WO2022043185A1 - Antriebsanordnung eines zweiradfahrzeugs mit magnetgetriebe - Google Patents

Antriebsanordnung eines zweiradfahrzeugs mit magnetgetriebe Download PDF

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WO2022043185A1
WO2022043185A1 PCT/EP2021/073050 EP2021073050W WO2022043185A1 WO 2022043185 A1 WO2022043185 A1 WO 2022043185A1 EP 2021073050 W EP2021073050 W EP 2021073050W WO 2022043185 A1 WO2022043185 A1 WO 2022043185A1
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WO
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magnetic
drive arrangement
gear
magnetic field
magnetic gear
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PCT/EP2021/073050
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Inventor
Uwe Vollmer
Markus Hinterkausen
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K49/00—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes
    • H02K49/10—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes of the permanent-magnet type
    • H02K49/102—Magnetic gearings, i.e. assembly of gears, linear or rotary, by which motion is magnetically transferred without physical contact
    • 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
    • B62M19/00—Transmissions characterised by use of non-mechanical gearing, e.g. fluid gearing
    • 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
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/09—Machines characterised by the presence of elements which are subject to variation, e.g. adjustable bearings, reconfigurable windings, variable pitch ventilators

Definitions

  • the present invention relates to a drive arrangement of a two-wheeled vehicle with electromotive drive support, in particular a two-wheeled vehicle that can be operated with muscle power and/or motor power, e.g. a pedelec or an e-bike.
  • the invention relates in particular to two-wheeled vehicles based on bicycles, a two-wheeled vehicle possibly also including a bicycle-like vehicle with three or more wheels.
  • a high speed of an electric motor has hitherto been reduced by a mechanical transmission.
  • planetary gears are used here.
  • a disadvantage of such mechanical transmissions can be that they emit noise.
  • mechanical transmissions of this type always generate losses which have a negative effect on the efficiency of the overall arrangement.
  • the electric motor and the transmission should generate as little or no losses as possible when this speed is exceeded.
  • the drive arrangement according to the invention of a two-wheeled vehicle with electric motor drive assistance with the features of claim 1 has the advantage that a magnetic gear is used as the gear. This can ensure that during operation Drive assembly no unwanted noise due to mechanical friction or the like occur as in mechanical transmissions. Furthermore, the magnetic gear is completely maintenance-free and shows no wear due to the non-contacting components of the magnetic gear. Furthermore, the efficiency of the magnetic gear can be greater than the efficiency of a comparable mechanical gear, so that it is fundamentally possible for the electric motor to be made smaller or for the range of a two-wheeled vehicle to be increased.
  • the drive arrangement has an electric motor, a magnetic gear and a control unit.
  • the control unit is set up to control the electric motor based on a power requirement of a user of the two-wheeled vehicle and a position of the magnetic gear in order to generate a predetermined torque at an output element of the magnetic gear.
  • the output element of the magnetic gear is preferably connected directly to a bottom bracket assembly of the two-wheeled vehicle.
  • the magnetic gear forms a reduction gear for the electric motor, which can also be very compact in order to take up only a small amount of space on the two-wheeler vehicle.
  • the magnetic gear preferably exclusively comprises a first and second magnetic rotor.
  • the magnetic gear has a first and a second magnetic rotor and a magnetic field modulator arranged between the first and second magnetic rotor.
  • the first and second magnetic rotors have different numbers of magnetic field generating elements, and the magnetic field modulator has magnetically conductive parts and magnetically non-conductive parts.
  • the magnetic field generating elements are preferably permanent magnets.
  • the two magnetic rotors and the magnetic field modulator are arranged coaxially and between the magnetic field modulator and the first magnetic rotor is a first A gap is provided and a second gap is provided between the magnetic field modulator and the second magnetic rotor.
  • the second magnetic rotor is preferably the inner one of the magnetic rotors and preferably has exactly two pairs of poles.
  • the first and second gaps are preferably annular gaps with the same width.
  • the first or the second magnetic rotor is particularly preferably arranged in a rotationally fixed manner. As a result, one of the magnet rotors and the magnetic field modulator are rotatably arranged.
  • the non-rotatably arranged magnetic rotor is preferably connected to a stator of the electric motor of the drive arrangement. This results in particular advantages in terms of weight and size.
  • the magnetic field modulator is arranged in a rotationally fixed manner and the two magnetic rotors are arranged in a rotatable manner.
  • the two magnet rotors and the magnetic field modulator are all rotatably arranged.
  • the magnetic gear has three wheels. This achieves a high level of variability in the magnetic gear, since each of the three running wheels can be used as an input element or as an output element of the magnetic gear.
  • the elements generating the magnetic field are preferably permanent magnets or, alternatively, are electrical windings.
  • a combination of permanent magnets and electrical windings is also possible.
  • the magnetic field modulator can be moved in the axial direction of the magnetic gear in order to change a torque transmission within the magnetic gear.
  • the magnetic field modulator can thus be pulled out of the magnetic gear in the axial direction or pushed back into the magnetic gear.
  • the torque to be transmitted be changed, wherein when the magnetic field modulator is fully extracted from the magnet gear, no torque transmission is enabled.
