DE102022002546B3

DE102022002546B3 - Drehmomenterfassungseinrichtung, elektrischer Antrieb sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102022002546B3
Application number: DE102022002546.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Meingassner; Julian Bredl; Matthias Blümel; Philip Mährle; Ingo Valtingoier
Original assignee: Hirschvogel E Solutions GmbH
Current assignee: Hirschvogel E Solutions GmbH
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2023-10-26
Anticipated expiration: 2042-07-13

Abstract

Vorgestellt wird eine Drehmomenterfassungseinrichtung (108), insbesondere für einen elektrischen Antrieb (100), aufweisend eine Hauptwelle (114), ein Hauptring (120), der radial beabstandet zur Hauptwelle (114) sich um diese erstreckt, eine Vielzahl von vorzugsweise gleichartigen speichenförmigen Lamellen (118), die die Hauptwelle (114) mit dem Hauptring (120) verbinden und die ausgebildet sind, ein auf die Hauptwelle (114) wirkendes Drehmoment auf den Hauptring (120) zu übertragen, wobei sich die Lamellen (118) proportional zum eingebrachten Drehmoment verformen, eine Zahnscheibe (122), die mit der Hauptwelle (114) verbunden ist und parallel zu der Vielzahl von Lamellen (118) angeordnet ist, eine Erfassungseinrichtung (124), die ausgebildet ist ein elektrisches Signal auszugeben, welches sich in Abhängigkeit der Verformung der Lamellen (118) verändert, sowie eine Auswerteeinrichtung (126), die ausgebildet ist, das elektrische Signal einzulesen, auszuwerten und zumindest ein Signal auszugeben, welches ein auf die Hauptwelle (114) wirkendes Drehmoment repräsentiert. Weiterhin wird ein elektrischer Antrieb mit einer solchen Drehmomenterfassungseinrichtung 108 vorgestellt. Auch wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments, insbesondere eines elektrischen Antriebs, vorgestellt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomenterfassungseinrichtung, insbesondere für einen elektrischen Antrieb, einen elektrischen Antrieb sowie ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments.
Stand der Technik
Der Einsatz von elektrischen Hilfsantrieben für Fahrzeuge und Fahrräder, zum Beispiel City E-Bikes, Gravel-Bikes, Lastenräder, S-Pedelecs und Pedelecs nimmt stetig zu. Bei Pedelecs oder E-Bikes sind die elektrischen Hilfsantriebe üblicherweise im Rahmen, sogenannter Mittelmotor, oder an der Hinterradnabe, sogenannter Hinterrad-Nabenmotor, oder an der Vorderradnabe, sogenannter Vorderrad-Nabenmotor, angeordnet. Das von einem Fahrer aufgebrachte Drehmoment und die Winkelgeschwindigkeit beziehungsweise Trittfrequenz sind für die Steuerung eines elektrischen Hilfsantriebs von Bedeutung. Die Erfassung des Drehmoments und der Trittfrequenz ermöglicht eine Erfassung der vom Fahrer aufgebrachten Leistung. Zur harmonischen Ansteuerung eines elektrischen Hilfsantriebs bei Pedelecs und E-Bikes ist bekannt, die vom Fahrer eingebrachte Leistung zu erfassen und daraus mittels eines geeigneten Softwarealgorithmus eine Steueranforderung (Unterstützung des Fahrers mit dem Elektromotor; Motorspannung/Drehmoment/Drehzahl) für den Hilfsantrieb zu generieren.
Die Drehmomentmessung kann beispielsweise durch Sensoren auf Basis von Dehnmessstreifen erfolgen. Dabei wird unter Verwendung von ein oder mehr direkt an der Welle angebrachten Dehnmesstreifen an der Außenumfangsfläche der Welle eine durch Dehnung verursachte Widerstandsänderung mit einer Brückenschaltung oder anderen wohlbekannten Einrichtung gemessen. Diese sind jedoch infolge der direkten Berührung mit der drehenden Welle fehleranfällig und weisen meist eine hohe mechanische Komplexität auf. Die Signale werden üblicherweise durch Kabelanordnungen an eine Steuereinheit übertragen, was die Montage an einem Pedelec erschwert. Hinzu kommt, dass sie relativ teuer sind.
Die Drehmomentmessung mittels berührungslosen Drehmomentsensoren basiert heutzutage zumeist auf dem magnetostriktiven Prinzip. Dieses ermöglicht eine vereinfachte und verbesserte Erfassung des Drehmoments. Magnetostriktion ist eine Eigenschaft ferromagnetischer (beispielsweise eisenbasierter, magnetisierbarer) Werkstoffe, durch die Werkstoffe ihre Form oder Größe reversibel ändern, wenn ein Magnetfeld vorhanden ist. Dieser magnetostriktive Effekt kann zur Messung des Drehmoments genutzt werden. Magnetostriktion beruht auf dem Zusammenwirken von Magnetfeldern. Solche Systeme weisen oft einen einfachen mechanischen Aufbau auf und sind somit oft einfach herzustellen. Solche Systeme sind beispielsweise in der US 2013 / 0 049 444 A1 oder der DE 10 2021 000 407 B3 offenbart.
Die nachveröffentlichte DE 10 2021 003 644 B3 offenbart einen elektrischen Hilfsantrieb für ein Fahrrad mit einer Sensoreinrichtung, die einen magnetostriktiven Sensor aufweist, der derart positioniert und konfiguriert ist, um einen drehmomentinduzierten Magnetfluss an dem magnetostriktiven Bereich berührungslos zu messen, wobei der Messbereich insbesondere integral in der Seitenwand des Rotors ausgestaltet ist.
DE 10 2010 017 851 A1 offenbart ein Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung eines Lenksystems. Hiermit kann das in einem Kraftfahrzeug auf das Lenkrad ausgeübte Drehmoment erfasst werden als Eingangsgröße für elektrische Lenkkraftunterstützungssysteme. Die Drehmomenterfassungseinrichtung weist ein Speichenrad mit einem Innenring und einem Außenring auf, zwischen denen Biegespeichen mit einem Federelement angeordnet sind.
