Wie der Drehmomentsensor als E Bike Sensor den Motor regelt.

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Posted by Steffen Witzemann - 07 Februar, 2018

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Fahrräder mit elektrischem Motor zur Unterstützung des Fahrers finden zunehmend Anklang bei verschiedenen Verbrauchergruppen. Der Absatz von E Bikes in Deutschland hat sich innerhalb von 5 Jahren bis 2016 verdoppelt. Fahrräder dieser Art können nicht nur bei der Tretkraft des Fahrers unterstützen, sondern auch eine höhere Geschwindigkeit ermöglichen. Diese Eigenschaften erfordern die zuverlässige Messung des Drehmoments.

1. Messherausforderung: Drehmomentsensor Pedelec
2. Funktionsweise des Drehmomentsensors im Pedelec

3. Welche Drehmomentsensoren gibt es heute für die Anwendung im Pedelec
3.1 Der Dehnungsmessstreifen
3.2 Der Passive Magnetostriktive Sensor
3.3 Optische und Akustische Drehmomentsensoren
3.4 Aktive Magnetisch Induktive Drehmomentsensoren
3.5 Wie funktioniert die Drehmomentmessung im Pedelec und was wird mit der Information gemacht
4. Magnetic Sense Drehmomentsensor Vorteile

Lesen Sie hier wie Elektrifizierung die Mobilität revolutioniert und welche  Rolle die Drehmomentsensorik spielt! 

Messherausforderung: Drehmomentsensor Pedelec


Die anspruchsvolle Regelung des Antriebs eines E Bikes stellt eine große Herausforderung dar. Zum einen soll der Motor den Fahrradfahrer genau dann unterstützen, wenn es notwendig ist und zum anderen soll er sich abschalten, sobald der Fahrer die Unterstützung nicht mehr benötigt. Der Übergang zwischen menschlicher Tretkraft und Motorkraft soll also fließend sein, damit Mensch und Fahrrad eine Einheit bilden. Hierfür reichen simple Sensoren nicht aus. Das durch Tretkraft des Fahrers ausgelöste Drehmoment muss auf anderem Wege ermittelt werden. Drehmomentsensoren besitzen die nötigen Voraussetzungen zur Lösung dieses Problems. Bisher waren die Anwendungsgebiete von Drehmomentsensoren begrenzt. Durch Einführung des magnetoelastischen Drehmomentsensors eröffnen sich ganz neue Bereiche, wie die E-Mobility.

 Beitragsbild-Drehmomentsensor-in-E-Bike.jpg

Funktionsweise des Drehmomentsensors im Pedelec

Welche Drehmomentsensoren gibt es heute für die Anwendung im Pedelec

Es gibt bereits auf dem Markt einige Technologien mit denen bisherige Pedelec oder E-Bike Systeme die Drehmomentmessung realisiert haben.

  • Dehnungsmessstreifen
  • Passive Magnetostriktive Sensoren
  • Optische Sensoren
  • Akustische Sensoren

Der Dehnungsmessstreifen

Der Dehnungsmessstreifen als bisher bekannteste Technologie für den Einsatz in der Kraft- oder Drehmomentmessung hat sich für die ersten Systeme auf dem Markt etabliert. Die Anwendung von Dehungsmesstreifen an drehenden Wellen führt dazu, dass sehr viel Aufwand für die Integration betrieben werden muss. Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten mit einem DMS an einer drehenden Welle zu messen. 

  1. Der Dehungsmessstreifen wird auf die Messwelle appliziert, d.h. geschweißt oder geklebt. Dieser Montageprozess macht die Herstellung sehr teuer, aufwändig und fehleranfällig da die Ausrichtung und die Stabilität des mechanischen Interface kritisch ist. Weiterhin ist es so, dass bei dieser Montage der Dehnungsmessstreifen elektrisch an eine Auswerteelektronik angebunden werden muss. Diese werden meist entweder über Bond- oder Kupferdrähte angeschlossen. Die Energieversorgung und Übertragung der elektrischen Messsignale muss zu dem Sensor auf der Messwelle und wieder zurück realisiert werden. Diese Herausforderung wird in der Regel über Schleifringe oder Telemetrie gemacht. Diese Methode hat sich sehr schnell als nicht praktikabel herausgestellt, aufgrund der Herstellungskosten.
  2. Die Zweite Möglichkeit basiert darauf, dass die Messwelle unterbrochen wird und ein Drehmomentsensor eingesetzt wird, welcher den Kraftfluss der Welle an einen DMS heranführt, das kann z.B. über eine Lagerhaltung sein. Diese Lager nimmt die Kräfte durch das Drehmoment auf der Welle auf und wirkt auf den DMS. Diese Art der Drehmomentmessung nennt man auch Sekundärmessung, da nicht das direkte Drehmoment sondern die Kraft in einem Lager welche Proportional zum Drehmoment ist gemessen wird. Auch diese Methode hat sich aufgrund der notwendigen Mechanik und damit verbundenen Bauraumanforderungen als nicht praktikabel herausgestellt. 

