HU230980B1

HU230980B1 - Elektromágneses hajtással rendelkező kerékkészlet és kerekes jármű, amely elektromágneses hajtással rendelkező kerékkészletet tartalmaz, valamint eljárás ilyen kerékkészlet működtetésére

Info

Publication number: HU230980B1
Application number: HU1500398A
Authority: HU
Inventors: Csaba Urbán
Original assignee: Altidea Kft.
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2019-08-28
Also published as: EP3344528A1; EP3344528A4; WO2017037488A1; US20180244341A1; HUP1500398A2

Description

Elektromágneses hajtással rendelkező kerékkészlet és kerekes jármű, amely elektromágneses hajtással rendelkező kerékkészletet tartalmaz, valamint eljárás ilyen kerékkészlet működtetésére

A találmány tárgya olyan, elektromágneses hajtással rendelkező kerékkészlet, amely felnivel és kerékaggyal rendelkező kereket tartalmaz, és amely kerék a kerékagy tengelye körül forgathatóan jármű vázszerkezetéhez rögzíthető.

A találmány tárgya továbbá vázszerkezetet tartalmazó kerekes jármű, amely ilyen kerékkészletet tartalmaz.

A találmány tárgya továbbá eljárás ilyen kerékkészlet működtetésére.

Járművek meghajtására leggyakrabban belső égésű motorokat, vagy elektromos energiát használó villanymotorokat alkalmaznak. A jövőben a fosszilis energiahordozók kimerülésével, valamint a környezetvédelmi törekvések felerősödésével az elektromos meghajtású jármüvek széleskörű elterjedése várható. Az urbanizáció és népességnövekedés következtében különösen nagy igény mutatkozik olyan olcsó, kis helyen tárolható és kis energiafelhasználású motorizált járművek iránt, mint az elektromos kerékpár.

Kerékpárok elektromos meghajtására több módszert is kidolgoztak az elmúlt évtizedekben. Ezek közül az egyik legkorábbi megoldás a dörzshajtás, melynek során a kerékpár valamelyik kerekét egyenáramú villanymotor forgatja oly módon, hogy a villanymotor és a kerék közti erőátvitelt a súrlódás biztosítja. A dörzshajtás műszakilag egyszerű megoldás, azonban számos hátránnyal rendelkezik, például:

- a súrlódás okozta deformációk és a megcsúszás (slip) miatt a mechanikai veszteségek nagyok,

- a mechanikai veszteségek miatt nagyobb teljesítményű motorok szükségesek, ~ nedves időben a megcsúszás fokozottan jelentkezik,

- fokozott gumiköpenykopás.

SZTNH-100177222

-2Az US4168758 és US4541500 számú szabadalmi dokumentumok olyan elektromos kerékpárt tárgyalnak, melynél az elektromos motor és a hajtott kerék közti erőátvitelt lánc biztosítja. Bár a lánchajtás mentes a dörzshajtás fent említett hátrányaitól, a még mindig jelentős mechanikai veszteségek miatt ez a megoldás 5 sem terjedt el széles körben.

A jelenleg leggyakrabban alkalmazott elektromos kerékpár hajtómű a kerékagymotor. Ennél a megoldásnál a villanymotort a hajtott kerék kerékagyába, a kerék forgástengelye köré építik be. Ilyen kerékagymotorral hajtott elektromos kerékpárt ismertet például az US4346777 számú szabadalmi dokumentum. A 10 kerékagymotor legnagyobb előnye, hogy az érintkező alkatrészek hiánya és a zárt kialakítás miatt gyakorlatilag gondozásmentes. Mivel azonban a kerékagymotor a kerék tengelyének közvetlen közelében hajt, ezért igen nagy nyomaték szükséges a jármű gyorsításához. A nagy nyomatékszükséglet nagy índítóáramot igényel, amely az akkumulátorok és a motorvezérlő elektronika gyorsabb elhasználódását 15 eredményezi. A motor nagy áramfelvétele jelentős mennyiségű hőt termel, amely a kerékagymotor zárt és kompakt kialakítása miatt nehezen képes távozni. A motor túlmelegedése a kinyerhető teljesítmény csökkenését okozza, mivel az elektromágnesek tekercseinek ellenállása a felmelegedés hatására megnő. A motor túihevülése meghibásodásához is vezethet.

A fent bemutatott megoldások mindegyike úgynevezett radiális fluxusú villanymotort alkalmaz, melynél a motor forgó- és állórészébe épített mágnesek mágneses pólusai a forgástengelyre merőlegesen, sugárirányban állnak. Ezzel szemben az úgynevezett axiális fluxusú villanymotor esetében a forgó- és állórészébe épített mágnesek mágneses pólusai a villanymotor forgástengelyével 25 párhuzamos elrendezésűek. Az axiális elrendezés segítségével kialakíthatók a motor forgástengelyére merőleges síkban lapuit motorok. Az axiális fluxusú villanymotor számos előnnyel rendelkezik a radiális fluxusú villanymotorhoz képest, melyek a következők:

- nagyobb nyomaték motor-kilogrammonként (Nm/kg),

- hatékonyabb hűtés a nagyobb, lapult motor felület miatt,

- a jobb hűtés következtében nagyobb kinyerhető fajlagos teljesítmény,

- nagyobb hatásfok az alacsonyabb hűtési veszteségek miatt.

Az US 5788007 és US 7191861 számú szabadalmi dokumentumok olyan,

-3kerékpárba épített axiális fiuxusú villanymotort mutatnak be, melynél a motort működtető egy vagy több elektromágnes a kerékpár vázához van rögzítve, míg az áliandó mágneses teret keltő permanens mágnesek a kerékfelnibe vannak beépítve. Az egy vagy több elektromágnes számára a szükséges tápellátást akkumulátor biztosítja, vezérlésükről pedig külön elektronika gondoskodik. Az így megvalósított motor nyomatéke megfelelően nagy, hűtése jó hatásfokú. Az elrendezés legnagyobb hátránya, hogy a felnibe épített permanens mágnesek a kerék forgása során közel kerülnek az útfelülethez, ahonnét a mágnesezhető anyagokat (például vashulladékot, csavart, szeget, stb.) magukhoz vonzhatják, s a 10 mágnesekhez tapadt idegen testek kárt tehetnek a motorban.