Beschreibung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstige und wartungsarme Lösung einer Messeinrichtung eines Drehmoments, insbesondere geeignet für ein Fahrrad, E-Bike oder Pedelec der gattungsgemäßen Art anzugeben, die verbessert ist oder zumindest eine alternative Ausführungsform darstellt. Anzustreben ist, dass die Messeinrichtung auch für Lastenräder, S-Pedelecs oder Velomobile, also auch zweispurige Fahrzeuge oder allgemein L1e, L2e und L6e geeignet ist.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
Eine erfindungsgemäße Drehmomenterfassungseinrichtung weist eine Hauptwelle, einen radial zur Hauptwelle beabstandeten Hauptring sowie eine Vielzahl von vorzugsweise gleichartigen speichenförmigen Lamellen auf. Die Lamellen sind ausgebildet, ein auf die Hauptwelle wirkendes Drehmoment auf den Hauptring zu übertragen, wobei sich die Lamellen in einem vorbestimmten oder herleitbaren Verhältnis zum eingebrachten Drehmoment verformen. Das Verhalten kann beispielsweise proportional, progressiv oder degressiv sein, je nach Geometrie und eingesetztem Material. So kann es auch mit einem Polynom beschreibbar sein. So verbinden die Lamellen die Hauptwelle mit dem sich radial um die Hauptwelle erstreckendem Hauptring. Weiterhin weist die Drehmomenterfassungseinrichtung eine mit der Hauptwelle verbundene Zahnscheibe auf. Weiterhin weist die Drehmomenterfassungseinrichtung eine Erfassungseinrichtung und eine Auswerteeinrichtung auf. Die Erfassungseinrichtung ist ausgebildet, ein elektrisches Signal auszugeben, welches sich in Abhängigkeit der Verformung der Lamellen verändert. Die Auswerteeinrichtung ist ausgebildet, das elektrische Signal einzulesen, auszuwerten und zumindest ein Signal auszugeben oder bereitzustellen, welches ein auf die Hauptwelle wirkendes Drehmoment repräsentiert.
Unter einer Hauptwelle kann eine Nabe verstanden werden. Unter einem Hauptring kann eine Felge verstanden werden. So kann man sich vorstellen, dass wie beispielsweise bei einem Fahrradreifen die Nabe mittels Speichen mit der Felge eine Einheit bildet auch bei der Drehmomenterfassungseinrichtung die Hauptwelle (Nabe) mittels der Lamellen (Speichen) mit dem Hauptring (Felge) eine Einheit bilden, mit der Besonderheit, dass eine Drehmomentabhängige Verformung der Lamellen erwünscht ist, wobei die Verformung proportional oder direkt proportional zum eingebrachten Drehmoment sein kann. Die Verformung kann auch progressiv oder degressiv zum eingebrachten Drehmoment sein. Die Verformung kann mathematisch aus dem eingebachten Drehmoment bestimmt werden. Die Zahnscheibe ist quer zur Achse der Hauptwelle ausgerichtet. Somit ist die Zahnscheibe parallel zur Erstreckungsebene der Vielzahl von Lamellen angeordnet. Dabei kann die Zahnscheibe auch als eine Vielzahl von in den Zwischenräumen der Vielzahl von vorzugsweise gleichartigen speichenförmigen Lamellen sich in der gleichen Ebene erstrecken und ebenfalls als eine Vielzahl von Zahn-Lamellen ausgeformt sein. Unter einer zum eingebrachten Drehmoment proportionalen Verformung der Lamellen kann eine Verformung verstanden werden, die in einem vordefinierten Verhältnis von Drehmoment zu Verformung steht. Somit kann dies mathematisch beschrieben werden.
Die Drehmomenterfassungseinrichtung ist insbesondere geeignet für einen elektrischen Antrieb, bzw. hybriden Antrieb (elektr. Antrieb zur Unterstützung der Muskelkraft). Bei dem elektrischen Antrieb kann es sich um einen Motor für ein E-Bike, Lastenrad Pedelec, , S-Pedelec, Kleinkraftrad, Kraftrad, Leichtkraftrad, Velomobil, oder auch Leichtkraftfahrzeug, also auch zweispurige Fahrzeuge oder allgemein L1e, L2e und L6e, handeln. Mit E-Bike (Abk. für englisch electric bike, d.h. Elektrorad) wird gemeinhin ein einspuriges Fahrzeug mit Elektromotor bezeichnet, insbesondere das Elektrofahrrad (ein Fahrrad mit elektrischem Hilfsmotor), teilweise auch als Pedelec und Speed-Pedelec (S-Pedelec, bis 45 km/h) bezeichnet. Bei dem elektrischen Antrieb kann es sich in einer besonderen Ausführungsform auch um einen elektrischen Antrieb einer Maschine handeln.
Die Drehmomenterfassungseinrichtung ist weiters auch geeignet um Drehmomente günstig und genau bei weiteren Anwendungsbereichen zu erfassen, in welcher eine Messung eines Drehmomentes auf einem rotierenden Körper erforderlich ist. Der rotierende Körper benötigt hierbei keine Elektronik oder drahtlose Verbindungstechnik mit dem statischen Messaufnehmer (z.B. Gabellichtschranke) zur Erfassung des Drehmoments und der Drehzahl. Das Verfahren kann generell zur Leistungsmessung jeglicher drehenden Welle genutzt: $P = 2 \cdot P I \cdot M \cdot n$
Drehmoment M (Nm); Drehzahl n (1/s); Leistung P (W); PI = 3,14
Anwendungsgebiete sind hier: Industrierobotor (Messung des Drehmoments und Winkelgeschwindigkeit in den Gelenken), Leistungsmessung von Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren, Drehmomentmessung in Automobilen oder Mototrädern zur Leistungsmessung oder Ansteuerung von elektronischen Hilfssystem wie z.B. ABS, ASR oder auch Torque Vectoring.
An einem radial von der Hauptwelle abgewandten Endbereich der Vielzahl von Lamellen oder am Hauptring sind eine Anzahl quer zur Erstreckungsrichtung der Lamellen ausgerichteter Lamellenzähne angeordnet. Weiterhin sind eine Anzahl von Referenz-Zähnen, die im äußeren Randbereich der Zahnscheibe angeordnet sind, und quer zur Haupterstreckung der Zahnscheibe ausgerichtet sind, ausgeformt. Dabei können die Lamellenzähne einstückig mit der zugeordneten Lamelle oder dem Hauptring ausgeformt sein. Die Referenz-Zähne können einstückig mit der Zahnscheibe ausgeformt sein. Dabei können die Referenz-Zähne auf einer sich um die Achse der Hauptwelle erstreckenden ringförmigen Ebene und die Referenz-Zähne auf einer weiteren sich um die Achse der Hauptwelle erstreckenden ringförmigen Ebene angeordnet sein. Die ringförmige Ebene und die weitere ringförmige Ebene können in einer Ebene oder bevorzugt in zwei voneinander beabstandeten ringförmigen Ebenen parallel zueinander angeordnet sein. So sind die Referenz-Zähne zu den Lamellenzähnen parallel ausgerichtet. Wenn die Zahnscheibe parallel zu einer von den Lamellen aufgespannten Ebene ausgeformt ist, können die Anzahl von Referenz-Zähnen durch Öffnungen zwischen den Lamellen sich hindurcherstrecken. Die Anordnung der Referenz-Zähne und der Lamellenzähne in der beschriebenen Art ermöglicht es, dass die Erfassungseinrichtung mit einem einzigen Sensor wie beispielsweise einer Gabellichtschranke, auskommt, um eine relative Verschiebung der Lamellenzähne zu den Referenz-Zähnen zu erfassen, wobei die relative Verschiebung direkt proportional zur Verformung der Lamellen durch das auf die Hauptwelle wirkende Drehmoment ist.
