WO1999030960A2 - Antriebsvorrichtung und drehmomentsensor sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Antriebsvorrichtung und drehmomentsensor sowie verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO1999030960A2
WO1999030960A2 PCT/IB1998/001991 IB9801991W WO9930960A2 WO 1999030960 A2 WO1999030960 A2 WO 1999030960A2 IB 9801991 W IB9801991 W IB 9801991W WO 9930960 A2 WO9930960 A2 WO 9930960A2
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torque
torsion
rotor
drive device
magnetic
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WO1999030960A3 (de
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Philippe Kohlbrenner
Reto BÖHLEN
Berthold Jonientz
Christian HÄUSELMANN
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Bktech Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/55—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at crank shafts parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62J—CYCLE SADDLES OR SEATS; AUXILIARY DEVICES OR ACCESSORIES SPECIALLY ADAPTED TO CYCLES AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. ARTICLE CARRIERS OR CYCLE PROTECTORS
    • B62J45/00—Electrical equipment arrangements specially adapted for use as accessories on cycles, not otherwise provided for
    • B62J45/40—Sensor arrangements; Mounting thereof
    • B62J45/41—Sensor arrangements; Mounting thereof characterised by the type of sensor
    • B62J45/411—Torque sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/45—Control or actuating devices therefor
    • B62M6/50—Control or actuating devices therefor characterised by detectors or sensors, or arrangement thereof

Definitions

  • the invention relates to a drive device according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a torque sensor according to the preamble of claim 18 and a method for its production according to the preamble of claim 25.
  • Electric motor-assisted muscle power drives are known, particularly in vehicles, such as for bicycles driven by foot pedals. Important factors in such drives are their space requirement and the measurement of the muscle torque generated and / or the engine torque. Known solutions are often too heavy and too large and have an insufficient torque measuring range or a too low resolution, or only the speed or the angular velocity are used instead of a real torque measurement.
  • DE-A-195 22 419 shows a gearless drive unit arranged coaxially to the pedal axis, which is designed to retrofit conventional bicycles and with which outside Bottom bracket cartridge open on the bike, a stator of an electric motor and a rotor combined with the sprocket.
  • the electric motor has a low speed in the range of the pedal speed.
  • Torque gauges are used as torque sensors at the connection point between the crank star and the sprocket.
  • the retrofit solution shown in this document has several disadvantages.
  • the conventional bicycle frame offers little installation space in the bottom bracket area, so that the motor width is severely limited. The torque required for a satisfactory large motor support can only be achieved with this design over a large diameter, which reduces the ground clearance in the bottom bracket area.
  • EP-A-0743 238 shows a drive unit for a bicycle, in which a motor with a small diameter and higher speed is used, which is why a transmission gear is installed to adapt the very low pedal axis speed to the higher motor speed . Since the comparatively very high driver torques have to be translated "upwards" via this transmission, there are considerable losses. Because the speed of the motor and drive wheel are relatively high, a freewheel clutch is required to decouple the motor when driving without motor support, otherwise there is a large engine braking torque during this driving operation. Furthermore, pushing the vehicle backwards is made more difficult.
  • a freewheel is installed in the course of the power transmission flow from the pedal axle to the driven wheel to decouple the pedals when driving solely by motor, no coaster brake can be used without additional attachments.
  • the torque is measured by a load cell at the support point of the gear housing, which is arranged in the drive housing.
  • WO 97/05010 further shows a wheelchair with wheel hub motors and muscle power actuation by one
  • Handrail a sensor being arranged between the handrail and the rotor in order to detect the torque introduced via the handrail.
  • EP-A-682 238 shows a device for torque measurement, in which a magnetic field is generated by a coil and is transmitted via two pole pair arrangements which are arranged on both sides of a torsion path.
  • the magnetic coupling of the poles separated by an air gap is dependent on torsion and therefore torque.
  • the magnetic field is coupled into or out of the poles via an air gap.
  • Magnetic field sensors are provided at the decoupling point in order to detect the torque or torsion-dependent change in the magnetic field.
  • An output signal corresponding to the torque is generated from the signal of the magnetic field sensors in an evaluation circuit.
  • the manufacture of the device is complex since the poles are designed as bolts which have to be arranged individually in recesses in the respective non-magnetic carrier, which has to be done very precisely in order to keep the air gap between all opposing bolts as large as possible. With cramped installation conditions and correspondingly small dimensions, such a device is only complicated and expensive to produce.
  • the invention is therefore based on the one hand the task of creating a motor-assisted muscle power drive with a simple structure and small space requirement, which is insensitive to dirt and splash water for applications in vehicles and its
  • Torque detection a detection of the muscle-generated torque with a high degree of delay without delay Resolution allowed. This object is achieved in a drive device of the type mentioned at the outset with the characterizing features of claim 1.
  • the torque detection unit is arranged centrally in the housing and can directly absorb the muscle force torque results in both a compact drive arrangement and the possibility of a good resolution detection of the torque without interference from gears or mechanical transmission elements. Furthermore, the torque detection unit is protected in the housing.
  • the torque detection unit comprises a sleeve which at least partially accommodates the axle, which sleeve can also be part of the rotor or is preferably connected to the latter via a transmission ring to which the driven wheel is also attached.
  • the torque detection unit can be designed with strain gauges; preferably, however, it has a torque sensor with magnetic poles arranged on both sides of a torsion path, which change their relative position when the path is twisted, which results in a change in a magnetic quantity corresponding to the torque.
  • a preferred field of application for the drive is in an electric bicycle.
  • the object of the invention is to create a torque sensor which is compact and simple in construction and thus simple and inexpensive to manufacture, and which nevertheless has a high resolution and good measuring accuracy for the torque.
  • the sensor requires only a minimal overall height and the strips can be produced simply and cheaply as stamped parts.
  • the object is further achieved with the characterizing features of claim 18.
  • the arrangement of an annular coil around the torsion element results in the possibility of a radially or axially low overall height of the sensor while maintaining a simple structure.
  • the magnetic variable is detected by a further coil arranged in a ring around the torsion element.
  • the invention is further based on the object of providing a method for producing a torque sensor with magnetic poles, which allows its simple and inexpensive production even with a large number of poles and with very low air gap tolerances.
  • the poles are preferably preformed on a flat strip before it is rounded to form a ring, which reduces the number of subsequent cutting operations.
  • Figure 1 is a sectional view of a first embodiment of the drive device
  • Figure 2 is a sectional view through a further embodiment of the drive device;
  • Figure 3 is a side view of a bicycle;
  • FIG. 4 shows a schematic diagrammatic magnetic field torque sensor
  • FIG. 5 shows a schematic side view of poles and the magnetic field coupling of the sensor from FIG. 4;
  • FIG. 6 shows a schematic top view of a partial development of the poles of the sensor from FIG. 4;
  • FIG. 7 shows a plan view of a stamped part for producing the poles of the sensor
  • Figure 9 is a sectional view of a drive device similar to that of Figure 1 with a magnetic field torque sensor.
  • FIG. 1 shows a drive device according to the invention in an electric bicycle in section.
  • the pedal axis 1 is mounted as a central axis within the rotor 6 of the electric motor 10, the rotor consisting of the magnetic yoke ring 7 with the magnets 8, the disk-shaped rotor body 6a and a sleeve part 6b enclosing the central axis 1, in which the Pedal axis 1 is guided axially and radially by suitable means.
  • the mounting of the pedal axis 1 can also be modified by storing it directly in the housing 15 or in a mixed form in the housing 15 and in the rotor 6.
  • the pedal cranks 4, 5 are only partially shown Pedals 2, 3 attached.
  • the pedal cranks 4, 5 are detachably connected to the pedal axis 1 for the transmission of the muscle force torque, but a fixed variant is also conceivable.
  • the axis 1 is fixed with the
  • Sleeve 6b connected, e.g. by welding.
  • the axis 1 is rotatably supported in the sleeve 6b, e.g. by means of a sliding intermediate layer. In this way, the moment of both cranks is introduced into the sleeve 6b via the pedal axis 1 at the point 18.
  • the drive housing 15 is fixedly connected to the frame 16, if necessary it can be detachably fastened or designed as an integral frame part.
  • the sprocket 11, which serves here as the driven wheel, is connected to the rotor 6 in a torque-proof manner, but has a torsionally elastic connection to the pedal axis 1 via the sleeve part 6b of the rotor 6.
  • the sprocket 11 sits on the sleeve part 6b of the rotor 6 on the outside of the Housing 15 and is in engagement with a power transmission means 12, for example a chain, with the rear wheel of the bicycle.
  • the coupling between chain wheel 11 and rotor 6 could, however, also take place in another way, in that the chain wheel sits directly on the radially running disk-shaped rotor body 6a or is formed as an integral part of the rotor body.
  • the rotor 6 is supported by a bearing 13, 13 '.
  • the rotor 6 would have to be stored both in the housing 15 and on the pedal axis 1.
  • Rolling bearings or plain bearings can be used as bearings, both for the rotor bearing and for the pedal axle bearing. In the simplest case, in which there is no relative movement between the rotor and the axis, the support can take place as a fixed connection.
  • the bearings of the pedal axis and the rotor are advantageously in one plane, but one of them is also different. appropriate position of the bearings to each other conceivable.
  • the electric motor 10 consisting of stator 9 and rotor 6 is arranged coaxially to the pedal axis 1. It can advantageously be designed as a permanently excited synchronous motor, the stator 9 being fixedly connected to the drive housing 15 or being provided as a housing part. The use of an external rotor rotor creates a very practical motor configuration.
  • the torque detection unit 14 is arranged centrally in the housing coaxially to the pedal axis 1 and is directly assigned to the rotor sleeve part 6b. In the present case, it detects the torsion of the sleeve 6b on the basis of the torque generated in it. Detection takes place, for example, by means of a torque sensor with a strain gauge attached to the sleeve or, preferably, with a magnetic pole sensor, as will be explained below.
