, in particular a pedelec, or for a bicycle ergometer is proposed, having a stator and a rotor. Torque applied by a driver can be transmitted to the rotor via a gear element and a torque transmission element, the gear element and the torque transmission element adjoining one another in the axial direction and being arranged coaxially with respect to the axis of rotation of the rotor. The torque transmission element has at least one magnetostrictive area. A first sensor device is configured to measure a torque transmitted to the torque transmission element at the magnetostrictive region of the torque transmission element and to transmit a resulting torque signal to a control unit of the electric auxiliary drive. The torque signal corresponds to a torque-induced magnetic flux at the magnetostrictive region. The controller is configured to control an assist torque to the driver from the electric assist drive from the torque signal. The first sensor device is configured to measure the torque-induced magnetic flux on the torque-transmitting element from the outside at the magnetostrictive region of the torque-transmitting element.
Entgegen den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen kann mit einer derartigen Anordnung von außen an dem Drehmomentübertragungselement das Drehmoment gemessen werden. Dadurch kann die Montage der ersten Sensoreinrichtung vereinfacht werden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass die erste Sensoreinrichtung unmittelbar an einer Leiterplatine des elektrischen Hilfsantriebes fixierbar ist. Dadurch kann eine aufwändige Verkabelung von der Sensoreinrichtung zur Leiterplatine vermieden werden, was wiederum den Montageaufwand für die Drehmomentmessung reduziert.Contrary to the solutions known from the prior art, the torque can be measured from the outside on the torque transmission element with such an arrangement. As a result, the assembly of the first sensor device can be simplified. It is also advantageous that the first sensor device can be fixed directly on a printed circuit board of the electrical auxiliary drive. As a result, complex cabling from the sensor device to the printed circuit board can be avoided, which in turn reduces the effort involved in installing the torque measurement.
Der magnetostriktive Bereich ist so konfiguriert, dass das auf dem Drehmomentübertragungselement aufgebrachte Drehmoment auf den magnetostriktiven Bereich übertragen wird, der mindestens einen magnetisch polarisierten Bereich umfasst. Der magnetostriktive Bereich erstreckt sich dabei zumindest teilweise entlang der Außenumfangsfläche des Drehmomentübertragungselements. Der magnetostriktive Bereich kann mit einer effektiven unaxialen magnetoelastischen Anisotropie ausgestattet und in der Umfangsrichtung magnetisch polarisiert sein, was ein Feld erzeugt, das mit aufgebrachter mechanischer Spannung durch den Drehmomenteintrag variiert. Wenn ein Drehmoment auf das Drehmomentübertragungselement aufgebracht wird, wird die magnetische Umfangsorientierung an dem magnetostriktiven Bereich derart umorientiert, dass eine wendelförmige magnetische Orientierung erzeugt wird, die sowohl Umfangs- als auch Axialkomponenten aufweist. Der magnetostriktive Bereich weist somit ein drehmomentexponiertes magnetisches Material auf, das den drehmomentabhängigen magnetischen Fluss abgibt und durch die erste Sensoreinrichtung messbar ist.The magnetostrictive region is configured such that the torque applied to the torque-transmitting element is transmitted to the magnetostrictive region, which includes at least one magnetically polarized region. The magnetostrictive area extends at least partially along the outer peripheral surface of the torque transmission element. The magnetostrictive region may be endowed with an effective uniaxial magnetoelastic anisotropy and magnetically polarized in the circumferential direction, producing a field that varies with applied stress from the torque input. When torque is applied to the torque-transmitting element, the circumferential magnetic orientation at the magnetostrictive region is reoriented such that a helical magnetic orientation is created that has both circumferential and axial components. The magnetostrictive area thus has a torque-exposed magnetic material, which emits the torque-dependent magnetic flux and can be measured by the first sensor device.
Vorteilhafterweise können die Umfangsmagnetisierungen durch geeignete Konditionierung des Wellenmaterials, z. B. durch Permanent- oder Strommagnete, bereitgestellt werden. Das Drehmomentübertragungselement mit dem magnetostriktiven Bereich ist zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Material gebildet, das geeignet ist, einen magneto-elastischen Effekt zu erzeugen, und insbesondere Nickel (Ni) enthält. Es kann ein Industriestahl wie zum Beispiel X200r13 oder ein ähnliches Material verwendet werden. Bei dieser Art von Drehmomentübertragungselement kann die Umfangsmagnetisierung im Wellenmaterial selbst liegen. Folglich kann das Drehmomentübertragungselement auf ein zusätzliches Hülsen- oder Ringelement verzichten.Advantageously, the circumferential magnetizations can be reduced by suitable conditioning of the shaft material, e.g. B. be provided by permanent or current magnets. The torque transmission element with the magnetostrictive area is formed at least partially from a ferromagnetic material that is suitable for generating a magneto-elastic effect and, in particular, contains nickel (Ni). An industrial steel such as X200r13 or similar material can be used. With this type of torque transmission element, the circumferential magnetization can be in the shaft material itself. Consequently, the torque transmission element can do without an additional sleeve or ring element.
Die erste Sensoreinrichtung ist derart angebracht, dass diese auf die Änderung der ursprünglichen Orientierung der Magnetisierung anspricht. In einem Beispiel können die Sensoren der Sensoreinrichtung derart eingestellt sein, dass diese die Axialkomponente der Magnetisierung misst, um daraus die Höhe des Drehmomenteintrags zu erfassen. Die Änderung der Axialkomponente ist somit proportional zum Drehmomenteintrag auf das Drehmomentübertragungselement, insbesondere im magnetostriktiven Bereich.The first sensor device is mounted in such a way that it is responsive to the change in the original orientation of the magnetization. In one example, the sensors of the sensor device can be set in such a way that it measures the axial component of the magnetization in order to determine the magnitude of the torque input therefrom. The change in the axial component is therefore proportional to the torque applied to the torque transmission element, particularly in the magnetostrictive range.
Das rotierende Drehmomentübertragungselement wird von einer nicht rotierenden festen Achse getragen. Diese kann an einem Rahmen des Fahrrads befestigt werden. Bevorzugt ist das Drehmomentübertragungselement als Hülse ausgestaltet und koaxial gegenüber der festen Achse des elektrischen Hilfsantriebs angeordnet. Die feste Achse bildet zudem die Rotationsachse für den Rotor des elektrischen Hilfsantriebs.The rotating torque-transmitting element is carried by a non-rotating fixed axle. This can be attached to a frame of the bicycle. The torque transmission element is preferably designed as a sleeve and is arranged coaxially with respect to the fixed axis of the electric auxiliary drive. The fixed axis also forms the axis of rotation for the rotor of the electric auxiliary drive.
Durch den Einbau der Drehmomentsensoreinrichtung außerhalb des Tretlagers ist der zugängliche Drehmomentwert nicht auf ein Drehmoment beschränkt, das über die linke oder rechte Tretkurbel, das heißt über eine einzelne Tretkurbel, aufgebracht wird, wie es bei Mittelmotoren üblich ist. Im Gegensatz zu den Drehmomentsensoreinrichtungen, die in der Tretlagerwelle eingebaut sind, kann ein Gesamtwert des Drehmoments, das auf das freilaufende Rad wirkt, ermittelt werden.By installing the torque sensor device outside of the bottom bracket, the accessible torque value is not limited to a torque that is applied via the left or right pedal crank, ie via a single pedal crank, as is usual with mid-motors. In contrast to the torque sensor devices that are installed in the bottom bracket spindle, a total value of the torque acting on the freewheeling wheel can be determined.
Dass der Erfindung zugrunde liegende System generiert aus der Erfassung des Drehmoments das Steuersignal für den Hilfsantrieb. Dadurch wird es möglich, einen elektrischen Hilfsantrieb dynamisch derart zu steuern, dass basierend auf dem erfassten Drehmoment ein Hilfs-Drehmoment vom elektrischen Hilfsantrieb abgegeben wird. Der elektrische Hilfsantrieb verarbeitetet das erfasste Drehmomentsteuersignal, um festzustellen, welches Drehmoment unterstützend an das freilaufende Rad übertragen werden soll. Dabei steuert die Steuereinheit in Abhängigkeit des Drehmomentsignals die Höhe des Hilfs-Drehmoments, das unterstützend vom elektrischen Hilfsantrieb abgegeben werden soll. In Abhängigkeit des abzugebenden Hilfs-Drehmoments regelt die Steuereinheit den Strom mit welchem der Rotor angesteuert wird, um das gewünschte Hilfs-Drehmoment zu erzeugen. Das Hilfs-Drehmoment wird über den Rotor und beispielsweise Speichen auf das freilaufende Rad übertragen. Der Rotor des elektrischen Hilfsantriebes weist Speichenaufnahmen auf, um Speichen an den Rotor zu befestigen.The system on which the invention is based generates the control signal for the auxiliary drive from the detection of the torque. This makes it possible to dynamically control an electric auxiliary drive in such a way that an auxiliary torque is output by the electric auxiliary drive based on the detected torque. The electric assist drive processes the sensed torque command signal to determine what torque to assist in transferring to the freewheeling wheel. Depending on the torque signal, the control unit controls the level of the auxiliary torque that is to be output in support of the electric auxiliary drive. Depending on the auxiliary torque to be delivered, the control unit regulates the current with which the rotor is driven in order to generate the desired auxiliary torque. The auxiliary torque is transmitted to the freewheeling wheel via the rotor and, for example, spokes. The electric power assist rotor has spoke sockets for attaching spokes to the rotor.
