Fachwissen E-Bike Technik der Leicht-Elektrofahrzeuge
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EUROPA-FACHBUCHREIHE
für Kraftfahrzeugtechnik
Fachwissen
E-Bike
Technik der Leicht-Elektrofahrzeuge
1. Auflage
Verlag Europa-Lehrmittel · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG
Düsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten
Europa-Nr.: 24015
Titelei (001-006).indd 1 18.03.13 10:37
2 Impressum
Autoren „Fachwissen E-Bike”
Dipl. Ing. Gressmann, Michael Borken (He)
Müller, Eberhard Stuttgart
Lektorat
Ing. (grad.) Eberhard Müller Stuttgart
Bildbearbeitung
Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, 73760 Ostfildern
Grafische Produktionen Jürgen Neumann, 97222 Rimpar
Der Verlag und die Autoren bedanken sich besonders bei Herrn Adrian Grimm, von der
Fahrzeugakademie in Schweinfurt, Herrn Rene Pavel von der Firma Zweirad Joos GmbH in
Konstanz sowie bei dem Berufsschullehrer Herrn Jens Leiner, Bremen, für die Unterstützung
bei der Erstellung des Buches.
Das vorliegende Buch richtet sich selbstverständlich an Mechanikerinnen und Mechaniker
– allerdings haben die Autoren aus Gründen der besseren Lesbarkeit die männliche Form
gewählt.
1. Auflage 2013
Druck 5 4 3 2 1
Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von
Druckfehlern untereinander unverändert sind.
ISBN 978-3-8085-2401-5
Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außer-
halb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden.
© 2013 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten
http://www.europa-lehrmittel.de
Umschlaggestaltung: Grafische Produktionen Jürgen Neumann, 97222 Rimpar
Umschlagfoto: © bangLds-fotolia.com
Satz und Layout: Grafische Produktionen Jürgen Neumann, 97222 Rimpar
Druck: M. P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, 33100 Paderborn
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Vorwort 3
Das vorliegende Buch befasst sich mit Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten von
Elektrofahrrädern. Stoffauswahl und Umfang wurden vorwiegend nach dem Gesichtspunkt
festgelegt, Auszubildenden für Betrieb und Berufsschule die erforderlichen Fachkenntnisse
zu vermitteln.
Der Ausbildungsberuf „Zweiradmechaniker – Fachrichtung Fahrradtechnik“ ist innerhalb
des Berufsfeldes Fahrzeugtechnik ein Beruf mit hohen fachspezifischen Anforderungen. Die
technische Komplexität des Produktes Elektrofahrrad und die Innovation, die dieses Elektro-
Leichtfahrzeug als Verkehrs- und Transportmittel sowie als „Hightech“-Sportgerät erfährt,
erfordert mittlerweile ein eigenständiges Fachbuch – als Ergänzung zum Standardwerk
„Fachkunde Fahrradtechnik“.
Das Buch enthält zusätzlich ein Kapitel über allgemeine Grundlagen der Elektrotechnik –
soweit sie für Elektro-Leichtfahrzeuge relevant sind. Die Ausführungen sollen helfen die
Funktion der elektrischen Komponenten in Antrieb, Steuerung und Akku besser zu ver-
stehen. Wer auf diesem Gebiet versiert ist, kann das Kapitel überspringen.
Die hier behandelten elektrischen Bauteile wie Batterie, Antrieb und Steuerung werden
nach dem Stand der Technik auch in den meisten anderen Light Electric Vehicles (LEV)
eingesetzt. Unter LEV werden international alle ein- oder mehrspurigen Leichtfahrzeuge bis
250 kg Gewicht erfasst, die über einen Elektroantrieb verfügen. Hierzu gehören Pedelecs,
E-Bikes, Kabinen-Bikes, E-Roller, E-Cross-Maschinen, Elektro-Rollstühle, Segways, Roboter,
Arbeitsmaschinen und Sportgeräte. Wer mit diesen Geräten zu tun hat, findet mit diesem
Buch einen wichtigen Ratgeber. Das Werk ist aber ebenso für den Fahrradmonteur, der auf
dem Gebiet Elektrofahrräder Nachholbedarf hat, sowie für den Fahrradhändler ein fach-
licher Begleiter in Theorie und Praxis.