  • the unit 14 is located completely inside the drive housing 15 and, in the example shown, can detect both torques on the rotor sleeve part 6b and torques on the disk-shaped rotor body 6a by means of the indicated strain gauges 31 and 32.
  • both the muscle force torque and the engine torque can be recorded individually or both by means of the rotor parts 6a, 6b, which are subjected to torsional stress due to the torques and serve as the measuring section.
  • the torque originating from the pedal force of the driver is detected via the deformation of the rotor sleeve part 6b as a result of torsion and is measured and evaluated by an electronically connected sensor system. If, for example, a torque is transmitted from the pedals 2, 3, the torque signal obtained is processed in real time by a motor control unit 17, which can also be integrated in the interior of the drive, and is regulated accordingly by the electric motor 10 or its torque adapted to the current power requirement. In this way it can be completely on freewheels or Couplings are dispensed with, which leads to a low-wear drive unit and a correspondingly high degree of efficiency.
  • Figure 2 shows in section a modification of the drive device integrated in the bottom bracket area of an electric bicycle.
  • the pedal axis 1 is placed as the central axis within the rotor 6 of the electric motor 10 and is stored in a mixed form in the housing 15 and in the rotor 6.
  • this can also be solved as in FIG. 1.
  • the cranks can in turn be attached to the ends of the pedal axis.
  • the drive housing 15 is firmly connected to the frame; if necessary, it can be fastened in a removable manner or can be designed as an integral frame part.
  • the axis 1 is provided in the middle with a ring part 1c which is firmly connected to the sleeve 6b of the rotor 6.
  • a sliding intermediate layer 19 is provided between the axis and the rotor.
  • two different moments, the moments of both cranks are now separately recorded and evaluated via the two torsion paths la, lb forming part of the pedal axis 1.
  • the chain wheel 11 (driven wheel) in turn is torque-proof on the rotor 6 on the outside of the housing 15 and is in engagement with a power transmission means 12, for example a chain, with the rear wheel of the bicycle.
  • a power transmission means 12 for example a chain
  • the coupling between chain wheel 11 and rotor 6 could, however, also take place in another way, in that the chain wheel sits directly on the radially running disk-shaped rotor body 6a or is designed as an integral part of the rotor body.
  • the rotor 6 and the pedal axis 1 are each supported by a bearing 13, 13 '.
  • the rotor 6 would have to be supported on both sides in the housing.
  • Rolling bearings or plain bearings can be used as bearings, both for rotor bearings and for pedal axle bearings.
  • the electric motor 10 consisting of stator 9 and rotor 6 is arranged coaxially to the pedal axis 1. It is preferably designed as a permanently excited synchronous motor, the stator 9 being fixedly connected to the drive housing 15 or being provided as a housing part. The use of an external rotor rotor creates a very practical motor configuration.
  • the torque detection unit is located completely inside the drive housing, here consists of two parts 14a, 14b and is arranged coaxially to the pedal axis 1. Depending on the design of the engine control, the moments of both cranks can be recorded and evaluated separately.
  • the torques originating from the pedal forces of the driver are determined via the deformation of the pedal axis torsion distances la, lb, e.g. again about
  • Dehm measuring strips or magnetic pole sensors recorded and measured and evaluated by an active, electronic measuring sensor system.
  • the torque signals obtained in this way are processed in real time by a motor control unit 17 which is known per se and is not further explained here and which can also be integrated in the interior of the drive, and is regulated accordingly by the electric motor 10 or its torque is adjusted to the current power requirement. fits. Again, freewheels or clutches can be dispensed with entirely, which leads to a low-wear drive unit and a correspondingly high degree of efficiency.
  • FIG. 3 shows a side view of how an overall concept for a full-suspension electric bicycle 30 with the drive device 1 according to the invention can look, for example.
  • the main frame 25 is via the fulcrum
  • Frame struts 4 connect the main frame
  • FIG. 4 shows a torque sensor which has two holding members 36 and 37 which are fastened separately from one another on a torsion member 38, for example a shaft or sleeve. The area of the torsion member 38 lying between the holding members 36 and 37 thereby forms a torsion path, the torsion of which is determined by means of the magnetic poles arranged on the holding members 36 and 37.
  • FIG. 4 only a part of the magnetic poles 40-45 of one holding member or 50-56 of the other holding member, which are fixed around the torsion member and are attached to the holding parts, are shown.
  • the magnetic poles 40 are arranged facing each other, in the example of FIG. 4 they are arranged offset to one another.
  • a magnetic flux is generated in the poles by a coil 48, which is only indicated in FIG. 4 and extends annularly around the holding part 36.
  • the magnetic flux is fed from the stationary coil 48 into the poles 40 to 45 of the holding part 36 via their respective rear end regions 40 'to 45'.
  • FIG. 5 and FIG. 6 show schematic representations to explain the functioning of the torque sensor from FIG. 4.
  • FIG. 5 and FIG. 6 show schematic representations to explain the functioning of the torque sensor from FIG. 4.
  • FIG. 5 shows a side view of two magnetic poles 42, 43 or 52, 53
  • FIG. 6 shows a plan view of such magnetic poles to explain the magnetic flux.
  • FIG. 5 shows again the torsion link 38, which forms a torsion section 39 between the indicated holding parts 36 and 37, for which purpose the torsion link can also have a weakening zone at this point, as is shown by the reduced cross section over the torsion section 39.
  • Half of the torsion element is shown in vertical section above its central axis D, the other parts of the drawing, however, are only shown schematically to explain the mode of operation together with the likewise schematic view of FIG. 6. So the brackets 36 and 37 for the magnetic poles are only indicated.
  • the coil which is also only indicated by a few winding wires 48, is arranged in a yoke 47, the legs 47 'of which point towards the end pieces 43' and 42 'of the magnetic poles 42 and 43 shown.
  • a magnetic south pole S or north pole N results on the yoke legs 47 '.
  • the magnetic flux caused thereby is in the magnetic poles 42 and 43 represented by the broken lines F in FIG.
  • the magnetic poles 42, 43 and 53 and 54 lie opposite one another, as shown in FIG. 6.
  • the position of the yoke legs 47 ' is indicated by broken lines.
  • the ring-shaped coil 48 surrounding the holding part with its ring-shaped yoke 47, which also extends around the holding part 36, causes a magnetic flux F which essentially at the front end of the magnetic pole 42 through the air gap d into and out of the magnetic pole 53 out into the magnetic pole 43 and back to the yoke 47.
  • a small part of the flux can also flow via the magnetic pole 53 or its end 53 'and via the yoke 57 of the coil 58 into the end 54' of the magnetic pole 54 and through this back to the magnetic pole 43 and the yoke 47.
  • This slight magnetic flux causes an electrical voltage in the coil 58, which is also indicated in FIG.
  • the magnetic poles 42 and 53 or 43 and 54 thus shift relative to one another in such a way that their end faces have a greater coverage over the air gap d, which means that the magnetic flux increasingly takes place via the magnetic poles 53 and 54 and via the yoke 57 so that the voltage induced in the coil 58 increases.
  • the increasing voltage in the coil 58 or after amplification and rectification at the output of the rectifier 62 is approximately proportional in the measuring range to the rotation of the torsion path 39 or to the torque introduced into the torque sensor. In this way, for example, a torque sensor of a few centimeters in diameter can measure a torque of 1 Nm to 300 Nm on a suitably designed torsion section with good resolution.
  • the value of 300 Nm can cause the torsion section to twist by approximately 1.5 °.
  • the coil 47 is supplied with a signal of 3.5 V voltage and a frequency of 14 kHz, the result is For example, a useful signal in the coil 58 of 5 mVolt, which can be amplified and rectified.
  • the DC voltage output at the rectifier 62 can be output as a measured value for the torque to a display device or to a control or regulation system, which controls or regulates a drive, for example.
  • the muscle force torque is detected on a pedal axis or a sleeve connected to it in the manner mentioned and used to control or regulate an electrical auxiliary drive.
  • a series of completely offset magnetic poles is only to be understood as a preferred example.
  • the mutually facing magnetic poles of the two holding parts 36 and 37 could also be arranged less offset from one another in the idle state or could also be exactly opposite one another. In the latter case, the maximum magnetic coupling from the coil 48 to the coil 58 results if the torsion path is not rotated. By rotating the torsion path, there is a decreasing coupling into the coil 58 and thus a signal that decreases in accordance with the torque. More than one series of magnetic poles, as known from EP-A-0682 238, could also be used.
  • the sensor described is produced in accordance with the invention in that a closed one is first made of the ferromagnetic material forming the magnetic poles, which is preferably in the form of a tape Ring is formed. This ring is now pushed onto the two ends of the non-magnetic holding parts 36, 37 and fastened there at those points where the poles are to be fastened to the holding parts. This can be done, for example, by selective gluing of the ring to the holding parts 36 and 37. These are attached to the torsion member 38 simultaneously or subsequently, for example also by gluing and / or pinning.
  • the magnetic poles are then cut out of the closed ring by a laser beam, the parts of the ring fastened to the holding parts 36 and 37 forming the magnetic poles and the unsecured parts being removed as cutting waste.
  • a circumferential cut in the middle of the ring separates the poles of the two holding parts.
  • the non-fastened parts of the ring lying between the poles of each holding part are detached from the poles by cuts along surface lines of the cylindrical ring. After the poles have been formed, they can be attached to the holding parts even more intensively, for example by a casting compound.
  • the production method described has the advantage that the magnetic poles do not have to be formed separately beforehand and attached individually to the holding parts, and that by cutting the fastened ring with holding parts already positioned to one another on the torsion member, an air gap which is extremely uniform over the circumference of the torque sensor is generated, which allows a corresponding accuracy and fine resolution of the torque measurement.
