SI24783A - Senzor navora za sredinski pogon električnega kolesa - Google Patents

Abstract

Predmet izuma je senzor navora za sredinski pogon električnega kolesa. Senzor navora za sredinski pogon električnega kolesa po predloženem izumu predstavlja senzor napetosti v materialu in je realiziran z merilnimi lističi (4) ali induktivnim principom s kovinski čepi (23) in tuljavami (24), za merjenje raztega, ki so pritrjeni v sredinskem delu zobnika (2).

Description

SENZOR NAVORA ZA SREDINSKI POGON ELEKTRIČNEGA KOLESA

Predmet izuma je senzor navora za sredinski pogon električnega kolesa. Pogon električnega kolesa je sestavljen iz elektromotorja, zobniške prestave in gredi gonilke. Izum sodi v razed B62M6/55 mednarodne patentne klasifikacije

Električna kolesa (s tujko imenovana pedelec) so po EU zakonodaji kolesa z pomožnim električnim motorjem z močjo manjšo od 250 W in hitrostjo manjšo od 25 km/h. Ročica za plin, kot je poznana na motornih kolesih, ni dovoljena. Značilnost električnih kolesje, da elektromotor samo podpira uporabnika oz. dodaja del moči potrebne za pogon kolesa.

Glede na namestitev električnega motorja/pogona se električna kolesa delijo na: kolesa z električnim pogonom nameščenim v pestu prednjega kolesa; kolesa z električnim pogonom nameščenim v pestu zadnjega kolesa; kolesa z električnim pogonom nameščenim ob gonilki - sredinski pogoni.

Kolesa s sredinskim pogonom imajo nekatere prednosti pred ostalimi vrstami, zaradi česar se njihov tržni delež veča. Te prednosti so: električni motor ni nameščen v kolesu, kar zmanjšuje rotirajoče mase, električni motor je nameščen blizu težišča celotnega kolesa.

Moč iz pogona se na zadnje kolo prenaša preko verige in menjalnika, zato elektromotor vedno deluje v optimalnem področju vrtljajev. Taka kolesa se odlikujejo po odličnih lastnostih pri vožnji navkreber.

Glede na način krmiljenja motorja se električna kolesa delijo na: kolesa brez senzorja navora in kolesa z senzorjem navora. Kolesa brez senzorja navora imajo samo senzor kadence (hitrosti vrtenja pedalov) in senzor hitrosti zadnjega kolesa (le ta meri hitrost vožnje). Ko senzor kadence zazna da uporabnik poganja pedala se vključi elektromotor in prične podpirati uporabnika. Pri tem je moč podpore odvisna samo od izbire načina na LCD ne pa od moči/navora s katerim uporabnik dejansko pritiska na pedale. Pri kolesih s senzorjem navora, kjer se meri navor s katerim uporabnik pritiska na pedala, elektromotor pa uporabnika podpira premo sorazmerno. Faktor podpore je običajno nastavljiv na LCD in se običajno giblje od 50-200 %.

Izvedba električnih koles s senzorjem navora nudi bistveno boljšo uporabniško izkušnjo. Če je regulacijski algoritem pravilno izveden je dodajanje moči elektromotorja zvezno in uporabnik ima občutek da ima »super« noge. V nasprotju s tem pa sistemi brez senzorja navora samo vključijo/izključijo električni podporo ob detekciji vrtenja pedalov. Ta sunek uporabnik čuti. Ker je električna podpora konstanta, torej neodvisna od uporabnika, ima uporabnik slabo uporabniško izkušnjo.

Kot znano stanje navajamo primer izvedbe tipičnega sredinskega pogona z senzorjem navora, ki je opisan v patentnem dokumentu

VV02014009995. Na sliki 10 tega dokumenta je vidna izvedba z magnetnostrikcijskim senzorjem navora. Le ta zahteva gred ki povezuje obe pedalki (251) torzijski cilinder (255) iz magnetno aktivnega materiala in tuljave (260) za generiranje in meritev magnetnega polja.

Tehnični problem, ki ga predložena konstrukcija senzorja navora za sredinski pogon električnega kolesa po izumu uspešno rešuje, je izvedba senzorja navora z merilnim lističem oz. induktivnim merilnim principom, nameščenim na sredinskem delu zobnika sredinskega pogona, ki je postavljen direktno na gredi gonilke brez uporabe torzijskega cilindra.