Über Lob und konstruktive Kritik freuen wir uns per E-Mail.
Sie erreichen uns unter lektorat@europa-lehrmittel.de.
Frühjahr 2013 Verlag und Autoren
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4 Inhalt
1 Geschichte der Elektrofahrräder 7
2 Elektrofahrräder heute 13
2.1 Elektroroller und Leicht-Elektro-Fahrzeuge (LEV) ________________________________ 17
3 Typeneinteilung und Vorschriften 21
4 Die Mechanik des Fahrrades 25
4.1 Übersetzungen und geometrische Verhältnisse _________________________________ 25
4.2 Laufwiderstände _____________________________________________________________ 27
4.3 Leistungsbedarf ______________________________________________________________ 31
4.4 Wirkungsgrade_______________________________________________________________ 34
5 Antriebsanordnungen 41
5.1 Nabenmotoren _______________________________________________________________ 42
5.2 Mittelmotor und Tretlagerantrieb ______________________________________________ 46
6 Grundlagen Elektrotechnik 51
6.1 Widerstände, Ohmsches Gesetz _______________________________________________ 51
6.2 Induktive Widerstände, Transformatoren _______________________________________ 52
6.3 Kondensatoren, Schwingkreise ________________________________________________ 58
6.4 Dioden und Transistoren______________________________________________________ 62
6.5 Steuer- und Regelkreise ______________________________________________________ 65
6.6 Elektrische Maschinen ________________________________________________________ 66
6.6.1 Gleichstrommotoren _________________________________________________________ 68
6.6.2 Drehstrommotoren ___________________________________________________________ 71
6.6.3 Reluktanzmotoren ____________________________________________________________ 73
7 Steuerung des Antriebes 77
7.1 Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten _________________________________ 77
7.2 Spannungswandler___________________________________________________________ 85
7.3 Elektronische Kommutatoren _________________________________________________ 89
7.4 Hall-Sensoren ________________________________________________________________ 96
7.5 Gesamtsteuerungen des Fahrantriebes ________________________________________ 97
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Inhalt 5
8 Energiespeicher und Akkumulatoren (Akkus) 113
8.1 Grundlagen __________________________________________________________________ 115
8.2 Blei-Akkumulatoren __________________________________________________________ 121
8.3 Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd) ________________________________________________ 123
8.4 Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) _____________________________________________ 124
8.5 Lithium-Akkus _______________________________________________________________ 125
8.6 Sonstige Energiespeicher _____________________________________________________ 131
8.7 Laden + Lagern von Li-Ion-Akkus ______________________________________________ 134
8.8 Sonstiges ____________________________________________________________________ 139
9 Einsatzgerechte Elektrofahrräder 143
9.1 Fahrradtypen ________________________________________________________________ 144
9.2 Umbau zum einsatzgerechten Elektrofahrrad ___________________________________ 151
10 Produktsicherheit und Einheitsstandards 163
11 Controller-Area-Network (CAN) 169
12 Exkurs: ExtraEnergy 179
Anhang
A1 Fahrrad-Luftwiderstände und Körperhaltung ___________________________________ 181
A2 Fahrrad-Gesamtleistung (Tabellen) ____________________________________________ 182
A3 Gesetze und Verordnungen ___________________________________________________ 183
A3.1 Fahrerlaubnisverordnung (FeV) _______________________________________________ 183
A3.2 Fahrzeugzulassungsverordnung (FZV) _________________________________________ 185
A3.3 Straßenverkehrsordnung (StVO) ______________________________________________ 186
A3.4 Straßenverkehrszulassungsverordnung (StVZO) ________________________________ 188
A3.5 StVRAusnV __________________________________________________________________ 188
Literaturverzeichnis 190
Bildquellenverzeichnis und Danksagung 191
Sachwortverzeichnis 192
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5 Antriebsanordnungen 43
Bild 1 zeigt einen modernen bürstenlosen viele Polpaare besitzen, damit er langsam
Nabenmotor. Schleifkontakte werden nicht dreht. Der Nabenmotor in Bild 1 hat 20 Pol-
benötigt. Der Stator mit seinen Spulen ist fest paare.
