IT201700010847A1 - PROPULSION SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLES - Google Patents
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Description
SISTEMA DI PROPULSIONE PER VEICOLI ELETTRICI PROPULSION SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLES
La presente invenzione si riferisce genericamente ad un sistema di propulsione mediante motore elettrico in cui l’energia per il funzionamento dello stesso viene fornita da una sorgente non elettrica (meccanica). The present invention generically refers to a propulsion system using an electric motor in which the energy for its operation is supplied by a non-electrical (mechanical) source.
Più in particolare, l’invenzione riguarda un sistema di propulsione realizzato tramite l’accoppiamento di un generatore a flusso assiale e di un motore a flusso assiale, costituenti un sistema di conversione di una determinata quantità di energia in ingresso in energia in uscita con variazione continua dei parametri di coppia e velocità. More specifically, the invention relates to a propulsion system made by coupling an axial flux generator and an axial flux motor, constituting a system for converting a certain amount of input energy into output energy with variation continuous of the torque and speed parameters.
Il propulsore così realizzato può essere applicato in diversi ambiti, tra i quali, ad esempio, biciclette a pedalata assistita, sistemi di propulsione per la navigazione, ecc. The engine thus created can be applied in various fields, including, for example, pedal assisted bicycles, propulsion systems for navigation, etc.
Lo scopo dell’invenzione è di eliminare la complessità meccanica, ridurre il peso ed i costi ed incrementare l’affidabilità e l’efficienza rispetto ad un sistema tradizionale costituito da un motore seguito da un cambio e da una trasmissione di tipo meccanico. The purpose of the invention is to eliminate mechanical complexity, reduce weight and costs and increase reliability and efficiency compared to a traditional system consisting of an engine followed by a gearbox and a mechanical transmission.
Infatti, le configurazioni che fanno parte della tecnica nota sono meccanicamente complesse, in quanto è necessario utilizzare catene cinematiche composte da ingranaggi, oppure riduzioni a cinghia dentata, nonché il tradizionale cambio meccanico e tutti i relativi alberi e cuscinetti. In fact, the configurations that are part of the known art are mechanically complex, since it is necessary to use kinematic chains composed of gears, or toothed belt reductions, as well as the traditional mechanical gearbox and all the relative shafts and bearings.
La complessità dei sistemi tradizionali di propulsione comporta pesi maggiori rispetto all’invenzione qui presentata, necessità di manutenzione, costi maggiori e un’efficienza complessiva del sistema inferiore. The complexity of traditional propulsion systems involves heavier weights than the invention presented here, the need for maintenance, higher costs and a lower overall system efficiency.
Scopo della presente invenzione è, nel caso specifico, quello di ovviare agli inconvenienti dell’arte nota sopra menzionati e, in particolare, quello di realizzare un sistema di propulsione mediante motore elettrico da applicare nelle situazioni in cui è necessario fornire all’asse di uscita del sistema l’energia in ingresso con variazione continua di coppia e velocità in funzione delle necessità. The purpose of the present invention is, in the specific case, to obviate the drawbacks of the prior art mentioned above and, in particular, to provide a propulsion system by means of an electric motor to be applied in situations in which it is necessary to supply the output axis of the system the input energy with continuous variation of torque and speed according to the needs.
In particolare, per le biciclette a pedalata assistita, il sistema consente di ridurre la complessità meccanica (pedali, motore e cambio) delle soluzioni note, riducendo altresì il peso complessivo ed i costi totali. In particular, for pedal assisted bicycles, the system allows to reduce the mechanical complexity (pedals, motor and gearbox) of the known solutions, also reducing the overall weight and the total costs.
Altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema di propulsione mediante motore elettrico, che permetta di incrementare l’affidabilità del complesso meccanico/elettrico, rispetto ai sistemi di propulsione di tipo noto, aumentando al contempo l’efficienza complessiva del sistema. Another purpose of the present invention is to create a propulsion system using an electric motor, which allows to increase the reliability of the mechanical / electrical complex, compared to known propulsion systems, while increasing the overall efficiency of the system.
