DE102022002546B3 - Torque detection device, electric drive and method - Google Patents

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DE102022002546B3 DE102022002546.9A DE102022002546A DE102022002546B3 DE 102022002546 B3 DE102022002546 B3 DE 102022002546B3 DE 102022002546 A DE102022002546 A DE 102022002546A DE 102022002546 B3 DE102022002546 B3 DE 102022002546B3
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Julian Bredl
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Abstract

Vorgestellt wird eine Drehmomenterfassungseinrichtung (108), insbesondere für einen elektrischen Antrieb (100), aufweisend eine Hauptwelle (114), ein Hauptring (120), der radial beabstandet zur Hauptwelle (114) sich um diese erstreckt, eine Vielzahl von vorzugsweise gleichartigen speichenförmigen Lamellen (118), die die Hauptwelle (114) mit dem Hauptring (120) verbinden und die ausgebildet sind, ein auf die Hauptwelle (114) wirkendes Drehmoment auf den Hauptring (120) zu übertragen, wobei sich die Lamellen (118) proportional zum eingebrachten Drehmoment verformen, eine Zahnscheibe (122), die mit der Hauptwelle (114) verbunden ist und parallel zu der Vielzahl von Lamellen (118) angeordnet ist, eine Erfassungseinrichtung (124), die ausgebildet ist ein elektrisches Signal auszugeben, welches sich in Abhängigkeit der Verformung der Lamellen (118) verändert, sowie eine Auswerteeinrichtung (126), die ausgebildet ist, das elektrische Signal einzulesen, auszuwerten und zumindest ein Signal auszugeben, welches ein auf die Hauptwelle (114) wirkendes Drehmoment repräsentiert. Weiterhin wird ein elektrischer Antrieb mit einer solchen Drehmomenterfassungseinrichtung 108 vorgestellt. Auch wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments, insbesondere eines elektrischen Antriebs, vorgestellt.A torque detection device (108), in particular for an electric drive (100), is presented, comprising a main shaft (114), a main ring (120) which extends around the main shaft (114) at a radial distance from the latter, and a plurality of preferably similar spoke-shaped lamellae (118), which connect the main shaft (114) to the main ring (120) and which are designed to transmit a torque acting on the main shaft (114) to the main ring (120), the slats (118) being proportional to the introduced Torque deform, a toothed disk (122) which is connected to the main shaft (114) and is arranged parallel to the plurality of slats (118), a detection device (124) which is designed to output an electrical signal which varies depending on the Deformation of the slats (118) changes, as well as an evaluation device (126) which is designed to read in the electrical signal, evaluate it and output at least one signal which represents a torque acting on the main shaft (114). Furthermore, an electric drive with such a torque detection device 108 is presented. A method for determining a torque, in particular of an electric drive, is also presented.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomenterfassungseinrichtung, insbesondere für einen elektrischen Antrieb, einen elektrischen Antrieb sowie ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments.The present invention relates to a torque detection device, in particular for an electric drive, an electric drive and a method for determining a torque.

Stand der TechnikState of the art

Der Einsatz von elektrischen Hilfsantrieben für Fahrzeuge und Fahrräder, zum Beispiel City E-Bikes, Gravel-Bikes, Lastenräder, S-Pedelecs und Pedelecs nimmt stetig zu. Bei Pedelecs oder E-Bikes sind die elektrischen Hilfsantriebe üblicherweise im Rahmen, sogenannter Mittelmotor, oder an der Hinterradnabe, sogenannter Hinterrad-Nabenmotor, oder an der Vorderradnabe, sogenannter Vorderrad-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 Steueranforderung (Unterstützung des Fahrers mit dem Elektromotor; Motorspannung/Drehmoment/Drehzahl) für den Hilfsantrieb zu generieren.The use of electric auxiliary drives for vehicles and bicycles, for example city e-bikes, gravel bikes, cargo bikes, S-Pedelecs and Pedelecs, is constantly increasing. In pedelecs or e-bikes, the electric auxiliary drives are usually arranged in the frame, so-called mid-motor, or on the rear wheel hub, so-called rear-wheel hub motor, or on the front wheel hub, so-called front-wheel hub motor. The torque applied by a driver and the angular velocity or cadence are important for controlling an electric auxiliary drive. The recording of the torque and the cadence enables the power applied by the driver to be recorded. In order to harmoniously control an electric auxiliary drive in pedelecs and e-bikes, it is known to record the power provided by the driver and to generate a control request (support of the driver with the electric motor; motor voltage/torque/speed) for the auxiliary drive using a suitable software algorithm.

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.Torque measurement can be carried out, for example, using sensors based on strain gauges. Using one or more strain gauges attached directly to the shaft, a change in resistance caused by strain is measured on the outer circumferential surface of the shaft with a bridge circuit or other well-known device. However, these are prone to errors due to direct contact with the rotating shaft and usually have a high level of mechanical complexity. The signals are usually transmitted to a control unit through cable arrangements, which makes installation 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 (beispielsweise eisenbasierter, magnetisierbarer) Werkstoffe, durch die Werkstoffe ihre Form oder Größe reversibel 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 somit oft einfach herzustellen. Solche Systeme sind beispielsweise in der US 2013 / 0 049 444 A1 oder der DE 10 2021 000 407 B3 offenbart.Nowadays, torque measurement using non-contact torque sensors is mostly based on the magnetostrictive principle. This enables simplified and improved detection of the torque. Magnetostriction is a property of ferromagnetic (e.g. iron-based, magnetizable) materials that allows materials to reversibly change their 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 therefore often easy to manufacture. Such systems are, for example, in the US 2013 / 0 049 444 A1 or the DE 10 2021 000 407 B3 disclosed.

Die nachveröffentlichte DE 10 2021 003 644 B3 offenbart einen elektrischen Hilfsantrieb für ein Fahrrad mit einer Sensoreinrichtung, die einen magnetostriktiven Sensor aufweist, der derart positioniert und konfiguriert ist, um einen drehmomentinduzierten Magnetfluss an dem magnetostriktiven Bereich berührungslos zu messen, wobei der Messbereich insbesondere integral in der Seitenwand des Rotors ausgestaltet ist.The subsequently published one DE 10 2021 003 644 B3 discloses an electric auxiliary drive for a bicycle with a sensor device which has a magnetostrictive sensor which is positioned and configured in such a way as to measure a torque-induced magnetic flux at the magnetostrictive region in a non-contact manner, the measuring region being designed in particular integrally in the side wall of the rotor.

DE 10 2010 017 851 A1 offenbart ein Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung eines Lenksystems. Hiermit kann das in einem Kraftfahrzeug auf das Lenkrad ausgeübte Drehmoment erfasst werden als Eingangsgröße für elektrische Lenkkraftunterstützungssysteme. Die Drehmomenterfassungseinrichtung weist ein Speichenrad mit einem Innenring und einem Außenring auf, zwischen denen Biegespeichen mit einem Federelement angeordnet sind. DE 10 2010 017 851 A1 discloses a torsion module for a torque detection device of a steering system. This allows the torque exerted on the steering wheel in a motor vehicle to be recorded as an input variable for electric power steering systems. The torque detection device has a spoke wheel with an inner ring and an outer ring, between which bending spokes with a spring element are arranged.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstige und wartungsarme Lösung einer Messeinrichtung eines Drehmoments, insbesondere geeignet für ein Fahrrad, E-Bike oder Pedelec der gattungsgemäßen Art anzugeben, die verbessert ist oder zumindest eine alternative Ausführungsform darstellt. Anzustreben ist, dass die Messeinrichtung auch für Lastenräder, S-Pedelecs oder Velomobile, also auch zweispurige Fahrzeuge oder allgemein L1e, L2e und L6e geeignet ist.The object of the present invention is to provide a cost-effective and low-maintenance solution for a torque measuring device, particularly suitable for a bicycle, e-bike or pedelec of the generic type, which is improved or at least represents an alternative embodiment. The aim is for the measuring device to also be suitable for cargo bikes, S-Pedelecs or velomobiles, including two-lane vehicles or generally L1e, L2e and L6e.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.The task is solved by the subjects of the independent claims. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims, the description and the accompanying figures. In particular, the independent claims of one claim category can also be developed analogously to the dependent claims of another claim category.

Eine erfindungsgemäße Drehmomenterfassungseinrichtung weist eine Hauptwelle, einen radial zur Hauptwelle beabstandeten Hauptring sowie eine Vielzahl von vorzugsweise gleichartigen speichenförmigen Lamellen auf. Die Lamellen sind ausgebildet, ein auf die Hauptwelle wirkendes Drehmoment auf den Hauptring zu übertragen, wobei sich die Lamellen in einem vorbestimmten oder herleitbaren Verhältnis zum eingebrachten Drehmoment verformen. Das Verhalten kann beispielsweise proportional, progressiv oder degressiv sein, je nach Geometrie und eingesetztem Material. So kann es auch mit einem Polynom beschreibbar sein. So verbinden die Lamellen die Hauptwelle mit dem sich radial um die Hauptwelle erstreckendem Hauptring. Weiterhin weist die Drehmomenterfassungseinrichtung eine mit der Hauptwelle verbundene Zahnscheibe auf. Weiterhin weist die Drehmomenterfassungseinrichtung eine Erfassungseinrichtung und eine Auswerteeinrichtung auf. Die Erfassungseinrichtung ist ausgebildet, ein elektrisches Signal auszugeben, welches sich in Abhängigkeit der Verformung der Lamellen verändert. Die Auswerteeinrichtung ist ausgebildet, das elektrische Signal einzulesen, auszuwerten und zumindest ein Signal auszugeben oder bereitzustellen, welches ein auf die Hauptwelle wirkendes Drehmoment repräsentiert.A torque detection device according to the invention has a main shaft, a main ring spaced radially from the main shaft and a plurality of preferably similar spoke-shaped lamellae. The slats are designed to transmit a torque acting on the main shaft to the main ring, whereby the Deform the slats in a predetermined or derivable relationship to the applied torque. The behavior can, for example, be proportional, progressive or degressive, depending on the geometry and material used. So it can also be described with a polynomial. The slats connect the main shaft with the main ring that extends radially around the main shaft. Furthermore, the torque detection device has a toothed disk connected to the main shaft. Furthermore, the torque detection device has a detection device and an evaluation device. The detection device is designed to output an electrical signal which changes depending on the deformation of the slats. The evaluation device is designed to read in the electrical signal, evaluate it and output or provide at least one signal which represents a torque acting on the main shaft.

