EP4331094A1 - Verfahren zum betreiben eines elektromagnetischen stromgenerators für ein rad und stromgenerator für ein rad - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines elektromagnetischen stromgenerators für ein rad und stromgenerator für ein rad

Info

Publication number
EP4331094A1
EP4331094A1 EP23712242.9A EP23712242A EP4331094A1 EP 4331094 A1 EP4331094 A1 EP 4331094A1 EP 23712242 A EP23712242 A EP 23712242A EP 4331094 A1 EP4331094 A1 EP 4331094A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stator
rotor
wheel
speed
power generator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP23712242.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mike Nagel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RONAL AG
Original Assignee
RONAL AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by RONAL AG filed Critical RONAL AG
Publication of EP4331094A1 publication Critical patent/EP4331094A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1846—Rotary generators structurally associated with wheels or associated parts
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • H02P9/107—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load for limiting effects of overloads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B27/00—Hubs
    • B60B27/0047—Hubs characterised by functional integration of other elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K7/00—Disposition of motor in, or adjacent to, traction wheel
    • B60K7/0007—Disposition of motor in, or adjacent to, traction wheel the motor being electric
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/006—Structural association of a motor or generator with the drive train of a motor vehicle
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/02—Details of the control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K7/00—Disposition of motor in, or adjacent to, traction wheel
    • B60K2007/0092—Disposition of motor in, or adjacent to, traction wheel the motor axle being coaxial to the wheel axle
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H02P2101/45—Special adaptation of control arrangements for generators for motor vehicles, e.g. car alternators