Questi ed altri scopi sono raggiunti da un sistema di propulsione elettrico, applicabile anche a biciclette a pedalata assistita, secondo la rivendicazione 1 allegata; altre caratteristiche tecniche del sistema di propulsione secondo la presente invenzione sono previste nelle ulteriori rivendicazioni dipendenti. These and other purposes are achieved by an electric propulsion system, which can also be applied to pedal assisted bicycles, according to the attached claim 1; other technical characteristics of the propulsion system according to the present invention are provided in the further dependent claims.
Vantaggiosamente, il sistema di propulsione che è oggetto della presente invenzione è basato sull’accoppiamento di un motore elettrico e di un generatore inseriti entrambi all’interno dello stesso gruppo. Advantageously, the propulsion system that is the subject of the present invention is based on the coupling of an electric motor and a generator both inserted within the same group.
L’energia applicata all’asse di ingresso viene convogliata su un generatore elettrico ad alta efficienza. L’energia elettrica così ottenuta viene convogliata verso il motore elettrico, e quindi verso l’asse di uscita, mediante una scheda elettronica governata da un microcontrollore e relativo software. Compito della scheda è trasformare l’energia nelle componenti di velocità e coppia a seconda delle esigenze di utilizzo del sistema. The energy applied to the input axis is conveyed to a high efficiency electric generator. The electricity thus obtained is conveyed to the electric motor, and then to the output axis, by means of an electronic board governed by a microcontroller and related software. The task of the board is to transform the energy into the speed and torque components according to the system usage needs.
Nel caso della bicicletta a pedalata assistita il sistema è installato sul cosiddetto “movimento centrale” del veicolo. In the case of the pedal assisted bicycle, the system is installed on the so-called “bottom bracket” of the vehicle.
Nella fattispecie, l’asse dei pedali è direttamente connesso all’asse del generatore. In this case, the axis of the pedals is directly connected to the axis of the generator.
In particolare, l’energia di ingresso (generata dalla pedalata) viene inviata al motore per mezzo di un sistema di controllo elettronico, che realizza, attaverso specifici algoritmi, la conversione in coppia/velocità a seconda delle condizioni di lavoro e della configurazione selezionata. In particular, the input energy (generated by pedaling) is sent to the motor by means of an electronic control system, which realizes, through specific algorithms, the conversion into torque / speed depending on the working conditions and the selected configuration.
A sua volta il motore elettrico trasmette il movimento alla ruota posteriore mediante una trasmissione a catena o cinghia dentata utilizzando una corona e un pignone di tipo tradizionale. In turn, the electric motor transmits movement to the rear wheel by means of a chain or toothed belt transmission using a traditional crown and pinion.
L’assistenza alla pedalata viene ottenuta sommando all’energia prodotta dal ciclista quella proveniente da una batteria ricaricabile nella quantità richiesta dal grado di assistenza, che è selezionabile mediante opportuni comandi. Pedaling assistance is obtained by adding to the energy produced by the cyclist that coming from a rechargeable battery in the amount required by the degree of assistance, which can be selected using appropriate commands.
Sempre nel caso specifico di biciclette a pedalata assistita l’accoppiamento del motore con la corona è realizzato mediante una ruota libera ed in particolare mediante la parte esterna della stessa. Again in the specific case of pedal assisted bicycles, the coupling of the motor with the crown is achieved by means of a free wheel and in particular by means of the external part of the same.
La ruota libera permette, in caso di mancato funzionamento del motore, di accoppiare l’asse di ingresso (nell’esempio l’asse dei pedali) con l’asse di uscita e permettere così l’uso del veicolo, anche se limitato ad un solo rapporto di trasmissione. The freewheel allows, in case of engine failure, to couple the input axis (in the example the pedal axis) with the output axis and thus allow the use of the vehicle, even if limited to a gear ratio only.
Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione che segue, che si riferisce ad un esempio di realizzazione esemplificativo e preferito, ma non limitativo, del sistema di propulsione per veicoli elettrici in questione, e dai disegni annessi, in cui: Further objects and advantages of the present invention will become clear from the following description, which refers to an exemplary and preferred, but not limitative, embodiment of the propulsion system for electric vehicles in question, and from the attached drawings, in which:
- la figura 1 mostra uno schema a blocchi di un sistema di propulsione per veicoli elettrici in genere, secondo la presente invenzione; Figure 1 shows a block diagram of a propulsion system for electric vehicles in general, according to the present invention;
- la figura 2 mostra uno schema a blocchi di un sistema di propulsione applicato in particolare su biciclette a pedalata assistita, secondo la presente invenzione; Figure 2 shows a block diagram of a propulsion system applied in particular to pedal assisted bicycles, according to the present invention;
- la figura 2A mostra una vista in sezione trasversale del sistema di propulsione di cui alla figura 2, secondo la presente invenzione; Figure 2A shows a cross-sectional view of the propulsion system of Figure 2, according to the present invention;
- le figure 3, 4 e 5 mostrano rispettive viste in sezione trasversale di altrettante forme realizzative del sistema di propulsione di cui alle figure 1 e 2, secondo la presente invenzione; - le figure 6A, 6B e 6C mostrano tre diverse modalità di montaggio dei magneti in un rotore del sistema di propulsione, secondo l’invenzione. figures 3, 4 and 5 show respective cross-sectional views of as many embodiments of the propulsion system of figures 1 and 2, according to the present invention; - Figures 6A, 6B and 6C show three different ways of mounting the magnets in a rotor of the propulsion system, according to the invention.
Con particolare riferimento alla figura 1, che mostra un sistema di propulsione generico per veicoli, un generatore elettrico a flusso assiale 2 ed un motore elettrico a flusso assiale 3 sono connessi tra loro mediante una scheda elettronica 5 programmabile tramite comandi ed impostazioni 7. With particular reference to figure 1, which shows a generic propulsion system for vehicles, an axial flux electric generator 2 and an axial flux electric motor 3 are connected to each other by means of an electronic card 5 programmable by means of commands and settings 7.
L’asse di ingresso 1 del generatore 2 viene utilizzato per collegare la sorgente meccanica di energia; nel caso di una bicicletta a pedalata assistita, per esempio, tale asse 1 coincide con l’asse collegato ai pedali della bicicletta. The input axis 1 of generator 2 is used to connect the mechanical source of energy; in the case of a pedal assisted bicycle, for example, this axis 1 coincides with the axis connected to the bicycle pedals.
L’asse di uscita 4 del motore elettrico 3 trasmette il moto che realizza la propulsione e, in particolare, l’energia in ingresso viene trasmessa all’uscita mediante l’intervento di opportuni algoritmi di regolazione dei parametri di azionamento del motore 3, che trasformano in coppia e velocità l’energia in ingresso, esattamente come farebbe un tradizionale cambio meccanico; questa configurazione permette di ottenere alti rendimenti (superiori al 95%) delle due macchine elettriche (generatore 2 e motore 3) con ingombri ridotti. The output axis 4 of the electric motor 3 transmits the motion that realizes the propulsion and, in particular, the input energy is transmitted to the output through the intervention of suitable algorithms for regulating the operating parameters of the motor 3, which they transform the input energy into torque and speed, exactly as a traditional mechanical gearbox would do; this configuration allows to obtain high efficiency (higher than 95%) of the two electric machines (generator 2 and motor 3) with reduced dimensions.
Il generatore a flusso assiale 2 è composto da un rotore dotato di magneti permanenti disposti secondo la classica configurazione alternata (Nord-Sud) oppure secondo la configurazione nota come “Array di Halbach”. La soluzione del sistema di propulsione di cui sopra, applicata ad una bicicletta a pedalata assistita ed illustrata nelle figure 2 e 2A allegate, prevede, in modo analogo a quanto già descritto, l’utilizzo di un generatore elettrico a flusso assiale 2 e di un motore elettrico a flusso assiale 3. The axial flux generator 2 is composed of a rotor equipped with permanent magnets arranged according to the classic alternating configuration (North-South) or according to the configuration known as the "Halbach Array". The solution of the propulsion system described above, applied to a pedal assisted bicycle and illustrated in the attached figures 2 and 2A, provides, in a similar way to what has already been described, the use of an axial flow electric generator 2 and of a axial flux electric motor 3.