Beispielsweise kann die Unterstützung des elektrischen Hilfsantrieb mit einem Hilfs-Drehmoment aktiviert werden, wenn ein Schwellenwert von einem Fahrer aufgebrachtes Drehmoment überschritten wird. Zum Beispiel können die Schwellenwerte des Drehmoments beziehungsweise der Leistung derart eingestellt werden, dass der elektrische Hilfsantrieb den Fahrer mit einem Hilfs-Drehmoment unterstützt, welches im gewünschten Drehmomentbereich gelenkschonend für den Fahrer ist. Im umgekehrten Fall kann auch die Unterstützung des elektrischen Hilfsantriebs deaktiviert werden, wenn das von dem Fahrer aufgebrachte Drehmoment einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.For example, the support of the electric auxiliary drive can be activated with an auxiliary torque when a threshold torque applied by a driver is exceeded. For example, the threshold values of the torque or the power can be set in such a way that the electric auxiliary drive provides the driver with an auxiliary torque supported, which is easy on the driver's joints in the desired torque range. Conversely, support for the electric auxiliary drive can also be deactivated if the torque applied by the driver exceeds a specific threshold value.
Die Steuereinheit ist ein elektronisches Bauteil und kann Teil der Leistungselektronik des elektrischen Hilfsantriebs sein. Die Steuereinheit ist konfiguriert, um die von der Sensoreinrichtung erfassten Daten, insbesondere das Drehmomentsignal, zu erhalten und darauf basierend den elektrischen Hilfsantrieb zu steuern. Dabei kann die Steuereinheit abhängig vom erfassten Drehmomentsignal ein Hilfs-Drehmoment, welches von dem elektrischen Hilfsantrieb als unterstützendes Drehmoment für den Fahrer auf das Fahrrad zugeführt werden soll, einstellen. Darüber hinaus kann die Steuereinheit weitere Daten von weiteren Sensoreinrichtungen erhalten. Beispielsweise kann die Steuereinheit von einer weiteren Sensoreinrichtung die Rotorposition und Winkelgeschwindigkeit des drehenden Systems erfassen. Durch die Erfassung der Winkelgeschwindigkeit kann die Steuereinheit eine abzugebende Leistung des elektrischen Hilfsantriebs regeln. Die Steuereinheit kann beispielsweise derart konfiguriert sein, dass diese nicht mehr als eine vom Fahrer aufgebrachte und/ oder einstellbare Leistung zugibt.The control unit is an electronic component and can be part of the power electronics of the electric auxiliary drive. The control unit is configured to receive the data recorded by the sensor device, in particular the torque signal, and to control the electric auxiliary drive based thereon. Depending on the detected torque signal, the control unit can set an auxiliary torque, which is to be supplied to the bicycle by the electric auxiliary drive as a supporting torque for the rider. In addition, the control unit can receive further data from further sensor devices. For example, the control unit can detect the rotor position and angular velocity of the rotating system from a further sensor device. By detecting the angular velocity, the control unit can regulate the power to be delivered by the electric auxiliary drive. For example, the control unit can be configured in such a way that it does not add more than a power applied and/or adjustable by the driver.
Das Getriebeelement kann die von einem Fahrer ausgeübte Trittkraft übertragen, sodass ein Drehmoment auf ein freilaufendes Rad übertragen werden kann. In einem Beispiel weist das Getriebeelement ein hinteres Zahnradelement (zum Beispiel Kassette mit mehreren Zahnrädern) auf. In einem weiteren Beispiel weist das Getriebeelement einen Freilauf auf. Alternativ kann der Freilauf auch im Tretlager angeordnet ein, sodass der elektrische Hilfsantrieb keinen Freilauf benötigt. Dadurch können Bauteile und deren Montageaufwand im elektrischen Hilfsantrieb reduziert werden.The transmission element can transmit the pedaling force exerted by a driver, so that a torque can be transmitted to a free-wheeling wheel. In one example, the gearing element includes a rear gear element (e.g., multi-gear cassette). In a further example, the transmission element has a freewheel. Alternatively, the freewheel can also be arranged in the bottom bracket, so that the electric auxiliary drive does not require a freewheel. As a result, components and the effort involved in installing them in the electric auxiliary drive can be reduced.
Außerhalb oder von außen ist derart verstehen, dass die Sensoreinrichtung nicht innerhalb des Bereichs zwischen Rotationsachse und des Drehmomentübertragungselement angeordnet ist, sondern außerhalb der Rotationsachse und des Drehmomentübertragungselements angeordnet ist. In anderen Worten ist außen oder außerhalb des Drehmomentübertragungselements derart zu verstehen, dass die Flächennormale der Außenumfangsfläche des Drehmomentübertragungselements, welches koaxial um die Rotationsachse angeordnet ist, von quer in Bezug auf die Rotationsachse weg weist.Outside or from the outside is to be understood in such a way that the sensor device is not arranged within the area between the axis of rotation and the torque transmission element, but is arranged outside of the axis of rotation and the torque transmission element. In other words, outside or outside of the torque transmission element is to be understood in such a way that the surface normal of the outer peripheral surface of the torque transmission element, which is arranged coaxially around the axis of rotation, points away from transversely with respect to the axis of rotation.
Durch die Anordnung der Sensoreinrichtung außerhalb des Drehmomentübertragungselements kann der magnetostriktive Bereich an der Außenumfangsfläche des Drehmomentübertragungselements angeordnet werden. Dadurch kann der drehmomentinduzierte Magnetfluss von außen durch die Sensoreinrichtung gemessen werden. Die Sensormittel sind somit nicht im Inneren einer Nabenanordnung angebracht. Dadurch kann vermieden werden, dass die Signale von in innen liegenden Sensoren über Kabel zu der Steuereinheit geleitet werden müssen. Des Weiteren ist vorteilhaft, dass die Montage der Sensoren zeit- und kosteneffizienter ist. By arranging the sensor device outside of the torque transmission element, the magnetostrictive area can be arranged on the outer peripheral surface of the torque transmission element. As a result, the torque-induced magnetic flux can be measured from the outside by the sensor device. The sensor means are thus not mounted inside a hub assembly. In this way it can be avoided that the signals from internal sensors have to be routed to the control unit via cables. Furthermore, it is advantageous that the installation of the sensors is more time- and cost-efficient.
Der elektrische Hilfsantrieb weist ein Gehäuse mit Seitenwänden auf, um das Innere des elektrischen Hilfsantriebs vor Umwelteinflüssen, insbesondere Nässe und Schmutz zu schützen. Der Stator, insbesondere Statorträger, und der Rotor können dabei teilweise das Gehäuse ausbilden. Dadurch kann insbesondere die Leistungselektronik und die Drehmomentsensoreinrichtung von dem Gehäuse vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Durch die Integration der Sensoreinrichtung in dem elektrischen Hilfsantrieb wird in vorteilhafter Weise ausgenutzt, dass die Sensoreinrichtung im Inneren von Fahrradbauteilen, wie einer Hohlwelle oder einer Nabe, integriert werden müssen, um diese vor Umwelteinflüssen zu schützen. Dadurch kann in signifikanter Weise der mechanische Aufbau für die Drehmomentmessung vereinfacht werden.The electric auxiliary drive has a housing with side walls in order to protect the interior of the electric auxiliary drive from environmental influences, in particular moisture and dirt. The stator, in particular the stator carrier, and the rotor can partially form the housing. As a result, in particular the power electronics and the torque sensor device can be protected from environmental influences by the housing. The integration of the sensor device in the electric auxiliary drive makes use of the fact that the sensor device has to be integrated inside bicycle components, such as a hollow shaft or a hub, in order to protect them from environmental influences. As a result, the mechanical structure for the torque measurement can be simplified in a significant way.
