Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Stromgenerator auf dem Gebiet der Gewinnung elektrischer Energie aus der Drehbewegung eines Rades , durch dessen Ab- rollen ein Objekt bewegt wird, wobei der elektromagnetische Stromgenerator derart an einem Rad montiert ist , dass sich beim Drehen des Rades ein Rotor des Stromgenerators relativ zu dessen Stator dreht und dadurch der Stromgenerator Strom erzeugt .

Ein elektromagnetischer Stromgenerator Sinne der Erfindung ist ein elektrischer Generator, also eine elektrische Ma- schine , die Bewegungsenergie , im vorliegenden Fall die Be- wegungsenergie (Rotationsenergie ) des Rades bzw . die kine- tische Energie des von dem Rad bewegten Objektes , unter An- wendung der elektromagnetischen Induktion in elektrische Energie wandelt . Ein solcher Stromgenerator wird auch als Dynamo bezeichnet . Die mechanische Leistung wird dem Gene- rator zumeist in Form der Drehung einer mechanischen Welle zugeführt . Im Inneren des Generators befinden sich in einer beispielhaften ersten Variante in konzentrisch gelagerter Anordnung ein feststehender Stator (auch Stator-Gehäuse oder Ständer genannt) und ein relativ zu dem Stator drehba- rer, von der Welle angetriebener Rotor (auch Läufer ge- nannt). Üblicherweise weist der Rotor einen oder mehrere Dauermagnete oder einen oder mehrere Elektromagnete (auch Feldspule oder Erregerwicklung genannt) auf, um ein magne- tisches Gleichfeld zu erzeugen, und der Stator eine oder mehrere Leiterwicklungen. Wenn der Rotor gegenüber dem feststehenden Stator-Gehäuse gedreht wird, wird durch das umlaufende magnetische Gleichfeld des Rotors in den Leiter- wicklungen des Stators eine elektrische Spannung induziert, im Ergebnis also elektrischer Strom erzeugt.

Da es dabei nur auf die relative Drehbewegung zwischen Ro- tor und Stator ankommt, kann in gleichwirkenden Ausfüh- rungsformen auch mittels der Welle oder eines anderen An- triebs der Stator mit den Leiterwicklungen gegenüber einem feststehenden Rotor, der ein magnetisches Gleichfeld er- zeugt, gedreht werden. In diesem Fall wird dann gegenüber der ersten Variante der Rotor zu einem Stator, der einen oder mehrere Dauermagnete oder einen oder mehrere Elektro- magnete (auch Feldspule oder Erregerwicklung genannt) auf- weist, um ein magnetisches Gleichfeld zu erzeugen, und der Stator wird zu einem Rotor, der eine oder mehrere Leiter- wicklungen aufweist und gegenüber dem Stator rotiert wird. In beiden Fällen wird durch die relative Drehbewegung zwi- schen Rotor und Stator bzw. durch das umlaufende magneti- sche Gleichfeld (von Rotor oder Stator) in den Leiterwick- lungen (von Stator bzw. Rotor) eine elektrische Spannung induziert, also elektrischer Strom erzeugt.

Bei einem sich drehenden Rad eines mittels des Rades beweg- ten Objektes, insbesondere bei sich relativ zu einer Fahr- zeugkarosserie drehenden Rädern eines Kraftfahrzeuges, wird für manche praktischen Anwendungen die Bereitstellung elektrischer Energie in bzw. an dem sich drehenden Rad für einen elektrischen Verbraucher benötigt, um eine Funktion zu realisieren oder zu ermöglichen, die elektrische Energie verbraucht. Ein erstes Beispiel ist die Stromversorgung von in oder an dem drehenden Rad angebrachten Sensoren, die di- verse Parameter messen, z. B. Reifendruck, Temperatur oder Umdrehungsgeschwindigkeit, oder Signale senden. Ein anderes Beispiel ist eine an dem Rad angebrachte elektrische Be- leuchtung, die dauerhaft leuchtet, zum Beispiel aus Design- gründen, oder die vorübergehend leuchtet, zum Beispiel zum Realisieren einer "Coming Home"-Funktion, die das Beleuch- ten des Rades nach dem Anhalten des Fahrzeuges beim Errei- chen des Ankunftszieles für eine definierte Zeit beim Aus- steigen aus dem Fahrzeug vorsieht.

Bei anderen Anwendungen soll eine kurz aufleuchtende opti- sche Anzeige oder ein Warnsignal realisiert werden, bei- spielsweise um verschiedene Fahrmodi des Fahrzeugs (wie au- tonomer oder manueller Fahrmodus) anzuzeigen oder ein seit- liches Warn- oder Bremslicht zu realisieren, die Fahrrich- tung oder das Einlegen des Rückwärtsgangs anzuzeigen oder ein optisches Warnsignal zu generieren, beispielsweise bei einem Unfall des Fahrzeugs oder bei einem Einsatzfahrzeug. Ein weiterer Anwendungsfall kann die Stromversorgung eines elektrisch betriebenen mechanischen Aktuators sein, der beispielsweise dazu dient, die Zwischenräume zwischen Spei- chen eines Rades durch Abdeckungen zu schließen, um den Luftwiderstand des Rades zu reduzieren und/oder im Brems- fall zu öffnen, um die Bremse zu kühlen. Es ist technisch aufwändig und nachteilig, hierzu elektri- sche Energie von außerhalb des sich drehenden Rades, bei- spielsweise von der Fahrzeugkarosserie, an das drehende Rad zu übertragen, etwa per Kabel oder Schleifkontakte. Im Stand der Technik sind daher Systeme bekannt, die elektri- sche Energie in der Nabe eines Fahrzeugrades aus einem Energiespeicher zur Verfügung stellen, ohne dass konstruk- tive Änderungen am Rad oder der Radabdeckung notwendig sind und die vom Grundaufbau her auf verschiedene Räder passen. Bei diesen Systemen wird die elektrische Energie aus Batte- rien bereitgestellt. Nachteilig hierbei ist, dass das Sys- tem nicht wartungsfrei ist, weil sich die Batterie mit der Zeit entlädt, sodass nach einer gewissen Zeit der Nutzung die Batterie entleert ist und für die weitere Nutzung des Systems ausgetauscht werden muss. Das bedeutet einen Mehr- aufwand für den Anwender, keine Ausfallsicherheit und zu- sätzliche Anforderungen hinsichtlich der Konstruktion sol- cher Systeme.

Daher wurde für derartige Anwendungen vorgeschlagen, die elektrische Energie in dem Rad selbst zu erzeugen, und zwar mittels eines in dem Rad angeordneten elektromagnetischen Stromgenerators, der im Fährbetrieb die elektrische Energie aus der Drehbewegung des Rades gewinnt. Derartige Systeme sind für solche Anwendungen besser geeignet, da sie weitge- hend wartungsfrei sein können, beispielsweise, wenn die von dem elektromagnetischen Stromgenerator erzeugte elektrische Energie in einem wieder aufladbaren Akkumulator gespeichert wird, der in dem Rad angeordnet ist.

Ein in bzw. an dem Rad angeordneter elektromagnetischer Stromgenerator kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Eine erste Variante erfordert eine konstruktive oder fertigungstechnische Modifikation des Rades selbst, was unvorteilhaft und aufwändig ist und die Einsatzmöglich- keit stark beschränkt, da entsprechende Systeme oder Module nur in den speziell hierfür angepassten Rädern verwendet werden können. Bei einer zweiten Variante wird ein entspre- chendes System oder Modul als zusätzliches Bauteil an dem Rad montiert, beispielsweise wie eine Radabdeckung, die ra- dial und umfangsmäßig die axiale Stirnseite eines Rades ganz oder teilweise abgedeckt. Radabdeckungen, die Energie erzeugende Module beinhalten, sind beispielsweise in den Dokumenten DE 202018 000 319 Ul und US 2014/0043839 Al be- schrieben. Die Realisierung in Form einer Radabdeckung weist aber ebenfalls Nachteile auf, die sich beispielsweise aus der radialen Neigung oder daraus ergeben, dass die elektrischen und elektronischen Bauelemente äußeren Ein- flüssen ausgesetzt sind. Ferner erfordern sie einen zusätz- lichen konstruktiven Aufwand für ihre Befestigung am Rad und ihre Einsatzmöglichkeiten an Rädern sind aufgrund der Befestigungserfordernisse und der geometrischen Gegebenhei- ten beschränkt.

Aus dem Dokument DE 202018 000 629 Ul ist ein an dem Rad angebrachter elektromagnetischer Stromgenerator bekannt, der in dem zylindrischen Hohlraum der Nabe des Rades ange- ordnet ist und an vielen Rädern unterschiedlicher Bauart ohne erhöhten Mehraufwand hinsichtlich Konstruktion, Ferti- gung und Kosten eingesetzt werden kann. Ein entsprechendes Modul mit einem derartigen Stromgenerator kann leicht an ein bestimmtes Rad angepasst werden, d. h. ein bestimmtes Rad kann ohne oder ohne wesentliche Veränderung des Rades mit einem entsprechend angepassten Modul nachgerüstet wer- den, was wesentlich unaufwändiger als das Anpassen von Rä- dern ist. Dabei können vorzugsweise der Grundaufbau, die grundlegenden Bestandteile und verschiedene Bauteile sol- cher Systeme oder Module immer gleich sein, mit Ausnahme des Gehäuses, das für ein bestimmtes Rad unaufwändig spezi- fisch ausgestaltet sein kann. Ein entsprechendes Modul kann die praktischen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit im Fährbetrieb, Schutz vor Wasser, z. B. Spritzwasser und Feuchtigkeit, sowie niedrige und hohe Temperaturen erfül- len.

Der in diesem Dokument beschriebene elektromagnetische Stromgenerator entspricht der zweiten, eingangs beschriebe- nen Variante, mit einem drehbar gelagerten Stator mit einem exzentrischen Massenschwerpunkt in Form eines Pendels mit Dauermagneten und einem Rotor mit mindestens einer Spule. Der Rotor wird mittelbar von dem Rad gedreht, nämlich auf- grund der Radnabe, mit der er drehfest verbunden ist, so- dass der Rotor sich beim Abrollen des Rades gemeinsam mit dem Rad dreht, und der Stator ist relativ zum Rotor frei drehbar angeordnet. Der Stator ist nicht kreissymmetrisch ausgebildet, sondern weist lediglich über einen Teilumfang ein radial ausgreifendes Gewichtsteil auf, was eine exzent- rische Anordnung des Massenschwerpunkts des Stators radial außerhalb der Drehachse des Stators zur Folge hat. Mit dem Rotor ist drehfest ein elektrischer Schaltkreis mit einer Energiesteuerung und einem aufladbaren Akkumulator verbun- den, wobei der elektrische Schaltkreis einerseits mit dem Stromgenerator und andererseits mit dem aufladbaren Akkumu- lator verbunden ist. Das Gehäuse des Systems besteht aus zwei Teilen und beinhaltet des Weiteren einen elektrischen Verbraucher, der mit dem elektrischen Schaltkreis, dem auf- ladbaren Akkumulator und dem Stromgenerator verbunden ist. Vorteilhaft bei diesem bekannten, in der Radnabe angeordne- ten Stromgenerator ist, dass die elektrische Energie im Fährbetrieb des mit dem Rad bewegten Objektes in dem sich drehenden Rad selbst gewonnen und dort in einem aufladbaren Akkumulator zwischengespeichert wird. Das System ist somit wartungsfrei und ausfallsicher, da keine Batterie getauscht werden muss. Des Weiteren muss keine elektrische Energie an das sich drehende Rad mittels Kabel oder ähnlichem geleitet werden.

