DE19500589A1 - Elektrischer Radnabenmotor ohne Getriebe, mit außen laufendem Rotor und elektromagnetisch gelüfteter Federdruckbremse insbesondere zum Antrieb von Rollstühlen und anderen Kleinfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Baueinheit eines elektrischen Radnaben­ motors ohne Getriebe mit außen laufendem Rotor und einer elektro­ magnetisch gelüfteten Federdruckbremse insbesondere zum Antrieb von Rollstühlen und anderen Kleinfahrzeugen, wobei im allgemei­ nen zwei angetriebene Räder mit je einem Radnabenmotor versehen sind.

Aus der DE-PS 41 27 257 C2 ist bereits ein Radnabenantrieb für Rollstühle bekannt. Dieser hat jedoch nicht einen mit Fahrge­ schwindigkeit umlaufenden Außenrotor, sondern einen schnellaufen­ den Innenrotor, dessen Drehzahl über ein mehrstufiges Planetenge­ triebe auf die außen laufende Radnabe übertragen wird.

Nachteilig ist hierbei insbesondere die große Anzahl zu mon­ tierender Einzelteile, die alle miteinander korrespondieren, und der durch das mehrstufige Planetengetriebe nachhaltig verminderte Wirkungsgrad des Antriebs. Auch kann eine elektro­ magnetisch gelüftete Federdruckbremse nur zusätzlich im Be­ reich des Motors angebracht werden, wodurch die Anzahl der Einzelteile des Gesamtantriebs nochmals erhöht wird.

Es sind ferner elektrische Radnabenantriebe für Rollstühle bekannt, bei denen eine elektromagnetisch gelüftete Federdruck­ bremse als separates eigenständiges Gerät zusätzlich an den Radnabenantrieb angebaut wird, wie an gewöhnliche Elektromo­ tore. Diese Lösungen bewirken aber immer eine Verlängerung des Antriebs nach einwärts in Richtung zur Rollstuhlmitte hin und, sofern bei bekannten Konstruktionen die Federdruck­ bremse teilweise in den Motorraum hinein versenkt angeschraubt wird, ist dies mit einer erheblichen Verringerung des Lagerab­ standes der beiden Rotorwellenlager verbunden. Daraus ergeben sich Stabilitätsprobleme der Rotorlagerung, welche zugleich Radlagerung ist, die sich negativ auf die Einhaltung des klei­ nen Arbeitsluftspalts zwischen Rotor und Stator des Motors auswirken. Wird aus diesem Grund der Arbeitsluftspalt des Mo­ tors vergrößert, sinkt sofort die Motorleistung. Auch ist die Beschaffung und Montage einer separaten Bremse immer teurer, verglichen mit der der Erfindung zugrundeliegenden Lösung.

Grundsätzlich wird bei Rollstühlen angestrebt, daß Radantriebe nicht über die äußere Laufradebene hinausragen und daß auch die innere Begrenzungsebene des Laufrades nicht oder so wenig wie möglich vom Radantrieb überragt wird. Diese Forderungen sind insbesondere von Bedeutung für zerlegbare Rollstühle, deren elektrisch angetriebene Räder samt Antriebsmotor abnehmbar sind um bei kleinstmöglichem Volumen den Transport eines Rollstuhls im Kofferraum eines Kraftfahrzeugs zu ermöglichen. Hierbei wird angestrebt, auch das Gewicht eines Antriebsrades samt Antriebsmotor und Bremse so gering wie möglich zu halten, damit auch von schwächeren Personen diese Teile gehandhabt werden können. Zusätzlich angebaute, nach innen zum Rollstuhl­ gestell hin vor stehende Bremsen an bekannten Radnabenantrieben stehen einer einfachen, leicht lösbaren Verbindung des Antriebs­ rades mit dem Rollstuhlgestell hinderlich entgegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Antrieb vorzugsweise für Rollstühle und andere Kleinfahrzeuge zu schaffen, bestehend aus einem direkt auf ein Antriebsrad wirkenden, getriebelosen Radnabenmotor mit außen laufendem Rotor in Baueinheit mit einer elektromagnetisch gelüfteten Federdruckbremse und diesen Antrieb so auszubilden, daß die Kombination eine kleinstmögliche axiale Länge aufweist ohne Überstand von Teilen des Bremssystems über das Motorsystem hinaus, und daß mit wenigen gut fertigbaren Einzelteilen und einfacher Montage eine kostengünstige Herstellung auch in Hoch­ lohnregionen erreicht wird. Hierin wird eine vorteilhafte Mög­ lichkeit gesehen, der Verlegung von Fertigungskapazität in Billiglohnregionen entgegenzuwirken.

