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E-BIKE DREHMOMENTSENSOR MARKT
Warum der E-Bike Drehmomentsensor ein so ausgesprochen wichtiger Bestandteil ist, wird im Folgenden aufgeklärt. Fahrräder, die durch elektrische Motoren betrieben werden, gewinnen stets an Beliebtheit und gehören zu einem schnell wachsenden Markt. Mehr als 3 Millionen E-Bikes wurden seit 2019 innerhalb der EU verkauft. Das entspricht einer Steigerung von 23% seit dem Vorjahr. In den USA lässt sich ein noch höherer Anstieg von 51% vermerken, sodass, E-Bike-Verkäufe sich auf 207 Millionen US-Dollar im Jahr 2019 belaufen. Sowohl Klima Programme als auch die COVID-19 Pandemie sorgen für wachsenden Vertrieb als Pendleralternative zu Pkw und öffentlichen Verkehrsmitteln.
Besorgniserregend sind jedoch die zunehmenden Unfälle. In der Niederlande beispielsweise stieg die Zahl der Todesopfer bei Männern auf einem E-Bike von 20 im Jahr 2016 auf 38 im Jahr 2017. 62 % der 795 E-Bike-Unfälle, die einen Besuch in der Notaufnahme erforderten, involvierten keine weiteren Verkehrsteilnehmer im Jahr 2017.
Auf solche Zahlen reagiert die Branche, sodass Verbesserungen erfolgen. Antiblockierbremsen am Vorderrad sind eine solche Technologie. Ein weiterer Bereich, den es zu verbessern gilt, ist das Kontrollsystem des Motors. Dieser sollte eine schnelle Reaktionszeit haben und berechenbar sein. Durch eine leichte Handhabung des E-Bikes wird sicheres und intuitives Fahren ermöglicht.
Definition: Der Unterschied zwischen einem E-Bike und einem Pedelec ist simpel. Während ein E-Bike über einen Gashebel gesteuert werden kann, erfordert ein Pedelec, dass der Fahrer aktiv Kraft in die Pedale ausübt (gesetzliche Regelung). Umgangssprachlich wird der Begriff E-Bike jedoch häufig für beide Fahrradtypen verwendet.
HERAUSFORDERUNG: DREHMOMENTSENSOR
Die erste Welle von E-Bikes setzte auf eine einfache kadenzbasierte Steuerung, die teilweise zu einer unvorhersehbaren Steuerung in Kurven und beim Start/Stopp führte. Starke Verbesserung wird durch die Ergänzung eines Drehmomentsensor erzielt, welcher die der Pedalen zugefügte Kraft misst. Aus diesem Grund ist die Branche auf der Suche nach dem idealen E-Bike-Drehmomentsensor, um die folgenden Anforderungen zu erfüllen:
- Niedrige Latenz (max. 10 ms Sensorverzögerung)
- Präzision (1-2% wie bei einem Sportfahrrad-Leistungsmesser)
- Wartungsfrei
Bei einem E-Bike wird das aufgebrachte Drehmoment des Fahrers vom Drehmomentsensor gemessen und zusammen mit der Trittfrequenz an den Controller des E-Bikes gesendet. Basierend auf diesen Informationen steuert ein Algorithmus die Motordrehzahl und -leistung. Die vom Fahrer wahrgenommene Leistung des E-Bikes hängt stark davon ab, wie präzise und genau der Motor gesteuert wird.
Wie bei jedem anderen System beginnt eine gute Leistung mit qualitativ hochwertigen Eingangssignalen. Die Drehmomentmessung im Sensor ist ein wichtiger Bestandteil der Eingabe an die Steuerung.
Im Folgenden wird erklärt wie die verschiedenen Technologien ihren Beitrag dazu leisten.
DEHNUNGSMESSSTREIFEN-DREHMOMENTSENSOR
Die Dehnungsmessstreifen-Technologie wurde 1938 erfunden und ist seit Ewigkeiten der Fokus der gesamten Branche. Diese bewährte Methode trifft auf großes Verständnis heutzutage, sodass sie als Referenz der übrigen Methoden dient. DMS- Drehmomentsensoren sind allgegenwärtig in beliebten Leistungsmessern an Sporträdern. Durch die Verwendung einer Standardkonfiguration mit zwei Dehnungsmessstreifen kann die Temperaturempfindlichkeit vernachlässigt werden.