Definitions

  • the invention relates to a method and a power generator in the field of generating electrical energy from the rotation of a wheel, by rolling which an object is moved, the electromagnetic power generator being mounted on a wheel in such a way that when the wheel rotates a rotor of the power generator rotates relative to its stator and the power generator thereby generates electricity.
  • An electromagnetic current generator for the purposes of the invention is an electrical generator, i.e. an electrical machine, which generates kinetic energy, in the present case the kinetic energy (rotational energy) of the wheel or the kinetic energy of the object moved by the wheel is converted into electrical energy using electromagnetic induction.
  • a power generator is also called a dynamo.
  • the mechanical power is usually supplied to the generator in the form of the rotation of a mechanical shaft.
  • inside the generator there are concentrically mounted Arrangement: a fixed stator (also called stator housing or stand) and a rotor (also called rotor) that can be rotated relative to the stator and is driven by the shaft.
  • the rotor usually has one or more permanent magnets or one or more electromagnets (also called field coil or excitation winding) to generate a constant magnetic field, and the stator has one or more conductor windings.
  • the rotating magnetic field of the rotor induces an electrical voltage in the conductor windings of the stator, resulting in the generation of electrical current.
  • the stator with the conductor windings can also be rotated using the shaft or another drive compared to a fixed rotor, which generates a constant magnetic field. be rotated.
  • the rotor becomes a stator, which has one or more permanent magnets or one or more electromagnets (also called field coil or excitation winding) in order to generate a constant magnetic field
  • the stator becomes a rotor that has one or more conductor windings and is rotated relative to the stator.
  • a rotating wheel of an object moved by means of the wheel in particular relative to a vehicle vehicle body rotating wheels of a motor vehicle, for some practical applications the provision of electrical energy in or on the rotating wheel for an electrical consumer is required in order to realize or enable a function that consumes electrical energy.
  • a first example is the power supply to sensors mounted in or on the rotating wheel that measure various parameters, e.g. B. tire pressure, temperature or rotational speed, or send signals.
  • Another example is an electrical lighting attached to the wheel that lights up permanently, for example for design reasons, or that lights up temporarily, for example to implement a “coming home” function that illuminates the wheel after to stop the vehicle when it reaches its destination for a defined time when getting out of the vehicle.
  • a briefly lit optical display or a warning signal should be implemented, for example to display different driving modes of the vehicle (such as autonomous or manual driving mode) or to create a side warning or brake light that indicates the direction of travel. to indicate the activation or engagement of reverse gear or to generate a visual warning signal, for example in the event of an accident in the vehicle or in the event of an emergency vehicle.
  • Another application can be the power supply of an electrically operated mechanical actuator, which is used, for example, to close the spaces between spokes of a wheel with covers in order to reduce the air resistance of the wheel and/or to open them in the event of braking to cool the brake.
  • An electromagnetic current generator arranged in or on the wheel can be implemented in different ways.
  • a first variant requires a constructive one or manufacturing modification of the wheel itself, which is disadvantageous and time-consuming and severely limits the possible uses, as corresponding systems or modules can only be used in wheels specially adapted for this purpose.
  • a corresponding system or module is mounted on the wheel as an additional component, for example like a wheel cover, which completely or partially covers the axial end face of a wheel radially and circumferentially. Wheel covers that contain energy-generating modules are described, for example, in the documents DE 202018 000 319 Ul and US 2014/0043839 Al.
  • the implementation in the form of a wheel cover also has disadvantages, which arise, for example, from the radial inclination or from the fact that the electrical and electronic components are exposed to external influences. Furthermore, they require additional design effort for their attachment to the wheel and their possible uses on wheels are limited due to the attachment requirements and the geometric conditions.
  • a corresponding module with such a power generator can easily be adapted to a specific wheel, that is, a specific wheel can be retrofitted with a correspondingly adapted module without or without significantly changing the wheel, which is significantly less complicated than adapting wheels.
  • the basic structure can preferably be: Basic components and various components of such systems or modules are always the same, with the exception of the housing, which can be easily designed specifically for a particular wheel.
  • a corresponding module can meet the practical requirements regarding strength in ferry operations, protection against water, e.g. B. splash water and moisture, as well as low and high temperatures.
  • the electromagnetic power generator described in this document corresponds to the second variant described at the beginning, with a rotatably mounted stator with an eccentric center of mass in the form of a pendulum with permanent magnets and a rotor with at least one coil.
  • the rotor is rotated indirectly by the wheel, namely due to the wheel hub with which it is connected in a rotationally fixed manner, so that the rotor rotates together with the wheel when the wheel rolls, and the stator is arranged to be freely rotatable relative to the rotor.
  • the stator is not designed to be circularly symmetrical, but rather only has a radially extending weight part over a partial circumference, which results in an eccentric arrangement of the center of mass of the stator radially outside the axis of rotation of the stator.
  • An electrical circuit with an energy control and a rechargeable accumulator is non-rotatably connected to the rotor, the electrical circuit being connected on the one hand to the power generator and on the other hand to the rechargeable accumulator.
  • the housing of the system consists of two parts and also contains an electrical consumer that is connected to the electrical circuit, the rechargeable battery and the power generator.
  • the rotatably mounted stator which is designed as a pendulum, is rotated downwards into a rest position by gravity due to its eccentric center of mass and is held there.
  • generator operation ie when the power generator generates electrical power, the stator is rotated from this rest position into a working position until the torque on the stator caused by gravity corresponds to the torque of the power generator on the stator caused by electromagnetic induction.
  • the deflection of the stator from the rest position is practically static or constant and is determined by the torque of the current generator on the stator caused by the electromagnetic induction.
  • the stator does not rotate or overturn while the rotor rotates together with the wheel, but is simply deflected from its rest position into a working position in which the The torque on the stator given by the eccentric center of mass of the stator corresponds to the torque of the power generator on the stator given by the electricity generation.
  • the stator is included held by gravity in the deflected working position with a certain deflection angle compared to the vertical rest position, in which the stator applies the necessary counter-torque for the rotating rotor.
  • the freely rotatable stator can roll over (runaway, spin), whereby the stator is no longer held in a certain angular range due to gravity, but rather an undesirable and uncontrolled rotation takes place. It was found that this effect can already occur on a wheel of a motor vehicle at a vehicle speed of approx. 60-80 km/h.
  • the trigger for the stator to roll over is usually an additional acceleration that briefly acts on the stator during ferry operation, for example when driving at high speed, when braking or accelerating the vehicle, when steering abruptly or when impacts occur, for example when driving over a bump or uneven road.
  • the additional acceleration acting on the stator means that it cannot maintain its intended working position and is instead deflected even further. Since from a deflection of the stator of 90° compared to the vertical rest position, the torque of the stator generated by gravity decreases again as the angle increases, this usually leads to the stator being deflected over 180° compared to the rest position, i.e. overturning .
  • a stator that rolls over in ferry operation is usually not affected by the additional acceleration after the additional acceleration has subsided itself returns to the working position in which the torque on the stator due to gravity and the torque on the stator due to induction are in balance, but continues to roll over and rotate constantly until the wheel comes to a standstill or rotates very slowly and the stator returns to its static rest or working position.
  • stator rolls over the power generator can only fulfill its basic function as a power supplier to a lesser extent or no longer at all. Furthermore, the mechanical stress when the stator rolls over can lead to damage to the power generator. In addition, an overturning stator creates an imbalance due to its eccentric center of mass, through which it is held statically at a certain angle of rotation by gravity in generator operation, which the driver of the vehicle stuff and possibly become irritated by it.
  • stator In order to avoid the stator from rolling over, one could consider making the stator large and heavy so that due to the larger mass it can maintain the working position up to a higher speed and reacts more slowly and less sensitively to additional accelerations.
  • this approach is disadvantageous because a heavier stator increases the weight of the entire module with the power generator and the stator requires more installation space, so that less installation space remains for other components, such as the rotor or a rechargeable battery .
  • the installation space in the wheel hub is usually very limited due to the design of the wheel and reducing the size of components such as the accumulator or the rotor would have disadvantages.
  • a heavy stator also has the disadvantage that after a rollover it takes much longer than a lighter stator to return to the rest or working position due to its greater inertia. Furthermore, it has been shown within the scope of the invention that situations occur in ferry operations in which the stator rolls over, no matter how large and heavy it is, e.g. B. in the case of severe unevenness in the road such as bumps. Overall, increasing the mass of the stator is therefore not a suitable measure to prevent the stator from rolling over.