Die gestellte Aufgabe wird mit einem elektrischen Radnaben­ motor erfindungsgemäß durch die Merkmalskombination des kenn­ zeichnenden Teils des Hauptanspruchs gelöst.

Der erfindungsgemäß ausgebildete Radnabenmotor hat den Vorteil, daß für die aus Sicherheitsgründen notwendige elektromagnetisch gelüftete Federdruckbremse kein zusätzlicher, die Länge des Mo­ tors vergrößernder Raumbedarf erforderlich ist. Damit kann die Länge des gesamten Antriebs, die möglichst die Breite eines Laufrades nicht überschreiten soll, innerhalb der Begrenzungs­ ebenen des Läufrades gehalten werden und muß weder nach außen noch nach innen merklich vorstehen.

Daß ein Überstand des Antriebs nach innen vermieden wird, wirkt sich auch vorteilhaft auf die Befestigung des Antriebs samt Laufrad am Sitzgestell des Rollstuhls aus. Dies ist in be­ sonderem Maße dann der Fall, wenn der feststehende Stator des Antriebsmotors so mit dem Sitzgestell des Rollstuhls verbunden wird, daß durch eine einfache Lösung dieser Verbindung eine schnelle Demontage der Antriebsräder samt Radnabenmotor ermög­ licht wird um zum Beispiel den Rollstuhl besser in einem Kraft­ fahrzeug transportieren zu können. Auch können Antriebsräder mit Radnabenmotoren gemäß der Erfindung nachträglich an motor­ lose Rollstühle angebracht werden, wobei die Radanbringung am Rollstuhlgestell vorteilhaft über eine Einhängemöglichkeit am Abschlußflansch des Radnabenmotors erfolgt.

Von merklichem Vorteil bei Verwendung einer Baueinheit gemäß der Aufgabenstellung und erfindungsgemäßen Ausführung ist auch das Fehlen jeglichen Getriebes. Dadurch wird nicht nur der Her­ stellungsaufwand erheblich gemindert, sondern auch ein wesent­ lich höherer Wirkungsgrad des Antriebs erreicht. Letzteres wirkt sich günstig auf die Lebensdauer der Antriebsbatterie aus, wo­ durch auch die Umwelt in bezug auf eine weniger oft notwendige Batterieaufladung und spätere Entsorgung geschont wird. Außer­ dem läßt sich mit einer Batterieladung ein beträchtlich größe­ rer Aktionsradius erreichen als bei Antrieben mit Getrieben. Es ist angenähert eine Verdoppelung der Fahrstrecke ermittelt worden. Vorteilhaft ist auch eine Gewichtsreduzierung durch fehlendes Getriebe. Hierdurch wird das Handling demontierter Antriebsräder erleichtert, beispielsweise beim Verladen in ein Kraftfahrzeug. Ein weiterer Vorteil liegt in der erheblichen Geräuschminderung und großen Laufruhe des erfindungsgemäßen Radnabenmotors ohne Getriebe.

Der elektromotorische Teil des Radnabenantriebs ist als elek­ tronisch kommutierter, bürstenloser Motor ausgebildet mit außen laufendem Permanentmagnetrotor, was sich zusätzlich vor­ teilhaft auf den Wirkungsgrad des Antriebs auswirkt. Auch kann der Motor bei Fahrten bergab als Generator arbeiten und Energie in die elektrische Batterie liefern. Zur Kühlung des Motors und zu dessen Durchlüftung können in der Scheibenfelge des Rotors vorteilhaft Bohrungen so eingebracht sein, daß durch diese bei Fahrbetrieb Luft in das Innere des Motors gefördert wird, die an anderer Stelle wieder austreten kann. Dadurch können nicht nur bestimmte Teile des Motors bevorzugt gekühlt werden, bei­ spielsweise die Permanentmagnete des Rotors, sondern durch dau­ ernden Luftaustausch wird auch die Bildung von Schwitzwasser im inneren der baueinheitlichen Kombination von Motor und Feder­ druckbremse vorteilhaft verhindert. Schwitzwasser tritt bei ge­ schlossenen Radnabenantrieben nachteilig verstärkt auf, wodurch die Korrosion insbesondere der hierfür sehr empfindlichen Perma­ nentmagnete gefördert wird, was prinzipiell auch für oberflächen­ behandelte Permanentmagnete gilt.