Die Anzahl der Referenz-Zähne und die Anzahl der Lamellenzähne kann gleich sein. Auch kann die Anzahl der Lamellenzähne der Anzahl der Lamellen entsprechen. Die Anzahl der Lamellenzähne kann einem ganzzahligen Vielfachen der Anzahl der Lamellen entsprechen.
Die Hauptwelle, die Lamellen sowie der Hauptring können einstückig gefertigt sein. Diese können beispielsweise als Gussteil, Spritzgussteil, massiv-umgeformtes Bauteil, in einem additiven Fertigungsverfahren oder spanend hergestellt sein. Die Zahnscheibe kann ebenso hergestellt sein. Dabei können die Zahnscheibe und die Einheit aus Hauptwelle, Lamellen und Hauptring nur im Bereich der Hauptwelle fest miteinander gekoppelt oder verbunden sein. Alternativ können die Hauptwelle, die Lamellen, der Hauptring sowie die Zahnscheibe einstückig gefertigt sein. So kann eine solche Einheit beispielsweise aus Federstahl oder ähnlichem ausgestanzt, gelasert oder ähnlich ausgeformt werden. In diesem Fall liegen die Lamellen und die speichenförmigen Elemente der Zahnscheibe in einer quer zur Hauptwelle ausgerichteten Ebene. Die speichenförmigen Elemente der Zahnscheibe sind in Richtung des Hauptrings ausgerichtet, aber nicht mit diesem verbunden. Erst bei Verformung der Lamellen kann es zu einer Anlage der speichenförmigen Elemente der Zahnscheibe kommen, wodurch eine zusätzliche Abstützung zur Aufnahme des (maximalen) Drehmoments kommen kann.
Die Erfassungseinrichtung kann eine Anzahl von Hall-Sensoren aufweisen. So kann die Erfassungseinrichtung kontaktlos sensieren und die Motorphasen können korrekt angesteuert werden. Dies funktioniert auch aus dem Stillstand des Motors um direkt die richtigen Phasen zu bestromen, um den Elektromotor energieeffizient zu starten. Dabei kann die Anzahl einen oder eine Mehrzahl bedeuten. Ein Hall-Sensor (auch Hall-Sonde oder Hall-Geber, nach Edwin Hall) nutzt den Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern. Hall-Sensoren bestehen aus möglichst dünnen, kristallinen, dotierten Halbleiter-Schichten, die seitlich zumeist vier Elektroden besitzen. Durch die zwei gegenüberliegenden Elektroden wird ein Strom eingespeist, die beiden orthogonal dazu liegenden Elektroden dienen der Abnahme der Hall-Spannung. Wird ein solcher Hall-Sensor von einem senkrecht zur Schicht verlaufenden Magnetfeld durchflossen, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum (vorzeichenbehafteten) Betrag des Vektorprodukts aus magnetischer Flussdichte und Strom ist. Die Ursache ist die Lorentz-Kraft auf die sich bewegenden Majoritätsladungsträger in der Schicht. Das Vektorprodukt ist proportional zum Strom, zur Ladungsträgerbeweglichkeit und umgekehrt proportional zur Schichtdicke (je dünner die Schicht, desto größer sind die Ladungsträger-Geschwindigkeit und die Lorentz-Kraft). Das sich zwischen den Messelektroden einstellende elektrische Feld befindet sich im Gleichgewicht zur Hallspannung und verhindert eine weitere Ladungsträger-Separation.
Die Erfassungseinrichtung kann einen oder eine Mehrzahl von optischen Sensoren aufweisen. Bei den optischen Sensoren kann es sich um eine Lichtschranke oder Gabellichtschranke handeln. Eine Lichtschranke ist in der Optoelektronik ein System, das die Unterbrechung eines Lichtstrahls erkennt und als elektrisches Signal anzeigt. Auf diese Weise die Erfassungseinrichtung bewegliche Objekte, d.h. hier die Referenz-Zähne und die Lamellenzähne, berührungslos detektieren. Lichtschranken bestehen aus einer Lichtstrahlenquelle (dem Sender) und einem Sensor (dem Empfänger) für diese Strahlung. Bei der Lichtschranke kann es sich um eine Einweg-Lichtschranke, Reflexions-Lichtschranke oder um ein Lichtgitter handeln. Bei Einweglichtschranken stehen sich Sender und Empfänger gegenüber. Dazu zählen Gabelkoppler und Gabellichtschranken, bei denen Sender und Empfänger im Abstand von 3-120 mm zueinander bereits vormontiert sind. Bei einer Reflexions-Lichtschranke befinden Sender und Empfänger sich hier parallel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse. Das Lichtsignal wird bei Reflexions-Lichttastern an der gegenüberliegenden Seite an einem Reflektor zurückgeworfen. Kleine Reflexions-Lichtschranken werden auch als Reflexkoppler bezeichnet, sie arbeiten oft mit reflektierenden, selbstklebenden Folienmarken auf bewegten Teilen. Das Lichtsignal wird bei diesen über das zu detektierende Objekt selbst zurückgeworfen. Der Schaltabstand ist deshalb von den Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche abhängig. Sender und Empfänger befinden sich auch hier parallel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse. Neben den einfachen Versionen mit nur einem Lichtstrahl gibt es auch sogenannte Lichtgitter oder Lichtvorhänge, die mit mehreren parallelen Lichtstrahlen arbeiten.
Elektromotoren können mittels Hall-Sensoren angesteuert werden. Das beginnt aus dem Stillstand in dem über den Hall-Sensor Schaltzustand auf den Stand der (drei) Motorphasen zurückgeschlossen werden kann. Die Motorphasen (meist genannt UVW im deutschen oder ABC im englischen) werden dann vom Motorcontroller so angesteuert, dass sich der Elektromotor zu drehen beginnt.
Die Nutzung der optischen Sensoren in Kombination mit den korrekt zur Polanzahl des Motors passenden Ausführung der Zähne bringt folgende Vorteile: Keine Hall-Sensoren müssen außen am Stator zwischen den Elektroblechzähnen platziert werden. Dabei ist eine Herausforderung die Verkabelung an den Wicklungen vorbei bis zum Controller oder Motorkabel aus dem Motor raus für einen externen Controller. Diese Kabel könnten beschädigt werden und den Motor außer Funktion setzen. Weiters befinden sich konventionelle Hall-Sensoren an der heißesten Stelle eines Elektromotors und können bei hoher Belastung des Motors thermisch zerstört werden. Die Verwendung optischer Sensoren mit einer passenden Zahnscheibe kann außerhalb des thermisch heißesten Punktes des Motors an passieren. Dadurch ist der Temperatureinfluss nicht mehr relevant und der Motor kann mit höherer Leistung betrieben werden. Auch müssen keine zusätzlichen Kabel oder Platinen zu den konventionellen Hall-Sensoren eingebaut werden. Optional werden die optischen Sensoren auf der selben Platine wie ein interner Motorcontroller bestückt, um einen möglichst günstigen, ausfallsicheren Elektromotor zu erschaffen.