  • the present invention is based on the object of providing a method for operating an electromagnetic power generator with a rotatably mounted stator with an eccentric center of mass and a rotor, the power generator being on can be attached to the wheel of an object that can be moved by means of the wheel and can preferably be arranged in the cylindrical cavity of the hub of the wheel, and to create a corresponding electromagnetic current generator in which suitable means in practical application ensure that the basic function of the power generator as a power supplier is better guaranteed.
  • the method according to the invention for operating an electromagnetic power generator which has a rotatably mounted stator with an eccentric center of mass and a rotor which can be rotated relative to the stator, and which can be mounted on a wheel of an object movable by means of the wheel in such a way that at Turning the wheel, the rotor rotates relative to the stator and the power generator thereby generates electricity in a generator mode has the special feature that the method includes the following steps:
  • a first step to detecting whether the stator is overturning includes the following steps
  • the electromagnetic power generator according to the invention which has a rotatably mounted stator with an eccentric center of mass and a rotor that can be rotated relative to the stator and which can be mounted on a wheel of an object that can be moved by means of the wheel in such a way that when the wheel rotates, the rotor moves relative to the stator rotates and the power generator thereby generates power in a generator mode, has the special feature that the power generator includes the following:
  • a first means which is designed to detect whether the stator is overturning, comprising a means for determining the speed of the wheel and / or the rotor, a means for determining the differential speed of the rotor compared to the stator, a means for comparing the determined Speed of the wheel and / or the rotor and the specific differential speed of the rotor compared to the stator, and a means for detecting the rollover of the stator from that the specific speed of the wheel and/or the rotor deviates by more than a particularly user-defined first threshold value from the determined differential speed of the rotor relative to the stator, and a second means which is designed to do so in the event that the first means detects a rollover of the stator to stop the stator from rolling over by applying current to the rotor in such a way that the stator is accelerated.
  • the invention is therefore particularly aimed at capturing the rotatably mounted stator as quickly as possible in the event of it overturning, whereby it is brought back into the static equilibrium state of the working position as quickly as possible even during continuous ferry operation of the object moved by the wheel and the power generator can generate electricity.
  • the rotor is supplied with current or controlled.
  • the acceleration according to the invention of the overturning stator by supplying current to the rotor in order to catch the overturning stator back into a particularly static working position is therefore a negative acceleration, ie a braking of the overturning, rotating stator a stationary work employment position.
  • a negative acceleration ie a braking of the overturning, rotating stator a stationary work employment position.
  • capture or resetting of the stator has so far required that the wheel or vehicle not stand still for too short a time.
  • the rollover of the stator that rolls over in the event of a fault can be detected immediately and reliably and the capture can be carried out automatically during ferry operation.
  • the energy generation by the power generator in particular and the operation of the vehicle in general are therefore not significantly affected by a stator rolling over.
  • the invention relates to a method for operating an electromagnetic power generator for a wheel and a power generator for a wheel, in particular a vehicle.
  • the power generator includes a rotatably mounted stator, which is held in an equilibrium position by its eccentric center of mass, and a rotor rotating in the stator and driven by the wheel.
  • a rotatably mounted stator which is held in an equilibrium position by its eccentric center of mass, and a rotor rotating in the stator and driven by the wheel.
  • it is proposed to supply current to the rotor.
  • the rotor in the second step the rotor is supplied with current in motor mode in such a way that it generates a magnetic rotating field which varies with the specific speed of the wheel and/or the rotor or the specific differential rotation - number of rotor rotates relative to the stator.
  • the rotating magnetic field of the rotor which acts as a driving motor force on the stator, accelerates the rolling over stator until the stator does not move rolls over more.
  • the specific speed of the wheel and/or the rotor is used to apply an electrical rotating field to the power generator in motor mode at this frequency and the resulting mechanical driving force accelerates the rolling, rotating stator until it comes to a relative standstill Gravity field.
  • This process preferably takes place in a control loop in which the first and second steps are constantly repeated and the frequency at which the rotor is controlled in motor mode to drive the stator is dynamically controlled.
  • the time at which the engine mode switches back to the generator mode can be determined in various ways. For example, it can be checked whether the stator has reached its target position again.
  • the rotor is supplied with current, in particular in motor mode, until the speed of the wheel and / or the rotor is less than a particularly user-defined second threshold value from the differential speed of the rotor compared to the stator.
  • the second threshold may be the same as or different from the first threshold.
  • the switching back can be time-controlled.
  • the rotor in the second step the rotor is supplied with current, particularly in the motor mode of the power generator, for a predetermined period of time and then the power generator is switched back to the generator mode.
  • the predetermined duration of the engine mode depends on Speed is selected from the specific speed of the wheel and/or the rotor and/or from the speed of the object moving with the wheel and a predefined or programmed map is used in which the predetermined duration of the motor mode of the power generator is in Dependence on the speed of the wheel or rotor or the speed of the object moving with the wheel is determined. In this way, for example, empirical values can be taken into account or the regulatory effort can be simplified.
  • a particularly user-defined pause time is waited for and only after the pause time has elapsed Power generator is switched to generator mode for generating power and power is taken from the power generator.
  • the stator which has been captured from the rollover and returned to a working position, can settle and the power generator as a whole can stabilize in this status.
  • the rotor can either not be supplied with current or can be supplied with a small current, in particular with a lower current than the maximum possible.
  • the pause time can be predetermined, in particular between 0.1 s and 20 s, preferably between 0.2 s and 10 s and particularly preferably between 0.5 s and 5 s.
  • the pause time can also depend on and from the speed of the object moved by the wheel or on the speed of the rotor and/or the wheel can be derived, in particular between 0.5 and 1000, preferably between 10 and 500 and particularly preferably between 20 and 100 times the duration of one revolution of the wheel and / or the rotor.
  • the basic structure of the current generator according to the invention can be designed as a synchronous machine or as an asynchronous machine in order to realize the switching from the generator mode to the motor mode.
  • a particularly advantageous embodiment is the design as a brushless, electronically commutated direct current motor (Brushless DC motor, BL-DC, EC motor).
  • An EC motor is a synchronous motor that can be controlled like a direct current motor using converter electronics.
  • the rollover of the stator is recognized by the fact that during rollover the specific speed of the wheel and/or the rotor deviates by more than the first threshold value from the specific differential speed of the rotor compared to the stator.
  • the specific differential speed of the rotor relative to the stator is smaller than the specific speed of the wheel and/or the rotor by more than the first threshold value, so that the current generator generates electricity with a frequency that is smaller than the speed of the wheel and/or the rotor (opposite the wheel axle).
  • stator rolls over which occurs when the stator, which is working in generator mode and deflected into the working position, is deflected even further by an additional acceleration, for example due to a shock, and then that The torque generated by gravity on the stator is no longer sufficient to keep the electrical See to compensate for the counter torque of the power generator on the stator and to keep itself in balance.
  • stator then rolls over in the direction opposite to the rotation of the wheel and/or the rotor of the rotor, ie the speed of the wheel and/or the rotor is greater than the difference in speed of the rotor compared to the stator. If the rotor is then supplied with current in such a way that the stator is thereby accelerated, the rolling over stator is accelerated against its direction of rotation in order to bring it into a static working position.
  • stator which is working in generator mode and has been deflected into the working position, overturns in the direction opposite to the direction in which it is moved by the Ru- due to the additional acceleration, for example due to a shock. production has been deflected into the working position.
  • stator then rolls over in the same direction of rotation in which the wheel and/or the rotor rotates, i.e. H.
  • the speed of the wheel and/or the rotor is smaller than the difference in speed of the rotor compared to the stator. If the rotor is then supplied with current in such a way that the stator is thereby accelerated, the rolling over stator is accelerated against its direction of rotation in order to bring it into a static working position.
  • both cases can be taken into account, for example, by comparing the specific speed of the wheel and/or the rotor or the rotor with the specific differential speed of the rotor compared to the stator. absolute value of this comparison value is turned off. However, you can also take the sign of the comparison value into account in order to set the first threshold value with a corresponding sign if the comparison value is positive or negative.
  • the first threshold value when exceeded in the first step of the method according to the invention, it is concluded that the stator has rolled over and the second step of capture is initiated by energizing the rotor, is zero, i.e. H. Even when determining the slightest deviation of the specific speed of the wheel and/or the rotor from the specific differential speed of the rotor compared to the stator, it is concluded that the stator has rolled over. However, in practical application a certain tolerance must be allowed.
  • the second threshold value in the second step may, but does not have to be, the same as the first threshold in the first step.
