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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bausatz für einen Elektromotor zum Nachrüsten eines Fahrrads.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Die
US 2011/0 101 901 A1 zeigt einen Bausatz für einen Elektromotor zum Nachrüsten eines Fahrrads mit einem ersten Stator und mit einem Rotor, wobei der Stator an einer drehfesten Komponente des Fahrrads montierbar ist und eine oder mehrere magnetisierbare Komponenten aufweist, wobei der Rotor an einer rotierenden Komponente des Fahrrads derart montierbar ist, dass der Rotor mit der rotierenden Komponente rotiert, wobei magnetisierbare und/oder magnetische Komponenten derart auf dem Rotor angeordnet sind, dass eine geeignete Kommutierung der magnetisierbaren Komponenten des Stators eine Rotation des Rotors induziert, wobei wenigstens der Rotor oder der Stator magnetisierbare Komponenten aufweist.
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DE 10 2019 000 724 A1 offenbart elektrische Torque- als auch Linearmaschinen, die bei der Projektierung flexibel in Bezug auf die Leistungsparameter gestaltet werden können.
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DE 10 2014 104 957 A1 zeigt eine Fahrradantriebseinheit mit einem E-Motor. Diese umfasst ein erstes Tretlager, eine Kurbelwelle und einen ersten Motor. Der erste Motor umfasst ein erstes Gehäuse, das nicht-drehbar mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, ein zweites Gehäuse, das nicht-drehbar mit dem Tretlagergehäuse gekoppelt ist, einen ersten Rotor, der einen ersten Magneten aufweist, der an dem ersten Gehäuse angeordnet ist, und einen ersten Stator, der nicht-drehbar mit dem ersten Tretlager gekoppelt ist. Der erste Magnet und der erste Stator sind einander radial bezüglich der Drehachse der Kurbelwelle zugewandt.
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DE 10 2012 105 657 A1 zeigt ein Elektrofahrrad mit einem scheibenförmigen Elektromotor, der einen scheibenförmigen Stator und einen scheibenförmigen Rotor mit Permanentmagneten umfasst.
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DE 10 2010 026 404 A1 zeigt einen Hilfsantriebsmotor für ein Fahrrad mit einem Stator und einem Rotor, welche beide in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
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DE 10 2019 130 767 A1 zeigt eine Antriebs- und Bremsvorrichtung für ein Fahrrad mit einer Rotoreinheit und einer Statoreinheit. Die Rotoreinheit weist eine Bremsscheibe und einen Magnetabschnitt auf. Die Bremsscheibe und der Magnetabschnitt sind starr miteinander verbunden. Die Statoreinheit weist einen Bremssattel und einen Stator auf. Der Magnetabschnitt und der Stator sind Teil eines gemeinsamen Elektromotors.
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US 2019/0 118 902 A1 zeigt eine elektrische Antriebseinheit für ein Fahrrad.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine kompaktere Anordnung der magnetischen Komponenten auf dem Rotor zu schaffen, die zudem eine gleichförmige Unterstützungskraft gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- - Ein Bausatz für einen Elektromotor zum Nachrüsten eines Fahrrads mit einem ersten Stator und mit einem Rotor, wobei der Stator an einer drehfesten Komponente des Fahrrads montierbar ist und eine oder mehrere magnetisierbare Komponenten aufweist, wobei der Rotor an einer rotierenden Komponente des Fahrrads derart montierbar ist, dass der Rotor mit der rotierenden Komponente rotiert, wobei magnetisierbare und/oder magnetische Komponenten derart auf dem Rotor angeordnet sind, dass eine geeignete Kommutierung der magnetisierbaren Komponenten des Stators eine Rotation des Rotors induziert, wobei wenigstens der Rotor oder der Stator magnetisierbare Komponenten aufweist, wobei die magnetisierbaren oder magnetischen Komponenten auf dem Rotor auf mehreren, insbesondere drei, konzentrischen Kreislinien angeordnet sind,
wobei auf jeder Kreislinie gleich viele magnetisierbare oder magnetische Komponenten angeordnet sind.
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Ein Rotor ist der sich drehende Teil einer elektrischen Maschine. Als Stator bezeichnet man den feststehenden, unbeweglichen Teil einer elektrischen Maschine.
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Eine rotierende Komponente eines Fahrrads ist z. B. ein Tretlager, ein Ritzel, ein Rad, ein Pedal oder dergleichen.