Der elektrische Hilfsantrieb kann ein elektrischer Gleichstrommotor sein, der mit 12 V oder 36V oder 48V Betriebsspannung arbeitet. In einem Beispiel ist der elektrische Hilfsantrieb ein Direktläufermotor.The electric auxiliary drive can be an electric DC motor that works with 12 V or 36 V or 48 V operating voltage. In one example, the electric auxiliary drive is a direct-rotor motor.
Unter dem Begriff Fahrrad im Sinne dieser Beschreibung ist ein Pedelec und alle anderen Arten von Fahrrädern, die einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen elektrischen Hilfsantrieb, aufweisen, zu verstehen. Diese können auch als E-Bike bezeichnet werden. Unter dem Begriff Fahrrad sind auch Lastenfahrräder mit einer Vorder- und oder Hinterachse mit mindestens zwei freilaufenden Rädern zu verstehen.The term bicycle in the sense of this description means a pedelec and all other types of bicycles that have an electric drive, in particular an electric auxiliary drive. These can also be referred to as e-bikes. The term bicycle also includes cargo bikes with a front and/or rear axle with at least two free-wheeling wheels.
Der Begriff drehfest wird dahingehend verstanden, dass ein Bauteil mit einem anderen Bauteil fixiert ist und keine relative Bewegung gegenüber diesem anderen Bauteil hat.The term non-rotatable is understood to mean that one component is fixed to another component and has no relative movement with respect to this other component.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Drehmomentübertragungselement eine Hohlwelle und eine Messhülse auf, welche koaxial gegenüber der Rotationsachse des Rotors angeordnet sind. Die Messhülse ist in Bezug auf die Hohlwelle und die Rotationsachse außen angeordnet und weist den magnetostriktiven Bereich auf. Die Hohlwelle ist mit dem Getriebeelement und der Messhülse drehfest gekoppelt, sodass das Drehmoment auf die Messhülse übertragbar ist.According to one embodiment, the torque transmission element has a hollow shaft and a measuring sleeve, which are arranged coaxially with respect to the axis of rotation of the rotor. The measuring sleeve is arranged on the outside in relation to the hollow shaft and the axis of rotation and has the magnetostrictive area. The hollow shaft is non-rotatably coupled to the gear element and the measuring sleeve, so that the torque can be transmitted to the measuring sleeve.
Die Messhülse ist somit als eine separate Hülse zu verstehen, die die Hohlwelle umschließt. Bei dieser Art von Drehmomentübertragungselement liegt die Umfangsmagnetisierung lediglich in der Messhülse, um den magnetostriktiven Bereich zu bilden.The measuring sleeve is therefore to be understood as a separate sleeve that encloses the hollow shaft. With this type of torque transmission element, the circumferential magnetization is only in the measuring sleeve to form the magnetostrictive area.
Das Drehmoment wird über das Getriebeelement auf die Hohlwelle übertragen, welche drehfest mit der Messhülse gekoppelt ist. Das rotierende System besteht somit im Wesentlichen aus dem Getriebeelement, der Hohlwelle, der Messhülse und dem Rotor. Beim Drehmomenteintrag auf die Messhülse kommt es zu einer Verwindung des magnetostriktiven Bereichs und somit zu einer Änderung der Magnetisierung. Der magnetostriktive Bereich ist so konfiguriert, dass das auf die Messhülse aufgebrachte Drehmoment auf den magnetostriktiven Bereich übertragen wird, der mindestens einen magnetisch polarisierten Bereich umfasst. Der magnetostriktive Bereich erstreckt sich dabei zumindest teilweise entlang der Außenumfangsfläche der Messhülse. Vorteilhafterweise können die Umfangsmagnetisierungen durch geeignete Konditionierung des Wellenmaterials, z. B. durch Permanent- oder Strommagnete, bereitgestellt werden. Dadurch werden Umfangsmagnetisierungen erzeugt, die mit einem magnetoelastischen Sensor erfasst werden können. Die Messhülse ist zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Material gebildet, das geeignet ist, einen magneto-elastischen Effekt zu erzeugen, und insbesondere Nickel (Ni) enthält. Es kann ein Industriestahl wie zum Beispiel X200r13 oder ein ähnliches Material verwendet werden. In dieser Ausführung braucht lediglich die Messhülse aus einem solchen Material bestehen. Dadurch kann der magnetostriktive Bereich kostengünstiger hergestellt werden.The torque is transmitted via the gear element to the hollow shaft, which is non-rotatably coupled to the measuring sleeve. The rotating system essentially consists of the gear element, the hollow shaft, the measuring sleeve and the rotor. When the torque is applied to the measuring sleeve, the magnetostrictive area is twisted and the magnetization changes as a result. The magnetostrictive portion is configured such that the torque applied to the measurement sleeve is transferred to the magnetostrictive portion, which includes at least one magnetically polarized portion. The magnetostrictive area extends at least partially along the outer peripheral surface of the measuring sleeve. Advantageously, the circumferential magnetizations can be reduced by suitable conditioning of the shaft material, e.g. B. be provided by permanent or current magnets. This generates circumferential magnetizations that can be detected with a magnetoelastic sensor. The measuring sleeve is formed at least partially from a ferromagnetic material that is suitable for generating a magneto-elastic effect and contains, in particular, nickel (Ni). An industrial steel such as X200r13 or similar material can be used. In this embodiment, only the measuring sleeve needs to be made of such a material. As a result, the magnetostrictive area can be manufactured more cost-effectively.
Die Sensoreinrichtung ist derart eingestellt, dass eine drehmomentinduzierte Änderung der Magnetisierung im magnetostriktiven Bereich messbar ist.The sensor device is set in such a way that a torque-induced change in magnetization can be measured in the magnetostrictive range.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Sensoreinrichtung drehfest an dem Stator angeordnet. Die Sensoreinrichtung weist somit eine feste Zuordnung zum Stator auf, wobei der Stator eine feste Anordnung zum Rahmen des Fahrrads, insbesondere Pedelecs aufweist.According to one embodiment, the sensor device is arranged on the stator in a rotationally fixed manner. The sensor device thus has a fixed assignment to the stator, the stator having a fixed arrangement to the frame of the bicycle, in particular the pedelec.
Gemäß einer Ausführungsform misst die Sensoreinrichtung den drehmomentinduzierten Magnetfluss an dem magnetostriktiven Bereich kontaktlos.According to one embodiment, the sensor device measures the torque-induced magnetic flux at the magnetostrictive area in a contactless manner.
Kontaktlos kann auch als berührungslos verstanden werden.Contactless can also be understood as non-contact.
Die Sensoreinrichtung weist mindestens einen magnetoelastischen Sensor auf. In einem Beispiel basiert dieser auf einer sogenannten inversen Magnetostriktion, das heißt die Messung der Änderung der Magnetisierungen wird durch mechanische Spannungen in Folge der Torsion an dem Drehmomentübertragungselement erfasst. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine magnetoelastische Sensor ein Vektorsensor. Insbesondere ist der Vektorsensor einer der folgenden: ein Hall-Effekt, ein Magnetowiderstand, ein Magnetotransistor, eine Magnetodiode oder ein MAGFET-Sensor. Der Magnetfeldsensor ist insbesondere ein Fluxgate-Magnetometer. Diese Magnetfeldsensoren haben sich als besonders geeignet für den Einsatz in einem elektrischen Hilfsantrieb erwiesen.The sensor device has at least one magnetoelastic sensor. In one example, this is based on what is known as inverse magnetostriction, ie the change in magnetization is measured by mechanical stresses as a result of the torsion on the torque transmission element. According to a further embodiment of the invention, the at least one magnetoelastic sensor is a vector sensor. In particular, the vector sensor is one of the following: a Hall effect, a magnetoresistance, a magnetotransistor, a magnetodiode, or a MAGFET sensor. The magnetic field sensor is in particular a fluxgate magnetometer. These magnetic field sensors have proven to be particularly suitable for use in an electric auxiliary drive.