  • 7 shows a pole strip 65 made of ferromagnetic material, which has a continuous web 66 and legs 67 projecting from it offset from one another.
  • the legs can also have different lengths.
  • Such a strip can be produced, for example, by a punching or cutting operation.
  • the successive legs 67 on each side of the pole stripe Fens are then alternately bent approximately as shown schematically in FIG. 5 for the successive pole strips 42 and 43 or 52 and 53.
  • the pole strip bent in this way is then bent into a ring, as is partially shown in FIG. 8 as ring 69.
  • the actual ring is formed by the web 66 and the curved legs 67 protrude from both sides of this ring.
  • FIG. 8 shows the ring 69 already pushed onto the holding part 36 and the holding part 37 in a position that it can also be joined to the ring 39.
  • the torsion link 38 with the torsion section 39 is inserted into the holding parts 36 and 37.
  • the legs 67 can be glued in the grooves 70 and 71 of the respective holding parts. Furthermore, the stepped part of the holding parts can be covered by a hardening sealing compound after the holding parts have been pushed together, so that only the angled end regions of the magnetic poles protrude radially from the holding parts 36 and 37 and the web 66 is exposed between the holding parts. After the potting compound has hardened, the circumference of the holding parts 36 and 37 can be over-tightened or ground so that the end regions of the magnetic poles, for example the end region 43 ', are flush with the outer surface of the holding part.
  • the web 66 is, as already mentioned, cut so that the individual magnetic poles are formed. So is formed by a circumferential section line L, for example by means of a laser, the air gap d between the opposing magnetic poles. This can have a size of 0.3 mm, for example, which remains constant even after cutting due to the fact that all parts are already fixed to each other.
  • the hatched parts can be further cut out by cuts in the axial direction through the web 66, so that the magnetic pole arrangement according to FIG. 4 is formed with offset magnetic poles. By appropriately shaping the strip 65, magnetic poles that are not offset with respect to one another could of course also be formed.
  • FIG. 9 shows a drive device of a bicycle with an electromotive auxiliary drive similar to that of FIG. 1, using a torque sensor as has been described with reference to FIGS. 4-8.
  • the same reference numerals as previously used denote the same parts.
  • the drive device is symmetrical about the longitudinal axis, essentially only the part lying above the longitudinal axis is shown and this is further cut off in the figure, so that only a part of the rotor and the housing and the driven wheel can be seen.
  • the pedal axis 1 is welded to a sleeve 76 at point 75.
  • the area of the pedal axis located within the sleeve is movably supported relative to the sleeve by a sliding intermediate layer 19.
  • the torque introduced into the pedal axis 1 by the pedal cranks, not shown, is transmitted to the sleeve at point 75.
  • This also forms the torsion element 38 of a torque sensor with magnetic poles.
  • the sleeve is made thinner in the region of the torsion section 39 in order to allow torsion there on account of the muscle strength that has been introduced.
  • the sleeve 76 is firmly connected, for example welded, to a torsion transmission ring 78 at the point 77. This ring is also slidably mounted opposite the pedal axis.
  • the Torsion transmission ring 78 engages on the one hand the rotor 6 in a torsion-resistant manner and on the other hand the driven wheel 11 located on the outside of the housing, which is, for example, a chain wheel.
  • the ring 78 is provided with recesses 80 which are separated from one another by ribs and into which pins 81 and 82 of the rotor or the driven wheel engage in order to ensure the transmission of torque from the torsion transmission ring 78 to the rotor or the driven wheel.
  • the holding parts 36 and 37 arranged above the sleeve 76, which is used as the torsion member 38, are fastened to the sleeve, for example by gluing at the points 84 and 85. The holding parts thus rotate with the torsion member 38 or the pedal axis.
  • the holding parts hold magnetic poles, which are designed as essentially strip-shaped strip poles, as was already the case in the preceding
  • Torque sensor has been described.
  • two magnetic poles 43 and 53 are shown.
  • the coil 48 and 58 which is fixed to the housing and is thus stationary with respect to the rotatable holding parts 36 and 37, is arranged within an annular yoke 47 and 57 composed of two parts.
  • a possibly provided coil carrier is not shown, as in the exemplary embodiments of the torque sensor already shown, to simplify the drawing.
  • the magnetic pole torque sensor works in the manner described with reference to the examples in FIGS. 4-6.
  • the muscle force torque introduced into the drive on the axis 1 leads to a rotation of the sleeve 76 or the torsion path 39 and thus to a displacement of the magnetic poles relative to one another and thus to a change in the magnetic flux which is detected by the coil 58.
  • Evaluation electronics or a part thereof can be arranged on a plate 89 stationary above the stationary coils.
  • an electromagnetic shield is provided in the form of a radial shield above the magnetic poles.
  • Nes ring 90 for example made of copper.
  • a further electromagnetic shield in the form of a rotating ring 91 arranged radially below the magnetic poles is also preferably provided.
  • Such electromagnetic shielding either with one or both of the ring-shaped shielding elements can also be provided with a sensor according to FIGS. 4-8. It has been shown that this shielding can shield electromagnetic interference on the sensor, which improves the evaluability of its output signal.
  • a torque sensor e.g. can be used with strain gauges.
  • the operating voltage or the useful signal can be coupled in and out to the strain gauges arranged on the sleeve or the pedal axis by means of a stationary coil 48 and 58, which in this case rotates with the strain gauge and also with one Opposed yoke provided coil, which is fed or queried via the air gap between the yokes.
  • the torque detection could also be carried out on the aforementioned torsion transmission ring 78, e.g. by means of strain gauges on its webs.

Abstract

Bei einem elektromotorisch unterstützten muskelkraft getriebenem Antrieb wird das Drehmoment durch einen Drehmomentsensor (35) erfasst, welcher zentral im Antrieb im Bereich der Tretachse (1) angeordnet ist. Der Drehmomentsensor ist vom Magnetpoltyp und weist im wesentlichen bandförmige Magnetpole (43, 53) auf, welche durch die Torsion einer Torsionsstrecke (39) gegeneinander verschoben werden, wodurch sich eine magnetische Grösse des Sensors (35) ändert. Auf diese Weise kann ein kompakter Antrieb geschaffen werden, welcher eine genaue Erfassung des Muskelkraftdrehmomentes ermöglicht. Der Sensor kann mit den bandförmigen Magnetpolen kompakt gebaut werden und auf einfache Weise hergestellt werden.

Description

ANTRIEBSVORRICHTUNG UND DREHMOMENTSENSOR SOWIEVERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung gemass Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Drehmomentsensor gemass Oberbegriff des Anspruchs 18 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung gemass Oberbegriff des Anspruchs 25.
Stand der Technik
Elektromotorisch unterstützte Muskelkraftantriebe sind bekannt, insbesondere bei Fahrzeugen, wie z.B. bei durch Fusspedale angetriebenen Fahrrädern. Wich- tige Faktoren bei solchen Antrieben sind deren Raumbedarf und die messtechnische Erfassung des durch Muskelkraft erzeugten und/oder des Motordrehmomentes. Bekannte Lösungen sind oft zu schwer und zu gross und weisen einen ungenügenden Drehmomentmessbereich oder eine zu geringe Auflösung auf, oder es wird nur die Drehzahl oder die Winkelgeschwindigkeit anstelle einer echten Drehmomentmessung verwendet.
Erwünscht ist es, die Leistungsregelung des Elektromotors derart durchführen zu können, dass dessen Drehmoment in Echtzeit und komfortabel nach biomechanisch optimalen Kennlinien zur biologischen Kraft dazuaddiert oder überlagert werden kann, so dass sich ein ruckfreies Zuschalten der Hilfskraft ergibt; dies stellt entsprechende Anforderungen an die Genauigkeit und Auflösung der Drehmomentsensorik.
Bei den bereits existierenden muskelkraftverstärkenden Hilfsantrieben handelsüblicher Elektrofahrrä- der, bei welchen der Hilfsantrieb im Bereich des Tretlagers sitzt, ist der Motor meist ausserhalb des Tretlagers angeordnet, so dass die Motorachse parallel oder rechtwinklig zur Tretachse steht. Bei diesen bekannten An- triebskonzepten tritt das Problem auf, dass sie aus vielen Einzelteilen bestehen und daher relativ viel Platz brauchen. Dies ergibt Einbussen im Gesamtwirkungsgrad, einen grossen Wartungsaufwand, Verschleiss, ein hohes Gewicht, eine erhöhte Schmutzanfälligkeit usw. DE-A-195 22 419 zeigt eine koaxial zur Tretachse angeordnete, getrieblose Antriebseinheit, welche zur Nachrüstung herkömmlicher Fahrräder ausgestaltet ist und bei welcher ausserhalb der Tretlagerpatrone offen am Fahrrad ein Stator eines Elektromotors und ein mit dem Kettenrad kombinierter Rotor angeordnet werden. Der Elektromotor weist eine niedrige Drehzahl im Bereich der Pedaldrehzahl auf. Als Drehmomentsensoren werden Drehmessstreifen an der Verbindungsstelle zwischen Kurbelstern und Kettenrad eingesetzt. Die in diesem Dokument gezeigte Nachrüstlösung weist verschiedene Nachteile auf. Der konventionelle Fahrradrahmen bietet im Tretlagerbereich wenig Einbauraum, so dass die Motorbreite dadurch stark beschränkt wird. Das für eine befriedigende grosse Motorenunterstützung notwendige Drehmoment kann bei dieser Bau- weise nur über einen grossen Durchmesser erreicht werden, was die Bodenfreiheit im Tretlagerbereich verkleinert.
