Электрический привод велосипеда
Владельцы патента RU 2747422:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) (RU)
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к электрическим приводам велосипеда. Электрический привод велосипеда содержит электрически связанные источник энергии, блок управления и двигатель. Двигатель включает статор и жестко связанный с осевой втулкой ротор в виде диска с расположенными на периферии постоянными магнитами, взаимодействующими с катушками статора. Статор жестко закреплен на оси втулки. Каждая катушка размещена в зазоре между двумя магнитами, установленными друг над другом и соединенными С-образным магнитопроводом. На диске ротора размещен обод колеса. Достигается повышение эксплуатационных характеристик. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для облегчения работы велосипедиста.
Прототипом является электрический привод велосипеда, содержащий электрический связанные источник энергии, блок управления и двигатель, включающий статор и жестко связанный с осевой втулкой ротор в виде диска с расположенными на периферии постоянными магнитами, взаимодействующими с катушками статора [Пат. РФ 2706774, МПК В62М 6/60, Н02К 37/04, 2019].
Недостатками прототипа являются:
- ограниченные функциональные и эксплуатационные возможности, обусловленные невозможностью работы привода практически одновременно и в качестве двигателя, и в качестве генератора;
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение эксплуатационных характеристик.
Задача решается тем, что в электрическом приводе велосипеда, содержащем электрически связанные источник энергии, блок управления и двигатель, включающий статор и жестко связанный с осевой втулкой ротор в виде диска с расположенными на периферии постоянными магнитами, взаимодействующими с катушками статора, статор жестко закреплен на оси втулки, а каждая катушка размещена в зазоре между двумя магнитами, установленными друг над другом и соединенными С-образным магнитопроводом, при этом на диске ротора размещен обод колеса.
По крайней мере часть диска выполнена в виде магнитопровода. По крайней мере обод выполнен в виде магнитопровода. По крайней мере часть катушек имеет возможность подключения к источнику энергии в режиме генератора. Часть блока управления выполнена в виде уровня. Зазор между втулкой и осью заполнен магнитной жидкостью. Ротор и статор размещены в воздушной среде, давление которой меньше атмосферного.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Жесткое закрепление статора на оси втулки и размещение каждой катушки в зазоре между двумя магнитами, установленными друг над другом и соединенными С-образным магнитопроводом, а также размещение на диске ротора обода колеса позволяет выполнить привод полностью в колесе, используя одновременно диск(и) ротора в качестве держателя обода (вместо спиц) и в качестве герметичного кожуха, защищающего детали привода от грязи. Это уменьшает габаритные размеры, повышает надежность велосипеда и улучшает эксплуатационные характеристики.
Выполнение, по крайней мере части диска (обода) в виде магнитопровода уменьшает массогабаритные характеристики велосипеда и повышает его эксплуатационные характеристики.
Возможность подключения к источнику энергии, по крайней мере части катушек в режиме генератора, позволяет в процессе движения одновременно использовать привод и одновременно и в качестве двигателя, и в качестве генератора, что благотворно сказывается на сроке службы аккумуляторной батареи, работающей в данном случае в режиме разряд-заряд. Кроме того, для подзарядки аккумулятора в процессе движения не требуется специального генератора. Это расширяет функциональные возможности и повышает эксплуатационные характеристики.
Выполнение части блока управления в виде уровня (горизонта) позволяет автоматизировать управление приводом. Например при движении велосипеда в гору увеличивается амплитуда импульсов, поступающая на катушки, что увеличивает вращающий момент на роторе и облегчает работу велосипедиста. Наоборот, при скатывании с горки катушки переключаются в режим генератора, заряжая импульсами аккумулятор. Это расширяет функциональные возможности и повышает эксплуатационные характеристики.
Заполнение зазора между втулкой и осью магнитной жидкостью (одновременно смазкой) позволяет герметизировать пространство между дисками, и откачать воздух, препятствуя попаданию туда пыли и образованию конденсата, который может вызвать коррозию деталей. Все это повышает надежность привода. Кроме того, ротор и статор оказываются в воздушной среде, давление которой меньше атмосферного, что снижает трение вращающихся магнитов о воздух и повышает, тем самым, КПД привода. Все это повышает эксплуатационные характеристики.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен электрический привод, размещенный в колесе велосипеда. На фиг. 2 изображена схема усилителя. На фиг. 3 изображена схема перекрывания катушки магнитной системой. На фиг. 4 изображена диаграмма индуцируемого в катушке напряжения.