Az US 6806608 számú szabadalomban bemutatott megoldás annyiban tér el az US 5788007 és US 7191861 számú szabadalmi dokumentumokban leírtaktól, hogy a kerékfelnibe permanens mágnesek helyett ferromágneses acél elemeket építenek be. melyeket a jármű vázához rögzített elektromágnesek 15 vonzanak. Amikor egy acél elem az adott elektromágneshez legközelebbi helyzetbe kerüi, az elektromágnest kikapcsolva a vonzó erő megszűnik, és az acél elem a kerék tehetetlensége révén tovább íendül. Az elektromágnesek vezérlését itt is külön elektronika szabályozza, és a kerék pozícióját szenzorok, például infra diódák figyelik. Permanens mágnesek helyett acél elemek alkalmazásával 20 megszűnik a fent bemutatott probléma, mivel azonban az acéi elemeket az elektromágnesek kevésbé vonzzák, mint a permanens mágneseket, a motor nyomatéke kisebb lesz.

A GB 2469755 számú szabadalmi írat egy olyan kereket mutat be, amelynek a felnijének felületén a kerék síkjában elektromágnesek vannak 25 beépítve, amelyeket fém csapágyakon keresztül látnak el árammal. Az áilőrész egy a kerék fölé helyezett elektromágnes. A berendezés célja a kerék meghajtása és fékezése. A dokumentum kítanítása meglehetősen hiányos, mivel az elektromágnesek vezérléséről semmit sem mond. Mivel a leírásban csupán az szerepel, hogy a kerékbe épített elektromágnesek a kerék csapágyain keresztül 30 kapják a működésükhöz szükséges áramot, ez a megoldás egy 1-fázisú motornak tekintendő. Ennél a megoldásnál fei sem merül, hogy a kerékbe épített elektromágneseket vezéreljék. mivei az állórész elektromágneseinek vezérlése sokkai egyszerűbb és kézenfekvőbb a technika állásának ismeretében. A

-4megoldás legnagyobb hátránya, hogy mível a működés során a kerék elektromágneseinek mindegyike be van kapcsolva, ezért a kerék forgása során az útfelülethez közel kerülő elektromágnesek mágnesezhető anyagokat (például vashulladékot, csavart, szeget, stb.) vonzhatnak magukhoz, melyek kárt 5 okozhatnak a motorban. A megoldás másik nagy hátránya, hogy a mágneses állórésztől távol eső elektromágnesek úgy fogyasztanak elektromos energiát, hogy nem járulnak hozzá a motornyomaték növeléséhez. A feleslegesen üzemeltetett elektromágnesek nagyban rontják a motor hatásfokát és csökkentik a motor hőleadóképességét.

A WO 2007/010300 számú szabadalmi bejelentés olyan négy kerék meghajtású elektromos járművet mutat be, melyben legalább két elektromos motor, energiaforrás és vezérlő egység található. A berendezés motorjai közül legalább az egyik indító motor és legalább az egyik meghajtó motor. A berendezésekben páros számú mágnes és velük átellenesen páros számú elektromágnes található, amelyek egymásól légréssel vannak elválasztva. A motor elektromágnesei ebben az esetben nem a kerék felnijében vannak elrendezve, így a kerékagy motorokkal kapcsolatban fentebb ismertetett hátrányok itt is jelentkeznek.

Az US 2015/0061440 számú dokumentum olyan elektromos motort 20 ismertet, amely Halbach-elrendezés szerint tartalmazza az állandó- és elektromágneseket. A kialakítás a leírás szerint sorba és körkörösen is elrendezhető.

Az US 6470933 számú szabadalom egy olyan járműgumi kialakítást mutat be, ahol a gumiba érékelők vannak ültetve, amelyeket a gumiba épített 25 tekercsekben - egy állórész külső mágneses tere által - indukált elektromos áram lát el. A rendszer továbbá egy olyan vezérlőt is tartalmaz, amely az érzékelők jeleit gyűjti és dolgozza fel, hogy a gumi állapotáról visszajelzést adjon. A leírás szerint mind az állórész mágnesei, mind pedig a gumiba épített tekercsek elrendezése forgásszimmetrikus. A megoldás szerinti elrendezés a kerék meghajtására nem 30 alkalmas.

Az US 9027681 számú szabadalmi írat egy kerékagymotoros kialakítást mutat be, amely kerékpárok elektromos rásegítésére és meghajtására szolgál. A berendezés tartalmazhat akkumulátort, elektromos motort, érzékelőket és vezérlő

-5egységet, Mivel a motor elektromágnesei ebben az esetben sem a kerék felnijében vannak elrendezve, így a kerékagy motorokkal kapcsolatban fentebb ismertetett hátrányok itt is jelentkeznek.

A találmány célja olyan elektromágneses hajtással rendelkező kerékkésziet és elektromágneses hajtással rendelkező kerékkészletet tartalmazó kerekes jármű, valamint ilyen kerékkészlet működtetésére Irányuló eljárás szolgáltatása, amely mentes a technika állása szerinti megoldások hátrányaitól

Feiismertük, hogy a kerék felnije mentén elektromágnesek elhelyezésével a hagyományos elektromos motorok nyomatékéhez képest nagyobb 10 motornyomaték biztosítható.

Felismertük továbbá, hogy a kerék felnijébe épített, az útfelülethez közel kerülő mágnesek mágnesezhető anyagokat vonzhatnak magukhoz az útról, melyek kárt okozhatnak a motorban.

Felismertük továbbá, hogy az elektromágnesek áramellátásának megfelelő szabályozásával megszüntethető a mágneses tér az úttest közelében, és jelentősen javítható a motor energiafelhasználásának és hőleadásának hatásfoka.

A találmány értelmében a feladatot az 1. igénypont szerinti kerékkészlettel oldottuk meg.

A találmány eié kitűzött feladatot továbbá a 11. igénypont szerinti kerekes járművel és a 15. igénypont szerinti eljárással oldottuk meg.

A találmány egyes előnyös kiviteli alakjai az aligénypontokban vannak meghatározva.