Der erfindungsgemäß ausgebildete Bremsenteil des Radnabenantriebs hat den Vorteil, daß die bei kompletten Federdruckbremsen übliche drehfest aber axial verschiebbar angeordnete, separate Reibscheibe mit Reibbelägen entfällt. Dadurch werden Kosten gesenkt und die Montage und Funktion der Bremse vereinfacht. Der für die Erzeu­ gung eines Bremsmoments verwendete Reibwerkstoff ist als Reib­ belag vorteilhaft direkt auf der Innenseite der rotierenden Schei­ benfelge des Rotors befestigt. Das Bremsmoment ergibt sich aus der Anpreßkraft des federbelasteten Magnetankers des Bremssystems gegen den Reibbelag. Dabei ist der für die Größe des Bremsmoments maßgebende Durchmesser des Reibbelags vorteilhaft größer gehalten als der Durchmesser des Magnetsystems der Federdruckbremse im Zentralteil.

Die erfindungsgemäße Ausführung des Radnabenmotors läßt einen äußeren Durchmesser des Reibbelags zu, der dem äußeren Durch­ messer des Statoreisens des Motors entspricht. Dadurch können die Federkräfte der Federdruckbremse vorteilhaft entsprechend niedri­ ger gehalten werden. Das gemeinsame Zentralteil kann vorteilhaft als Schmiedeteil oder Fließpreßteil hergestellt werden. Damit wird die noch erforderliche spanabhebende Bearbeitung vorteilhaft auf ein Minimum reduziert.

Nach Anzug des Magnetankers und Lüftung der Federdruckbremse im Zentralteil kann die auf genommene elektrische Leistung der Erre­ gerspule beispielsweise durch Pulsweitenmodulation ganz erheblich bis auf einen Wert unter zwei Watt abgesenkt werden, wodurch sich eine weitere vorteilhafte Schonung der elektrischen Batterie des Rollstuhls ergibt.

Weitere vorteilhafte Gestaltungen gehen aus den übrigen rückbezo­ genen Ansprüchen hervor.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsge­ mäß ausgebildeten Radnabenmotor mit Federdruckbremse anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert.

Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Radnabenmotor mit Federdruck­ bremse.

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch den Magnetanker der Feder­ druckbremse sowie durch die Rotorwelle, die Scheibenfelge und eine Lagerstelle, betreffend eine Ausbildungsvariante gemäß Anspruch 2.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt, wie mit wenigen einfachen Bautei­ len vorteilhaft eine kompakte und kurze Baueinheit des Radnaben­ motors mit Federdruckbremse erreicht wird. Ein als gemeinsamer Baustein sowohl für den Motorteil als auch für den Bremsenteil verwendetes Zentralteil 1 besitzt an seiner der Scheiben­ felge 2.1 des außen laufenden Rotors 2 zugewendeten Stirnseite einen axialen Einstich 1.1, in dem sich eine Magnetspule 3 be­ findet zur Erregung des Magnetsystems der Federdruckbremse, dessen ringförmige Magnetpole 1.2 und 1.3 im Zentralteil 1 auf den scheibenförmigen Magnetanker 4 bei bestromter Magnetspule 3 kraftmäßig einwirken und ihn anziehen. Dadurch entfernt sich der Magnetanker 4 von dem in der Scheibenfelge 2.1 des Rotors 2 ange­ brachten Reibbelag 5, gegen den er bei stromloser Magnetspule 3 über Federn 6 gedrückt wird um das Bremsmoment zu erzeugen. Das Bremsmoment wird über Lagerstifte 7 im äußeren Magnetpol 1.2 des Magnetsystems auf das Zentralteil 1 und von dort über eine geeig­ nete Aufhängung im Abschlußflansch 19 auf den Rollstuhl übertra­ gen. Die Lagerstifte 7 greifen im Magnetanker 4 in reibungsarme Lager 8 ein, womit eine reibungsarme Axialbewegung des Magnet­ ankers 4 erreicht wird. Der Reibbelag 5 ist geklebt oder über Schrauben oder Niete leicht austauschbar in der Scheibenfelge 2.1 befestigt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Anpassung des Bremsmoments oder des zeitlichen Bremsmomentanstiegs je nach Erfordernis durch verschiedene Reibbelagqualitäten erreicht wer­ den.