In der Ruhestellung, d. h. wenn der Stromgenerator keinen elektrischen Strom erzeugt, wird der als Pendel ausgebil- dete, drehbar gelagerte Stator aufgrund seines exzentri- schen Massenschwerpunkts durch die Schwerkraft in eine Ru- hestellung nach unten gedreht und dort gehalten. Im Gene- ratorbetrieb, d. h. wenn der Stromgenetor elektrischen Strom erzeugt, wird der Stator aus dieser Ruhestellung so weit in eine Arbeitsstellung gedreht, bis das aufgrund der Schwerkraft hervorgerufene Drehmoment am Stator dem durch die elektromagnetische Induktion hervorgerufenen Drehmoment des Stromgenerators am Stator entspricht. Bei regulärem Be- trieb ist die Auslenkung des Stators aus der Ruhestellung praktisch statisch bzw. konstant und wird von dem durch die elektromagnetische Induktion hervorgerufenen Drehmoment des Stromgenerators am Stator bestimmt. Im regulären Betrieb des Stromgenerators, d. h. im stromerzeugenden Generatormo- dus, rotiert bzw. überschlägt sich der Stator nicht, wäh- rend sich der Rotor zusammen mit dem Rad dreht, sondern wird lediglich aus seiner Ruhestellung in eine Arbeits- stellung ausgelenkt, in der das durch den exzentrischen Massenschwerpunkt des Stators gegebene Drehmoment am Stator dem durch die Stromerzeugung gegebenen Drehmoment des Stromgenerators am Stator entspricht. Der Stator wird dabei durch die Schwerkraft in der ausgelenkten Arbeitsstellung mit einem gewissen Auslenkungswinkel gegenüber der vertika- len Ruhestellung gehalten, in der der Stator das notwendige Gegendrehmoment für den drehenden Rotor aufbringt.

Im Rahmen der Erfindung wurde jedoch gefunden, dass es im realen Fährbetrieb des rollenden Rades zu einem Überschla- gen (Durchgehen, Durchdrehen) des frei drehbar gelagerten Stators kommen kann, wobei der Stator nicht mehr aufgrund der Schwerkraft in einem gewissen Winkelbereich gehalten wird, sondern eine unerwünschte und unkontrollierte Rota- tion stattfindet. Es wurde gefunden, dass bei einem Rad ei- nes Kraftfahrzeuges dieser Effekt schon bei einer Fahrzeug- geschwindigkeit von ca. 60-80 km/h auftreten kann. Auslöser für das Überschlagen des Stators ist zumeist eine im Fähr- betrieb kurz auf den Stator einwirkende zusätzliche Be- schleunigung, beispielsweise beim Fahren mit hoher Ge- schwindigkeit, beim Bremsen oder beim Beschleunigen des Fahrzeugs, beim abrupten Lenken oder beim Auftreten von Stößen, beispielsweise beim Überfahren einer Bodenwelle oder durch Unebenheiten der Fahrbahn.

Die zusätzlich auf den Stator einwirkende Beschleunigung führt dazu, dass er seine vorgesehene Arbeitsstellung nicht halten kann, sondern noch weiter ausgelenkt wird. Da ab ei- ner Auslenkung des Stators von 90° gegenüber der vertikalen Ruhestellung das durch die Schwerkraft erzeugte Drehmoment des Stators mit weiter zunehmendem Winkel wieder abnimmt, führt das zumeist dazu, dass der Stator über 180° gegenüber der Ruhestellung ausgelenkt wird, also sich überschlägt. Im Rahmen der Erfindung wurde ferner gefunden, dass ein sich überschlagender Stator im Fährbetrieb dann nach dem Abklin- gen der zusätzlichen Beschleunigung zumeist nicht von selbst wieder in die Arbeitsstellung zurückkehrt, in der das Drehmoment am Stator aufgrund der Schwerkraft und das Drehmoment am Stator aufgrund der Induktion im Gleichge- wicht sind, sondern sich permanent weiter überschlägt und rotiert, und zwar so lange, bis das Rad zum Stillstand kommt oder sich sehr langsam dreht und der Stator in seine statische Ruhe- bzw. Arbeitsstellung zurückgekehrt.

Ein solches Überschlagen des Stators hat gravierende Nach- teile. Beim Rotieren des Rades im regulären Betrieb ergibt sich zwischen dem rotierenden Rotor und dem statisch ausge- lenkten Stator eine relative Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl, die proportional zur Geschwindigkeit des mit dem Rad rollenden Fahrzeugs ist. Im Fehlerfall, also beim Über- schlagen des Stators, reduziert sich diese relative Winkel- geschwindigkeit abrupt. Im ungünstigsten Fall ist bei dem rotierenden Rad die Drehzahl des Stators gleich der Dreh- zahl des Rotors, d. h. die relative Winkelgeschwindigkeit bzw. die Differenzdrehzahl zwischen Stator und Rotor redu- ziert sich auf null. Es besteht dann keine Relativbewegung zwischen Stator und Rotor und aufgrund des Ausbleibens der elektromagnetischen Induktion wird kein Strom erzeugt.

Beim Überschlagen des Stators kann der Stromgenerator somit seine grundlegende Funktion als Stromlieferant nur noch verringert oder gar nicht mehr erfüllen. Ferner kann die mechanische Belastung beim Überschlagen des Stators zu Schäden an dem Stromgenerator führen. Zudem erzeugt ein sich überschlagender Stator aufgrund seines exzentrischen Massenschwerpunkts, durch den er im Generatorbetrieb mit- tels der Schwerkraft statisch in einem bestimmten Drehwin- kel gehalten wird, eine Unwucht, die der Fahrer des Fahr- zeugs eventuell spürt und möglicherweise dadurch irritiert wird.

Um das Überschlagen des Stators zu vermeiden, könnte man daran denken, den Stator groß und schwer auszulegen, damit er aufgrund der größeren Masse bis zu einer höheren Ge- schwindigkeit die Arbeitsstellung beibehalten kann und trä- ger und unempfindlicher auf zusätzliche Beschleunigungen reagiert. Diese Vorgehensweise ist jedoch nachteilig, denn durch einen schwereren Stator erhöht sich das Gewicht des gesamten Moduls mit dem Stromgenerator und der Stator benö- tigt mehr Bauraum, sodass für andere Bauteile, wie den Ro- tor oder einen wieder aufladbaren Akkumulator weniger Bau- raum verbleibt. Der Bauraum in der Radnabe ist jedoch auf- grund der designerischen Gestaltung des Rades in der Regel sehr beschränkt und das Verkleinern von Bauteilen wie dem Akkumulator oder dem Rotor hätte Nachteile. Ein schwerer Stator weist darüber hinaus den Nachteil auf, dass er nach dem Überschlagen aufgrund seiner größeren Trägheit viel länger braucht als ein leichterer Stator, bis er wieder in die Ruhe- oder Arbeitsstellung zurückkehrt. Ferner hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass im Fährbetrieb Situa- tionen auftreten, in denen sich der Stator überschlägt, egal wie groß und schwer er gestaltet ist, z. B. bei stär- keren Fahrbahnunebenheiten wie Bodenwellen. Insgesamt ist das Vergrößern der Masse des Stators somit keine geeignete Maßnahme, um das Überschlagen des Stators zu verhindern.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen- den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Be- treiben eines elektromagnetischen Stromgenerators mit einem drehbar gelagerten Stator mit einem exzentrischen Massen- schwerpunkt und einem Rotor, wobei der Stromgenerator an dem Rad eines mittels des Rades bewegbaren Objektes an- bringbar und vorzugsweise in dem zylindrischen Hohlraum der Nabe des Rades anordenbar ist, und einen entsprechenden elektromagnetischen Stromgenerator zu schaffen, bei dem durch geeignete Mittel in der praktischen Anwendung sicher- gestellt wird, dass die grundlegende Funktion des Strom- generators als Stromlieferant besser gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Strom- generator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst. Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verwendungen der Er- findung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines elektro- magnetischen Stromgenerators, der einen drehbar gelagerten Stator mit einem exzentrischen Massenschwerpunkt und einen relativ zu dem Stator drehbaren Rotor aufweist, und der derart an einem Rad eines mittels des Rades bewegbaren Ob- jektes montierbar ist, dass sich beim Drehen des Rades der Rotor relativ zu dem Stator dreht und dadurch der Stromge- nerator in einem Generatormodus Strom erzeugt, weist die Besonderheit auf, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Einen ersten Schritt zum Erkennen, ob sich der Stator überschlägt, umfassend die Schritte

Bestimmen der Drehzahl des Rades und/oder des Rotors, Bestimmen der Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator,

Vergleichen der bestimmten Drehzahl des Rades bzw. des Rotors und der bestimmten Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator, und Erkennen des Überschlagens des Stators daraus, dass die bestimmte Drehzahl des Rades bzw. des Rotors um mehr als einen insbesondere benutzerdefinierten ers- ten Schwellenwert von der bestimmten Differenzdreh- zahl des Rotors gegenüber dem Stator abweicht, und für den Fall, dass in dem ersten Schritt ein Über- schlagen des Stators erkannt wird, einen zweiten Schritt zum Beenden des Überschlagens des Stators, in dem der Rotor derart mit Strom beaufschlagt wird, dass der Sta- tor hierdurch beschleunigt wird.

Der erfindungsgemäße elektromagnetische Stromgenerator, der einen drehbar gelagerten Stator mit einem exzentrischen Massenschwerpunkt und einen relativ zu dem Stator drehbaren Rotor aufweist und der derart an einem Rad eines mittels des Rades bewegbaren Objektes montierbar ist, dass sich beim Drehen des Rades der Rotor relativ zu dem Stator dreht und dadurch der Stromgenerator in einem Generatormodus Strom erzeugt, weist die Besonderheit auf, dass der Strom- generator folgendes umfasst:

Ein erstes Mittel, das zum Erkennen, ob sich der Stator überschlägt, ausgebildet ist, umfassend ein Mittel zum Bestimmen der Drehzahl des Rades und/oder des Rotors, ein Mittel zum Bestimmen der Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator, ein Mittel zum Vergleichen der bestimmten Drehzahl des Rades und/oder des Rotors und der bestimmten Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator, und ein Mittel zum Erkennen des Überschlagens des Stators daraus, dass die bestimmte Drehzahl des Rades und/oder des Rotors um mehr als einen insbesondere benutzerdefinierten ersten Schwellenwert von der be- stimmten Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator abweicht, und ein zweites Mittel, das dazu ausgebildet ist, für den Fall, dass von dem ersten Mittel ein Überschlagen des Stators erkannt wird, das Überschlagen des Stators zu beenden, indem der Rotor derart mit Strom beauf- schlagt wird, dass der Stator hierdurch beschleunigt wird.