A találmány további részíeteit kiviteli példákon, rajz segítségével 25 ismertetjük. A mellékelt rajzokon az

1. ábra egy találmány szerinti elektromágneses hajtással rendelkező kerékkészletet tartalmazó kerekes jármű egy előnyös kiviteli alakjának vázlatos képe,a

2. ábra egy találmány szerinti kerékkészlet felnijének előnyös kiviteli 30 alakját illusztráló vázlatos metszeti képe, a

3. ábra egy találmány szerinti vezérlő rendszer egy előnyös kiviteli alakjának vázlatos blokkdiagramja, a

4. ábra egy találmány szerinti kerékkészlet mágneses állórészének egy

- 6 előnyös kiviteli alakját illusztráló vázlatos felülnézeti képe, az δ, ábra egy találmány szerinti kerékkészlet egy előnyös kiviteli alakjának vázlatos metszeti képe.

Az 1. ábrán egy, a találmány szerinti elektromágneses hajtással rendelkező 10 kerékkészletet tartalmazó kerekes 20 jármű egy előnyös kiviteli alakjának vázlatos képe látható. A 20 jármű ennél a kiviteli példánál 20k kerékpár.

A 10 kerékkészlet 12a felnivel és 12b kerékaggyal rendelkező 12 kereket tartalmaz, amely 12 kerék a 12b kerékagy 12t tengelye körül forgathatoan a 20k kerékpár 22 vázszerkezetéhez rögzíthető. A rögzítés történhet például csavar, 10 vagy könnyen oldható gyorszár segítségével, ahogy ez a szakember számára nyilvánvaló. A 12a felni a 12 kerék U-keresztmetszetű része, mely könnyű, merev, nem mágnesezhető anyagból készül, mely lehet például alumínium, szénszál, műanyag vagy egyéb kompozit anyag. A 12a felni külső kerülete mentén a 12a felni külső élein kialakított peremmel rögzített 12g gumiköpeny található, melyen 15 keresztül a 12 kerék az úttesttel érintkezik. A 10 kerékkészlet a 12 kerék 12a felnije mentén elrendezett legalább egy 14 elektromágnest, a legalább egy 14 elektromágnes áramellátásának szabályozására szolgáló 16 vezérlő rendszert (Id.

3. ábra), valamint a 20k kerékpár 22 vázszerkezetéhez rögzíthető mágneses 18 állórészt tartalmaz. A 14 elektromágnes ennél a kiviteli alaknál egy tekercs, amely 20 a rajta áthaladó elektromos áram hatására mágneses teret állít elő, és amely ha megszűnik az elektromos áram, elveszíti a mágneses tulajdonságát. A tekercs álfa! előállított mágneses tér erővonalai a tekercs belsejében a tekercs tengelyével párhuzamosak, kijelölve a mágneses tér északi és déli pólusait. Adott esetben a 14 elektromágnes tekercsének belsejébe magas permeabilitású ferromágneses 25 anyag, például vasmag, különösen nikkellel és/vagy kobalttal ötvözött lágyvas helyezhető, mellyel a 14 elektromágnes mágneses teljesítménye növelhető.

Természetesen elképzelhető olyan kiviteli alak is, melynél a 14 elektromágnes tekercsének belseje üres, vagy nem-ferromágneses anyaggal van kitöltve. Ebben az esetben a tekercs tömege kisebb a ferromágneses magot tartalmazó tekercs 30 tömegénél, valamint csökken vagy megszűnik a vasmag miatt kialakuló nyomatékhullámosság és fognyomaték.

Az 1. ábrán látható kiviteli alaknál a 12 kerék a 12b kerékagyat a 12a felnivel összekötő 12k küllőket tartalmaz, amely anyagát tekintve lehet például

-7alumínium, saválló acél, kompozit, vagy egyéb megfelelő szilárdságú anyag. A 12k küllő végének kialakítása tehet félgömb, vagy lencsefejü, amely ezzel a kialakítással kapcsolódik a 12b kerékagy peremének megfelelő furatába. Előnyösen a 10 kerékkészlethez tartozik még a iegalább egy 14 elektromágnessel és a legalább egy 14 elektromágnes áramellátásának szabályozására szolgáló 16 vezérlő rendszerrel elektromos összeköttetésben álló, újratölthető egy vagy több 15 áramforrás, amely előnyösen lítium cellás akkumulátor, még előnyösebben lítium-polimer akkumulátor. Természetesen egyéb akkumulátor típusok is elképzelhetők úgy, mint NiMH, NiCD akkumulátorok, stb.. Egy előnyös kiviteli alaknál a 15 áramforrás oly módon van kialakítva, hogy az a 10 kerékkészletből könnyen eltávolítható, és abba könnyen beszerelhető legyen.

Egy különösen előnyös kiviteli alaknál a 15 áramforrás és több 14 elektromágnes a 12 kerék U~keresztmetszetű 12a felnijének belsejében, annak teljes kerülete mentén van elrendezve, ahogy ez a 2. ábrán látható, A 15 áramforrás előnyösen a 12a felni oldalán kivezetett 15c töltő csatlakozón keresztül tölthető fel elektromos árammal. A 12a felnibe integrált kialakítás egyik előnye az, hogy így nagyobb védelem biztosítható az alkatrészek számára a környezeti behatásokkal például a porral, és vízzel szemben. A kialakítás további előnye, hogy esztétíkusabb, kompaktabb megjelenést kölcsönöz a 20k kerékpárnak, valamint megkönnyíti a 10 kerékkészlet utólagos beszerelését a felhasználó számára, ahogy azt a későbbiekben részletesen kifejtjük majd. Természetesen elképzelhető olyan kiviteli alak is, melynél a 14 elektromágnesek a 12a felnin kívül annak közelében (például a 12a felni egyik vagy mindkét oidalánj kerülnek rögzítésre, és/vagy az újratölthető 15 áramforrás a 12a feinin kívül, például a 12b kerékagyban van elrendezve. Amennyiben a 15 áramforrás a 12b kerékagyban van elrendezve, úgy a 12a felni mentén elrendezett legalább egy 14 elektromágnes áramellátása célszerűen a legalább egy 12k küllő mentén van biztosítva. Ebben az esetben a 15 áramforrástól a 14 elektromágnes működéséhez szükséges áramot szállító vezeték egy része kialakítható a 12k küliő belsejében, a 12k küllő mellett elvezetve, vagy magából a 12k küllő anyagából Olyan 20k kerékpár is elképzelhető, amelynél a 12a felnit és a 12b kerékagyat nem 12k küllők kötik össze, hanem más merevítő elem, például korongként kialakított merevítő elem, ez esetben a szükséges vezetékek a