Come per la precedente descrizione, anche in questo caso una scheda elettronica 5, al cui ingresso sono inviati opportuni comandi ed impostazioni 7, gestisce il trasferimento dell’energia dal generatore 2 al motore 3; l’assistenza alla pedalata viene fornita sommando all’energia generata dalla pedalata stessa quella della batteria 6 nella proporzione richiesta dai comandi equivalenti a quelli impartiti al tradizionale cambio meccanico ed alle impostazioni 7 di assistenza (maggiore o minore) selezionabili dal ciclista. As for the previous description, also in this case an electronic board 5, to whose input appropriate commands and settings 7 are sent, manages the energy transfer from generator 2 to motor 3; pedaling assistance is provided by adding to the energy generated by the pedaling itself that of the battery 6 in the proportion required by the commands equivalent to those given to the traditional mechanical gearbox and to the assistance settings 7 (greater or lesser) selectable by the cyclist.
Questa configurazione permette di ottenere alti rendimenti (uguali o superiori al 95%) delle due macchine elettriche (generatore 2 e motore 3) con ingombri compatibili con l’applicazione. This configuration allows to obtain high yields (equal to or greater than 95%) of the two electrical machines (generator 2 and motor 3) with dimensions compatible with the application.
Anche in questo caso, il generatore a flusso assiale 2 è composto da un rotore 16 dotato di magneti permanenti disposti secondo la classica configurazione alternata (Nord-Sud) oppure secondo la configurazione conosciuta come “Array di Halbach”. Also in this case, the axial flux generator 2 is composed of a rotor 16 equipped with permanent magnets arranged according to the classic alternating configuration (North-South) or according to the configuration known as the "Halbach Array".
Di fronte al rotore 16 del generatore 2 è posizionato lo statore 17 composto da una serie di avvolgimenti in rame e l’interazione rotore-statore trasforma il moto dei pedali 12, 15 in energia da utilizzare per l’azionamento del motore a flusso assiale 3. In front of the rotor 16 of the generator 2 the stator 17 is positioned, consisting of a series of copper windings and the rotor-stator interaction transforms the motion of the pedals 12, 15 into energy to be used to drive the axial flux motor 3 .
Una ruota libera 11, montata sull’asse 13 dei pedali 12, 15, permette, in assenza di azionamento del motore 3, di trasmettere il moto dei pedali 12, 15 alla ruota posteriore della bicicletta, mediante una corona 23, una catena o cinghia dentata 24 ed un pignone accoppiato alla suddetta ruota posteriore. A free wheel 11, mounted on the axis 13 of the pedals 12, 15, allows, in the absence of drive of the motor 3, to transmit the motion of the pedals 12, 15 to the rear wheel of the bicycle, by means of a crown 23, a chain or belt toothed 24 and a pinion coupled to the aforesaid rear wheel.
Il motore elettrico a flusso assiale 3 trasmette così il suo movimento alla ruota posteriore della bicicletta mediante la parte esterna della ruota libera 11, che consente di svincolare i pedali 12, 15 dall’asse del motore elettrico 3; in questo modo, una velocità del motore elettrico 3 appena superiore a quella della pedalata è sufficiente a far sì che l’unico contributo al moto della ruota posteriore della bicicletta sia dato dal motore elettrico 3, poiché quest’ultimo riceve l’energia prodotta dalla pedalata mediante la scheda elettronica 5 dotata di microcontrollore e firmware. Attraverso la scheda elettronica 5 suddetta, la potenza generata dal generatore elettrico a flusso assiale 2 viene utilizzata per pilotare il motore elettrico a flusso assiale 3. The axial flow electric motor 3 thus transmits its movement to the rear wheel of the bicycle by means of the external part of the free wheel 11, which allows the pedals 12, 15 to be released from the axis of the electric motor 3; in this way, a speed of the electric motor 3 just higher than that of pedaling is sufficient to ensure that the only contribution to the motion of the rear wheel of the bicycle is given by the electric motor 3, since the latter receives the energy produced by the pedaling by means of the electronic board 5 equipped with microcontroller and firmware. Through the aforementioned electronic board 5, the power generated by the axial flux electric generator 2 is used to drive the axial flux electric motor 3.
