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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Fahrrad, insbesondere
ein Antriebshilfssystem für
ein Elektrofahrrad, bei dem das Drehen der Drehvorrichtung, das
Senken der Geschwindigkeit und das Aufladen durch einen Mikroprozessor
gesteuert werden, so dass die Fahrdauer (endurance), in der das
Fahrrad durchgehend laufen kann, und somit die Leistung des Fahrrads
erhöht
wird.
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Stand der Technik
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Aufgrund
des erhöhten
Benzinpreises verzichten manche Leute auf Autos mit großem Benzinverbrauch.
Statt Autos zu fahren legen manche Leute den Weg zu ihrer Arbeit
mit einem Fahrrad zurück. Das
Radfahren hat allerdings das Problem, dass sich der Fahrer bergauf
beim Treten sehr anstrengen muss und bergab die hohe Geschwindigkeit
nicht leicht absenken oder das Fahrrad gut bremsen kann; so sind
Fahrräder
nicht für
alle Straßen
(z. B. Straßen mit
großer
Steigung) geeignet. Außerdem
kann der Radfahrer bei niedriger körperlicher Leistungsfähigkeit
die Fahrgeschwindigkeit nur begrenzt erhöhen. Zur Lösung dieser Probleme sind Elektrofahrräder entwickelt
worden. 5 zeigt ein herkömmliches Elektrofahrrad,
das folgendes umfasst: ein Rad 50, das am Radgestell 51 des
Fahrrads drehbar gelagert ist, wobei von der Nabe 52 des
Rads 50 ausgehend eine Mehrzahl von Speichen 54 vorgesehen ist,
die radial mit der Felge 53 verbunden sind, wobei am äußeren Rand
der Speichen 54 ein Radzahnkranz 55 angeordnet
ist; einen Motor 60, dessen Drehausgang als Ausgangszahnrad 61 ausgebildet
werden kann, wobei der Motor 60 am Radgestell 51 des
Fahrrads montiert ist, wobei das Ausgangszahnrad 61 und
der Radzahnkranz 55 des Rads ineinander eingreifen, wodurch
das Rad 50 unmittelbar vom Motor 60 angetrieben
wird. Somit kann das Fahrrad ohne Untersetzungsgetriebe mit einem.
Motor mit niedriger Leistung betrieben werden. Elektrofahrräder sind
zwar kraftsparend und für
verschiedene Straßen
(auch Straßen
mit großer
Steigung) geeignet, doch ist die Antriebskraft des Elektrofahrrads
völlig
auf den im Akku 70 gespeicherten Strom angewiesen. Bei
normalem Stromverbrauch kann das Elektrofahrrad mit dem Strom im
Akku 70 nur eine begrenzte Strecke zurücklegen. Daher wäre ein Elektrofahrrad
wünschenswert,
bei dem die Nutzleistung und die Rückkopplung der elektrischen
Energie erhöht
werden, um den Stromverbrauch zu verlangsamen und dadurch die Fahrdauer
(endurance) des Elektrofahrrads zu erhöhen.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebshilfssystem für ein Elektrofahrrad
zu schaffen, mit der die Mängel
beim Stand der Technik, nämlich
der komplizierte Aufbau und die höheren Herstellungskosten des
Fahrrads, eine begrenzte Stromspeicherkapazität des Akkus und eine schlechte
Betriebsleistung des Motors, beseitigt werden.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Antriebshilfssystem für
ein Elektrofahrrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das
erfindungsgemäße Antriebshilfssystem für ein Elektrofahrrad
umfasst ein Fahrrad, eine Drehvorrichtung, eine Steuervorrichtung
und einen Akku. Das Fahrrad umfasst einen Rahmen, ein Vorderrad, ein
Hinterrad, Pedale, einen Lenker und Bremsgriffe. Die Drehvorrichtung
ist mittels eines Befestigungselements an der Achse des Vorderrads
des Fahrrads befestigt und mittels eines Drehelements mit der Felge
des Vorderrads verbunden. Die Steuervorrichtung ist am Lenker montiert.