-8korongon belül is elvezethetek. További lehetőség például, hogy a 15 áramforrás a 20 jármű 22 vázszerkezetéhez rögzített módon, adott esetben annak belsejében, könnyen eltávolítható formában van kialakítva. Ez esetben a 15 áramforrást a 14 elektromágnesekkel összekötő vezetékek szintén a 12b kerékagyon keresztül vezethetők ki a 22 vázszerkezethez, mely történhet például galvanikus kapcsolatot biztosító forgóérintkező, vagy kontaktus nélküli forgótranszformátor segítségével, ahogy ez a szakember számára ismeretes.

A 20 jármű 22 vázszerkezetéhez rögzíthető 18 áliórész legalább egy 18p permanens mágnest és/vagy 18e elektromágnest tartalmaz. A 18p permanens mágnes célszerűen ferromágneses anyag, amely mágneses tulajdonságait (külső mágneses terét) mágnesezés nélkül megtartja. Előállítására olyan anyag előnyös, melynek koercitív ereje nagy, például neodímium-vas-bőr, szamárium, stronciumferrit, stb..

A 2. ábrán látható kiviteli alaknál a 14 elektromágnesek tekercseinek tengelyei a 12 kerék síkjára merőleges elrendezésűek, vagyis a 14 elektromágnesek által generált mágneses tér északi és déli pólusait összekötő egyenes a 12 kerék síkjára merőleges. A 12 kerék 12a felnije mentén több 14 elektromágnes van elrendezve, és a 16 vezérlő rendszer a 14 elektromágneseknek a mágneses 18 áliórész mágneses terében történő bekapcsolására, és a 14 elektromágneseknek a mágneses 18 áliórész mágneses terén kívüli kikapcsolására alkalmas módon van kialakítva.

Egy példaként! kiviteli alaknál a 16 vezérlő rendszer 16c vezérlő áramkört, 16t teljesítmény szabályzó modult és 16p pozíciószenzort tartalmaz, amelyek sematikus blokkdiagramja a 3. ábrán látható.

A 16p pozíciószenzor a 16 vezérlő rendszer 16c vezérlő áramkörével vezetékes vagy vezetékmentes összeköttetésben áll. Vezetékmentes összeköttetés valósítható meg például ismert, rövid hatósugarú, rádióhullámokat használó protokoll, például Bluetooth, vagy ZigBee, stb. segítségével. A 16p pozíciószenzor alkalmas arra, hogy meghatározza a 12a felni mentén elrendezett 14 elektromágnes pozícióját a 22 vázszerkezethez rögzített 18 állórészhez képest. A 16p pozíciószenzor előnyösen érintésnélküli érzékelő, mely lehet például induktív érzékelő, kapacitív érzékelő, Hali-szenzor, vagy egyéb mágneses érzékelő, optikai érzékelő, stb., ahogy az a szakember számára nyilvánvaló. Adott

-9esetben elképzelhető olyan kiviteli alak is, melynél a 12a felni forgása során a 18 állórész közelében elhaladó legalább egy 14 elektromágnesben indukálódott feszültséget mérjük, és ennek alapján határozzuk meg a 14 elektromágnes 18 állórészhez képesti pozícióját. Ebben az esetben nem szükséges külön 16p poziciószenzort alkalmazni.

A 2. ábrán látható kiviteli alak több, 12a felnibe épített 16p poziciószenzort tartalmaz, melyek mindegyike egy vagy több 14 elektromágnes áramellátását szabályozó 16c vezérlő áramkörrel áll összeköttetésben. Egy előnyős kiviteli alaknál a 16c vezérlő áramkör impulzusszélesség modulált feszültségjel (PWM) előállítására alkalmas egységet és előnyösen térvezérlésű tranzisztorokkal (FET) megvalósított H-hidkapcsolást tartalmaz, ahogy ez a szakember számára nyilvánvaló. A H-hídkapcsolás segítségével a 14 elektromágnesen átfolyó áram iránya, s így a 14 elektromágnes mágneses polaritása változtatható. A FET olyan három kivezetéssel rendelkező félvezető eszköz, melynek kimeneti árama a bemeneti feszültség által keltett kis teljesítményű elektromos térrel vezérelhető, A 16c vezérlő áramkör a 16p pozíciószenzor által generált feszültségnek megfelelően impuizusszélesség modulált feszültségjelet állít elő, amivel meghajtja a H-hídkapcsolást. Impulzusszélesség moduláció során állandó periódusú, lényegében négyszög jelet keltünk, melynél a szabályozás a jel kitöltési tényezőjének változtatásával történik, ahogy ez a szakember számára ismeretes.

A 16c vezéríő áramkör adott esetben elhelyezhető a 12a felni belsejében a 14 elektromágnes közelében, vagy akár a 14 elektromágnes tekercsének magjában, ahogy az a 2. ábrán látható. Természetesen a 16c vezérlő áramkör máshol is elrendezhető, például a 12b kerékagyban vagy a 22 vázszerkezeten. Olyan kiviteli alak is elképzelhető, amelynél egy 16c vezérlő áramkör több 14 elektromágnest vezérel, adott esetben az összes 14 elektromágnes vezérelhető egyetlen 16 vezérlő rendszerrel, amely különálló 16c vezérlő áramkörök helyett például egyetlen mikrokontrollert tartalmaz. Szükség esetén ilyenkor is több 16p pozíciószenzort rendezhetünk ei a 12a felni mentén a pontosabb helymeghatározás érdekében.

A 16 vezérlő rendszer előnyösen a 15 áramforrástól a 16c vezérlő áramkörhöz eljuttatott áram és/vagy feszültég nagyságának szabályozására alkalmas, a 15 áramforrással és a 16c vezérlő áramkörrel vezetékes kapcsolatban

- 10álíó teljesítményszabályozó 16t modult tartalmaz. A 16t modul lehet például az ellenállás, s ezáltal a rajta átfolyó áram nagyságának változtatását lehetővé tevő potenciométer.