Dadurch, dass sich der Antrieb im Spritzwasserbereich befindet, ergibt sich ein dementsprechend gro- sser Wartungsaufwand, eine erhöhte Schmutzanfälligkeit und Verschleiss. Der Einbau einer wirkungsvollen Dichtung ist sehr aufwendig, da sich die Schnittstelle von Rotor und Stator auf grossem Durchmesser befindet. Die abhängig von der Kurbelstellung unter Umständen stark pulsierenden Drehmomente des Fahrers werden über den nur einseitig ge- lagerten Rotor abgewälzt und über einen einzigen Übertragungspunkt an die Fahrrad-Kette weitergeleitet. Dadurch ergeben sich grosse Torsionsbeanspruchungen im Motorbe- reich, so dass die exakte Einhaltung eines gleichmässigen Luftspaltes zwischen Rotor und Stator schwierig sind.
EP-A-0743 238 zeigt eine Antriebseinheit für ein Fahrrad, bei welcher ein Motor mit geringem Durchmes- ser und höherer Drehzahl eingesetzt wird, weshalb ein Übersetzungs-Getriebe zur Anpassung der sehr tiefen Tretachse-Drehzahl an die höher gelegene Motor-Drehzahl eingebaut wird. Da über dieses Getriebe die vergleichsweise sehr hohen Fahrer-Drehmomente "nach oben" übersetzt wer- den müssen, ergeben sich erhebliche Verluste. Dadurch, dass die Drehzahl von Motor und Antriebsrad relativ hoch sind, wird zur Entkoppelung des Motores beim Fahrbetrieb ohne Motorenunterstützung eine Freilaufkupplung benötigt, ansonsten sich bei diesem Fahrbetrieb ein grosses Motor- Bremsmoment ergibt. Ferner wird das Rückwärtsschieben des Fahrzeugs erschwert.
Da im Zuge des Kraftübertragungsflusses von der Tretachse zum Abtriebsrad zur Entkoppelung der Pedale beim reinen Motor-Fahrbetrieb ein Freilauf eingebaut ist, kann ohne zusätzliche Anbauteile keine Rücktrittsbremse mehr verwendet werden. Die Drehmomenterfassung erfolgt durch eine Kraftmessdose an der Abstützstelle des Getriebegehäuses, welches im Antriebsgehäuse angeordnet ist.
WO 97/05010 zeigt weiter einen Rollstuhl mit Radnabenmotoren und Muskelkraftbetätigung durch einen
Handlauf, wobei zwischen Handlauf und dem Rotor ein Sensor angeordnet ist, um das über den Handlauf eingebrachte Drehmoment zu erfassen.
Bei den verschiedensten Anwendungen, wie z.B. motorgetriebenen Schraubendrehern, Bohrmaschinen, motorischen Antrieben im allgemeinen und insbesondere motorischen Stellantrieben oder den vorgenannten elektromotorischen Hilfsantrieben muskelkraftbetätigter Fahrzeuge, ist es wünschbar, ein Drehmoment erfassen zu können. Es sind verschiedenartige mechanische Drehmomentsensoren bekannt, welche indes häufig einen komplizierten Aufbau aufweisen und deren Erfassungsprinzip die Einbindung in eine elek- tronische Motorsteuerung aufwendig macht. EP-A-683 093 und EP-A-700 825 zeigen elektromechanische DrehmomentSensoren bei elektromotorunterstützten Fahrrädern. US-A-3 938 890 zeigt eine elektrooptische Drehmomenterfassung, welche bei Antrieben, die Schmiermittel enthalten, Probleme bei der optischen Detektion ergeben kann. EP-A-682 238 zeigt eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung, bei der durch eine Spule ein Magnetfeld erzeugt und über zwei Polpaaranordnungen, welche beidseits einer Torsionsstrek- ke angeordnet sind, übertragen wird. Die magnetische Kopplung der durch einen Luftspalt getrennten Pole ist torsions- und damit drehmomentabhängig . Das Magnetfeld wird über einen Luftspalt in die Pole ein- bzw. ausgekoppelt. An der Auskopplungsstelle sind Magnetfeldsensoren vorgesehen, um die drehmoment- bzw. torsionsabhängige Änderung des Magnetfeldes zu erfassen. Aus dem Signal der Magnetfeldsensoren wird in einer Auswertschaltung ein dem Drehmoment entsprechendes Ausgangssignal erzeugt. Die Herstellung der Vorrichtung ist aufwendig, da die Pole als Bolzen ausgeführt sind, welche einzeln in Ausnehmungen des jeweiligen nichtmagnetischen Trägers angeordnet werden müssen, was sehr präzis zu erfolgen hat, um den Luftspalt zwischen allen gegenüberliegenden Bolzen möglichst gleichmässig gross zu halten. Bei beengten Einbau- Verhältnissen und entsprechend kleiner Dimensionierung ist eine solche Vorrichtung nur kompliziert und teuer herstellbar.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt deshalb einerseits die Aufgabe zugrunde einen motorisch unterstützten Muskelkraftantrieb mit einem einfachen Aufbau und geringem Raumbedarf zu schaffen, der für Anwendungen in Fahrzeugen schmutz- und spritzwasserunempfindlich ist und dessen
Drehmomenterfassung eine möglichst verzögerungsfreie Erfassung des muskelkrafterzeugten Drehmomentes mit hoher Auflösung erlaubt. Diese Aufgabe wird bei einer Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die Drehmomenterfassungseinheit zentral im Gehäuse angeordnet ist und das Muskelkraftdrehmoment direkt aufnehmen kann, ergibt sich sowohl eine kompakte Antriebsanordnung als auch die Möglichkeit einer gut auflösenden Erfassung des Drehmoments ohne Störeinflüsse von Getrieben oder mechanischen Übertragungsglie- dern. Ferner ist die Drehmomenterfassungseinheit geschützt im Gehäuse untergebracht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Drehmomenterfassungseinheit eine die Achse mindestens teilweise aufnehmende Hülse, welche auch Teil des Rotors sein kann oder mit diesem bevorzugterweise über einen Übertragungsring verbunden ist, an welchem auch das Abtriebsrad befestigt ist. Die Drehmomenterfassungseinheit kann mit Dehnmessstreifen ausgeführt sein; vorzugsweise weist sie indes einen Drehmomentsensor mit beidseits ei- ner Torsionsstrecke angeordneten Magnetpolen auf, welche bei Torsion der Strecke ihre relative Lage verändern, wodurch eine dem Drehmoment entsprechende Änderung einer magnetischen Grosse entsteht. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Antriebs liegt bei einem Elektrofahrrad. Der Erfindung liegt andererseits die Aufgabe zugrunde, einen Drehmomentsensor zu schaffen, welcher kompakt ist sowie einfach im Aufbau und damit einfach und kostengünstig in der Herstellung, und welcher trotzdem eine hohe Auflösung und gute Messgenauigkeit für das Drehmoment aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einem Drehmomentsensor der eingangs genannten Art durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 17 gelöst.
Dadurch, dass die Pole als bandförmige Strei- fen ausgestaltet sind, benötigt der Sensor eine nur minimale Bauhöhe und die Streifen sind als Stanzteile einfach und billig herstellbar. Die Aufgabe wird ferner mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Die Anordnung einer ringförmigen Spule um das Torsionsglied herum ergibt unter Beibehaltung eines einfachen Aufbaues die Möglich- keit einer radial oder achsial geringen Bauhöhe des Sensors .
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Sensors erfolgt die Erfassung der magnetischen Grosse durch eine weitere ringförmig um das Torsionsglied ange- ordnete Spule.
Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Drehmomentsensors mit Magnetpolen zu schaffen, das dessen einfache und kostengünstige Herstellung auch bei hoher Polzahl und mit sehr geringen Luftspalttoleranzen erlaubt.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 24 gelöst.
Dadurch, dass zunächst ein Ring gebildet und mit den Halteteilen verbunden wird und dass dann erst die Pole aus dem Ring ausgeschnitten werden, ergibt sich eine kostengünstige Herstellung, da die Pole nicht einzeln an den Halteteilen befestigt werden müssen; ferner wird durch das nachherige Bilden der Pole im eingebauten Zustand die Genauigkeit der Luftspalte im wesentlichen nur durch die Schneidoperation bestimmt, welche vorzugsweise mit einem Laser erfolgt.
Bevorzugterweise werden die Pole bereits bei einem ebenen Streifens vorgeformt, bevor dieser zum Ring gerundet wird, was die Anzahl der späteren Schneidope- rationen reduziert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt Figur 1 eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der Antriebsvorrichtung;
Figur 2 eine Schnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform der Antriebsvorrichtung; Figur 3 eine Seitenansicht eines Fahrrades;
Figur 4 eine schematische schaubildliche Magnetfeld-Drehmomentsensors ;
Figur 5 eine schematische Seitenansicht von Polen und der Magnetfeldeinkoppelung des Sensors von Fi- gur 4;
Figur 6 eine schematische Draufsicht auf eine teilweise Abwicklung der Pole des Sensors von Figur 4;
Figur 7 eine Draufsicht auf ein Stanzteil zur Herstellung der Pole des Sensors; Figur 8 ein auf zwei Halterungen an einer
Torsionsstrecke aufgeschobenes Ringteil zur Bildung der Pole;
Figur 9 eine Schnittdarstellung einer Antriebsvorrichtung ähnlich derjenigen von Figur 1 mit ei- nem Magnetfeld-Drehmomentsensor.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemässe Antriebsvorrichtung bei einem Elektrofahrrad im Schnitt. Hierbei ist die Tretachse 1 als zentrale Achse innerhalb des Rotors 6 des Elektromotors 10 gelagert, wobei der Rotor aus dem magnetischen Rückschlussring 7 mit den Magne- ten 8, dem scheibenförmigen Rotorkörper 6a und einem die zentrale Achse 1 umschliessenden Hülsenteil 6b besteht, in welchem die Tretachse 1 durch geeignete Mittel axial und radial geführt ist. Die Lagerung der Tretachse 1 kann aber auch abgewandelt werden, indem diese direkt im Ge- häuse 15 oder in gemischter Form im Gehäuse 15 und im Rotor 6 gelagert werden kann. An den Enden der Tretachse 1 sind die Tretkurbeln 4, 5 mit den nur teilweise gezeigten Pedalen 2, 3 befestigt. Die Tretkurbeln 4, 5 sind zur Übertragung des Muskelkraftdrehmomentes lösbar mit der Tretachse 1 verbunden, es ist aber auch eine feste Variante denkbar . An der Stelle 18 ist die Achse 1 fest mit der
Hülse 6b verbunden, z.B. durch Schweissung. An der Stelle 19 ist die Achse 1 drehbar in der Hülse 6b gelagert, z.B. mittels einer Gleitzwischenlage. Auf diese Weise wird das Moment beider Kurbeln über die Tretachse 1 an der Stelle 18 in die Hülse 6b eingeleitet.