Unter einer Hauptwelle kann eine Nabe verstanden werden. Unter einem Hauptring kann eine Felge verstanden werden. So kann man sich vorstellen, dass wie beispielsweise bei einem Fahrradreifen die Nabe mittels Speichen mit der Felge eine Einheit bildet auch bei der Drehmomenterfassungseinrichtung die Hauptwelle (Nabe) mittels der Lamellen (Speichen) mit dem Hauptring (Felge) eine Einheit bilden, mit der Besonderheit, dass eine Drehmomentabhängige Verformung der Lamellen erwünscht ist, wobei die Verformung proportional oder direkt proportional zum eingebrachten Drehmoment sein kann. Die Verformung kann auch progressiv oder degressiv zum eingebrachten Drehmoment sein. Die Verformung kann mathematisch aus dem eingebachten Drehmoment bestimmt werden. Die Zahnscheibe ist quer zur Achse der Hauptwelle ausgerichtet. Somit ist die Zahnscheibe parallel zur Erstreckungsebene der Vielzahl von Lamellen angeordnet. Dabei kann die Zahnscheibe auch als eine Vielzahl von in den Zwischenräumen der Vielzahl von vorzugsweise gleichartigen speichenförmigen Lamellen sich in der gleichen Ebene erstrecken und ebenfalls als eine Vielzahl von Zahn-Lamellen ausgeformt sein. Unter einer zum eingebrachten Drehmoment proportionalen Verformung der Lamellen kann eine Verformung verstanden werden, die in einem vordefinierten Verhältnis von Drehmoment zu Verformung steht. Somit kann dies mathematisch beschrieben werden.A main shaft can be understood as a hub. A main ring can be understood as a rim. So you can imagine that, for example, in a bicycle tire, the hub forms a unit with the rim by means of spokes, and in the torque detection device the main shaft (hub) forms a unit with the main ring (rim) by means of the slats (spokes), with the special feature that a torque-dependent deformation of the slats is desired, whereby the deformation can be proportional or directly proportional to the torque introduced. The deformation can also be progressive or degressive in relation to the applied torque. The deformation can be determined mathematically from the applied torque. The toothed washer is aligned transversely to the axis of the main shaft. The toothed disk is thus arranged parallel to the plane of extension of the plurality of slats. The toothed disk can also extend in the same plane as a plurality of preferably similar spoke-shaped lamellas in the spaces between the plurality of spoke-shaped lamellas and can also be formed as a plurality of toothed lamellas. A deformation of the slats that is proportional to the torque introduced can be understood as a deformation that has a predefined ratio of torque to deformation. This can therefore be described mathematically.

Die Drehmomenterfassungseinrichtung ist insbesondere geeignet für einen elektrischen Antrieb, bzw. hybriden Antrieb (elektr. Antrieb zur Unterstützung der Muskelkraft). Bei dem elektrischen Antrieb kann es sich um einen Motor für ein E-Bike, Lastenrad Pedelec, , S-Pedelec, Kleinkraftrad, Kraftrad, Leichtkraftrad, Velomobil, oder auch Leichtkraftfahrzeug, also auch zweispurige Fahrzeuge oder allgemein L1e, L2e und L6e, handeln. Mit E-Bike (Abk. für englisch electric bike, d.h. Elektrorad) wird gemeinhin ein einspuriges Fahrzeug mit Elektromotor bezeichnet, insbesondere das Elektrofahrrad (ein Fahrrad mit elektrischem Hilfsmotor), teilweise auch als Pedelec und Speed-Pedelec (S-Pedelec, bis 45 km/h) bezeichnet. Bei dem elektrischen Antrieb kann es sich in einer besonderen Ausführungsform auch um einen elektrischen Antrieb einer Maschine handeln.The torque detection device is particularly suitable for an electric drive or hybrid drive (electric drive to support muscle power). The electric drive can be a motor for an e-bike, Pedelec cargo bike, S-Pedelec, moped, motorcycle, light motorcycle, velomobile, or even light motor vehicle, including two-lane vehicles or generally L1e, L2e and L6e. The term e-bike (abbreviation for English electric bike, i.e. electric bike) commonly refers to a single-track vehicle with an electric motor, in particular the electric bicycle (a bicycle with an electric auxiliary motor), sometimes also as a pedelec and speed pedelec (S-Pedelec, up to 45 km/h). In a special embodiment, the electric drive can also be an electric drive of a machine.

Die Drehmomenterfassungseinrichtung ist weiters auch geeignet um Drehmomente günstig und genau bei weiteren Anwendungsbereichen zu erfassen, in welcher eine Messung eines Drehmomentes auf einem rotierenden Körper erforderlich ist. Der rotierende Körper benötigt hierbei keine Elektronik oder drahtlose Verbindungstechnik mit dem statischen Messaufnehmer (z.B. Gabellichtschranke) zur Erfassung des Drehmoments und der Drehzahl. Das Verfahren kann generell zur Leistungsmessung jeglicher drehenden Welle genutzt: P = 2 P I M n

Figure DE102022002546B3_0001
Drehmoment M (Nm); Drehzahl n (1/s); Leistung P (W); PI = 3,14The torque detection device is also suitable for detecting torques cheaply and accurately in other areas of application in which a measurement of a torque on a rotating body is required. The rotating body does not require any electronics or wireless connection technology with the static sensor (e.g. fork light barrier) to record the torque and speed. The method can generally be used to measure the power of any rotating shaft: P = 2 P I M n
Figure DE102022002546B3_0001
Torque M (Nm); speed n (1/s); power P (W); PI = 3.14

Anwendungsgebiete sind hier: Industrierobotor (Messung des Drehmoments und Winkelgeschwindigkeit in den Gelenken), Leistungsmessung von Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren, Drehmomentmessung in Automobilen oder Mototrädern zur Leistungsmessung oder Ansteuerung von elektronischen Hilfssystem wie z.B. ABS, ASR oder auch Torque Vectoring.Areas of application here are: industrial robots (measurement of torque and angular velocity in the joints), performance measurement of electric motors or combustion engines, torque measurement in automobiles or motorcycles for performance measurement or control of electronic auxiliary systems such as ABS, ASR or torque vectoring.

An einem radial von der Hauptwelle abgewandten Endbereich der Vielzahl von Lamellen oder am Hauptring sind eine Anzahl quer zur Erstreckungsrichtung der Lamellen ausgerichteter Lamellenzähne angeordnet. Weiterhin sind eine Anzahl von Referenz-Zähnen, die im äußeren Randbereich der Zahnscheibe angeordnet sind, und quer zur Haupterstreckung der Zahnscheibe ausgerichtet sind, ausgeformt. Dabei können die Lamellenzähne einstückig mit der zugeordneten Lamelle oder dem Hauptring ausgeformt sein. Die Referenz-Zähne können einstückig mit der Zahnscheibe ausgeformt sein. Dabei können die Referenz-Zähne auf einer sich um die Achse der Hauptwelle erstreckenden ringförmigen Ebene und die Referenz-Zähne auf einer weiteren sich um die Achse der Hauptwelle erstreckenden ringförmigen Ebene angeordnet sein. Die ringförmige Ebene und die weitere ringförmige Ebene können in einer Ebene oder bevorzugt in zwei voneinander beabstandeten ringförmigen Ebenen parallel zueinander angeordnet sein. So sind die Referenz-Zähne zu den Lamellenzähnen parallel ausgerichtet. Wenn die Zahnscheibe parallel zu einer von den Lamellen aufgespannten Ebene ausgeformt ist, können die Anzahl von Referenz-Zähnen durch Öffnungen zwischen den Lamellen sich hindurcherstrecken. Die Anordnung der Referenz-Zähne und der Lamellenzähne in der beschriebenen Art ermöglicht es, dass die Erfassungseinrichtung mit einem einzigen Sensor wie beispielsweise einer Gabellichtschranke, auskommt, um eine relative Verschiebung der Lamellenzähne zu den Referenz-Zähnen zu erfassen, wobei die relative Verschiebung direkt proportional zur Verformung der Lamellen durch das auf die Hauptwelle wirkende Drehmoment ist.A number of lamella teeth aligned transversely to the direction of extension of the lamellas are arranged on an end region of the plurality of lamellas facing away radially from the main shaft or on the main ring. Furthermore, a number of reference teeth, which are arranged in the outer edge region of the toothed disk and are aligned transversely to the main extension of the toothed disk, are formed. The lamella teeth can be formed in one piece with the associated lamella or the main ring. The reference teeth can be formed in one piece with the toothed washer. The reference teeth can be arranged on an annular plane extending around the axis of the main shaft and the reference teeth can be arranged on a further annular plane extending around the axis of the main shaft. The annular plane and the further annular plane can be arranged parallel to one another in one plane or preferably in two annular planes spaced apart from one another. The reference teeth are aligned parallel to the lamellar teeth. If the toothed washer is parallel to a plane spanned by the slats is shaped, the number of reference teeth can extend through openings between the slats. The arrangement of the reference teeth and the lamellar teeth in the manner described enables the detection device to make do with a single sensor, such as a fork light barrier, in order to detect a relative displacement of the lamellar teeth to the reference teeth, the relative displacement being directly proportional to deform the slats due to the torque acting on the main shaft.

Die Anzahl der Referenz-Zähne und die Anzahl der Lamellenzähne kann gleich sein. Auch kann die Anzahl der Lamellenzähne der Anzahl der Lamellen entsprechen. Die Anzahl der Lamellenzähne kann einem ganzzahligen Vielfachen der Anzahl der Lamellen entsprechen.The number of reference teeth and the number of lamellar teeth can be the same. The number of lamella teeth can also correspond to the number of lamellae. The number of lamella teeth can correspond to an integer multiple of the number of lamellas.

Die Hauptwelle, die Lamellen sowie der Hauptring können einstückig gefertigt sein. Diese können beispielsweise als Gussteil, Spritzgussteil, massiv-umgeformtes Bauteil, in einem additiven Fertigungsverfahren oder spanend hergestellt sein. Die Zahnscheibe kann ebenso hergestellt sein. Dabei können die Zahnscheibe und die Einheit aus Hauptwelle, Lamellen und Hauptring nur im Bereich der Hauptwelle fest miteinander gekoppelt oder verbunden sein. Alternativ können die Hauptwelle, die Lamellen, der Hauptring sowie die Zahnscheibe einstückig gefertigt sein. So kann eine solche Einheit beispielsweise aus Federstahl oder ähnlichem ausgestanzt, gelasert oder ähnlich ausgeformt werden. In diesem Fall liegen die Lamellen und die speichenförmigen Elemente der Zahnscheibe in einer quer zur Hauptwelle ausgerichteten Ebene. Die speichenförmigen Elemente der Zahnscheibe sind in Richtung des Hauptrings ausgerichtet, aber nicht mit diesem verbunden. Erst bei Verformung der Lamellen kann es zu einer Anlage der speichenförmigen Elemente der Zahnscheibe kommen, wodurch eine zusätzliche Abstützung zur Aufnahme des (maximalen) Drehmoments kommen kann.The main shaft, the slats and the main ring can be made in one piece. These can be produced, for example, as a cast part, an injection molded part, a solidly formed component, in an additive manufacturing process or by machining. The toothed washer can also be made. The toothed pulley and the unit consisting of the main shaft, plates and main ring can only be firmly coupled or connected to one another in the area of the main shaft. Alternatively, the main shaft, the slats, the main ring and the toothed washer can be made in one piece. For example, such a unit can be punched out of spring steel or similar, lasered or similarly shaped. In this case, the slats and the spoke-shaped elements of the toothed pulley lie in a plane aligned transversely to the main shaft. The spoke-shaped elements of the toothed pulley are aligned in the direction of the main ring, but are not connected to it. Only when the slats are deformed can the spoke-shaped elements of the toothed disk come into contact, which can provide additional support to absorb the (maximum) torque.