  • the magnetic gear preferably has an actuator which moves the magnetic field modulator in the axial direction, the control unit being set up to perform the movement in the axial direction in such a way that the magnetic gear takes on the function of a slipping clutch. In this way, in particular, starting processes of the two-wheeler vehicle can be carried out with limited torque.
  • the control unit is also preferably set up to move the magnetic field modulator in the axial direction as a function of a speed of the two-wheeled vehicle in order to change a torque transmission. This is particularly advantageous if, for example, there are legal requirements that only allow the two-wheeled vehicle to be assisted by an electric motor up to a predetermined speed. As soon as this speed is reached, the control unit activates the actuator and pulls the magnetic field modulator completely out of the magnetic gear so that torque is no longer transmitted and drag losses of the magnetic gear can be eliminated.
  • the first magnetic rotor is the outer magnetic rotor of the magnetic gear and has an outer row of magnetic field-generating elements and an inner row of magnetic field-generating elements.
  • a reduction can be changed by appropriate selection of the magnetic field-generating elements on the inner and outer row.
  • the magnetic gear further comprises a position detection device.
  • the position detection device detects at least one position of a component of the magnetic gear in order to determine a position, in particular an initial position, of the magnetic gear.
  • a position of the output element of the magnetic gear is preferably determined. This determination can be carried out in a particularly simple manner. Knowing the other geometric and physical properties of the magnetic gear, it is sufficient if only a position of a component of the magnetic gear is determined.
  • the position detection device preferably includes a sensor to detect a position of a component of the magnetic gear. Alternatively or additionally, the position detection device is set up to determine the position of the magnetic gear using known geometric parameters and known physical parameters of the magnetic gear.
  • the position detection device is preferably integrated into the control unit.
  • control unit is set up to bring at least one component of the magnetic gear into a predetermined position. This can be done, for example, when the two-wheeled vehicle is stationary or, if the two-wheeled vehicle is a pedelec, for example, in which an electromotive support is no longer carried out above a predetermined speed, when the predetermined speed is exceeded.
  • a number of electrical windings of a stator of the electric motor is equal to a number of magnetic poles of one of the magnetic rotors.
  • the present invention relates to a two-wheeled vehicle with a drive arrangement according to the invention.
  • the two-wheeled vehicle is preferably an e-bike or a pedelec or the like and, more preferably, can also have more than two wheels.
  • Figure 1 is a schematic view of a two-wheeled vehicle with a drive assembly according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a schematic plan view of a magnetic gear of
  • Figure 3 is a schematic side view of the drive assembly of
  • Figure 4 is a schematic representation of a magnetic gear of a
  • Figure 5 is a schematic representation of a magnetic gear of a
  • a two-wheeled vehicle 1 with a drive arrangement 2 is described in detail below with reference to FIGS.
  • the two-wheeled vehicle 1 of this exemplary embodiment is a pedelec or e-bike, for example, and has a drive arrangement 2 with an electric motor 5 and an electrical energy supply 3 for the electric motor.
  • the drive arrangement 2 includes a magnetic gear 6 in addition to the electric motor 5.
  • the electric motor 5 and the magnetic gear 6 are arranged in series in a compact design.
  • the two-wheeled vehicle 1 also includes a control unit 4, which is set up to control the electric motor s based on a power requirement of a user of the two-wheeled vehicle and a position of the magnetic gear. As a result, a predetermined torque can be generated at an output element of the magnetic gear 6 .
  • the magnetic gear 6 can be seen in detail in FIG.
  • the magnetic gear 6 comprises a first magnetic rotor 61, a second magnetic rotor 62 and a magnetic field modulator 60.
  • the two Magnetic rotor 61, 62 and the magnetic field modulator 60 arranged coaxially to one another.
  • the magnetic field modulator 60 is positioned between the first magnetic rotor 61, which is arranged on its outside, and the second magnetic rotor 62, which is arranged on its inside.
  • the first and second magnetic rotors 61, 62 each have a multiplicity of magnetic field generating elements.
  • the magnetic field generating elements are permanent magnets.
  • the number of poles of the first magnetic rotor 61 differs from the number of poles of the second magnetic rotor 62.
  • the first magnetic rotor 61 has eight pole pairs and the second magnetic rotor 62 has one pole pair. In FIG. 2, the pairs of poles are labeled N (north pole) and S (south pole).
  • the two magnetic rotors 61, 62 and the magnetic field modulator 60 can each be rotated about a central axis X-X of the drive arrangement 2.
  • a first gap 11 is annular between the first magnetic rotor 61 and the magnetic field modulator 60.
  • a second annular gap 12 with the same gap width is provided between the second magnetic rotor 62 and the magnetic field modulator 60 .
  • the magnetic field modulator 60 can be moved in the axial direction X-X. In this case, the magnetic field modulator 60 can be guided completely out of the magnetic gear 6 or pushed back into the magnetic gear 6 . This is indicated by the double arrow A in FIG.
  • the axial movement of the magnetic field modulator 60 takes place by means of an actuator 7, which is shown schematically in FIG.
  • the actuator 7 is controlled by the control unit 4 in order to bring about the axial movement of the magnetic field modulator 60 .
  • the actuator 7 can also be moved manually, for example via a cable pull or the like, in the axial direction XX.
  • the magnetic field modulator 60 alternately has magnetically conductive parts 60a and magnetically non-conductive parts 60b.