  • At least one of the threshold values has a fixed value that deviates from zero, in particular between 0.1/s and 20/s, preferably between 0.2/s and 10/s and particularly preferably between 0.5/s and 5/s.
  • At least one of the threshold values has a value other than zero, which depends on the speed of the object moved with the wheel or on the speed of the rotor and/or the wheel and is derived from this, in particular corresponds to a percentage of the speed of the wheel and/or the rotor.
  • the current generator according to the invention can be mounted on a wheel in such a way that when the wheel rotates, the rotor rotates relative to the stator.
  • the rotor is therefore firmly connected to the wheel, for example to the hub of the wheel, so in this case the speed of the rotor is equal to the speed of the wheel or the speed of the rim of the wheel.
  • the speed of the rotor can therefore not only be measured directly on the rotor itself, but also determined via the speed of the wheel or rim.
  • the speed of the wheel or rotor is determined in at least one of the following ways:
  • a speed sensor that measures the speed
  • Use of an acceleration sensor that measures the magnitude of centrifugal acceleration or the frequency of change of direction with respect to gravity
  • use of a magnetic field sensor that measures the frequency of change of direction with respect to the earth's magnetic field or with respect to a reference magnet
  • use of an inductive sensor use of an ultrasonic sensor
  • use of a optical sensor use of an eccentrically aligned microphone to record rolling noise of the wheel.
  • the differential speed of the rotor compared to the stator can be determined in at least one of the following ways:
  • a speed sensor for example a Hall sensor, which measures the differential speed.
  • the current generated by the conductor windings of the rotor in generator mode has a sinusoidal curve, the frequency of which is given by the difference in speed of the rotor compared to the stator.
  • the rotor has, for example, three pairs of coils, each of which generates a phase.
  • the zero crossings of the sinusoidal voltage of a phase of the power generator can be determined and their time interval recorded.
  • the frequency of the zero crossings can be determined from the time interval between the zero crossings or the frequency of the zero crossings Phase and thus the difference in speed of the rotor compared to the stator can be determined.
  • the invention is basically suitable for use with any type of wheel with which an object is moved. It doesn't matter whether it is a wheel that is driven by a motor to move the object or that runs passively as the object moves, i.e. is set in rotation by the movement of the object. There are also generally no restrictions with regard to the moving object.
  • a wheel of an object moving on or on a rail e.g. B. a rail vehicle (e.g. locomotive, wagon, roller coaster) or a rail-bound transport device (e.g. an electric monorail), or in particular a road vehicle (e.g. car, motorcycle, bicycle), or another bike, e.g. B. a transport cart.
  • a preferred area of application is use on a wheel of a motor vehicle, in particular a light alloy wheel.
  • the object moved by the wheel is a vehicle.
  • a second aspect of the invention which can be used in combination with or independently of the above-explained first aspect of the invention of capturing a continuous stator, is aimed at reducing the frequency of the occurrence of rollover of the stator by suitable measures.
  • an electromagnetic power generator has a rotatably mounted stator with an eccentric center of mass and a rotor that can be rotated relative to the stator and that can be mounted on a wheel of an object that can be moved by means of the wheel in such a way that when the wheel rotates the rotor rotates relative to the stator and thereby the power generator generates power
  • the power delivered by the power generator in a generator mode is regulated by means of a load control in such a way that it remains below a predetermined limit value.
  • the stator does not rotate or roll over while the rotor rotates together with the wheel, but is simply deflected from its rest position into an almost static working position in which the The torque on the stator given by the eccentric center of mass of the stator corresponds to the torque on the stator given by the electricity generation of the power generator.
  • the second aspect according to the invention is based on the knowledge that the power generator is less sensitive to influences that trigger a rollover if, in the generator mode of the power generator, the deflection of the stator from its vertical rest position to the working position is less than 90 °, preferably less than 60°, in particular between 30° to 60°.
  • the second aspect according to the invention is therefore aimed at controlling or regulating the power generator in normal generator operation in such a way that the stator is not deflected by more than approximately 90° relative to the vertical.
  • the load control includes in particular the following steps:
  • a first step for determining a speed characteristic of a current speed of the object moving with the wheel, from which it can be derived how large the maximum electrical power that can currently be generated by the current generator without load control is, a second step in which it is checked whether the specific characteristic speed is greater than a, in particular user-defined, switch-on threshold if the second step is answered positively, a third step in which a particularly user-defined electrical load is removed from the power generator, and one fourth step, in which the characteristic speed is determined again, and a fifth step, in which it is checked whether this characteristic speed is smaller than a particularly user-defined switch-off threshold if the fifth step is answered negatively, a sixth step in which the generator load, i.e. H. the current delivered by the power generator is regulated depending on the characteristic speed, if the fifth step is answered positively, an alternative sixth step in which the generator load is switched off.
  • the generator load i.e. H. the current delivered by the power generator is regulated depending on the characteristic speed
  • This flow chart is preferably carried out in a continuous control loop, with the control preferably only starts when the electrical load delivered by the power generator exceeds the switch-on threshold and does not fall below the switch-off threshold.
  • the use of the switch-on threshold prevents the load control from interfering even with small electrical loads, and the use of the switch-off threshold prevents the load control from switching on and off alternately at a high frequency.
  • the switch-off threshold is smaller than the switch-on threshold.
  • the load removed from the power generator in the third step is adjusted so that it is only a small electrical load.
  • a low electrical load in this sense can preferably be an electrical load that is significantly smaller than the maximum electrical power that can be generated by the power generator, for example 0.5% to 20%, preferably 1% to 10% and particularly preferably 2% to 5% of the maximum power, or which is significantly smaller than the electrical power that can be generated in the current operating state of the power generator, for example 0.5% to 20%, preferably 1% to 10% and particularly preferably 2% to 5% of this performance is.
  • the speed of the wheel and/or the rotor or the difference in speed of the rotor compared to the stator is determined as the characteristic speed. Since in generator operation when the stator does not roll over, the speed of the wheel approximately corresponds to the difference in speed of the rotor compared to the stator, the current delivered by the power generator can be advantageous Embodiments are regulated depending on the speed of the wheel and / or the rotor or the differential speed of the rotor compared to the stator. Both variables can be used to determine the maximum electrical power that can currently be generated by the power generator without load control.
  • the determination of the speed of the wheel and/or the rotor and/or the differential speed of the rotor compared to the stator can be done in the same way when controlling the load, i.e. H. using the same methods and/or sensors as when capturing the stator.
  • the speed of the wheel and/or the rotor and/or the differential speed of the rotor relative to the stator is carried out in exactly the same way as when capturing the stator, so that there is no additional need for this when controlling the load construction work is required.
  • the load control is carried out in accordance with a predetermined characteristic of the power generator and a predefined or programmed map is used in which the electrical power of the power generator in generator mode depends on the characteristic Size or speed of the object moved by the wheel is determined.
  • the power generator according to the invention preferably comprises means for carrying out a method according to the invention.
  • the power generator a housing with which it can be mounted on a wheel, the housing preferably being insertable into a cylindrical cavity of the hub of the wheel and/or the housing being adapted to the wheel.
  • the stator is preferably arranged concentrically to the rotor.
  • a preferred embodiment of the invention is a wheel, in particular for a vehicle, in particular a light metal wheel, with a hub which has a cylindrical cavity, an electromagnetic current generator according to the invention being arranged in the cylindrical cavity of the hub.
  • FIG. 1 shows an exploded view of an exemplary embodiment of a power generator according to the invention
  • Fig. 2 is a perspective view of Fig. 1,
  • Fig. 3 is a full section of Fig. 2 in an isometric view
  • FIG. 4 shows the full section of FIG. 2 in side view
  • FIG. 5 is a perspective view of a wheel with the power generator according to FIG. 1,
  • Fig. 6 is a full radial section of Fig. 5,
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the deflection of the stator in the generator mode of the power generator according to FIG. 1,
  • FIG. 8 shows an exemplary flow diagram of a control of the power generator when recapturing a stator that has rolled over
  • Fig. 12 is a block diagram of the power generator.
  • FIG. 1 illustrates in an exploded view an exemplary embodiment of a power generator 1 according to the invention with a housing 2 and all associated components in order to form a complete module, which can be inserted, for example, into the cylindrical cavity of a hub 19. nes wheel 17 can be used.
  • the structure of the power generator 1 according to FIG. 1 largely corresponds to that of the power generator 1 known from the document DE 202018 000 629 Ul and also has the special feature that, as a further development of the known power generator 1, it includes means to to catch the rotatably mounted stator 3 in the event of it overturning and to regulate the current delivered by the power generator 1 by means of a load control.
  • the core of the power generator 1 is formed by a rotatably mounted stator 3 with an eccentric center of gravity and a rotor 4 that can be rotated relative to the stator 3 and is arranged concentrically with the stator 3.