Das Antriebsgehäuse 15 ist fest mit dem Rahmen 16 verbunden, gegebenenfalls kann es demontierbar befestigt sein oder als integraler Rahmenteil ausgebildet werden . Das Kettenrad 11, welches hier als Abtriebsrad dient, ist drehmomentfest mit dem Rotor 6 verbunden, hat aber über das Hülsenteil 6b des Rotors 6 eine torsionselastische Verbindung mit der Tretachse 1. Das Kettenrad 11 sitzt auf dem Hülsenteil 6b des Rotors 6 auf der Aussenseite des Gehäuses 15 und steht mit einem Kraftübertragungsmittel 12, z.B. einer Kette, mit dem Hinterrad des Fahrrades im Eingriff. Die Kopplung zwischen Kettenrad 11 und Rotor 6 könnte aber auch auf andere Weise erfolgen, indem das Kettenrad direkt am radial verlaufenden scheibenförmigen Rotorkörper 6a aufsitzt oder als integraler Teil des Rotorkörpers ausgebildet ist. Sowohl auf der Seite des Abtriebsrades 11 wie auf der anderen Seite der Tretachse 1 ist der Rotor 6 je über ein Lager 13, 13' gestützt. Alternativ wäre beispielswei- se der Rotor 6 sowohl im Gehäuse 15 wie auch auf der Tretachse 1 zu lagern. Als Lager kommen Wälzlager oder Gleitlager in Frage, sowohl für die Rotorlagerung wie für die Tretachsenlagerung, wobei im einfachsten Falle, bei dem keine Relativbewegung zwischen Rotor und Achse er- folgt, die Abstützung als feste Verbindung erfolgen kann. Vorteilhafterweise liegen die Lager der Tretachse und des Rotors in einer Ebene, es ist aber auch eine davon abwei- chende Stellung der Lager zueinander denkbar. Der Elektromotor 10 bestehend aus Stator 9 und Rotor 6 ist koaxial zur Tretachse 1 angeordnet. Er kann vorteilhafterweise als permanent erregter Synchronmotor ausgebildet sein, wobei der Stator 9 fest mit dem Antriebsgehäuse 15 verbunden ist oder als Gehäuseteil vorgesehen ist. Durch die Verwendung eines Aussenläufer-Rotors entsteht eine sehr zweckmässige Motorkonfiguration.
Die Drehmomenterfassungseinheit 14 ist zen- tral im Gehäuse koaxial zur Tretachse 1 angeordnet und ist direkt dem Rotor-Hülsenteil 6b zugeordnet. Sie er- fasst vorliegend die Torsion der Hülse 6b aufgrund des in diese eingeleiteten muskelkrafterzeugten Drehmomentes. Die Erfassung erfolgt z.B. mittels eines Drehmomentsen- sors mit an der Hülse befestigtem Dehnmesselement oder bevorzugterweise mit einem Magnetpolsensor, wie noch erläutert werden wird. Die Einheit 14 befindet sich vollständig im Innern des Antriebsgehäuses 15 und kann im gezeigten Beispiel durch die angedeuteten Dehnmessstreifen 31 und 32 sowohl Drehmomente auf dem Rotor-Hülsenteil 6b als auch Drehmomente auf dem scheibenförmigen Rotorkörper 6a erfassen. So kann, je nach Auslegung der Motorsteuerung, sowohl das Muskelkraftdrehmoment wie auch das Motor-Drehmoment einzeln oder beide mittels der durch die Drehmomente unter Torsionsbeanspruchung stehenden, als Messstrecke dienenden Rotor-Teile 6a, 6b erfasst werden. Das aus der Pedal-Kraft des Fahrers stammende Drehmoment wird über die Deformation des Rotor- Hülsenteiles 6b infolge Torsion erfasst und durch eine wirkverbundene, elektronische Messsensorik gemessen und ausgewertet. Wird z.B. von den Pedalen 2, 3 ein Drehmoment übertragen, so wird das gewonnene Drehmomentsignal von einer Motor-Steuerungseinheit 17 , welche auch im An- triebsinnern integriert sein kann, in Echtzeit verar- beitet und entsprechend der Elektromotor 10 geregelt bzw. dessen Drehmoment dem momentanen Leistungsbedarf ange- passt. Auf diese Weise kann gänzlich auf Freiläufe oder Kupplungen verzichtet werden, was zu einer verschleissar- men Antriebseinheit und einem entsprechend hohen Wirkungsgrad führt .
Figur 2 zeigt im Schnitt eine Abwandlung der Antriebsvorrichtung integriert im Tretlagerbereich eines Elektrofahrrades . Wiederum ist die Tretachse 1 als zentrale Achse innerhalb des Rotors 6 des Elektromotors 10 plaziert und wird in gemischter Form im Gehäuse 15 und im Rotor 6 gelagert. Dies kann jedoch auch wie in Figur 1 gelöst werden.
An den Enden der Tretachse können wiederum die Tretkurbeln befestigt werden. Das Antriebsgehäuse 15 ist fest mit dem Rahmen verbunden, gegebenenfalls kann es demontierbar befestigt sein oder als integraler Rahmen- teil ausgebildet werden. Die Achse 1 ist in diesem Beispiel in der Mitte mit einem Ringteil lc versehen, welches fest mit der Hülse 6b des Rotors 6 verbunden ist. Auch hier ist eine Gleitzwischenlage 19 zwischen Achse und Rotor vorgesehen. Bei dieser Ausführung werden nun über die beiden je einen Teil der Tretachse 1 bildenden Torsionsstrecken la, lb zwei verschiedene Momente, die Momente beider Kurbeln, separat erfasst und ausgewertet. Das Kettenrad 11 (Abtriebsrad) sitzt wiederum drehmomentfest auf dem Rotor 6 auf der Aussenseite des Gehäuses 15 und steht mit einem Kraftübertragungsmittel 12, z.B. einer Kette, mit dem Hinterrad des Fahrrades im Eingriff. Die Kopplung zwischen Kettenrad 11 und Rotor 6 könnte aber auch auf andere Weise erfolgen, indem das Kettenrad direkt am radial verlaufenden scheibenförmigen Rotorkör- per 6a aufsitzt oder als integraler Teil des Rotorkörpers ausgebildet ist. Sowohl auf der Seite des Abtriebsrades 11 wie auf der anderen Seite der Tretachse 1 ist der Rotor 6 resp.die Tretachse 1 je über ein Lager 13, 13' gestützt. Alternativ wäre beispielsweise der Rotor 6 beid- seits im Gehäuse zu lagern. Als Lager kommen Wälzlager oder Gleitlager in Frage, sowohl für die Rotorlagerung wie für die Tretachsenlagerung. Der Elektromotor 10 bestehend aus Stator 9 und Rotor 6 ist koaxial zur Tretachse 1 angeordnet. Er ist bevorzugterweise als permanent erregter Synchronmotor ausgebildet, wobei der Stator 9 fest mit dem Antriebsge- häuse 15 verbunden ist oder als Gehäuseteil vorgesehen ist. Durch die Verwendung eines Aussenläufer-Rotors entsteht eine sehr zweckmässige Motorkonfiguration.
Die Drehmomenterfassungseinheit befindet sich vollständig im Innern des Antriebsgehäuses, besteht hier aus zwei Teilen 14a, 14b und ist koaxial zur Tretachse 1 angeordnet. So können je nach Auslegung der Motorsteuerung die Momente beider Kurbeln separat erfasst und ausgewertet werden. Die aus den Pedal-Kräften des Fahrers stammenden Drehmomente werden über die Deformation der Tretachsen-Torsionsstrecken la, lb, z.B. wiederum über
Dehmessstreifen oder Magnetpolsensoren, erfasst und durch eine wirkverbundene, elektronische Messsensorik gemessen und ausgewertet. Die so gewonnenen Drehmomentsignale werden von einer an sich bekannten und hier nicht weiter er- läuterten Motor-Steuerungseinheit 17, welche auch im An- triebsinnern integriert sein kann, in Echtzeit verarbeitet und entsprechend der Elektromotor 10 geregelt bzw. dessen Drehmoment dem momentanen Leistungsbedarf ange- passt. Wiederum kann gänzlich auf Freiläufe oder Kupplun- gen verzichtet werden, was zu einer verschleissarmen Antriebseinheit und einem entsprechend hohen Wirkungsgrad führt .