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Magnetisierbare Komponenten weisen veränderliche magnetische Eigenschaften auf. Insbesondere lässt sich ein Magnetfeld, welches von magnetisierbaren Komponenten erzeugt wird durch eine geeignete Bestromung einstellen.
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Magnetische Komponenten sind Permanentmagnetisch.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von einem Rotor mit magnetischen Komponenten und einem Stator mit magnetisierbaren Komponenten beschrieben. Es versteht sich, dass auch der Rotor magnetisierbare Komponenten aufweisen kann, beispielsweise indem magnetisierbare Komponenten des Rotors mittels Schleifkontakten bestromt werden. Zudem kann auch der Stator magnetische Komponenten aufweisen, wenn der Rotor magnetisierbare Komponenten aufweist.
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Es versteht sich, dass der Schutzbereich der Erfindung durch die folgende Beschreibung des Rotors mit magnetischen Komponenten hierauf nicht beschränkt ist, sondern dass der Rotor auch magnetisierbare Komponenten aufweisen kann.
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Ein Bausatz umfasst mehrere Komponenten, die für den Zusammenbau vorgesehen sind. Dabei muss der Bausatz nicht notwendigerweise jede erforderliche Komponente enthalten, d.h. es kann vorgesehen sein, dass zusätzliche Komponenten, etwa Kabel, zugekauft werden müssen.
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Kommutierung bezeichnet in der Leistungselektronik den Vorgang, bei dem ein Stromfluss von einem Zweig zum anderen übergeht. Kommutierung kann z. B. mittels einer Stern- oder Dreieckschaltung erfolgen.
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Eine parabolische Kurve ist eine Kurve zweiter Ordnung, auch Parabel genannt.
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Gegenstände sind in einem parabolischem Muster angeordnet, wenn die Gegenstände einen festgelegten Referenzpunkt, etwa Mittelpunkt oder ein bestimmter Eckpunkt, der auf einer Parabel liegt, aufweisen.
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In dieser Patentanmeldung bezieht sich die Formulierung „auf einer Kreislinie liegen“ oder „auf einer Kurve liegen“, darauf, dass ein vorbestimmter Referenzpunkt einer magnetischen/magnetisierbaren Komponente auf einer Kreislinie bzw. auf einer Kurve liegt.
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Wenn in dieser Patentanmeldung beschrieben ist, dass zwei oder mehr Kurven identisch sind, ist damit gemeint, dass die Kurven durch eine identische Linie darstellbar sind. Dementsprechend können identische Kurven zueinander verschoben sein, wohingegen identische Kurven jedoch die gleiche Steigung und die gleiche Krümmung aufweisen.
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Das Rechtecksignal bezeichnet ein periodisches Signal, das zwischen zwei Werten hin und her schaltet und in einem Diagramm über der Zeit einen idealerweise rechteckigen Verlauf aufweist. Es kann unipolar oder bipolar auftreten. Signale mit ideal rechteckigem Verlauf existieren nur theoretisch. In der Realität können die Flanken nicht senkrecht ansteigen und somit einen unendlich steilen Sprung ausführen; den stattdessen realen Sprung beschreiben die Anstiegs- und Abfallzeiten. Unter anderem wegen des kapazitivem und induktiven Verhaltens der Übertragungsleitungen weist ein Rechtecksignal häufig auch ein Unter- und Überschwingen auf. Der low-Pegel eines Rechtecksignals ist sein unterer Wert.
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Die grundlegende Idee der Erfindung ist es, einen Bausatz zum Nachrüsten eines Fahrrads mit einem Elektromotor zu schaffen. Dabei ist vorgesehen, den Rotor an einer rotierenden Komponente des Fahrrads zu befestigen und den Stator an einer drehfesten Komponente des Fahrrads zu befestigen. Der Rotor weist einen oder mehrere magnetische Komponenten auf. Der Stator weist eine oder mehrere magnetisierbare Komponenten auf. Die magnetischen und magnetisierbaren Komponenten induzieren eine Drehung des Rotors, wenn diese unter Berücksichtigung der Rotordrehung zueinander geeignet ausgerichtet sind und ferner eine geeignete Kommutierung gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß sind die magnetischen Komponenten auf dem Rotor auf mehreren, insbesondere drei, konzentrischen Kreislinien angeordnet. Somit ist eine platzsparende Anordnung der magnetischen Komponenten auf dem Rotor gewährleistet, die zudem eine gleichförmige Unterstützungskraft gewährleistet.