In einem Beispiel weist die Sensoreinrichtung mindestens einen Magnetfeldsensor auf. Vorzugsweise werden vier Magnetfeldsensoren verwendet, wobei zwei diametral gegenüber zu den beiden anderen in Bezug auf das Drehmomentübertragungselement angeordnet sind. Dadurch kann die Genauigkeit der Drehmomentmessung verbessert werden.In one example, the sensor device has at least one magnetic field sensor. Preferably four magnetic field sensors are used, two being arranged diametrically opposite to the other two with respect to the torque transmission element. This can improve the accuracy of the torque measurement.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Sensoreinrichtung und die Steuereinheit mit einer Leiterplatine verbunden, welche mit dem Stator drehfest verbunden ist. Der Stator kann zudem auch die stationäre Fixierung für die Steuereinheit des elektrischen Hilfsantriebs bereitstellen. Somit kann in vorteilhafter Weise die Sensoreinrichtung, zum Beispiel eine Sensorplatine, mit der Steuereinheit, welche auf einer Leiterplatine bereitgestellt ist, zu einer Baugruppe vereint werden. Dadurch kann der mechanische und der schalltechnische Aufbau für die Drehmomentmessung vereinfacht werden.According to one embodiment, the sensor device and the control unit are connected to a printed circuit board, which is non-rotatably connected to the stator. The stator can also provide the stationary fixation for the control unit of the electric auxiliary drive. The sensor device, for example a sensor circuit board, can thus advantageously be combined with the control unit, which is provided on a circuit board, to form one assembly. As a result, the mechanical and acoustic engineering structure for the torque measurement can be simplified.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein magnetisierter Polring vorgesehen, um die Rotorposition zu messen. Der Polring ist koaxial um die Rotationsachse angeordnet, wobei der magnetisierte Polring drehfest mit dem Rotor oder dem Drehmomentübertragungselement oder einem Drehmomentabstützelement verbunden ist.According to one embodiment, a magnetized pole ring is provided to measure rotor position. The pole ring is arranged coaxially around the axis of rotation, the magnetized pole ring being non-rotatably connected to the rotor or the torque transmission element or a torque support element.
Für den effizienten Betrieb des elektrischen Hilfsantriebs sind neben der Erfassung des Drehmoments die Erfassung der Winkelgeschwindigkeit und der Rotorposition von Bedeutung. Die Leistung ist ein Produkt aus Winkelgeschwindigkeit und Drehmoment. Dadurch kann die Leistung bestimmt werden. Zum einen kann die Leistung bestimmt werden, die ein Fahrer ausübt. Zum anderen kann darauf basierend die Leistung des elektrischen Hilfsantriebs in Abhängigkeit des gewünschten Hilfs-Drehmoments bestimmt werden. Des Weiteren kann die Winkelgeschwindigkeitsmessung dazu verwendet werden, die Geschwindigkeit des Fahrrads, die von dem Fahrer zurückgelegte Distanz, sowie andere gewünschte Parameter zu messen. Die schnelle und exakte Erfassung der Rotorposition ist von Bedeutung, um festzustellen, wie der Rotor, beziehungsweise die einzelnen Rotorwicklungen, in Bezug auf den Stator stehen. Für eine effiziente und direkte Aufbringung des Hilfs-Drehmoments ist es wünschenswert, dass diejenige Rotorwicklung des Rotors bestromt wird, die am Besten in Bezug auf den Stator (zum Beispiel zentriert über einem Permanentmagneten des Stators) positioniert ist. Dies ist insbesondere beim Anfahren oder in einer Steigung von Relevanz, da in diesen Situationen eine direkte und effiziente Unterstützung des Fahrers mit dem Hilfs-Drehmoment das Anfahren unmittelbar erleichtert.For the efficient operation of the electric auxiliary drive, in addition to the detection of the torque, the detection of the angular velocity and the rotor position are important. Power is a product of angular velocity and torque. This allows performance to be determined. On the one hand, the power exerted by a driver can be determined. On the other hand, based on this, the power of the electric auxiliary drive can be determined as a function of the desired auxiliary torque. Furthermore, the angular velocity measurement can be used to determine the speed of the bicycle, the distance traveled by the rider, and other desired ones to measure parameters. The fast and accurate detection of the rotor position is important in order to determine how the rotor, or the individual rotor windings, are in relation to the stator. For efficient and direct application of the auxiliary torque, it is desirable that the rotor winding of the rotor which is best positioned with respect to the stator (e.g. centered over a permanent magnet of the stator) is energized. This is particularly relevant when starting off or on an incline, since in these situations direct and efficient support for the driver with the auxiliary torque immediately facilitates starting off.
In dem Stand der Technik sind sensorlose, aber auch sensorbehaftete Umsetzungen bekannt. Sensorbehaftete Systeme haben den Vorteil, dass diese eine Rotorposition erfassen können, sobald der Rotor in Bewegung ist. Dadurch kann die Rotorposition schnell bestimmt werden und die Rotorwicklung ausfindig gemacht werden, die am Besten in Bezug auf den Stator positioniert ist. Sensorlose Systeme hingegen können eine Rotorposition erst ab einer vollen, zumindest teilweisen Umdrehung des rotierenden Systems messen. Sensorbehaftete Umsetzungen sind insbesondere bei elektrischen Hilfsantrieben, welche in einem Hinterrad, insbesondere an einer Hinterradnabe, angeordnet sind, von Bedeutung, da diese bei geringer Drehzahl laufen und die effiziente Nutzung des elektrischen Hilfsantriebs von der direkten und exakten Messung der Rotorposition abhängt.In the prior art, sensorless implementations, but also implementations with sensors, are known. Systems with sensors have the advantage that they can detect a rotor position as soon as the rotor is in motion. This allows the rotor position to be quickly determined and the rotor winding best positioned in relation to the stator to be located. Sensorless systems, on the other hand, can only measure a rotor position after a full or at least partial revolution of the rotating system. Sensor-based conversions are particularly important for electric auxiliary drives, which are arranged in a rear wheel, in particular on a rear wheel hub, since they run at low speeds and the efficient use of the electric auxiliary drive depends on the direct and precise measurement of the rotor position.
Üblicherweise werden zur Positionsbestimmung des Rotors von elektrischen Hilfsantrieben, insbesondere Außenläufermotoren, Sensoren, zum Beispiel Hall-Elemente, in Nut-Kerben im Stator in der Nähe der Rotoren angeordnet. Die Nut-Kerben beziehungsweise die Sensoren liegen am Außenradius des Stators. Die Magnete des Rotors erzeugen die für die Messung der Winkelgeschwindigkeit durch die Sensoren benötigten Magnetfelder. Entsprechend der Anordnung der Hall-Elemente und einer mathematischen Transformation lässt sich die Position des Rotors bestimmen. Die Übertragung der Positionssignale wird dabei kabelgebunden an eine Steuereinheit übertragen, insbesondere wird die elektrisch-mechanische Verbindung mittels Steckverbinder oder Lötanschlüssen gewährleistet. Zusätzlich ist der Einsatz von Klebstoffen zur Reduzierung mechanischer Belastungen oder dem Abschwingen üblich und erfordert zusätzliche Bearbeitungsschritte.In order to determine the position of the rotor of electrical auxiliary drives, in particular external rotor motors, sensors, for example Hall elements, are usually arranged in notches in the stator in the vicinity of the rotors. The slot notches or the sensors are located on the outer radius of the stator. The rotor magnets generate the magnetic fields required for the sensors to measure the angular velocity. The position of the rotor can be determined according to the arrangement of the Hall elements and a mathematical transformation. The transmission of the position signals is wired to a control unit, in particular the electrical-mechanical connection is ensured by means of plug connectors or soldered connections. In addition, the use of adhesives to reduce mechanical stress or vibration is common and requires additional processing steps.
Durch den vorgeschlagenen Polring kann der Ort der Messung in Richtung der Rotationsachse transferiert werden. Die Messung der Winkelgeschwindigkeit ist somit nicht mehr auf die Magnetpole des Rotors angewiesen. Der magnetisierte Polring weist eine Vielzahl von Polpaaren auf. Vorzugsweise weist der Polring eine Polpaarzahl gleich der Polpaarzahl des Rotors auf. Die für die Messung der Winkelgeschwindigkeit benötigten Sensoren, zum Beispiel Hall-Elemente sind vorzugsweise auf einer am Stator befestigten Leiterplatine in der Nähe des Polrings angeordnet.The proposed pole ring allows the location of the measurement to be transferred in the direction of the axis of rotation. The measurement of the angular velocity is therefore no longer dependent on the magnetic poles of the rotor. The magnetized pole ring has a large number of pole pairs. The pole ring preferably has a number of pole pairs equal to the number of pole pairs of the rotor. The sensors required for measuring the angular velocity, for example Hall elements, are preferably arranged on a printed circuit board attached to the stator in the vicinity of the pole ring.
Die Variante der Positionserfassung mittels Polring nahe der Rotationsachse ermöglicht somit eine sehr kompakte, integrierte und störungsarme Messung der Winkelgeschwindigkeit.The variant of position detection using a pole ring near the axis of rotation thus enables a very compact, integrated and low-interference measurement of the angular velocity.