Figur 3 zeigt als Seitenansicht wie ein Gesamtkonzept für ein vollgefedertes Elektrofahrrad 30 mit der erfindungsgemässen Antriebsvorrichtung 1 beispielsweise aussehen kann. Der Hauptrahmen 25 ist via Drehpunkt
24 und Feder/Dämpferelement 21 mit der Antriebsschwinge
28 verbunden. Rahmenverstrebungen 4 verbinden Hauptrahmen
25 und Sattelstütze 26. Die Antriebsvorrichtung 1 sitzt in der Antriebsschwinge 28. Der Akkubehälter 18 bildet die eigentliche Energiebox, in welcher auch das Ladegerät, die in diesem Beispiel aus dem Antrieb ausgelagerte Motor-Steuereinheit und eventuelle Displays 23 untergebracht sein können. Die Hinterradnabe 22 kann mit einer handelsüblichen Nabenschaltung, einer Kettenschaltung oder einer Kombination aus beiden ausgebildet sein. Figur 4 zeigt einen Drehmomentsensor, welcher zwei Halteglieder 36 und 37 aufweist, die voneinander getrennt auf einem Torsionsglied 38, z.B. einer Welle oder Hülse befestigt sind. Der zwischen den Haltegliedern 36 und 37 liegende Bereich des Torsionsgliedes 38 bildet da- bei eine Torsionsstrecke, deren Torsion mittels der an den Haltegliedern 36 und 37 angeordneten Magnetpolen ermittelt wird. In der Figur 4 sind nur ein Teil der um das Torsionsglied umlaufend an den Halteteilen befestigten Magnetpole 40-45 des einen Haltegliedes bzw. 50-56 des anderen Haltegliedes dargestellt. Die Magnetpole 40 sind zueinander weisend angeordnet, wobei sie im Beispiel von Figur 4 versetzt zueinander angeordnet sind. Ein magnetischer Fluss wird in den Polen durch eine in Figur 4 nur angedeutete ringförmig sich um das Halteteil 36 erstrek- kende Spule 48 erzeugt. Die Einspeisung des magnetischen Flusses erfolgt dabei von der stationären Spule 48 in die Pole 40 bis 45 des Halteteils 36 über deren jeweilige hinteren Endbereiche 40' bis 45'. Im Beispiel von Figur 4 erfolgt dabei die Einspeisung des Magnetfeldes über die Spule 48 und die torsionsbedingte Änderung des Magnetflusses durch die Pole wird mittels einer weiteren Spule 58 erfasst, welche ringförmig um das Halteteil 37 bzw. um die Pole 50-56 mit ihren dargestellten Endbereichen 51'- 55' geführt ist. Die Einspeisung des magnetischen Flusses erfolgt vorzugsweise berührungsfrei über einen Luftspalt, so dass das Torsionsglied 38 mit den daran befestigten Halteteilen 36, 37 bzw. den Polen gegenüber den stationären Spulen rotieren kann. Damit kann das Drehmoment an einer rotierenden Welle oder Hülse 38 erfasst werden, so z.B. an einer Welle eines durch Muskelkraft oder durch einen Motor bewegten Antriebes . Figur 5 und Figur 6 zeigen schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise des Drehmomentsensors von Figur 4. Figur 5 zeigt dabei eine Seitenansicht jeweils zweier Magnetpole 42, 43 bzw. 52, 53 und Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf solche Magnetpole zur Erläuterung des magnetischen Flusses . In Figur 5 ist wieder um das Torsionsglied 38 dargestellt, welches zwischen den angedeuteten Halteteilen 36 und 37 eine Torsionsstrecke 39 bildet, wozu das Torsionsglied an dieser Stel- le auch eine Schwächungszone aufweisen kann, wie durch den verringerten Querschnitt über die Torsionsstrecke 39 dargestellt ist. Das Torsionsglied ist zur Hälfte im Vertikalschnitt oberhalb seiner Mittelachse D dargestellt, die anderen Teile der Zeichnung sind hingegen nur schema- tisch zur Erläuterung der Funktionsweise zusammen mit der ebenfalls schematischen Ansicht von Figur 6 gezeigt. So sind die Halterungen 36 und 37 für die Magnetpole nur angedeutet. Die ebenfalls nur durch ein paar Wicklungsdrähte 48 angedeutete Spule ist in einem Joch 47 angeordnet, dessen Schenkel 47' zu den Endstücken 43' bzw. 42' der dargestellten Magnetpole 42 und 43 weisen. Bei einem Stromfluss aus einer angedeuteten Quelle 60, welche die Spule 48 speist, in Richtung des Stromflusssymbols 49, ergibt sich an den Jochschenkeln 47 ' ein magnetischer Südpol S bzw. Nordpol N. Der dadurch hervorgerufene Ma- gnetfluss in den Magnetpolen 42 und 43 ist in Figur 6 durch die unterbrochenen Linien F dargestellt. Im Ruhezustand des Drehmomentsensors, d.h. ohne Torsion der Torsionsstrecke 39, liegen sich die Magnetpole 42, 43 sowie 53 und 54 so gegenüber, wie in Figur 6 dargestellt. In dieser Figur ist die Lage der Jochschenkel 47' durch unterbrochene Linien angedeutet. Die ringförmige das Halteteil umgebende Spule 48 mit ihrem ringförmigen Joch 47, welches sich ebenfalls um das Halteteil 36 herum er- streckt bewirkt einen Magnetfluss F, welcher im wesentlichen am vorderen Ende des Magnetpoles 42 durch den Luftspalt d in den Magnetpol 53 hinein und aus diesem hinaus wieder in den Magnetpols 43 hinein und zurück zum Joch 47 erfolgt. Ein geringfügiger Teil des Flusses kann auch in dieser Stellung über den Magnetpol 53 bzw. dessen Ende 53 ' sowie über das Joch 57 der Spule 58 in das Ende 54' des Magnetpols 54 und durch diesen zurück zum Magnetpol 43 und das Joch 47 fHessen. Dieser geringfügige Ma- gnetfluss bewirkt in der Spule 58, welche in Figur 5 auch nur durch ein paar Wicklungsdrähte angedeutet ist, eine elektrische Spannung, welche in einem Verstärker 61 ver- stärkt und in einem Gleichrichter 62 gleichgerichtet werden kann. Die im Ruhezustand in der Spule 58 induzierte Spannung entspricht dabei dem unteren Wert des erfassbaren Drehmomentes, da in diesem Ruhezustand noch keine Torsion der Torsionsstrecke 39 auftritt. Wird nun über das Torsionsglied 38 ein Drehmoment übertragen, welches zu einer Torsion der Torsionsstrecke 39 führt, so verdreht sich z.B. das Halteglied 36 gegenüber dem Halteglied 37 derart, dass sich eine Bewegung der Magnetpole 42, 43 in Richtung des Pfeiles B in Figur 6 ergibt. Die Magnetpole 42 und 53 bzw. 43 und 54 verschieben sich also relativ zueinander derart, dass deren Stirnflächen über den Luftspalt d eine grössere Überdeckung aufweisen, was dazu führt, dass der magnetische Fluss zunehmend über die Magnetpole 53 und 54 sowie über das Joch 57 erfolgt, so dass die in der Spule 58 induzierte Spannung zunimmt. Die zunehmende Spannung in der Spule 58 bzw. nach Verstärkung und Gleichrichtung am Ausgang des Gleichrichters 62 ist dabei im Messbereich annhähernd proportional zur Verdrehung der Torsionsstrecke 39 bzw. zum in den Drehmoment- sensor eingeleiteten Drehmoment. So kann z.B. auf diese Weise mit einem Drehmomentsensor von wenigen Zentimetern Durchmesser an einer entsprechend ausgebildeten Torsionsstrecke ein Drehmoment von 1 Nm bis 300 Nm mit guter Auflösung gemessen werden. Der Wert von 300 Nm kann dabei eine Verdrehung von etwa 1,5° der Torsionsstrecke bewirken. Bei einer Speisung der Spule 47 mit einem Signal von 3,5 V Spannung und einer Frequenz von 14 kHz ergibt sich z.B. ein Nutzsignal in der Spule 58 von 5 mVolt, welches verstärkt und gleichgerichtet werden kann. Die am Gleichrichter 62 abgegebene Gleichspannung kann als Messwert für das Drehmoment an eine Anzeigeeinrichtung oder an ei- ne Steuerung oder Regelung abgegeben werden, welche z.B. einen Antrieb steuert oder regelt. Bei einer bevorzugten Verwendungsart wird das Muskelkraftdrehmoment an einer Tretachse oder einer mit dieser verbundenen Hülse auf die genannte Weise erfasst und zur Steuerung oder Regelung eines elektrischen Hilfsantriebes verwendet. Die in Figur 4 dargestellte, im wesentlichen bandförmige Ausgestaltung der Magnetpole erlaubt eine geringe Bauhöhe des Drehmo- mentsensors, was für dessen Einsatz in verschiedensten Antrieben oder bei verschiedensten Drehmomentmessaufgaben vorteilhaft ist. Die Einspeisung bzw. die Messung des magnetischen Flusses mittels Ringspulen, wie ebenfalls in den Figuren 4-6 gezeigt, erlaubt ebenfalls die Ausbildung des Drehmomentsensors mit einem geringen Durchmesser bzw. einer geringen Bauhöhe . Die dargestellte Ausführungsform mit einer
Reihe vollständig versetzt zueinander angeordneten Magnetpolen ist dabei nur als bevorzugtes Beispiels zu verstehen. Die zueinander weisenden Magnetpole der beiden Halteteile 36 und 37 könnten im Ruhezustand auch weniger gegeneinander versetzt angeordnet sein oder auch einander genau gegenüberstehen. Im letzteren Fall ergibt sich die maximale magnetische Einkopplung aus der Spule 48 in die Spule 58, wenn die Torsionsstrecke nicht verdreht wird. Durch ein Verdrehen der Torsionsstrecke ergibt sich dann eine abnehmende Einkopplung in die Spule 58 und damit ein entsprechend dem Drehmoment abnehmendes Signal . Auch mehr als eine Reihe Magnetpole, wie aus EP-A-0682 238 bekannt, könnten verwendet werden.