Die Erfindung wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit an- hand der Bestimmung von Drehzahlen n beschrieben. Selbst- verständlich ist es in äquivalenter Weise möglich, anstelle einer oder aller genannter Drehzahlen eine entsprechende Winkelgeschwindigkeit ω zu bestimmen, d. h. zu messen oder aus der zugehörigen Drehzahl n zu berechnen (ω=2nn). Das Gleiche gilt für Geschwindigkeiten, die aus den Drehzahlen bestimmbar sind und in äquivalenter Weise anstelle letzte- rer verwendet werden können.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass es weder prak- tisch möglich noch für den realen Betrieb bedeutsam ist, das Überschlagen des Stators im Fährbetrieb des rotierenden Rades generell zu verhindern, wie es beispielsweise mit ei- nem sehr schweren Stator vergeblich versucht wurde, sondern dass die Aufgabe dadurch gelöst wird, dass das Überschlagen des Stators schnell detektiert und wirksam beendet wird, der rotierende Stator also quasi eingefangen und ein perma- nentes Rotieren des Stators unterbunden wird. Auf diese Weise wird zwar zugelassen, dass es zu einem Überschlagen des Stators kommen kann, aber ein längeres oder andauerndes Überschlagen des Stators im Fährbetrieb des rotierenden Ra- des wird verhindert. Dadurch wird die grundlegende Funktion des Stromgenerators als Stromlieferant sichergestellt, die durch ein allenfalls gelegentliches oder kurzzeitiges Über- schlagen des Stators praktisch nicht bedeutsam beeinträch- tigt wird.

Die Erfindung richtet sich somit insbesondere auf das mög- lichst schnelle Einfangen des drehbar gelagerten Stators im Falle seines Überschlagens, wodurch er auch im fortwähren- den Fährbetrieb des von dem Rad bewegten Objektes möglichst rasch wieder in den statischen Gleichgewichtszustand der Arbeitsstellung gebracht wird und der Stromgenerator Strom erzeugen kann. Zum Einfangen des sich Überschlagenden Sta- tors wird der Rotor mit Strom beaufschlagt oder angesteu- ert. Dadurch wird vorzugsweise der Stromgenerator aus dem Generatormodus, in dem im Rotor, insbesondere in Leiter- wicklungen des Rotors, Strom erzeugt wird, in einen Motor- modus umgeschaltet, in dem vom Rotor, insbesondere von den mit Strom beaufschlagten Leiterwicklungen des Rotors, ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugt wird, durch das der sich Überschlagende Stator angetrieben und durch das aktive Eingreifen mittels der Stromzuführung zu dem Rotor wieder in eine insbesondere stationäre Arbeitsstellung gebracht wird, beispielsweise in die ursprüngliche Arbeitsstellung vor dem Überschlagen, so dass der Stromgenerator dann wie- der elektrische Energie erzeugen kann.

Das erfindungsgemäße Beschleunigen des sich Überschlagenden Stators durch Stromzuführen zu dem Rotor, um den sich Über- schlagenden Stator wieder in eine insbesondere statische Arbeitsstellung einzufangen, ist somit im Ergebnis eine ne- gative Beschleunigung, d. h. ein Abbremsen des sich Über- schlagenden, rotierenden Stators in eine stationäre Ar- beitsstellung . Nach dem Stand der Technik erfordert ein solches Einfangen, oder auch Zurücksetzen des Stators bis- lang zwingend ein nicht zu kurzes Stillstehen des Rades bzw. Fahrzeugs. Mit der Erfindung kann dagegen das Über- schlagen des sich im Fehlerfall Überschlagenden Stators um- gehend und zuverlässig erkannt werden und das Einfangen während des Fährbetriebs automatisiert erfolgen. Die Ener- gieerzeugung durch den Stromgenerator im Speziellen wie auch der Betrieb des Fahrzeugs im Allgemeinen werden damit auch durch einen sich Überschlagenden Stator nicht wesent- lich beeinträchtigt.

Vereinfacht zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Ver- fahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Stromgenera- tors für ein Rad und einen Stromgenerator für ein Rad, ins- besondere eines Fahrzeugs. Der Stromgenerator umfasst einen drehbar gelagerten Stator, der durch seinen exzentrischen Massenschwerpunkt in einer Gleichgewichtslage gehalten wird, und einen sich in dem Stator drehenden, von dem Rad angetriebenen Rotor. Um in einem beispielsweise durch Stöße ausgelösten Fehlerfall einen sich Überschlagenden, uner- wünscht rotierenden Stator wieder einzufangen, wird vorge- schlagen, dem Rotor Strom zuzuführen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass in dem zweiten Schritt der Rotor im Motormodus derart mit Strom beaufschlagt wird, dass er ein magnetisches Dreh- feld erzeugt, das sich mit der bestimmten Drehzahl des Ra- des und/oder des Rotors oder der bestimmten Differenzdreh- zahl des Rotors gegenüber dem Stator dreht. In diesem Fall beschleunigt das magnetische Drehfeld des Rotors, das als antreibende Motorkraft auf den Stator einwirkt, den sich Überschlagenden Stator solange, bis sich der Stator nicht mehr überschlägt. Die bestimmte Drehzahl des Rades und/oder des Rotors wird also genutzt, um mit dieser Frequenz ein elektrisches Drehfeld an den Stromgenerator im Motormodus anzulegen und die daraus resultierende mechanische An- triebskraft beschleunigt den sich Überschlagenden, rotie- renden Stator bis zu seinem relativen Stillstand zum Schwe- refeld. Dieser Ablauf erfolgt vorzugsweise in einer Regel- schleife, in der der erste und der zweite Schritt ständig wiederholt werden und die Frequenz, mit der der Rotor im Motormodus zum Antreiben des Stators angesteuert wird, dy- namisch geregelt wird.

Der Zeitpunkt, zu dem aus dem Motormodus zurück in den Ge- neratormodus geschaltet wird, kann auf verschiedene Weise festgelegt werden. Beispielsweise kann geprüft werden, ob der Stator wieder seine Sollposition erreicht hat. Hierzu wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass in dem zweiten Schritt der Rotor insbesondere im Mo- tormodus so lange mit Strom beaufschlagt wird, bis die Drehzahl des Rades und/oder des Rotors um weniger als einen insbesondere benutzerdefinierten zweiten Schwellenwert von der Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator ab- weicht. Der zweite Schwellenwert kann gleich oder verschie- den zu dem ersten Schwellenwert sein.

In anderen Ausführungsformen kann das Zurückschalten zeit- gesteuert erfolgen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass in dem zweiten Schritt der Rotor insbesondere im Motormodus des Stromgenerators während einer vorgegebenen Zeitdauer mit Strom beaufschlagt wird und danach der Stromgenerator in den Generatormodus zurückgeschaltet wird. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann dabei vorgesehen sein, dass die vorgegebene Zeitdauer des Motormodus in Abhängig- keit von der bestimmten Drehzahl des Rades und/oder des Ro- tors und/oder von der Geschwindigkeit des mit dem Rad be- wegten Objektes gewählt wird und dabei ein vordefiniertes oder programmiertes Kennfeld verwendet wird, in dem die vorgegebene Zeitdauer des Motormodus des Stromgenerators in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rades bzw. des Rotors oder der Geschwindigkeit des mit dem Rad bewegten Objektes festgelegt ist. Hierdurch können beispielsweise Erfahrungs- werte berücksichtigt oder der Regelungsaufwand vereinfacht werden.

Gemäß einem vorteilhaften Merkmal kann vorgesehen sein, dass nach dem zweiten Schritt, in dem der Rotor mit Strom beaufschlagt wird, insbesondere der Stromgenerator in den Motormodus umgeschaltet wird, eine insbesondere benutzerde- finierte Pausenzeit abgewartet wird und erst nach dem Ver- streichen der Pausenzeit der Stromgenerator in den Genera- tormodus zum Erzeugen von Strom geschaltet und dem Stromge- nerator Strom entnommen wird. In dieser Pausen- oder Warte- zeit kann sich der aus dem Überschlagen eingefangene und in eine Arbeitsstellung zurückgestellte Stator einschwingen und der Stromgenerator kann sich insgesamt in diesem Status stabilisieren. Während der Pausenzeit kann der Rotor entwe- der nicht oder mit einem geringen Strom, insbesondere mit einem geringeren Strom als maximal möglich, beaufschlagt werden. Vorzugsweise wird in der Pausenzeit kein Strom aus dem Stromgenerator, d. h. aus den Leiterwicklungen des Ro- tors entnommen. Die Pausenzeit kann fest vorgegebenen sein, insbesondere zwischen 0,1 s und 20 s, bevorzugt zwischen 0,2 s und 10 s und besonders bevorzugt zwischen 0,5 s und 5 s betragen. Die Pausenzeit kann auch von der Geschwindig- keit des mit dem Rad bewegten Objektes oder von der Dreh- zahl des Rotors und/oder des Rades abhängen und aus dieser abgeleitet werden, insbesondere zwischen 0,5 und 1000, be- vorzugt zwischen 10 und 500 und besonders bevorzugt zwi- schen 20 und 100 mal der Dauer einer Umdrehung des Rades und/oder des Rotors betragen.

In vorteilhaften Ausführungsformen kann der grundlegende Aufbau des erfindungsgemäßen Stromgenerators als Synchron- maschine oder als Asynchronmaschine ausgebildet sein, um das Umschalten von dem Generatormodus in den Motormodus zu realisieren. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist die Ausbildung als bürstenloser, elektronisch kommu- tierter Gleichstrommotor (Brushless-DC-Motor, BL-DC, EC- Motor). Ein EC-Motor ist ein Synchronmotor, der mittels ei- ner Umrichterelektronik wie ein Gleichstrommotor angesteu- ert werden kann.

Das Überschlagen des Stators wird dadurch erkannt, dass beim Überschlagen die bestimmte Drehzahl des Rades und/oder des Rotors um mehr als den ersten Schwellenwert von der be- stimmten Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator abweicht. In diesem Fall ist beispielsweise die bestimmte Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator um mehr als den ersten Schwellenwert kleiner als die bestimmte Drehzahl des Rades und/oder des Rotors, sodass der Stromge- nerator Strom mit einer Frequenz erzeugt, die kleiner als die Drehzahl des Rades und/oder des Rotors (gegenüber der Radachse) ist. Dies ist der in der Praxis beim Überschlagen des Stators häufigste Fall, der dann auftritt, wenn der im Generatormodus arbeitende, in die Arbeitsstellung ausge- lenkte Stator durch eine zusätzlich einwirkende Beschleuni- gung, beispielsweise aufgrund eines Stoßes, noch weiter ausgelenkt wird und dann das durch die Schwerkraft erzeugte Drehmoment am Stator nicht mehr ausreicht, um das elektri- sehe Gegendrehmoment des Stromgenerators am Stator auszu- gleichen und sich im Gleichgewicht zu halten. In diesem Fall überschlägt sich dann der Stator in die gegenüber der Drehung des Rades und/oder des Rotors des Rotors entgegen- gesetzte Richtung, d. h. die Drehzahl des Rades und/oder des Rotors ist größer als die Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator. Wenn dann der Rotor derart mit Strom beaufschlagt wird, dass der Stator hierdurch beschleunigt wird, wird der sich Überschlagende Stator entgegen seiner Drehrichtung beschleunigt, um ihn in eine statische Ar- beitsstellung zu bringen.