Alternativ kann die Messung der Winkelgeschwindigkeit auch mittels Quadratur-Encoder (QEP) erfolgen. Diese Sensortechnologie ist jedoch oft deutlich teurer und liefert erst nach einer vollen Rotorumdrehung ein verwertbares Positionssignal.Alternatively, the angular velocity can also be measured using a quadrature encoder (QEP). However, this sensor technology is often significantly more expensive and only delivers a usable position signal after a full revolution of the rotor.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Pohlring aufgespritzt. Dadurch kann auf einfache Weise ohne weitere Verbindungsmittel ein Polring an einem Bauteil des rotatorischen Systems angebracht werden.According to one embodiment, the pole ring is sprayed on. As a result, a pole ring can be attached to a component of the rotary system in a simple manner without additional connecting means.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine zweite Sensoreinrichtung mit der Steuereinheit verbunden, um die Position des Pohlrings durch Änderung des vom Polring emittierenden Magnetfelds, vorzugsweise kontaktlos, zu erfassen.According to one embodiment, a second sensor device is connected to the control unit in order to detect the position of the pole ring by changing the magnetic field emitted by the pole ring, preferably without contact.
Die zweite Sensoreinrichtung kann mindestens einen Hall-Sensor aufweisen, um ein Positionssignal zu generieren, wenn der Sensor ein durch die Pole des Polrings emittierenden Magnetfelds erfasst. Dabei ist der mindestens eine Hall-Sensor direkt an der Leiterplatine, welche am Stator fest fixiert ist, angeordnet.The second sensor device can have at least one Hall sensor in order to generate a position signal when the sensor detects a magnetic field emitting through the poles of the pole ring. The at least one Hall sensor is arranged directly on the printed circuit board, which is firmly fixed to the stator.
Die Lage des zumindest einen Hall-Elements ist mit der Lage des magnetisierten Polrings derart abgestimmt, dass das zumindest eine Hall-Element den gleichen radialen Abstand wie die Pole des Polrings in Bezug auf die Rotationsachse besitzt. Somit stehen sich zumindest ein Pol eines Polpaares und ein Hall-Element im Zeitpunkt der Messung in einem geringen Abstand in axialer Richtung gegenüber. In einem weiteren Beispiel können eine Vielzahl von Hall-Elementen auf der Leiterplatine angeordnet sein. Dabei sind die Hall-Elemente in einer Kreisbahn auf der Leiterplatine angeordnet. Der Radius der Kreisbahn, auf der die Hall-Elemente angeordnet sind, entspricht somit im Wesentlichen dem mittleren Radius des Polrings.The position of the at least one Hall element is coordinated with the position of the magnetized pole ring in such a way that the at least one Hall element has the same radial spacing as the poles of the pole ring in relation to the axis of rotation. Thus, at least one pole of a pole pair and a Hall element face each other at a small distance in the axial direction at the time of the measurement. In a further example, a multiplicity of Hall elements can be arranged on the printed circuit board. The Hall elements are arranged in a circular path on the printed circuit board. The radius of the circular path on which the Hall elements are arranged thus essentially corresponds to the mean radius of the pole ring.
Durch die Anordnung der Hall-Elemente auf der Leiterplatine entfällt im Vergleich zu den bekannten Lösungen der Messung der Winkelgeschwindigkeit am Außenradius des Stators der Bedarf einer weiteren Platine zur Aufnahme der Sensoren, insbesondere Hall-Elemente. Die Sensoren können somit unmittelbar auf der Leiterplatine der Leistungselektronik angeordnet, insbesondere verlötet werden. Auf diese Weise entfällt die Notwendigkeit von Kabeln und/ oder weiteren Steckverbindern. Zudem sind die Bauteile und Übertragungswege starr und fest verbaut, was den mechanischen Aufbau verbessert. Des Weiteren können auch die Herstellungskosten durch eine bessere Automatisierbarkeit und den Wegfall von Arbeitsschritten wie zum Beispiel dem Einkleben der Sensoren oder dem nachträglichen Aufbringen von Klebemasse zur Fixierung von Kabeln und Leitungen reduziert werden. Durch den Wegfall von Steckverbindern wird ebenso die Betriebssicherheit gesteigert.The arrangement of the Hall elements on the printed circuit board eliminates the need for an additional circuit board to accommodate the sensors, in comparison to the known solutions for measuring the angular velocity on the outer radius of the stator special Hall elements. The sensors can thus be arranged directly on the circuit board of the power electronics, in particular soldered. This eliminates the need for cables and/or other connectors. In addition, the components and transmission paths are rigid and firmly installed, which improves the mechanical structure. Furthermore, the production costs can also be reduced through better automation and the omission of work steps such as gluing in the sensors or the subsequent application of adhesive to fix cables and lines. The omission of plug connectors also increases operational reliability.
Der Polring ermöglicht somit eine direkte Anordnung der Sensoren, insbesondere Hall-Elemente an der Leistungselektronik. Dadurch kann auf eine Anordnung der Sensoren am Außenradius des Stators verzichtet werden. Somit lässt sich die Rotorposition beziehungsweise die Winkelgeschwindigkeit des Rotors mit nur einem zusätzlichen Sensor auf der Leiterplatine erfassen. Dadurch kann der mechanische Aufbau für die Messung der Winkelgeschwindigkeit vereinfacht und kostengünstiger hergestellt werden.The pole ring thus enables the sensors, in particular Hall elements, to be arranged directly on the power electronics. This eliminates the need to arrange the sensors on the outer radius of the stator. In this way, the rotor position or the angular velocity of the rotor can be detected with just one additional sensor on the printed circuit board. As a result, the mechanical structure for measuring the angular velocity can be simplified and manufactured more cost-effectively.
Gemäß einer Ausführungsform ist der elektrische Hilfsantrieb unmittelbar in einem freilaufenden Hinterrad eines Fahrrads angeordnet, sodass ein Hilfs-Drehmoment über den Rotor an das freilaufende Hinterrad übertragbar ist.According to one embodiment, the electric auxiliary drive is arranged directly in a free-wheeling rear wheel of a bicycle, so that an auxiliary torque can be transmitted via the rotor to the free-wheeling rear wheel.
Durch die unmittelbare Integration am Hinterrad bildet die Achse des elektrischen Hilfsantriebes zugleich die Achse des freilaufenden Rades ab. Zudem bilden das Drehmomentübertragungselement und der Rotor die Nabe des freilaufenden Rades ab. Dadurch können die Anzahl der Bauteile reduziert werden und die Komplexität der Drehmomentmessung reduziert werden.Due to the direct integration on the rear wheel, the axis of the electric auxiliary drive forms the axis of the free-wheeling wheel at the same time. In addition, the torque transmission element and the rotor form the hub of the freewheeling wheel. As a result, the number of components can be reduced and the complexity of the torque measurement can be reduced.
Gemäß einer Ausführungsform ist der elektrische Hilfsantrieb mit einem zweiten Getriebeelement verbindbar, sodass das Hilfs-Drehmoment über das zweite Getriebeelement an das freilaufende Hinterrad übertragbar ist.According to one embodiment, the electric auxiliary drive can be connected to a second transmission element, so that the auxiliary torque can be transmitted to the freewheeling rear wheel via the second transmission element.
In einer solchen Anordnung ist der elektrische Hilfsantrieb an einer Rahmenstruktur eines Fahrrads, insbesondere eines Pedelecs zwischen dem Tretlager und der Hinterachse angeordnet. Dabei wird das von einem Fahrer aufgebrachte Drehmoment über das erste Getriebeelement auf den elektrischen Hilfsantrieb übertragen und über ein zweites Getriebeelement auf zumindest ein freilaufendes Hinterrad übertragen. In einem Beispiel kann das Pedelec eine Hinterachse mit zwei freilaufenden Rädern aufweisen. In dieser Anordnung wird das Drehmoment über das zweite Getriebeelement und vorzugsweise ein Differenzial auf die freilaufenden Hinterräder übertragen.In such an arrangement, the electric auxiliary drive is arranged on a frame structure of a bicycle, in particular a pedelec, between the bottom bracket and the rear axle. The torque applied by a driver is transmitted via the first transmission element to the electric auxiliary drive and is transmitted via a second transmission element to at least one freewheeling rear wheel. In one example, the pedelec can have a rear axle with two free-wheeling wheels. In this arrangement, the torque is transmitted to the free-wheeling rear wheels via the second transmission element and preferably a differential.
Wenn der elektrische Hilfsantrieb aktiviert ist, wird ein Gesamtdrehmoment aus einem vom Fahrer aufgebrachten Drehmoment und dem Hilfsdrehmoment des elektrischen Hilfsantriebs auf das zumindest eine freilaufende Hinterrad übertragen. Wenn der elektrische Hilfsantrieb deaktiviert ist, wird das von einem Fahrer aufgebrachte Drehmoment nicht durch den elektrischen Hilfsantrieb unterstützt, jedoch über das erste Getriebeelement über den elektrischen Hilfsantrieb und das zweite Getriebeelement auf das zumindest eine freilaufende Hinterrad übertragen.If the electric auxiliary drive is activated, a total torque from a torque applied by the driver and the auxiliary torque of the electric auxiliary drive is transmitted to the at least one freewheeling rear wheel. If the electric auxiliary drive is deactivated, the torque applied by a driver is not supported by the electric auxiliary drive, but is transmitted via the first gear element via the electric auxiliary drive and the second gear element to the at least one freewheeling rear wheel.