Egy példaként! kiviteli alaknál a 16t modul egymással vezetékmentes módon kommunikálni képes első 16ta modult (Id. 2. ábra) és második 16tb modult (Id. 1. ábra) tartalmaz, és az első 16ta modul a 12a felnibe kerül beépítésre. A vezetékmentes kommunikáció történhet például a már fent bemutatott, rövid hatósugarú rádiófrekvenciás protokollok valamelyike szerint. Az első 16ta modul lehet például vezeték nélküli módon vezérelhető potenciométer. A második 16tb 10 modult előnyösen a 20 jármű 22 vázszerkezetéhez rögzítjük, melyet a 20 jármű vezetője szabályoz. A 16tb modul lehet például több fokozatban állítható gázkar, gázpedál, vagy egyéb szabályzó konzol, mely a beállított fokozatnak megfelelő rádiójelet bocsát ki. A kibocsátott rádiójelet a 16ta modul fogadja, és a fogadott jelnek megfelelően állítja be az elektromos ellenállás értékét, a 16c vezérlő 15 áramkör ezáltal szabályozza a 14 elektromágneseken átfolyó maximális áram nagyságát. Természetesen a teljesítmény szabályozás más módon is megoldható, például az ismert pedelec típusú kerékpároknál alkalmazott nyomatékérzékeíés elvén.

A találmány szerinti 10 kerékkészlet előnyösen a következő csoportból megválasztott egy vagy több, a 20 jármű és/vagy annak környezetének fizikai és/vagy kémiai tulajdonságait mérő szenzorral rendelkezik: a kerék forgási sebességét figyelő sebességszenzor, gyorsulásszenzor, a pedálozás által kifejtett nyomaték érzékelésére szolgáló nyomatékszenzor, hőmérsékletszenzor, páratartalom szenzor, gázanalizáló szenzor, a 20 járművet körülvevő levegő 25 áramlási sebességét mérő áramlásszenzor, valamint az útfelszín lejtését mérő lejtésszenzor. Az egy vagy több szenzor elhelyezhető például a 12a felni belsejében, annak közelében, a 12 kerék 12t tengelye mentén, 18 állórészben, és/vagy a 22 vázszerkezethez rögzítve. A szenzorokból származó adatok adott esetben felhasználhatók a 16 vezérlő rendszer bemenő paramétereiként is. Egy 30 példaként! kiviteli alaknál a 10 kerékkészlet előnyösen rövid hatósugarú rádiókommunikációra alkalmas 19 kommunikációs modult tartalmaz, melynek segítségével az egy vagy több szenzor adatai feldolgozhatok, és vezeték nélkül továbbíthatók a felhasználó mobil eszközére, amely lehet például okostelefon, tábíagép, okosóra, Pda, stb.. A vezeték nélküli adatkommunikáció előnyösen Bluetooth szabvány szerinti, de természetesen egyéb kommunikációs szabványok is elképzelhetők, A 19 kommunikációs modul által feldolgozott szenzor adatok adott esetben vezetékes kommunikáció útján is továbblthatóak a felhasználó mobil eszközére, ahogy ez a szakember számára ismeretes.

Az 1, ábrán látható kiviteli alaknál a 18 állórész a 20k kerékpár hátsó villájához van rögzítve, amely rögzítés megvalósítható például hegesztés, forrasztás vagy csavarozás segítségével, ahogy ez a szakember számára nyilvánvaló. Egy előnyös kiviteli alaknál a 20 jármű 22 vázszerkezetéhez rögzíthető 18 álíórész a 12 kerék 12a felnije közelében a 12 kerék egyik oldalán, vagy a 12 kerék mindkét oldalán, a 12 kerék síkjával párhuzamosan van elrendezve oly módon, hogy a 18 álíórész legalább egy mágnese és a 12a felni mentén elrendezett legalább egy 14 elektromágnes a 12 kerék szabad elfordulásának akadályozása nélkül a 12 kerék elfordulása során a lehető legközelebb kerüljenek egymáshoz. Elképzelhető olyan kiviteli alak is, melynél a 12 kerék a 18 állórész eltávolítása nélkül szerelhető ki a 20 járműből, illetve szerelhető be a 20 járműbe. Ebben az esetben a 18 állórész például elforgathatóságot biztosító csavaros mechanizmus segítségévei rögzíthető a 20 jármű 22 vázszerkezetéhez. Adott esetben elképzelhető olyan kiviteli alak is, melynél a 20 jármű 22 vázszerkezetéhez a 18 állórész olyan, manuálisan állítható vagy automatikusan működő mechanizmussal van rögzítve, amely lehetővé teszi a 18 állórész kismértékű elmozdulását a 12 kerék forgássikjára merőleges irányokban. Ebben az esetben a 12 kerékre esetlegesen oldalirányban ható erők miatt fellépő, a 12 kerék forgási síkjának megváltozását eredményező deformációk ellenére is biztosítható a 18 álíórész és 12 kerék közötti távolság állandósága.

Egy különösen előnyös kiviteli alaknál a 20 jármű 22 vázszerkezetéhez rögzíthető 18 állórész több, Halbach-elrendezés szerint kialakított 18p permanens mágnest, előnyösen neodímium mágnest tartalmaz. Természetesen elképzelhető olyan kiviteli aíak is, meíynéí a 18 áílórész egy vagy több 18e elektromágnest tartalmaz. A 4. ábrán a találmány szerinti 18 áílórész egy eíőnyös kiviteli alakja látható, melynél a 18 állórész mágnesei Haíbach-elrendezést követnek. A 32 nyilak hegyei a mágnesek északi pólusainak irányát jelzik. A Halbach-elrendezés

- 12során több mágnest a 4. ábrán látható módon egymás mellé helyezünk. Ennek eredményeképpen a Halbach-elrendezés egyik oldalán felerősített effektív mágneses tér alakul ki, míg az ellentétes oldalon a mágneses térerősség jelentősen legyengül. Azon az oldalon, ahol a mágneses tér felerősödik, a 5 mágneses tér É északi és D déli pólusai felváltva követik egymást (lásd 4. ábra). A mágneses tér erőssége és eloszlása 30 mágneses erővonalakkal (görbékkel) szemléltethető oly módon, hogy a 30 mágneses erővonalak sűrűsége egyenesen arányos a mágneses tér nagyságával, a vonalak egyes pontjaiban pedig az ottani mágneses térerősségvektor által megbatározott egyenes a görbe pontbeli érintője. 10 Egy különösen előnyös kiviteli alaknál a 18 áilőrész Halbach-elrendezést követő mágneseit úgy rendezzük el, hogy a felerősített mágneses tér a 12 kerék 12a felnije felé nézzen. Ekkor a 18 áilőrész külső oldalán gyakorlatilag elhanyagolható a mágneses térerősség, ezáltal elkerülhető, hogy a 18 áliórész kivűlrő! külső, mágnesezhető tárgyakat vonzzon magához.