  • the magnetic gear 6 can also assume the function of a safety clutch. If a maximum transmissible torque is exceeded, the magnetic gear 6 simply slips through without damaging components of the magnetic gear 6 as a result. After this maximum torque has been exceeded, the magnetic gear resets itself to a starting position.
  • the two-wheeled vehicle 1 also has a position detection device 8 which can detect a position of the magnetic gear 6 .
  • the position detection device 8 is preferably arranged on the output element of the magnetic gear 6 .
  • the position detection device 8 is connected to the control unit 4 so that the control unit 4 is always informed about the exact position of the components of the magnetic gear 6 .
  • fixed geometric and physical values of the magnetic gear 6 are preferably stored in the control unit 4 .
  • the control unit 4 can thus now control the electric motor s of the two-wheeled vehicle 1 based on a power requirement of the user and an initial position of the magnetic gear 6 in order to provide a predetermined support torque for the user. Furthermore, the control unit 4 is set up to bring individual components of the magnetic gear 6 into a predetermined starting position. It is sufficient here, for example, if one of the two magnetic rotors 61, 62 or the magnetic field modulator 60 is brought into a predetermined position. Due to the magnetic forces acting on the components, the other components then automatically adjust themselves to the predetermined position.
  • a two-wheeled vehicle 1 can thus be provided with a magnetic transmission, which enables a significant reduction in noise during operation.
  • a Reduction ratio can be easily adjusted by choosing the number of magnetic poles on the first magnetic rotor 61 and the second magnetic rotor 62, which must be different. If the magnetic gear 6 is overloaded, no damage occurs to the components of the magnetic gear. Once the magnetic gear is no longer overloaded, the components of the magnetic gear can automatically return to their original position without being damaged. Due to the possibility of the axial movement of the magnetic field modulator 60, a complete decoupling of the electric motor 5 from a bottom bracket shaft or the like can also be made possible.
  • Figure 4 shows a magnetic gear 6 of a two-wheeled vehicle according to a second embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts are denoted by the same reference symbols as in the first exemplary embodiment.
  • a stator 51 of the electric motor 5 is arranged directly on the first magnetic rotor 61 and is firmly connected to it.
  • the reference numeral 50 designates the electrical windings of the stator 51.
  • the first magnetic rotor 61 has a large number of pole pairs, only one pole pair being labeled N (north pole) and S (south pole) in FIG. 4 for clarity.
  • the magnetic field modulator 60 according to the second exemplary embodiment has a significantly larger number of magnetically conductive parts 60a and magnetically non-conductive parts 60b, which are again arranged alternately.
  • the second magnetic rotor 62 has a significantly smaller number of pole pairs than the first magnetic rotor 61.
  • a first gap 11 is in turn formed between the first magnetic rotor 61 and the magnetic field modulator 60.
  • a second gap 12 is formed between the second magnetic rotor 62 and the magnetic field modulator 60 .
  • only two main components of the magnetic gear 6 can be rotated, namely the second magnetic rotor 62 and the magnetic field modulator 60.
  • the first magnetic rotor 61 is firmly connected to the stator 51 and is therefore arranged in a rotationally fixed manner.
  • the magnetic gear 6 of the second exemplary embodiment has the second magnetic rotor 62 as the input component and the magnetic field modulator 60 as the output component.
  • a number of the electrical windings 50 of the stator 51 is preferably the same as a number of poles of one of the two magnet rotors 61, 62.
  • Figure 5 shows a magnetic gear 6 of a two-wheeled vehicle according to a third embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts are denoted by the same reference symbols as in the previous exemplary embodiments.
  • the third exemplary embodiment essentially corresponds to the second exemplary embodiment, in contrast to the second exemplary embodiment, in the third exemplary embodiment, three ring-shaped gaps are provided between the components of the magnetic gear 6 and the electric motor s.
  • a first gap 11 is provided between a stator 51 and an outer circumference of the first magnetic rotor 61 .
  • a second gap 12 is provided between the first magnetic rotor 61 and the magnetic field modulator 60 .
  • a third gap 13 is provided between the magnetic field modulator 60 and the second magnetic rotor 62 .
  • the first magnetic rotor 61 is constructed differently from the previous exemplary embodiments.
  • the first magnetic rotor 61 has a base region 61c, on the inner circumference and outer circumference of which a row 61a, 61b of magnetic field-generating elements are arranged.
  • the number of poles of the inner and outer rows 61a, 61b of magnetic field-generating elements is the same.
  • the second magnetic rotor 62 has a larger number of magnetic field-generating elements.
  • the stator 51 is no longer firmly connected to the first magnetic rotor 61, so that in this exemplary embodiment two or preferably three components, namely the first and second magnetic rotors 61, 62 and the magnetic field modulator 60, can be rotatably arranged.
  • the input element or the output element of the magnetic gear can also be selected from the three rotatably arranged components magnetic field modulator 60, first magnetic rotor 61 and second magnetic rotor 62.
  • this exemplary embodiment corresponds to the previous exemplary embodiments, so that reference can be made to the description given there.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung eines Zweiradfahrzeugs mit motorischer Antriebsunterstützung, umfassend einen Elektromotor (5), ein Magnetgetriebe (6) und eine Steuereinheit (4), welche eingerichtet ist, den Elektromotor (5) basierend auf einer Leistungsanforderung durch einen Nutzer des Zweiradfahrzeugs und einer Stellung des Magnetgetriebes (6) anzusteuern, um ein vorbestimmtes Drehmoment an einem Abtriebselement des Magnetgetriebes (6) zu erzeugen.