Es kann aber auch sein, dass sich der im Generatormodus ar- beitende, in die Arbeitsstellung ausgelenkte Stator durch die zusätzlich einwirkende Beschleunigung, beispielsweise aufgrund eines Stoßes, in die Richtung überschlägt, die entgegengesetzt zu der Richtung ist, in die er von der Ru- hestellung in die Arbeitsstellung ausgelenkt wurde. In die- sem Fall überschlägt sich dann der Stator in die gleiche Drehrichtung, in der sich das Rad und/oder des Rotors der Rotor dreht, d. h. die Drehzahl des Rades und/oder des Ro- tors ist kleiner als die Differenzdrehzahl des Rotors ge- genüber dem Stator. Wenn dann der Rotor derart mit Strom beaufschlagt wird, dass der Stator hierdurch beschleunigt wird, wird der sich Überschlagende Stator entgegen seiner Drehrichtung beschleunigt, um ihn in eine statische Ar- beitsstellung zu bringen.

In der praktischen Anwendung der Erfindung können beide Fälle beispielsweise dadurch berücksichtigt werden, dass beim Vergleichen der bestimmten Drehzahl des Rades und/oder des Rotors oder des Rotors mit der bestimmten Dif- ferenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator auf den Ab- solutwert dieses Vergleichswertes abgestellt wird. Man kann aber auch das Vorzeichen des Vergleichswertes berücksich- tigen, um bei einem positiven oder negativen Vergleichswert den ersten Schwellenwert mit einem hierzu korres- pondierenden Vorzeichen zu setzen.

Im theoretischen Idealfall ist der erste Schwellenwert, bei dessen Überschreiten in dem ersten Schritt des erfindungs- gemäßen Verfahrens auf ein Überschlagen des Stators ge- schlossen und der zweite Schritt des Einfangens durch Be- stromen des Rotors eingeleitet wird, null, d. h. schon beim Ermitteln einer geringsten Abweichung der bestimmten Dreh- zahl des Rades und/oder des Rotors von der bestimmten Dif- ferenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator wird auf das Vorliegen eines Überschlagens des Stators geschlossen. In der praktischen Anwendung muss jedoch eine gewisse Toleranz zugelassen werden. Dies beruht beispielsweise auf Toleran- zen der Messgenauigkeit der zum Ermitteln der Drehzahlen verwendeten Verfahren oder Sensoren oder darauf, dass der Stator in der Arbeitsstellung geringfügige Bewegungen um seine statische Gleichgewichtsstellung oder aus dieser her- aus in eine andere Gleichgewichtsstellung ausführt, die beispielsweise durch Erschütterungen oder Lastwechsel be- dingt sind und in der Regel nicht zu einem Überschlagen führen.

Dasselbe gilt für den zweiten Schwellenwert in dem zweiten Schritt, bei dessen Unterschreiten detektiert wird, dass das Überschlagen des Stators beendet ist, wonach der Rotor nicht mehr zum Beschleunigen des Stators mit Strom beauf- schlagt wird und der Stromgenerator von dem Motormodus in den Generatormodus zurückkehrt. Der zweite Schwellenwert in dem zweiten Schritt kann, muss aber nicht derselbe wie der erste Schwellenwert in dem ersten Schritt sein.

In vorteilhaften Ausführungsformen kann daher vorgesehen sein, dass mindestens einer der Schwellenwerte einen fest vorgegebenen, von Null abweichenden Wert hat, insbesondere zwischen 0,1/s und 20/s, bevorzugt zwischen 0,2/s und 10/s und besonders bevorzugt zwischen 0,5/s und 5/s.

In anderen vorteilhaften Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass mindestens einer der Schwellenwerte einen von Null abweichenden Wert hat, der von der Geschwindigkeit des mit dem Rad bewegten Objektes oder von der Drehzahl des Ro- torsund/oder des Rades abhängt und aus dieser abgeleitet wird, insbesondere einem prozentualen Teil der Drehzahl des Rades und/oder des Rotors entspricht.

Der erfindungsgemäße Stromgenerator ist derart an einem Rad montierbar, dass sich beim Drehen des Rades der Rotor rela- tiv zu dem Stator dreht. Der Rotor ist folglich mit dem Rad fest verbunden, beispielsweise mit der Nabe des Rades, da- her ist in diesem Fall die Drehzahl des Rotors gleich der Drehzahl des Rades bzw. der Drehzahl der Felge des Rades. Die Drehzahl des Rotors kann somit nicht nur direkt an dem Rotor selbst gemessen, sondern auch über die Drehzahl des Rades oder der Felge bestimmt werden. In vorteilhaften Aus- führungsformen kann vorgesehen sein, dass die Drehzahl des Rades bzw. des Rotors auf mindestens eine der folgenden Weisen bestimmt wird:

Verwendung eines Drehzahlsensors, der die Drehzahl misst, Verwendung eines Beschleunigungssensors, der die Größe der Zentrifugalbeschleunigung oder die Frequenz der Richtungsänderung gegenüber der Schwerkraft misst, Verwendung eines Magnetfeldsensors, der die Frequenz der Richtungsänderung gegenüber dem Erdmagnetfeld oder ge- genüber einem Referenzmagneten misst, Verwendung eines induktiven Sensors, Verwendung eines Ultraschallsensors, Verwendung eines optischen Sensors, Verwendung eines exzentrisch ausgerichteten Mikrofons zum Erfassen von Abrollgeräuschen des Rades.

Die Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator kann in bevorzugten Ausführungsformen auf mindestens eine der folgenden Weisen bestimmt werden:

Bestimmung des zeitlichen Abstandes der Nulldurchgänge des von dem Rotor erzeugten Stromes oder mindestens ei- ner Phase des Stromes, Verwendung eines Drehzahlsensors, beispielsweise eines Hallsensors, der die Differenzdrehzahl misst.

Der von den Leiterwicklungen des Rotors im Generatormodus erzeugte Strom hat einen sinusförmigen Verlauf, dessen Fre- quenz durch die Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator gegeben ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor beispielsweise drei Spulenpaare auf, die jeweils eine Phase erzeugen. Zum Bestimmen der Differenz- drehzahl des Rotors gegenüber dem Stator können die Null- durchgänge der sinusförmigen Spannung einer Phase des Stromgenerators ermittelt und deren zeitlicher Abstand er- fasst werden. Aus dem zeitlichen Abstand der Nulldurchgänge bzw. der Frequenz der Nulldurchgänge kann die Frequenz der Phase und somit die Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator ermittelt werden.

Die Erfindung eignet sich grundsätzlich zur Anwendung bei jeder Art von Rad, mit dem ein Objekt bewegt wird. Dabei ist es egal, ob es sich um ein Rad handelt, das zum Bewegen des Objektes motorisch angetrieben wird oder das beim Bewe- gen des Objektes passiv mitläuft, also durch das Bewegen des Objektes in Rotation versetzt wird. Auch hinsichtlich des bewegten Objektes besteht generell keine Einschränkung. Es kann beispielsweise ein Rad eines auf oder an einer Schiene bewegten Objektes, z. B. eines Schienenfahrzeuges (z. B. Lokomotive, Waggon, Achterbahn) oder einer schienen- gebundenen Transportvorrichtung (z. B. einer Elektrohänge- bahn), oder insbesondere eines Straßenfahrzeuges (z. B. Au- to, Motorrad, Fahrrad), oder ein anderes Rad, z. B. einer Transportkarre, sein. Ein bevorzugter Anwendungsbereich ist die Verwendung bei einem Rad eines Kraftfahrzeuges, insbe- sondere einem Leichtmetallrad. Vorzugsweise ist das mittels des Rades bewegte Objekt ein Fahrzeug.

Ein zweiter erfindungsgemäßer Aspekt, der in Kombination mit oder auch unabhängig von dem vorstehend erläuterten ersten erfindungsgemäßen Aspekt des Einfangens eines durch- gehenden Stators angewendet werden kann, richtet sich da- rauf, die Häufigkeit des Auftretens des Überschlagens des Stators durch geeignete Maßnahmen zu verringern. Hierzu wird bei einem elektromagnetischen Stromgenerator, der ei- nen drehbar gelagerten Stator mit einem exzentrischen Mas- senschwerpunkt und einen relativ zu dem Stator drehbaren Rotor aufweist und der derart an einem Rad eines mittels des Rades bewegbaren Objektes montierbar ist, dass sich beim Drehen des Rades der Rotor relativ zu dem Stator dreht und dadurch der Stromgenerator Strom erzeugt, gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt insbesondere vorgeschla- gen, dass der von dem Stromgenerator in einem Generatormo- dus abgegebene Strom mittels einer Lastregelung derart ge- regelt wird, dass er unterhalb eines vorgegebenen Grenzwer- tes bleibt.

Im regulären Betrieb des Stromgenerators, d. h. im strom- erzeugenden Generatormodus, dreht bzw. überschlägt sich der Stator wie bereits gesagt nicht, während sich der Rotor zu- sammen mit dem Rad dreht, sondern wird lediglich aus seiner Ruhestellung in eine nahezu statische Arbeitsstellung aus- gelenkt, in der das durch den exzentrischen Massenschwer- punkt des Stators gegebene Drehmoment am Stator dem durch die Stromerzeugung des Stromgenerators gegebenen Drehmoment am Stator entspricht. Der zweite erfindungsgemäße Aspekt beruht auf der Erkenntnis, dass der Stromgenerator unemp- findlicher gegenüber ein Überschlagen auslösenden Einflüs- sen ist, wenn im Generatormodus des Stromgenerators die Auslenkung des Stators aus seiner senkrechten Ruhestellung in die Arbeitsstellung weniger als 90°, vorzugsweise we- niuger als 60°, insbesondere zwischen 30° bis 60° beträgt.

Der zweite erfindungsgemäße Aspekt richtet sich somit auf die Ansteuerung oder Regelung des Stromgenerators im norma- len Generatorbetrieb in der Weise, dass der Stator um nicht mehr als ca. 90° gegenüber der Vertikalen ausgelenkt wird. Ohne Lastregelung würde mit größer werdender Geschwindig- keit des von dem Rad bewegten Objektes, also mit zunehmen- der Fahrgeschwindigkeit, die Auslenkung des Stators zuneh- men und irgendwann ein Überschlagen des Stators erfolgen. Durch die Lastregelung wird die Stromentnahme jedoch derart reduziert, dass die Auslenkung des Stators auch bei hoher Drehzahl des Rades begrenzt wird, ohne dass sie mit größer werdender Drehzahl des Rades zunimmt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Last- regelung insbesondere folgende Schritte:

Einen ersten Schritt zum Bestimmen einer für eine momen- tane Geschwindigkeit des mit dem Rad bewegten Objektes charakteristischen Drehzahl, aus der abgeleitet werden kann, wie groß die momentan maximal von dem Stromgenera- tor ohne Lastregelung erzeugbare elektrische Leistung ist, einen zweiten Schritt, in dem geprüft wird, ob die be- stimmte charakteristische Drehzahl größer als eine, ins- besondere benutzerdefinierte, Einschaltschwelle ist, falls der zweite Schritt positiv beantwortet wird, einen dritten Schritt, in dem dem Stromgenerator eine insbe- sondere benutzerdefinierte elektrische Last entnommen wird, und einen vierten Schritt, in dem die charakteris- tische Drehzahl wieder bestimmt wird, sowie einen fünf- ten Schritt, in dem geprüft wird, ob diese charakteris- tische Drehzahl kleiner als eine insbesondere benutzer- definierte Ausschaltschwelle ist, falls der fünfte Schritt negativ beantwortet wird, einen sechsten Schritt, in dem die Generatorlast, d. h. der von dem Stromgenerator abgegebene Strom, in Abhängigkeit von der charakteristischen Drehzahl geregelt wird, falls der fünfte Schritt positiv beantwortet wird, einen alternativen sechsten Schritt, in dem die Generatorlast abgeschaltet wird.