  • the stator 3 consists of ferromagnetic material or is equipped with permanent magnets over its circumference.
  • the stator 3 is arranged to rotate freely relative to the rotor 4 by means of a ball bearing 5 and has a radially extending weight part 6 over a partial circumference, which results in an eccentric center of mass of the stator 3, so that the stator 3 normally does not rotate with the rotating wheel 17 in which the power generator 1 is mounted, but remains aligned essentially vertically downwards due to gravity.
  • the rotor 4 is equipped with conductor windings, for example in FIG. 1 with three pairs of coils.
  • conductor windings of the rotor 4 are rotated with the rotor 4 in the stator 3, a voltage is induced in them and the power generator 1 generates electricity.
  • the stator 3 and the rotor 4 are arranged in a housing 2 of the power generator 1, which comprises a retaining ring which is on an axially lower, rear side in FIG. 1 with a housing rear cover 7 and on an axially upper, in 1 front side is closed with a front housing cover 8.
  • the rear housing cover 7 carries a central axial bearing axis 9, which rotates in the same way when the housing 2 or the rear housing cover 7 rotates.
  • the ball bearing 5 for the stator 3 and the rotor 4 are arranged on the bearing axis 9.
  • the stator 3 can rotate on the bearing axis 9 by means of the ball bearing 5 and thereby remain in a fixed position in space when the housing 2 rotates.
  • the rotor 4, on the other hand, is not rotatably arranged on the bearing axis 9, so that it rotates with the housing 2 when it rotates.
  • a coil board 10 with a contact piece 11 is used to electrically contact the coils of the rotor 4, which establishes the electrical connection to an electronic board 12, which is arranged on a plate 13 which serves as a base support or an electrical one that can be recharged by means of the power generator 1
  • Energy storage for example an accumulator (a lithium-ion accumulator or another type) or a capacitor, with which the electrical energy generated by the power generator 1 is temporarily stored to power a consumer.
  • a decorative cover 14 is attached to the front cover of the housing 8 and all parts are held together by an axial screw 15 with an associated counterpart 16.
  • the power generator 1 arranged in the housing 2 can generate and provide electrical power when the wheel 17 rotates, without any structural change on the wheel 17 is required.
  • the rotor 4 rotates with the wheel 17, so that when the wheel 17 rotates, the rotor 4 rotates relative to the stator 3 and the power generator 1 thereby generates electricity.
  • the stator 3 is deflected stationary from its rest position into a working position and the power generator 1 generates electrical energy that is available directly in the wheel 17 from the rotation of the wheel 17.
  • the stator 3 is freely rotatable due to the bearing by the ball bearing 5, which is necessary so that it does not rotate with the rotating wheel 17 but remains in a stationary working position.
  • external influences such as vibrations, can cause the stator 3 to roll over, i.e. to be set into undesirable rotation.
  • the invention is aimed at catching the rotatably mounted stator 3 in the event of it overturning, and, in particular in a further embodiment, at regulating the current emitted by the power generator 1 by means of a load control in order to make the power generator 1 less sensitive to overturning to make triggering influences.
  • the invention is essentially realized through functions that are provided by the electronic board 12. These relate in particular to catching the rotatably mounted stator 3 in the event of it overturning or to regulating the current delivered by the power generator 1 by means of a load control.
  • the electronic board 12 or other components of the power generator 1 can in particular include one or more of the following components:
  • stator 3 differs from the stator 3, a means with which the power generator 1 is switched from the generator mode, in which current is generated in the conductor windings of the rotor 4, to a motor mode in which an electromagnetic rotating field is generated by the current-carrying conductor windings of the rotor 4, through which the overturning, rotating stator 3 is driven and by means of the power supply to the rotor 4 back into a stationary working position is brought, wherein preferably the rotor 4 is supplied with current in the motor mode in such a way that it generates a magnetic rotating field which rotates at the specific speed of the wheel or the rotor or the specific differential speed of the rotor 4 relative to the stator 1, a means for determining a speed that is characteristic of a current speed of the object moving with the wheel, from which it can be derived how large the maximum electrical power that can currently be generated by the current generator 1 without load control is, a means for checking whether the specific characteristic speed is greater than a particularly user-defined switch-on threshold, a means
  • FIG. 2 shows a perspective view of the power generator 1 from FIG. 1
  • FIG. 3 shows a full section of FIG. 2 in an isometric view
  • FIG. 4 shows a full section of FIG. 2 in a side view.
  • the wheel 17 shown as an example is a common light metal wheel of a motor vehicle with a rim 18 on which a tire, not shown, is placed - can be drawn.
  • the wheel 17 comprises a radially centered hub 19, the coaxial rim 18 and a radial part extending between the rim 18 and the hub 19.
  • the radial part can be, for example, a wheel disk, also with interruptions, or consist of several wheel spokes 20 distributed over the circumference of the wheel and extending radially from the hub 19 to the rim 18, for example five or seven wheel spokes 20, which are preferably arranged evenly distributed in the circumferential direction.
  • the hub 19 is hollow cylindrical.
  • the wheel 17 When the wheel 17 is mounted on the axle of a vehicle, the vehicle shaft projects into the cavity of the hub 19, the wheel 17 being connected to a fastening disk firmly connected to the axle of the vehicle by means of connecting screws inserted through openings surrounding the hub 19, so that when the shaft of the vehicle rotates, the wheel 17 is also set in rotation or, if the wheel 17 is not driven, the wheel 17 can rotate on the axle when the vehicle is moving.
  • the power generator 1 has a housing 2 with which it is mounted on the wheel 17, the housing 2 being inserted into a cylindrical cavity of the hub 19 of the wheel 17 and being adapted to the wheel 17.
  • the adaptation of the housing 2 to the wheel 17 can concern the design and/or the construction or the dimensions of the wheel 17, the hub 19 or the cavity.
  • the power generator 1 forms an autonomous, i.e. H. A unit or module that is independent of an external energy supply and is suitable for use on many different rims 18 or wheels 17.
  • the power generator 1 can also be designed for use in any direction of rotation of the wheel 17, for example for the wheels 17 of a vehicle on both the left and right side of the vehicle. It can be provided that the direction of rotation of the wheel 17, in particular when the object moved with it moves forward, is automatically recognized and evaluated by means of the electronic board 12 or a sensor. For example, it can be provided that the power generator 1 is designed for use in two different directions of rotation and thus for use on the left and right side of the vehicle. In a preferred embodiment, a four-quadrant operation can be implemented, which takes into account the parameters generator mode, motor mode, left-hand rotation and right-hand rotation and in which the direction of rotation is therefore automatically recognized.
  • the electromagnetic current generator 1 is arranged in the cylindrical cavity of the hub 19.
  • the decorative cover 14 which serves as a hub cap, occupies a small part of the outer height of the cavity and with which it is inserted in a rotationally fixed manner in the axially outer region of the cavity in the center of the hub 19.
  • the decorative cover 14 the housing 2 with the front housing cover 8 and the rear housing cover 7, the electronic board 12, the plate 13, the coil board 10 and the rotor 4 with the conductor windings respectively rotate at the same speed as the wheel 17.
  • the power generator 1 thus represents an energy harvester, ie a component that makes use of energy that is available in the operating environment of the component.
  • Fig. 6 shows a radial full section of the wheel 17 shown in Fig. 5 with power generator 1.
  • FIG. 7 illustrates in a schematic representation the deflection of the stator 3 in the generator mode of the power generator 1, i.e. H. when generating electricity in a rotating wheel 17.
  • the wheel 17 rotates with the associated speed n.Rad or the angular velocity ⁇ .Rad.
  • the stator 3 has an eccentric center of gravity 21 and is mounted so that it can rotate freely. When the stator 3 is rotated, the deflection angle ⁇ of its center of mass 21 changes.
  • the stator 3 is shown in FIG. 7 as a swinging pendulum 22.
  • the pendulum 22 designed to be rotatable is Due to its eccentric center of mass 21, the stator 3 is rotated downwards by gravity into a vertical rest position and held there. The deflection angle ⁇ is then 0°.
  • generator operation ie when the wheel 17 and the rotor 4 rotate, the power generator 1 generates electrical current or electrical power.
  • the rotor 4 causes a corresponding torque M.Gen of the current generator 1 on the stator 3, through which the stator 3 is rotated from the rest position by the deflection angle ⁇ into a working position until the torque caused by the weight force M.Stator of the stator 3 corresponds to the torque M.Gen of the power generator 1 caused by the induction, so the gravity acting on the stator 3 or pendulum 22 provides the counter torque to the torque M.Gen of the power generator 1. So it's in the working position
  • FIG. 8 shows an exemplary flow diagram of a method according to the invention for operating the power generator 1 when recapturing the overturning stator 3.
  • a first step S1 the speed n.Rad of the wheel 17 and/or or the rotor 4 is determined relative to the fixed wheel axle. This is done using a means Sl.M for determining the system status in generator mode, for example by reading out and evaluating data from a speed or acceleration sensor installed for this purpose or an alternative component.
  • a query Al checks whether the wheel 17 is rotating, ie whether the speed n.wheel of the wheel 17 or the corresponding speed n.rotor of the rotor 4 is greater than zero. If the answer is yes, im subsequent step S2 determines the differential speed n.Diff of the rotor 4 compared to the stator 3. This is done with a means S2.M for determining the system status in the generator mode, for example by determining the time interval between the zero crossings of the sinusoidal voltage of a current phase of the rotor 4, from which the differential speed n.Diff can be determined. Alternatively, using signals from a Hall sensor installed in the wheel 17 is also possible.
  • the specific speed n.Rad of the wheel 17 and/or the specific speed n.Rotor of the rotor 4 is compared with the specific differential speed n.Diff of the rotor 4 compared to the stator 3 and it is checked whether both values match or differ from each other by more than a first threshold value.