Ein Mikroprozessor ist an dem Lenker und an die Bremsgriffe angeschlossen und über ein
Signalkabel mit den Spulen der Drehvorrichtung geschaltet. Die Drehvorrichtung
wird im aktiven und passiven Modus betätigt. Im aktiven Modus überträgt die Leitung
der Drehvorrichtung den Strom im Akku und leitet den Strom in die
Spulen, wobei die Spulen magnetische Kraftlinien erzeugen, die von
der Achse des Vorderrads ausgehend nach außen verlaufen, wobei der Strom
je zweier benachbarter Spulen in unterschiedliche Richtungen fließt, wodurch
die Magnetpole in abwechselndem S- und N-Pol angeordnet werden.
Die Magnete des Drehelements sind Dauermagnete, wobei das dem Befestigungselement
zugewandte Ende der Magnete ebenfalls in abwechselndem S- und N-Pol
angeordnet ist. Die Abstoßungskraft
bei gleicher Eigenschaft und die Anziehungskraft bei unterschiedlicher
Eigenschaft des S- und N-Pols sorgen dafür, dass sich das Drehelement
um einen Drehwinkel verschiebt. Der eingespeiste Strom wird durch
den Mikroprozessor der Steuervorrichtung in entgegengesetzte Richtungen geschaltet,
wodurch die elektromagnetischen Pole der Spulen blitzschnell zwischen
S- und N-Pol umgeändert
werden; dadurch wird das Befestigungselement zum Rotieren gebracht.
Durch die ununterbrochene Auswechselung von S- und N-Pol der Spulen und
mittels der Magnete des Drehelements erstrecken sich je zwei benachbarte
Magnetpole sequentiell, was zu einem verstärkten Drehträgheitsmoment bzw.
einer erhöhten
Drehleistung des Drehelements beiträgt. Auf diese Weise wird das
Fahrrad durch den Antrieb der Elektrizität zum Fortbewegen gebracht. Im
passiven Modus kann der Mikroprozessor der Steuervorrichtung beim
Bergabfahren, Reduzieren der Geschwindigkeit und Treten mit den
Füssen
die Aufladung des Befestigungselements steuern, wobei das Drehelement
vom Vorderrad derart angetrieben wird oder sich so durch das Fußtreten
auf die Pedale am Außenrand
des Befestigungselements dreht, dass die durch die Magnete erzeugten
magnetischen Kraftlinien ununterbrochen die Spulen des Befestigungselements
schneiden, wodurch die kinetische Energie in elektrische Energie
umgewandelt wird, so dass die Spulen Strom erzeugen, der durch das
Ende der Leitung zurück
in den Akku gespeichert wird. Auf diese Weise wird zweckgemäß Strom
erzeugt. Ferner ist am Hinterrad des Fahrrads ein Kodiergerät angeordnet,
das die Drehzahl des Hinterrads empfängt und sie weiter auf den
Empfänger
des Akkus überträgt.
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Aufgrund
des Zahlenwerts werden der Mikroprozessor und der Empfänger eine
Entscheidung treffen und steuern ggf. die Spannung der Rückwärtsaufladung
des Akkus dahingehend, dass der Strom in der Art eines Wellenbands
(wave band) ins Befestigungselement der Drehvorrichtung fließt, so dass
die Fahrgeschwindigkeit durch schnelle, unterbrochene Magnetfelder
herabgesetzt wird, um das Fahrrad zu bremsen. Somit werden das Vorder-
und das Hinterrad durch eine Steuerung in einer gleichen Drehzahl
gehalten, so dass das Fahrrad schnell gebremst werden kann, ohne
dabei die Räder
blockieren zu müssen.
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Gegenüber dem
Stand der Technik weist die Erfindung folgende Vorteile auf: wenn
die Drehvorrichtung im aktiven Modus betrieben wird, steht der Strom
im Akku als Antriebskraft zur Verfügung. Im Falle, dass die Drehzahl
des Vorderrads aufgrund eines bestimmten Straßenzustands höher wird
als die durch die Drehvorrichtung erzeugte Drehzahl, wird die Drehvorrichtung
auf den passiven Modus umgeschaltet, wobei die Magnete des Drehelements
mit den magnetischen Kraftlinien die Spulen des Befestigungselements
schneiden und somit den Akku mit Strom aufladen. Aufgrund des Ergebnisses
der Analyse des Fahrradzustands entscheidet sich der Mikroprozessor
für den
aktiven bzw. den passiven Modus, um eine optimale Leistung des Fahrrads
zu erhalten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt
eine Seitenansicht der Erfindung.