Die Erfassungseinrichtung kann eine Anzahl von Hall-Sensoren aufweisen. So kann die Erfassungseinrichtung kontaktlos sensieren und die Motorphasen können korrekt angesteuert werden. Dies funktioniert auch aus dem Stillstand des Motors um direkt die richtigen Phasen zu bestromen, um den Elektromotor energieeffizient zu starten. Dabei kann die Anzahl einen oder eine Mehrzahl bedeuten. Ein Hall-Sensor (auch Hall-Sonde oder Hall-Geber, nach Edwin Hall) nutzt den Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern. Hall-Sensoren bestehen aus möglichst dünnen, kristallinen, dotierten Halbleiter-Schichten, die seitlich zumeist vier Elektroden besitzen. Durch die zwei gegenüberliegenden Elektroden wird ein Strom eingespeist, die beiden orthogonal dazu liegenden Elektroden dienen der Abnahme der Hall-Spannung. Wird ein solcher Hall-Sensor von einem senkrecht zur Schicht verlaufenden Magnetfeld durchflossen, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum (vorzeichenbehafteten) Betrag des Vektorprodukts aus magnetischer Flussdichte und Strom ist. Die Ursache ist die Lorentz-Kraft auf die sich bewegenden Majoritätsladungsträger in der Schicht. Das Vektorprodukt ist proportional zum Strom, zur Ladungsträgerbeweglichkeit und umgekehrt proportional zur Schichtdicke (je dünner die Schicht, desto größer sind die Ladungsträger-Geschwindigkeit und die Lorentz-Kraft). Das sich zwischen den Messelektroden einstellende elektrische Feld befindet sich im Gleichgewicht zur Hallspannung und verhindert eine weitere Ladungsträger-Separation.The detection device can have a number of Hall sensors. This means that the detection device can sense without contact and the motor phases can be controlled correctly. This also works when the engine is at a standstill to directly energize the correct phases in order to start the electric motor in an energy-efficient manner. The number can mean one or a plurality. A Hall sensor (also Hall probe or Hall sensor, after Edwin Hall) uses the Hall effect to measure magnetic fields. Hall sensors consist of the thinnest possible, crystalline, doped semiconductor layers that usually have four electrodes on the sides. A current is fed in through the two opposite electrodes; the two electrodes located orthogonally to them serve to decrease the Hall voltage. If a magnetic field running perpendicular to the layer flows through such a Hall sensor, it delivers an output voltage that is proportional to the (signed) amount of the vector product of the magnetic flux density and current. The cause is the Lorentz force on the moving majority charge carriers in the layer. The vector product is proportional to the current, to the charge carrier mobility and inversely proportional to the layer thickness (the thinner the layer, the greater the charge carrier velocity and the Lorentz force). The electric field that develops between the measuring electrodes is in equilibrium with the Hall voltage and prevents further charge carrier separation.

Die Erfassungseinrichtung kann einen oder eine Mehrzahl von optischen Sensoren aufweisen. Bei den optischen Sensoren kann es sich um eine Lichtschranke oder Gabellichtschranke handeln. Eine Lichtschranke ist in der Optoelektronik ein System, das die Unterbrechung eines Lichtstrahls erkennt und als elektrisches Signal anzeigt. Auf diese Weise die Erfassungseinrichtung bewegliche Objekte, d.h. hier die Referenz-Zähne und die Lamellenzähne, berührungslos detektieren. Lichtschranken bestehen aus einer Lichtstrahlenquelle (dem Sender) und einem Sensor (dem Empfänger) für diese Strahlung. Bei der Lichtschranke kann es sich um eine Einweg-Lichtschranke, Reflexions-Lichtschranke oder um ein Lichtgitter handeln. Bei Einweglichtschranken stehen sich Sender und Empfänger gegenüber. Dazu zählen Gabelkoppler und Gabellichtschranken, bei denen Sender und Empfänger im Abstand von 3-120 mm zueinander bereits vormontiert sind. Bei einer Reflexions-Lichtschranke befinden Sender und Empfänger sich hier parallel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse. Das Lichtsignal wird bei Reflexions-Lichttastern an der gegenüberliegenden Seite an einem Reflektor zurückgeworfen. Kleine Reflexions-Lichtschranken werden auch als Reflexkoppler bezeichnet, sie arbeiten oft mit reflektierenden, selbstklebenden Folienmarken auf bewegten Teilen. Das Lichtsignal wird bei diesen über das zu detektierende Objekt selbst zurückgeworfen. Der Schaltabstand ist deshalb von den Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche abhängig. Sender und Empfänger befinden sich auch hier parallel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse. Neben den einfachen Versionen mit nur einem Lichtstrahl gibt es auch sogenannte Lichtgitter oder Lichtvorhänge, die mit mehreren parallelen Lichtstrahlen arbeiten.The detection device can have one or a plurality of optical sensors. The optical sensors can be a light barrier or fork light barrier. In optoelectronics, a light barrier is a system that detects the interruption of a light beam and displays it as an electrical signal. In this way, the detection device detects moving objects, i.e. here the reference teeth and the lamella teeth, without contact. Light barriers consist of a light source (the transmitter) and a sensor (the receiver) for this radiation. The light barrier can be a through-beam light barrier, retro-reflective light barrier or a light grid. With through-beam light barriers, the transmitter and receiver face each other. These include fork couplers and fork light barriers, in which the transmitter and receiver are already pre-assembled at a distance of 3-120 mm from each other. With a retro-reflective light barrier, the transmitter and receiver are located parallel to each other in a common housing. With retro-reflective sensors, the light signal is reflected back at a reflector on the opposite side. Small retro-reflective photoelectric sensors are also known as reflex couplers; they often work with reflective, self-adhesive film marks on moving parts. The light signal is reflected back via the object to be detected. The switching distance therefore depends on the reflection properties of the object surface. Here too, the transmitter and receiver are located parallel to each other in a common housing. In addition to the simple versions with just one light beam, there are also so-called light grids or light curtains that work with several parallel light beams.

Elektromotoren können mittels Hall-Sensoren angesteuert werden. Das beginnt aus dem Stillstand in dem über den Hall-Sensor Schaltzustand auf den Stand der (drei) Motorphasen zurückgeschlossen werden kann. Die Motorphasen (meist genannt UVW im deutschen oder ABC im englischen) werden dann vom Motorcontroller so angesteuert, dass sich der Elektromotor zu drehen beginnt.Electric motors can be controlled using Hall sensors. This begins from a standstill in which the switching state is returned to the status of the (three) motor phases via the Hall sensor can be closed. The motor phases (usually called UVW in German or ABC in English) are then controlled by the motor controller so that the electric motor begins to rotate.

Die Nutzung der optischen Sensoren in Kombination mit den korrekt zur Polanzahl des Motors passenden Ausführung der Zähne bringt folgende Vorteile: Keine Hall-Sensoren müssen außen am Stator zwischen den Elektroblechzähnen platziert werden. Dabei ist eine Herausforderung die Verkabelung an den Wicklungen vorbei bis zum Controller oder Motorkabel aus dem Motor raus für einen externen Controller. Diese Kabel könnten beschädigt werden und den Motor außer Funktion setzen. Weiters befinden sich konventionelle Hall-Sensoren an der heißesten Stelle eines Elektromotors und können bei hoher Belastung des Motors thermisch zerstört werden. Die Verwendung optischer Sensoren mit einer passenden Zahnscheibe kann außerhalb des thermisch heißesten Punktes des Motors an passieren. Dadurch ist der Temperatureinfluss nicht mehr relevant und der Motor kann mit höherer Leistung betrieben werden. Auch müssen keine zusätzlichen Kabel oder Platinen zu den konventionellen Hall-Sensoren eingebaut werden. Optional werden die optischen Sensoren auf der selben Platine wie ein interner Motorcontroller bestückt, um einen möglichst günstigen, ausfallsicheren Elektromotor zu erschaffen.The use of the optical sensors in combination with the design of the teeth that correctly matches the number of poles of the motor brings the following advantages: No Hall sensors have to be placed on the outside of the stator between the electrical sheet teeth. A challenge is the wiring past the windings to the controller or motor cable out of the motor for an external controller. These cables could become damaged and disable the engine. Furthermore, conventional Hall sensors are located at the hottest point of an electric motor and can be thermally destroyed when the motor is under high load. The use of optical sensors with a suitable toothed pulley can happen outside the thermally hottest point of the engine. This means that the influence of temperature is no longer relevant and the motor can be operated with higher performance. There is also no need to install additional cables or circuit boards for the conventional Hall sensors. Optionally, the optical sensors can be installed on the same board as an internal motor controller in order to create the cheapest, fail-safe electric motor possible.

Die Erfassungseinrichtung kann eine Mehrzahl von Sensoren, insbesondere Hall-Sensoren oder optischen Sensoren wie Lichtschranken, aufweisen und die Auswerteeinrichtung kann ausgebildet sein, zu dem Sensorsignal, welches das auf die Hauptwelle wirkende Drehmoment repräsentiert, zumindest ein die Drehrichtung und ergänzend oder alternativ die Drehgeschwindigkeit repräsentierendes Signal bzw. Signale auszugeben. So kann die Erfassungseinrichtung nicht nur das Drehmoment erfassen, sondern zusätzlich auch die Drehrichtung und ergänzend oder alternativ die Drehgeschwindigkeit erfassen. So kann die Auswerteeinrichtung oder insbesondere eine nachgeschaltete Steuereinrichtung mit weiteren Informationen versorgt werden und somit die Steuerung optimiert werden.The detection device can have a plurality of sensors, in particular Hall sensors or optical sensors such as light barriers, and the evaluation device can be designed, in addition to the sensor signal, which represents the torque acting on the main shaft, at least one representing the direction of rotation and, in addition or alternatively, the speed of rotation To output signal or signals. The detection device can therefore not only detect the torque, but also the direction of rotation and, additionally or alternatively, the speed of rotation. In this way, the evaluation device or in particular a downstream control device can be supplied with further information and the control can thus be optimized.