Dieses Ablaufschema wird vorzugsweise in einer Regeldauer- schleife ausgeführt, wobei die Regelung vorzugsweise nur einsetzt, wenn die von dem Stromgenerator abgegebene elekt- rische Last die Einschaltschwelle überschreitet und die Ausschaltschwelle nicht unterschreitet. Die Anwendung der Einschaltschwelle verhindert, dass die Lastregelung schon bei kleinen elektrischen Lasten störend eingreift, und die Anwendung der Ausschaltschwelle verhindert, dass sich die Lastregelung mit einer hohen Frequenz alternierend ein- und ausschaltet. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Aus- schaltschwelle kleiner als die Einschaltschwelle.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorzugweise vor- gesehen sein, dass die in dem dritten Schritt dem Stromge- nerator entnommene Last so eingestellt wird, dass es sich nur um eine geringe elektrische Last handelt. Eine geringe elektrische Last in diesem Sinne kann vorzugsweise eine elektrische Last sein, die erheblich kleiner als die maxi- mal von dem Stromgenerator erzeugbare elektrische Leistung ist, beispielsweise 0,5 % bis 20 %, vorzugsweise 1 % bis 10 % und besonders bevorzugt 2 % bis 5 % der maximalen Leistung beträgt, oder die erheblich kleiner als die im ak- tuellen Betriebszustand des Stromgenerators erzeugbare elektrische Leistung ist, beispielsweise 0,5 % bis 20 %, vorzugsweise 1 % bis 10 % und besonders bevorzugt 2 % bis 5 % dieser Leistung beträgt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann vorgesehen werden, dass als charakteristische Drehzahl die Drehzahl des Rades und/oder des Rotors oder die Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator bestimmt wird. Da im Gene- ratorbetrieb bei sich nicht überschlagendem Stator die Drehzahl des Rades näherungsweise mit der Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator korrespondiert, kann der von dem Stromgenerator abgegebene Strom in vorteilhaften Ausführungsformen in Abhängigkeit von der Drehzahl des Ra- des und/oder des Rotors oder der Differenzdrehzahl des Ro- tors gegenüber dem Stator geregelt werden. Aus beiden Grö- ßen kann abgeleitet werden, wie groß die momentan maximal von dem Stromgenerator ohne Lastregelung erzeugbare elekt- rische Leistung ist.

Die Bestimmung der Drehzahl des Rades und/oder des Rotors und/oder der Differenzdrehzahl des Rotors gegenüber dem Stator kann bei der Lastregelung auf die gleiche Weise, d. h. mit den gleichen Verfahren und/oder Sensoren wie beim Einfangen des Stators erfolgen. In bevorzugten Ausführungs- formen wird bei der Lastregelung die Drehzahl des Rades und/oder des Rotors und/oder die Differenzdrehzahl des Ro- tors gegenüber dem Stator auf genau dieselbe Weise wie beim Einfangen des Stators durchgeführt, sodass bei der Lastre- gelung hierfür kein zusätzlicher baulicher Aufwand erfor- derlich ist.

In vorteilhaften Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass in dem sechsten Schritt, in dem die Generatorlast, d. h. der von dem Stromgenerator abgegebene Strom, mittels der Lastregelung geregelt wird, die Lastregelung gemäß ei- ner vorgegebenen Charakteristik des Stromgenerators durch- geführt und dabei ein vordefiniertes oder programmiertes Kennfeld verwendet wird, in dem die elektrische Leistung des Stromgenerators im Generatormodus in Abhängigkeit von der charakteristischen Größe oder der Geschwindigkeit des mit dem Rad bewegten Objektes festgelegt ist.

Der erfindungsgemäße Stromgenerator umfasst vorzugsweise Mittel zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In vorteilhaften Ausführungsformen weist der Stromgenerator ein Gehäuse auf, mit dem er an einem Rad montierbar ist, wobei das Gehäuse vorzugsweise in einen zylindrischen Hohl- raum der Nabe des Rades einsetzbar ist und/oder das Gehäuse an das Rad angepasst ist. Der Stator ist vorzugsweise kon- zentrisch zum Rotor angeordnet.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Rad, insbesondere für ein Fahrzeug, insbesondere ein Leichtme- tallrad, mit einer Nabe, die einen zylindrischen Hohlraum aufweist, wobei in dem zylindrischen Hohlraum der Nabe ein erfindungsgemäßer elektromagnetischer Stromgenerator ange- ordnet ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen erläutert sind. Die darin be- schriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombi- nation miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausge- staltungen der Erfindung zu schaffen. Gleiche oder gleich wirkende Teile werden in den verschiedenen Figuren mit den- selben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben, auch wenn sie bei anderen Ausführungsformen vorteilhaft eingesetzt werden können. Es zeigen:

Fig. 1 eine Explosionsdarstellung eines Ausführungs- beispiels eines erfindungsgemäßen Stromgenera- tors,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht zu Fig. 1,

Fig. 3 einen Vollschnitt zu Fig. 2 in isometrischer

Darstellung, Fig. 4 den Vollschnitt der Fig. 2 in Seitenansicht,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Rades mit dem Stromgenerator gemäß Fig. 1,

Fig. 6 einen radialen Vollschnitt zu Fig. 5,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Auslenkung des Stators im Generatormodus des Stromgenera- tors gemäß Fig. 1,

Fig. 8 ein beispielhaftes Ablaufschema einer Steuerung des Stromgenerators beim Wiedereinfangen eines sich Überschlagenden Stators,

Fig. 9 ein Diagramm im Generatormodus des Stromgenera- tors,

Fig. 10 ein beispielhaftes Ablaufschema der Regelung des Stromgenerators mit einer Lastregelung im Generatormodus,

Fig. 11 eine Kennlinie zum Realisieren einer Lastrege- lung des Stromgenerators und

Fig. 12 ein Blockschaltbild des Stromgenerators.

Die Fig. 1 veranschaulicht in einer Explosionsdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromgene- rators 1 mit einem Gehäuse 2 und allen zugehörigen Kompo- nenten, um ein vollständiges Modul zu bilden, das bei- spielsweise in den zylindrischen Hohlraum einer Nabe 19 ei- nes Rades 17 eingesetzt werden kann. Der Aufbau des Strom- generators 1 gemäß Fig. 1 entspricht weitgehend dem des aus dem Dokument DE 202018 000 629 Ul bekannten Stromgenera- tors 1 und weist zusätzlich die Besonderheit auf, dass er als Weiterentwicklung des bekannten Stromgenerators 1 Mit- tel umfasst, um den drehbar gelagerten Stator 3 im Falle seines Überschlagens einzufangen und den von dem Stromgene- rator 1 abgegebenen Strom mittels einer Lastregelung zu re- geln.

Das Kernstück des Stromgenerators 1 bilden ein drehbar ge- lagerter Stator 3 mit einem exzentrischen Massenschwerpunkt und ein relativ zu dem Stator 3 drehbarer Rotor 4, der kon- zentrisch zu dem Stator 3 angeordnet ist. Der Stator 3 be- steht aus ferromagnetischem Material oder ist über seinen Umfang mit Dauermagneten bestückt. Der Stator 3 ist mittels eines Kugellagers 5 relativ zu dem Rotor 4 frei drehbar an- geordnet und weist über einen Teilumfang ein radial aus- greifendes Gewichtsteil 6 auf, das einen exzentrischen Mas- senschwerpunkt des Stators 3 zur Folge hat, sodass sich der Stator 3 im Normalfall nicht mit dem sich drehenden Rad 17 dreht, in das der Stromgenerator 1 montiert ist, sondern aufgrund der Schwerkraft im Wesentlichen vertikal nach un- ten ausgerichtet bleibt. Der Rotor 4 ist mit Leiter- wicklungen bestückt, beispielsweise in Fig. 1 mit drei Spu- lenpaaren. Wenn die Leiterwicklungen des Rotors 4 mit dem Rotor 4 in dem Stator 3 rotiert werden, wird in ihnen eine Spannung induziert und der Stromgenerator 1 erzeugt Strom.

Der Stator 3 und der Rotor 4 sind in einem Gehäuse 2 des Stromgenerators 1 angeordnet, das einen Haltering umfasst, der auf einer axial unteren, in Fig. 1 hinteren Seite mit einem Gehäuserückdeckel 7 und auf einer axial oberen, in Fig. 1 vorderen Seite mit einem Gehäusevorderdeckel 8 ver- schlossen ist. Der Gehäuserückdeckel 7 trägt eine zentrale axiale Lagerungsachse 9, die sich beim Drehen des Gehäuses 2 bzw. des Gehäuserückdeckels 7 in gleicher Weise mit dreht. Auf der Lagerungsachse 9 sind das Kugellager 5 für den Stator 3 und der Rotor 4 angeordnet. Der Stator 3 kann sich mittels des Kugellagers 5 auf der Lagerungsachse 9 drehen und dadurch in einer festen Stellung im Raum blei- ben, wenn sich das Gehäuse 2 dreht. Der Rotor 4 ist dagegen nicht drehbar auf der Lagerungsachse 9 angeordnet, sodass er sich beim Drehen des Gehäuses 2 mit diesem mit dreht.

Zum elektrischen Kontaktieren der Spulen des Rotors 4 dient eine Spulenplatine 10 mit einem Kontaktstück 11, das die elektrische Verbindung zu einer Elektronikplatine 12 her- stellt, die auf einer Platte 13 angeordnet ist, die als Grundträger dient oder einen mittels des Stromgenerators 1 wieder aufladbaren elektrischen Energiespeicher, beispiels- weise einen Akkumulator (ein Lithium-Ionen-Akkumulator oder ein anderer Typ) oder einen Kondensator, enthalten kann, mit dem die von dem Stromgenerator 1 erzeugte elektrische Energie zur Stromversorgung eines Verbrauchers zwischen- gespeichert wird. Auf dem Gehäusevorderdeckel 8 ist ein Zierdeckel 14 angebracht und alle Teile werden durch eine axiale Schraube 15 mit zugehörigem Gegenstück 16 zusammen- gehalten.

Wenn das Gehäuse 2 drehfest mit dem Rad 17 verbunden ist, beispielsweise in den Hohlraum der Nabe 19 des Rades 17 eingesetzt ist, kann der in dem Gehäuse 2 angeordnete Stromgenerator 1 beim Drehen des Rades 17 elektrischen Strom erzeugen und bereitstellen, ohne dass eine bauliche Veränderung an dem Rad 17 erforderlich ist. Beim Drehen des Rades 17 dreht sich der Rotor 4 mit dem Rad 17 mit, sodass sich beim Drehen des Rades 17 der Rotor 4 relativ zu dem Stator 3 dreht und dadurch der Stromgenerator 1 Strom er- zeugt. Dabei wird der Stator 3 stationär aus seiner Ruhe- stellung in eine Arbeitsstellung ausgelenkt und der Strom- generator 1 erzeugt aus dem Drehen des Rades 17 unmittelbar in dem Rad 17 zur Verfügung stehende elektrische Energie.