A továbbiakban a találmány szerinti 10 kerékkészlet és a 10 kerékkészletet tartalmazó 20 jármű működését mutatjuk be.

A 10 kerékkészlet a 20 jármű hajtására, vagy hajtásrásegítésére szolgál. Egy előnyös kiviteli péidánáí a 10 kerékkészletet hagyományos, pedálhajtású, nem motorizált kerékpárba szereljük. A 10 kerékkésziet beszerelésének első 20 lépésében eltávolítjuk a hagyományos kerékpár hátsó kerekét, és helyére a találmány szerinti 10 kerékkésziet 12 kerekét szereljük be, A 12 kerék 12t tengelyét előnyösen gyorszárral rögzítjük a 20k kerékpár 22 vázszerkezetéhez, de természetesen egyéb rögzítési mód is elképzeihető. A rögzített 12 kerék a 12t tengely körül szabadon elforgatható.

A második lépésben a 10 kerékkészlet 18 állórészét a 20k kerékpár 22 vázszerkezetéhez, előnyösen a hátsó villára rögzítjük csavarok és pántok segítségével. Egy különösen előnyös kiviteli példánál a 10 kerékkésziet többféle változatban kapható, melyek az eltérő kerékpár méreteknek és/vagy típusoknak megfeielő kialakításúak, így a felhasználó a saját kerékpárjának megfelelő 10 30 kerékkészletet tud vásárolni. Az utoisó lépésben a második 16tb modult a 20k kerékpár 22 vázszerkezetére, előnyösen a 20k kerékpár kormányára szereljük fel, melynek segítségével a felhasználó a 10 kerékkészlet 14 elektromágneseinek teljesítményét tudja szabályozni. Természetesen elképzelhető olyan kiviteli alak is,

-13melynél a 20 jármű eleve tartalmazza a 10 kerékkészletet, a felhasználónak nem kell azt beszerelnie.

A találmány szerinti 10 kerékkészlet lényege, hogy a mágneses energiát forgási energiává alakítjuk. Egy előnyös kiviteli példánál a 12 kerék 12a felnije 5 mentén úgy vannak elrendezve a 14 elektromágnesek, hogy a 14 elektromágneseket a 12 kerék 12a felnijében, annak teljes kerülete mentén, egymástól adott távolságban helyezzük el úgy, hogy a 14 elektromágnesek tekercseinek tengelyei a 12 kerék síkjára merőlegesek legyenek.

Amennyiben a 18 álíórész mágnesei közel azonos erősségnek és egymástól egyenlő távolságra vannak elhelyezve, akkor közöttük térben periodikus mágneses tér alakul ki. Ahogy az a szakember számára ismeretes, az elhelyezés geometriájától függően a mágneses tér menete lehet szinuszos vagy trapéz alakú. Ha egy teljes mágneses periódus által lefedett térrészben N darab 14 elektromágnes tekercset helyezünk el, az egyes mozgó tekercsekben 2PÍ/N fáziseltolódással hasonló menetű feszültség indukálódik. A periodíkusság miatt az N+1 tekercsben indukálódott feszültség megegyezik az első tekercs feszültségével, az N+2 feszültsége a második tekercsével, és így tovább. Az N számot ilyenkor a fázisok számának nevezik. A hagyományos villanymotoroknál pi. N«3 esetén az első, a negyedik, a hetedik stb. (vagyis minden harmadik) tekercset egymással sorba szokták kötni, ezek az úgynevezett első fázist alkotják. Hasonlóan, a második, ötödik, nyolcadik stb. tekercsek a második fázist, a harmadik, hatodik, kilencedik, stb. tekercsek pedig a harmadik fázist alkotják. A hagyományos villanymotoroknál ebben az esetben háromfázisú motorvezérlőt alkalmaznak.

Jelen találmány esetén a megoldandó problémát az jelenti, hogy ha az egymástól meghatározott távolságban elrendezett 14 elektromágneseket azonos fázisra kapcsoljuk, akkor a 18 állórész mágneses terével át nem járt 14 elektromágneseken keresztül is folyni fog áram úgy, hogy közben hasznos munkát nem végez, ami a hatásfok nagymértékű romlását jelenti. A másik probléma, hogy így az úttest közeiében lévő 14 elektromágnesek is mágneses teret keltenek, így mágnesezhető anyagokat gyűjthetnek össze, ami meghibásodáshoz vezethet.

A 12 kerék forgása során a 18 állórészen túljutott 14 elektromágneseket a 16 vezérlő rendszer kikapcsolja, és csak akkor kapcsolja be megint, ha a 18

-14álíórészt ismét megközelítik. Mível a 12 kerék úttesthez közel elhelyezkedő 14 elektromágnesei kikapcsolt állapotban vannak, ezért azok az úttestről mágnesezhető tárgyakat nem tudnak magukhoz vonzani, és elektromos energiát sem fogyasztanak. A 18 állórésztől távoli 14 elektromágnesek kikapcsolása miatt a találmány szerinti elektromos hajtás energiafelhasználásának és hőelvezetőképességének hatásfoka jelentősen javul, összehasonlítva a technika állása szerinti megoldásokkal,

A találmány tárgya még eljárás a 10 kerékkészlet működtetésére. A találmány szerinti eljárás egy előnyös kiviteli példájánál a 14 elektromágnesek 10 vezérlése az alábbiak szerint történik:

A 12 kerékben elhelyezett 16p pozlcíószenzorok segítségével meghatározzuk a 12a felni 14 elektromágneseinek helyzetét a 18 áltörész mágneseihez képest. Ha a 14 elektromágnes a 18 állórész mágneses terében tartózkodik, a 16c vezérlő áramkörök segítségével elektromos áramot vezetünk a 15 megfelelő 14 elektromágnesbe, és polaritást a rajta átmenő áram irányának változtatásával a következők szerint állítjuk be. A 12 kerék 20 jármű haladása közbeni elfordulásával a 18 állórészhez érkező 14 elektromágnes polaritását úgy állítjuk be, hogy az É északi pólusa a 18 állórész hozzá legközelebb eső D déli pólusú mágnese felőli oldalon legyen, és/vagy D déli pólusa a 18 állórész hozzá 20 legközelebb eső É északi pólusú mágnese felőli oldalon legyen (lásd 5. ábra).

