DE202006013617U1 - Generator/Motor-Kombination als Antriebseinheit für Fahrräder - Google Patents

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Abstract

Generator/Motor- Kombination als Antriebseinheit für Fahrräder und andere Anwendungen, primär bestehend aus einer Naben-Motor/Generator-Kombination (1), einer speziell programmierten Steuerungseinheit (2), eines Energiespeichers (Pufferbatterie oder Akkus) (3) sowie entsprechender Bedienelemente (4, 5, 6),
dadurch gekennzeichnet, dass
a) die mechanische Tretkraft vom Zahnritzel (9) über ein Kupplungsadapter (10) auf einen Generator-Läufer (13) übertragen wird der mittels Permanentmagneten (14) und der Statorwicklung (15) die elektrische Energie für den Nebenmotor, bestehend aus Stator (18), Permanentmagneten (17) und Motor-/Generatorgehäuse (7) erzeugt.
b) die Leistung des Motors über einen weiten Drehzahlbereich konstant ist und somit ein zusätzliches Getriebe nicht benötigt wird.
c) die Steuerungseinheit (2) neben anderen Aufgaben das richtige Energiemanagement der Motor/Generator-Einheit übernimmt
d) die Naben-Motor/Generator-Kombination (1) ein sehr niedriges Rastmoment verursacht.
e) durch das niedrige Rastmoment des Motors (magnetisch) und nicht vorhandenem Getriebe eine Freilaufeinrichtung für den Schubbetrieb (Treten, Bergabfahrt) entfallen kann.
f) der Generator im gleichen...

Description

  • Die Erfindung betrifft die Anwendung einer stufenlosen Generator/Motor-Kombination ohne Freilauf und mechanische Getriebeeinheit für Fahrzeuge, insbesondere Fahrräder entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße, Generator/Motor-Kombination kann in allen Arten von Fahrrädern sowie in anderen Fahrzeugen wie z.B. Rollstühlen Verwendung finden.
  • Der notwendige Kraftaufwand zum Bewegen von unmotorisierten Fahrzeugen übersteigt oft das vorgesehene Niveau bzw. die individuellen Möglichkeiten. Der Kraftaufwand ändert sich entsprechend dem aktuellen Landschaftsprofil, der Oberflächenstruktur und der zu bewegenden Masse. Durch unterschiedliche Arten von unterstützenden Technologien an Fahrzeugen wie z.B. Antriebskonzepte, Steuerungen, Regler, Sensoren, Pufferbatterien oder Akkus ist es möglich, den notwendigen Kraftaufwand den vorhandenen Leistungsreserven anzupassen bzw. die entsprechende Energie bereit zu stellen.
  • Es ist bekannt, dass es für Fahrzeuge wie z.B. Fahrräder die unterschiedlichsten Arten von Antriebskonzepten in Verbindung mit entsprechenden Antriebsmotoren, Generatoren, Getrieben, Steuerungssystemen und Akkus auf dem Markt gibt.
  • Typisch sind Kettenantriebe die die Tretenergie und/oder motorische Leistung über ein Getriebe an die hintere Achse übertragen.
  • Nachteile bekannter technischer Lösungen:
    • – Die Tretfrequenz wird bestimmt durch die gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit und die Getriebeübersetzung.
    • – Die aufzubringende Kraft für das Vortriebsmoment ist abhängig vom Geländeprofil (z.B. Steigung)
    • – Neben dem Antrieb (motorisch oder durch Treten) ist zumeist zusätzlich ein Getriebe notwendig um den gewünschten Drehzahl/Drehmoment-Bereich ohne größere Energie- bzw. Wirkungsgradverluste abdecken zu können.
    • – Rein elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge haben einen vergleichsweise kleinen Aktionsradius.
  • Aufgabe der Erfindung:
    • – Entkoppelung des Tret-Rhythmus von der aktuellen Vortriebsgeschwindigkeit und dem aktuellen Geländeprofil.
    • – Es soll die Möglichkeit geschaffen werden, die notwendige Tretenergie nach eigenem Ryhtmus zu erzeugen (Dudelsackprinzip).