Die Erfassungseinrichtung kann ausgebildet sein, einen Nulldurchgang der Hauptwelle zu bestimmen. Hierzu kann ein zusätzlicher Sensor vorgesehen sein. Alternativ oder ergänzend kann durch eine spezielle Gestaltung (unterschiedliche Breite der Zähne) von einzelnen Referenz-Zähnen und/oder Lamellenzähnen und einer entsprechenden Signalauswertung der Nulldurchgang detektiert werden. Optional können auch die beiden Verfahren kombiniert werden, um eine Redundanz zu schaffen und somit die Ausfallsicherheit zu erhöhen.The detection device can be designed to determine a zero crossing of the main wave. An additional sensor can be provided for this purpose. Alternatively or additionally, the zero crossing can be detected through a special design (different width of the teeth) of individual reference teeth and/or lamellar teeth and a corresponding signal evaluation. Optionally, the two methods can also be combined to create redundancy and thus increase reliability.

Die Lamellen können in Umfangsrichtung eine Dicke von kleiner 8 mm, insbesondere kleiner 5 mm, insbesondere kleiner 3 mm, insbesondere kleiner 2 mm aufweisen. Dabei kann dies die minimale Dicke in Umfangsrichtung beschreiben. Die Dicke kann in radialer Richtung variieren. So kann die Biegekennlinie und die Dauerfestigkeit optimiert werden. Mit dem gleichen Ziel und auch zur Gewichtsoptimierung können zusätzlich Aussparungen wie Bohrungen o.ä. vorgesehen sein.The slats can have a thickness in the circumferential direction of less than 8 mm, in particular less than 5 mm, in particular less than 3 mm, in particular less than 2 mm. This can describe the minimum thickness in the circumferential direction. The thickness can vary in the radial direction. In this way, the bending characteristic and the fatigue strength can be optimized. With the same goal and also to optimize weight, additional recesses such as holes or similar can be provided.

Die Lamellen können in ihrer radialen Erstreckung eine unterschiedliche Dicke aufweisen. So können die Lamellen in einem Mittenbereich dünner ausgeformt sein als in den Endbereichen. So können die Lamellen jeweils in dem Mittenbereich eine um zumindest 20%, insbesondere vorteilhaft zumindest 25 %, verringerte Dicke aufweisen als eine mittlere Dicke in den Endbereichen. So kann eine optimale Verformung bei gleichzeitig optimierter Festigkeit (zur Übertragung des Drehmoments) und Dauerbelastbarkeit erzielt werden.The slats can have different thicknesses in their radial extent. The slats can be made thinner in a central area than in the end areas. The slats can each have a thickness in the middle region that is at least 20%, particularly advantageously at least 25%, reduced than an average thickness in the end regions. In this way, optimal deformation can be achieved while at the same time optimizing strength (for transmitting torque) and long-term load capacity.

Es kann zumindest ein Anschlag vorgesehen sein, der die Verformung der Lamellen begrenzt und ein zur begrenzten Verformung proportionales Drehmoment übersteigendes Drehmoment mittels Formschluss auf den Hauptring überträgt. Dabei kann eine Mehrzahl von Anschlägen vorgesehen sein. Insbesondere kann ein Anschlag je Lamelle vorgesehen sein. Dabei können die Anschläge derart ausgeformt sein, dass zumindest 50 %, insbesondere zumindest 80 %, der Längserstreckung der jeweiligen zugeordneten Lamelle an einer Anschlagsfläche des jeweiligen Anschlags anliegt. So können die Lamellen abgestützt werden ab einem definierten maximalen Drehmoment. So kann auch ein das definierte maximale Drehmoment übersteigendes Drehmoment übertragen werden, ohne die Drehmomenterfassungseinrichtung zu überlasten.At least one stop can be provided, which limits the deformation of the slats and transmits a torque that exceeds the limited deformation to the main ring by means of positive locking. A plurality of stops can be provided. In particular, one stop can be provided for each slat. The stops can be shaped in such a way that at least 50%, in particular at least 80%, of the longitudinal extent of the respective assigned lamella rests on a stop surface of the respective stop. This means that the slats can be supported from a defined maximum torque. In this way, a torque that exceeds the defined maximum torque can also be transmitted without overloading the torque detection device.

Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, das eingelesene elektrische Signal zu kalibrieren. Hierzu kann eine Information über den Nulldurchgang ausgewertet werden. So kann ein Offset im Nulldurchgang bestimmt werden und dieser vom zu kalibrierendem Signal subtrahiert werden. Alternativ kann auch ein kompletter Signalverlauf einer kompletten Umdrehung zur Kalibrierung herangezogen werden. So kann eine Lookup-Tabelle oder ein Kalibriersignal bzw. Kalibriersignalverlauf bestimmt und abgespeichert werden, um nachfolgend das elektrische Signal der Erfassungseinrichtung kontinuierlich zu kalibrieren. Das auf die Hauptwelle wirkende Drehmoment repräsentierende Signal kann unter Verwendung des kalibrierten Signals bestimmt werden.The evaluation device can be set up to calibrate the read-in electrical signal. For this purpose, information about the zero crossing can be evaluated. In this way, an offset at zero crossing can be determined and this can be subtracted from the signal to be calibrated. Alternatively, a complete signal curve of a complete revolution can also be used for calibration. A lookup table or a calibration signal or calibration signal curve can be determined and saved in order to subsequently continuously calibrate the electrical signal of the detection device. The signal representing torque acting on the main shaft can be determined using the calibrated signal.

Ein elektrischer Antrieb, insbesondere für ein Fahrzeug wie beispielsweise ein Fahrrad, ein Pedelec, S-Pedelec oder ein Leichtkraftfahrzeug, weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei ein von einem Fahrer des Fahrzeugs aufgebrachtes Drehmoment über ein Getriebeelement auf den Rotor übertragbar ist. Es ist eine Variante einer zuvor beschriebenen Drehmomenterfassungseinrichtung vorgesehen. Weiterhin weist der elektrische Antrieb eine Steuereinrichtung auf, welche ausgebildet ist, ein Hilfs-Drehmoment für den Fahrer von dem elektrischen Antrieb in Abhängigkeit des Drehmomentsignals zu steuern.An electric drive, especially for a vehicle such as a bicycle, a pede lec, S-Pedelec or a light motor vehicle, has a stator and a rotor, with a torque applied by a driver of the vehicle being transferable to the rotor via a gear element. A variant of a previously described torque detection device is provided. Furthermore, the electric drive has a control device which is designed to control an auxiliary torque for the driver from the electric drive depending on the torque signal.

Der Hauptring und die Vielzahl von insbesondere gleichartigen speichenförmigen Lamellen können ein Teil des als Rotorglocke ausgeformten Rotors sein. So können Teile eingespart werden und die Montage vereinfacht werden.The main ring and the large number of particularly similar spoke-shaped lamellas can be part of the rotor shaped as a rotor bell. This saves parts and simplifies assembly.

Ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments, insbesondere eines elektrischen Antriebs, weist zumindest die Schritte des Sensieren, des Bereitstellens und des Auswertens auf. Im Schritt des Sensieren wird eine zu einem Drehmoment relative Winkelverschiebung sensiert und eines die Winkelverschiebung und somit das Drehmoment repräsentierendes elektrisches Signal an einer Schnittstelle bereitgestellt. Das Drehmoment wirkt auf eine Hauptwelle, die über eine Vielzahl von vorzugsweise gleichartigen speichenförmigen Lamellen mit einen Hauptring verbunden ist, der radial beabstandet zur Hauptwelle und sich um diese erstreckend angeordnet ist. Die Lamellen sind ausgebildet, ein auf die Hauptwelle wirkendes Drehmoment auf den Hauptring zu übertragen. Dabei verformen sich die Lamellen proportional zum eingebrachten Drehmoment. Im Schritt des Bereitstellen wird das im Schritt des Sensieren erzeugte elektrische Signal an einer Schnittstelle bereitgestellt. Im Schritt des Auswerten des elektrischen Signals wird dies von der Schnittstelle eingelesen und in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet. Es wird zumindest ein Signal bestimmt, welches das auf die Hauptwelle wirkende Drehmoment repräsentiert. Dieses wird an einem Ausgang bereitgestellt, sodass es von einer Steuereinrichtung eingelesen und für die Steuerung insbesondere eines elektrischen Antriebs, verwendet werden kann.A method for determining a torque, in particular of an electric drive, has at least the steps of sensing, providing and evaluating. In the sensing step, an angular displacement relative to a torque is sensed and an electrical signal representing the angular displacement and thus the torque is provided at an interface. The torque acts on a main shaft, which is connected via a plurality of preferably similar spoke-shaped lamellas to a main ring, which is arranged at a radial distance from the main shaft and extending around it. The slats are designed to transmit a torque acting on the main shaft to the main ring. The slats deform in proportion to the applied torque. In the providing step, the electrical signal generated in the sensing step is provided at an interface. In the step of evaluating the electrical signal, this is read in by the interface and evaluated in an evaluation device. At least one signal is determined which represents the torque acting on the main shaft. This is provided at an output so that it can be read by a control device and used to control, in particular, an electric drive.

In einem optionalen Schritt des Kalibrierens kann das elektrische Signal insbesondere unter Verwendung eines Nulldurchgangs auf einen Nullpunkt kalibriert werden. Das auf die Hauptwelle wirkende Drehmoment kann im Schritt des Auswertens unter Verwendung des kalibrierten Signals bestimmt werden.In an optional calibration step, the electrical signal can be calibrated to a zero point, in particular using a zero crossing. The torque acting on the main shaft can be determined in the evaluating step using the calibrated signal.

Unter Verwendung des elektrischen Signals und ergänzend oder alternativ unter Verwendung des kalibrierten Signals kann eine Winkelgeschwindigkeit der Hauptwelle und ergänzend oder alternativ eine Drehrichtung bestimmt werden.Using the electrical signal and additionally or alternatively using the calibrated signal, an angular velocity of the main shaft and additionally or alternatively a direction of rotation can be determined.