In einem weiteren Beispiel kann der elektrische Hilfsantrieb an einer Rahmenstruktur eines Fahrrads, insbesondere eines Pedelecs im Tretlager oder zwischen dem Tretlager und der Hinterachse angeordnet sein, wobei der elektrische Hilfsantrieb über das erste Getriebeelement verbunden ist, um das aufgebrachte Drehmoment des Fahrers zu erfassen und daraus das Hilfs-Drehmoment gemäß der Erfindung abzuleiten beziehungsweise zu regeln. Der elektrische Hilfsantrieb beziehungsweise die Steuereinheit kann das Hilfsdrehmoment durch ein elektrisches Signal an zumindest einen Motor, welcher an der Hinterachse oder an einem freilaufenden Hinterrad oder jeweils an einem freilaufenden Hinterrad angeordnet ist, mit dem gewünschten Hilfs-Drehmoment ansteuern. Eine Übertragung des Hilfsdrehmoments durch ein zweites Getriebeelement entfällt gemäß dieser Anordnung. Des Weiteren ist vorteilhaft, dass die Kette, welche das erste Getriebeelement und das Tretlager koppelt, kürzer ausgeführt werden kann, da der Abstand zwischen dem ersten Getriebeelement und dem Tretlager im Vergleich zu einer Anordnung des elektrischen Hilfsantriebes im Hinterrad oder an der Hinterachse kürzer ist. Des Weiteren wird auch keine Kette für die Übertragung des Hilfs-Drehmoments auf die Hinterachse benötigt, da das Hilfs-Drehmoment als elektrisches Signal an den zumindest einen Motor übertragen wird Der elektrische Hilfsantrieb fungiert in dieser Anordnung neben der Drehmomentmessung als Generator und kann zur elektrischen Versorgung einer Fahrradbatterie genutzt werden. Die Übertragung des Hilfs-Drehmoments wird über das elektrische Signal an den zumindest einen Motor übertragen.In a further example, the electric auxiliary drive can be arranged on a frame structure of a bicycle, in particular a pedelec in the bottom bracket or between the bottom bracket and the rear axle, the electric auxiliary drive being connected via the first transmission element in order to detect the torque applied by the driver and from it derive or regulate the auxiliary torque according to the invention. The electric auxiliary drive or the control unit can control the auxiliary torque with the desired auxiliary torque by an electrical signal to at least one motor which is arranged on the rear axle or on a free-wheeling rear wheel or on a free-wheeling rear wheel. According to this arrangement, the auxiliary torque is not transmitted by a second transmission element. Furthermore, it is advantageous that the chain, which couples the first transmission element and the bottom bracket, can be made shorter since the distance between the first transmission element and the bottom bracket is shorter compared to an arrangement of the electric auxiliary drive in the rear wheel or on the rear axle. Furthermore, no chain is required to transmit the auxiliary torque to the rear axle, since the auxiliary torque is transmitted to the at least one motor as an electrical signal a bicycle battery can be used. The transmission of the auxiliary torque is transmitted to the at least one motor via the electrical signal.
Weiterhin wird ein elektrisch betriebenes Fahrrad, insbesondere Pedelec oder ein Fahrradergometer vorgeschlagen, das einen elektrischen Hilfsantrieb und eine Batterie aufweist. Die Batterie ist konfiguriert, um den elektrischen Hilfsantrieb mit Energie zu versorgen.Furthermore, an electrically operated bicycle, in particular a pedelec or a bicycle ergometer, is proposed, which has an electric auxiliary drive and a battery. The battery is configured to power the electric assist drive.
Basierend auf das vom Fahrer aufgebrachte ermittelte Drehmoment kann ein Hilfs-Drehmoment, welches vom elektrischen Hilfsantrieb zur Unterstützung des Fahrers dient, an das Fahrrad bereitgestellt werden. Dies ist vorteilhaft für den Betrieb und die Steuerung des elektrischen Hilfsantriebs.Based on the determined torque applied by the driver, an auxiliary torque, which is used by the electric auxiliary drive to support the driver, can be provided to the bicycle. This is advantageous for the operation and control of the electric auxiliary drive.
In einem weiteren Beispiel kann der elektrische Hilfsantrieb für einen Fahrradergometer oder Hometrainer verwendet werden. Der Fahrer treibt dabei den Rotor des elektrischen Hilfsantriebes an. Die Steuereinheit ist derart konfiguriert, dass der Tretwiderstand für einen Anwender des Fahrradergometers durch Veränderung eines Magnetfeldes, welches durch den elektrischen Hilfsantrieb erzeugt wird, einstellbar ist. In einem Beispiel kann die Steuereinheit konfiguriert sein, den Strom auf die Rotorwicklungen derart einzustellen, um die Stärke des Magnetfeldes zu regeln.. Dadurch ist es möglich verschiedene Trainingsintensitäten einzustellen beziehungsweise zu simulieren. Zum Beispiel kann damit ein Training eingestellt werden, bei dem der Fahrer mit einer konstanten Leistung (zum Beispiel 150W) trainiert. In einem anderen Beispiel können unterschiedliche Fahrsituationen wie Steigungen am Berg, Abfahrten oder verschiedene Windverhältnisse durch Einstellung der jeweiligen Tretwiederstände über die Steuereinheit simuliert werden. In einem weiteren Beispiel kann eine zusätzliche Schwungmasse mit dem Rotor gekoppelt sein, um die Gewichtsverteilung der rotierenden Masse zu verbessen und ein realistisches Fahrgefühl zu bieten.In a further example, the electric auxiliary drive can be used for a bicycle ergometer or home trainer. The driver drives the rotor of the electric auxiliary drive. The control unit is configured in such a way that the pedaling resistance for a user of the bicycle ergometer can be adjusted by changing a magnetic field which is generated by the electric auxiliary drive. In one example, the control unit can be configured to set the current to the rotor windings in such a way as to regulate the strength of the magnetic field. This makes it possible to set or simulate different training intensities. For example, a training can be set in which the driver trains with a constant power (e.g. 150W). In another example, different driving situations such as uphill gradients on mountains, descents or different wind conditions can be simulated by setting the respective pedaling resistance via the control unit. In another example, an additional flywheel mass may be coupled to the rotor to improve the weight distribution of the rotating mass and provide a realistic driving experience.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.Further advantages and features of the present invention can be seen from the following description of preferred exemplary embodiments. The features described there can be implemented on their own or in combination with one or more of the features set out above, insofar as the features do not contradict one another. The following description of preferred exemplary embodiments is carried out with reference to the accompanying drawings.
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1A-1B zeigen eine perspektivische Ansicht und eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Hilfsantriebs gemäß einer Ausführungsform, -
2 zeigt eine Schnittansicht des elektrischen Hilfsantriebs gemäß einer Ausführungsform; -
3A-3B zeigen zwei alternative Ausführungsformen für die Anordnung eines Polrings des erfindungsgemäßen Hilfsantriebs in jeweils einer Schnittansicht, und -
4 zeigt eine alternative Anordnung des elektrischen Hilfsantriebs an einem Pedelec mit einer zweirädrigen Hinterachse gemäß einer Ausführungsform.
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1A-1B show a perspective view and a side view of an auxiliary drive according to the invention according to one embodiment, -
2 shows a sectional view of the electric auxiliary drive according to an embodiment; -
3A-3B show two alternative embodiments for the arrangement of a pole ring of the auxiliary drive according to the invention, each in a sectional view, and -
4 shows an alternative arrangement of the electric auxiliary drive on a pedelec with a two-wheel rear axle according to one embodiment.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. Elements that are the same, similar or have the same effect are provided with identical reference symbols in the different figures, and a repeated description of these elements is sometimes dispensed with in order to avoid redundancies.