mit der Achse verbunden, durch die auch die
Kabelzuführung erfolgt. Im Gegensatz zum Solch ein Direktantrieb läuft sehr leise und
Reihenschluss-Nabenmotor rotieren hier hat einen guten Wirkungsgrad. Da der Mo-
die Magnete. Es handelt sich dabei um 40 tor kein Getriebe oder einen Kettenabtrieb
(!) starke Permanentmagnete. Dieser direkt benötigt, gibt es keine weiteren Wirkungs-
wirkende Nabenmotor ist eine einfache, ro- gradverluste. Der Wirkungsgrad beträgt über
buste und wenig störanfällige Konstruktion. 80 %. Der Nachteil dieser Konstruktion sind
Er eignet sich vorwiegend für kleine Räder, die großen Abmessungen und damit ver-
weil er damit noch eine ausreichende Schub- bunden das hohe Gewicht. Der abgebildete
kraft auf die Straße bringt. Bei Rädern mit Direktläufer wiegt über 4 kg. Ein derartiger
größerem Durchmesser (z. B. 28 Zoll) muss Motor hat keinen Freilauf. Der Leichtlauf des
der Nabendurchmesser entsprechend groß Fahrrades ist damit reduziert. Andererseits
sein, um noch ein angemessenes Drehmo- kann der Motor auch als Generator laufen
ment übertragen zu können. Da die Drehzahl (Rekuperation = Bremskraft-Rückgewinnung)
eines Fahrrades gering ist, muss der Motor oder als Fahrraddynamo wirken.
5
Magnete
Spulen
Bild 1: Direkt wirkender Nabenmotor
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44 5 Antriebsanordnungen
Der Trend geht zu immer kleineren und leich- Das Bild 1 zeigt zwei verschiedene Fabrikate
teren Motoren. In Bild 1 ist ein Nabenmotor mit unterschiedlichen Kabelzuführungen,
mit Planentengetriebe dargestellt. Auch das Prinzip ist jedoch gleich. Diese Bauart
hier ist der Stator mit seinen Wicklungen macht es möglich, die Drehzahl des Rades
zur Erzeugung eines Magnetfeldes fest mit zu reduzieren und das Drehmoment entspre-
der stehenden Achse verbunden. Die Per- chend zu vergrößern. Der Getriebe-Naben-
manentmagnete sitzen auf einer drehenden motor ist heute zum Standard geworden. Bei
Glocke (Rotor), die den Spulenstator umläuft. einer Nennleistung von 250 Watt liegen bei
Auf der anderen Seite der Glocke sitzt das manchen Fabrikaten der Durchmesser unter
Sonnenrad-Ritzel, welches das Planetenge- 12 cm und das Gewicht knapp über 2 kg.
triebe antreibt (Bild 2).
5
Drehende Glocke Planeten-
Stator mit Wicklungen mit Magneten getriebe
Bild 1: Nabenmotor mit Getriebe. Links: Um den Stator dreht sich die Magnetglocke.
Rechts: Das Glockenritzel treibt über die Planentenräder das Hohlrad bzw. Speichenrad an.
Glocke
Ritzel
(Sonnenrad) Magnete
Bild 2: Rotierende Glocke mit Ritzel
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5 Antriebsanordnungen 45
Der Getriebemotor eröffnet auch die Mög- + Die Gewichtsverteilung auf die beiden
lichkeit, einen Freilauf einzubauen (Bild 1, Räder ist ausgeglichener als bei anderen
rechts, Seite 44). Drei Planetenräder sind Anordnungen.
in einem Ring gelagert, der mit der Achse
über einen Freilauf verbunden ist. Treibt + Kaum Behinderung beim Reifenwechsel.
der Motor an, so blockiert der Ring auf der Das Vorderrad kann wie gewohnt ausge-
Achse und das Glockenritzel dreht die drei wechselt werden. Die Kabelverbindung
Planetenzahnräder. Diese wiederum treiben erfolgt meist über Steckkontakte.
das Hohlrad an, welches mit dem Rad ver-
+ Im Pedelec-Betrieb besteht Allradantrieb.
bunden ist. Erfolgt der Antrieb vom Rad her,
Der gleichmäßig wirkende Vorderrad-
wälzen sich die Zahnräder nicht ineinander
antrieb (falls nicht eine Drehmoment-
ab. Das komplette Planetengetriebe (ohne in-
steuerung verwendet wird) mindert die
terne Bewegungen) wird so um den Freilauf
Schwankungen des Wiegetritts und sorgt
auf der Achse gedreht. In den meisten auf
für ein relativ ausgeglichenes Fahrver-
dem Markt erhältlichen Nabengetriebemo-
halten.
toren ist ein Freilauf eingebaut.