Kurze FigurenbeschreibungShort character description

Die erfinderische Idee soll im Folgenden mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben werden. Die folgende Beschreibung ist aber als rein beispielhaft anzusehen. Die Erfindung ist allein durch den Gegenstand der Ansprüche bestimmt. Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Dabei werden für gleiche oder gleichwirkende Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet. Weiterhin werden der leichteren Lesbarkeit und Zuordenbarkeit halber Bezugszeichen auch für Merkmale verwendet, wenn diese in der beschriebenen Figur nicht dargestellt sind. Auch werden bei ähnlichen Figuren nicht immer alle Bezugszeichen eingezeichnet, wenn diese Merkmale aus den vorangegangenen Figuren bereits klar bezeichnet sind. Es zeigen:

  • 1 eine offene Darstellung eines elektrischen Antriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine isometrische Darstellung eines elektrischen Antriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 Teile einer Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 - 7 jeweils einen Ausschnitt einer Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 8 - 13 jeweils eine Drehmomenterfassungseinrichtung (ohne Erfassungs- und Auswerteeinrichtung) gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
  • 14 einen Ausschnitt einer Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 15 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 16 Signalverläufe eines elektrischen Signals und eines kalibrierten Signals gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
The inventive idea will be described in more detail below with reference to the figures. However, the following description is to be viewed as purely an example. The invention is determined solely by the subject matter of the claims. Advantageous exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying figures. The same reference numbers are used for elements that are the same or have the same effect. Furthermore, for the sake of easier readability and assignment, reference numbers are also used for features if they are not shown in the figure described. Also, not all reference symbols are always shown in similar figures if these features are already clearly designated from the previous figures. Show it:
  • 1 an open representation of an electric drive according to an embodiment of the present invention;
  • 2 an isometric view of an electric drive according to an embodiment of the present invention;
  • 3 Parts of a torque detection device according to an embodiment of the present invention;
  • 4 a torque detection device according to an embodiment of the present invention;
  • 5 - 7 each a section of a torque detection device according to an exemplary embodiment of the present invention;
  • 8th - 13 each a torque detection device (without detection and evaluation device) according to exemplary embodiments of the present invention;
  • 14 a section of a torque detection device according to an exemplary embodiment of the present invention;
  • 15 a flowchart of a method according to the invention according to an exemplary embodiment of the present invention; and
  • 16 Signal curves of an electrical signal and a calibrated signal according to an exemplary embodiment of the present invention.

Detaillierte Figurenbeschreibung und Beschreibung der ErfindungDetailed description of the figures and description of the invention

Um Drehmomente auf rotierenden Bauteilen zu messen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Die hier dargestellte Drehmomenterfassungseinrichtung zeigt Drehmomentmessungen auf einem rotierenden Bauteil, wobei die Erfassungselektronik (Erfassungseinrichtung evtl. integriert mit der Auswerteeinrichtung) statisch bleibt. So ist vorteilhafterweise kein Schleifring oder eine drahtlose Übertragung und Energieversorgung bei mitdrehender Elektronik notwendig. Die Drehmomenterfassungseinrichtung folgt der Grundidee von zwei Zahnscheiben, wobei sich eine Zahnscheibe flexibel zur anderen Zahnscheibe mit steigendem Drehmoment verformt. Dabei verändert sich der Zahnabstand, welcher bevorzugt über einen optischen Sensor (z.B. Gabellichtschranke, aber auch induktiv mit weniger Genauigkeit bei gleichzeitig auch weniger Schmutzempfindlichkeit möglich) mit hoher Erfassungsrate mit Microcontrollern nach Stand der Technik erfasst werden kann (Der Mikrocontroller kann gleichzeitig als A/D-Wandler fungieren, zur erhöhten Genauigkeit kann auch ein dedizierter A/D-Wandler zum Einsatz kommen). Die Verschiebung der übereinander oder nebeneinander liegenden Zähnen zueinander wird als Tastgrad vom Sensor (Erfassungseinrichtung) erfasst und ist proportional zum aufgebrachten Drehmoment. Der Tastgrad (auch Aussteuergrad, englisch duty cycle) gibt für eine periodische Folge von Impulsen gemäß Normung das Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer an. Der Tastgrad wird als Verhältniszahl der Dimension Zahl mit einem Wertebereich von 0 bis 1 oder 0 bis 100 % angegeben. So ist der Tastgrad in diesem Fall unabhängig von der Drehgeschwindigkeit.There are different ways to measure torque on rotating components. The torque detection device shown here shows torque measurements on a rotating component, with the detection electronics (detection device possibly integrated with the evaluation device) remaining static. Advantageously, no slip ring or wireless transmission and energy supply are necessary when the electronics rotate. The torque detection device follows the basic idea of two toothed disks, with one toothed disk deforming flexibly to the other toothed disk with increasing torque. This changes the tooth spacing, which can preferably be detected via an optical sensor (e.g. fork light barrier, but also inductively with less accuracy and at the same time less sensitivity to dirt) with a high detection rate using state-of-the-art microcontrollers (the microcontroller can also be used as an A/D converter; a dedicated A/D converter can also be used for increased accuracy). The displacement of the teeth lying one above the other or next to one another is recorded as a duty cycle by the sensor (detection device) and is proportional to the torque applied. The duty cycle (duty cycle) indicates the ratio of the pulse duration to the period length for a periodic sequence of pulses according to standardization. The duty cycle is specified as a ratio of the number dimension with a value range of 0 to 1 or 0 to 100%. In this case, the duty cycle is independent of the rotation speed.

Eine derartige Drehmomenterfassungseinrichtung ist geeignet für alle technischen Herausforderungen, bei denen Drehmomente von drehenden Bauteilen mit einer statischen Elektronik günstig und effizient erfasst werden müssen, wie beispielsweise E-Bike-Motoren, sowohl Nabenmotoren (Direktläufer oder auch Getriebemotoren) als auch Mittelmotoren in beliebiger Bauform. Ein Einsatz ist auch generell im Maschinenbau denkbar, zum Messen von Drehmomenten (z.B. zur genauen Leistungsbestimmung oder Lebensdauererfassung) von drehmomentbelasteten Bauteilen.Such a torque detection device is suitable for all technical challenges in which torques of rotating components must be recorded cheaply and efficiently with static electronics, such as e-bike motors, both hub motors (direct rotor or geared motors) and mid-mounted motors of any design. Use is also generally conceivable in mechanical engineering, for measuring torque (e.g. for precise performance determination or service life recording) of torque-loaded components.

Bisher kostspieligere und aufwendig realisierte Drehmomentmessungen an drehenden Bauteilen können mit der beschriebenen Drehmomenterfassungseinrichtung einfacher und kostengünstiger realisiert werden. Auch kann die Drehmomenterfassungseinrichtung potentiell Drehmomente von 0 bis 2.500 Nm bei Drehzahlen von 0 bis 15.000 rpm (revolutions per minute, Umdrehungen pro Minute) je nach Ausführung des Sensors erfassen. In einer Variante können es beispielsweise 400 Nm und 500 rpm sein. Auch kann die Drehmomenterfassungseinrichtung mit zwei bis drei weiteren Bahnen bestückt werden und die Funktionsweise gebräuchlicher Hall-Sensoren in Elektromotoren übernehmen, bzw. anstelle von diesen eingesetzt werden.Previously more expensive and complex torque measurements on rotating components can be realized more simply and cost-effectively with the described torque detection device. The torque detection device can also potentially detect torques of 0 to 2,500 Nm at speeds of 0 to 15,000 rpm (revolutions per minute), depending on the design of the sensor. In one variant, for example, it can be 400 Nm and 500 rpm. The torque detection device can also be equipped with two to three additional tracks and adopt the functionality of common Hall sensors in electric motors or be used instead of them.

Wie dargelegt kann beschriebene Drehmomenterfassungseinrichtung Anwendung finden als Drehmomentsensorik in E-Bike-Motoren, bzw. zur Ansteuerung der Motorunterstützung über die Messung des eingebrachten Drehmomentes des Fahrers.As explained, the described torque detection device can be used as a torque sensor system in e-bike motors, or to control the motor support by measuring the torque applied by the driver.

Die Grundidee für die Drehmomenterfassungseinrichtung besteht aus der Anordnung der Zahnscheiben, unter anderem der Nutzung der Zahnscheibe oder der Lamellen als verstärkenden Zeiger für die Drehmomenterfassung. Die Nutzung von nur einer Gabellichtschranke (es funktioniert auch mit zwei getrennten zueinander verformenden Bahnen) zur Messung des Drehmoments über die Verschiebung der Zähne zueinander. Das Drehmoment wird als duty-cycle gemessen und ist proportional zum eingebrachten Drehmoment.The basic idea for the torque detection device consists of the arrangement of the toothed disks, including the use of the toothed disk or the lamellas as a reinforcing pointer for the torque detection. The use of just one fork light barrier (it also works with two separate paths that deform relative to each other) to measure the torque via the displacement of the teeth relative to each other. The torque is measured as a duty cycle and is proportional to the torque applied.

Der Sensor funktioniert sowohl mit metallischen Legierungen (Aluminium, Stahl etc.) als auch mit jeglichen Kunstoffen. Selbst eine Ausführung als Holzbauteilen, CFK oder keramischen Werkstoffen ist möglich. Dadurch ergibt sich ein besonders breites Einsatzspektrum.The sensor works with metallic alloys (aluminum, steel, etc.) as well as with all plastics. Even a design made of wooden components, CFRP or ceramic materials is possible. This results in a particularly wide range of applications.

1 zeigt eine teilweise Explosionsdarstellung eines elektrischen Antriebs 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der elektrische Antrieb 100 für ein Fahrrad oder Lastenrad weist einen Stator 102 und einen Rotor 104 auf. Im Vergleich zu einem elektrischen Standardantrieb ist der hier gezeigte elektrische Antrieb eingerichtet, ein von einem Fahrer aufgebrachtes Drehmoment über ein Getriebeelement 106 auf den Rotor 104 zu übertragen. Der Stator 102 weist Nuten und Wicklungen auf. Die Leistungselektronik (Auswerteeinrichtung 108 und Steuereinrichtung 110 sind im Inneren des Motors (elektrischen Antriebs 100) angeordnet. Ebenfalls nicht sichtbar ist die eine Drehmomenterfassungseinrichtung 108, die ihr entsprechendes Signal (das Drehmoment repräsentierend) der Leistungselektronik bereit stellt. Die Steuereinrichtung 110 ist ausgebildet, ein Hilfs-Drehmoment für den Fahrer in Abhängigkeit des Drehmomentsignals zu steuern. Der Rotor 104 ist als Rotor-Glocke 112 mit Magneten ausgebildet. 1 shows a partial exploded view of an electric drive 100 according to an exemplary embodiment of the present invention. The electric drive 100 for a bicycle or cargo bike has a stator 102 and a rotor 104. In comparison to a standard electric drive, the electric drive shown here is set up to transmit a torque applied by a driver to the rotor 104 via a gear element 106. The stator 102 has slots and windings. The power electronics (evaluation device 108 and control device 110 are arranged inside the motor (electric drive 100). Also not visible is the one torque detection device 108, which provides its corresponding signal (representing the torque) to the power electronics. The control device 110 is designed to be a To control auxiliary torque for the driver depending on the torque signal. The rotor 104 is designed as a rotor bell 112 with magnets.

