Prototyp Elektrofahrrad

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    • Prototyp Elektrofahrrad

      Es ist sicherlich nicht nur ein schönes Hobby, sondern auch eine Herausforderung ein schnelles Fahrrad zu bauen. Aber der TÜV wird wahrscheinlich nein dazu sagen, wenn die Vorschriften nicht eingehalten werden. Trotzdem möchte ich hier zusätzlich zur Entwicklung und zum Bau weitere Themen auflisten.
      Dieses Projekt ist der Antrieb mit einem Linearmotor als Aynchronmotor.

      Fahrad mit Elektromotor im Test
      Es soll untersucht werden, ob ein Linearmotor als Asynchronmotor als Antrieb für ein Fahrrad geeignet ist.

      Asynchronmotor
      Der Asynchronmotor besteht aus drei Magnetspulen mit 24 Volt und den Speichen des Fahrades. Die Magnetspulen sind Hubmagnete.

      Magnetspulen des Linearmotors (Asynchronmotor) € 24,80


      Der Asynchronmotor ist ein Käfigläufer und braucht keine Dauermagnete wie der BLDC-Motor (Gleichstrommotor ohne Kollektor). Deshalb habe ich zunächst einen Asynchronmotor an das Vorderrad angebaut. Die Speichen des Rades arbeiten als Käfig, aber nur sehr schlecht. Deshalb hat der Motor wenig Kraft und ist in der Praxis zum Fahradfahren nicht geeignet. Aber einen Versuch war es wert.

      Vorderrad mit Asynchronmotor. Oben sieht man von hinten montiert die drei Magnetspulen des Asynchronmotors.

      Die Steuerung
      Zunächst habe ich eine kleine BLDC-Steuerung für den Asynchronmotor eingesetzt. Das Rad läuft und läßt sich auch in der Drehzahl steuern, hat aber nur so viel Kraft, daß es mit Mühe und Not im Leerlauf dreht.

      BLDC Controller (€ 19,50)

      Zweite Steuerung
      Danach habe ich die Steuerung MPC 8063 von Microchip angeschlossen. Sie bringt etwas mehr, aber auch zu wenig Power. Die Speichen des Fahrrads sind zu dünn. Das ergibt keinen guten Asynchronmotor


      Steuerung MPC 8063 von Microchip (€ 39.80)


      Drehzahlsteuerung
      Das Poti zur Einstellung der Drehzahl des Motors und der Geschwindigkeit des Fahrrads wird mit einer Schelle am Fahradlenker angebaut. Darauf konnten wir vorerst verzichten, weil dieser Asynchronmotor nicht genügend Leistung bringt.

      BLDC-Motor

      Werden an den Speichen Dauermagnete angebracht, arbeitet dieser Motor als BLDC-Motor ( Brushless DC-Motor: Gleichstrommotor ohne Kollektor). Dieses Projekt wird demnächst getestet.

      Dynamo

      Dieser Linearmotor kann als berührungsloser Dynamo eingesetzt werden. Er liefert fast 10 Watt Leistung für die Beleuchtung des Fahrrads.