− Da die Vorderradbelastung, trotz des Mo-
Der Glockenrotor mit den Dauermagneten
tors, geringer ist als die des Hinterrades,
läuft entgegengesetzt zum Rad. Das Kreisel-
ist gegenüber einem Hinterradantrieb der
moment dieser Schwungmasse wirkt damit
Antriebsschlupf größer. Das heißt, die in
5
destabilisierend auf das Fahrverhalten des
Fahrleistung umgesetzte Antriebsleistung
Rades. Dies zeigt sich vor allem, wenn ein
ist kleiner als bei einem Hinterradantrieb.
Nabenmotor dieser Bauart im Vorderrad
sitzt: Dann ist das Fahren anfangs gewöh- − Der Frontantrieb ist für große Steigungen
nungsbedürftig. Da die Masse der entge- nicht geeignet. Selbst wenn der Motor für
gengesetzt drehenden Masse relativ gering ein hohes Drehmoment ausgelegt ist, so
ist, ist der Destabilisierungseffekt jedoch rutscht das Rad schneller durch, vor allem
nicht gravierend. Wenn es sich aber um ei- auf unbefestigten Wegen.
nen Gleichstrommotor handelt, bei dem die
schweren Magnetwicklungen sich entgegen − Kein Nabendynamo möglich.
dem Rad drehen, ist der Effekt deutlicher zu
spüren.
Nabenmotor-Positionen Auch der Heckantrieb mittels Nabenmotor
Grundsätzlich sind die Motorbauarten und hat Vor- und Nachteile. Oft kommt hier noch
Wirkungsweisen die gleichen, egal, ob sie ein Direktantrieb zur Anwendung:
als Nabenmotor im Vorder- oder Hinterrad + Geeignet für bergiges Gelände. Je stei-
eingebaut werden. Die unterschiedlichen ler es bergan geht, desto mehr wird das
Motorpositionen haben jedoch Vor- und Hinterrad gewichtsmäßig belastet (das
Nachteile. Der Nabenmotor als Frontantrieb: Vorderrad dagegen wird entlastet). Das
+ Er ist bestens geeignet zum Um- oder Traktionsverhalten ist durchgehend bes-
Nachrüsten. Der Umbau eines vorhan- ser als beim Vorderradantrieb. Der Hinter-
denen Fahrrades zum Elektrorad geht da- radantrieb unterstützt den Vortrieb bis zur
mit am einfachsten. Die Hauptarbeit be- Reibgrenze (Durchrutschgrenze).
steht darin, das Vorderrad auszuwechseln.
+ Da der Akku meistens hinten unterge-
+ Ob Ketten- oder Nabenschaltung, alles bracht ist, ergeben sich kürzere Stromver-
kann weiter verwendet werden. Auch die, sorgungskabel.
vor allem von älteren Leuten gewohnte,
Rücktrittbremse kann verwendet werden. + Einbau eines Nabendynamos ist möglich.
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46 5 Antriebsanordnungen
− Die Gewichtsverteilung des Fahrrades ist 5.2 Mittelmotor und
hecklastig. Dadurch ergibt sich kein gutes Tretlagerantrieb
Spurverhalten.
Bei dieser Bauart wird der Motor zwischen
− Es kommen nur Kettenschaltungen in- den beiden Rädern untergebracht und wirkt
frage. Es gibt nur wenige Konstruktionen letztendlich auf das Hinterrad.
mit der Kombination aus Nabenmotor
und Nabenschaltung (z. B. das E-Rad der Es gibt grundsätzlich zwei Bauarten. Bei der
Firma Mercedes Benz Bild 1). einen ist der Antriebsmotor am Rahmen be-
festigt und treibt über Kette, Riemen oder
− Die Verwendung einer Rücktrittbremse ist Welle ein Kettenrad der Tretkurbel oder
nicht möglich. direkt das Hinterrad an. Die andere Mög-
lichkeit ist, dass die Tretkurbel Teil der Mo-
− Der Hinterradausbau ist schwieriger als tor-Getriebe-Einheit ist. Diese kombinierte
beim Vorderrad. Konstruktion bezeichnet man als Tretkurbel-
antrieb.