  • the first threshold value can in particular be defined in a user-defined manner. If the two values are equal within the tolerance specified by the first threshold value, there is no fault and the stator 3 has not rolled over. The power generator 1 then remains in generator mode GM.
  • a generator load GL can be supplied with power by the power generator 1 and optionally a load control GLR of the power generator 1, which is explained further below, can be carried out.
  • the method for detecting and stopping the rollover of the stator 3 is constantly repeated in a loop, which is illustrated in the flow chart by a return to the first step S1.
  • the two values differ from each other by more than the tolerance specified by the first threshold value, i.e. For example, if the differential speed n.Diff of the rotor 4 compared to the stator 3 is smaller than the speed of the wheel 17 and / or the rotor 4, it is concluded that there is a fault and the stator 3 is overturning, and the steps to end the Rollover of the stator 3 and recapture of the stator 3 are initiated.
  • the power generator 1 is then switched from the generator mode GM to the motor mode in the switching step S3, as a means for this
  • the rotor 4 is energized in such a way that the stator 3 is thereby accelerated. This is preferably done in such a way that current is supplied to the rotor 4 in such a way that it generates a magnetic rotating field which varies with the specific speed n.Rad of the wheel 17 and/or the rotor 4 or the specific differential speed n .Diff of the rotor 4 rotates relative to the stator 3.
  • the rotor 4 is energized until the position of the stator 3 is stationary again, i.e.
  • a waiting step S5 is carried out in which the current generator 1 is not energized during a waiting time of, for example, 5 s, so that the stator 3 can settle.
  • the associated means S5.M is used to switch off the current supply to the power generator 1 in motor mode.
  • a query can also be carried out as to whether the speed of the wheel 17 and/or the rotor 4 deviates from the specific differential speed n.Diff of the rotor 4 compared to the stator 3 by less than a second threshold value.
  • the second threshold may also be user-definable and the first and second thresholds may be the same or different.
  • the diagram shown in FIG. 9 in addition to FIG. 7 shows the torque M.Gen of the current generator 1 that arises between the rotor 4 and the stator 3 during generator operation GM and the corresponding position of the stator 3, ie the deflection angle ß of the stator 3 from the rest position, depending on the speed v of the vehicle.
  • the solid horizontal line in the diagram shows the maximum permissible torque M.Gen.max of the power generator 1.
  • the dashed line shows the torque M.Gen.o of the power generator 1, as would occur without intervention, control or regulation.
  • the double line shows the deflection angle ß.o of the stator 3, as it would occur without intervention, control or regulation.
  • the electrical power delivered by the power generator 1, i.e. H. the current of the power generator 1 no longer increases so that the stator 3 is not deflected to such an extent that it can no longer provide the required countertorque.
  • the triple line shows the course of the torque M.Gen.m of the power generator 1, which is correspondingly regulated by means of a load control, for the limiting case that the limit value of 90° is assumed for the maximum permissible deflection angle ⁇ .
  • the load control is preferably carried out in such a way that when the wheel 17 is in ferry mode, the maximum deflection of the stator 3 by the deflection angle ⁇ from its vertical rest position to the working position is a maximum of 90°.
  • FIG. 10 shows an exemplary flow diagram of the load control of the power generator 1, which serves to limit the frequency of the stator 3 rolling over.
  • a speed characteristic of the current speed v of the object moved with the wheel 17 is determined, from which it can be derived what the current maximum speed of the power generator 1 is without load control electrical power that can be generated.
  • This specific characteristic speed can in particular be the speed n.Rad of the wheel and/or the rotor 4 relative to the fixed wheel axle or the differential speed n.Diff of the rotor 4 compared to the stator 3.
  • the determination is made using a means Tl.M for determining the system status, for example by determining the time interval between the zero crossings of the sinusoidal voltage of a phase of the rotor 4, from which the differential speed n.Diff can be determined.
  • the use of signals from a Hall sensor installed in the wheel 17 is also possible.
  • a query B1 checks whether the specific characteristic speed is greater than a user-defined switch-on threshold. If the answer is yes, an electrical load is removed from the power generator 1 in the subsequent step T2. This load is preferably low, i.e. H. significantly smaller than the maximum electrical power that can be generated by the power generator than the electrical power that can be generated in the current operating state of the power generator.
  • the means T2.M for this is a power generator load control that sets a minimum current draw.
  • the characteristic speed is determined again. The determination is made with a means T3.M for determining the load control system status, for example by determining the time interval between the zero crossings of the sinusoidal voltage of a phase of the rotor 4. In the subsequent query B2 It is then checked whether this characteristic speed is smaller than a switch-off threshold.
  • step T4 the generator load is switched off in a step T4 and the method returns to step TI.
  • the generator load ie the current delivered by the power generator 1
  • the load control thus takes place in accordance with the predefined characteristics of the power generator 1 in generator mode.
  • the means T5.M for this purpose is a power generator load control, preferably using a predefined or programmed map with the characteristics of the power generator 1. By means of the load control, the current of the power generator 1 and thus the torque of the power generator 1 can be regulated in the generator mode become.
  • the method returns to step T3 in a control loop.
  • the load control By means of the load control, an impermissibly high generator torque between the rotor 4 and the stator 3 can be avoided, which would lead to the stator 3 rolling over without load control, as was explained with reference to FIG. 9.
  • the load is controlled in such a way that in generator mode the deflection angle of the stator 3 is limited to a limit of less than 90°. From a certain speed v of the vehicle or from the corresponding speed of the wheel 17 or the rotor 3, the load control limits the electrical power of the power generator 1 in order to limit the maximum deflection of the stator 3 in generator mode.
  • the load control is preferably carried out in such a way that when the wheel 17 is in ferry mode, the maximum deflection of the stator 3 by the deflection angle ⁇ from its vertical rest position to the working position is a maximum of 90°.
  • the power generator 1 is then less sensitive to overturning. send influences without the load control limiting the torque between the rotor 4 and the stator 3 and thus the electrical power generated by the power generator 1 too much.
  • the described load control of the power generator 1 can also be used without the method for recapturing a stator 3 that has rolled over. In preferred embodiments, however, the load control is used in combination with the recapture of the stator 3 in the event of it overturning. This is because the load control fundamentally limits the electrical power generated by the power generator 1. In order to achieve the highest possible energy yield, this power limitation should be as low as possible. If the load control is carried out without the method for detecting and stopping the flashover, the electrical power of the power generator 1 must be limited to a large extent in order to avoid flashover of the stator 3 as much as possible.
  • the load control is used in combination with the method for detecting and terminating rollover, the electrical power of the power generator 1 needs to be limited to a much lesser extent. In this case, an occasional rollover of the stator 3 can be accepted, since the rollover does not continue, but the stator 3 is immediately caught again.
  • the power generator 1 can therefore work in an optimized range in which a higher energy yield is achieved than with load control alone.
  • FIG. 11 shows an exemplary embodiment of a characteristic map that is used in the load control illustrated in FIG. 10. is used, a characteristic curve 24 used to implement the load control of the power generator 1 in generator mode, which is programmed or stored.
  • the diagram shows qualitatively the regulated electrical output power P of the power generator 1 as a function of the vehicle speed v.
  • the charging current for an electrical energy storage device for example an accumulator, is set proportionally to the output power P of the power generator 1 by means of a charge controller for the linear range of the curve of the characteristic map.
  • the power consumed by the charge controller corresponds to the output power of the generator P.
  • the voltage at the charge controller is kept constant over the entire speed range of the vehicle, while the output voltage of the power generator increases as the vehicle speed v increases. The result is different values for the current of the power generator 1 and the charging current delivered by the charge controller.
  • the core and hub is a controller 30, in which all system data is brought together and processed and which controls the system components. It preferably comprises a microprocessor or microcontroller 31.
  • the controller 30 receives data from the determination 32 of the speed of the wheel 17 and/or the rotor 4, for example from an acceleration sensor 33, and from the determination 34 of the differential speed between the rotor 4 and the stator 3, for example by means of the evaluation 35 of zero crossing passed a current phase of the generator voltage. With this data, the recapturing of the overturning stator 3 or the load control can be carried out.
  • the rotor 4 of the power generator 1 can be controlled via the motor control 36 of the power generator 1, for example an EC motor driver 37.
  • the output-side voltage stabilization 38 of the power generator 1 serves to rectify and stabilize the preferably three-phase output voltage of the power generator 1. It includes, for example, a B6 rectifier 39 and an up/down converter 40.
  • the motor control of the rotor 4 or the power generator 1 is carried out via the power generator control 36 (e.g. an EC motor driver 37) and the charging current of an energy storage device 41 is influenced.
  • the energy storage 41 includes, for example, an accumulator management system 42 and an electrical energy storage 43, e.g. B. a lithium-ion battery.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Stromgenerators für ein Rad und einen Stromgenerator für ein Rad, insbesondere 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 ei nen sich Überschlagenden, unerwünscht rotierenden Stator wieder einzufangen, wird vorgeschlagen, dem Rotor Strom zu- zuführen.