Der in 1 bereits dargestellte elektrische Antrieb 100 ist in 2a geschlossen als Radnabenmotor mit Kassettenantrieb dargestellt. Die Rotor-Glocke 112 ist drehend um die feste Radnabenachse 116. Die um die Radnabenachse 116 rotierende Kassettenaufnahme stellt die Hauptwelle 114 dar. Auf die Kassettenaufnahme kann ein nicht dargestelltes Getriebeelement 106 (in Form eines Ritzels) gesteckt werden, um das vom Fahrer des E-Bikes aufgebrachte Drehmoment (von der Kurbel über eine Kette oder einen Riemen) auf den Radnabenmotor zu übertragen.The in 1 Electric drive 100 already shown is in 2a shown closed as a wheel hub motor with cassette drive. The rotor bell 112 rotates about the fixed wheel hub axis 116. The casing rotates about the wheel hub axis 116 The cassette holder represents the main shaft 114. A gear element 106, not shown (in the form of a pinion), can be plugged onto the cassette holder in order to transfer the torque applied by the driver of the e-bike (from the crank via a chain or a belt) to the wheel hub motor transmitted.

2b und 2c zeigen zwei verschiedene Ausführungsbeispiele als Explosionsdarstellung, 2d und 2e zeigen jeweils eine Schnitttdarstellung. 2 B and 2c show two different exemplary embodiments as an exploded view, 2d and 2e each show a sectional view.

3 zeigt Hauptwelle 114, Lamellen 118, Hauptring 120, Zahnscheibe 122, Lamellenzähne 128 und Referenz-Zähne 130 einer Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer einteiligen Version. Die Zahnscheibe 122 entspricht der Hauptwelle 114, auf der direkt die Referenz-Zähne 130 angeordnet sind. Die Lamellen 118 werden durch ein Freischneiden eines Trapez (langgezogene Aussparung in radialer Richtung mit quer dazu am äußerem Ende in Umfangsrichtung noch eine kleine Aussparung, wobei die Aussparungen schlitzförmig ausgestaltet sind) erzeugt. Die Lamellenzähne 128 sind auf dem Hauptring 120, d.h. radial außen auf der Scheibe, angeordnet. Dabei sind Lamellenzähne 128 und Referenzzähne 130 parallel zueinander und quer zur Haupterstreckungsfläche der Lamellen 118 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel kommt eine große Gabellichtschranke zum Einsatz, sodass die zueinander gehörenden Zähne 128, 130 (d.h. in einer radialen Geraden liegend) innerhalb der Gabellichtschranke bei einer Rotation der Scheibe verlaufen. Dem Nachteil der großen Gabellichtschranke steht der fertigungstechnische Vorteil, insbesondere wenn die Zähne 128, 130 mittels Stanzbiegen erzeugt werden. So lässt sich das integrierte Bauteil in einem Stanzbiegeschritt komplett fertigen. 3 shows main shaft 114, plates 118, main ring 120, toothed washer 122, plate teeth 128 and reference teeth 130 of a torque detection device according to an exemplary embodiment of the present invention in a one-piece version. The toothed washer 122 corresponds to the main shaft 114, on which the reference teeth 130 are arranged directly. The slats 118 are created by cutting out a trapezoid (elongated recess in the radial direction with a small recess transverse to it at the outer end in the circumferential direction, the recesses being slot-shaped). The disk teeth 128 are arranged on the main ring 120, ie radially on the outside of the disk. Slat teeth 128 and reference teeth 130 are arranged parallel to one another and transversely to the main extension surface of the slats 118. In this exemplary embodiment, a large fork light barrier is used, so that the teeth 128, 130 that belong to one another (ie lying in a radial straight line) run within the fork light barrier when the disk rotates. The disadvantage of the large fork light barrier is offset by the manufacturing advantage, especially if the teeth 128, 130 are produced by stamping and bending. This means that the integrated component can be completely manufactured in one stamping and bending step.

4 zeigt eine Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Zahnscheibe 122 ist parallel (in der bildlichen Darstellung hinter) den Lamellen 118 oder einer durch die Lamellen 118 aufgespannten Ebene angeordnet. Die Lamellenzähne 128 und die Referenz-Zähne 130 sind paarweise mit geringem Abstand zueinander angeordnet, die Anordnung ist deutlicher der nachfolgenden 5 zu entnehmen. Die Referenz-Zähne 130 erstrecken sich durch die Öffnungen zwischen jeweils zwei benachbarten Lamellen 118. 4 shows a torque detection device according to an embodiment of the present invention. The toothed disk 122 is arranged parallel (in the picture behind) the slats 118 or a plane spanned by the slats 118. The plate teeth 128 and the reference teeth 130 are arranged in pairs at a short distance from one another; the arrangement is clearer than the one below 5 refer to. The reference teeth 130 extend through the openings between two adjacent slats 118.

Jeweils ein Lamellenzahn 128 und ein zugehöriger Referenz-Zahn 130 sind paarweise angeordnet. Dabei ist der Lamellenzahn 128 radial von der Hauptwelle 114 aus betrachtet weiter außen angeordnet. In radialer Richtung sind (im Bild unten und somit näher zur Welle angeordnet) ein Sender 125a und auf der gegenüberliegenden Seite, quasi nach den Zähnen (Lamellenzähne 128, Referenz-Zähne 130) bzw. radial außen gelegen, ein Empfänger 125b einer Erfassungseinrichtung 124 bzw. einer Lichtschranke 125 (als Teil der Erfassungseinrichtung 124) angeordnet. Bei der Rotation der Zähne 128, 130 verdeckt zuerst einer der beiden Zähne und am Ende der andere Zahn den Strahl der Lichtschranke. Der Überlappungsbereich variiert und somit variiert der Tastgrad.Each plate tooth 128 and an associated reference tooth 130 are arranged in pairs. The disk tooth 128 is arranged further outwards, viewed radially from the main shaft 114. In the radial direction there is a transmitter 125a (located below in the picture and therefore closer to the shaft) and on the opposite side, so to speak after the teeth (lamella teeth 128, reference teeth 130) or located radially on the outside, there is a receiver 125b of a detection device 124 or .A light barrier 125 (as part of the detection device 124) is arranged. When the teeth 128, 130 rotate, first one of the two teeth and then at the end the other tooth covers the beam of the light barrier. The overlap area varies and therefore the duty cycle varies.

Die beiden Zahnreihen (der Anzahl der Referenz-Zähne 130 und Anzahl der der Lamellenzähne 128) sind zwischen den redundant ausgeführten zwei (oder mehr) Stück Gabellichtschranken 125 (als Erfassungseinrichtung 124) ausgerichtet und rotieren somit immer durch die Lichtschranke 125. Die innere Zahnscheibe 122 wird wie ein Zeiger eines Messinstrumentes verstärkt. Die Überlappung ist wichtig für einen Fertigungstoleranzausgleich bei nicht perfekt gefertigten Zähnen, so dass von jedem Zahn 128, 130 immer nur eine Kante für den Sensor 125 sichtbar ist. So ist von einem der Zähne die im Durchlauf durch den Sensor 125 vordere Kante und von dem anderen Zahn die hintere Kante für den Sensor relevant.The two rows of teeth (the number of reference teeth 130 and the number of lamellar teeth 128) are aligned between the redundant two (or more) pieces of fork light barriers 125 (as a detection device 124) and thus always rotate through the light barrier 125. The inner toothed disk 122 is amplified like a pointer on a measuring instrument. The overlap is important for compensating for manufacturing tolerances in the case of teeth that are not perfectly manufactured, so that only one edge of each tooth 128, 130 is visible to the sensor 125. The front edge of one of the teeth as it passes through the sensor 125 and the rear edge of the other tooth are relevant for the sensor.

In 6 ist die Erfassungseinrichtung 124 mit einer Lichtschranke 125 im Schnitt ersichtlich. Die Lichtschranke 125 ist auf einer Platine angeordnet, auf der auch eine zweite Lichtschranke beabstandet zur ersten Lichtschranke angeordnet ist. Wenn der Abstand nicht exakt mit dem Abstand der Zähne 128, 130 übereinstimmt, kann aus den beiden Signalen bereits eine Drehrichtung berechnet werden. Auch kann durch eine Mehrzahl an Sensoren 125 und die so geschaffene Redundanz die Ausfallsicherheit des Sensors erhöht werden, die Drehmomenterfassungseinrichtung 108 somit robuster werden. Die Auswerteeinrichtung 126 kann auf der selben Platine 134 angeordnet sein. So kann auch ein Mikrocontroller auf der Platine 134 sowohl Aufgaben der Erfassungseinrichtung 124 als auch der Auswerteeinrichtung 126 übernehmen.In 6 the detection device 124 with a light barrier 125 can be seen in section. The light barrier 125 is arranged on a circuit board on which a second light barrier is also arranged at a distance from the first light barrier. If the distance does not exactly match the distance between the teeth 128, 130, a direction of rotation can already be calculated from the two signals. The reliability of the sensor can also be increased by a plurality of sensors 125 and the redundancy created in this way, and the torque detection device 108 can thus become more robust. The evaluation device 126 can be arranged on the same circuit board 134. A microcontroller on the circuit board 134 can also take over the tasks of the detection device 124 and the evaluation device 126.

In 7 sieht man, dass die Zahnscheibe 122 mit der Einheit aus Hauptwelle 114, der Vielzahl an Lamellen 118 und dem Hauptring 120 im Bereich der Hauptwelle 114 gekoppelt bzw. verbunden ist, aber keine Verformung durch ein auf die Hauptwelle 114 wirkendes Drehmoment erfährt.In 7 one can see that the toothed washer 122 is coupled or connected to the unit consisting of the main shaft 114, the plurality of disks 118 and the main ring 120 in the area of the main shaft 114, but does not undergo any deformation due to a torque acting on the main shaft 114.

8 und 9 zeigen das gleiche Ausführungsbeispiel, einmal im unbelasteten Zustand und einmal im belasteten Zustand. Im unbelasteten Zustand, wie er in 8 dargestellt ist, sind die Lamellen in radialer Richtung gerade ausgerichtet. Wenn ein Drehmoment auf die Drehmomenterfassungseinrichtung 108 wirkt, verformen sich die Lamellen 118, wie es in 9 ersichtlich ist. Auf der Zahnscheibe 122 sind Anschläge 132 ausgeformt, welche sich in den Zwischenraum zwischen zwei Lamellen 118 erstrecken. Eine der zugeordneten Lamelle 118 zugewandte Anschlagsfläche des Anschlags 132 ist gebogen und entspricht somit der Verformung der Lamelle 118 bei der maximalen Belastung am Ende des Messbereichs, beispielsweise 100 Nm. Bei einer höheren Belastung werden die Lamellen 118 nicht weiter verformt, das Drehmoment wird mittels des Anschlags 132, bzw. der Anschläge 132 abgestützt. 8th and 9 show the same exemplary embodiment, once in the unloaded state and once in the loaded state. In the unloaded state, as in 8th is shown, the slats are aligned straight in the radial direction. When a torque acts on the torque detection device 108, the slats 118 deform as shown in 9 is visible. On the Toothed disk 122, stops 132 are formed, which extend into the space between two slats 118. A stop surface of the stop 132 facing the assigned lamella 118 is curved and thus corresponds to the deformation of the lamella 118 at the maximum load at the end of the measuring range, for example 100 Nm. At a higher load, the slats 118 are no longer deformed; the torque is supported by means of the stop 132 or the stops 132.