Die Erfassungseinrichtung kann eine Mehrzahl von Sensoren, insbesondere Hall-Sensoren oder optischen Sensoren wie Lichtschranken, aufweisen und die Auswerteeinrichtung kann ausgebildet sein, zu dem Sensorsignal, welches das auf die Hauptwelle wirkende Drehmoment repräsentiert, zumindest ein die Drehrichtung und ergänzend oder alternativ die Drehgeschwindigkeit repräsentierendes Signal bzw. Signale auszugeben. So kann die Erfassungseinrichtung nicht nur das Drehmoment erfassen, sondern zusätzlich auch die Drehrichtung und ergänzend oder alternativ die Drehgeschwindigkeit erfassen. So kann die Auswerteeinrichtung oder insbesondere eine nachgeschaltete Steuereinrichtung mit weiteren Informationen versorgt werden und somit die Steuerung optimiert werden.
Die Erfassungseinrichtung kann ausgebildet sein, einen Nulldurchgang der Hauptwelle zu bestimmen. Hierzu kann ein zusätzlicher Sensor vorgesehen sein. Alternativ oder ergänzend kann durch eine spezielle Gestaltung (unterschiedliche Breite der Zähne) von einzelnen Referenz-Zähnen und/oder Lamellenzähnen und einer entsprechenden Signalauswertung der Nulldurchgang detektiert werden. Optional können auch die beiden Verfahren kombiniert werden, um eine Redundanz zu schaffen und somit die Ausfallsicherheit zu erhöhen.
Die Lamellen können in Umfangsrichtung eine Dicke von kleiner 8 mm, insbesondere kleiner 5 mm, insbesondere kleiner 3 mm, insbesondere kleiner 2 mm aufweisen. Dabei kann dies die minimale Dicke in Umfangsrichtung beschreiben. Die Dicke kann in radialer Richtung variieren. So kann die Biegekennlinie und die Dauerfestigkeit optimiert werden. Mit dem gleichen Ziel und auch zur Gewichtsoptimierung können zusätzlich Aussparungen wie Bohrungen o.ä. vorgesehen sein.
Die Lamellen können in ihrer radialen Erstreckung eine unterschiedliche Dicke aufweisen. So können die Lamellen in einem Mittenbereich dünner ausgeformt sein als in den Endbereichen. So können die Lamellen jeweils in dem Mittenbereich eine um zumindest 20%, insbesondere vorteilhaft zumindest 25 %, verringerte Dicke aufweisen als eine mittlere Dicke in den Endbereichen. So kann eine optimale Verformung bei gleichzeitig optimierter Festigkeit (zur Übertragung des Drehmoments) und Dauerbelastbarkeit erzielt werden.
Es kann zumindest ein Anschlag vorgesehen sein, der die Verformung der Lamellen begrenzt und ein zur begrenzten Verformung proportionales Drehmoment übersteigendes Drehmoment mittels Formschluss auf den Hauptring überträgt. Dabei kann eine Mehrzahl von Anschlägen vorgesehen sein. Insbesondere kann ein Anschlag je Lamelle vorgesehen sein. Dabei können die Anschläge derart ausgeformt sein, dass zumindest 50 %, insbesondere zumindest 80 %, der Längserstreckung der jeweiligen zugeordneten Lamelle an einer Anschlagsfläche des jeweiligen Anschlags anliegt. So können die Lamellen abgestützt werden ab einem definierten maximalen Drehmoment. So kann auch ein das definierte maximale Drehmoment übersteigendes Drehmoment übertragen werden, ohne die Drehmomenterfassungseinrichtung zu überlasten.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, das eingelesene elektrische Signal zu kalibrieren. Hierzu kann eine Information über den Nulldurchgang ausgewertet werden. So kann ein Offset im Nulldurchgang bestimmt werden und dieser vom zu kalibrierendem Signal subtrahiert werden. Alternativ kann auch ein kompletter Signalverlauf einer kompletten Umdrehung zur Kalibrierung herangezogen werden. So kann eine Lookup-Tabelle oder ein Kalibriersignal bzw. Kalibriersignalverlauf bestimmt und abgespeichert werden, um nachfolgend das elektrische Signal der Erfassungseinrichtung kontinuierlich zu kalibrieren. Das auf die Hauptwelle wirkende Drehmoment repräsentierende Signal kann unter Verwendung des kalibrierten Signals bestimmt werden.
Ein elektrischer Antrieb, insbesondere für ein Fahrzeug wie beispielsweise ein Fahrrad, ein Pedelec, S-Pedelec oder ein Leichtkraftfahrzeug, weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei ein von einem Fahrer des Fahrzeugs aufgebrachtes Drehmoment über ein Getriebeelement auf den Rotor übertragbar ist. Es ist eine Variante einer zuvor beschriebenen Drehmomenterfassungseinrichtung vorgesehen. Weiterhin weist der elektrische Antrieb eine Steuereinrichtung auf, welche ausgebildet ist, ein Hilfs-Drehmoment für den Fahrer von dem elektrischen Antrieb in Abhängigkeit des Drehmomentsignals zu steuern.
Der Hauptring und die Vielzahl von insbesondere gleichartigen speichenförmigen Lamellen können ein Teil des als Rotorglocke ausgeformten Rotors sein. So können Teile eingespart werden und die Montage vereinfacht werden.
Ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments, insbesondere eines elektrischen Antriebs, weist zumindest die Schritte des Sensieren, des Bereitstellens und des Auswertens auf. Im Schritt des Sensieren wird eine zu einem Drehmoment relative Winkelverschiebung sensiert und eines die Winkelverschiebung und somit das Drehmoment repräsentierendes elektrisches Signal an einer Schnittstelle bereitgestellt. Das Drehmoment wirkt auf eine Hauptwelle, die über eine Vielzahl von vorzugsweise gleichartigen speichenförmigen Lamellen mit einen Hauptring verbunden ist, der radial beabstandet zur Hauptwelle und sich um diese erstreckend angeordnet ist. Die Lamellen sind ausgebildet, ein auf die Hauptwelle wirkendes Drehmoment auf den Hauptring zu übertragen. Dabei verformen sich die Lamellen proportional zum eingebrachten Drehmoment. Im Schritt des Bereitstellen wird das im Schritt des Sensieren erzeugte elektrische Signal an einer Schnittstelle bereitgestellt. Im Schritt des Auswerten des elektrischen Signals wird dies von der Schnittstelle eingelesen und in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet. Es wird zumindest ein Signal bestimmt, welches das auf die Hauptwelle wirkende Drehmoment repräsentiert. Dieses wird an einem Ausgang bereitgestellt, sodass es von einer Steuereinrichtung eingelesen und für die Steuerung insbesondere eines elektrischen Antriebs, verwendet werden kann.