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Erfindungsgemäß sind auf jeder Kreislinie gleich viele magnetische Komponenten angeordnet sind.
Es versteht sich, dass ein Bausatz für einen Elektromotor eine elektrische Schaltung zur Kommutierung der magnetisierbaren Komponenten aufweisen kann, wobei dies nicht zwingend erforderlich ist, da auch auf herkömmliche Schaltungen zur Kommutierung zurückgegriffen werden kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn die magnetischen Komponenten des Rotors in einem parabolischen Muster angeordnet sind, derart dass für jede magnetische Komponente des Rotors eine fiktive parabolische Kurve existiert, auf der je eine magnetische Komponente einer Kreislinie angeordnet ist, wobei insbesondere die parabolischen Kurven für jedes Tupel magnetischer Komponenten identisch sind.
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Magnetische Komponenten, die auf einer gemeinsamen parabolischen Kurve liegen, bilden ein Tupel.
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Durch diese Vorgaben ist die Anordnung der magnetischen Komponenten auf dem Rotor soweit festgelegt, dass der Effekt bezüglich der platzsparenden Anordnung und der gleichförmigen Unterstützungskraft erreicht ist und gleichzeitig Freiheitsgrade für die Optimierung anderer Parameter bestehen bleiben.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die magnetisierbaren Komponenten des Stators derart angeordnet, dass diese auf einer parabolischen Kurve des Rotors liegen.
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Somit ist gewährleistet, dass die Anordnung der magnetisierbaren Komponenten des Stators und der magnetischen Komponenten des Rotors bestmöglich aufeinander abgestimmt ist.
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Der Stator kann schwenkbar zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position ausgebildet sein, um den Abstand des Stators zum Rotor einzustellen. Der Stator kann z. B. manuell oder mittels eines elektromechanischen Stellers verschwenkt werden.
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Somit ist gewährleistet, dass der Elektromotor leicht deaktivierbar ist, wenn dieser an einem Fahrrad montiert ist, und das Fahrrad ohne elektrische Unterstützung betrieben werden soll. Indem der Abstand zwischen Stator und Rotor vergrößert wird, werden Wirbelstromverluste, die an dem Elektromotor auftreten, während das Fahrrad ohne elektrische Unterstützung betrieben wird, reduziert, sodass das elektrische Fahrrad mit nahezu identischem Kraftaufwand wie ein herkömmliches nicht elektrisches Fahrrad betrieben werden kann.
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Dies ist ein Vorteil gegenüber konventionellen Elektrofahrrädern, bei welchen erheblich mehr Kraft als bei einem nicht motorisierten Fahrrad aufgebracht werden muss, um das Fahrrad mit deaktivierten Motor fortzubewegen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Rotor an oder anstatt einem innersten Ritzel des Fahrrads montierbar.
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Dabei ist es denkbar, dass das innenliegende Ritzel einer Kettenradgarnitur entfernt wird und ein Rotor anstelle des Ritzels montiert wird. Alternativ ist es auch denkbar, den Rotor axial auf dem Ritzel zu befestigen. Die Befestigung kann z. B. mittels einer oder mehrerer Schrauben erfolgen. Alternativ ist es denkbar, dass das Ritzel an dessen Umfang ein Aufnahmemittel zur Aufnahme des Rotors aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Bausatz eine elektrische Schaltung zum Kommutieren der magnetisierbaren Komponenten auf. Es versteht sich, dass die Schaltung zwar erforderlich ist, um den Elektromotor zu betreiben, jedoch muss die Schaltung nicht zwingend in dem Bausatz für einen Elektromotor enthalten sein. Dabei ist vorgesehen, dass die Kommutierung mittels eines Rechtecksignals mit einem low-Pegel von 0 V oder mittels eines symmetrischen, bipolaren Signals erfolgt.
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Diese Kommutierung ist insbesondere auf die Anordnung der magnetischen Komponenten auf dem Rotor bzw. die Anordnung der magnetisierbaren Komponenten auf dem Stator abgestimmt. Es versteht sich, dass Transformationen existieren, sodass ein ähnlicher Effekt mit einer transformierten Kommutierung, einer transformierten Anordnung der magnetischen und magnetisierbaren Komponenten erzielt werden kann.