Zu den Vorteilen gehören niedriger Stromverbrauch und ein überragender Dynamikbereich. Die grundlegende Herausforderung besteht darin die Elektronik des rotierenden Teils mit der stationären Motor- / Controller-Elektronik zu verbinden. Jedoch hat sich diese Schwierigkeit durch neue Fortschritte minimiert.
TRADITIONELLE LÖSUNG
Die traditionelle Lösung sieht hervor, dass ein Dehnungsmessstreifen mit einem Verstärker auf der rotierenden Spindel platziert wird. Das Ausgangssignal wird über mechanische Schleifringe auf die stationären Teile übertragen. Mangelnde Zuverlässigkeit und ein Wartungsproblem resultieren daraus, weswegen es sich hierbei nicht um die bevorzugte Lösung handelt.
INDIREKTE MESSUNGEN
Das Verbindungsproblem wird gelöst, indem die Dehnungsmessstreifen auf einem stationären Teil befestigt werden und weitere Dehnungen gemessen werden, die mit dem aufgebrachten Drehmoment korrelieren. Nichtsdestotrotz entsteht eine neue Herausforderung, da die Kräfte bei einigen E-Bike-Rahmen- und Motorkonstruktionen ziemlich komplex werden können.
KEIN KONTAKT-LÖSUNG
Durch die Kombination der DMS-Technologie mit anderen bewährten Technologien wie RFID ermöglicht die kontaktlose Strom- und Datenübertragung einen E-Bike-Drehmomentsensor ohne die Nachteile der anderen Lösungen. Ein kleiner elektronischer Schaltkreis liest den rotierenden Teil mit den an der Spindel aufgeklebten Dehnungsmessstreifen ab. Dieser wird mit Strom versorgt und kommuniziert über die Luft mit dem stationären Teil – genau wie eine kontaktlose Schlüsselkarte oder ein Skipass. Dabei sorgt der stationäre Teil für den kabellosen Strom und nimmt gleichzeitig das Datensignal des rotierenden Teils auf. Die bis zu 1,6 mm großen Luftspalten ermöglichen eine unkomplizierte und wartungsfreie mechanische Integration.
Dies ist die ausgewählte Technologie unseres kontaktlosen Drehmomentsensors.
MAGNETOSTRIKTIVER DREHMOMENTSENSOR
Magnetostriktion (Wikipedia) ist eine Eigenschaft magnetischer Materialien, die dazu führt, dass sie während des Magnetisierungsprozesses ihre Form oder Abmessungen ändern. Dies kann umgekehrt verwendet werden, um einen Drehmomentsensor herzustellen.
Kobalt weist bei 60 Mikrodehnungen die größte Magnetostriktion bei Raumtemperatur eines reinen Elements auf. Unter den Legierungen weist Terfenol-D die höchste bekannte Magnetostriktion auf. Andere ferromagnetische Materialien können ebenfalls verwendet werden.
Zwei grundlegende Varianten dieser Technologie sind passiv und aktiv. Der entscheidende Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass keiner der Varianten Elektronik an der rotierenden Spindel benötigt.
PASSIV MAGNETOSTRIKTIV
Passiv magnetostriktive Technologie erfordert Spindeln gefertigt aus speziell hartmagnetischen Stahllegierungen mit besonderer magnetischer Signatur. Dadurch entsteht ein äußerst komplexer Herstellungsprozess. Bei der Messung von geringen Drehmomentwerten sind die Magnetfeldänderungen mit denen des Erdmagnetfeldes vergleichbar. Eine hohe Empfindlichkeit erfordert eine zusätzliche magnetische Abschirmung oder ein komplexer Ausgleich von Änderungen der Ausrichtung des Fahrrads relativ zum Erdfeld.
Die Messfähigkeit der Drehmomenterkennung kann signifikant eingeschränkt sein, da anfällige Messsignale vehement durch peripher bestrahlte Magnetfelder gestört werden.
Ein weiteres Problem stellt die degenerierende Magnetisierung dar. Diese Degeneration wird durch höhere Temperaturen und ggf. auch durch höhere Belastungen der Spindel vergrößert.
AKTIV MAGNETOSTRIKTIV
In der aktiven magnetostriktiven Variante wird die Magnetisierung im laufenden Betrieb durch den Sensor geliefert. Hierbei wird der Spindel kein spezielles magnetisches Muster während der Herstellung hinzugefügt, sodass, die Sonderbehandlung entfällt. Im Gegensatz zu der passiven Variante entsteht hier ein größerer Stromverbrauch und komplexere Elektronik ist gefragt.