Ezáltal a 14 elektromágnes É északi pólusát a 18 áílórész mágnesének D déli pólusa vonzani fogja, hasonlóan a 14 elektromágnes 0 déli pólusát a 18 állórész mágnesének É északi pólusa fogja vonzani. A vonzás hatására a 12 kerék elfordul, és a 14 elektromágnes még közelebb kerül a 18 állórész D déli és É 25 északi pólusú mágneseihez. Az 5. ábrán látható kiviteli alaknál a 12a felni mindkét oldalán elhelyezünk egy-egy 18 álíórészt, oly módon, hogy a 12a felni ellentétes oldalán lévő mágnesek egymással szemközt helyezkedjenek el, és polaritásaik éppen ellentétesek legyenek. Mikor a 14 elektromágnes a legjobban megközelítette a 18 álíórészek ellentétes polaritású, egymással szemközt 30 elhelyezkedő mágneseit, akkor megcseréljük a 14 elektromágnes polaritását a 16c vezérlő áramkör segítségével. A tekercsen átmenő áram irányának megváltoztatásával a 14 elektromágnes és a 18 álíórészek mágnesei közti vonzó erő taszítővá válik, mely tovább lendíti a 12 kereket.

-15Ha a 14 elektromágnes nem a 18 állórész mágneses terében tartózkodik, a 16c vezérlő áramkör a 14 elektromágnest kizárja az áramkörből, így azon áram nem fog folyni, ezért mágneses teret sem hoz maga körül létre.

A 14 elektromágnesek polaritásának változtatását, illetve ki-bekapcsolását a 12 kerék pillanatnyi állásának ismeretében, a 16p pozícíószenzorok adatai alapján a 16c vezérlő áramkörök végzik. A 16p pozíciószenzor a 12 kerék adott állásában jelet küld a vele összeköttetésben álló, 14 elektromágnest vezérlő, kapcsoló funkciót ellátó 16c vezérlő áramkörnek, amely ennek következtében nyitott állásból zárt állásba kapcsol, és a szükséges polaritásnak megfelelő irányú 10 elektromos áramot a 14 elektromágnesbe vezeti.

A 14 elektromágnesbe jutó áram maximális nagyságát, és így a 12 kerék forgási sebességét a 16tb modul segítségével szabályozhatjuk.

Egy előnyös kiviteli alaknál a 16p pozíciószenzor csak akkor küld jelet, amikor elhaladt a 22 vázszerkezet egy meghatározott területe (például a 18 15 állórész, vagy a 20k kerékpár hátsó villája, stb.) előtt, vagy kellően megközelítette azt. Adott esetben a 22 vázszerkezetre passzív, vagy aktív jeladó is helyezhető, amelyet a 16p pozícíószenzor érzékel, vagy magát a 22 vázszerkezetet is érzékelhetik a 16p pozíciószenzorok.

A 20 jármű fékezésekor a 14 elektromágneseket kikapcsoljuk. A 18 20 állórészen áthaladó, kikapcsolt állapotú 14 elektromágnes tekercsében a mágneses indukció miatt elektromos áram indukálódik, mely a 12 kerékre fékező erőt fejt ki. Egy különösen előnyös kiviteli alaknál a 16 vezérlő rendszer a 15 áramforrás elektromos töltésére alkalmas módon van kialakítva úgy, hogy a 16 vezérlő rendszer a 20 jármű fékezésekor a legalább egy 14 elektromágnesben 25 indukálódott áramot a 15 áramforrásba vezeti. A fékezési energia visszatáplálása a 20k kerékpár hatótávolságát növeli.

Világos, hogy a szakember által más, az itt bemutatott kiviteli alakokhoz képest alternatív megoldások is elképzelhetőek, amelyek azonban az igénypontokkal meghatározott oltalmi körön beiül esnek.

Claims

Szábadalmi igénypontok

1. Elektromágneses hajtással rendelkező kerékkészlet (10), amely felnivel (12a) és kerékaggyal (12b) rendelkező kereket (12) tartalmaz, amely kerék (12) a

5 kerékagy (12 b) tengelye (12t) körül forgathatóan jármű (20) vázszerkezetéhez (22) rögzíthető, és amely kerékkészlet (10) a kerék (12) felnije (12a) mentén elrendezett legalább egy elektromágnest (14), valamint a jármű (20) vázszerkezetéhez (22) rögzíthető mágneses állórészt (18) tartalmaz, azzal jellemezve, hogy a legalább egy elektromágnes (14) áramellátásának

10 szabályozására szolgáló vezérlő rendszert (16) tartalmaz, amely vezérlő rendszer (16):

- az elektromágnesnek (14) a mágneses állórész (18) mágneses terében történő bekapcsolására, és

- az elektromágnesnek (14) a mágneses állórész (18) mágneses terén

15 kívüli kikapcsolására alkalmas módon van kialakítva.
2. Az 1. igénypont szerinti kerékkészlet (10), azzal jellemezve, hogy a legalább egy elektromágnessel (14) és a legalább egy elektromágnes (14) áramellátásának szabályozására szolgáló vezérlő rendszerrel (16) elektromos