Der Stator 3 ist aufgrund der Lagerung durch das Kugellager 5 frei drehbar, was erforderlich ist, damit er sich nicht mit dem drehenden Rad 17 mit dreht, sondern in einer stati- onären Arbeitsstellung verbleibt. Durch äußere Einflüsse, beispielsweise Erschütterungen, kann es jedoch dazu kommen, dass sich der Stator 3 überschlägt, also in unerwünschte Rotation versetzt wird. Die Erfindung richtet sich darauf, den drehbar gelagerten Stator 3 im Falle seines Überschla- gens einzufangen, sowie insbesondere in weiterer Ausgestal- tung den von dem Stromgenerator 1 abgegebenen Strom mittels einer Lastregelung zu regeln, um den Stromgenerator 1 un- empfindlicher gegen für das Überschlagen auslösende Ein- flüsse zu machen. Die Erfindung wird im Wesentlichen durch Funktionen realisiert, die von der Elektronikplatine 12 be- reitgestellt werden. Diese betreffen insbesondere das Ein- fangen des drehbar gelagerten Stators 3 im Falle seines Überschlagens oder das Regeln des von dem Stromgenerator 1 abgegebenen Stromes mittels einer Lastregelung.

Die Elektronikplatine 12 oder andere Bauelemente des Strom- generators 1 können insbesondere einzelne oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen:

Ein Mittel, das zum Erkennen, ob sich der Stator 3 über- schlägt, ausgebildet ist, ein Mittel zum Bestimmen der Drehzahl des Rades und/oder des Rotors, ein Mittel zum Bestimmen der Differenzdrehzahl des Ro- tors 4 gegenüber dem Stator 3, ein Mittel zum Vergleichen der bestimmten Drehzahl des Rades und/oder des Rotors und der bestimmten Differenz- drehzahl des Rotors 4 gegenüber dem Stator 3, ein Mittel, das zum Erkennen des Überschlagens des Sta- tors 3 daraus ausgestaltet ist, dass die bestimmte Dreh- zahl des Rades und/oder des Rotors um mehr als einen insbesondere benutzerdefinierten ersten Schwellenwert von der bestimmten Differenzdrehzahl des Rotors 4 gegen- über dem Stator 3 abweicht, ein Mittel, das dazu ausgebildet ist, für den Fall, dass von dem ersten Mittel ein Überschlagen des Stators 3 er- kannt wird, das Überschlagen des Stators 3 zu beenden, indem der Rotor 4 derart mit Strom beaufschlagt wird, dass der Stator 3 hierdurch beschleunigt wird, bei- spielsweise während einer vorgegebenen Zeitdauer oder bis die Drehzahl des Rades und/oder des Rotors um weni- ger als einen insbesondere benutzerdefinierten zweiten Schwellenwert von der Differenzdrehzahl des Rotors 4 ge- genüber dem Stator 3 abweicht, ein Mittel, mit dem der Stromgenerator 1 aus dem Genera- tormodus, in dem in den Leiterwicklungen des Rotors 4 Strom erzeugt wird, in einen Motormodus umgeschaltet wird, in dem von den mit Strom beaufschlagten Leiter- wicklungen des Rotors 4 ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugt wird, durch das der sich Überschlagende, dre- hende Stator 3 angetrieben und mittels der Stromzufüh- rung zu dem Rotor 4 wieder in eine stationäre Arbeits- stellung gebracht wird, wobei vorzugsweise der Rotor 4 im Motormodus derart mit Strom beaufschlagt wird, dass er ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das sich mit der bestimmten Drehzahl des Rades bzw. des Rotors oder der bestimmten Differenzdrehzahl des Rotors 4 gegenüber dem Stator 1 dreht, ein Mittel zum Bestimmen einer für eine momentane Ge- schwindigkeit des mit dem Rad bewegten Objektes cha- rakteristischen Drehzahl, aus der abgeleitet werden kann, wie groß die momentan maximal von dem Stromgenera- tor 1 ohne Lastregelung erzeugbare elektrische Leistung ist, ein Mittel zum Prüfen, ob die bestimmte charakteristi- sche Drehzahl größer als eine insbesondere benutzerdefi- nierte Einschaltschwelle ist, ein Mittel zum Entnehmen einer elektrischen Last aus dem Stromgenerator 1, ein Mittel zum Prüfen, ob die bestimmte charakteristi- sche Drehzahl kleiner als eine, insbesondere benutzerde- finierte, Ausschaltschwelle ist, ein Mittel zum Regeln des von dem Stromgenerator 1 abge- gebenen Stromes in Abhängigkeit von der charakteristi- schen Drehzahl, ein Mittel zum Abschalten der Generatorlast, ein Mittel zum Stabilisieren oder Regeln der von dem Stromgenerator 1 erzeugten elektrischen Spannung, ein Mittel zum Speichern der von dem Stromgenerator er- zeugten elektrischen Energie, ein Mittel zum Ansteuern des Stromgenerators 1 im Gene- ratormodus und ein Mittel zum Ansteuern des Stromgenerators 1 im Motor- modus.

Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Strom- generators 1 von Fig. 1, die Fig. 3 einen Vollschnitt zu Fig. 2 in isometrischer Darstellung und die Fig. 4 einen Vollschnitt zu Fig. 2 in Seitenansicht.

Die Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Rades 17 mit einem erfindungsgemäßen Stromgenerator 1. Bei dem bei- spielhaft dargestellten Rad 17 handelt es sich um ein ge- bräuchliches Leichtmetallrad eines Kraftfahrzeuges mit ei- ner Felge 18, auf die ein nicht dargestellter Reifen aufge- zogen werden kann. Das Rad 17 umfasst eine radial zentriert angeordnete Nabe 19, die hierzu koaxiale Felge 18 und ein sich zwischen Felge 18 und Nabe 19 erstreckendes Radial- teil. Das Radialteil kann beispielsweise eine Radscheibe, auch mit Unterbrechungen, sein oder aus mehreren über den Umfang des Rades verteilten Radspeichen 20 bestehen, die sich radial von der Nabe 19 zur Felge 18 hin erstrecken, beispielsweise fünf oder sieben Radspeichen 20, die bevor- zugt in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

Die Nabe 19 ist hohlzylindrisch ausgebildet. Wenn das Rad 17 an die Achse eines Fahrzeugs montiert ist, ragt die Fahrzeugwelle in den Hohlraum der Nabe 19, wobei das Rad 17 mittels durch die Nabe 19 umgebende Durchbrüche hindurch- gesteckter Verbindungsschrauben mit einer mit der Achse des Fahrzeugs fest verbundenen Befestigungsscheibe verbunden ist, so dass beim Drehen der Welle des Fahrzeugs das Rad 17 ebenfalls in Drehung versetzt wird bzw. bei einem nicht an- getriebenen Rad 17 sich das Rad 17 auf der Achse drehen kann, wenn sich das Fahrzeug bewegt.

Der Stromgenerator 1 weist gemäß Fig. 5 ein Gehäuse 2 auf, mit dem er an dem Rad 17 montiert ist, wobei das Gehäuse 2 in einen zylindrischen Hohlraum der Nabe 19 des Rades 17 eingesetzt ist und an das Rad 17 angepasst ist. Die Anpas- sung des Gehäuses 2 an das Rad 17 kann das Design und/oder die Konstruktion bzw. die Abmessungen des Rades 17, der Na- be 19 oder des Hohlraumes betreffen. Der Stromgenerator 1 bildet eine autonome, d. h. von einer äußeren Energiezufuhr unabhängige Einheit bzw. ein Modul, das für die Verwendung an vielen unterschiedlichen Felgen 18 bzw. Rädern 17 geeig- net ist.

Der Stromgenerator 1 kann auch für seine Verwendung bei be- liebiger Drehrichtung des Rades 17 ausgebildet sein, bei- spielsweise für die Räder 17 eines Fahrzeuges sowohl an der linken als auch an der rechten Fahrzeugseite. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Drehrichtung des Rades 17, insbe- sondere bei der Vorwärtsfahrt des damit bewegten Objektes, mittels der Elektronikplatine 12 oder eines Sensors automa- tisch erkannt und ausgewertet wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Stromgenerator 1 zum Einsatz bei zwei verschiedenen Drehrichtungen und damit für den Einsatz auf der linken sowie rechten Fahrzeugseite ausgebildet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann dabei ein Vier- Quadranten-Betrieb realisiert werden, der die Parameter Ge- neratormodus, Motormodus, Linkslauf und Rechtslauf berück- sichtigt und bei dem die Drehrichtung damit automatisch er- kannt wird.

Bei dem beispielhaft in Fig. 5 dargestellten Rad 17 ist der elektromagnetische Stromgenerator 1 in dem zylindrischen Hohlraum der Nabe 19 angeordnet. Er umfasst wie bereits ge- sagt den Zierdeckel 14, der als Nabenkappe dient, einen ge- ringen Teil der äußeren Höhe des Hohlraums einnimmt und mit dem er im axial außen liegenden Bereich des Hohlraums im Zentrum der Nabe 19 drehfest eingesetzt ist. Wenn sich das Rad 17 dreht, drehen sich mit gleicher Drehzahl wie das Rad 17 der Zierdeckel 14, das Gehäuse 2 mit Gehäusevorderdeckel 8 und Gehäuserückdeckel 7, die Elektronikplatine 12, die Platte 13, die Spulenplatine 10 und der Rotor 4 mit den Leiterwicklungen bzw. Spulenpaaren, während der relativ zu dem Rotor 4 frei drehbare Stator 3 aufgrund seines aufgrund des Gewichtsteils 6 exzentrisch angeordneten Schwerpunkts durch die Erdanziehung in einer festen statischen Position relativ zur Ausrichtung der Gravitationskraft bleibt.

Durch das Drehen des Rotors 4 in dem Stator 3 beim Drehen des Rades 17 wird in dem Rotor 4 elektrischer Strom er- zeugt, der über die Elektronikplatine 12 gesteuert in dem Rad 17 einem elektrischen Verbraucher oder einem wieder aufladbaren elektrischen Energiespeicher zugeführt werden kann. Auf diese Weise kann an oder in dem Rad 17, das sich an einem Fahrzeug dreht, ohne Notwendigkeit der Veränderung des Rades 17 und ohne großen Aufwand elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden, die allein aus dem Drehen des Rades 17 gewonnen wird. Der Stromgenerator 1 stellt so- mit einen Energie-Harvester dar, d. h. ein Bauteil, das Energie nutzbar macht, die in der Einsatzumgebung des Bau- teils verfügbar ist.

Die Fig. 6 zeigt einen radialen Vollschnitt des in Fig. 5 dargestellten Rades 17 mit Stromgenerator 1.