Der Passive Magnetostriktive Sensor

Die Passive Magnetostriktive Technologie die im Grunde genommen sehr ähnlich zu der Aktiven Magnetisch Induktiven Technologie ist erfordert allerdings, dass das Messobjekt aus speziellen hartmagnetischen Stahllegierungen gefertigt ist und mit einer speziellen magnetischen Signatur versehen ist. Diese "Spezialbehandlung" der Welle macht zum einen die Beschaffung in der Supply Chain einer Serienfertigung kompliziert und ist unter anderem auch ein Kostenfaktor.

Weiterhin ist es das die Änderungen dieser auf die Welle eingeprägten magnetischen Signatur in der Größenordnung des Erdmagnetfeld liegen und damit sowohl Variationen dessen unterliegen aber auch bereits einen Effekt zeigen wenn sich der Winkel des Sensors zum Erdmagnetfeld verändert. Auch durch periphere eingestrahlte Magnetfelder können die sehr kleinen und anfälligen Messsignale empfindlich stören und damit die Messfähigkeit der Drehmomenterfassung. 

Auch ist es so, dass die aufgebrachten magnetischen Texturen mit der Zeit degenerieren und diese Degenierung durch Temperatur und ggf. hohe Belastungen der Welle forciert wird. Eine sehr starke Überbelastung der Welle, kann in einer kompletten Zerstörung der Welle als Sensor enden.

Optische und Akustische Drehmomentsensoren

Diese Sensoren stecken noch in den Kinderschuhen und es ist fraglich, ob Sie es überhaupt schaffen, jemals als wirkliche Alternative in Frage zu kommen. Optische Sensoren unterliegen immer der Notwendigkeit dass der optische Lichtgang vom Sensor zum Messobjekt nicht unterbrochen oder gestört wird. In einer Welle und deren Wellenlager im Pedelec werden Fette verwendet, diese z.T. dünnen Fettschichten reichen bereits aus um die Messung empfindlich zu stören. Weitere Einflüsse durch Staub, Rost oder andere Ablagerungen die in der Laufzeit eines Pedelc Motor durchaus auftreten können, tun den Rest, um diese Alternative als schwer realisierbar abzuwerten. Auch Akustische Sensoren konnten sich bisher nicht in der engere Auswahl für Pedelec Drehmomentsensoren durchsetzen. Die Erzeugung und Erfassung der Signal ist sehr aufwändig, auch ist hier der Abstand vom Sensor zur Welle bzw. dessen Änderung in der Feldanwendung kritisch. 

Aktive Magnetisch Induktive Drehmomentsensoren

Magnetoelastische Drehmoment- und Kraftsensoren, wie die, welche Magnetic Sense herstellt, beruhen auf dem physikalischen Prinzip der Magnetostriktion, oder auch inversen Magnetostriktion. Ferromagnetische Materialien verändern ihre magnetischen Eigenschaften unter dem Einfluss von äußeren mechanischen Kräften. Diese Veränderung der magnetischen Eigenschaften führt dazu, dass sich die magnetische Permeabilität oder auch Suszeptibilität der Messstelle verändert. Bei einer Stauchung verringert sich diese, bei einer Dehnung erhöht sie sich. Die Magnetisch Induktiven Sensoren von Magnetic Sense induzieren ein magnetisches Wechselfeld in das Messobjekt und messen die resultierenden Magnetfelder mittels Sekundärinduktivitäten. Eine Änderung der Suszeptibilität und damit des magnetischen Widerstandes hat eine Änderung des magnetischen Flusses zur Folge. Diese Magnetische Flussänderung wird durch die Sekundärinduktivitäten erfasst und in einer digitalen Signalverarbeitung in ein Signal umgerechnet, welches proportional zur mechanischen Kraft ist. Dieses Messprinzip beruht darauf, dass der Sensor keinen mechanischen Kontakt oder Kraftschluss zu der Messstelle benötigt und damit kontaktlos angebracht werden kann. Diese Tatsache ist ein entscheidender Vorteil wenn es darum geht, an einer drehenden Welle wie bei einem Pedelec oder E-Bike die Drehmomente zu messen.

Es entsteht der große Vorteil, einer berührungslosen Drehmomentmessung, wodurch zunehmend mehr Einsatzgebiete möglich sind. So auch die Anwendung in der E Mobilität und in diesem spezifischen Fall in E Bike Antrieben. Dabei können Drehmomentsensoren an der Hinterachse, an der Antriebseinheit oder im Tretlager, nahe der Welle angebracht werden um dort die von dem Fahrer aufgebrachte mechanische Kraft zu erfassen.