Description

Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Strom- generators für ein Rad und Stromgenerator für ein Rad
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.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Stromgenerators (1), der einen drehbar gelagerten Sta- tor (3) mit einem exzentrischen Massenschwerpunkt (21) und einen relativ zu dem Stator (3) drehbaren Rotor (4) aufweist, und der derart an einem Rad (17) eines mit- tels des Rades (17) bewegbaren Objektes montierbar ist, dass sich beim Drehen des Rades (17) der Rotor (4) re- lativ zu dem Stator (3) dreht und dadurch der Stromge- nerator (1) in einem Generatormodus Strom erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgen- den Schritte umfasst:
- Einen ersten Schritt zum Erkennen, ob sich der Stator (3) überschlägt, umfassend die Schritte
- Bestimmen der Drehzahl des Rades (17) und/oder des Rotors (4),
- Bestimmen der Differenzdrehzahl des Rotors (4) ge- genüber dem Stator (3),
- Vergleichen der bestimmten Drehzahl des Rades (17) und/oder des Rotors (4) und der bestimmten Diffe- renzdrehzahl des Rotors (4) gegenüber dem Stator (3), und - Erkennen des Überschlagens des Stators (3) daraus, dass die bestimmte Drehzahl des Rades (17) und/oder des Rotors (4) um mehr als einen insbesondere be- nutzerdefinierten ersten Schwellenwert von der be- stimmten Differenzdrehzahl des Rotors (4) gegenüber dem Stator (3) abweicht,
- und für den Fall, dass in dem ersten Schritt ein Überschlagen des Stators (3) erkannt wird, einen zweiten Schritt zum Beenden des Überschlagens des Stators (3), in dem der Rotor (4) derart mit Strom beaufschlagt wird, dass der Stator (3) hierdurch be- schleunigt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt der Stromgenerator (1) aus dem Generatormodus, in dem im Rotor (4), insbesondere in Leiterwicklungen des Rotors (4), Strom erzeugt wird, in einen Motormodus umgeschaltet wird, in dem vom Rotor (4), insbesondere von den mit Strom beaufschlagten Lei- terwicklungen des Rotors (4), ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugt wird, durch das der sich Überschlagen- de Stator (3) angetrieben und mittels der Stromzufüh- rung zu dem Rotor (4) wieder in eine insbesondere sta- tionäre Arbeitsstellung gebracht wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt der Rotor (4) im Motormodus der- art mit Strom beaufschlagt wird, dass er ein magneti- sches Drehfeld erzeugt, das sich mit der bestimmten Drehzahl des Rades (17) und/oder des Rotors (4) oder der bestimmten Differenzdrehzahl des Rotors (4) gegen- über dem Stator (3) dreht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt der Rotor (4) insbesondere im Motormodus so lange mit Strom beaufschlagt wird, bis die Drehzahl des Rades (17) und/ oder des Rotors (4) um weniger als einen insbesondere benutzerdefinierten zweiten Schwellenwert von der Dif- ferenzdrehzahl des Rotors (4) gegenüber dem Stator (3) abweicht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt der Rotor (4) insbesondere im Motormodus während einer vorgegebenen Zeitdauer mit Strom beaufschlagt wird und der Stromge- nerator (1) danach in den Generatormodus zurückgeschal- tet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeitdauer des Motormodus in Abhängig- keit von der bestimmten Drehzahl des Rades (17) und/ oder des Rotors (4) und/oder von der Geschwindigkeit
(v) des mit dem Rad (17) bewegten Objektes gewählt wird und dabei ein vordefiniertes oder programmiertes Kenn- feld verwendet wird, in dem die vorgegebene Zeitdauer des Motormodus in Abhängigkeit von der Drehzahl des Ra- des (17) und/oder des Rotors (4) und/oder von der Ge- schwindigkeit (v) des mit dem Rad (17) bewegten Objek- tes festgelegt ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass nach dem zweiten Schritt, in dem der Rotor (4) mit Strom beaufschlagt wird, insbe- sondere der Stromgenerator (1) in den Motormodus umge- schaltet wird, eine insbesondere benutzerdefinierte Pausenzeit abgewartet wird und erst nach dem Verstrei- chen der Pausenzeit der Stromgenerator (1) in den Gene- ratormodus geschaltet und dem Stromgenerator (1) Strom entnommen wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Schwel- lenwerte einen fest vorgegebenen, von Null abweichenden Wert hat, insbesondere zwischen 0,1/s und 20/s, bevor- zugt zwischen 0,2/s und 10/s und besonders bevorzugt zwischen 0,5/s und 5/s. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Schwel- lenwerte einen von Null abweichenden Wert hat, der von der Geschwindigkeit (v) des mit dem Rad (17) bewegten Objektes und/oder von der Drehzahl des Rotors (4) und/oder Rades (17) abhängt und aus dieser abgeleitet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Rades (17) und/oder des Rotors (4) auf mindestens eine der folgen- den Weisen bestimmt wird:
- Verwendung eines Drehzahlsensors, der die Drehzahl misst,
- Verwendung eines Beschleunigungssensors, der die Grö- ße der Zentrifugalbeschleunigung oder die Frequenz der Richtungsänderung gegenüber der Schwerkraft misst,
- Verwendung eines Magnetfeldsensors, der die Frequenz der Richtungsänderung gegenüber dem Erdmagnetfeld oder gegenüber 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 (17).
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Differenzdrehzahl des Rotors (4) gegenüber dem Stator (3) auf mindestens eine der folgenden Weisen bestimmt wird:
- Bestimmung des zeitlichen Abstandes der Nulldurchgän- ge des von dem Rotor (4) erzeugten Stromes oder min- destens einer Phase des Stromes,
- Verwendung eines Drehzahlsensors, beispielsweise ei- nes Hallsensors, der die Differenzdrehzahl misst.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der von dem Stromgenerator (1) abgegebene Strom mittels einer Lastregelung derart geregelt wird, dass er unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes bleibt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert derart vorgegeben wird, dass im Ge- neratormodus des Stromgenerators (1) die Auslenkung des Stators (3) aus seiner senkrechten Ruhestellung in die Arbeitsstellung weniger als 90°, insbesondere weniger als 60° beträgt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn- zeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: - Einen ersten Schritt zum Bestimmen einer für eine mo- mentane Geschwindigkeit (v) des mit dem Rad (17) be- wegten Objektes charakteristischen Drehzahl, aus der abgeleitet werden kann, wie groß die momentan maximal von dem Stromgenerator (1) ohne Lastregelung erzeug- bare elektrische Leistung ist,
- einen zweiten Schritt, in dem geprüft wird, ob die bestimmte charakteristische Drehzahl größer als eine insbesondere benutzerdefinierte Einschaltschwelle ist,
- falls der zweite Schritt positiv beantwortet wird, einen dritten Schritt, in dem dem Stromgenerator (1) eine elektrische Last entnommen wird, und einen vier- ten Schritt, in dem die charakteristische Drehzahl wieder bestimmt wird, sowie einen fünften Schritt, in dem geprüft wird, ob diese charakteristische Drehzahl kleiner als eine insbesondere benutzerdefinierte Aus- schaltschwelle ist,
- falls der fünfte Schritt negativ beantwortet wird, einen sechsten Schritt, in dem die Generatorlast, d. h. der von dem Stromgenerator (1) abgegebene Strom, in Abhängigkeit von der charakteristischen Drehzahl geregelt wird,
- falls der fünfte Schritt positiv beantwortet wird, einen alternativen sechsten Schritt, in dem die Gene- ratorlast abgeschaltet wird. Verfahren nach einem Anspruch 14, dadurch gekennzeich- net, dass als charakteristische Drehzahl die Drehzahl des Rades (17) und/oder des Rotors (4) oder die Diffe- renzdrehzahl des Rotors (4) gegenüber dem Stator (1) bestimmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem sechsten Schritt, in dem die Generatorlast, d. h. der von dem Stromgenerator (1) abgegebene Strom, mittels der Lastregelung geregelt wird, die Lastregelung gemäß einer vorgegebenen Charak- teristik des Stromgenerators (1) durchgeführt und dabei ein vordefiniertes oder programmiertes Kennfeld verwen- det wird, in dem die elektrische Leistung des Stromge- nerators (1) im Generatormodus in Abhängigkeit von der charakteristischen Größe oder der Geschwindigkeit (v) des mit dem Rad (17) bewegten Objektes festgelegt ist. Elektromagnetischer Stromgenerator (1), der einen dreh- bar gelagerten Stator (3) mit einem exzentrischen Mas- senschwerpunkt (21) und einen relativ zu dem Stator (3) drehbaren Rotor (4) aufweist, und der derart an einem Rad (17) eines mittels des Rades (17) bewegbaren Objek- tes montierbar ist, dass sich beim Drehen des Rades (17) der Rotor (4) relativ zu dem Stator (3) dreht und dadurch der Stromgenerator (1) in einem Generatormodus Strom erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator (1) folgendes umfasst:
- Ein erstes Mittel, das zum Erkennen, ob sich der Sta- tor (3) überschlägt, ausgebildet ist, umfassend
- ein Mittel zum Bestimmen der Drehzahl des Rades
(17) und/oder des Rotors (4),
- ein Mittel zum Bestimmen der Differenzdrehzahl des Rotors (4) gegenüber dem Stator (3),
- ein Mittel zum Vergleichen der bestimmten Drehzahl des Rades (17) und/oder des Rotors (4) und der be- stimmten Differenzdrehzahl des Rotors (4) gegenüber dem Stator (3), und
- ein Mittel zum Erkennen des Überschlagens des Sta- tors (3) daraus, dass die bestimmte Drehzahl des Rades (17) und/oder des Rotors (4) um mehr als ei- nen insbesondere benutzerdefinierten ersten Schwel- lenwert von der bestimmten Differenzdrehzahl des Rotors (4) gegenüber dem Stator (3) abweicht,
- und ein zweites Mittel, das dazu ausgebildet ist, für den Fall, dass von dem ersten Mittel ein Überschlagen des Stators (3) erkannt wird, das Überschlagen des Stators (3) zu beenden, indem der Rotor (4) derart mit Strom beaufschlagt wird, dass der Stator (3) hierdurch beschleunigt wird.
18. Stromgenerator (1) nach Anspruch 17, dadurch gekenn- zeichnet, dass er Mittel zum Durchführen eines Verfah- rens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 umfasst.
19. Stromgenerator (1) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator (1) ein Gehäuse (6) aufweist, mit dem er an einem Rad (17) montierbar ist, wobei das Gehäuse (6) vorzugsweise in einen zy- lindrischen Hohlraum der Nabe (19) des Rades (17) ein- setzbar ist und/oder das Gehäuse (6) an das Rad (17) angepasst ist.
20. Rad (17), insbesondere für ein Fahrzeug, insbesondere Leichtmetallrad, mit einer Nabe (19), die einen zylind- rischen Hohlraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zylindrischen Hohlraum der Nabe (19) ein elekt- romagnetischer Stromgenerator (1) nach einem der An- sprüche 17 bis 19 angeordnet ist.
EP23712242.9A 2022-03-18 2023-03-17 Verfahren zum betreiben eines elektromagnetischen stromgenerators für ein rad und stromgenerator für ein rad Withdrawn EP4331094A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022106429.8A DE102022106429A1 (de) 2022-03-18 2022-03-18 Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Stromgenerators für ein Rad und Stromgenerator für ein Rad
PCT/EP2023/056925 WO2023175159A1 (de) 2022-03-18 2023-03-17 Verfahren zum betreiben eines elektromagnetischen stromgenerators für ein rad und stromgenerator für ein rad