Der Anschlag 132 könnte auch anders ausgeformt sein, beispielsweise zwischen Zahnscheibe 122 und Hauptring 120, sodass ein Drehmoment dann auch über die Zahnscheibe 122 direkt an den Hauptring 120 weitergeleitet werden könnte. Weitere Alternativen sind denkbar. Es geht dabei immer um die Unterstützung der Lamellen, sodass sich diese immer nur elastisch verformen, nicht in die plastische Verformung kommen und oberhalb der Zugbelastungsgrenze belastet werden.The stop 132 could also be shaped differently, for example between the toothed disk 122 and the main ring 120, so that a torque could then also be transmitted directly to the main ring 120 via the toothed disk 122. Other alternatives are conceivable. It is always about supporting the slats so that they only deform elastically, do not undergo plastic deformation and are loaded above the tensile load limit.

10 zeigt eine Variante, die aus einem Federstahlblech gefertigt ist. Dabei sind die Lamellen 118 und die Zahnscheibe 122 in einer Ebene angeordnet. Die Zahnscheibe 122 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus Lamellen oder Speichen, welche am Hauptring 120 nicht befestigt sind und somit im Idealfall keine Verformung erfahren, außer nach dem maximalen Messbereich. Ist dieser erreicht können die Lamellen oder Speichen der Zahnscheibe 122 ebenfalls den Hauptring 120 abstützen. Auch eine zweiteilige Ausführung mit zwei parallel angeordneten Scheiben ist denkbar. Auch das in 11 gezeigte Ausführungsbeispiel folgt diesem Gedanken. Abwechselnd sind Lamellen ausgeformt, mit einer Verbindung zum Hauptring (dann handelt es sich im Lamellen 118) und bei denen keine Verbindung zum Hauptring 120 besteht (dann sind diese Teil der Zahnscheibe 122). Die Erfassungseinrichtung 124 ist eingerichtet, eine Relativbewegung der beiden unterschiedlichen Lamellen zu erfassen. So kann das wirkende Drehmoment bestimmt werden. 10 shows a variant that is made from a spring steel sheet. The slats 118 and the toothed disk 122 are arranged in one plane. In this exemplary embodiment, the toothed disk 122 consists of slats or spokes, which are not attached to the main ring 120 and therefore ideally do not experience any deformation, except after the maximum measuring range. Once this is achieved, the slats or spokes of the toothed disk 122 can also support the main ring 120. A two-part design with two disks arranged in parallel is also conceivable. Also that in 11 The exemplary embodiment shown follows this idea. Alternating slats are formed, with a connection to the main ring (then these are slats 118) and in which there is no connection to the main ring 120 (then these are part of the toothed washer 122). The detection device 124 is set up to detect a relative movement of the two different slats. This way the effective torque can be determined.

12 und 13 zeigen weitere alternative Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung. 12 and 13 show further alternative embodiments according to the present invention.

14 zeigt eine Variante mit zusätzlichen Zahnreihen. Durch eine besondere Anordnung der Zähne können mit den Gabellichtschranken 125 und die nachgelagerte Signalauswertung zusätzliche Informationen erfasst werden. 14 shows a variant with additional rows of teeth. Through a special arrangement of the teeth, additional information can be recorded with the fork light barriers 125 and the downstream signal evaluation.

15 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst zumindest drei Verfahrensschritte. Im ersten Schritt S1 des Sensieren wird eine zu einem Drehmoment relative Winkelverschiebung sensiert und eine die Winkelverschiebung und somit das Drehmoment repräsentierendes elektrisches Signal erzeugt, welches im zweiten Schritt S2 bereitgestellt, wird. Im dritten Schritt S3 des Auswertens des elektrischen Signals wird das elektrische Signal an einer Schnittstelle einer Auswerteeinrichtung 126 eingelesen, in der Auswerteeinrichtung ausgewertet und zumindest ein Signal ausgegeben, welches das auf die Hauptwelle wirkende Drehmoment repräsentiert. In 16 sind entsprechende das Drehmoment repräsentierende Signale dargestellt. Dabei zeigt 16a ein unkalibriertes Signal von einer Vielzahl von Umdrehungen. Es ist sowohl ein Offset als auch eine Kurbelumdrehung ersichtlich. In 16b ist das Signal kalibriert. Hierzu weist die Drehmomenterfassungseinrichtung eine zusätzliche Einrichtung auf, die einen Nulldurchgang der Hauptwelle detektiert. Dies kann über eine spezielle Ausgestaltung der Zähne 128, 130 erfolgen oder aber bevorzugt durch einen zusätzlichen Sensor. Dies kann beispielsweise ein Hall-Sensor oder ein optischer Sensor sein. Mit der Zusatzinformation des Nulldurchgangs kann das Signal einfach kalibriert werden. Ein menschlicher Fahrer erzeugt in der Regel kein konstantes Drehmoment, selbst beim Einsatz von speziellen Fahrradpedalen, die mit dem Schuh des Fahrers verbunden sind (sogenannte Click-Pedale). Da in der Abwärtsbewegung ein höheres Drehmoment erzeugt werden kann wie in der waagrechten Bewegung, sieht das Drehmomentsignal Sinusähnlich aus. Man sieht vier Kurbelumdrehungen mit einer gleichbleibenden Kraft bzw. Drehmoment, dann eine starke Steigerung des Drehmoments, welche dann leicht abfällt für die kommenden drei Kurbelumdrehungen. Für die Steuereinrichtung kann das Signal dann weiterverarbeitet werden, beispielsweise einer Glättung unterzogen werden, sodass der angesteuerte Motor gleichmäßig das Fahrrad antreibt. 15 shows a flowchart of a method according to an exemplary embodiment of the present invention. The process includes at least three process steps. In the first step S1 of sensing, an angular displacement relative to a torque is sensed and an electrical signal representing the angular displacement and thus the torque is generated, which is provided in the second step S2. In the third step S3 of evaluating the electrical signal, the electrical signal is read in at an interface of an evaluation device 126, evaluated in the evaluation device and at least one signal is output which represents the torque acting on the main shaft. In 16 Corresponding signals representing the torque are shown. This shows 16a an uncalibrated signal from a large number of revolutions. Both an offset and a crank revolution are visible. In 16b the signal is calibrated. For this purpose, the torque detection device has an additional device that detects a zero crossing of the main shaft. This can be done via a special design of the teeth 128, 130 or preferably via an additional sensor. This can be, for example, a Hall sensor or an optical sensor. With the additional information about the zero crossing, the signal can be easily calibrated. A human rider typically does not produce constant torque, even when using special bicycle pedals connected to the rider's shoe (so-called click pedals). Since a higher torque can be generated in the downward movement than in the horizontal movement, the torque signal looks similar to a sine wave. You can see four crank revolutions with a constant force or torque, then a strong increase in torque, which then drops slightly for the next three crank revolutions. The signal can then be further processed for the control device, for example subjected to smoothing, so that the controlled motor drives the bicycle evenly.

BezugszeichenlisteReference symbol list

100100
Elektrischer Antrieb, RadnabenmotorElectric drive, wheel hub motor
102102
Statorstator
104104
Rotorrotor
106106
GetriebeelementGear element
108108
DrehmomenterfassungseinrichtungTorque detection device
110110
SteuereinrichtungControl device
112112
Rotor-GlockeRotor bell
114114
Hauptwelle, KassettenaufnahmeMain shaft, cassette holder
116116
RadnabenachseWheel hub axle
118118
Lamellenslats
120120
Hauptringmain ring
122122
Zahnscheibetoothed washer
124124
ErfassungseinrichtungDetection device
125125
Lichtschranke, GabellichtschrankeLight barrier, fork light barrier
125a125a
Sender der LichtschrankeLight barrier transmitter
125b125b
Empfänger der LichtschrankeReceiver of the light barrier
126126
AuswerteeinrichtungEvaluation device
128128
LamellenzähneLamellar teeth
130130
Referenz-ZähneReference teeth
132132
Anschlagattack
134134
Platine circuit board
S1 bis S3S1 to S3
VerfahrensschritteProcedural steps

Claims (15)