Привод содержит неподвижно закрепленный на оси 1 диск 2 статора с катушками 3, каждая из которых размещена в зазоре между магнитами 4, установленными друг над другом и соединенными С-образным магнитопроводом 5, ротора, выполненного в виде соединенных с ободом 6 колеса дисков 7, по крайней мере один из которых соосно закреплен на выполненной заодно со звездочкой 8 втулке 9, которая посредством подшипника 10 (обгонной муфты) связана с неподвижно закрепленной в вилке 11 велосипеда осью 1, в зазор между которой и втулкой может быть помещена магнитная жидкость 12. По крайней мере одна катушка статора выполнена в виде намотанных бифилярно двух обмоток, одна из которых в качестве датчика 13 (Wд) подключена через выключатель 14 к входу усилителя 15, а другая является катушкой 16 импульса (Wи) и соединена с выходом усилителя 15. Усилитель может быть установлен на диске 2 (одновременном теплоотводе) и выполнен на транзисторах 17, 18, резисторах 19, 20 и конденсаторе 21.
Работает электрический привод велосипеда следующим образом.
Поскольку указанный привод не имеет начального пускового момента, то трогание осуществляется с помощью внешней силы, например мускульной, путем вращения педалей и передачи крутящего момента на звездочку 8 цепной передачи (фиг. 1). После разгона до некоторой скорости для продолжения движения велосипеда за счет привода (или с его помощью) включают выключатель 14, в результате чего обмотка Wд, по крайней мере одного датчика 13, подключается к базовой цепи транзистора 17 (входу усилителя 15) (фиг. 2). При вращении дисков 7 (т.е. колеса велосипеда) на угол ϕ магнитная система, образованная магнитами 4 и магнитопроводом 5 и движущаяся по радиусу R, перекрывает силовыми линиями витки катушки 3 (заштрихованная часть на фиг. 3), благодаря чему в ней индуцируется напряжение Um (фиг. 4). Предположим на угле а, равным половине угловой ширины катушки, формируется положительная полуволна напряжения, а на угле λ - отрицательная. Транзистор 17 открывается и переводит транзистор 18 в режим глубокого насыщения. В результате этого в катушках импульса Wи(Wи1-WиN) формируется импульс тока, который создает в них магнитное поле, взаимодействующее с полем постоянных магнитов магнитной системы, при этом магниты отталкиваются от катушки, создавая момент вращения на колесе велосипеда.
После того, как магнитная система пройдет катушку с датчиком транзисторы 17, 18 закроются, и ток в катушках (Wи1-WиN) привода станет равным нулю. Такое состояние будет продолжаться до тех пор, пока последующая магнитная система вновь не начнет перекрывать катушку Wд, и цикл работы привода повторится. Чем больше магнитов и катушек Wи на дисках (больше число N), тем больше электрической энергии от источника (не показан), например аккумулятора, превратится в механическую (момент вращения).
В процессе движения, например с горки, по крайней мере часть катушек Wи можно отключить от выхода усилителя (не показано) и подключить их непосредственно к аккумулятору для его импульсной подзарядки. Заметим, что чередование заряда и разряда аккумулятора будет благоприятно сказываться на его сроке службы. Если установить уровень, который будет выдавать соответствующие сигналы при отклонении велосипеда от горизонтального положения, то процесс подзарядки аккумулятора можно автоматизировать. Точно также можно автоматически прекращать заряд аккумулятора при достижении велосипедом горизонтального положения (после скатывания с горки) или при подъеме в гору. Таким образом, появляется возможность путем изменения соотношения числа катушек, создающих импульс и заряжающих аккумулятор, поддерживать скорость велосипеда (или момент вращения на колесе) в определенных заданных пределах.
При наличии в зазоре втулки 9 магнитной жидкости 12, которая одновременно может являться смазкой, поскольку изготавливается, например на основе керосина, появляется возможность повысить КПД герметизированного привода за счет откачки из пространства воздуха, который создает дополнительное сопротивление вращению магнитов 4.
Внедрение изобретения позволит создать простой по конструкции электрический привод велосипеда с расширенными функциональными возможностями.
1. Электрический привод велосипеда, содержащий электрически связанные источник энергии, блок управления и двигатель, включающий статор и жестко связанный с осевой втулкой ротор в виде диска с расположенными на периферии постоянными магнитами, взаимодействующими с катушками статора, отличающийся тем, что статор жестко закреплен на оси втулки, а каждая катушка размещена в зазоре между двумя магнитами, установленными друг над другом и соединенными С-образным магнитопроводом, при этом на диске ротора размещен обод колеса.
2. Привод по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере часть диска выполнена в виде магнитопровода.
3. Привод по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере обод выполнен в виде магнитопровода.
4. Привод по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере часть катушек имеет возможность подключения к источнику энергии в режиме генератора.
5. Привод по п. 1, отличающийся тем, что часть блока управления выполнена в виде уровня.
6. Привод по п. 1, отличающийся тем, что зазор между втулкой и осью заполнен магнитной жидкостью.
7. Привод по любому из пп. 1, 6, отличающийся тем, что ротор и статор размещены в воздушной среде, давление которой меньше атмосферного.