Die Fig. 7 veranschaulicht in einer schematischen Darstel- lung die Auslenkung des Stators 3 im Generatormodus des Stromgenerators 1, d. h. bei der Stromerzeugung in einem sich drehenden Rad 17. Wenn sich das mit dem Rad 17 bewegte Objekt mit der Geschwindigkeit v bewegt, dreht sich das Rad 17 mit der zugehörigen Drehzahl n.Rad bzw. der Winkel- geschwindigkeit ω.Rad. Mit derselben Drehzahl n.Rotor = n.Rad dreht sich auch der Rotor 4 des Stromgenerators 1 mit den Spulenpaaren. Der Stator 3 hat einen exzentrischen Mas- senschwerpunkt 21 und ist frei drehbar gelagert. Wenn der Stator 3 gedreht wird, verändert sich der Auslenkungswinkel ß seines Massenschwerpunktes 21. Zur Veranschaulichung ist der Stator 3 in Fig. 7 als ausschwingendes Pendel 22 veran- schaulicht .

In der Ruhestellung, d. h. wenn das Rad 17 und der Rotor 4 stehen und der Stromgenerator 1 keinen elektrischen Strom erzeugt, wird der als Pendel 22 ausgebildete, drehbar gela- gerte Stator 3 aufgrund seines exzentrischen Massenschwer- punkts 21 durch die Schwerkraft in eine vertikale Ruhestel- lung nach unten gedreht und dort gehalten. Der Auslenkungs- winkel ß beträgt dann 0°. Im Generatorbetrieb, d. h. wenn sich das Rad 17 und der der Rotor 4 drehen, erzeugt der Stromgenetor 1 elektrischen Strom bzw. elektrische Leis- tung. Dabei bewirkt der Rotor 4 auf den Stator 3 ein kor- respondierendes Drehmoment M.Gen des Stromgenerators 1, durch das der Stator 3 aus der Ruhestellung um den Auslen- kungswinkel ß so weit in eine Arbeitsstellung gedreht wird, bis das durch die Gewichtskraft bewirkte Drehmoment M.Stator des Stators 3 dem durch die Induktion bewirkte Drehmoment M.Gen des Stromgenerators 1 entspricht, die an dem Stator 3 bzw. Pendel 22 wirkende Schwerkraft also das Gegendrehmoment zu dem Drehmoment M.Gen des Stromgenerators 1 bereitstellt. In der Arbeitsstellung ist also

M.Stator = M.Gen mit

M.Stator = Gegendrehmoment des Stators

M.Gen = Drehmoment des Generators

Aus dieser Gleichung folgt, dass sich im Gleichgewicht der Auslenkungswinkel ß des Stators 3 derart einstellt, dass folgende Beziehung gilt: r x m.Stator x g x sin ß = (U x I)/ω.Rad mit r = Abstand des exzentrischen Massenschwerpunkts des Sta- tors von seiner Drehachse m.Stator = Masse des Stators (des Pendels) g = Erdbeschleunigung ß = Auslenkungswinkel des Stators aus der Ruhestellung U = elektrische Spannung des Stromgenerators I = elektrischer Strom des Stromgenerators ω.Rad = Winkelgeschwindigkeit des Rades bzw. des Rotors

Im regulären Betrieb ist die Auslenkung des Stators 3 aus der Ruhestellung nahezu statisch bzw. konstant und wird von dem aufgrund der Induktion bewirkten Drehmoment M.Gen des Stromgenerators 1 bestimmt. Durch im Fährbetrieb einwirken- de Störungen kann es jedoch dazu kommen, dass der Stator 3 aus der Arbeitsstellung derart ausgelenkt wird, dass er sich überschlägt, also ungewollt und unkontrolliert zu ro- tieren beginnt. Durch das erfindungsgemäße Einfangen des Stators 3 wird das Auftreten dieses Überschlagens im Feh- lerfall erkannt und das Überschlagen beendet.

Die Fig. 8 zeigt ein beispielhaftes Ablaufschema eines er- findungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Strom- generators 1 beim Wiedereinfangen des sich Überschlagenden Stators 3. Nach dem Initialisieren 23 der Steuerung wird in einem ersten Schritt S1 die Drehzahl n.Rad des Rades 17 und/oder des Rotors 4 relativ zur feststehenden Radachse bestimmt. Dies erfolgt mit einem Mittel Sl.M zum Bestimmen des Systemstatus im Generatormodus beispielsweise durch Auslesen und Auswerten von Daten eines hierzu verbauten Drehzahl- oder Beschleunigungssensors oder einer alter- nativen Komponente.

Im nächsten Schritt wird in einer Abfrage Al überprüft, ob sich das Rad 17 dreht, d. h. ob die Drehzahl n.Rad des Ra- des 17 oder die entsprechende Drehzahl n.Rotor des Rotors 4 größer als Null ist. Falls die Antwort ja ist, wird im nachfolgenden Schritt S2 die Differenzdrehzahl n.Diff des Rotors 4 gegenüber dem Stator 3 bestimmt. Dies erfolgt mit einem Mittel S2.M zum Bestimmen des Systemstatus im Genera- tormodus beispielsweise durch das Bestimmen des zeitlichen Abstands der Nulldurchgänge der sinusförmigen Spannung ei- ner Stromphase des Rotors 4, woraus die Differenzdrehzahl n.Diff ermittelt werden kann. Alternativ kommt auch das Nutzen von Signalen eines im Rad 17 verbauten Hallsensors in Frage.

Im nächsten Schritt wird in einer Abfrage A2 die bestimmte Drehzahl n.Rad des Rades 17 und/oder die bestimmte Drehzahl n.Rotor des Rotors 4 mit der bestimmten Differenzdrehzahl n.Diff des Rotors 4 gegenüber dem Stator 3 verglichen und überprüft, ob beide Werte übereinstimmen oder um mehr als einen ersten Schwellenwert voneinander abweichen. Der erste Schwellenwert ist insbesondere benutzerdefiniert festleg- bar. Falls die beiden Werte innerhalb der durch den ersten Schwellenwert vorgegebenen Toleranz gleich sind, besteht kein Fehlerfall und der Stator 3 hat sich nicht überschla- gen. Der Stromgenerator 1 verbleibt dann weiterhin im Gene- ratormodus GM. In diesem kann von dem Stromgenerator 1 eine Generatorlast GL mit Strom versorgt werden und optional ei- ne weiter unter erläuterte Lastregelung GLR des Stromgene- rators 1 durchgeführt werden. Das Verfahren zum Erkennen und Beenden des Überschlagens des Stators 3 wird dabei in einer Schleife ständig wiederholt, was in dem Ablaufdia- gramm durch eine Rückkehr zu dem ersten Schritt S1 veran- schaulicht ist.

Falls in der Abfrage A2 dagegen festgestellt wird, dass die beiden Werte um mehr als die durch den ersten Schwellenwert vorgegebenen Toleranz voneinander abweichen, d. h. bei- spielsweise wenn die Differenzdrehzahl n.Diff des Rotors 4 gegenüber dem Stator 3 kleiner als die Drehzahl des Rades 17 und/oder des Rotors 4 ist, wird daraus geschlossen, dass ein Fehlerfall vorliegt und sich der Stator 3 überschlägt, und die Schritte zum Beenden des Überschlagens des Stators 3 und Wiedereinfangen des Stators 3 werden eingeleitet. Zum Beenden des Überschlagens des Stators 3 wird dann in dem Umschaltschritt S3 der Stromgenerator 1 von dem Generator- modus GM in den Motormodus umgeschaltet, wozu als Mittel

53.M zunächst das Abschalten der Generatorlast GL dient. In dem folgenden Beschleunigungsschritt S4 wird der Rotor 4 derart bestromt, dass der Stator 3 hierdurch beschleunigt wird. Das erfolgt bevorzugt in der Weise, dass dem Rotor 4 derart Strom zugeführt wird, dass er ein magnetisches Dreh- feld erzeugt, das sich mit der bestimmten Drehzahl n.Rad des Rades 17 und/oder des Rotors 4 oder der bestimmten Dif- ferenzdrehzahl n.Diff des Rotors 4 gegenüber dem Stator 3 dreht. Der Rotor 4 wird so lange bestromt, bis die Position des Stators 3 wieder stationär ist, er sich also nicht mehr relativ zur Radachse dreht, sondern gegenüber der Radachse stillsteht, und damit die relative Drehzahl n.Diff zwischen Stator 3 und Rotor 4 wieder mit der Drehzahl n.Rad des Ra- des 17 und/oder des Rotors 4 in Einklang steht. Das Mittel

54.M in dem Beschleunigungsschritt S4 dient somit zum Hoch- fahren der Drehzahl des Stators 3 über die vordefinierte Charakteristik des Stromgenerators 1.

Im Anschluss an den Beschleunigungsschritt S4 wird ein War- teschritt S5 durchgeführt, in dem während einer Wartezeit von beispielsweise 5 s der Stromgenerator 1 nicht bestromt wird, damit sich der Stator 3 einschwingen kann. Als zuge- höriges Mittel S5.M dient das Abschalten der Bestromung des Stromgenerators 1 im Motormodus. Alternativ oder zusätzlich zu dem Warteschritt S5 kann auch eine Abfrage durchgeführt werden, ob die Drehzahl des Rades 17 und/oder des Rotors 4 um weniger als einen zweiten Schwellenwert von der bestimm- ten Differenzdrehzahl n.Diff des Rotors 4 gegenüber dem Stator 3 abweicht. Der zweite Schwellenwert kann ebenfalls benutzerdefiniert festlegbar sein und der erste und der zweite Schwellenwert können gleich oder verschieden sein. Nachdem der Stator 3 mit Erfolg wieder eingefangen wurde, erfolgt in dem Umschaltschritt S6 das automatische Umschal- ten aus dem Motormodus in den Generatormodus GM und der re- guläre, fehlerfreie Betrieb des Stromgenerators 1 wird fortgesetzt. Auch in diesem Fall werden die einzelnen Schritte wiederholt, d. h. das Ablaufschema wird fortge- setzt in Schleifen durchlaufen.

Das in Fig. 9 in Ergänzung zu der Fig. 7 dargestellte Dia- gramm stellt das im Generatorbetrieb GM zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 3 entstehende Drehmoment M.Gen des Strom- generators 1 und die korrespondierende Stellung des Stators 3, d. h. den Auslenkungswinkel ß des Stators 3 aus der Ru- hestellung, jeweils in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit v des Fahrzeugs qualitativ dar. Die durchgezogene waagrech- te Linie im Diagramm zeigt das maximal zulässige Drehmoment M.Gen.max des Stromgenerators 1. Die gestrichelte Linie zeigt das Drehmoment M.Gen.o des Stromgenerators 1, wie es sich ohne Eingriff, Steuerung oder Regelung ergeben würde. Die Doppellinie zeigt den Auslenkungswinkel ß.o des Stators 3, wie er sich ohne Eingriff, Steuerung oder Regelung ein- stellen würde. Beim Erreichen der Grenzgeschwindigkeit v.max beträgt der Auslenkungswinkel ß=90°, d. h. das Pendel 22 befindet sich in der waagrechten Stellung. In dieser Stellung erreicht das Gegendrehmoment M.Stator des Stators 3 sein Maximum und wird mit weiter zunehmendem Auslenkungs- winkel ß wieder kleiner. Eine Erhöhung der Fahrzeugge- schwindigkeit v über die Grenzgeschwindigkeit v.max hinaus hätte deshalb ohne weitere Regelung ein Überschlagen des Stators 3 zur Folge, wobei der Stator 3 in unkontrollierte Rotation um seine Drehachse gerät.