In einem optionalen Schritt des Kalibrierens kann das elektrische Signal insbesondere unter Verwendung eines Nulldurchgangs auf einen Nullpunkt kalibriert werden. Das auf die Hauptwelle wirkende Drehmoment kann im Schritt des Auswertens unter Verwendung des kalibrierten Signals bestimmt werden.
Unter Verwendung des elektrischen Signals und ergänzend oder alternativ unter Verwendung des kalibrierten Signals kann eine Winkelgeschwindigkeit der Hauptwelle und ergänzend oder alternativ eine Drehrichtung bestimmt werden.
Kurze Figurenbeschreibung
Die erfinderische Idee soll im Folgenden mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben werden. Die folgende Beschreibung ist aber als rein beispielhaft anzusehen. Die Erfindung ist allein durch den Gegenstand der Ansprüche bestimmt. Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Dabei werden für gleiche oder gleichwirkende Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet. Weiterhin werden der leichteren Lesbarkeit und Zuordenbarkeit halber Bezugszeichen auch für Merkmale verwendet, wenn diese in der beschriebenen Figur nicht dargestellt sind. Auch werden bei ähnlichen Figuren nicht immer alle Bezugszeichen eingezeichnet, wenn diese Merkmale aus den vorangegangenen Figuren bereits klar bezeichnet sind. Es zeigen:

1 eine offene Darstellung eines elektrischen Antriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine isometrische Darstellung eines elektrischen Antriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 Teile einer Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 - 7 jeweils einen Ausschnitt einer Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 - 13 jeweils eine Drehmomenterfassungseinrichtung (ohne Erfassungs- und Auswerteeinrichtung) gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
14 einen Ausschnitt einer Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
15 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
16 Signalverläufe eines elektrischen Signals und eines kalibrierten Signals gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Figurenbeschreibung und Beschreibung der Erfindung
Um Drehmomente auf rotierenden Bauteilen zu messen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Die hier dargestellte Drehmomenterfassungseinrichtung zeigt Drehmomentmessungen auf einem rotierenden Bauteil, wobei die Erfassungselektronik (Erfassungseinrichtung evtl. integriert mit der Auswerteeinrichtung) statisch bleibt. So ist vorteilhafterweise kein Schleifring oder eine drahtlose Übertragung und Energieversorgung bei mitdrehender Elektronik notwendig. Die Drehmomenterfassungseinrichtung folgt der Grundidee von zwei Zahnscheiben, wobei sich eine Zahnscheibe flexibel zur anderen Zahnscheibe mit steigendem Drehmoment verformt. Dabei verändert sich der Zahnabstand, welcher bevorzugt über einen optischen Sensor (z.B. Gabellichtschranke, aber auch induktiv mit weniger Genauigkeit bei gleichzeitig auch weniger Schmutzempfindlichkeit möglich) mit hoher Erfassungsrate mit Microcontrollern nach Stand der Technik erfasst werden kann (Der Mikrocontroller kann gleichzeitig als A/D-Wandler fungieren, zur erhöhten Genauigkeit kann auch ein dedizierter A/D-Wandler zum Einsatz kommen). Die Verschiebung der übereinander oder nebeneinander liegenden Zähnen zueinander wird als Tastgrad vom Sensor (Erfassungseinrichtung) erfasst und ist proportional zum aufgebrachten Drehmoment. Der Tastgrad (auch Aussteuergrad, englisch duty cycle) gibt für eine periodische Folge von Impulsen gemäß Normung das Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer an. Der Tastgrad wird als Verhältniszahl der Dimension Zahl mit einem Wertebereich von 0 bis 1 oder 0 bis 100 % angegeben. So ist der Tastgrad in diesem Fall unabhängig von der Drehgeschwindigkeit.
Eine derartige Drehmomenterfassungseinrichtung ist geeignet für alle technischen Herausforderungen, bei denen Drehmomente von drehenden Bauteilen mit einer statischen Elektronik günstig und effizient erfasst werden müssen, wie beispielsweise E-Bike-Motoren, sowohl Nabenmotoren (Direktläufer oder auch Getriebemotoren) als auch Mittelmotoren in beliebiger Bauform. Ein Einsatz ist auch generell im Maschinenbau denkbar, zum Messen von Drehmomenten (z.B. zur genauen Leistungsbestimmung oder Lebensdauererfassung) von drehmomentbelasteten Bauteilen.
Bisher kostspieligere und aufwendig realisierte Drehmomentmessungen an drehenden Bauteilen können mit der beschriebenen Drehmomenterfassungseinrichtung einfacher und kostengünstiger realisiert werden. Auch kann die Drehmomenterfassungseinrichtung potentiell Drehmomente von 0 bis 2.500 Nm bei Drehzahlen von 0 bis 15.000 rpm (revolutions per minute, Umdrehungen pro Minute) je nach Ausführung des Sensors erfassen. In einer Variante können es beispielsweise 400 Nm und 500 rpm sein. Auch kann die Drehmomenterfassungseinrichtung mit zwei bis drei weiteren Bahnen bestückt werden und die Funktionsweise gebräuchlicher Hall-Sensoren in Elektromotoren übernehmen, bzw. anstelle von diesen eingesetzt werden.
Wie dargelegt kann beschriebene Drehmomenterfassungseinrichtung Anwendung finden als Drehmomentsensorik in E-Bike-Motoren, bzw. zur Ansteuerung der Motorunterstützung über die Messung des eingebrachten Drehmomentes des Fahrers.
Die Grundidee für die Drehmomenterfassungseinrichtung besteht aus der Anordnung der Zahnscheiben, unter anderem der Nutzung der Zahnscheibe oder der Lamellen als verstärkenden Zeiger für die Drehmomenterfassung. Die Nutzung von nur einer Gabellichtschranke (es funktioniert auch mit zwei getrennten zueinander verformenden Bahnen) zur Messung des Drehmoments über die Verschiebung der Zähne zueinander. Das Drehmoment wird als duty-cycle gemessen und ist proportional zum eingebrachten Drehmoment.
Der Sensor funktioniert sowohl mit metallischen Legierungen (Aluminium, Stahl etc.) als auch mit jeglichen Kunstoffen. Selbst eine Ausführung als Holzbauteilen, CFK oder keramischen Werkstoffen ist möglich. Dadurch ergibt sich ein besonders breites Einsatzspektrum.