      Vorschriften
      • Als Basis für anwendungsspezifische Normen wird zunächst die Sicherheitsnorm IEC 61508 angewendet (Internationale Norm zur Entwicklung von elektrischen, elektronischen und programmierbaren Systemen für funktionale Sicherheit). Sie gilt auch für das Produkthaftungsgesetz.
      • Zweitens wurde die IEC 62061, die die Sicherheit von Maschien und die funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Systeme beschreibt, angewendet.
      • Drittens habe ich die ISO 66262 Road vehicles funktional safety angewendet, die Planung und Entwicklung, Realisierung, Inbetriebnahme, Instandhaltung, Modifikation und Außerbetriebnahme beschreibt:
      ◦ Alle Komponenten wurden nach ISO 66262 zertifiziert.
      ◦ gefahrenverursachendes System (Elektroantrieb läuft unerwartet los) ist nicht möglich, wenn das Geschwindigkeitspoti (Joystick) nicht gedrückt wird.
      ◦ Sicherheitsanforderungsstufe SIL (Safety Integrity Level) mit Kunde festgelegt, da sicherheitsrelewante Anforderungen gelten.
      ◦ SIL durch Gefährdungsanlyse und Risikoanalyse ermittelt:
      ◦ Motor darf während der Fahrt nicht blockieren (der 3 KW-Motor ließ sich ohne Ansteuerung durchdrehen und blockiert nicht, Testfahrten beim Abschalten des Motors und Stecker vom Akku ziehen waren unproblematisch: Fahrrad läuft ruckfrei aus),
      ◦ Wahrscheinlichkeit für unerwarteten Anlauf des Motors (beim Prototyp noch nicht so wichtig).
      ◦ Damit wurde das Maß der für die Wirksamkeit der Sicherheitsfunktionen auf mittlere Zuverlässigkeit der Sicherheitsfunktion festgelegt.
      ◦ Hardware-FMEA durchgeführt, um Risiken zu analysieren und abzustellen.
      ◦ Betriebsanleitung und Schaltplan dafür erstellt.
      Nach dem Produkthaftungsgesetz gelten Sicherheitsanforderungen (wurde ab 1. Dezember 2011 beispielsweise die Verordnung über elektrische Betriebsmittel angepasst).
      • entsprechend dem in der Europäischen Gemeinschaft gegebenen Stand der Sicherheitstechnik hergestellt ,
      • Betriebsmittel die bei ordnungsgemäßer Installation und Instandhaltung und bei bestimmungsgemäßer Verwendung die Gesundheit und Sicherheit von Menschen, Haus- und Nutztiere sowie Güter nicht gefährden.
      • Nach der Niederspannungsrichtlinie muß zwischen 75 und 1500 V Gleichstrom eine CE-Kennzeichnung erfolgen. Die Akkuspannung wurde zunächst auf 48 Volt festgelegt, beim Prototyp dann auf 92 Volt erhöht.
      Der Kunde will eventuell das Produkt im Ausland kaufen oder produzieren lassen:
      ◦ Konformitätsbewertungsverfahren muß durchgeführt sein.
      ◦ CE-Kennzeichnung anbringen.
      • Hersteller gewährleistet, dass dem elektrischen Betriebsmittel eine Betriebsanleitung und Sicherheitsinformationen beigefügt ist. Ein Hersteller kann schriftlich einen Bevollmächtigten benennen.

      Kfz-Richtlinie
      EMV-Prüfung
      Um bei Kraftfahrzeugen Störungen und Ausfälle durch elektromagnetische Einflüsse zu vermeiden, schreibt der Gesetzgeber (Kraftfahrt-Bundesamt) eine Elektromagnetische Verträglichkeit EMV vor. Der TÜV übernimmt diese Prüfungen. Die Typengenehmigung heißt e1-Zeichen.
      Ist Der Fahradmotor und die selbstgebaute Steuerung nicht im freien Handel erhältlich, dann ist eine EG-Konformitätserklärung und CE-Kennzeichnung nicht erforderlich.
      Ist das Produkt im freien Handel erhältlich, dann sind eine EG-Konformitätserklärung und CE-Kennzeichnung erforderlich. Zusätzlich müssen in der Gebrauchsanweisung Informationen zur Nutzung des Produkts enthalten sein.
      Die CE-Kennzeichnung eines elektrischen/elektronischen Produkts ist Voraussetzung für das In-Verkehr-Bringen und für den freien Warenverkehr innerhalb der Europäischen Union.

      Kfz-Richtlinie 72/245/EWG
      Mit der Richtlinie 2009/19/EG wird die bisher für Nachrüstteile erforderliche Bestätigung eines technischen Dienstes (VDE) nicht mehr erforderlich.
      EMV Anforderungen der Richtlinie:
      Richtlinie 2009/19/EG (früher: 2004/104/EG)
      Elektromagnetische Strahlungsmessung
      Breitband/Schmalband
      Frequenzbereich: 30 ~ 1000 MHz
      Störfestigkeit gegen elektromagnetische Strahlung
      Frequenzbereich: 20 bis 2000 MHz
      AM 80%, 1 kHz bis zu 800 MHz PM von 800 bis 2000 MHz
      Unterschiedliche Prüfmethoden z.B. BCI, TEM Zellen Absorber Kammer oder Stripline mit variablen Messbereichen und Prüfanforderungen.
      • Störfestigkeit gegen leitungsgeführte Störungen entlang der Versorgungsleitungen (ISO test pulses 1 ~ 4)
      • Emission von leitungsgeführten Störungen entlang der Versorgungsleitungen ( supply lines).
      Zusätzlich muß eine schriftliche EG-Konformitätserklärung eingereicht werden.
      Die zur Erlangung der Typgenehmigung notwendigen EMV-Prüfungen dürfen nur von einem von der staatlichen Genehmigungsbehörde akkreditierten EMV-Prüflabor (Technischen Dienst) vorgenommen werden (e-Kennzeichen erforderlich).

      VDE Dienstleistungen:
      Alle notwendigen Prüfungen zur Erfüllung der Anforderungen der neuen Richtlinie 2009/19/EG (2004/104/EG).
      Für “Nachrüstteile“:- Prüfung nach Abschnitt 6.5 bis 6.9
      Unterstützung bei der Erteilung der KBA Typ-Zulassung für alle Arten von elektronischen Komponenten (ESA)