Il motore elettrico a flusso assiale 3 è composto da un rotore 10 dotato di magneti permanenti disposti secondo la classica configurazione alternata (Nord-Sud) oppure secondo la configurazione conosciuta come “Array di Halbach” e, di fronte al rotore 10, è posizionato lo statore 19 composto da avvolgimenti in rame. The axial flux electric motor 3 is composed of a rotor 10 equipped with permanent magnets arranged according to the classic alternating configuration (North-South) or according to the configuration known as the "Halbach Array" and, in front of the rotor 10, the stator 19 composed of copper windings.
L’interazione rotore-statore trasforma l’energia ricevuta dal generatore elettrico a flusso assiale 2, eventualmente sommata a quella della batteria ricaricabile 6, in moto trasmesso alla ruota posteriore della bicicle tta mediante la corona 23, ch e aziona la catena o cinghia dentata 24. The rotor-stator interaction transforms the energy received from the axial flux electric generator 2, possibly added to that of the rechargeable battery 6, into motion transmitted to the rear wheel of the bicycle by means of the crown 23, which drives the chain or toothed belt 24.
Si è detto, q uindi, che il motore elettric o 3 riceve, mediante la scheda elettronica 5 dotata di appositi software e firmware, l’energia prodotta dal la pedalata; infatti, si può affermare che l’energia del la pedalata, convertita in elettricità, viene nuovamente trasformata in moto, al netto delle perdite de l sistema, realizzando così un asse elettrico equivalente al normale asse meccanico di una bicicletta tradizionale dotata di corona, catena e pignone. It has therefore been said that the electric motor 3 receives, through the electronic board 5 equipped with special software and firmware, the energy produced by pedaling; in fact, it can be said that the pedaling energy, converted into electricity, is transformed again into motion, net of the system losses, thus creating an electric axis equivalent to the normal mechanical axis of a traditional bicycle equipped with a crown, chain and pinion.
Se il ciclis ta richiede l’intervento del l’assistenza elettrica (pe dalata assistita), è compito della scheda elettronica 5 sommare all’energia generata dalla pedalata quel la della batteria ricaricabile 6. If the cyclist requires the intervention of the electrical assistance (eg assisted by the assisted person), it is the task of the electronic board 5 to add to the energy generated by pedaling that of the rechargeable battery 6.
Altro compito fondamentale della scheda elettronica 5 e del software che la gestisce è quello di trasformare l’energia della pedalata in coppia e veloci tà a seconda delle condizi oni del percorso (in piano o in salita, ad esempio), cos ì come farebbe un normale cam bio di tipo meccanico. Another fundamental task of the electronic board 5 and of the software that manages it is to transform the pedaling energy into torque and speed according to the conditions of the route (flat or uphill, for example), as would a normal mechanical change.
Mediante gli algoritmi del sistema di c ontrollo si applica, infa tti, l’equazione seguente In fact, the following equation is applied using the algorithms of the control system
da cui è fac ilmente intuibile che, per esempio, un tragitto in salita richiederà più coppia. from which it is easy to understand that, for example, an uphill journey will require more torque.
Fissato quind i un valore di potenza (W), dato dalla somma dell’en ergia della pedalata e di quella della batteria ricaricabile 6, ecco che la riduzione della velocità (giri al minuto) e l’incremento della coppia (Nm) permetterà di soddisfare l’equazione. Once a power value (W) has been set, given by the sum of the pedaling energy and that of the rechargeable battery 6, the reduction in speed (revolutions per minute) and the increase in torque (Nm) will allow satisfy the equation.
Viceversa, un percorso in piano o in discesa potrà esprimere la potenza incrementando la velocità e riducendo la coppia, essendo quest’ultima meno necessaria in un percorso pianeggiante e/o in discesa. La scheda elettronica 5, in pratica, converte l’energia generata dalla pedalata in funzioni di coppia e velocità trasferite al motore elettrico a flusso assiale 3 a seconda del tipo di percorso effettuato dalla bicicletta. Conversely, a flat or downhill route can express power by increasing speed and reducing torque, the latter being less necessary on a flat and / or downhill route. The electronic board 5, in practice, converts the energy generated by pedaling into torque and speed functions transferred to the axial flux electric motor 3 depending on the type of path taken by the bicycle.