Description

Beschreibung
Titel
Antriebsanordnung eines Zweiradfahrzeugs mit Magnetgetriebe
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung eines Zweiradfahrzeugs mit elektromotorischer Antriebsunterstützung, insbesondere ein mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbares Zweirad, z.B. ein Pedelec oder ein E-Bike.
Die Erfindung betrifft hierbei insbesondere Zweiradfahrzeuge auf Fahrradbasis, wobei unter einem Zweiradfahrzeug gegebenenfalls auch ein fahrradähnliches Fahrzeug mit drei oder mehr Rädern umfasst ist.
Bei derartigen fahrradbasierten Zweiradfahrzeugen wird bisher eine hohe Drehzahl eines Elektromotors durch ein mechanisches Getriebe untersetzt. Beispielsweise kommen hier Planetenradgetriebe zum Einsatz. Nachteilig kann an derartigen mechanischen Getrieben sein, dass diese Geräusche emittieren. Weiterhin erzeugen derartige mechanische Getriebe grundsätzlich Verluste, welche einen Wirkungsgrad der Gesamtanordnung negativ beeinflussen. Weiterhin sollten bei Pedelecs, bei denen eine Unterstützung des Elektromotors nur bis zu einer vorbestimmten Geschwindigkeit erlaubt ist, bei Überschreiten dieser Geschwindigkeit der Elektromotor und das Getriebe möglichst nur geringe oder keine Verluste erzeugen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung eines Zweiradfahrzeugs mit elektromotorischer Antriebsunterstützung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass als Getriebe ein Magnetgetriebe verwendet wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass im Betrieb der Antriebsanordnung keine unerwünschten Geräusche durch mechanische Reibung oder dergleichen wie bei mechanischen Getrieben auftreten. Ferner ist das Magnetgetriebe vollständig wartungsfrei und weist aufgrund der sich nicht berührenden Bauteile des Magnetgetriebes keinen Verschleiß auf. Ferner kann ein Wirkungsgrad des Magnetgetriebes größer sein als ein Wirkungsgrad eines vergleichbaren mechanischen Getriebes, so dass es grundsätzlich möglich ist, dass der Elektromotor kleiner ausgeführt werden kann bzw. eine Reichweite eines Zweiradfahrzeugs erhöht werden kann.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Antriebsanordnung einen Elektromotor, ein Magnetgetriebe und eine Steuereinheit aufweist. Die Steuereinheit ist eingerichtet, den Elektromotor basierend auf einer Leistungsanforderung eines Nutzers des Zweiradfahrzeugs und einer Stellung des Magnetgetriebes anzusteuern, um ein vorbestimmtes Drehmoment an einem Ausgangselement des Magnetgetriebes zu erzeugen. Das Ausgangselement des Magnetgetriebes ist vorzugsweise direkt mit einer Tretlageranordnung des Zweiradfahrzeugs verbunden. Somit bildet das Magnetgetriebe ein Untersetzungsgetriebe für den Elektromotor, welches auch sehr kompakt aufgebaut sein kann, um entsprechend nur einen geringen Platzbedarf am Zweiradfahrzeug einzunehmen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Das Magnetgetriebe umfasst vorzugsweise ausschließlich einen ersten und zweiten Magnetläufer. Dadurch kann ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau des Magnetgetriebes erreicht werden, da kein Magnetfeldmodulator vorgesehen sein muss. Auch kann hierdurch eine große Gewichtseinsparung realisiert werden.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist das Magnetgetriebe einen ersten und einen zweiten Magnetläufer sowie einen zwischen dem ersten und zweiten Magnetläufer angeordneten Magnetfeldmodulator auf. Die ersten und zweiten Magnetläufer weisen unterschiedliche Anzahlen von Magnetfeld erzeugenden Elementen auf und der Magnetfeldmodulator weist magnetisch leitende Teile und magnetisch nicht leitende Teile auf. Die Magnetfeld erzeugenden Elemente sind vorzugsweise Permanentmagnete. Die beiden Magnetläufer und der Magnetfeldmodulator sind dabei koaxial angeordnet und zwischen dem Magnetfeldmodulator und dem ersten Magnetläufer ist ein erster Spalt vorgesehen und zwischen dem Magnetfeldmodulator und dem zweiten Magnetläufer ist ein zweiter Spalt vorgesehen. Der zweite Magnetläufer ist vorzugsweise der innere der Magnetläufer und weist vorzugsweise genau zwei Polpaare auf. Der erste und zweite Spalt sind vorzugsweise Ringspalte mit gleicher Breite.
Besonders bevorzugt ist der erste oder der zweite Magnetläufer drehfest angeordnet. Dadurch sind einer der Magnetläufer und der Magnetfeldmodulator drehbar angeordnet.
Für einen besonders kompakten Aufbau ist vorzugsweise der drehfest angeordnete Magnetläufer mit einem Stator des Elektromotors der Antriebsanordnung verbunden. Hierdurch ergeben sich insbesondere Vorteile hinsichtlich Gewicht und Baugröße.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Magnetfeldmodulator drehfest angeordnet und die beiden Magnetläufer sind drehbar angeordnet.