Die Herstellung des beschriebenen Sensors er- folgt gemass der Erfindung dadurch, dass zunächst aus dem die Magnetpole bildenden ferromagnetischen Material, welches vorzugsweise als Band vorliegt, ein geschlossener Ring gebildet wird. Dieser Ring wird nun auf die beiden Enden der nichtmagnetischen Halteteile 36, 37 aufgeschoben und dort an denjenigen Stellen befestigt, wo die Pole an den Halteteilen befestigt sein sollen. Dies kann z.B. durch punktuelle Klebung des Ringes an den Halteteilen 36 und 37 erfolgten. Diese werden gleichzeitig oder nachfolgend am Torsionsglied 38 befestigt, z.B. ebenfalls durch Klebung und/oder Verstiftung. Aus dem geschlossenen Ring werden danach die Magnetpole durch einen Laserstrahl aus- geschnitten, wobei die an den Halteteilen 36 und 37 befestigten Teile des Ringes die Magnetpole bilden und die unbefestigten Teile als Schnittabfall entfernt werden. Ein Umfangsschnitt in der Mitte des Ringes trennt dabei die Pole der beiden Halteteile voneinander. Die zwischen den Polen jedes Halteteils liegenden nichtbefestigten Teile des Ringes werden durch Schnitte entlang von Mantellinien des zylindrischen Ringes von den Polen gelöst. Nach der Bildung der Pole können diese z.B. durch eine Vergussmasse noch intensiver an den Halteteilen befestigt werden. Die beschriebene Herstellungsmethode hat den Vorteil, dass die Magnetpole nicht vorgängig separat gebildet und einzeln an den Halteteilen befestigt werden müssen, und dass durch das Schneiden des befestigten Ringes bei bereits am Torsionsglied zueinander positionierten Halteteilen ein über den Umfang des Drehmomentsensors äu- sserst genau gleichmässiger Luftspalt erzeugt wird, was eine entsprechende Genauigkeit und feine Auflösung der Drehmomentmessung erlaubt.
Anhand der Figuren 7 und 8 wird eine abgewan- delte bevorzugte Herstellungsmethode erläutert. Dabei zeigt Figur 7 einen Polstreifen 65 aus ferromagnetischem Material, welcher einen durchgehenden Steg 66 und von diesem versetzt zueinander abstehende Schenkel 67 aufweist. Die Schenkel können auch voneinander abweichende Länge aufweisen. Ein solcher Streifen kann z.B. durch eine Stanz- oder Schneidoperation hergestellt werden. Die aufeinanderfolgen Schenkel 67 jeder Seite des Polstrei- fens werden danach abwechselnd ungefähr so gebogen, wie dies in Figur 5 schematisch für die aufeinanderfolgenden Polstreifen 42 und 43 bzw. 52 und 53 gezeigt ist. Der so gebogene Polstreifen wird danach zu einem Ring gebogen, wie er in Figur 8 als Ring 69 teilweise dargestellt ist. Der eigentliche Ring wird dabei durch den Steg 66 gebildet und von diesem Ring stehen die gebogenen Schenkel 67 beidseits ab. Der Polring 69 wird nun mit seinen Schenkeln 67 auf die nichtmagnetischen Halteteile 36 bzw. 37 aufgeschoben, wobei diese, wie in der Figur 8 gezeigt, gestuft ausgeführt und mit Nuten 70 und 71 versehen sein können, in welche die Schenkel aufgenommen werden. Figur 8 zeigt dabei den Ring 69 bereits auf dem Halteteil 36 aufgeschoben und den Halteteil 37 in einer Position, dass er ebenfalls mit dem Ring 39 zusammengefügt werden kann. Zudem wird das Torsionsglied 38 mit der Torsionsstrecke 39 in die Halteteile 36 und 37 eingeführt. Die abgebogenen Schenkel 67 bilden dabei mit ihren nach oben ragenden Endbereichen die Endbereiche der noch zu bildenden Ma- gnetpole, wie das für den einen Schenkel durch das Bezugszeichen 43' entsprechend demjenigen von Figur 5 angedeutet ist. Die Schenkel 67 können in den Nuten 70 und 71 der jeweiligen Halteteile verklebt werden. Ferner kann der abgestufte Teil der Halteteile nach dem Zusammen- schieben der Halteteile durch eine härtende Vergussmasse abgedeckt werden, so dass von den Magnetpolen nur die abgewinkelten Endbereiche radial aus den Halteteilen 36 und 37 herausragen und der Steg 66 zwischen den Halteteilen frei liegt. Nach dem Erhärten der Vergussmasse kann der Umfang der Halteteile 36 und 37 überdreht oder überschliffen werden, so dass die Endbereiche der Magnetpole, z.B. der Endbereich 43' bündig mit der Aussenflache des Halteteils liegt. Nach der beschriebenen Fixierung der Halteteile 36 und 37 am Torsionsglied 38 und der Befesti- gung der MagnetpolSchenkel 67 an und in den Halteteilen wird nun, wie bereits erwähnt, der Steg 66 so geschnitten, dass die einzelnen Magnetpole gebildet werden. So wird durch eine Umfangsschnittlinie L z.B. mittels eines Lasers der Luftspalt d zwischen den einander gegenüberliegenden Magnetpolen gebildet. Dieser kann dabei z.B. eine Grosse von 0,3 mm aufweisen, welche durch die be- reits zueinander fixierte Lager aller Teile auch nach dem Schneiden konstant bleibt. Durch in Axialrichtung verlaufende Schnitte durch den Steg 66 können weiter die schraffierten Teile ausgeschnitten werden, so dass die Magnetpolanordnung gemass Figur 4 mit versetzt einander gegenüberliegenden Magnetpolen entsteht. Durch entsprechende Formung des Streifens 65 könnten natürlich auch zueinander nicht versetzte Magnetpole gebildet werden.
Figur 9 zeigt eine Antriebsvorrichtung eines Fahrrades mit elektromotorischem Hilfsantrieb ähnlich demjenigen von Figur 1, unter Verwendung eines Drehmomentsensors, wie er anhand der Figuren 4-8 beschrieben worden ist. Gleiche Bezugszeichen wie bisher verwendet bezeichnen dabei dieselben Teile. Da die Antriebsvorrichtung zur Längsachse symmetrisch ist, ist im wesentlichen nur der oberhalb der Längsachse liegende Teil gezeigt und dieser ist ferner in der Figur nach oben hin abgeschnitten, so dass nur ein Teil des Rotors und des Gehäuses und des Abtriebsrades ersichtlich ist. Die Tretachse 1 ist im gezeigten Beispiel an der Stelle 75 mit einer Hülse 76 verschweisst . Der innerhalb der Hülse liegende Bereich der Tretachse ist durch eine Gleitzwischenlage 19 gegenüber der Hülse beweglich gelagert. Auf diese Weise wird das durch die nicht dargestellten Tretkurbeln in die Tretachse 1 eingeleitete Drehmoment an der Stelle 75 auf die Hülse übertragen. Diese bildet zugleich das Torsionsglied 38 eines Drehmomentsensors mit Magnetpolen. Zu diesem Zweck ist die Hülse im Bereich der Torsionsstrecke 39 dünner ausgeführt, um dort eine Torsion aufgrund der eingeleiteten Muskelkraft zu erlauben. An ihrem anderen Ende ist die Hülse 76 an der Stelle 77 mit einem Torsionsüber- tragungsring 78 fest verbunden, z.B. verschweisst. Auch dieser Ring ist gegenüber der Tretachse gleitgelagert. Am Torsionsübertragungsring 78 greift einerseits der Rotor 6 torsionsfest an und andererseits das gehäuseaussenseitig liegende Abtriebsrad 11, welches z.B. ein Kettenrad ist. Der Ring 78 ist dabei mit durch Rippen voneinander ge- trennten Ausnehmungen 80 versehen, in welche Zapfen 81 und 82 des Rotors bzw. des Abtriebsrades eingreifen, um die Drehmomentübertragung vom Torsionsübertragungsring 78 auf den Rotor bzw. das Abtriebsrad sicherzustellen. Die über der Hülse 76, welche als Torsionsglied 38 verwendet wird, angeordneten Halteteile 36 und 37 sind an der Hülse befestigt, z.B. durch eine Verklebung an der Stelle 84 und 85. Die Halteteile drehen damit mit dem Torsionsglied 38 bzw. der Tretachse mit. Die Halteteile halten Magnetpole, welche als im wesentlichen bandförmige Streifenpole ausgestaltet sind, wie dies bereits beim vorgängig
Drehmomentsensor erläuterten beschrieben worden ist. In der Figur sind dabei zwei Magnetpole 43 und 53 dargestellt. Die am Gehäuse stationär befestigte und damit gegenüber den drehbaren Halteteilen 36 und 37 stillstehende Spule 48 bzw. 58 ist innerhalb eines aus zwei Teilen zusammengesetzten, ringförmigen Joches 47 bzw. 57 angeordnet. Ein allenfalls vorgesehener Spulenträger ist dabei, wie bei den bereits gezeigten Ausführungsbeispielen des Drehmomentsensors, zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt. Der Magnetpoldrehmomentsensor arbeitet so, wie dies anhand der Beispiele gemass den Figuren 4-6 beschrieben worden ist. Das auf der Achse 1 in den Antrieb eingeleitete Muskelkraftdrehmoment führt zu einer Verdrehung der Hülse 76 bzw. der Torsionsstrecke 39 und damit zu einer Verschiebung der Magnetpole zueinander und damit zu einer Veränderung des magnetischen Flusses, welcher durch die Spule 58 erfasst wird. Eine Auswertelektronik oder ein Teil davon kann auf einer Platte 89 stationär oberhalb der stationären Spulen angeordnet sein. Bevor- zugterweise ist bei dem dargestellten Drehmomentsensor gemass Figur 9 in radialer Richtung oberhalb der Magnetpole eine elektromagnetische Abschirmung in der Form ei- nes Ringes 90, z.B. aus Kupfer vorgesehen. Weiter bevorzugt ist auch eine radial unterhalb der Magnetpole angeordnete weitere elektromagnetische Abschirmung in der Form eines mitdrehenden Ringes 91 vorgesehen. Eine solche elektromagnetische Abschirmung entweder mit einem oder beiden der ringförmigen Abschirmungselemente kann auch bei einem Sensor gemass den Figuren 4-8 vorgesehen sein. Es hat sich gezeigt, dass diese Abschirmung elektromagnetische Störeinflüsse auf den Sensor abschirmen kann, was die Auswertbarkeit von dessen Ausgangssignal verbessert.