    • – Durch die zusätzliche Verwendung eines Energiespeichers (Akkus) soll die Tretenergie zusätzlich minimiert oder sogar gänzlich unnötig werden (Elektroantrieb).
    • – Das Antriebskonzept soll auch für andere Fahrzeuge wie z.B. Rollstühle geeignet sein.
    • – Der Antriebsbausatz soll möglichst einfach an entsprechende Fahrzeuge nachgerüstet werden können.
    • – Der Motor soll die im Schubbetrieb (z.B. bei Bergabfahrten) freiwerdende Energie wieder rückspeichern können, d.h. seinerseits gegebenenfalls in den Generatorbetrieb umschalten und in Abhängigkeit vom Gefälle und der gewünschten Vortriebsgeschwindigkeit einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Energierückführung aufweisen.
    • – Der Antrieb soll im Schubbetrieb (Treten, Bergabfahren) möglichst keinen bzw. einen nur minimalen Widerstand verursachen. Trotzdem soll auf eine Freilaufeinrichtung, wie sie in bisher bekannten Fahrzeugen verwendet wird, verzichtet werden können.
    • – Eine typischerweise in der hinteren Radnabe untergebrachte Generator/Motor-Kombination soll auch in zwei Teile gesplittet werden können, so dass dann der Generator in der Tretachse untergebracht werden kann während der Motorteil in der vorderen oder hinteren Radnabe montiert ist.
  • Lösung der Aufgabe:
  • Die Aufgabe wird durch einen indirekten Antrieb bestehend aus Naben-Generator/Motor-Kombination (1), Steuerungs- und Regeleinheit (2), Akku (3), Geschwindigkeits-Drehgriff (5) und Leistungswahlschalter (4) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
    • – Der Generatorteil (19) und der Motorteil (20) befinden sich nebeneinander im Generator/Motor-(Naben-) Gehäuse (7).
    • – Zur Energieversorgung des Motorteils (20), der Steuer- und Regeleinheit (2), optionaler Beleuchtung und anderen optionalen Verbrauchen dient eine Pufferbatterie oder optional ein Akku (3). Pufferbatterie oder Akku werden generatorisch über die Tretleistung nachgeladen. Die Akku- (Fremd-) Energie kann verwendet werden um Tretenergie zu minimieren bzw. um das Fahrzeug zu 100% elektromotorisch zu betreiben.
    • – Der Motor (20) geht beim Bremsvorgang (Bergabfahrt) des Fahrzeuges seinerseits ebenfalls in den Generatorbetrieb über und liefert Energie an den Energiespeicher (3) zurück.
    • – Der Motor (20) verursacht ein sehr niedriges Rastmoment (magnetisch) und deckt den gewünschten Drehzahlbereich bei ausreichender Leistung und ausreichend hohem Wirkungsgrad ab. Ein zusätzliches Getriebe ist nicht notwendig.
    • – Auf eine sogenannte Freilaufeinrichtung kann wegen des niedrigen Rastmomentes verzichtet werden.