Gemäß einer weiteren alternativen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Magnetläufer und der Magnetfeldmodulator alle drehbar angeordnet. Dadurch weist das Magnetgetriebe drei Laufräder auf. Dadurch wird eine große Variabilität des Magnetgetriebes erreicht, da jedes der drei Laufräder als Eingangselement oder als Ausgangselement des Magnetgetriebes verwendet werden kann.
Zu allen beschriebenen Ausgestaltungen des Magnetgetriebes sei angemerkt, dass die Magnetfeld erzeugenden Elemente vorzugsweise Permanentmagneten sind oder alternativ elektrische Wicklungen sind. Auch ist eine Kombination von Permanentmagneten und elektrischen Wicklungen möglich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Magnetfeldmodulator in Axialrichtung des Magnetgetriebes bewegbar, um eine Änderung einer Drehmomentübertragung innerhalb des Magnetgetriebes zu realisieren. Der Magnetfeldmodulator kann somit in Axialrichtung aus dem Magnetgetriebe herausgezogen werden bzw. wieder in das Magnetgetriebe eingeschoben werden. Dadurch kann die zu übertragende Drehmomentgröße verändert werden, wobei, wenn der Magnetfeldmodulator vollständig aus dem Magnetgetriebe herausgezogen ist, keine Drehmomentübertragung ermöglicht wird.
Das Magnetgetriebe weist vorzugsweise einen Aktor auf, welcher eine Bewegung des Magnetfeldmodulators in Axialrichtung ausführt, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Bewegung in Axialrichtung derart auszuführen, dass das Magnetgetriebe die Funktion einer Rutschkupplung übernimmt. Dadurch können insbesondere Anfahrvorgänge des Zweiradfahrzeugs mit begrenztem Drehmoment ausgeführt werden.
Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, den Magnetfeldmodulator in Abhängigkeit einer Geschwindigkeit des Zweiradfahrzeugs in Axialrichtung zu bewegen, um eine Änderung einer Drehmomentübertragung zu realisieren. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn beispielsweise gesetzliche Vorgaben existieren, welche eine elektromotorische Unterstützung des Zweiradfahrzeugs nur bis zu einer vorbestimmten Geschwindigkeit erlauben. Sobald diese Geschwindigkeit erreicht ist, steuert die Steuereinheit den Aktor an und zieht den Magnetfeldmodulator vollständig aus dem Magnetgetriebe heraus, so dass keine Drehmomentübertragung mehr erfolgt und Schleppverluste des Magnetgetriebes eliminiert werden können.
Weiter bevorzugt ist der erste Magnetläufer der äußere Magnetläufer des Magnetgetriebes und weist eine äußere Reihe von Magnetfeld erzeugenden Elementen und eine innere Reihe von Magnetfeld erzeugenden Elementen auf. Hierdurch kann eine Untersetzung durch entsprechende Wahl der Magnetfeld erzeugenden Elemente an der inneren und äußeren Reihe verändert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Magnetgetriebe ferner eine Lageerfassungsvorrichtung. Die Lageerfassungsvorrichtung erfasst wenigstens eine Position eines Bauteils des Magnetgetriebes, um eine Stellung, insbesondere eine Ausgangsstellung, des Magnetgetriebes zu bestimmen. Vorzugsweise wird eine Position des Abtriebelements des Magnetgetriebes bestimmt. Diese Bestimmung kann besonders einfach ausgeführt werden. Da die anderen geometrischen und physikalischen Eigenschaften des Magnetgetriebes bekannt sind, ist es ausreichend, wenn lediglich eine Position eines Bauteils des Magnetgetriebes bestimmt wird.
Die Lageerfassungsvorrichtung umfasst vorzugsweise einen Sensor, um eine Position eines Bauteils des Magnetgetriebes zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich ist die Lageerfassungsvorrichtung eingerichtet, die Stellung des Magnetgetriebes unter Hinzuziehung von bekannten geometrischen Größen und bekannten physikalischen Größen des Magnetgetriebes zu bestimmen.
Bevorzugt ist die Lageerfassungsvorrichtung dabei in die Steuereinheit integriert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit eingerichtet, wenigstens ein Bauteil des Magnetgetriebes in eine vorbestimmte Position zu bringen. Dies kann beispielsweise aus dem Stillstand des Zweiradfahrzeugs erfolgen oder, falls das Zweiradfahrzeug z.B. ein Pedelec ist, bei dem eine elektromotorische Unterstützung ab einer vorbestimmten Geschwindigkeit nicht mehr ausgeführt wird, bei Überschreiten der vorbestimmten Geschwindigkeit.
Weiter bevorzugt ist eine Anzahl der elektrischen Wicklungen eines Stators des Elektromotors gleich einer Anzahl von Magnetpolen eines der Magnetläufer.