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2 zeigt
eine Schnittansicht der Drehvorrichtung der Erfindung.
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3 zeigt
die Betätigung
der Drehvorrichtung der Erfindung.
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4 zeigt
ein Ablaufdiagramm der Betätigung
der Erfindung.
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5 zeigt
eine herkömmliche
Ausführungsform
des Antriebs für
ein Elektrofahrrad.
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Wege der Ausführung der
Erfindung
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Im
Folgenden werden Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung anhand der detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
und der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert
werden. Jedoch soll die Erfindung nicht auf die Beschreibung und
die beigefügten
Zeichnungen beschränkt
werden.
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Wie
aus 1 und 2 ersichtlich, umfasst das erfindungsgemäße Antriebshilfssystem
für ein
Elektrofahrrad ein Fahrrad 10, eine Drehvorrichtung 20,
eine Steuervorrichtung 30 und einen Akku 40. Das
Fahrrad 10 umfasst einen Rahmen 11, ein Vorderrad 12,
ein Hinterrad 13, Pedale 14, einen Lenker 15 und
Bremsgriffe 16. Die Drehvorrichtung 20 ist aus
einem Befestigungselement 21 und einem Drehelement 22 ausgebildet,
wobei das Befestigungselement 21 mit einer Achse 211 versehen
und von Spulen 212 umwickelt ist, bei denen sich eine Leitung 213 von
der Achse 211 ausgehend erstreckt, wobei das Drehelement 22 am
Außenrand
des Befestigungselements 21 aufgezogen ist und eine Mehrzahl von
ringförmig
angeordneten Magneten 221 aufweist. Die Drehvorrichtung 20 ist
mittels des Befestigungselements 21 an der Achse des Vorderrads 12 des
Fahrrads 10 befestigt und mittels des Drehelements 22 mit
der Felge des Vorderrads 12 verbunden. Die Steuervorrichtung 30 besteht
aus einem Mikroprozessor 31 und einem Einstellschalter 32,
wobei der Mikroprozessor 31 mit dem Einstellschalter 32 verbunden
ist, an dem ein Wahlknopf angeordnet ist, der einen Normal-, einen
Trainings- und einen Bergaufmodus einschließt. Die Steuervorrichtung 30 ist
am Lenker 15 montiert, wobei der Mikroprozessor 31 an
dem Lenker 15 und an die Bremsgriffe 16 angeschlossen
und über
ein Signalkabel 34 mit den Spulen 212 der Drehvorrichtung 20 geschaltet
ist. Am Ausgangsende eines Akkus 40 ist ein Empfänger 41 angeordnet,
der über
ein Kodierkabel 421 an ein Kodiergerät 42 angeschlossen
ist, das am Hinterrad 13 montiert ist. Der Akku 40 ist
an die Leitung 213 der Drehvorrichtung 20 sowie
an das Signalkabel 34 der Steuervorrichtung 30 angeschlossen.
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Für den Aufbau
der Erfindung wird auf 2 und 3 verwiesen.
Die Drehvorrichtung 20 wird im aktiven und passiven Modus
betätigt.
Im aktiven Modus überträgt die Leitung 213 der
Drehvorrichtung 20 den Strom im Akku 40 und leitet
den Strom in die Spulen 212, wobei die Spulen 212 magnetische Kraftlinien
erzeugen, die von der Achse des Vorderrads 12 ausgehend
nach außen
verlaufen, wobei der Strom je zweier benachbarter Spulen 212 in
unterschiedliche Richtungen fließt, wodurch die Magnetpole
in abwechselndem S- und N-Pol angeordnet werden. Die Magnete 221 des
Drehelements 22 sind Dauermagnete, wobei das dem Befestigungselement 21 zugewandte
Ende der Magnete 221 ebenfalls in abwechselndem S- und
N-Pol angeordnet ist. Die Abstoßungskraft
bei gleicher Eigenschaft und die Anziehungskraft bei unterschiedlicher
Eigenschaft vom S- und N-Pol sorgen dafür, dass das Drehelement 22 sich
um einen Drehwinkel verschiebt. Der eingespeiste Strom wird durch
den Mikroprozessor 31 der Steuervorrichtung 30 in
entgegengesetzte Richtungen geschaltet, wodurch die elektromagnetischen Pole
der Spulen 212 blitzschnell zwischen S- und N-Pol umgeändert werden;
dadurch wird das Befestigungselement 21 zum Rotieren gebracht.