20 összeköttetésben álló, újratölthető áramforrást (15) tartalmaz.
3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti kerékkészlet (10), azzal jellemezve, hogy a jármű (20) vázszerkezetéhez (22) rögzíthető állórész (18) legalább egy permanens mágnest (18p) és/vagy elektromágnest (18e) tartalmaz.
4. Az 1 - 3. igénypontok bármelyike szerinti kerékkészlet (10), azzal jellemezve, hogy a jármű (20) vázszerkezetéhez (22) rögzíthető állórész (18) több, Halbach-elrendezés szerint kialakított permanens mágnest (18p) és/vagy elektromágnest (18e) tartalmaz.
5. A 2 - 4. igénypontok bármelyike szerinti kerékkészlet (10), azzal jellemezve, hogy az áramforrás (15) a kerék (12) felnijének (12a) belsejében van

SZTNH-100184199

- 17elrendezve.
6. Az 1 - 5. igénypontok bármelyike szerinti kerékkészlet (10), azzal jellemezve, hogy a kerék (12) a kerék (12) tengelyét (12t) a felnivel (12a)

5 összekötő küllőket (12t) tartalmaz, és a felni (12a) mentén elrendezett legalább egy elektromágnes (14) áramellátása a legalább egy küllő (12) mentén van biztosítva.
7. A 2. igénypont szerinti kerékkészlet (10), azzal jellemezve, hogy az 10 áramforrás (15) a kerékagyban (12 b) van elrendezve.
8. A 2 - 4, és 6. igénypontok bármelyike szerinti kerékkészlet (10), azzal jellemezve, hogy az áramforrás (15) a jármű (20) vázszerkezetéhez (22) van rögzítve.
9. Az 1 - 8. igénypontok bármelyike szerinti kerékkészlet (10), azzal jellemezve, hogy a kerék (12) felnije (12 a) mentén elrendezett legalább egy elektromágnes (14) állórészhez (18) képesti pozíciójának meghatározására alkalmas, a vezérlő rendszerrel (16) vezetékes vagy vezetékmentes

20 összeköttetésben álló legalább egy pozíciószenzort (16p) tartalmaz.
10. Az 1 - 9. igénypontok bármelyike szerinti kerékkészlet (10), azzal jellemezve, hogy a kerékkészlet (10) a következő csoportból megválasztott egy vagy több, a kerekes jármű (20) és/vagy annak környezetének fizikai és/vagy

25 kémiai tulajdonságait mérő szenzorral rendelkezik: sebességszenzor, gyorsulásszenzor, nyomatékszenzor, hőmérsékletszenzor, páratartalom szenzor, gázanalizáló szenzor, áramlásszenzor, lejtésszenzor; valamint a szenzorral összeköttetésben álló, a szenzorjelet feldolgozó, rövid hatósugarú rádiókommunikációra alkalmas kommunikációs modult (19) tartalmaz.
11. Kerekes jármű (20), amely vázszerkezetét (22) és elektromágneses hajtással rendelkező kerékkészletet (10) tartalmaz, amely elektromágneses hajtással rendelkező kerékkészlet (10) felnivel (
12a) és kerékaggyal (12b) ~ 18 rendelkező kereket (12) tartalmaz, amely kerék (12) a kerékagy (12b) tengelye (121) körül forgathatóan a kerekes jármű (20) vázszerkezetéhez (22) rögzíthető, és amely kerékkészlet (10) a kerék (12) felnije (12a) mentén elrendezett legalább egy elektromágnest (14), valamint a kerekes jármű (20) vázszerkezetéhez (22) 5 rögzíthető mágneses állórészt (18) tartalmaz, azzal jellemezve, hogy az elektromágneses hajtással rendelkező kerékkészletet (10) az 1-10. igénypontok bármelyike szerinti elektromágneses hajtással rendelkező kerékkészletként (10) van kialakítva.

10 12. A 11. igénypont szerinti kerekes jármű (20), azzal jellemezve, hogy a kerekes jármű (20) kerékpár (20k).
13. A 11. vagy 12. igénypont szerinti kerekes jármű (20), azzal jellemezve, hogy a vezérlő rendszer (16) a kerekes jármű (20) fékezésekor a

15 legalább egy elektromágnesben (14) indukálódott árammal az áramforrást (15) töltőén van kialakítva.
14. A 11 - 14. Igénypontok bármelyike szerinti kerekes jármű (20), azzal jellemezve, hogy az állórész (18) a kerék (12) felnije (12a) közelében a kerék (12)

20 egyik oldalán, vagy a kerék (12) mindkét oldalán van a vázszerkezethez (22) rögzítve.
15. Eljárás az 1 - 10, igénypontok szerinti kerékkésziet működtetésére, amely kerékkészlet felnivel (12a) és kerékaggyaí (12b) rendelkező kereket (12)

25 tartalmaz, az eljárás során:

- a kereket (12) a kerékagy (12b) tengelye (12t) körül forgathatóan jármű (20) vázszerkezetéhez (22) rögzítjük.

- a kerék (12) felnije (12a) mentén legalább egy elektromágnest (14) rendezünk el,

30 - a jármű (20) vázszerkezetéhez (22) mágneses állórészt (18) rögzítünk, és

- a legalább egy elektromágnes (14) áramellátásának szabályozására szolgáló vezérlő rendszert (16) biztosítunk,

-19 azzal jellemezve, hogy:

- az állórész (18) mágneses terén belül lévő legalább egy elektromágnest (14) a vezérlő rendszer (16) segítségével működésbe hozzuk, és

- a kerék forgásával a mágneses állórész (18) mágneses teréből kilépő,

5 ezáltal az állórész (18) mágneses terével kölcsön már nem ható legalább egy elektromágnest (14) a vezérlő rendszer (16) segítségével kikapcsoljuk.
16. A 15. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az állórész (18) mágneses terén belül lévő legalább egy elektromágnes (14) működtetése

10 során a legalább egy elektromágnesen (14) átfolyó áram erősségét és irányát szabályozzuk.
17. A 15. vagy 16. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a vezérlő rendszerrel (16) vezetékes vagy vezetékmentes összeköttetésben álló, a

15 felni (12a) mentén elrendezett elektromágnesek (14) állórészhez (18) képesti pozíciójának meghatározására szolgáló legalább egy pozíciószenzort (16p) biztosítunk, és a kerék (12) felnije (12a) mentén elrendezett legalább egy elektromágnes (14) helyzetét a pozíciószenzor (16p) segítségével határozzuk meg.