Ferner betriff die vorliegende Erfindung ein Zweiradfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung. Das Zweiradfahrzeug ist vorzugsweise ein E-Bike oder ein Pedelec oder dergleichen und kann weiter bevorzugt auch mehr als zwei Räder aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Zweiradfahrzeugs mit einer Antriebsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 2 eine schematische Draufsicht eines Magnetgetriebes der
Antriebsanordnung von Figur 1,
Figur 3 eine schematische Seitenansicht der Antriebsanordnung von
Figur 1 ,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Magnetgetriebes einer
Antriebsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Figur 5 eine schematische Darstellung eines Magnetgetriebes einer
Antriebsanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 ein Zweiradfahrzeug 1 mit einer Antriebsanordnung 2 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Das Zweiradfahrzeug 1 dieses Ausführungsbeispiels ist beispielsweise ein Pedelec oder E-Bike und weist eine Antriebsanordnung 2 mit einem Elektromotor 5 und einer elektrischen Energieversorgung 3 für den Elektromotor auf.
Wie in Figur 3 schematisch dargestellt, umfasst die Antriebsanordnung 2 neben dem Elektromotor 5 noch ein Magnetgetriebe 6. Der Elektromotor 5 und das Magnetgetriebe 6 sind in Reihe in kompakter Bauweise angeordnet.
Das Zweiradfahrzeug 1 umfasst ferner eine Steuereinheit 4, welche eingerichtet ist, den Elektromotor s basierend auf einer Leistungsanforderung eines Nutzers des Zweiradfahrzeugs und einer Stellung des Magnetgetriebes anzusteuern. Dadurch kann ein vorbestimmtes Drehmoment an einem Abtriebselement des Magnetgetriebes 6 erzeugt werden.
Das Magnetgetriebe 6 ist im Detail aus Figur 2 ersichtlich. Das Magnetgetriebe 6 umfasst einen ersten Magnetläufer 61, einen zweiten Magnetläufer 62 und einen Magnetfeldmodulator 60. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, sind die beiden Magnetläufer 61, 62 und der Magnetfeldmodulator 60 koaxial zueinander angeordnet. Dabei ist der Magnetfeldmodulator 60 zwischen dem ersten Magnetläufer 61, welcher an dessen Außenseite angeordnet ist, und dem zweiten Magnetläufer 62, welcher an dessen Innenseite angeordnet ist, positioniert.
Der erste und zweite Magnetläufer 61 , 62 weist jeweils eine Vielzahl von Magnetfeld erzeugenden Elementen auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Magnetfeld erzeugenden Elemente Dauermagnete. Dabei ist eine Polzahl des ersten Magnetläufers 61 unterschiedlich zu einer Polzahl des zweiten Magnetläufers 62. Der erste Magnetläufer 61 weist acht Polpaare auf und der zweite Magnetläufer 62 weist ein Polpaar auf. In Figur 2 sind die Polpaare jeweils mit N (Nordpol) und S (Südpol) gekennzeichnet.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Magnetläufer 61, 62 sowie der Magnetfeldmodulator 60 jeweils drehbar um eine Mittelachse X-X der Antriebsanordnung 2. Dadurch ist zwischen dem ersten Magnetläufer 61 und dem Magnetfeldmodulator 60 ein erster Spalt 11 ringförmig ausgebildet. Ein zweiter ringförmiger Spalt 12 mit gleicher Spaltbreite ist zwischen dem zweiten Magnetläufer 62 und dem Magnetfeldmodulator 60 vorgesehen.
Wie weiter aus Figur 3 ersichtlich ist, kann der Magnetfeldmodulator 60 in Axialrichtung X-X bewegt werden. Dabei kann der Magnetfeldmodulator 60 vollständig aus dem Magnetgetriebe 6 herausgeführt werden bzw. wieder in das Magnetgetriebe 6 hineingeschoben werden. Dies ist in Figur 3 durch den Doppelpfeil A angedeutet.
Die axiale Bewegung des Magnetfeldmodulators 60 erfolgt mittels eines Aktors 7, welcher schematisch in Figur 3 dargestellt ist. Der Aktor 7 wird durch die Steuereinheit 4 angesteuert, um die Axialbewegung des Magnetfeldmodulators 60 zu bewirken.
Wenn der Magnetfeldmodulator 60 vollständig aus dem Magnetgetriebe 6 herausgezogen ist, ist somit eine Entkopplung des Elektromotors 5 von einer Tretwelle welche mit einem Abtriebsbauteil des Magnetgetriebes 6 verbunden ist, möglich. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Abtriebsbauteil der zweite Magnetläufer 62. Das Eingangsbauteil des Magnetgetriebes 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel der erste Magnetläufer 61. Es sei angemerkt, dass der Aktor 7 auch manuell, beispielsweise über einen Seilzug oder dergleichen, in Axialrichtung X-X bewegt werden kann.
Der Magnetfeldmodulator 60 weist abwechselnd magnetisch leitende Teile 60a und magnetisch nicht leitende Teile 60b auf.
Da kein Formschluss innerhalb des Magnetgetriebes 6 vorhanden ist, kann das Magnetgetriebe 6 auch die Funktion einer Sicherheitskupplung übernehmen. Bei einem Überschreiten eines maximal übertragbaren Drehmoments rutscht das Magnetgetriebe 6 einfach durch, ohne dass dadurch Bauteile des Magnetgetriebes 6 beschädigt werden. Nach einem Überschreiten dieses maximalen Drehmoments stellt sich das Magnetgetriebe wieder selbst in eine Ausgangsposition zurück.