Durch die ununterbrochene Auswechselung von S- und N-Pol der Spulen 212 und
mittels der Magnete 221 des Drehelements 22 erstrecken
sich je zwei benachbarte Magnetpole sequentiell, was zu einem verstärkten Drehträgheitsmoment
bzw. einer erhöhten
Drehleistung des Drehelements 22 beiträgt. Auf diese Weise wird das
Fahrrad 10 durch den elektrischen Antrieb zum Fortbewegen
gebracht. Im passiven Modus kann der Mikroprozessor 31 der
Steuervorrichtung 30 beim Bergabfahren, Reduzieren der
Geschwindigkeit und Treten mit den Füssen die Aufladung des Befestigungselements 21 steuern,
wobei das Drehelement 22 vom Vorderrad 12 derart
angetrieben wird oder sich durch das Fußtreten auf die Pedale 14 am Außenrand
des Befestigungselements 21 so dreht, dass die durch die
Magnete 221 erzeugten magnetischen Kraftlinien ununterbrochen
die Spulen 212 des Befestigungselements 21 schneiden,
wodurch die kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird,
so dass die Spulen 212 Strom erzeugen, der durch das Ende
der Leitung 213 zurück
in den Akku 40 gespeichert wird. Auf diese Weise wird zweckgemäß Strom
erzeugt.
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Weiter
wird auf 2 und 4 in Verbindung
mit 1 verwiesen. Der Mikroprozessor 31 der
Steuervorrichtung 30 empfängt ein Drehvorrichtungssignal 23,
ein Akkusignal 43, ein Lenkersignal 17 und ein
Bremssignal 18, wobei das Drehvorrichtungssignal 23 die
Drehzahl des Drehelements 22 ermittelt, das Akkusignal 43 die
Speicherkapazität
des Akkus 40 darstellt, das Lenkersignal 17 den
Drehwinkel des Lenkers 15 des Fahrrads 10 darstellt
und das Bremssignal 18 die Betätigung der Bremsgriffe 16 darstellt.
Der Einstellschalter 32 schließt einen Normal-, einen Trainings-
und einen Bergaufmodus ein. Wenn der Benutzer das Fahrrad mit seinen
Füssen treten
möchte,
soll er den Normalmodus auswählen, wobei
die für
das Treten auf die Tretpedale erforderliche Kraft beinahe der Tretkraft
bei einem normalen Fahrrad entspricht, wobei die Drehvorrichtung 20 im passiven
Zustand in geringem Maß mit
Strom aufgeladen wird. Wenn das Fahrrad 10 auf den Trainingsmodus
eingestellt wird, wird der Mikroprozessor 31 den Widerstand
zwischen dem Akku 40 und der Drehvorrichtung 20 herabsetzen,
um die Auflademenge der Drehvorrichtung zu erhöhen. Je zahlreicher die durch
das Befestigungselement 21 und das Drehelement 22 geschnittenen
magnetischen Kraftlinien sind, desto größer ist die Auflademenge, die
den Widerstand der Pedale 14 zum Zwecke des körperlichen
Trainings erhöht.
Im Bergaufmodus erreicht die Auflademenge den größten Wert, wobei der Benutzer mit
einer Kraft, die der Kraft für
das Bergauffahren entspricht, auf die Pedale 14 treten
muss. Wenn die Drehvorrichtung 20 im aktiven Modus betrieben
wird, steht der Strom im Akku 40 als Antriebskraft zur
Verfügung.
