DE102022002546B3 - Torque detection device, electric drive and method - Google Patents
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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
Die nachveröffentlichte
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:
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:
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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.
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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.
Der in
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
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
In
In
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
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022002546.9A DE102022002546B3 (en) | 2022-07-12 | 2022-07-12 | Torque detection device, electric drive and method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022002546.9A DE102022002546B3 (en) | 2022-07-12 | 2022-07-12 | Torque detection device, electric drive and method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022002546B3 true DE102022002546B3 (en) | 2023-10-26 |
Family
ID=88238746
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022002546.9A Active DE102022002546B3 (en) | 2022-07-12 | 2022-07-12 | Torque detection device, electric drive and method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102022002546B3 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010017851A1 (en) | 2010-04-22 | 2011-10-27 | Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg | Torsion module for torque detection device of e.g. electric power-assisted steering system in motor car, has connecting flange part comprising contour sleeve or contour pin, where contour pin or contour sleeve is connected with inner ring |
US20130049444A1 (en) | 2011-08-29 | 2013-02-28 | Shimano Inc. | Bicycle rear hub |
DE102021000407B3 (en) | 2021-01-28 | 2022-05-12 | Hirschvogel Holding GmbH | Electrical auxiliary drive for a bicycle, and an electric bicycle or a bicycle ergometer with such an electrical auxiliary drive |
DE102021003644B3 (en) | 2021-07-15 | 2022-11-03 | Hirschvogel Holding GmbH | Electrical auxiliary drive and electrically operated bicycle |
-
2022
- 2022-07-12 DE DE102022002546.9A patent/DE102022002546B3/en active Active
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