Das Zweiradfahrzeug 1 weist ferner eine Lageerfassungsvorrichtung 8 auf, welche eine Stellung des Magnetgetriebes 6 erfassen kann. Die Lageerfassungsvorrichtung 8 ist vorzugsweise am Abtriebselement des Magnetgetriebes 6 angeordnet. Die Lageerfassungsvorrichtung 8 ist mit der Steuereinheit 4 verbunden, so dass die Steuereinheit 4 immer über die exakte Position der Bauteile des Magnetgetriebes 6 informiert ist. Hierbei sind in der Steuereinheit 4 vorzugsweise geometrische und physikalische feste Werte des Magnetgetriebes 6 abgespeichert.
Die Steuereinheit 4 kann somit nun basierend auf einer Leistungsanforderung des Nutzers und einer Ausgangsstellung des Magnetgetriebes 6 den Elektromotor s des Zweiradfahrzeugs 1 ansteuern, um ein vorbestimmtes Unterstützungsdrehmoment für den Nutzer bereitzustellen. Weiterhin ist die Steuereinheit 4 eingerichtet, einzelne Bauteile des Magnetgetriebes 6 in eine vorbestimmte Ausgangsposition zu bringen. Hierbei ist es beispielsweise ausreichend, wenn einer der beiden Magnetläufer 61 , 62 oder der Magnetfeldmodulator 60 in eine vorbestimmte Position gebracht wird. Aufgrund der auf die Bauteile wirkenden magnetischen Kräfte stellen sich dann die anderen Bauteile automatisch in die vorbestimmte Position ein.
Somit kann ein Zweiradfahrzeug 1 mit einem Magnetgetriebe bereitgestellt werden, welches im Betrieb eine deutliche Geräuschreduktion ermöglicht. Ein Untersetzungsverhältnis kann auf einfache Weise durch Wahl der Anzahl der Magnetpole am ersten Magnetläufer 61 und am zweiten Magnetläufer 62, welche unterschiedlich sein muss, eingestellt werden. Bei Überlastung des Magnetgetriebes 6 treten keine Beschädigungen an den Bauteilen des Magnetgetriebes auf. Nachdem keine Überbelastung des Magnetgetriebes mehr vorliegt, können die Bauteile des Magnetgetriebes ohne Beschädigung wieder in ihre Ausgangsstellung sich selbsttätig zurückstellen. Durch die Möglichkeit der axialen Bewegung des Magnetfeldmodulators 60 kann auch eine vollständige Entkopplung des Elektromotors 5 von einer Tretlagerwelle oder dergleichen ermöglicht werden.
Figur 4 zeigt ein Magnetgetriebe 6 eines Zweiradfahrzeugs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Stator 51 des Elektromotors 5 direkt am ersten Magnetläufer 61 angeordnet und fest mit diesem verbunden. Das Bezugszeichen 50 bezeichnet dabei die elektrischen Wicklungen des Stators 51. Der erste Magnetläufer 61 weist eine Vielzahl von Polpaaren auf, wobei zur Übersichtlichkeit in Figur 4 nur ein Polpaar mit N (Nordpol) und S (Südpol) gekennzeichnet ist. Weiterhin weist im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Magnetfeldmodulator 60 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine deutlich größere Anzahl von magnetisch leitenden Teilen 60a und magnetisch nicht leitenden Teilen 60b auf, welche wieder jeweils abwechselnd angeordnet sind. Der zweite Magnetläufer 62 weist eine deutlich geringere Anzahl von Polpaaren auf als der erste Magnetläufer 61. Zwischen dem ersten Magnetläufer 61 und dem Magnetfeldmodulator 60 ist wiederum ein erster Spalt 11 ausgebildet. Zwischen dem zweiten Magnetläufer 62 und dem Magnetfeldmodulator 60 ist ein zweiter Spalt 12 ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel sind nur zwei Hauptbauteile des Magnetgetriebes 6 drehbar, nämlich der zweite Magnetläufer 62 und der Magnetfeldmodulator 60. Der erste Magnetläufer 61 ist fest mit dem Stator 51 verbunden und somit drehfest angeordnet. Somit weist das Magnetgetriebe 6 des zweiten Ausführungsbeispiels den zweiten Magnetläufer 62 als Eingangsbauteil auf und den Magnetfeldmodulator 60 als Abtriebsbauteil auf. Es sei weiterhin angemerkt, dass eine Anzahl der elektrischen Wicklungen 50 des Stators 51 vorzugsweise gleich groß ist wie eine Polzahl eines der beiden Magnetläufer 61, 62.
Figur 5 zeigt ein Magnetgetriebe 6 eines Zweiradfahrzeugs gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.
Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel beim dritten Ausführungsbeispiel drei ringförmige Spalte zwischen den Bauteilen des Magnetgetriebes 6 bzw. dem Elektromotor s vorgesehen sind. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, ist ein erster Spalt 11 zwischen einem Stator 51 und einem Außenumfang des ersten Magnetläufers 61 vorgesehen. Ein zweiter Spalt 12 ist zwischen dem ersten Magnetläufer 61 und dem Magnetfeldmodulator 60 vorgesehen. Ein dritter Spalt 13 ist zwischen dem Magnetfeldmodulator 60 und dem zweiten Magnetläufer 62 vorgesehen.
Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, ist der erste Magnetläufer 61 unterschiedlich zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen aufgebaut. Der erste Magnetläufer 61 weist einen Basisbereich 61c auf, an dessen inneren Umfang und äußeren Umfang jeweils eine Reihe 61a, 61b von Magnetfeld erzeugenden Elementen angeordnet sind. Dabei ist eine Polzahl der inneren und äußeren Reihe 61a, 61b von Magnetfeld erzeugenden Elementen gleich. Der zweite Magnetläufer 62 weist eine größere Anzahl von Magnetfeld erzeugenden Elementen auf. Somit ist beim dritten Ausführungsbeispiel der Stator 51 nicht mehr fest mit dem ersten Magnetfeldläufer 61 verbunden, so dass bei diesem Ausführungsbeispiel zwei oder bevorzugt drei Bauteile, nämlich der erste und zweite Magnetläufer 61, 62 und der Magnetfeldmodulator 60, drehbar angeordnet sein können. Hierbei kann auch das Eingangselement bzw. das Abtriebselement des Magnetgetriebes aus den drei drehbar angeordneten Bauteilen Magnetfeldmodulator 60, erster Magnetläufer 61 und zweiter Magnetläufer 62 ausgewählt werden.
Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Antriebsanordnung eines Zweiradfahrzeugs mit elektromotorischer Antriebsunterstützung, umfassend:
- einen Elektromotor (5),
- ein Magnetgetriebe (6) und
- eine Steuereinheit (4), welche eingerichtet ist, den Elektromotor (5) basierend auf einer Leistungsanforderung durch einen Nutzer des Zweiradfahrzeugs und einer Stellung des Magnetgetriebes (6) anzusteuern, um ein vorbestimmtes Drehmoment an einem Abtriebselement des Magnetgetriebes (6) zu erzeugen.
2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Magnetgetriebe (6) genau nur einen ersten Magnetläufer (61) und einen zweiten Magnetläufer (62) aufweist.
3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Magnetgetriebe (6) einen ersten Magnetläufer (61), einen zweiten Magnetläufer (62) und ein zwischen dem ersten und zweiten Magnetläufer (61, 62) angeordneten Magnetfeldmodulator (60) umfasst, wobei die ersten und zweiten Magnetläufer (61 , 62) eine unterschiedliche Anzahl von Magnetfeld erzeugenden Elementen aufweisen und der Magnetfeldmodulator (60) magnetisch leitende Teile und magnetisch nicht leitende Teile aufweist.
4. Antriebsanordnung nach Anspruch 3, wobei einer der Magnetläufer (61, 62) drehfest ist und der andere der Magnetläufer (61, 62) und der Magnetfeldmodulator (60) drehbar sind.
5. Antriebsanordnung nach Anspruch 4, wobei der drehfeste Magnetläufer mit einem Stator (51) des Elektromotors (5) fest verbunden ist. Antriebsanordnung nach Anspruch 3, wobei der Magnetfeldmodulator (60) drehtest angeordnet ist und der erste und zweite Magnetläufer (61 , 62) drehbar angeordnet sind. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Magnetfeldmodulator (60) in Axialrichtung (X-X) des Magnetgetriebes (6) bewegbar ist, um eine Änderung einer Drehmomentübertragung im Magnetgetriebe (6) zu realisieren. Antriebsanordnung nach Anspruch 7, wobei das Magnetgetriebe (6) einen Aktor (7) aufweist, welcher die Bewegung des Magnetfeldmodulators (60) in Axialrichtung (X-X) ausführt, wobei die Steuereinheit (4) eingerichtet ist, die Bewegung in Axialrichtung (X-X) insbesondere derart auszuführen, dass das Magnetgetriebe (6) die Funktion einer Rutschkupplung übernimmt. Antriebsanordnung nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (4) eingerichtet ist, den Magnetfeldmodulator (60) in Abhängigkeit einer Geschwindigkeit des Zweiradfahrzeugs in Axialrichtung (X-X) zu bewegen, um eine Änderung einer Drehmomentübertragung durch das Magnetgetriebe (6) zu realisieren. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei der erste Magnetläufer (61) eine äußere Reihe (61a) von Magnetfeld erzeugenden Elementen aufweist und eine innere Reihe (61b) von Magnetfeld erzeugenden Elementen aufweist, wobei der erste Magnetläufer (61) drehbar angeordnet ist. Antriebsanordnung nach Anspruch 10, wobei eine Anzahl von Magnetfeld erzeugenden Elementen der äußeren Reihe (61a) gleich einer Anzahl von Magnetfeld erzeugenden Elementen der inneren Reihe (61b) ist. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Lageerfassungsvorrichtung (8), welche wenigstens eine Position eines Bauteils des Magnetgetriebes (6) erfasst, um eine Stellung, insbesondere eine Ausgangsstellung, des Magnetgetriebes (6) zu bestimmen. Antriebsanordnung nach Anspruch 12, wobei die Lageerfassungsvorrichtung (8) einen Sensor umfasst und/oder wobei die Lageerfassungsvorrichtung eingerichtet ist, eine Position eines Bauteils des Magnetgetriebes unter Hinzuziehung von geometrischen und physikalischen Größen des Magnetgetriebes (6), welche in der Steuereinheit (4) hinterlegt sind, zu bestimmen. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (4) eingerichtet ist, wenigstens ein Bauteil des
Magnetgetriebes (6) in eine vorbestimmte Position zu bringen. Zweiradfahrzeug, insbesondere Fahrrad mit Elektroantrieb, umfassend eine Antriebsanordnung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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