Auf der äußeren Mantelfläche 1.4 des äußeren ringförmigen Magnet­ pols 1.2 des Magnetsystems der Federdruckbremse im Zentralteil 1 ist das lamellierte, ringförmige Statoreisen 9 des Motors dreh­ fest befestigt. Das Statoreisen 9 trägt die Statorwicklung 10 des Radnabenmotors. Die Statorwicklung 10 wird, durch Hallsenso­ ren gesteuert, elektronisch kommutiert. Die nicht gezeigten Hall­ sensoren werden durch die Stellung des Rotors 2 beeinflußt und sind dazu an geeigneter Stelle im Rotorbereich zwischen Rotor 2 und Abschlußflansch 19 angeordnet, wobei der Abschlußflansch 19 als Basis für eine justierbare Befestigung der Hallsensoren dient.

Die Steuerung der elektronischen Kommutierung kann auch opto­ elektronisch erfolgen. Im Rotor 2 angeordnete Permanentmagnete 11 bilden mit dem Statoreisen 9 den magnetischen Kreis des Radnaben­ motors.

Die innere Mantelfläche 1.5 des inneren ringförmigen Magnetpols 1.3 des Magnetsystems der Federdruckbremse im Zentralteil 1 weist Aus­ drehungen 12 und 13 auf zur Aufnahme der Kugellager 14 der Rotor­ welle 15. Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Radnabenmotors können größtmögliche Lagerabstände erreicht werden, wodurch die Stabilität der Rotorwellenlagerung, die zugleich Lagerung für das Rollstuhlrad ist, vorteilhaft erhöht wird. Die Rotorwelle 15 ist über ihren Rotorwellenflansch 15.1 und Schrauben 16 mit der Schei­ benfelge 2.1 des Rotors 2 verbunden. Der Rotorwellenflansch 15.1 weist, konzentrisch zu den Bohrungen 18 in der Scheibenfelge 2.1 des Rotors 2 mehrere Gewindelöcher 17 auf zur Befestigung der nicht gezeigten Laufradfelge des Rollstuhls.

Der mit dem Zentralteil 1 fest verbundene Abschlußflansch 19 ist an seiner dem Rollstuhlgestell zugewendeten Seite vorteilhaft so ausgebildet, daß er dort nicht dargestellte Profilkonturen besitzt, die eine drehfeste Verbindung mit dem Rollstuhlgestell ermögli­ chen. Durch unterschiedliche Gestaltung des Abschlußflansch 19 wird die Befestigung des Radnabenmotors an unterschiedliche Roll­ stuhlgestelle erreicht. Auch weist der Abschlußflansch 19 nicht dargestellte Kanäle auf zur Aufnahme und Herausführung der elek­ trischen Versorgungsleitungen des Radnabenmotors. Die als vor­ teilhaft erwähnten Bohrungen in der Scheibenfelge 2.1 des Rotors 2 zur Belüftung des inneren Motorraumes befinden sich vorzugsweise auf einem Lochkreisdurchmesser, der größer ist als der Außendurchinesser des Reibbelags 5. Sie sind in der Zeichnung nicht dargestellt.

Fig. 2 zeigt eine Variante der konzentrischen Positionierung des Magnetankers 4 vor den ringförmigen Magnetpolen 1.2 und 1.3 des Magnetsystems der Federdruckbremse im Zentralteil 1. Hierbei wird der Magnetanker 4 über eine wartungsfreie, reibungsarme Lagerbuchse 20 auf der Rotorwelle 15 zentriert. Die Lagerbuchse 20 erlaubt eine axiale Verschiebung des Magnetankers 4 auf der Rotor­ welle 15. Das Bremsmoment wird über die in Bohrungen 21 hinein­ ragenden Lagerstifte 7 auf das Zentralteil 1 und von dort auf den Abschlußflansch 19 übertragen.

Claims (9)