Infine, durante la frenata o durante un percorso in discesa, il motore elettrico a flusso assiale 3 può essere utilizzato come generatore e ricaricare la batteria utilizzata per l’assistenza. Finally, during braking or during a downhill ride, the axial flux electric motor 3 can be used as a generator and recharge the battery used for assistance.
Infatti, nella prima fase della frenata, si inserisce solo il freno motore, che ricarica la batteria 6 decelerando la bicicletta e poi, per frenate più decise, il freno agisce sul normale sistema frenante meccanico della bicicletta. In fact, in the first stage of braking, only the engine brake is engaged, which recharges the battery 6 by decelerating the bicycle and then, for more decisive braking, the brake acts on the normal mechanical braking system of the bicycle.
Entrambe le macchine elettriche (motore 3 e generatore 2) possono anche essere utilizzate come generatori per aumentare la forza frenante; un eventuale eccesso di energia prodotta, se non assorbibile dal sistema di ricarica, può essere accumulata istantaneamente grazie all’uso di adeguati sistemi di accumulo (supercap o altro) ed essere utilizzata sia per fornire energie di spunto (richieste istantanee di start e stop tipiche dei cicli urbani) sia per ricaricare in tempi più lunghi (e quindi compatibili con i cicli di carica e scarica degli accumulatori) le batterie stesse. Both electric machines (motor 3 and generator 2) can also be used as generators to increase the braking force; any excess energy produced, if not absorbable by the recharging system, can be accumulated instantaneously thanks to the use of adequate storage systems (supercap or other) and be used both to provide starting energies (instantaneous requests for typical start and stop of urban cycles) and to recharge the batteries in longer times (and therefore compatible with the charge and discharge cycles of the accumulators).
Secondo forme di realizzazione alternative e non limitative, il motore a flusso assiale 3 può essere munito di due rotori 18 porta-magneti, che sono collegati ad un disco statorico 9 porta-solenoidi tramite due cuscinetti a sfere 8 a contatto obliquo (fig. 3). According to alternative and non-limiting embodiments, the axial flux motor 3 can be equipped with two magnet-carrying rotors 18, which are connected to a solenoid-carrying stator disc 9 by means of two angular contact ball bearings 8 (fig. 3 ).
L’utilizzo dei cuscinetti 8 garantisce un’ottima precisione dello spazio (gap) che si deve mantenere tra magneti e solenoidi; infatti, la precisione di tale gap si ottiene tramite una catena semplice di accoppiamento tra il disco statorico 9 di supporto dei solenoidi, il cuscinetto 8 ed il rotore 18 porta-magneti. The use of bearings 8 guarantees excellent accuracy of the space (gap) that must be maintained between magnets and solenoids; in fact, the accuracy of this gap is obtained by means of a simple coupling chain between the stator disk 9 supporting the solenoids, the bearing 8 and the magnet-carrying rotor 18.
In questo modo, diversamente da una classica configurazione a cassa esterna (quale quella raffigurata nella figura 2A allegata), il disco statorico 9 porta-solenoidi è vincolato girevolmente ai rotori 18 porta-magneti, semplificando così al massimo la forma costruttiva ed i costi delle parti meccaniche. L’asse o albero centrale 13 è vincolato ai rotori 18 porta-magneti tramite ruote libere 14; nel caso specifico dell’applicazione a biciclette a pedalata assistita, questa configurazione rende il motore 3 libero di svincolarsi dall’asse 13 dei pedali 12, 15 e diventa particolarmente utile nel caso si voglia sfruttare il motore 3 come generatore per il recupero dell’energia in fase di decelerazione (ciò è possibile nelle biciclette a scatto fisso senza cambio oppure con cambio ma senza ruota libera posteriore). In this way, unlike a classic external casing configuration (such as that shown in the attached figure 2A), the solenoid-holder stator disc 9 is rotatably constrained to the magnet-holder rotors 18, thus simplifying the constructive form and costs of the mechanical parts. The axis or central shaft 13 is bound to the magnet-holder rotors 18 by free wheels 14; in the specific case of the application to pedal assisted bicycles, this configuration makes the motor 3 free to disengage from the axis 13 of the pedals 12, 15 and becomes particularly useful if you want to use the motor 3 as a generator for energy recovery during deceleration (this is possible in fixed gear bicycles without gearbox or with gearbox but without rear freewheel).