Im Ergebnis sollte ab einer gewissen Geschwindigkeit v des Fahrzeugs bzw. der korrespondierenden Drehzahl n.Rad des Rades 17 die von dem Stromgenerator 1 abgegebene elektri- sche Leistung, d. h. der Strom des Stromgenerators 1 nicht mehr zunehmen, damit der Stator 3 nicht so weit ausgelenkt wird, dass er nicht mehr das erforderliche Gegendrehmoment bereitstellen kann. Die Dreifachlinie zeigt den Verlauf des entsprechend mittels einer Lastregelung geregelten Dreh- moments M.Gen.m des Stromgenerators 1 für den Grenzfall, dass für den maximal zulässigen Auslenkungswinkel ß der Grenzwert von 90° angenommen wird. Bevorzugt wird die Last- regelung derart durchgeführt, dass im Fährbetrieb des Rades 17 die maximale Auslenkung des Stators 3 um den Auslen- kungswinkel ß aus seiner senkrechten Ruhestellung in die Arbeitsstellung maximal 90° beträgt.

Die Fig. 10 zeigt ein beispielhaftes Ablaufschema der Last- regelung des Stromgenerators 1, die dazu dient, die Häufig- keit des Überschlagens des Stators 3 zu begrenzen.

Nach dem Initialisieren 23 der Steuerung wird in einem ers- ten Schritt TI eine für die momentane Geschwindigkeit v des mit dem Rad 17 bewegten Objektes charakteristische Drehzahl bestimmt, aus der abgeleitet werden kann, wie groß die mo- mentan maximal von dem Stromgenerator 1 ohne Lastregelung erzeugbare elektrische Leistung ist. Diese bestimmte cha- rakteristische Drehzahl kann insbesondere die Drehzahl n.Rad des Rades und/oder des Rotors 4 relativ zur festste- henden Radachse oder die Differenzdrehzahl n.Diff des Ro- tors 4 gegenüber dem Stator 3 sein. Die Bestimmung erfolgt mit einem Mittel Tl.M zum Bestimmen des Systemstatus bei- spielsweise durch das Bestimmen des zeitlichen Abstands der Nulldurchgänge der sinusförmigen Spannung einer Phase des Rotors 4, woraus die Differenzdrehzahl n.Diff ermittelt werden kann. Alternativ kommt auch die Nutzung von Signalen eines im Rad 17 verbauten Hallsensors in Frage.

Im nächsten Schritt wird in einer Abfrage Bl überprüft, ob die bestimmte charakteristische Drehzahl größer als eine benutzerdefinierte Einschaltschwelle ist. Falls die Antwort ja ist, wird im nachfolgenden Schritt T2 dem Stromgenerator 1 eine elektrische Last entnommen. Diese Last ist vorzugs- weise gering, d. h. erheblich kleiner als die maximal von dem Stromgenerator erzeugbare elektrische Leistung als die im aktuellen Betriebszustand des Stromgenerators erzeugbare elektrische Leistung. Als Mittel T2.M hierzu dient eine Stromgenerator-Lastregelung, die eine minimale Stromentnah- me einstellt. Im darauffolgenden Schritt T3 wird die cha- rakteristische Drehzahl erneut bestimmt. Die Bestimmung er- folgt mit einem Mittel T3.M zum Bestimmen des Lastregelung- Systemstatus, beispielsweise durch das Bestimmen des zeit- lichen Abstands der Nulldurchgänge der sinusförmigen Span- nung einer Phase des Rotors 4. In der sich daran anschlie- ßenden Abfrage B2 wird dann geprüft, ob diese cha- rakteristische Drehzahl kleiner als eine Ausschaltschwelle ist.

Falls die Antwort in der Abfrage B2 ja ist, wird in einem Schritt T4 die Generatorlast ausgeschaltet und das Verfah- ren kehrt zu dem Schritt TI zurück. Ist die Antwort in der Abfrage B2 dagegen nein, wird in einem Schritt T5 die Gene- ratorlast, d. h. der von dem Stromgenerator 1 abgegebene Strom, in Abhängigkeit von der charakteristischen Drehzahl geregelt. Die Lastregelung erfolgt somit entsprechend der vordefinierten Charakteristik des Stromgenerators 1 im Ge- neratormodus. Als Mittel T5.M hierzu dient eine Stromgene- rator-Lastregelung, vorzugsweise unter Verwendung eines vordefinierten oder programmierten Kennfeldes mit der Cha- rakteristik des Stromgenerators 1. Mittels der Lastregelung kann im Generatormodus der Strom des Stromgenerators 1 und somit das Drehmoment des Stromgenerators 1 geregelt werden. Dabei kehrt das Verfahren in einer Regelschleife zu dem Schritt T3 zurück.

Mittels der Lastregelung kann somit ein unzulässig hohes Generatordrehmoment zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 3 vermieden werden, das ohne Lastregelung zu einem Überschla- gen des Stators 3 führen würde, wie anhand der Fig. 9 er- läutert wurde. Die Lastregelung erfolgt dabei in der Weise, dass im Generatormodus der Auslenkungswinkel des Stators 3 auf einen Grenzwert von weniger als 90° begrenzt wird. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit v des Fahrzeugs bzw. ab der korrespondierenden Drehzahl des Rades 17 bzw. des Ro- tors 3 begrenzt die Lastregelung die elektrische Leistung des Stromgenerators 1, um die maximale Auslenkung des Sta- tors 3 im Generatormodus zu beschränken.

Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, dass die Lastrege- lung bevorzugt derart erfolgt, dass im Fährbetrieb des Ra- des 17 die maximale Auslenkung des Stators 3 um den Aus- lenkungswinkel ß aus seiner senkrechten Ruhestellung in die Arbeitsstellung maximal 90° beträgt. Der Stromgenerator 1 ist dann unempfindlicher gegenüber ein Überschlagen auslö- sende Einflüsse, ohne dass durch die Lastregelung das Dreh- moment zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 3 und somit die von dem Stromgenerator 1 erzeugte elektrische Leistung zu stark beschränkt wird.

Die beschriebene Lastregelung des Stromgenerators 1 kann auch ohne das Verfahren zum Wiedereinfangen eines sich Überschlagenden Stators 3 eingesetzt werden. In bevorzugten Ausführungsformen wird jedoch die Lastregelung in Kombina- tion mit dem Wiedereinfangen des Stators 3 im Falle seines Überschlagens eingesetzt. Dies liegt daran, dass die Last- regelung grundsätzlich die von dem Stromgenerator 1 erzeug- te elektrische Leistung beschränkt. Um eine möglichst hohe Energieausbeute zu erzielen, sollte diese Leistungsbe- schränkung möglichst gering ausfallen. Wenn die Lastrege- lung ohne das Verfahren zum Erkennen und Beenden des Über- schlagens durchgeführt wird, muss die elektrische Leistung des Stromgenerators 1 in hohem Maße beschränkt werden, um ein Überschlagen des Stators 3 weitestgehend zu vermeiden. Wenn die Lastregelung dagegen in Kombination mit dem Ver- fahren zum Erkennen und Beenden des Überschlagens angewen- det wird, braucht die elektrische Leistung des Stromgenera- tors 1 in weitaus geringerem Maße beschränkt werden. In diesem Fall kann ein gelegentliches Überschlagen des Sta- tors 3 in Kauf genommen werden, da das Überschlagen nicht fortdauert, sondern der Stator 3 umgehend wieder eingefan- gen wird. Bei einer Kombination der Lastregelung mit dem Wiedereinfangen kann der Stromgenerator 1 somit in einem optimierten Bereich arbeiten, in dem eine höhere Energie- ausbeute als bei alleiniger Lastregelung erzielt wird.

Die Fig. 11 zeigt als Ausführungsbeispiel eines Kennfeldes, das bei der in Fig. 10 veranschaulichten Lastregelung ver- wendet wird, eine zum Realisieren der Lastregelung des Stromgenerators 1 im Generatormodus verwendete Kennlinie 24, die programmiert oder abgespeichert ist. In dem Dia- gramm ist die die geregelte elektrische Ausgangsleistung P des Stromgenerators 1 in Abhängigkeit von der Fahrzeug- geschwindigkeit v qualitativ dargestellt. Der Ladestrom für einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einen Akkumulator, wird mittels eines Ladereglers für den line- aren Bereich der Kurve des Kennfelds proportional zur Aus- gangsleistung P des Stromgenerators 1 eingestellt. Die auf- genommene Leistung des Ladereglers entspricht der Ausgangs- leistung des Generators P. Die Spannung am Laderegler wird im gesamten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs konstant gehalten, während die Ausgangsspannung des Stromgenerators mit ansteigender Fahrzeuggeschwindigkeit v zunimmt. Im Er- gebnis resultieren daraus abweichende Werte für den Strom des Stromgenerators 1 und den vom Laderegler abgegebenen Ladestrom.

Die Fig. 12 zeigt eine blockschaltbildartige Prinzipdar- stellung des elektrischen, elektronischen oder elektrotech- nischen Aufbaus des Gesamtsystems bei einem Stromgenerator 1. Darin sind jeweils der Energiefluss und der Datenfluss zwischen den einzelnen Teilsystemen und Komponenten darge- stellt. Kern- und Knotenpunkt ist eine Steuerung 30, in der alle Systemdaten zusammengeführt und verarbeitet werden und die die Systemkomponenten ansteuert. Sie umfasst vorzugs- weise einen Mikroprozessor oder Microcontroller 31. Die Steuerung 30 empfängt Daten aus der Bestimmung 32 der Dreh- zahl des Rades 17 und/oder des Rotors 4, beispielsweise von einem Beschleunigungssensor 33, und aus der Bestimmung 34 der Differenzdrehzahl zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 3, beispielsweise mittels der Auswertung 35 von Nulldurch- gangen einer Stromphase der Generatorspannung. Mit diesen Daten kann das Wiedereinfangen des sich Überschlagenden Stators 3 oder die Lastregelung durchgeführt werden. Über die Motoransteuerung 36 des Stromgenerators 1, beispiels- weise einen EC-Motortreiber 37, kann der Rotor 4 des Strom- generators 1 angesteuert werden. Die ausgangsseitige Span- nungsstabilisierung 38 des Stromgenerators 1 dient zum Gleichrichten und Stabilisieren der vorzugsweise dreiphasi- gen Ausgangsspannung des Stromgenerators 1. Sie umfasst beispielsweise einen B6-Gleichrichter 39 und einen Auf-/Ab- wärtswandler 40.

Mittels der Steuerung 30 wird über die Stromgenerator- ansteuerung 36 (z. B. einen EC-Motortreiber 37) die motori- sche Ansteuerung des Rotors 4 bzw. des Stromgenerators 1 durchgeführt sowie der Ladestrom einer Energiespeicherung 41 beeinflusst. Die Energiespeicherung 41 umfasst bei- spielsweise ein Akkumulator-Management-System 42 und einen elektrischen Energiespeicher 43, z. B. einen Lithium-Ionen- Akkumulator. An die Energiespeicherung 41 ist eine von dem Stromgenerator 1 mit Strom versorgte elektrische Last 44 angeschlossen, beispielsweise eine LED-Beleuchtung 45.

Alle dargestellten Komponenten oder eine Auswahl davon kön- nen auf einer gemeinsamen Elektronikplatine angeordnet sein.