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4331094A1 true EP4331094A1 (de) 2024-03-06

Family

ID=85706889

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23712242.9A Withdrawn EP4331094A1 (de) 2022-03-18 2023-03-17 Verfahren zum betreiben eines elektromagnetischen stromgenerators für ein rad und stromgenerator für ein rad

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20250015737A1 (de)
EP (1) EP4331094A1 (de)
CN (1) CN118891809A (de)
DE (1) DE102022106429A1 (de)
MX (1) MX2024011211A (de)
WO (1) WO2023175159A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20250074182A1 (en) * 2023-09-06 2025-03-06 Kevin R. Williams Radial wheel motor supported on auxiliary bearings in a parallel arrangement
TWI845464B (zh) * 2024-01-15 2024-06-11 巨秉工藝股份有限公司 可發電的輪圈裝置

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1257327B (it) * 1992-04-02 1996-01-15 Nardino Righi Dispositivo segnalatore, in particolare dello stato di pressione di unpneumatico.
JPH07119594A (ja) * 1993-09-02 1995-05-09 Nippondenso Co Ltd 車両用内燃機関始動装置
TW201024117A (en) * 2008-12-18 2010-07-01 Jiann-Huey Huang Tire monitoring system without battery
US8985822B2 (en) 2012-08-10 2015-03-24 Kurt W. Bartels Wheel mounted lighting assembly
AT516631B1 (de) 2015-01-13 2016-09-15 Carmen Viola Diengsleder Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer Rotationsbewegung
DE102017111391A1 (de) * 2017-05-24 2018-11-29 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Antriebseinrichtung, Verfahren zum Antreiben einer Abtriebswelle mit einer Antriebseinrichtung und Zweirad mit einer Antriebseinrichtung
DE202018000319U1 (de) 2018-01-22 2018-02-23 Abt-System GmbH Fahrzeugfelge mit integrierter Beleuchtung
DE202018000629U1 (de) 2018-02-08 2019-02-15 Ronal Ag Rad, insbesondere Leichtmetallrad
CN110562124A (zh) * 2019-08-27 2019-12-13 上海玲翼航空科技有限公司 一种轮毂显示装置、轮毂充电显示装置、发电机装置
DE102019132511A1 (de) 2019-11-29 2021-06-02 SIS - Innovative Funksysteme Sicherheits- und Kommunikationstechnik Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie
JP2022043947A (ja) * 2020-09-04 2022-03-16 太平洋工業株式会社 発電機及びタイヤ状態監視装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023175159A1 (de) 2023-09-21
US20250015737A1 (en) 2025-01-09
MX2024011211A (es) 2024-09-19
DE102022106429A1 (de) 2023-09-21
CN118891809A (zh) 2024-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0527145B1 (de) Elektrofahrzeug mit einzeln gesteuerten antriebs-elektromotoren
EP0518456B1 (de) Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie mittels Generator sowie die Verwendung in Fahrzeugen mit Gleitschutzsystem
EP4331094A1 (de) Verfahren zum betreiben eines elektromagnetischen stromgenerators für ein rad und stromgenerator für ein rad
DE112009004254B4 (de) Elektrische Lenkhilfevorrichtung
EP0688282B1 (de) Fahrradbeleuchtungssystem und generator
DE112009000040T5 (de) Steuerungssystem für eine elektrisch drehende Maschine und Fahrzeugantriebssystem, das das Steuerungssystem für die elektrisch drehende Maschine enthält
EP2199137A1 (de) Radnebenmotor-Anordnung
DE69212953T2 (de) Fahrzeugradgeschwindigkeitsaufnehmer
EP3245713B1 (de) Vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie aus einer rotationsbewegung
DE102013216925A1 (de) Radlagereinheit und Kraftfahrzeug mit Radlagereinheit
DE102009014908B4 (de) Energiespeicher
DE4313223C2 (de) Steuervorrichtung für einen Dynamo für Fahrräder
DE202022102768U1 (de) Elektromagnetischer Stromgenerator für ein Rad
WO2024170262A1 (de) Verfahren zur ansteuerung eines elektromotors eines lenksystems eines fahrzeugs, und steer-by-wire-lenkung
EP3427992A1 (de) Kühlfahrzeug
DE10120742B4 (de) Radantrieb
DE102012202842A1 (de) Magnetische Lagerung mit Kraftkompensation
WO2011060988A1 (de) Elektrische antriebseinheit für ein kraftfahrzeug
DE19839315A1 (de) Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems
DE102017117762B4 (de) Verfahren zur Dämpfung von Schwingungen an einer Antriebsachse
DE102010033558A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Stabilisierung eines Anhängers
AT395567B (de) Elektrische direkt-antriebseinrichtung fuer ein fahrzeug-rad
DE102010012887A1 (de) Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Antriebes einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere eines Lenkantriebs
DE102017103920B4 (de) Stellantrieb
DE102021205956A1 (de) Antriebsanordnung für ein Fahrzeug, Fahrzeug mit der Antriebsanordnung sowie Verfahren zum Bremsen eines Fahrzeugs

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20231130

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

RAV Requested validation state of the european patent: fee paid

Extension state: MA

Effective date: 20231130

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20251001