Im Falle, dass die Drehzahl des Vorderrads 12 aufgrund
eines bestimmten Straßenzustands
höher wird
als die durch die Drehvorrichtung 20 erzeugte Drehzahl,
wird die Drehvorrichtung 20 auf den passiven Modus umgeschaltet,
wobei sich die Spulen 212 des Befestigungselements 21 mit
den magnetischen Kraftlinien der Magnete 221 des Drehelements 22 schneiden
und somit den Akku 40 mit Strom aufladen; aufgrund des
Ergebnisses der Analyse des Fahrradzustands entscheidet sich der
Mikroprozessor 31 für
den aktiven bzw. den passiven Modus, um eine optimale Leistung des
Fahrrads zu erhalten.
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Je
größer die
Auflademenge der Drehvorrichtung 20 im passiven Modus ist,
desto größer wird der
elektromagnetische Widerstand, wodurch die Drehzahl des Vorderrads 12 herabgesetzt
wird, um das Bremsen vorzunehmen. Zum plötzlichen Bremsen empfängt der
Mikroprozessor 31 der Steuervorrichtung 30 ein
Schnelldrucksignal von den Bremsgriffen 16 und steuert
den Akku 40 dahingehend, dass der Akku 40 die
Drehvorrichtung 20 zum Zwecke der Spannungserhöhung mit
Strom in Rückwärtsrichtung
auflädt,
wobei die durch die Spulen 212 des Befestigungselements 21 erzeugten
Magnetpole mit den Magnetpolen der Magnete 221 des Drehelements 22 identisch
sind, so dass sich die Magnetfelder in Rückwärtsrichtung untereinander anziehen bzw.
sich abstoßen.
Durch das Bremsen unter elektromagnetischer Einwirkung kann das
Fahrrad 10 sehr schnell zum Stillstand gebracht werden.
Ferner ist am Hinterrad 13 des Fahrrads 10 ein
Kodiergerät 42 angeordnet,
das die Drehzahl des Hinterrads 13 empfängt und sie weiter auf den
Empfänger 41 des Akkus 40 überträgt. Aufgrund
des Zahlenwertes werden der Mikroprozessor 31 und der Empfänger 41 eine
Entscheidung treffen und steuern ggf. die Spannung der Rückwärtsaufladung
des Akkus dahingehend, dass der Strom in der Art eines Wellenbereiches
ins Befestigungselement 21 der Drehvorrichtung 20 fließt, so dass
die Fahrgeschwindigkeit durch schnelle, unterbrochene Magnetfelder
herabgesetzt wird, um das Fahrrad zu bremsen. Somit werden das Vorder- und das Hinterrad 12, 13 durch
eine Steuerung in einer gleichen Drehzahl gehalten, so dass das
Fahrrad 10 schnell gebremst werden kann, ohne dabei die
Räder blockieren
zu müssen.
Somit wird die Bremsleistung erhöht
und die Fahrsicherheit gewährleistet.
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Die
Erfindung betrifft somit ein Antriebshilfssystem für ein Elektrofahrrad,
das folgendes umfasst: ein Fahrrad 10; eine Drehvorrichtung 20,
die aus einem Befestigungselement 21 und einem Drehelement 22 ausgebildet
ist, wobei das Befestigungselement 21 mit einer Achse 211 versehen
und von Spulen 212 umwickelt ist, und das Drehelement 22 am Außenrand
des Befestigungselements 21 aufgezogen ist und eine Mehrzahl
von ringförmig
angeordnete Magnete 221 aufweist, wobei die Drehvorrichtung 20 am
Vorderrad 12 des Fahrrads 10 befestigt ist; eine
Steuervorrichtung 30, die aus einem Mikroprozessor 31 und
einem Einstellschalter 32 besteht; und einen Akku 40,
der mit einem Empfänger 41 und
einem Kodiergerät 42 ausgestattet
ist. Mit der oben beschriebenen Ausgestaltung wird die Drehvorrichtung 20 aufgrund
des Ergebnisses der vom Mikroprozessor 31 vorgenommenen
Analyse des Fahrradzustands durch denselben (den Mikroprozessor)
gesteuert. Das erfindungsgemäße Antriebshilfssystem ist
mit den Funktionen der Stromrückkopplung
und des elektromagnetischen Bremsens ausgestattet, welche Funktionen
zu einer erhöhten
Leistung des Fahrrads 10 beitragen.