Der Sensor induziert ein magnetisches Wechselfeld in die ferromagnetische Spindel und misst die resultierenden Magnetfelder mit Sekundärinduktivitäten. Eine Änderung der Anfälligkeit und somit des magnetischen Widerstandes ruft einen veränderten magnetischen Fluss hervor. Diese Magnetflussänderung wird von den Sekundärinduktivitäten erfasst und durch einen komplexen digitalen Signalverarbeitungsalgorithmus in ein drehmomentproportionales Signal umgewandelt.
Über die bestehenden Herausforderungen der passiven Variante hinaus, bereitet die aktive Methode weitere Komplikationen durch die Heterogenität der ferromagnetischen Bestandteile in der Spindel. Kompensierung schafft die Ergänzung durch einen intensiven und zeitaufwändigen Kalibrierschritt im Fertigungsprozess. Ein vergrößerter Stromverbrauch und anspruchsvolle Kalibrierung können für mehr Präzision sorgen. Zusätzlich ist diese Methode von Temperaturveränderungen beeinträchtigt.
OPTISCH
Mögliche Kontamination der Linsen sorgt dafür, dass optische Sensoren stets anfällig sind. Fett und Öl werden in der Motoreinheit und für die Kurbeln genau dort verwendet, wo der Sensor platziert ist. Dies führt dazu, dass das optische Prinzip deutlich weniger nützlich für die Anwendung von Drehmomentsensoren an E-Bikes ist.
Der Vorteil äußert sich darin, dass keine Elektronik auf den rotierenden Teilen benötigt wird.
SCHALL
Für die Dehnungsmessung existieren verschiedene Schallmethoden, die teilweise in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden. Veränderungen der Dehnung oder Temperatur sorgen für Verschiebungen der Schallwellengeschwindigkeit, die vom Schallsensor erfasst werden können. Die große Komplexität dieser Methode wird durch das An- und Abkoppeln der Schallsignale an der rotierenden Spindel hervorgerufen. Folglich gilt dies nicht als Konkurrent des E-Bike-Drehmomentsensors.
Einige Fortschritte in der Forschung deuten darauf hin, dass es in der Zukunft praktikable Alternativen auf der Grundlage von Schallwellen geben könnte. Die Erfahrung mit anderen Technologien zeigt, dass dies 5-10 Jahre dauern kann, wegen des langwierigen Übergangs von der Forschung in die Industrie.
MAGNETFELDSTÄRKESENSOR
Eine kostengünstige Variante für lineare Distanzmessungen ist der Magnetfeldstärkesensor. Ein Hall-Effekt-Sensor misst den Abstand zu einem Permanentmagneten durch Messung der Feldstärke. Hierbei äußert sich die Herausforderung in einem begrenzten dynamischen Bereich der Entfernungen, da die Feldstärke einer d^3-Funktion folgt. Dieses Prinzip wird bei E-Bikes lediglich für Nabenantriebslösungen (Motor in der Radnabe statt im Kurbelbereich) verwendet. Aufgrund der Bereichsbegrenzung ist dies bei der für einen Riementrieb erforderlichen Vorspannung schwierig einzusetzen.
Bislang handelt es sich hierbei um ein auf Nabenantrieb mit traditionellen kettenbasierten E-Bike begrenztes System.
E-BIKE DREHMOMENTSENSOR VERGLEICH
Die folgende Tabelle verdeutlicht, dass der kontaktlose Dehnungsmessstreifsensor die bevorzugte Lösung für zahlreiche E-Bike-Anwendungen ist. Der vornehmliche Nachteil zeigt sich in dem Bedarf an zusätzlicher Elektronik auf dem rotierenden Teil. Aufgrund der zunehmend sinkenden Kosten für Elektronik handelt es sich hierbei um einen geringfügigen Nachteil.
Die heute gebräuchlichen E-Bike Drehmomentsensorlösungen basieren größtenteils auf der passiven magnetostriktiven Variante mit begrenzter Präzision. Für die leistungsstärkeren und sicheren E-Bikes der Zukunft wird eine Verschiebung hin zu kontaktlosen und indirekten DMS-Systemen prognostiziert.