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.