Die aktive Magnetische Drehmomentsensor Technologie hat damit einen deutlichen Vorteil bei der Anwendung in rotativen Drehmomentmessungen im Pedelec.

Die absolute Notwendigkeit in einem Pedelec das Drehmoment zu messen beruht zum einen auf gesetzliche Vorschriften und zum anderen auf den Regelalgorithmus. 

Die gesetzlichen Anforderungen schreiben vor dass das Pedelec oder E-bike sich nur bewegen darf wenn der Fahrer das Fahrzeug bedient indem er Kraft auf das Pedal aufbringt und wenn klar ist dass er dieses bewegen will - d.h. die Tretlager sich drehen.

Oft wird der Begriff des E-Bike und Pedelec durcheinandergebracht. Während das E-Bike durchaus nur durch betätigen eines "Gashebel" fährt benötigt das Pedelec die oben beschriebenen Inputs des Fahrers. 

Die Art und Weisse wie diese Fahrerinformation in Form eines Drehmomentsignals und einer Tretlagergeschwindigkeit (Kadenz) von der Regelung erfasst und verwertet wird hängt von dem Endkundenmarkt der OEM ab. Es gibt hier so viele verschiedene Ansätze wie es OEM Fahrräder gibt die mit einem Pedelec Antrieb ausgestattet sind. 

Die Grundsätzliche Funktionsweise dieser Drehmoment oder Tretmomentregelung ist im Folgenden erklärt.

Das aufgebrachte Tretmoment des Fahrers wird von dem Sensor erfasst und in einem digitalen Signal der Pedelec oder E-Bike Steuerung übermittelt. Viele Pedelec oder E-Bikes benötigen für ihre Steuerung nicht nur die Information des Drehmomentes sondern auch zusätzlich noch die Kadenz. Durch einfache Integration von Hallsensoren die entweder eine magnetische Textur auf einem Polrad oder eine ferromagnetische Textur in Form eines Zahkranzes auf der Welle erkennen kann die Trettgeschwindigkeit oder auch Kadenz ermittelt werden. 

Die Performance eines Pedelec die der Fahrer wahrnimmt hängt entscheidend von der Qualität der Regelung ab und damit von der Qualität der Sensorsignale. Die Erfassung des Drehmomentes ist hier ein Schlüsselbaustein für den Input in die Regelung. Der größte Fehlerbeitrag einer Drehmomentmessung an einer drehenden Welle im Pedelec ist der Messfehler der aufgrund der drehenden Welle entsteht - kurz RSN (Rotational Signal Nonuniformity). Dieser Messfehler ensteht aufgrund Inhomogenitäten in der Wellenstruktur die beim Umlaufen der Welle das Sensorsignal beeinflussen. 

Durch eine zusätzliche Integration eines Winkelsensors zu dem Drehmomentsensor kann eine Ortsabhängige Kompensation dieser RSN durchgeführt werden, die entscheidend zu einem sehr kleinen Messfehler des Drehmomentsensors und damit zum Fahrverhalten beiträgt. Zusätzlich kann diese Winkelinformation dem Fahrer als Tretkurbelwinkel zur Verfügung gestellt werden und so z.B. Hochleistungssportlern als Information dienen wie die Trethomogenität beider Beine über den Umlaufwinkel variiert. 

Die Integration der Drehmomentsensoren von Magnetic Sense in Kundenprojekten kann aufgrund der modularen Bauweise rel. einfach realisiert werden, dabei kann auf verschiedene Schnittstellenwünsche bzgl. dem mechanischen und elektrischen Design eingegangen werden. Die Modulare Plattform unter anderem der elektrischen Schnittstellenmöglichkeiten trägt ihr übriges zu einer schnellen Umsetzung in Mustern und Markteinführung bei.

 

 Produktbild-Drehmomentsensor-in-E-Bike

Magnetic Sense Drehmomentsensor Vorteile

  • Kontaktloses Messprinzip
  • Unempfindlich gegenüber mechanischer Überlast
  • Digitales literarisiertes Ausgangssignal
  • Robust gegenüber magnetischen und elektrischen Störfeldern
  • Keine mechanische oder magnetische Bearbeitung der Messstelle notwendig
  • Keine spezifischen Anforderungen an das Material der Welle
  • Modularer Baukasten der auf kundenspezifische Anforderung angewendet werden kann

 

Lesen Sie hier außerdem mehr zu den Themen Revolution in der Drehmomentbranche, Einsatz von Drehmomentsensoren in Drehmomentschraubern und die Einfluss des Pedelecs in der Entwicklung von Drehmomentsensoren!

Topics: Drehmomentsensor, Elektromobilität, Elektromotor, Drehmomentsensor im Elektromotor

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