In Bild 2a ist der Getriebemotor am Rahmen
befestigt und treibt über eine Kette ein ge-
5 sondertes Kettenrad an. Diese Art von An-
trieb ist auch für den Selbstumbau geeignet,
wobei Fachkenntnisse und handwerkliches
Geschick erforderlich sind.
Damit diese Konstruktion unfallfrei funktio-
niert, sind drei Freiläufe erforderlich:
1. Der gewohnte Freilauf im Hinterrad, damit
bei antriebsloser Fahrt die Kette nicht mit-
genommen wird.
2. Ein Freilauf zwischen Kurbelwelle und
Bild 1: Seit 1998 auf den Straßen unterwegs, das Kettenrad, damit bei Motorantrieb die Pe-
Mercedes Benz E-Rad mit Nabenmotor im dale nicht in Bewegung gesetzt werden.
Hinterrad und einer 3-Gang-Nabenschal-
tung. Statt einer Kette verwendet das Rad 3. Ein Freilauf im Getriebemotor, damit bei
einen Zahnriemen. Pedalbetrieb der Motor nicht mitläuft.
a) b)
Bild 2: a) Antrieb mit Mittelmotor b) Tretlagerantrieb
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Das Bild 2 zeigt den Tretlagerantrieb von Pa- Diese Positionierung erfordert einen Rah-
nasonic. Das Antriebsritzel und das Ketten- men, der exakt dem Antrieb angepasst ist.
rad auf der Tretkurbel können relativ leicht Das Fahrrad wird gewissermaßen um die
durch andere Durchmesser ersetzt werden, Motoreinheit gebaut. Der Panasonic-Antrieb
um die Übersetzungsverhältnisse zu ändern. wird in den verschiedensten Fabrikaten ver-
Das Tretlager befindet sich direkt in der Ge- wendet und ist in aller Welt verbreitet.
triebemotoreinheit.
5
Bild 1: Mittelmotor mit Zahnriemenantrieb direkt zum Hinterrad
Zahnrad Hinterrad Kette Antriebsritzel Kettenblatt 41/35 Zähne
9/11/12 Zähne
Kettenspannrolle Drehmomentsensor
Bild 2: Schema Kettenantrieb Panasonic
Kapitel-5 (041-050).indd 47 19.03.13 08:5848 5 Antriebsanordnungen
Mit dieser patentierten Erfindung wurde ein Alle Schaltungsarten sind einsetzbar (Ketten-
Trend gesetzt. Alle Komponenten sind bei wie Nabenschaltungen). Vorder- wie Hinter-
diesem Antrieb nahe beieinander: der Motor, rad können wie gewohnt ein- und ausgebaut
das Getriebe, die Steuerung und der Akku. werden.
Durch die Konzentration der Komponenten Das Mittelmotor- und Tretlagerantriebskon-
in der Mitte ergibt sich eine ideale Gewichts- zept hat einen herausragenden Vorteil, es
verteilung. Der Schwerpunkt sitzt dazu noch nutzt die Schaltung des Fahrrades. In der
tief und verbessert das Fahrverhalten. Das Ebene ist der Nabenmotor mit seinem bes-
vom Getriebe kommende Antriebsritzel seren Wirkungsgrad eine gute Lösung. Im
greift direkt in die Fahrradkette ein. Dadurch bergigen Gelände lässt der Mittelmotor aber
wird einerseits eine extra Kette wie bei Lö- seine Konkurrenten jedoch schnell hinter
sung Bild 2a, Seite 46 gespart, andererseits sich. Das liegt einerseits daran, dass beim
ist aber eine große Kettenumlenkung erfor- Herunterschalten in niedrigere Gänge die
derlich. Die Kette wird dadurch schneller ab- Schubkraft am Radreifen steigt und anderer-
genutzt. Die Lebensdauer beträgt nur etwa seits der Wirkungsgrad gut bleibt.