Drehmomenterfassungseinrichtung (108), insbesondere für einen elektrischen Antrieb (100), aufweisend - eine Hauptwelle (114), - ein Hauptring (120), der radial beabstandet zur Hauptwelle (114) sich um diese erstreckt, - eine Vielzahl von vorzugsweise gleichartigen speichenförmigen Lamellen (118), die die Hauptwelle (114) mit dem Hauptring (120) verbinden und die ausgebildet sind, ein auf die Hauptwelle (114) wirkendes Drehmoment auf den Hauptring (120) zu übertragen, wobei sich die Lamellen (118) vorbestimmbar zum eingebrachten Drehmoment verformen, - eine Zahnscheibe (122), die mit der Hauptwelle (114) verbunden ist und parallel zu der Vielzahl von Lamellen (118) angeordnet ist, - eine Erfassungseinrichtung (124), die ausgebildet ist ein elektrisches Signal auszugeben, welches sich in Abhängigkeit der Verformung der Lamellen (118) verändert, - eine Auswerteeinrichtung (126), die ausgebildet ist, das elektrische Signal einzulesen, auszuwerten und zumindest ein Signal auszugeben, welches ein auf die Hauptwelle (114) wirkendes Drehmoment repräsentiert, wobei - an einem radial von der Hauptwelle (114) abgewandten Endbereich der Vielzahl von Lamellen (118) oder am Hauptring (120) eine Anzahl quer zur Erstreckungsrichtung der Lamellen (118) ausgerichteter Lamellenzähne (128) angeordnet sind, und - eine Anzahl von Referenz-Zähnen (130), die im äußeren Randbereich der Zahnscheibe (122) angeordnet sind, und quer zur Haupterstreckung der Zahnscheibe (122) ausgerichtet sind, - wobei die Referenz-Zähne (130) parallel zu den Lamellenzähnen (128) ausgerichtet sind.Torque detection device (108), in particular for an electric drive (100), having - a main shaft (114), - a main ring (120), which extends around the main shaft (114) at a radial distance from it, - a plurality of preferably similar spoke-shaped slats (118), which connect the main shaft (114) to the main ring (120) and which are designed to transmit a torque acting on the main shaft (114) to the main ring (120), whereby deform the slats (118) in a predeterminable manner to the applied torque, - a toothed disk (122) which is connected to the main shaft (114) and is arranged parallel to the plurality of slats (118), - a detection device (124) which is designed to output an electrical signal which changes depending on the deformation of the slats (118), - an evaluation device (126) which is designed to read in the electrical signal, evaluate it and output at least one signal which represents a torque acting on the main shaft (114), whereby - a number of lamella teeth (128) aligned transversely to the direction of extension of the lamellae (118) are arranged on an end region of the plurality of lamellas (118) facing away radially from the main shaft (114) or on the main ring (120), and - a number of reference teeth (130) which are arranged in the outer edge region of the toothed disk (122) and are aligned transversely to the main extension of the toothed disk (122), - The reference teeth (130) are aligned parallel to the plate teeth (128). Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, wobei - sich die Anzahl von Referenz-Zähnen (130) durch Öffnungen zwischen den Lamellen (118) hindurcherstrecken.Torque detection device (108) according to the preceding claim, wherein - The number of reference teeth (130) extend through openings between the slats (118). Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung (124) eine Anzahl von Hall-Sensoren aufweist.Torque detection device (108) according to one of the preceding claims, wherein the detection device (124) has a number of Hall sensors. Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Erfassungseinrichtung (124) einen optischen Sensor oder eine Mehrzahl von optischen Sensoren, insbesondere Lichtschranken, aufweist.Torque detection device (108) according to one of Claims 1 or 2 , wherein the detection device (124) has an optical sensor or a plurality of optical sensors, in particular light barriers. Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung (124) eine Mehrzahl von Sensoren aufweist und die Auswerteeinrichtung (126) ausgebildet ist, zu dem auf die Hauptwelle (114) wirkendes Drehmoment repräsentierenden Sensorsignal zumindest ein die Drehrichtung und/oder die Drehgeschwindigkeit repräsentierendes Signal auszugeben.Torque detection device (108) according to one of the preceding claims, wherein the detection device (124) has a plurality of sensors and the evaluation device (126) is designed to provide at least one sensor signal representing the direction of rotation and/or the torque acting on the main shaft (114). Output signal representing rotational speed. Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung (124) ausgebildet ist einen Nulldurchgang der Hauptwelle (114) zu bestimmen, insbesondere mittels eines zusätzlichen Sensors und/oder durch eine spezielle Gestaltung von einzelnen Referenz-Zähnen (130) und/oder Lamellenzähnen (128).Torque detection device (108) according to one of the preceding claims, wherein the detection device (124) is designed to determine a zero crossing of the main shaft (114), in particular by means of an additional sensor and/or by a special design of individual reference teeth (130) and/or or lamellar teeth (128). Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Lamellen (118) in Umfangsrichtung eine Dicke von kleiner 8 mm, insbesondere kleiner 5 mm, insbesondere kleiner 3 mm, insbesondere kleiner 2 mm haben.Torque detection device (108) according to one of the preceding claims, wherein the slats (118) have a thickness in the circumferential direction of less than 8 mm, in particular less than 5 mm, in particular less than 3 mm, in particular less than 2 mm. Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, wobei die Lamellen (118) in radialer Erstreckung eine unterschiedliche Dicke aufweisen, insbesondere in einem Mittenbereich dünner ausgeformt sind als in den Endbereichen, insbesondere in dem Mittenbereich eine um zumindest 20% verringerte Dicke aufweisen als eine mittlere Dicke in den Endbereichen.Torque detection device (108) according to the preceding claim, wherein the slats (118) have a different thickness in the radial extent, are in particular thinner in a central region than in the end regions, in particular in the central region have a thickness reduced by at least 20% than a middle one Thickness in the end areas. Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zumindest ein Anschlag (132) vorgesehen ist, der die Verformung der Lamellen (118) begrenzt und ein zur begrenzten Verformung proportionales Drehmoment übersteigendes Drehmoment mittels Formschluss auf den Hauptring (120) überträgt, insbesondere wobei ein Anschlag (132) je Lamelle vorgesehen ist und die Anschläge (132) derart ausgeformt sind, dass zumindest 50 % der Längserstreckung der jeweiligen zugeordneten Lamelle an einer Anschlagsfläche des jeweiligen Anschlags (132) anliegt.Torque detection device (108) according to one of the preceding claims, wherein at least one stop (132) is provided which limits the deformation of the slats (118) and transmits a torque that exceeds the limited deformation to the main ring (120) by means of positive locking, in particular where a stop (132) is provided for each slat and the stops (132) are shaped in such a way that at least 50% of the Longitudinal extension of the respective assigned lamella rests on a stop surface of the respective stop (132). Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (126) eingerichtet ist, das eingelesene elektrische Signal zu kalibrieren, insbesondere unter Verwendung des Nulldurchgangs, und das auf die Hauptwelle (114) wirkende Drehmoment repräsentierende Signal unter Verwendung des kalibrierten Signals zu bestimmen.Torque detection device (108) according to one of the preceding claims, wherein the evaluation device (126) is set up to calibrate the read-in electrical signal, in particular using the zero crossing, and the signal representing the torque acting on the main shaft (114) using the calibrated signal determine. Elektrischer Antrieb (100), insbesondere für ein Fahrzeug wie beispielsweise ein Fahrrad, ein Pedelec, ein S-Pedelec oder ein Leichtkraftfahrzeug, aufweisend - einen Stator (102) und einen Rotor (104), wobei ein von einem Fahrer aufgebrachtes Drehmoment über ein Getriebeelement (16) auf den Rotor (104) übertragbar ist, - eine Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche. - eine Steuereinrichtung (110), welche ausgebildet ist, ein Hilfs-Drehmoment für den Fahrer von dem elektrischen Antrieb (100) in Abhängigkeit des Drehmomentsignals zu steuern.Electric drive (100), in particular for a vehicle such as a bicycle, a Pedelec, an S-Pedelec or a light motor vehicle - a stator (102) and a rotor (104), wherein a torque applied by a driver can be transmitted to the rotor (104) via a gear element (16), - A torque detection device (108) according to one of the preceding claims. - A control device (110), which is designed to control an auxiliary torque for the driver from the electric drive (100) depending on the torque signal. Elektrischer Antrieb (100) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, wobei der Hauptring (120) und die Vielzahl von insbesondere gleichartigen speichenförmigen Lamellen (118) ein Teil des als Rotorglocke (112) ausgeformten Rotors (104) sind.Electric drive (100) according to the preceding claim, wherein the main ring (120) and the plurality of, in particular, similar spoke-shaped slats (118) are part of the rotor (104) shaped as a rotor bell (112). Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments, insbesondere eines elektrischen Antriebs (100), aufweisend zumindest die folgenden Schritte: a) Sensieren (S1) einer zu einem Drehmoment relativen Winkelverschiebung und bereitstellen eines die Winkelverschiebung und somit das Drehmoment repräsentierenden elektrischen Signals, wobei das Drehmoment auf eine Hauptwelle (114) wirkt, die über eine Vielzahl von vorzugsweise gleichartigen speichenförmigen Lamellen (118) mit einem radial beabstandet zur Hauptwelle (114) und sich um diese erstreckendem Hauptring (120) verbunden ist, wobei die Lamellen (118) ausgebildet sind, ein auf die Hauptwelle (114) wirkendes Drehmoment auf den Hauptring (120) zu übertragen, und wobei sich die Lamellen (118) proportional zum eingebrachten Drehmoment verformen, wobei an einem radial von der Hauptwelle (114) abgewandten Endbereich der Vielzahl von Lamellen (118) oder am Hauptring (120) eine Anzahl quer zur Erstreckungsrichtung der Lamellen (118) ausgerichteter Lamellenzähne (128) angeordnet sind, und eine Anzahl von Referenz-Zähnen (130), die im äußeren Randbereich der Zahnscheibe (122) angeordnet sind, und quer zur Haupterstreckung der Zahnscheibe (122) ausgerichtet sind, wobei die Referenz-Zähne (130) parallel zu den Lamellenzähnen (128) ausgerichtet sind, b) Bereitstellen (S2) des elektrischen Signals, und c) Auswerten (S3) des elektrischen Signals, wobei das elektrische Signal an einer Schnittstelle einer Auswerteeinrichtung (126) eingelesen wird, in der Auswerteeinrichtung (126) ausgewertet wird und zumindest ein Signal ausgegeben wird, welches das auf die Hauptwelle (114) wirkende Drehmoment repräsentiert.Method for determining a torque, in particular of an electric drive (100), comprising at least the following steps: a) Sensing (S1) an angular displacement relative to a torque and providing an electrical signal representing the angular displacement and thus the torque, the torque acting on a main shaft (114) which has a plurality of preferably similar spoke-shaped slats (118). radially spaced from the main shaft (114) and connected to the main ring (120) extending around it, the slats (118) being designed to transmit a torque acting on the main shaft (114) to the main ring (120), and wherein the Deform the slats (118) in proportion to the torque introduced, with a number of slat teeth (128) aligned transversely to the direction of extension of the slats (118) on an end region of the plurality of slats (118) facing away radially from the main shaft (114) or on the main ring (120). are arranged, and a number of reference teeth (130) which are arranged in the outer edge region of the toothed disk (122) and are aligned transversely to the main extension of the toothed disk (122), the reference teeth (130) being parallel to the lamellar teeth (128) are aligned, b) providing (S2) the electrical signal, and c) evaluating (S3) the electrical signal, wherein the electrical signal is read in at an interface of an evaluation device (126), is evaluated in the evaluation device (126) and at least one signal is output which represents the torque acting on the main shaft (114). represented. Verfahren gemäß dem vorangegangenen Anspruch, mit einem Schritt des Kalibrierens, in dem das elektrische Signal insbesondere unter Verwendung eines Nulldurchgangs, auf einen Nullpunkt kalibriert wird, und wobei das auf die Hauptwelle (114) wirkende Drehmoment im Schritt des Auswertens (S3) unter Verwendung des kalibrierten Signals bestimmt wird.Method according to the preceding claim, with a step of calibrating, in which the electrical signal is calibrated to a zero point, in particular using a zero crossing, and wherein the torque acting on the main shaft (114) in the step of evaluating (S3) using the calibrated signal is determined. Verfahren gemäß einem der beiden vorangegangenen Ansprüche, wobei unter Verwendung des elektrischen Signals und/oder des kalibrierten Signals eine Winkelgeschwindigkeit der Hauptwelle (114) bestimmt wird.Method according to one of the two preceding claims, wherein an angular velocity of the main shaft (114) is determined using the electrical signal and/or the calibrated signal.
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