Lo schema costruttivo descritto in precedenza ed illustrato nella figura 3 allegata permette anche un montaggio modulare, che consente di aumentare la potenza e la coppia sull’asse o albero centrale 13, come mostrato in dettaglio nella figura 4 allegata; in questo modo, posto che le caratteristiche di funzionamento sono come quelle del motore singolo, si possono accoppiare due o più motori elettrici 3 in parallelo semplicemente calettandoli in modo fisso o con ruote libere 14 all’albero 13. The construction scheme described above and illustrated in the attached figure 3 also allows a modular assembly, which allows to increase the power and torque on the axis or central shaft 13, as shown in detail in the attached figure 4; in this way, given that the operating characteristics are like those of the single motor, two or more electric motors 3 can be coupled in parallel simply by keying them fixedly or with free wheels 14 to the shaft 13.
Nella figura 5 allegata è rappresentato schematicamente l’accoppiamento di un motore elettrico 3 a conformazione doppia, quale quello rappresentato nella figura 4, con un generatore elettrico a flusso assiale 2, che è costituito, in particolare, da due unità in parallelo dotate di rispettivi rotori 20 porta-magneti e dischi statorici 21 porta-solenoidi. The attached figure 5 schematically represents the coupling of an electric motor 3 with double conformation, such as the one represented in figure 4, with an axial flux electric generator 2, which is constituted, in particular, by two units in parallel equipped with respective rotors 20 magnet holders and stator discs 21 solenoid holders.
L’albero centrale 13 caletta il generatore 2 in modo fisso, mentre il motore 3 è calettato sull’albero 13 tramite le ruote libere 14. The central shaft 13 holds the generator 2 in a fixed way, while the motor 3 is keyed on the shaft 13 through the free wheels 14.
Nel caso di applicazione ad una bicicletta a pedalata assistita, in tal modo, il generatore 2 è fisso all’asse 13 dei pedali 12, 15, mentre il motore 3 può, grazie alle ruote libere 14, girare ad una velocità maggiore rispetto alla velocità di rotazione dei pedali 12, 15; anche in questo caso, si può notare che, grazie all’utilizzo dei cuscinetti 8 a contatto obliquo posti tra i rotori 18, 20 e gli statori 9, 21, il sistema risulta estremamente semplice ed economico da un punto di vista meccanico. In the case of application to a pedal assisted bicycle, in this way, the generator 2 is fixed to the axis 13 of the pedals 12, 15, while the motor 3 can, thanks to the free wheels 14, turn at a higher speed than the speed. rotation of the pedals 12, 15; also in this case, it can be noted that, thanks to the use of angular contact bearings 8 placed between the rotors 18, 20 and the stators 9, 21, the system is extremely simple and economical from a mechanical point of view.
Infine, nelle figure 6A, 6B e 6C allegate sono rappresentate tre diverse modalità di montaggio dei magneti permanenti 22, che sono posti su appositi dischi 25 applicati ai rotori 10, 18 del motore 3 ed ai rotori 16, 20 del generatore 2. Finally, in the attached figures 6A, 6B and 6C three different ways of assembling the permanent magnets 22 are shown, which are placed on special discs 25 applied to the rotors 10, 18 of the motor 3 and to the rotors 16, 20 of the generator 2.