1. Elektrischer Radnabenmotor ohne Getriebe mit außen laufen­ dem Rotor und elektromagnetisch gelüfteter Federdruckbremse insbesondere zum Antrieb von Rollstühlen und anderen Klein­ fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß ein für den Aufbau des Motors und der Federdruckbremse gemeinsam verwendetes, stillstehendes Zentralteil (1) auf seiner der Scheibenfelge (2.1) des außen laufenden Rotors (2) zugewendeten Stirnseite mit ei­ nem axialen Einstich (1.1) und einer darin befindlichen Magnet­ spule (3) versehen ist, welche das Magnetsystem einer elektro­ magnetisch gelüfteten Federdruckbremse bilden, zusammen mit ei­ nem im wesentlichen scheibenförmigen Magnetanker (4), der über mehrere Lagerstifte (7) in reibungsarmen Lagern (8) vor den ring­ förmigen Magnetpolen (1.2) und (1.3) des Magnetsystems drehfest aber axial verschiebbar gelagert ist, und der bei stromloser Magnetspule (3) über Federn (6) gegen einen in der Scheiben­ felge (2.1) des Rotors (2) befestigten Reibbelag (5) gedrückt wird; und daß ein die feststehende Statorwicklung (10) des Motors tragendes, lamelliertes, ringförmiges Statoreisen (9) am gemein­ samen Zentralteil (1) auf der äußeren Mantelfläche (1.4) des äußeren Ringpols (1.2) des Magnetsystems der elektromagnetisch gelüfteten Federdruckbremse konzentrisch angeordnet und befestigt ist; und daß der innere Ringpol (1.3) des Magnetsystems im Zen­ tralteil (1) zentrische Ausdrehungen (12) und (13) aufweist zur Aufnahme der Kugellager (14) der Rotorwelle (15).

2. Elektrischer Radnabenmotor ohne Getriebe mit außen laufendem Rotor und elektromagnetisch gelüfteter Federdruckbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetanker (4) an Stelle der Lager (8) eine einzelne Lagerbuchse (20) in seiner Mitte aufweist, mittels der er axial verschiebbar auf der Rotor­ welle (15) gelagert und zentriert ist, und daß die Lagerstifte (7) in den Bohrungen (21) des Magnetankers (4) das Bremsmoment vom Magnetanker (4) auf das Zentralteil (1) übertragen.

3. Elektrischer Radnabenmotor ohne Getriebe mit außen laufendem Rotor und elektromagnetisch gelüfteter Federdruckbremse nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (15) über einen Rotorwellenflansch (15,1) in der Scheibenfelge (2.1) des außen laufenden Rotors (2) zentriert und mittels Schrauben (16) befestigt ist.

4. Elektrischer Radnabenmotor ohne Getriebe mit außen laufendem Rotor und elektromagnetisch gelüfteter Federdruckbremse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibbelag (5) in der Scheibenfelge (2.1) des außen laufenden Rotors (2) wahl­ weise durch Klebung oder leicht austauschbar durch Schrauben oder Niete befestigt ist.

5. Elektrischer Radnabenmotor ohne Getriebe mit außen laufendem Rotor und elektromagnetisch gelüfteter Federdruckbremse nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Rotor­ wellenflansch (15.1) Gewindelöcher (17) befinden zur Befestigung der Felge eines Laufrades des Rollstuhls und daß sich in der Scheibenfelge (2.1) des Rotors (2) konzentrisch zu den Gewindelö­ chern (17) Bohrungen (18) befinden, durch welche die Befestigungs­ schrauben der Felge des Laufrades in die Gewindelöcher (17) ein­ greifen.

6. Elektrischer Radnabenmotor ohne Getriebe mit außen laufendem Rotor und elektromagnetisch gelüfteter Federdruckbremse nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der außen laufende Rotor (2) an seiner äußeren Mantelfläche (2.2) als Felgenprofil ausgebildet ist, das einen luftgefüllten Gummireifen und ein zugehöriges Reifenventil aufnehmen kann.

7. Elektrischer Radnabenmotor ohne Getriebe mit außen laufendem Rotor und elektromagnetisch gelüfteter Federdruckbremse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Abschlußflansch (19) Kanäle und Aussparungen befinden, in wel­ chen die elektrischen Versorgungsleitungen und Signalleitungen des Radnabenmotors auf genommen und herausgeführt werden.

8. Elektrischer Radnabenmotor ohne Getriebe mit außen laufendem Rotor und elektromagnetisch gelüfteter Federdruckbremse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Rollstuhlgestell zugewendete äußere Stirnseite des Abschluß­ flansch (19) Profilkonturen aufweist, die den Rohrprofilen des Rollstuhlgestells entsprechen und über die das Rollstuhlgestell mit dem Abschlußflansch (19) drehfest verbunden wird.

9. Elektrischer Radnabenmotor ohne Getriebe mit außen laufendem Rotor und elektromagnetisch gelüfteter Federdruckbremse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenfelge (2.1) des Rotors (2) auf einem Lochkreis, der größer ist als der Außendurchmesser des Reibbelags (5), durchgehende Boh­ rungen oder Kanäle aufweist, deren Längsachsen vorzugsweise in ei­ nem Winkel zur Laufachse der Scheibenfelge (2.1) verlaufen und daß durch sie bei Fahrbetrieb Luft in das Innere des Radnabenmotors gefördert wird.