die Hälfte einer normalen Fahrradkette, bei
der die Umlenkung nur in einer Richtung er- Bei Nabenmotoren wirkt es sich ungünstig
folgt. aus, wenn sie bergauf in einem geringen
5 Drehzahlbereich gefahren werden. Der Wir-
Da die Komponenten eng beieinander sitzen, kungsgrad sackt in die Tiefe und der Strom-
ist die Verkabelung extrem kurz. Das Gewicht verbrauch steigt überproportional.
der Antriebseinheit ohne Akku beträgt trotz-
dem ca. 4 kg – mehr als ein moderner Naben- Bild 1, Seite 49 verdeutlicht den Vorteil eines
motor wiegt. Mittlerweile gibt es auch Vari- Antriebes mit nachgesetzter Schaltung:
anten, die mit Rücktrittbremse funktionieren.
Dazu wurde die Kettenspannrolle verstärkt.
Bild 1: Panasonic-Antriebseinheit im Fahrrad eingebaut
Kapitel-5 (041-050).indd 48 19.03.13 08:585 Antriebsanordnungen 49
Der Motor eines E-Bikes gibt im optimalen Vernünftigerweise schaltet der Radfahrer
Bereich bei 19 km/h (7. Gang) ca. 200 Watt nacheinander bis auf den 1. Gang hinunter
Leistung ab. Der Motor unterstützt den Fah- und fährt schließlich mit 6,6 km/h die Stei-
rer dabei mit einem Schub von ca. 25 Newton.gung hinauf. Wie aus dem Bild 1 hervor-
Nun geht es bergauf und der Fahrer schaltet geht, bleibt er im Bereich eines guten Wir-
nicht herunter, sondern bleibt im 7. Gang kungsgrades. Der Stromverbrauch steigt
(damit wird das Verhalten eines Naben- nicht weiter an. Der Schub von 75 N wird
motors ohne Getriebe simuliert). bei gleichbleibendem Strom nur durch eine
größere Untersetzung erreicht. Bei einem
Das Fahrrad wird bis zu einer Beharrungs- Nabenmotor wäre dies bereits die Grenze
Geschwindigkeit von 6,6 km/h immer lang- der Steigfähigkeit, unter Inkaufnahme eines
samer. Das Drehmoment bzw. der Schub hohen Stromverbrauchs und Reduzierung
steigt auf 75 N. Da der Stromverbrauch der Reichweite. Die gestrichelten Schubli-
proportional zum Schub oder Drehmoment nien für den 1. und 4. Gang im Bild 1 geben
wächst, steigt der Stromverbrauch auf das den gleichen Stromverbrauch wieder wie
Dreifache – und das bei einem sehr geringen die unterste Schublinie. Der größere Schub
Wirkungsgrad von etwa 25 %. In solch einen wird durch die Drehmomentwandlung mit-
ungünstigen Betriebsbereich würde ein Na- tels Schaltung erreicht.
benmotor kommen!
5
100 500
% N/W Wirkungsgrad
80 400
Wirkungsgrad
Schubkraft / Leistung
Abgegebene Leistung
60 300
40 200
Schub
1. Gang
4. Gang
20 100
7. Gang
0 0
10 20 7. Gang 30 km/h
6,6 13,3 4. Gang 20 km/h
3,3 6,5 1. Gang 10 km/h
Geschwindigkeit
Bild 1: Performance bei verschiedenen Schaltzuständen
Kapitel-5 (041-050).indd 49 19.03.13 08:5850 5 Antriebsanordnungen
5
Bild 1: Mittelmotor-Antrieb, der die Schaltung des Fahrrades nutzt
Kapitel-5 (041-050).indd 50 19.03.13 08:586 Grundlagen Elektrotechnik 51
6 Grundlagen Elektrotechnik
Das herkömmliche Fahrrad erfährt mit der nung von 24 V. Mit einem Amperemeter
elektrischen Antriebsunterstützung eine we- wird ein Strom von 10 A gemessen. Danach
sentliche Erweiterung seiner elektrischen wird eine Spannung von 48 V angelegt. Der
Komponenten. Zum Verständnis der Wir- Stromdurchfluss beträgt diesmal 20 A.
kungsweise der elektrischen Anlage folgt
ein Abschnitt über elektrotechnische Grund-
kenntnisse.