    • – Die Steuerungs- und Regeleinheit (2) ist für das richtige Zusammenspiel der verschiedenen Funktionen, besonders Generator (19) und Motor (20) des Fahrzeuges verantwortlich. a) Sie sorgt für die gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit abhängig von der Stellung des Geschwindigkeits-Drehgriffes (5). b) Sie sorgt dafür, dass von Generator (19) und Motor (20) die notwendige Leistung in Abhängigkeit des Geländeprofils, des Fahrzeuggewichts und der Stellung des Leistungswahlschalters (4) erbracht wird. c) Sie sorgt dafür dass das Fahrzeug beim Anfahren, das heisst bei Betätigung des Geschwindigkeitsdrehgebers zunächst die Funktion „Anfahrhilfe" auslöst. Diese Funktion beschleunigt das Fahrzeug zunächst bis maximal 6 km/h auch ohne Betätigung der Pedale. Sobald die Pedale betätigt werden schält die Steuer- und Regeleinheit in den normalen Fahrbetrieb um, d.h. die Geschwindigkeit kann durch den Geschwindigkeitsdrehgeber reguliert werden. d) Die Steuerung sorgt dafür dass bei Betätigung des Bremshebel mit Sensor (6) der Motor (20) in die Generatorfunktion umschaltet. Je stärker der Bremshebel betätigt wird umso höher ist die Bremswirkung des Generators (umgekehrtes Drehmoment) und somit die Energierückspeisung in den Akku. Soll das Fahrzeug zum Stillstand gebracht werden, wird durch verstärkten Druck auf den Bremshebel zusätzlich eine mechanische Bremse (z.B. Trommelbremse) wirksam. e) Die Steuerung überwacht den Füllgrad des Akkus oder der Pufferbatterie (3). Sie sorgt dafür, dass stets genügend Restenergie vorhanden ist um wichtige Funktionen wie z.B. die Beleuchtung des Fahrzeuges aktivieren zu können.
  • Vorteile der Erfindung:
    • – Entkoppelung des Tret-Rhythmus von der aktuellen Vortriebsgeschwindigkeit und dem aktuellen Geländeprofil.
    • – Es wird die Möglichkeit geschaffen die notwendige Tretenergie nach eigenem Ryhtmus zu erzeugen (Dudelsackprinzip).
    • – Durch die zusätzliche Verwendung eines Energiespeichers (Akkus) kann die Tretenergie zusätzlich minimiert bzw. unnötig werden (Elektroantrieb).
    • – Das Antriebskonzept ist auch für andere Fahrzeuge wie z.B. Rollstühle oder Gartenfahrzeuge geeignet.
    • – Der Antriebsbausatz lässt sich einfach an entsprechende Fahrzeuge nachrüsten.
    • – Der Motor (20) speichert die im Schubbetrieb (z.B. bei Bergabfahrten) freiwerdende Energie wieder in den Energiespeicher zurück.
    • – Der Antrieb verursacht im Schubbetrieb (Treten, Bergabfahren) einen nur kleinen bzw. einen minimalen Widerstand. Es kann auf eine Freilaufeinrichtung, wie sie in bisher bekannten Fahrzeugen verwendet wird, verzichtet werden.
    • – Motor- und Generatorteil können auch an unterschiedlichen Stellen des Fahrzeuges untergebracht sein, z.B. kann der Generator in der Tretachse montiert sein während der Motor in einem der Radnaben montiert ist. In diesem Falle können Kette sowie vordere und hintere Zahnscheibe entfallen. Als Antrieb kann in diesem Falle auch das Vorderrad dienen.
  • Die Erfindung ist im Folgenden anhand eines Fahrrades/Elektrofahrrades mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • Figuren:
  • 1: Fahrrad/Elektrofahrrad mit den wichtigen Bausteinen Naben-Generator/Motor-Kombination (1), Energiespeicher (3), Steuerungs- und Regeleinheit (2), Leistungswahlschalter (4), Geschwindigkeits-Drehgriff (5), Bremshebel mit Sensor (6), Tretachse (20).
  • 2: Generator/Motorgehäuse-Aussenläufer des Motors- (7), Befestigungsgabel (8), Zahnritzel (9), Kupplungsadapter (10), Lager (11), Hohlachse (12), Generatorläufer (13), Permanentmagnet des Generators (14), Statorpaket des Generators (15), Elektromagnetische Isolation (16), Permanentmagnet des Motors (17), Statorpaket des Motors (18).
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Naben-Generator/Motor-Kombination (1) durch Austausch des Hinterrades montiert. Der Motorteil (20) ist ein sogenannter Aussenläufermotor. Die Speichen des Rades sind am Aussenläufer des Motors befestigt. Ein zusätzliches Getriebe sowie eine Freilaufeinrichtung sind nicht erforderlich.
  • Der Generatorteil (19) ist im selben Gehäuse, dem Generator/Motor-Gehäuse (7), untergebracht.