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Transformierte Anordnung bzw. transformierte Kommutierung bedeutet, dass die magnetischen/magnetisierbaren Komponenten bei einer transformierten Kommutierung zu jeder Zeit die gleiche Kraft induzieren wie eine Anordnung aus magnetischen/magnetisierbaren Komponenten wie sie in dieser Patentanmeldung beschrieben ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Rotor mehrteilig ausgebildet und weist mehrere Kreissegmente, die zu einem Vollkreis zusammensetzbar sind, auf.
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Dies erleichtert die Montage bzw. das Nachrüsten des Rotors an einem nicht elektrischen Fahrrad. Somit ist es möglich die Rotorteile auf die entsprechende Komponente, z. B. das Ritzel, aufzuclipsen, aufzuschrauben oder dergleichen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die magnetischen Komponenten des Rotors als Permanentmagneten ausgebildet. Dementsprechend ist es nicht erforderlich, die magnetischen Komponenten des Rotors zu bestromen, wodurch der Aufbau des Elektromotors vereinfacht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Pole der magnetischen Komponente einer Kurve identisch ausgerichtet und Pole benachbarter magnetischer Komponenten einer Kreislinie sind alternierend ausgerichtet. Somit ist es möglich, Wirbelstromverluste während der Rotation des Rotors zu reduzieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Bausatz mehrere Statoren, insbesondere zwei oder drei Statoren, mit jeweils mehreren, insbesondere drei, magnetisierbaren Komponenten auf.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1 eine schematische Prinzipskizze einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine Detailansicht eines Rotors zur Erläuterung einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine Detailansicht eines Rotors und eines Stators zur Erläuterung einer Ausführungsform der Erfindung;
- 4A einen Stator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 4B einen Stator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 4C einen Stator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 5 eine geschnittene Detailansicht zur Erläuterung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche, funktionsgleiche und gleichwirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nicht anders ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 zeigt eine schematische Schnittsicht eines hybriden Fahrradantriebs mit einem elektrischen Antrieb und einem mechanischen Antrieb. Der mechanische Antrieb umfasst eine Fahrradkette 101, die um eine Kettenradgarnitur 102 verläuft. Der elektrische Antrieb umfasst einen Rotor 1 und einen Stator 6, die an dem Fahrrad montiert sind. Der Rotor 1 umfasst vier gleichgroße Kreissegmente 1a, 1b, 1c, 1d, die mittels steckbaren Konturen 104 aneinandergesteckt sind. Der Rotor 1 ist an mehreren Bohrungen 109 mit der Kettenradgarnitur 102 des Fahrrads verschraubt.
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Auf dem zusammengesetzten Rotor 1 ist eine Vielzahl Permanentmagnete 2 angeordnet. Dabei sind die Mittelpunkte der Permanentmagnete 2 auf jeweils einer Kreislinie 3, 4 oder 5 angeordnet. Die Kreislinien 3, 4 und 5 sind konzentrisch zueinander ausgebildet, wobei die Kreislinie 3 den größten Radius aufweist und die Kreislinie 5 den kleinsten Radius aufweist. Auf jeder der Kreislinien 3-5 sind 16 Permanentmagnete 2 angeordnet.
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Dabei weisen Permanentmagnete 2, die sich auf einer identischen Kreislinie befinden, eine alternierend ausgerichtete Verpolung auf, d.h. NS-SN-NS-SN....
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Neben dem Rotor 1 ist in 1 auch der Stator 6 dargestellt, sodass 1 die Lage des Stators bezüglich des Rotors illustriert. Der Stator 6 umfasst drei Spulen 7a, 7b, 7c, wobei der Mittelpunkt der Spule 7a auf der innersten Kreislinie 5 liegt, der Mittelpunkt der Spule 7b auf der Kreislinie 4 liegt und der Mittelpunkt der Spule 7a auf der Kreislinie 3 liegt. Dementsprechend überlappen sich die Permanentmagnete des Rotors 1 und die Spulen 7a, 7b, 7c, wenn sich der Rotor 1 an einer dementsprechenden Position befindet.