Das Kapitel erhebt nicht den Anspruch, die
Grundlagen der Elektrotechnik vollständig
zu vermitteln – dafür gibt es entsprechende
Fachbücher. Die Abhandlung beschränkt
sich auf Bereiche, die für das Elektrofahrrad
wichtig sind, sodass das Zusammenwirken
der elektrischen Bauelemente verstanden
und nachvollzogen werden kann. Dies ist ein
wichtiger Faktor für spätere Fehlersuchen
und Störungsbeseitigungen am Elektrofahr-
rad.
24 V
48 V 6
6.1 Widerstände,
Ohmsches Gesetz Bild 1: Klemmenspannung an Spule
Fließt durch einen Leiter ein elektrischer
Strom, so bewegen sich die freien Ladungs- Ergebnis:
träger (Elektronen) zwischen den Molekülen Der Strom wächst im gleichen Verhältnis wie
hindurch. Je nach Material werden sie mehr die Spannung. Eine hohe Spannung bedeu-
oder weniger in ihrer Bewegung behindert. tet einen großen Druck auf die Elektronen.
Auch die Wicklung in einem Elektromotor Dadurch bewegen sie sich schneller und es
setzt dem Strom einen Widerstand entge- fließt ein größerer Strom. Je höher die Span-
gen, der durch die Spannung überwunden nung an einem Widerstand ist, desto mehr
werden muss. Strom fließt.
Der elektrische Widerstand R hat die Einheit Bei gleicher Spannung verhält sich der
Ohm (Q). Strom konträr zum Widerstand. Wäre der
Widerstand auf der Spule doppelt so hoch
info (Widerstand 4,8 Q), dann würde sich der
Die Widerstandeinheit Q ist nach dem Strom halbieren. Würde der Widerstand hal-
deutschen Physiker Georg Simon Ohm biert, so würde sich der Strom verdoppeln.
(1787 bis 1854) benannt. Q = griechischer
Großbuchstabe Omega. Sind Widerstand und Strom bekannt, so lässt
sich die Spannung berechnen.
Ohmsches Gesetz (Bild 1) Spannung = Widerstand · Strom
An einer Spule wird ein Widerstand von
2,4 Q gemessen. Mittels eines Akkumulators U=R·Ü
legt man an den Spulenklemmen eine Span-
Kapitel-6 (051-076).indd 51 19.03.13 09:0352 6 Grundlagen Elektrotechnik
Den Zusammenhang zwischen Strom, Span-
Beispiel:
nung und Widerstand zeigt das Bild 1. Drei
Welche Spannung liegt an einem Wider- unterschiedliche Motorwicklungen haben
stand von 2,6 Q, durch den ein Strom von Widerstände von 3 Q, 2 Q und 1 Q. An ih-
14 A fließt? nen wird eine steigende Spannung angelegt.
Auf der senkrechten Achse (Koordinate) lässt
sich für jede Wicklung der Stromdurchfluss
U = R · Ü = 2,6 Q · 14 A = 36,4 V ablesen. Der größere Widerstand hat im
Strom-Spannungsschaubild die flachere
Der Widerstand lässt sich berechnen, wenn Widerstandsgerade. Bei gleicher Spannung
Spannung und Strom bekannt sind. Treibt ei- fließt durch den größeren Widerstand der
ne Spannung nur einen kleinen Strom durch kleinere Strom.
eine Drahtwicklung, so ist der Widerstand
groß.
6.2 Induktive Widerstände,
Transformatoren
Beispiel:
Wirkwiderstand
Durch einen Lötkolben fließt ein Strom
von 0,27 A, wenn er an 230 V angeschlos- Wird an eine Fahrradlampe (3 W) eine
sen ist. Wie groß ist der Widerstand des Gleichspannung von 6 Volt mittels Batterie
Heizkörpers im Lötkolben? gelegt, so fließt ein Strom von 0,5 A. Wird
an die gleiche Glühbirne eine Wechselspan-
nung von 100 Hz und 6 V Spannung mittels
6 U = _______
R = __ 230 V = 852 Q Dynamo gelegt, fließt ebenfalls ein Strom
Ü 0,27 A von 0,5 A.
A
30
Strom Ü
R=1Q
R=2Q
20
R=3Q
10
10 20 30 V
Spannung U
Bild 1: Ohmsches Gesetz
Kapitel-6 (051-076).indd 52 19.03.13 09:03Sie können auch lesen