  • Das Statorpacket des Generators (15) sowie das Statorpacket des Motors (18) sind auf einer gemeinsamen, feststehenden Hohlachse (12) befestigt.
  • Die Hohlachse dient der Leitungsführung zu Generator- und Motorwicklungen.
  • Die entsprechende Steuerungs- und Regeleinheit (2) wird im Lenkerbereich befestigt.
  • Als Energiespeicher (3) kann eine Pufferbatterie, ein Busterkondensator oder ein Schnelllade- bzw. Wechselakkusatz (z.B. 18Ah, Lithium- Polymer-Typ) verwendet werden der z.B. durch Klicksysteme am Fahrzeug befestigt wird. Bevorzugte Montagepositionen sind z.B. der Bereich zwischen Sattelrohr und Hinterrad oder der Bereich direkt über dem Vorderrad am Gabelgelenk des Fahrrades.
  • An der Lenkstange des Fahrrades befindet sich der Geschwindigkeits-Drehgriff (5) um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu verändern. Die entsprechend notwendige Energie wird durch die Tretleistung, den Energiespeicher oder einer Kombination von beiden bereitgestellt.
  • An der Lenstange befindet sich ebenso der Bremshebel mit Sensor (6). Der Druck des Bremshebels wird sensorisch erfasst und gibt der Steuer- und Regeleinheit entsprechende Signale. Diese aktiviert und steuert je nach Druck auf den Bremshebel die Generatorfunktion des Motors (20) um entsprechende Energie in den Akku zurückzuspeichern. Durch entsprechend starkes Betätigen des Bremshebels wird zusätzlich eine mechanische Trommelbremse oder andere Art mechanischer Bremse aktiviert um das Fahrzeug zum Stillstand zu bringen.
  • An der Steuerungs- und Regeleinheit befindet sich ein Leistungswahlschalter (4). Die aufzuwendende Tretkraft des Fahrers kann durch diesen Wahlschalter begrenzt werden.
  • Die Reichweite des beschriebenen Fahrzeuges liegt ohne Tretunterstützung bei ca. 80 km und kann mit Tretunterstützung beliebig ausgeweitet werden. Höherer Energieverbrauch bei Bergauffahrten kann durch Energierückgewinnung bei Bergabfahrten zu ca. 70% wieder kompensiert werden.
  • In der bevorzugten Ausführung wird ein Aussenläufer-Motor mit 250 W Leistung verwendet. Mit diesem Motor ist es möglich dass das Fahrzeug bei bis zu 120 kg Gewicht (inklusive Beladung), ohne Tretunterstützung, eine Steigung von 10% überwindet.
  • Ein Fachmann wird verstehen, daß die Grundsätze der vorliegenden Erfindung auf unterschiedliche Arten von Fahrzeugen oder auf andere technische Bereiche anwendbar sind.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in den verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung.
    • 1
    Naben-Generator/Motor-Kombination
    2
    Steuerungs- und Regeleinheit
    3
    Energiespeicher (Pufferbatterie, Busterkondensator oder Akku)
    4
    Leistungsvorwahlschalter
    5
    Geschwindigkeits-Drehgriff
    6
    Bremshebel
    7
    Generator/Motorgehäuse – Aussenläufer des Motors-
    8
    Befestigungsgabel (Fahrzeug)
    9
    Zahnritzel
    10
    Kupplungsadapter
    11
    Lager
    12
    Hohlachse
    13
    Generatorläufer
    14
    Permanentmagnet des Generators
    15
    Statorpaket des Generators
    16
    Elektromagnetische Isolation
    17
    Permanentmagnet des Antriebsmotors
    18
    Statorpaket des Antriebsmotors
    19
    Generatorteil
    20
    Motorteil
    21
    Tretachse

Claims (8)