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2 illustriert die Lage der Permanentmagnete 2 auf verschiedenen Kreislinien 3, 4, 5. Dementsprechend liegen die Mittelpunkte eines 3-Tupels an Permanentmagneten 2 auf einer parabolischen Kurve 8. Dementsprechend setzt sich ein 3-Tupel aus einem (beliebigen) Permanentmagneten der innersten Kreislinie, aus dem gegen den Uhrzeigersinn nächst gelegenen Permanentmagneten der mittleren Kreislinie 4 und aus dem wiederum gegen den Uhrzeigersinn nächst gelegenen Permanentmagneten 2 der äußersten Kreislinie 3 zusammen. Die Mittelpunkte der Permanentmagneten 2 eines jeden derartigen Tupels liegen auf einer parabolischen Kurve.
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3 soll eine geeignete Kommutierung der Spulen 7a, 7b, 7c des Stators 6 in Zusammenhang einer Rotordrehung erläutern. In 3 ist ein Permanentmagnet 2a der Kreislinie 3 zu einer Spule 7a des Stators 6 beabstandet. Der Abstand ist durch den Pfeil 106 indiziert. Ein Permanentmagnet 2b der Kreislinie 4 ist zu der Spule 7b des Stators 6 entsprechend dem Pfeil 107 beabstandet. Ein Permanentmagnet 2c der innersten Kreislinie 5 des Rotors 1 ist zu einer Spule 7c des Stators 6 durch den Abstand, der durch den Pfeil 108 indiziert ist, beabstandet.
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Die Spulen 7a, 7b, 7c sind derart kommutiert, dass sich die Permanentmagneten 2 und die Spulen 7a, 7b, 7c zwischen welchen Pfeile eingezeichnet sind, magnetisch anziehen. In einem nächsten Zeitschritt (nicht dargestellt) wird sich der Permanentmagnet 2c der innersten Kreislinie 5 auf der gleichen Höhe wie die Spule 7c befinden. Zu diesem Zeitschritt wird sich auch der Abstand zwischen der Spule 7b und dem Permanentmagneten 2b sowie zwischen der Spule 7c und dem Permanentmagneten 2c weiter verringert haben. An dieser Stelle ändert sich die Kommutierung der Spule 7c, derart dass zwischen der Spule 7c und dem Permanentmagneten 2c keine Anziehungskraft fortbesteht. Dies kann erfolgen, indem die Bestromung der Spule 7c pausiert wird, also 0 V anliegen, oder indem das Signal zur Kommutierung der Spule 7c sein Vorzeichen wechselt.
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4A zeigt eine erste Ausführungsform eines Stators 6. Der Stator 6 umfasst drei Spulen 7a, 7b, 7c.
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4B zeigt eine weitere Ausführungsform einer Statorkombination, die zwei identische Statoren 6 aufweist. Die Statoren 6 gemäß 4B entsprechen dem Stator gemäß 4A.
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Die 4C zeigt eine weitere alternative Ausführungsform einer Statorkombination mit drei Statoren 6. Jeder Stator 6 gemäß 4C entspricht dem Stator 6 gemäß 4A.
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5 zeigt die Lage eines verschwenkten Stators 6 bezüglich eines Fahrradrahmens 105 in einer Schnittsicht. An dem Fahrradrahmen 105 ist der Stator 6 mit einer oder mehrerer Spulen 7 befestigt. Der Stator 6 ist bezüglich dem Fahrradrahmen 105 verschwenkbar, wobei die Schwenkbewegung durch einen Drehpunkt 103 vorgegeben ist. In 5 ist der Stator 6 in einer ersten Position 110 und in einer zweiten Position 111 dargestellt, wobei die erste und die zweite Position durch einen Winkel Alpha beabstandet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 1a
- Rotorteil
- 1 b
- Rotorteil
- 1c
- Rotorteil
- 1d
- Rotorteil
- 2
- Permanentmagnet
- 2a
- Permanentmagnet
- 2b
- Permanentmagnet
- 2c
- Permanentmagnet
- 3
- Kreislinie
- 4
- Kreislinie
- 5
- Kreislinie
- 6
- Stator
- 7a
- Spule
- 7b
- Spule
- 7c
- Spule
- 8
- parabolische Kurve
- 101
- Fahrradkette
- 102
- Kettenradgarnitur
- 103
- Drehpunkt
- 104
- steckbare Kontur
- 105
- Fahrradrahmen
- 106
- Pfeil
- 107
- Pfeil
- 108
- Pfeil
- 109
- Bohrung
- 110
- Position
- 111
- Position