Der erfindungsgemäße elektrische Hilfsantrieb 10 kann in einer ersten Ausführungsform unmittelbar an einem freilaufenden Hinterrad (nicht gezeigt) angeordnet sein, sodass ein Hilfs-Drehmoment über den Rotor 14 an das freilaufende Hinterrad übertragbar ist. In dieser Ausgestaltung wird das von einem Fahrradfahrer auf die Pedale und den Tretkurbeln aufgebrachte Drehmoment über das Getriebeelement 16 auf den Rotor 14 übertragen. Der Rotor weist dabei eine Vielzahl von Speichenaufnahmen 141 auf, die eine Felge des Hinterrads (nicht gezeigt) über Speichen mit dem Rotor 14 verbindet. Der elektrische Hilfsantrieb 10 ist in dieser Anordnung um eine feste Achse 17 (siehe Schnittansicht A-A in zum Beispiel
Der elektrische Hilfsantrieb 10 weist ein Gehäuse 11 mit Seitenwänden auf, um das Innere des elektrischen Hilfsantriebs 10 vor Umwelteinflüssen, insbesondere Nässe und Schmutz zu schützen. Der Rotor 14 und der Statorträger können dabei teilweise das Gehäuse 11 ausbilden. Dadurch kann insbesondere die Leistungselektronik und die Drehmomentsensoreinrichtung von dem Gehäuse 11 vor Umwelteinflüssen geschützt werden.The electric
Das der Erfindung zugrunde liegende System generiert aus der Erfassung des Drehmoments das Steuersignal für den elektrischen Hilfsantrieb 10. Dadurch wird es möglich, einen elektrischen Hilfsantrieb 10 dynamisch derart zu steuern, dass basierend auf dem erfassten Drehmoment ein Hilfs-Drehmoment vom elektrischen Hilfsantrieb 10 abgegeben wird. Der elektrische Hilfsantrieb 10 verarbeitetet das erfasste Drehmomentsteuersignal, um festzustellen welches Drehmoment unterstützend an das freilaufende Rad über den Rotor 14 an das freilaufende Rad übertragen werden soll.The system on which the invention is based generates the control signal for the electric
Beispielsweise kann die Unterstützung des elektrischen Hilfsantriebs 10 mit einem Hilfs-Drehmoment aktiviert werden, wenn ein Schwellenwert eines von einem Fahrer aufgebrachten Drehmoments überschritten wird. Zum Beispiel können die Schwellenwerte derart eingestellt werden, dass der elektrische Hilfsantrieb den Fahrer mit einem Hilfs-Drehmoment unterstützt, sodass das Fahren mit dem Pedelec im gewünschten Drehmomentbereich gelenkschonend für den Fahrer ist. Im umgekehrten Fall kann auch die Unterstützung des elektrischen Hilfsantriebs 10 deaktiviert werden, wenn das von dem Fahrer aufgebrachte Drehmoment einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Darüber hinaus kann die Steuereinheit weitere Daten von weiteren Sensoreinrichtungen erhalten. Beispielsweise kann die Steuereinheit von einer weiteren Sensoreinrichtung die Winkelgeschwindigkeit und die Rotorposition des drehenden Systems erfassen. Dadurch kann die Steuereinheit konfiguriert sein, um eine abzugebende Leistung des elektrischen Hilfsantriebs zu regeln. Die Steuereinheit kann beispielsweise derart konfiguriert sein, dass diese nicht mehr als eine vom Fahrer aufgebrachte und/ oder einstellbare Leistung zugibt.For example, the support of the electric
Entgegen den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen kann mit einer derartigen Anordnung das Drehmoment von außen an dem Drehmomentübertragungselement 18 gemessen werden. Dadurch kann die Montage der Sensoreinrichtung 20 vereinfacht werden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass die Sensoreinrichtung 20 direkt an eine Leiterplatine 36 des elektrischen Hilfsantriebes 10 angeordnet werden kann. Dadurch kann eine aufwändige Verkabelung von der Sensoreinrichtung zur Leiterplatine 36 vermieden werden, was wiederum den Montageaufwand für die Drehmomentmessung reduziert.Contrary to the solutions known from the prior art, the torque can be measured from the outside on the
Durch die unmittelbare Integration am Hinterrad bildet die Achse 17 des elektrischen Hilfsantriebes zugleich die Achse des freilaufenden Rades ab. Zudem bilden das Drehmomentübertragungselement 18 und der Rotor 14 die Nabe des freilaufenden Rades ab. Dadurch können die Anzahl der Bauteile reduziert werden und die Komplexität der Drehmomentmessung reduziert werden.Due to the direct integration on the rear wheel, the
Der magnetostriktive Bereich 181 erstreckt sich zumindest teilweise entlang der Außenumfangsfläche des Drehmomentübertragungselements 18. Der magnetostriktive Bereich 181 kann mit einer effektiven unaxialen magnetoelastischen Anisotropie ausgestattet und in der Umfangsrichtung magnetisch polarisiert sein, was ein Feld erzeugt, das mit aufgebrachter mechanischer Spannung durch den Drehmomenteintrag variiert. Wenn ein Drehmoment auf das Drehmomentübertragungselement 18 aufgebracht wird, wird die magnetische Umfangsorientierung an dem magnetostriktiven Bereich 181 derart umorientiert, dass eine wendelförmige magnetische Orientierung erzeugt wird, die sowohl Umfangs- als auch Axialkomponenten aufweist.The
Die Sensoreinrichtung 20 ist derart angebracht, dass diese auf die Änderung der ursprünglichen Orientierung der Magnetisierung anspricht. In einem Beispiel können die Sensoren der Sensoreinrichtung 20 derart eingestellt sein, dass diese die Axialkomponente der Magnetisierung misst, um daraus die Höhe des Drehmomenteintrags zu erfassen. Die Änderung der Axialkomponente ist somit proportional zum Drehmomenteintrag auf das Drehmomentübertragungselement 18, insbesondere im magnetostriktiven Bereich 181. Durch die Anordnung der Sensoreinrichtung 20 außerhalb des Drehmomentübertragungselements 18 kann der magnetostriktive Bereich 181 an der Außenumfangsfläche des Drehmomentübertragungselements 18 angeordnet werden. Dadurch kann der drehmomentinduzierte Magnetfluss von außen durch die Sensoreinrichtung 20 gemessen werden.The
Das Drehmomentübertragungselement 18 ist drehfest mit dem Rotor 14 und dem Getriebeelement 16 über einen Freilauf 161 und einem Freilaufkörper 162 gekoppelt. Das Drehmomentübertragungselement 18 und das Getriebeelement 16 ist auf der festen Achse 17 drehbar gelagert. Der Rotor 14 dreht somit um die Rotationsachse D der festen Achse 17. Der Stator 12 ist an der festen Achse 17 fixiert. Bei dem Aufbau gemäß dieser Erfindung wird das von einem Fahrer über Tretkurbeln (nicht gezeigt), welche mit einem vorderen Zahnrad (nicht gezeigt) drehfest verbunden sind, eingebrachte Drehmoment über eine Kette (nicht gezeigt) und einem hinteren Zahnrad 163, welche drehfest mit dem Freilaufkörper 162 verbunden ist, auf das Drehmomentübertragungselement 18 aufgebracht. Das Drehmomentübertragungselement 18 ist mit dem Freilaufkörper 162 gekoppelt. Die Tretkurbeln zusammen mit dem Getriebeelement 16 bilden dabei die Antriebsseite aus. Der Rotor 14 des elektrischen Hilfsantriebs 10 bildet die Abtriebsseite aus. Das Drehmomentübertragungselement 18 ist in Bezug auf den Kraftfluss somit zwischen der Abtriebsseite und der Antriebsseite angeordnet.The
Die Steuereinheit 34 ist an einer Leiterplatine 36 an dem Stator 12 angeordnet. Die Leiterplatine 36 ist derart ausgestaltet, sodass diese um die Achse 17 beziehungsweise das Drehmomentübertragungselement 18 angeordnet werden kann. Alternativ kann die Leiterplatine 36 auch als Platine ohne Ausnehmungen gestaltet sein und beispielsweise ober- oder unterhalb oder seitlich in Bezug auf die Achse gesehen angeordnet sein. An der Leiterplatine 36 ist eine Sensoreinrichtung 20 quer zur Leiterplatine 36 fixiert. Dabei kann mindestens ein Magnetfeldsensor über der Außenumfangsfläche des Drehmomentübertragungselements 18 angeordnet werden. Dadurch kann ein drehmomentinduzierter Magnetfluss am magnetostriktiven Bereich 181 des Drehmomentübertragungselements 18 an der Außenseite des Drehmomentübertragungselements 18 in Bezug auf die Rotationsachse D und in radialer Richtung gesehen, kontaktlos gemessen werden. Üblicherweise sind die Sensoren im Inneren einer Nabe eines Hinterrades angeordnet. Das von den Sensoren erfasste Signal muss dabei mit Kabeln an eine Steuereinheit übertragen werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Sensoreinrichtung 20 kann auf eine Signalübertragung mittels Kabel verzichtet werden.The