Anstelle des gezeigten Drehmomentsensors auf magnetischer Basis kann, wie bereits erwähnt, auch ein Drehmomentsensor z.B. mit Dehnmessstreifen verwendet werden. Auch in diesem Fall kann die Einkopplung und Aus- kopplung der Betriebsspannung bzw. des Nutzsignales zu dem auf der Hülse oder der Tretachse angeordneten Dehnmessstreifen mittels jeweils einer stationären Spule 48 und 58 erfolgen, welcher in diesem Fall eine mit dem Dehnmessstreifen mitdrehende und ebenfalls mit einem Joch versehene Spule gegenübersteht, welche über den zwischen den Jochen vorhandenen Luftspalt gespiesen bzw. abgefragt wird. Bei einer Ausführungsvariante könnte die Drehmomenterfassung auch an dem erwähnten Torsionsübertragungsring 78, z.B. durch Dehnmessstreifen an dessen Stegen, erfol- gen.

Claims

Patentansprüche
1. Antriebsvorrichtung mit elektromotorischer Hilfskraftunterstützung eines aus Muskelkraft-Arbeit stammenden Eingangs-Drehmomentes, mit mindestens einem Abtriebsrad (11) und mit einer Achse (1) zur Aufnahme des Muskelkraft-Drehmomentes, welche Achse in einem Gehäuse (15) angeordnet und in mindestens einem Lager (13, 13') abgestützt ist, wobei im Gehäuse ein aus einem Stator (9) und einem Rotor (6) bestehender Elektromotor (10) aufgenommen ist, dem eine Motorsteuereinheit (17) zur Steuerung und/oder Regelung des Motor-Drehmomentes zugeordnet ist, und dass das Muskelkraft-Drehmoment und/oder das Drehmoment des Elektromotors (10) mittels einer Drehmo- menterfassungseinheit (14, 14a, 14b) erfassbar ist und ferner die Achse Mittel zur Aufnahme des mindestens einen Muskelkraft Eingangs-Drehmomentes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenterfassungseinheit zentral im Gehäuse im Bereich der Achse angeordnet ist, der- art, dass in die Drehmomenterfassungseinheit direkt das Muskelkraftdrehmoment einleitbar ist.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor zur Drehmomentüberlagerung mit der Achse verbunden ist und die Drehmomen- terfassungseinheit zwischen Achse und Rotor oder zwischen diesem und dem Abtriebsrad drehmomentmessend eingreift, indem sie mindestens teilweise in die Verbindung zwischen Rotor und Achse oder Rotor und Abtriebsrad integriert ist, und dass das Abtriebsrad zur Übertragung des Aus- gangsdrehmomentes mit dem Rotor verbunden oder als Teil des Rotors ausgebildet ist.
3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenterfassungs- einheit auf die Torsion der Achse (1) anspricht.
4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenterfassungs- einheit auf die Torsion einer die Achse (1) mindestens teilweise aufnehmenden Hülse (6b, 76) anspricht.
5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (6b) von einem Teil des Rotors gebildet ist.
6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse einen Torsionsübertragungsring (lc; 78) aufweist, an welchem gehäuseinnen- seitig der Rotor und gehäuseinnenseitig das Abtriebsrad angeordnet ist.
7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreh o- menterfassungseinheit auf die Verformung eines Rotorteiles (6a) anspricht, welches von der Achse absteht.
8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomen- terfasssungseinheit mindestens einen Dehnmessstreifen sowie induktive Übertragungsmittel für dessen elektrische Speisung und Ausgangssignalerfassung aufweist.
9. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenterfassungseinheit (35) mindestens eine Magnetpolanordnung (40-45, 50-56) mit durch Torsion veränderbarem Magnetfluss aufweist, welche Magnetpolanordnung durch ein Magnetfeld speisbar ist und deren Magnetfluss durch mindestens einen Magnetfeldsensor, vorzugsweise eine Spulenanordnung (58), erfassbar ist.
10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb und/oder unterhalb der Magnetpolanordnung eine elektromagnetische Abschirmung (90, 91), vorzugsweise in der Form eines Ringes, z.B. aus Kupfer, angeordnet ist.
11. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator des Motors fest, insbesondere lösbar mit dem Gehäuse (10) verbunden oder als Gehäuseteil ausgebildet ist, und das Gehäuse in geschlossener Form gestaltet und insbesondere zur Achse mittels Dichtungen abgedichtet ist.
12. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse im Rotor und/oder Gehäuse gelagert ist.
13. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Achse und Rotor jeweils dieselbe Drehzahl aufweisen.
14. Antriebsvorrichtung nach einem der An- Sprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuereinheit zeitverzugslos oder verzögert das Motordrehmoment in linearer oder nichtlinearer Abhängigkeit vom Muskelkraftdrehmoment und/oder von der Achsendrehzahl überlagert, wobei die Motorsteuereinheit gegebenenfalls im Gehäuse aufgenommen ist und vorteilhaft so ausgebildet ist, dass der Motor insbesondere pro Umdrehung der Eingangsdrehmoment-Achse ein variables Drehmoment einspeist, vorzugsweise programmgesteuert.
15. Antriebsvorrichtung nach einem der An- sprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor hochpolig und/oder bürstenlos ist und der Rotor vorzugsweise als Aussenläufer ausgebildet ist.
16. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein permanenterregter Synchronmotor, vorzugsweise ein kollektorloser Gleichstrommotor ist.
17. Fahrrad mit einer Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
18. Drehmomentsensor umfassend eine Magnetanordnung (47, 48) sowie von dieser gespiesene ringförmig angeordnete Magnetpole (40-45, 50-56), welche beidseits einer durch das Drehmoment verdrehbaren Torsionsstrecke (39) eines Torsionsgliedes (38) zueinander- weisend angeordnet sind sowie mit einer Detektionsanord- nung (57, 58) zur Erfassung einer durch die torsionsbedingte Relativbewegung der Magnetpole zueinander bewirkte Veränderung mindestens einer magnetischen Grösse, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole im wesentlichen als bandförmige Streifen ausgebildet sind.
19. Drehmomentsensor (35) umfassend eine Magnetanordnung sowie von dieser gespiesene ringförmig angeordnete Magnetpole, welche beidseits einer durch das Drehmoment verdrehbaren Torsionsstrecke eines Torsionsgliedes zueinanderweisend angeordnet sind sowie mit einer Detektionsanordnung zur Erfassung einer durch die torsionsbedingte Relativbewegung der Magnetpole zueinander bewirkte Veränderung mindestens einer magnetischen
Grösse, insbesondere nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung eine an einem Ende der Torsionsstrecke ringförmig um das Torsionsglied angeordnete Spule (48) mit einem Joch (47) mit radial verlaufen- den Schenkeln (47') aufweist.
20. Drehmomentsensor nach Anspruch 18 oder
19, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsanordnung eine am anderen Ende der Torsionsstrecke ringförmig um das Torsionsglied angeordnete Spule (58) mit einem Joch (57) mit radialen Schenkeln (57') umfasst.
21. Drehmomentsensor nach Anspruch 19 oder
20, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole abgewinkelte, auf die Jochschenkel ausgerichtete Endbereiche (40 '-45', 51 '-56') aufweisen.
22. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche
18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Pole im torsionslosen Ruhezustand zueinander versetzt gegenüberliegen, insbesondere um eine Polbreite versetzt, oder dass sich die Pole unversetzt gegenüberliegen.
23. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche
18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole an nichtmagnetischen Trägern (36, 37) angeordnet sind, und dass oberhalb und/oder unterhalb der Pole je eine elektromagnetische Abschirmung angeordnet ist.
24. Verwendung eines Drehmomentsensors nach einem der Ansprüche 17 bis 22 bei einer Antriebsvorrichtung mit elektromotorischer Verstärkung eines aus Muskel- kraft stammenden Eingangsdrehmomentes, insbesondere bei einer Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
25. Verfahren zur Herstellung eines Drehmo- mentsensors (35) mit an getrennten, nichtmagnetischen Polhaltern (36, 37) beidseits einer Torsionsstrecke (39) eines Torsionsgliedes (38) angeordneten Magnetpolen, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Magnetpolmaterial ein Ring geformt wird, dass der Ring an den Halteteilen und diese am Torsionsglied befestigt werden, und dass die Magnetpole aus dem Ring ausgeschnitten werden.
26. Verfahren nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Formen, insbesondere durch Stanzen, eines ebenen Polstreifens (65) mit von einem zentralen, langgestreckten Steg (66) beidseits abstehenden Schenkeln (67) ;
- Bilden des Ringes aus dem Polstreifen;
- Befestigen des Ringes mittels seiner Schenkel an den zwei Polhaltern und Befestigen der Polhalter am Torsionsglied; und
- Ausschneiden der Pole und des Luftspaltes (d) zwischen den Polen aus dem ringförmigen Steg.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel vor Bildung des Ringes gegenüber der Stegebene abgebogen werden.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderliegende Schenkel in verschiedenem Abstand vom Steg abgebogen werden.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel an den
Polhaltern durch eine Vergussmasse befestigt werden, vorzugsweise nach Einführung der Schenkel in an den Polhaltern vorgesehene Nuten.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausschneiden mittels
Laserstrahls erfolgt.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass den Magnetpolen Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes und Erfassungsmittel zur Erfassung einer magnetischen Grösse zugeordnet werden.
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