1 zeigt eine teilweise Explosionsdarstellung eines elektrischen Antriebs 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der elektrische Antrieb 100 für ein Fahrrad oder Lastenrad weist einen Stator 102 und einen Rotor 104 auf. Im Vergleich zu einem elektrischen Standardantrieb ist der hier gezeigte elektrische Antrieb eingerichtet, ein von einem Fahrer aufgebrachtes Drehmoment über ein Getriebeelement 106 auf den Rotor 104 zu übertragen. Der Stator 102 weist Nuten und Wicklungen auf. Die Leistungselektronik (Auswerteeinrichtung 108 und Steuereinrichtung 110 sind im Inneren des Motors (elektrischen Antriebs 100) angeordnet. Ebenfalls nicht sichtbar ist die eine Drehmomenterfassungseinrichtung 108, die ihr entsprechendes Signal (das Drehmoment repräsentierend) der Leistungselektronik bereit stellt. Die Steuereinrichtung 110 ist ausgebildet, ein Hilfs-Drehmoment für den Fahrer in Abhängigkeit des Drehmomentsignals zu steuern. Der Rotor 104 ist als Rotor-Glocke 112 mit Magneten ausgebildet.
Der in 1 bereits dargestellte elektrische Antrieb 100 ist in 2a geschlossen als Radnabenmotor mit Kassettenantrieb dargestellt. Die Rotor-Glocke 112 ist drehend um die feste Radnabenachse 116. Die um die Radnabenachse 116 rotierende Kassettenaufnahme stellt die Hauptwelle 114 dar. Auf die Kassettenaufnahme kann ein nicht dargestelltes Getriebeelement 106 (in Form eines Ritzels) gesteckt werden, um das vom Fahrer des E-Bikes aufgebrachte Drehmoment (von der Kurbel über eine Kette oder einen Riemen) auf den Radnabenmotor zu übertragen.
2b und 2c zeigen zwei verschiedene Ausführungsbeispiele als Explosionsdarstellung, 2d und 2e zeigen jeweils eine Schnitttdarstellung.
3 zeigt Hauptwelle 114, Lamellen 118, Hauptring 120, Zahnscheibe 122, Lamellenzähne 128 und Referenz-Zähne 130 einer Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer einteiligen Version. Die Zahnscheibe 122 entspricht der Hauptwelle 114, auf der direkt die Referenz-Zähne 130 angeordnet sind. Die Lamellen 118 werden durch ein Freischneiden eines Trapez (langgezogene Aussparung in radialer Richtung mit quer dazu am äußerem Ende in Umfangsrichtung noch eine kleine Aussparung, wobei die Aussparungen schlitzförmig ausgestaltet sind) erzeugt. Die Lamellenzähne 128 sind auf dem Hauptring 120, d.h. radial außen auf der Scheibe, angeordnet. Dabei sind Lamellenzähne 128 und Referenzzähne 130 parallel zueinander und quer zur Haupterstreckungsfläche der Lamellen 118 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel kommt eine große Gabellichtschranke zum Einsatz, sodass die zueinander gehörenden Zähne 128, 130 (d.h. in einer radialen Geraden liegend) innerhalb der Gabellichtschranke bei einer Rotation der Scheibe verlaufen. Dem Nachteil der großen Gabellichtschranke steht der fertigungstechnische Vorteil, insbesondere wenn die Zähne 128, 130 mittels Stanzbiegen erzeugt werden. So lässt sich das integrierte Bauteil in einem Stanzbiegeschritt komplett fertigen.
4 zeigt eine Drehmomenterfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Zahnscheibe 122 ist parallel (in der bildlichen Darstellung hinter) den Lamellen 118 oder einer durch die Lamellen 118 aufgespannten Ebene angeordnet. Die Lamellenzähne 128 und die Referenz-Zähne 130 sind paarweise mit geringem Abstand zueinander angeordnet, die Anordnung ist deutlicher der nachfolgenden 5 zu entnehmen. Die Referenz-Zähne 130 erstrecken sich durch die Öffnungen zwischen jeweils zwei benachbarten Lamellen 118.
Jeweils ein Lamellenzahn 128 und ein zugehöriger Referenz-Zahn 130 sind paarweise angeordnet. Dabei ist der Lamellenzahn 128 radial von der Hauptwelle 114 aus betrachtet weiter außen angeordnet. In radialer Richtung sind (im Bild unten und somit näher zur Welle angeordnet) ein Sender 125a und auf der gegenüberliegenden Seite, quasi nach den Zähnen (Lamellenzähne 128, Referenz-Zähne 130) bzw. radial außen gelegen, ein Empfänger 125b einer Erfassungseinrichtung 124 bzw. einer Lichtschranke 125 (als Teil der Erfassungseinrichtung 124) angeordnet. Bei der Rotation der Zähne 128, 130 verdeckt zuerst einer der beiden Zähne und am Ende der andere Zahn den Strahl der Lichtschranke. Der Überlappungsbereich variiert und somit variiert der Tastgrad.
Die beiden Zahnreihen (der Anzahl der Referenz-Zähne 130 und Anzahl der der Lamellenzähne 128) sind zwischen den redundant ausgeführten zwei (oder mehr) Stück Gabellichtschranken 125 (als Erfassungseinrichtung 124) ausgerichtet und rotieren somit immer durch die Lichtschranke 125. Die innere Zahnscheibe 122 wird wie ein Zeiger eines Messinstrumentes verstärkt. Die Überlappung ist wichtig für einen Fertigungstoleranzausgleich bei nicht perfekt gefertigten Zähnen, so dass von jedem Zahn 128, 130 immer nur eine Kante für den Sensor 125 sichtbar ist. So ist von einem der Zähne die im Durchlauf durch den Sensor 125 vordere Kante und von dem anderen Zahn die hintere Kante für den Sensor relevant.
In 6 ist die Erfassungseinrichtung 124 mit einer Lichtschranke 125 im Schnitt ersichtlich. Die Lichtschranke 125 ist auf einer Platine angeordnet, auf der auch eine zweite Lichtschranke beabstandet zur ersten Lichtschranke angeordnet ist. Wenn der Abstand nicht exakt mit dem Abstand der Zähne 128, 130 übereinstimmt, kann aus den beiden Signalen bereits eine Drehrichtung berechnet werden. Auch kann durch eine Mehrzahl an Sensoren 125 und die so geschaffene Redundanz die Ausfallsicherheit des Sensors erhöht werden, die Drehmomenterfassungseinrichtung 108 somit robuster werden. Die Auswerteeinrichtung 126 kann auf der selben Platine 134 angeordnet sein. So kann auch ein Mikrocontroller auf der Platine 134 sowohl Aufgaben der Erfassungseinrichtung 124 als auch der Auswerteeinrichtung 126 übernehmen.
In 7 sieht man, dass die Zahnscheibe 122 mit der Einheit aus Hauptwelle 114, der Vielzahl an Lamellen 118 und dem Hauptring 120 im Bereich der Hauptwelle 114 gekoppelt bzw. verbunden ist, aber keine Verformung durch ein auf die Hauptwelle 114 wirkendes Drehmoment erfährt.