In particolare, nella figura 6A è mostrata una configurazione di magneti 22 montati con sequenza a poli contrapposti; solitamente, in questo caso, il supporto dei magneti 22 è in materiale ferromagnetico per cortocircuitare il flusso tra magnete e magnete. Nella figura 6B è rappresentato un montaggio di magneti 22 con Array di Halbach a sequenza perimetrale, mentre nella figura 6C è rappresentato un montaggio con Array di Halbach con sequenza polare radiale. In particular, figure 6A shows a configuration of magnets 22 mounted in a sequence with opposite poles; usually, in this case, the support of the magnets 22 is made of ferromagnetic material to short-circuit the flux between the magnet and the magnet. Figure 6B shows a mounting of magnets 22 with a perimeter sequence Halbach Array, while Figure 6C shows a mounting with Halbach Array with a radial polar sequence.
Si ricorda che un Array di Halbach è una particolare unione o layout di magneti permanenti 22 realizzata in modo da rafforzare il campo magnetico lungo una faccia dell’array e, nel contempo, cancellare per interferenza il campo magnetico nella faccia opposta. It should be remembered that a Halbach Array is a particular union or layout of permanent magnets 22 made in such a way as to strengthen the magnetic field along one face of the array and, at the same time, cancel the magnetic field on the opposite face by interference.
Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del sistema di propulsione per veicoli elettrici e, in particolare, per biciclette a pedalata assistita, che è oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi. From the above description the characteristics of the propulsion system for electric vehicles and, in particular, for pedal assisted bicycles, which is the object of the present invention, are clear, as are the advantages.
In particolare, i suddetti vantaggi riguardano: In particular, the aforementioned advantages concern:
- realizzazione di un sistema di propulsione con regolazione elettronica di coppia e velocità senza l’utilizzo di componenti meccaniche; - creation of a propulsion system with electronic torque and speed regulation without the use of mechanical components;
- compattazione del suddetto sistema in un unico componente di ridotte dimensioni; - compaction of the aforementioned system into a single small component;
- riduzione del peso, in quanto il tipo di motore e di generatore impiegati e l’assenza di un cambio meccanico riducono il peso complessivo del veicolo; - weight reduction, as the type of engine and generator used and the absence of a mechanical gearbox reduce the overall weight of the vehicle;
- incremento dell’affidabilità, in quanto l’eliminazione di parti meccaniche ed ingranaggi ha come diretta conseguenza l’aumento dell’affidabilità del veicolo; - increase in reliability, as the elimination of mechanical parts and gears has the direct consequence of increasing the reliability of the vehicle;
- riduzione dei costi, in quanto la semplicità delle macchine elettriche impiegate (motore e generatore) e l’eliminazione di meccanica complessa riducono il costo della soluzione, rispetto a quelle note; - cost reduction, as the simplicity of the electrical machines used (motor and generator) and the elimination of complex mechanics reduce the cost of the solution, compared to the known ones;
- incremento dell’efficienza, in quanto il rendimento del sistema è superiore a quello di una catena cinematica tradizionale. - increase in efficiency, as the efficiency of the system is higher than that of a traditional kinematic chain.
Nel caso specifico di applicazione ad una bicicletta a pedalata assistita, i vantaggi conseguiti sono costituiti principalmente dall’eliminazione della complessità meccanica di una normale bicicletta a pedalata assistita, in quanto vengono eliminati ingranaggi, riduzioni e conseguenti cuscinetti. In the specific case of application to a pedal assisted bicycle, the advantages achieved consist mainly of the elimination of the mechanical complexity of a normal pedal assisted bicycle, as gears, reductions and consequent bearings are eliminated.
E’ chiaro infine che numerose altre varianti possono essere apportate al sistema di propulsione in questione, senza per questo uscire dai principi di novità dell’idea inventiva come rivendicato nelle rivendicazioni allegate, così come è chiaro che, nella pratica attuazione dell’invenzione, i materiali, le forme e le dimensioni dei dettagli illustrati possono essere qualsiasi a seconda delle esigenze e gli stessi possono essere sostituiti con altri equivalenti. Finally, it is clear that numerous other variants can be made to the propulsion system in question, without thereby departing from the principles of novelty of the inventive idea as claimed in the attached claims, just as it is clear that, in the practical implementation of the invention, the materials, shapes and dimensions of the illustrated details can be any according to requirements and they can be replaced with other equivalents.
Barzanò & Zanardo Roma S.p.A. Barzanò & Zanardo Roma S.p.A.
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