  1. Generator/Motor- Kombination als Antriebseinheit für Fahrräder und andere Anwendungen, primär bestehend aus einer Naben-Motor/Generator-Kombination (1), einer speziell programmierten Steuerungseinheit (2), eines Energiespeichers (Pufferbatterie oder Akkus) (3) sowie entsprechender Bedienelemente (4, 5, 6), dadurch gekennzeichnet, dass a) die mechanische Tretkraft vom Zahnritzel (9) über ein Kupplungsadapter (10) auf einen Generator-Läufer (13) übertragen wird der mittels Permanentmagneten (14) und der Statorwicklung (15) die elektrische Energie für den Nebenmotor, bestehend aus Stator (18), Permanentmagneten (17) und Motor-/Generatorgehäuse (7) erzeugt. b) die Leistung des Motors über einen weiten Drehzahlbereich konstant ist und somit ein zusätzliches Getriebe nicht benötigt wird. c) die Steuerungseinheit (2) neben anderen Aufgaben das richtige Energiemanagement der Motor/Generator-Einheit übernimmt d) die Naben-Motor/Generator-Kombination (1) ein sehr niedriges Rastmoment verursacht. e) durch das niedrige Rastmoment des Motors (magnetisch) und nicht vorhandenem Getriebe eine Freilaufeinrichtung für den Schubbetrieb (Treten, Bergabfahrt) entfallen kann. f) der Generator im gleichen Gehäuse wie der Motor (7) und auf der gleichen Hohlachse (12) untergebracht ist, jedoch der Generator vom Motor getrennt und unabhängig arbeitet. g) Motor und Generator durch eine elektromagnetische Isolation (16) voneinander getrennt sind. h) eine Hohlachse (12) verwendet wird und somit die Leitungsführung von und zum Motor bzw. Generator ermöglicht wird. Die feststehenden Statoren mit ihren Wicklungen sind mit der Achse fest verbunden. i) der klassische Aufbau des Fahrrades mit Tretlager, Kettenblatt, Kette und Zahnritzel bestehen bleibt.
  2. Generator/Motor-Kombination als Antriebseinheit für Fahrräder, nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoreinheit auch in der Tretachse (21) eingebaut werden kann und somit die Kette sowie Antriebs- und Abtriebszahnscheibe entfallen können. Der Motorteil (20) kann in diesem Falle auch im Vorderrad eines Fahrrades untergebracht werden.
  3. Generator/Motor-Kombination als Antriebseinheit für Fahrräder, nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuerungs- und Regeleinheit (2) abhängig von einer vorwählbaren Tretkraft (4), dem Geländeprofil sowie dem Fahrzeuggewicht den Motor mit der notwendigen Energie versorgt um die Geschwindigkeit bei einem sehr weichen Vortriebsmoment konstant zu halten.
  4. Generator/Motor-Kombination als Antriebseinheit für Fahrräder, nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenmotor (20) im Bremsbetrieb in den Generatorbetrieb umschaltet, der seinerseits abhängig von der Stellung des Bremshebels (6), und somit der Höhe des Bremsmomentes, mehr oder weniger Energie in den Akku zurückspeichert.
  5. Generator/Motor-Kombination als Antriebseinheit für Fahrräder, nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem entsprechend hohen, sensorisch erfassten Druck auf den Bremshebel (6) neben der generatorischen Bremswirkung eine zusätzlich mechanische Bremse wirksam wird um das Fahrzeug zum Stillstand zu bringen.
  6. Generator/Motor-Kombination als Antriebseinheit für Fahrräder, nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Naben-Generator/Motor-Kombination und entsprechende Komponenten als Bausatz an beliebige Fahrräder oder andere Fahrzeuge angebaut werden können.
  7. Generator/Motor-Kombination als Antriebseinheit für Fahrräder, nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Akku-Ladung kontinuierlich überwacht wird und immer eine Restladung sichergestellt ist um gegebenenfalls die notwendige Energie für die Fahrzeugbeleuchtung bzw. wichtige Kleinverbraucher liefern zu können.
  8. Generator/Motor-Kombination als Antriebseinheit für Fahrräder, nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten und Baugruppen des Bausatzes nach persönlichem Ermessen in technisch sinnvoller Art und Weise beliebig mit weiteren Komponenten oder Bausteinen verknüpft bzw. verschaltet werden können.
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