Gemäß dem in
Die Messhülse 183 ist somit als eine separate Hülse zu verstehen, die die Hohlwelle 182 umschließt. Bei dieser Art von Drehmomentübertragungselement liegt die Umfangsmagnetisierung nur in der Messhülse183, um den magnetostriktiven Bereich 181 des Drehmomentübertragungselements 18 zu bilden.The measuring
Das Drehmoment wird über das Getriebeelement 16 auf die Hohlwelle 182 übertragen, welche drehfest mit der Messhülse 183 gekoppelt ist. Das rotierende System besteht somit im Wesentlichen aus dem Getriebeelement 16, der Hohlwelle 182, der Messhülse 183 und dem Rotor 14. In anderen Worten verläuft der Kraftfluss beziehungsweise der Drehmomenteintrag von dem Getriebeelement 16 über die Hohlwelle 182 und die Messhülse 183 auf den Rotor 14.The torque is transmitted via the
Beispielsweise sind die Messhülse 183 und die Hohlwelle 182 über ein Befestigungselement 54 miteinander verbunden, das eine oder mehrere Schrauben oder Stifte aufweisen kann. Alternativ kann die Messhülse 183 und die Hohlwelle 182 integral ausgebildet sein. In einem Beispiel kann das Drehmomentübertragungselement 18 mittels Schmieden hergestellt werden. Die gewünschten Umfangsmagnetisierungen für den magnetostriktiven Bereich 181 können beispielsweise durch geeignete Konditionierung des Wellenmaterials, z. B. durch Permanent- oder Strommagnete, bereitgestellt werden.For example, the measuring
Die Hohlwelle 182 und die Messhülse 183 sind über Lager 40 an der festen Achse 17 gelagert.The
Beim Drehmomenteintrag auf die Messhülse 183 kommt es zu einer Verwindung des magnetostriktiven Bereichs 181 und somit zu einer Änderung der Magnetisierung. Der magnetostriktive Bereich 181 ist so konfiguriert, dass das auf die Messhülse 183 aufgebrachte Drehmoment auf den magnetostriktiven Bereich 181 übertragen wird, der mindestens einen magnetisch polarisierten Bereich umfasst. Der magnetostriktive Bereich 181 erstreckt sich dabei zumindest teilweise entlang der Außenumfangsfläche der Messhülse 183.When the torque is applied to the measuring
Die Sensoreinrichtung 20 ist derart eingestellt, dass die drehmomentinduzierten Änderungen der Magnetisierung im magnetostriktiven Bereich 181 messbar sind. Im dem in
Die Sensoreinrichtung 20 weist mindestens einen magnetoelastischen Sensor auf. Dieser basiert auf einer sogenannten inversen Magnetostriktion, das heißt die Messung der Änderung der Magnetisierungen durch mechanische Spannungen in Folge der Torsion an dem Drehmomentübertragungselement 18 beziehungsweise der Messhülse 183.The
Gemäß dem hier gezeigten Beispiel sind die Sensoreinrichtung 20 und die Steuereinheit 34 mit einer Leiterplatine 36 verbunden, welche mit dem Stator 14 drehfest verbunden ist. Der Stator 12 stellt somit die stationäre Fixierung für die Steuereinheit 34 des elektrischen Hilfsantriebs 10 auf der Leiterplatine 36 bereit. Somit kann in vorteilhafter Weise die Sensoreinrichtung 20, hier dargestellt als senkrecht zur Leiterplatine angeordnete Sensorplatine, mit der Steuereinheit 34 zu einer Baugruppe vereint werden. Dadurch kann der mechanische und der schalltechnische Aufbau für die Drehmomentmessung vereinfacht werden.According to the example shown here, the
In dem hier gezeigten Beispiel weist der Rotor 14 Polköpfe 142 zur magnetischen Abtastung des Stators 12 auf. Jeder Polkopf 142 des Rotors 14 kann in gleichen Verhältnissen oberhalb eines magnetischen Polpaars 121 des Stators 12 vorgesehen sein.In the example shown here, the
Des Weiteren weist der elektrische Hilfsantrieb 10 ein Drehmomentabstützelement 38 beziehungsweise Statorträger auf. Bevorzugterweise ist das Drehmomentabstützelement 38 integral mit dem Stator 12 ausgebildet. Das Drehmomentabstützelement 38 wirkt zudem als eine Wärmesenke, die die Wärme des elektrischen Hilfsantriebes 10 in effizienter Weise abführen kann. Dies ist vorteilhaft, da das Magnetfeld bei überhöhter Temperatur negativ beeinflusst werden kann.Furthermore, the electric
Insbesondere Hinterradnabenmotoren haben ein Überhitzungsproblem bei hohen Leistungsabgaben beziehungsweise langsamen Drehzahlen. Die Abwärme der Motorwicklungen und Leistungselektronik (insbesondere MOSFETs) führt ohne die Abregelung der Leistungsabgabe zu hohen Temperaturen im Motor. Diese Temperaturen können die Magnete demagnetisieren, die Elektronik, Klebestellen oder Presspassungen beschädigen und somit die Funktion des Motors beeinträchtigen oder ganz außer Betrieb setzen.Rear wheel hub motors in particular have an overheating problem at high power outputs or slow speeds. The waste heat from the motor windings and power electronics (especially MOSFETs) leads to high temperatures in the motor if the power output is not regulated. These temperatures can demagnetize the magnets, damage the electronics, splices or press fits and thus impair the function of the motor or put it out of operation altogether.
Die Kühlung der Leistungselektronik (MOSFETs) kann somit über das Drehmomentabstützelement 38 als Wärmesenke und/oder über das Motorgehäuse gewährleistet werden.The cooling of the power electronics (MOSFETs) can thus be ensured via the
In
Eine gegenüber dem Polring 42 angeordnete zweite Sensoreinrichtung 44, vorzugsweise Hall-Sensor, ist an der Sensoreinrichtung 20 angeordnet. Die zweite Sensoreinrichtung 44 ist auf der Sensorplatine angeordnet auf der auch die erste Sensoreinrichtung 20 angeordnet istA
Die zweite Sensoreinrichtung 44 ist ebenfalls mit der Steuereinheit 34 verbunden, um die Position des Pohlrings 42 beziehungsweise des Rotors 14 durch Änderung des vom Polring 42 emittierenden Magnetfelds, vorzugsweise kontaktlos, zu erfassen. Die Lage des zumindest einen Sensors, vorzugsweise Hall-Sensors, der zweiten Sensoreinrichtung 44 ist an die Lage des magnetisierten Polrings 42 derart abgestimmt, dass der Sensor den gleichen radialen Abstand wie die Pole des Polrings 42 in Bezug auf die Rotationsachse D besitzt. Somit stehen sich zumindest ein Pol des Polrings 42 und der Sensor im Zeitpunkt der Messung in einem geringen Abstand in axialer Richtung gegenüber. Wenn der Sensor ein Passieren eines Pols des Polrings 42 detektiert, wird ein Positionssignal generiert, welches über die Leiterplatine 36 an die Steuereinheit 34 übertragen wird.The
Die in
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.As far as applicable, all individual features that are presented in the exemplary embodiments can be combined with one another and/or exchanged without departing from the scope of the invention.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- elektrischer Hilfsantriebelectric auxiliary drive
- 1111
- GehäuseHousing
- 1212
- Statorstator
- 121121
- Polpaare des Statorspole pairs of the stator
- 1414
- Rotorrotor
- 141141
- Speichenaufnahmespoke mount
- 142142
- Polköpfe des RotorsPole heads of the rotor
- 1616
- erstes Getriebeelementfirst gear element
- 161161
- Freilauffreewheel
- 162162
- Freilaufkörperfreehub body
- 163163
- Zahnradgear
- 1717
- feste Achsefixed axis
- 1818
- Drehmomentübertragungselementtorque transmission element
- 181181
- magnetostriktiver Bereichmagnetostrictive area
- 182182
- Hohlwellehollow shaft
- 183183
- Messhülsemeasuring sleeve
- 1919
- Ausfallende eines FahrradrahmensBicycle frame dropout
- 2020
- erste Sensoreinrichtungfirst sensor device
- 2121
- Kabelanordnungcable arrangement
- 2222
- Leiterplatinecircuit board
- 2626
- Drehmomentabstützelementtorque support element
- 2828
- zweites Getriebeelementsecond gear element
- 3030
- Rahmenanordnungframe assembly
- 3232
- Differentialdifferential
- 3434
- Steuereinheitcontrol unit
- 3636
- Leiterplatinecircuit board
- 3737
- MOSFET-SchaltungenMOSFET circuits
- 3838
- Drehmomentabstützelementtorque support element
- 3939
- Ausnehmungrecess
- 4040
- Lagerwarehouse
- 4242
- Polringpole ring
- 4444
- zweite Sensoreinrichtungsecond sensor device
- 4646
- Hinterachserear axle
- 4848
- Tretlagerbottom bracket
- 5252
- freilaufendes Radfree wheel
- 5454
- Befestigungselementfastener
Claims (11)
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