8 und 9 zeigen das gleiche Ausführungsbeispiel, einmal im unbelasteten Zustand und einmal im belasteten Zustand. Im unbelasteten Zustand, wie er in 8 dargestellt ist, sind die Lamellen in radialer Richtung gerade ausgerichtet. Wenn ein Drehmoment auf die Drehmomenterfassungseinrichtung 108 wirkt, verformen sich die Lamellen 118, wie es in 9 ersichtlich ist. Auf der Zahnscheibe 122 sind Anschläge 132 ausgeformt, welche sich in den Zwischenraum zwischen zwei Lamellen 118 erstrecken. Eine der zugeordneten Lamelle 118 zugewandte Anschlagsfläche des Anschlags 132 ist gebogen und entspricht somit der Verformung der Lamelle 118 bei der maximalen Belastung am Ende des Messbereichs, beispielsweise 100 Nm. Bei einer höheren Belastung werden die Lamellen 118 nicht weiter verformt, das Drehmoment wird mittels des Anschlags 132, bzw. der Anschläge 132 abgestützt.
Der Anschlag 132 könnte auch anders ausgeformt sein, beispielsweise zwischen Zahnscheibe 122 und Hauptring 120, sodass ein Drehmoment dann auch über die Zahnscheibe 122 direkt an den Hauptring 120 weitergeleitet werden könnte. Weitere Alternativen sind denkbar. Es geht dabei immer um die Unterstützung der Lamellen, sodass sich diese immer nur elastisch verformen, nicht in die plastische Verformung kommen und oberhalb der Zugbelastungsgrenze belastet werden.
10 zeigt eine Variante, die aus einem Federstahlblech gefertigt ist. Dabei sind die Lamellen 118 und die Zahnscheibe 122 in einer Ebene angeordnet. Die Zahnscheibe 122 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus Lamellen oder Speichen, welche am Hauptring 120 nicht befestigt sind und somit im Idealfall keine Verformung erfahren, außer nach dem maximalen Messbereich. Ist dieser erreicht können die Lamellen oder Speichen der Zahnscheibe 122 ebenfalls den Hauptring 120 abstützen. Auch eine zweiteilige Ausführung mit zwei parallel angeordneten Scheiben ist denkbar. Auch das in 11 gezeigte Ausführungsbeispiel folgt diesem Gedanken. Abwechselnd sind Lamellen ausgeformt, mit einer Verbindung zum Hauptring (dann handelt es sich im Lamellen 118) und bei denen keine Verbindung zum Hauptring 120 besteht (dann sind diese Teil der Zahnscheibe 122). Die Erfassungseinrichtung 124 ist eingerichtet, eine Relativbewegung der beiden unterschiedlichen Lamellen zu erfassen. So kann das wirkende Drehmoment bestimmt werden.
12 und 13 zeigen weitere alternative Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt eine Variante mit zusätzlichen Zahnreihen. Durch eine besondere Anordnung der Zähne können mit den Gabellichtschranken 125 und die nachgelagerte Signalauswertung zusätzliche Informationen erfasst werden.
15 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst zumindest drei Verfahrensschritte. Im ersten Schritt S1 des Sensieren wird eine zu einem Drehmoment relative Winkelverschiebung sensiert und eine die Winkelverschiebung und somit das Drehmoment repräsentierendes elektrisches Signal erzeugt, welches im zweiten Schritt S2 bereitgestellt, wird. Im dritten Schritt S3 des Auswertens des elektrischen Signals wird das elektrische Signal an einer Schnittstelle einer Auswerteeinrichtung 126 eingelesen, in der Auswerteeinrichtung ausgewertet und zumindest ein Signal ausgegeben, welches das auf die Hauptwelle wirkende Drehmoment repräsentiert. In 16 sind entsprechende das Drehmoment repräsentierende Signale dargestellt. Dabei zeigt 16a ein unkalibriertes Signal von einer Vielzahl von Umdrehungen. Es ist sowohl ein Offset als auch eine Kurbelumdrehung ersichtlich. In 16b ist das Signal kalibriert. Hierzu weist die Drehmomenterfassungseinrichtung eine zusätzliche Einrichtung auf, die einen Nulldurchgang der Hauptwelle detektiert. Dies kann über eine spezielle Ausgestaltung der Zähne 128, 130 erfolgen oder aber bevorzugt durch einen zusätzlichen Sensor. Dies kann beispielsweise ein Hall-Sensor oder ein optischer Sensor sein. Mit der Zusatzinformation des Nulldurchgangs kann das Signal einfach kalibriert werden. Ein menschlicher Fahrer erzeugt in der Regel kein konstantes Drehmoment, selbst beim Einsatz von speziellen Fahrradpedalen, die mit dem Schuh des Fahrers verbunden sind (sogenannte Click-Pedale). Da in der Abwärtsbewegung ein höheres Drehmoment erzeugt werden kann wie in der waagrechten Bewegung, sieht das Drehmomentsignal Sinusähnlich aus. Man sieht vier Kurbelumdrehungen mit einer gleichbleibenden Kraft bzw. Drehmoment, dann eine starke Steigerung des Drehmoments, welche dann leicht abfällt für die kommenden drei Kurbelumdrehungen. Für die Steuereinrichtung kann das Signal dann weiterverarbeitet werden, beispielsweise einer Glättung unterzogen werden, sodass der angesteuerte Motor gleichmäßig das Fahrrad antreibt.
Bezugszeichenliste

100: Elektrischer Antrieb, Radnabenmotor
102: Stator
104: Rotor
106: Getriebeelement
108: Drehmomenterfassungseinrichtung
110: Steuereinrichtung
112: Rotor-Glocke
114: Hauptwelle, Kassettenaufnahme
116: Radnabenachse
118: Lamellen
120: Hauptring
122: Zahnscheibe
124: Erfassungseinrichtung
125: Lichtschranke, Gabellichtschranke
125a: Sender der Lichtschranke
125b: Empfänger der Lichtschranke
126: Auswerteeinrichtung
128: Lamellenzähne
130: Referenz-Zähne
132: Anschlag
134: Platine
S1 bis S3: Verfahrensschritte

Claims

Drehmomenterfassungseinrichtung (108), insbesondere für einen elektrischen Antrieb (100), aufweisend - eine Hauptwelle (114), - ein Hauptring (120), der radial beabstandet zur Hauptwelle (114) sich um diese erstreckt, - eine Vielzahl von vorzugsweise gleichartigen speichenförmigen Lamellen (118), die die Hauptwelle (114) mit dem Hauptring (120) verbinden und die ausgebildet sind, ein auf die Hauptwelle (114) wirkendes Drehmoment auf den Hauptring (120) zu übertragen, wobei sich die Lamellen (118) vorbestimmbar zum eingebrachten Drehmoment verformen, - eine Zahnscheibe (122), die mit der Hauptwelle (114) verbunden ist und parallel zu der Vielzahl von Lamellen (118) angeordnet ist, - eine Erfassungseinrichtung (124), die ausgebildet ist ein elektrisches Signal auszugeben, welches sich in Abhängigkeit der Verformung der Lamellen (118) verändert, - eine Auswerteeinrichtung (126), die ausgebildet ist, das elektrische Signal einzulesen, auszuwerten und zumindest ein Signal auszugeben, welches ein auf die Hauptwelle (114) wirkendes Drehmoment repräsentiert, wobei - an einem radial von der Hauptwelle (114) abgewandten Endbereich der Vielzahl von Lamellen (118) oder am Hauptring (120) eine Anzahl quer zur Erstreckungsrichtung der Lamellen (118) ausgerichteter Lamellenzähne (128) angeordnet sind, und - eine Anzahl von Referenz-Zähnen (130), die im äußeren Randbereich der Zahnscheibe (122) angeordnet sind, und quer zur Haupterstreckung der Zahnscheibe (122) ausgerichtet sind, - wobei die Referenz-Zähne (130) parallel zu den Lamellenzähnen (128) ausgerichtet sind.
Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, wobei - sich die Anzahl von Referenz-Zähnen (130) durch Öffnungen zwischen den Lamellen (118) hindurcherstrecken.
Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung (124) eine Anzahl von Hall-Sensoren aufweist.
Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Erfassungseinrichtung (124) einen optischen Sensor oder eine Mehrzahl von optischen Sensoren, insbesondere Lichtschranken, aufweist.
Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung (124) eine Mehrzahl von Sensoren aufweist und die Auswerteeinrichtung (126) ausgebildet ist, zu dem auf die Hauptwelle (114) wirkendes Drehmoment repräsentierenden Sensorsignal zumindest ein die Drehrichtung und/oder die Drehgeschwindigkeit repräsentierendes Signal auszugeben.
Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung (124) ausgebildet ist einen Nulldurchgang der Hauptwelle (114) zu bestimmen, insbesondere mittels eines zusätzlichen Sensors und/oder durch eine spezielle Gestaltung von einzelnen Referenz-Zähnen (130) und/oder Lamellenzähnen (128).
Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Lamellen (118) in Umfangsrichtung eine Dicke von kleiner 8 mm, insbesondere kleiner 5 mm, insbesondere kleiner 3 mm, insbesondere kleiner 2 mm haben.
Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, wobei die Lamellen (118) in radialer Erstreckung eine unterschiedliche Dicke aufweisen, insbesondere in einem Mittenbereich dünner ausgeformt sind als in den Endbereichen, insbesondere in dem Mittenbereich eine um zumindest 20% verringerte Dicke aufweisen als eine mittlere Dicke in den Endbereichen.
Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zumindest ein Anschlag (132) vorgesehen ist, der die Verformung der Lamellen (118) begrenzt und ein zur begrenzten Verformung proportionales Drehmoment übersteigendes Drehmoment mittels Formschluss auf den Hauptring (120) überträgt, insbesondere wobei ein Anschlag (132) je Lamelle vorgesehen ist und die Anschläge (132) derart ausgeformt sind, dass zumindest 50 % der Längserstreckung der jeweiligen zugeordneten Lamelle an einer Anschlagsfläche des jeweiligen Anschlags (132) anliegt.
Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (126) eingerichtet ist, das eingelesene elektrische Signal zu kalibrieren, insbesondere unter Verwendung des Nulldurchgangs, und das auf die Hauptwelle (114) wirkende Drehmoment repräsentierende Signal unter Verwendung des kalibrierten Signals zu bestimmen.
Elektrischer Antrieb (100), insbesondere für ein Fahrzeug wie beispielsweise ein Fahrrad, ein Pedelec, ein S-Pedelec oder ein Leichtkraftfahrzeug, aufweisend - einen Stator (102) und einen Rotor (104), wobei ein von einem Fahrer aufgebrachtes Drehmoment über ein Getriebeelement (16) auf den Rotor (104) übertragbar ist, - eine Drehmomenterfassungseinrichtung (108) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche. - eine Steuereinrichtung (110), welche ausgebildet ist, ein Hilfs-Drehmoment für den Fahrer von dem elektrischen Antrieb (100) in Abhängigkeit des Drehmomentsignals zu steuern.
Elektrischer Antrieb (100) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, wobei der Hauptring (120) und die Vielzahl von insbesondere gleichartigen speichenförmigen Lamellen (118) ein Teil des als Rotorglocke (112) ausgeformten Rotors (104) sind.
Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments, insbesondere eines elektrischen Antriebs (100), aufweisend zumindest die folgenden Schritte: a) Sensieren (S1) einer zu einem Drehmoment relativen Winkelverschiebung und bereitstellen eines die Winkelverschiebung und somit das Drehmoment repräsentierenden elektrischen Signals, wobei das Drehmoment auf eine Hauptwelle (114) wirkt, die über eine Vielzahl von vorzugsweise gleichartigen speichenförmigen Lamellen (118) mit einem radial beabstandet zur Hauptwelle (114) und sich um diese erstreckendem Hauptring (120) verbunden ist, wobei die Lamellen (118) ausgebildet sind, ein auf die Hauptwelle (114) wirkendes Drehmoment auf den Hauptring (120) zu übertragen, und wobei sich die Lamellen (118) proportional zum eingebrachten Drehmoment verformen, wobei an einem radial von der Hauptwelle (114) abgewandten Endbereich der Vielzahl von Lamellen (118) oder am Hauptring (120) eine Anzahl quer zur Erstreckungsrichtung der Lamellen (118) ausgerichteter Lamellenzähne (128) angeordnet sind, und eine Anzahl von Referenz-Zähnen (130), die im äußeren Randbereich der Zahnscheibe (122) angeordnet sind, und quer zur Haupterstreckung der Zahnscheibe (122) ausgerichtet sind, wobei die Referenz-Zähne (130) parallel zu den Lamellenzähnen (128) ausgerichtet sind, b) Bereitstellen (S2) des elektrischen Signals, und c) Auswerten (S3) des elektrischen Signals, wobei das elektrische Signal an einer Schnittstelle einer Auswerteeinrichtung (126) eingelesen wird, in der Auswerteeinrichtung (126) ausgewertet wird und zumindest ein Signal ausgegeben wird, welches das auf die Hauptwelle (114) wirkende Drehmoment repräsentiert.
Verfahren gemäß dem vorangegangenen Anspruch, mit einem Schritt des Kalibrierens, in dem das elektrische Signal insbesondere unter Verwendung eines Nulldurchgangs, auf einen Nullpunkt kalibriert wird, und wobei das auf die Hauptwelle (114) wirkende Drehmoment im Schritt des Auswertens (S3) unter Verwendung des kalibrierten Signals bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der beiden vorangegangenen Ansprüche, wobei unter Verwendung des elektrischen Signals und/oder des kalibrierten Signals eine Winkelgeschwindigkeit der Hauptwelle (114) bestimmt wird.