Wie ein innovativer Drehwinkelsensor im e Bike neue Maßstäbe setzt.

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Posted by Steffen Witzemann - 28 Juni, 2018

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Die Pedelecs oder e Bikes der nächsten Generation beinhalten deutlich mehr Sensoren als noch vor wenigen Jahren. Sensorfusion oder auch Smart Systems sind Treiber in diesen Bereichen. Die Idee möglichst vielen Sensorinformation von unterschiedlichen Sensoren zu sammeln und diese zu verarbeiten kommt von dem Wunsch möglichst viel über sein System zu erfahren um diese Information in eine Verbesserung des Systems in Bezug auf Effizienz, Fahrverhalten und Langzeitverhalten zu erreichen. 

Lesen Sie hier mehr über die allgemeine Funktionsweise von Drehmomentsensoren  im e Bike und die verschieden Technologien!

Wie wird das Drehmoment im eBike gemessen 

In den meisten Fahrrädern ist das Tretlager so aufgebaut, dass sowohl das linke als auch das rechte Pedal über eine Kurbel mit der Tretlagerwelle verbunden sind. In den meisten Fällen wird an der rechten Kurbel die Kraft auf ein Zahnrad übertragen, welches dann das Hinterrad antreibt, d.h. der Kraftfluss über die Tretlagerwelle wird nur vom gegenüberliegenden Pedal definiert. Für das Drehmoment und damit die Leistungsmessung im Pedelec, ist es für eine gute Regelung notwendig, die Kraft beider Pedaltritte zu messen. Dies kann erreicht werden, indem die Kraft der Tretlagerwelle auf eine gemeinsame Wellenhülse übertragen wird, und von dort auf das Hinterrad. Diese Wellenhülse oder auch Messhülse genannt ist das Herzstück der Kraft- bzw. Drehmomentmessung bei allen Fahrrädern, seien es Pedelecs oder Fahrräder ohne Fahrunterstützung bei denen die Leistungsmessung eine Rolle spielt. 

Die heute erhältlichen Drehmomentsensoren die auf dem Magnetostriktiven Messprinzip basieren, können an dieser drehenden Messhülse die Drehmomente von beiden Pedalen erfassen. Die Magnetostriktion basiert darauf, dass sich durch die Aufbringung einer Kraft auf einem ferromagentischem Messkörper die magnetischen Eigenschaften verändern. Die Änderung der magnetischen Eigenschaften kann bei passiven Sensoren die Veränderung eines DC Magnetfeldes sein, bei aktiven Sensoren eine Veränderung der eingeprägten magnetischen Flussdichte bzw. eines magnetischen Widerstandes. 

Wozu wird eine innovativer Winkelsensor/ Encoder benötigt

Zusätzlich zu dem Drehmomentsignal ist es allerdings erforderlich, noch die Trittfrequenz oder auch Kadenz zu messen. Erst mit der Information zur Kadenz, kann die tatsächliche Leistung errechnet werden die dann für die Regelung verwendet wird. Es gibt verschiedene Methoden um die Kadenz zu erfassen. Die gängigste Art ist die Verwendung eines Hall-Sensors oder GMR-Sensors der über einem magnetischen Polrad auf der Messwelle schwebt. Das magnetische Polrad weist verschieden magnetisierte Bereiche auf. Bei einer Drehung der Messwelle erkennt der Hallsensor, diese verschiedenen Polbereiche und kann deren Wechsel detektieren. Die Auflösung dieser Sensoren ist durch die Anzahl der magnetischen Pole definiert. Um neben der Drehzahl auch die Drehrichtung zu detektieren, werden mind. 2 Hall oder GMR-Sensoren benötigt die so angeordnet sind, dass sie nicht nur erkennen dass der magnetische Pol sich ändert, sondern auch in welche Richtung er wandert oder sich wandelt. Mithilfe einer gewissen Intelligenz, in dieser magnetischen Pol Signatur, kann sogar ein inkrementeller Winkelsensor realisiert werden. Durch z.B. eine definierte längere Polstelle oder kürzere Polstelle, die zuverlässig erkannt wird, kann ein Nullpunkt ermittelt werden. 

Die Verwendung eines Hall- oder GMR-Sensor kann auch ohne magnetisches Polrad realisiert werden, und zwar in dem auf der Messhülse eine mechanische Signatur eines ferromagnetischen Körpers aufgebracht wird, im einfachsten Fall ein Zahnkranzritzel und der Sensor mit einem Magnet vorgespannt wird. In dieser Anordnung erkennt der magnetische Sensor nicht eine Poländerung, sondern einen veränderten magnetischen Fluss, ist unter dem Sensor eine Vertiefung, ist der magnetische Fluss kleiner als bei einer Erhöhung unter dem Sensor.

Drehmomentsensor-im-ebike-pedelec-sensor

D.h. neben dem Drehmoment im e Bike kann so eine zuverlässige Drehgeschwindigkeit ermittelt werden. Mit diesen Informationen können bereits die meisten Pedelec Systeme arbeiten und eine gute Performance erreichen. Zusätzlich zu diesen Daten kann jedoch noch durch ein intelligentes System eine Absolutwinkelmessung durchgeführt werden. Absolutwinkel stehen im Verdacht sehr teuer und aufwändig in der Realisierung zu sein, daher werden Sie oft nicht vorgesehen. Es gibt allerdings auch sehr einfache und robuste Methoden eine Absolutwinkelmessung zu realisieren. Magnetic Sense hat mit einer patentierten Methode eine sehr einfache Möglichkeit geschaffen, einen Absolutwinkel <1° aufzulösen und das in das bestehende Drehmomentsensorkonzept zu integrieren. Das Funktionsprinzip basiert darauf dass 4 Induktivitäten im 90° Abstand zueinander um die Messwelle angeordnet sind, eine Sinusscheibe, welche auf der Messwelle integriert ist, verändert aufgrund ihrer Wirbelstromeigenschaften die Induktivitäten. Die Veränderung der Induktivitäten durch diese Sinusscheibe in Zusammenhang gebracht, kann dazu verwendet werden, um einen Winkel zu berechnen. Zusätzlich kann über die zeitliche Winkeländerung auch die Kadenz berechnet werden.

Durch die Integration eines Winkelsensor mit einem Drehmomentsensor im e Bike ist die Sensorfusion komplett. Mit der Kombination dieser beiden Sensoren, kann somit das Drehmoment, die Drehzahl, die Leistung und die (Tret)kurbelstellung auf der Welle ermittelt werden. Mit diesen Sensorinformation lassen sich ganz neue Regelungen realisieren und tragen so zu einer neuen Dimension für das Fahrgefühl bei Pedelecs bei.

Lesen Sie hier mehr zum Thema: E Bike Sensor High Performance

 

Topics: Drehmomentsensor, E-Bike Sensor, Winkelsensor, Drehgeber, Encoder

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