Izum bomo podrobneje obrazložili na osnovi izvedbenega primera in slik, od katerih kaže:

slika 1 prerez sredinskega pogona električnega kolesa po izumu;

slika 2 stranski pogled na verižni zobnik z merilnimi lističi;

slika 3 prikaz diagrama navora v odvisnosti od obrata gonilke;

slika 4 vezje ojačevalnika naboja;

slika 5 vezje ojačevalnika naboja v realizaciji z mikroprocesorjem; slika 6 stranski pogled na verižni zobnik z induktivnim merilnim principom;

Na sliki 1 je prikazan prerez sredinskega pogona električnega kolesa z nameščenim senzorjem navora po izumu.

Senzor navora za sredinski pogon električnega kolesa po predloženem izumu je realiziran kot senzor napetosti v materialu, ki jo merimo z merilnimi lističi 4 za merjenje raztega, ki so pritrjeni v sredinskem delu zobnika 2, oz. v drugem izvedbenem primeru induktivno s spremembo razdaje med kovinskim čepom 23 in tuljavo 24, pritrjenih na sredinskem delu zobnika 2.

Na gredi 1 gonilke je preko ležaja 9 in enosmerne sklopke 8 nameščen zadnji veliki zobnik 2 v zobniški prestavi elektromotor/veriga. Vrtenje pedal, s katerimi uporabnik poganja kolo in, ki so povezana z gredjo 1 gonilke, ustvarja moment, ki se iz gonilke 1 preko ensomerne sklopke 8 prenaša na zobnik 2. Zobnik 2 je na zunanji strani gnan z elektromotorjem oziroma zobniškim prenosom z zobnikom 13 preko ležaja 12 in enosmerne sklopke 11 na gred 10 elektromotorja. Ob zunanjem delu zobnika 2 je nanj pritrjen verižni zobnik 14, ki prenaša navor preko verige 15 do gnanega kolesa. Na notranjem delu je ta zobnik 13 povezan z gredjo 1 gonilke na kateri so montirana pedala. V osrednjem delu je zobnik 2 torzijsko obremenjen samo z navorom ki ga povzroča uporabnik. Navor elektromotorja se na verižni zobnik 14 prenaša samo po zunanjem delu. V sredinskem delu 3 so na zobnik 2 pritrjen senzorji napetosti v materialu - merilni lističi 4. Na zobnik 2 je pritrjeno tudi tiskano vezje 5 z elektronskimi elementi 6, ki se vrti skupaj z zobnikom 2 in je s kapacitivnim ali induktivnim sklopom povezano s fiksnim tiskanim vezjem 7. V tem delu je napetost v materialu odvisna samo od navora uporabnika.

Ena izmed izvedb zobnika ima profilne zareze 25 v aksialni smeri. Pri taki izvedbi je mogoče doseči večje napetosti v materialu pri enakem navoru in manjšem premeru zobnika. Večje napetosti v materialu omogočajo večje signale in s tem boljše razmerje signal/šum.

Senzor napetosti — merilni listič 4 je lahko izveden kot uporovni merilni listič ali merilni listič na osnovi piezo efekta

Uporovni merilni lističi so klasična rešitev. Njihova slabost je manjša občutljivost in večja poraba. Vendar pa omogočajo merjenje statičnih napetosti v materialu — raztezkov. Ob pravilnem elektronskem vezju za meritev omogočajo zadovoljive rezultate.

Druga boljša možnost je uporaba piezoelektričnih merilnih lističev. Pri teh je aktivni materila piezo keramika ali pa PVDF plastika. Oba materiala ob natezni obremenitvi generirata naboj na svoji površini. Občutljivost piezo merilnih lističev je za približno 60 dB večja kot pri uporovnih merilnih lističih. Ker sami generirajo naboj nimajo lastne porabe. Največja slabost piezo merilnih lističev je nezmožnost meritve statičnih veličin. Zaradi končne notranje upornosti namreč naboj z njih odteka. Ta pojav imenujemo drift in onemogoča merjenje statičnih veličin.

Signal, ki ga generira merilni listič 4, vodimo na vezje ojačevalnika naboja, ki ju pretvori v napetost. Izhodna napetost vezja ojačevalnika naboja je tako premosorazmerna naboju (raztezku merilnega lističa 4 oz. spremembi razdalje med kovinskim čepom 23 in tuljavo 24 ) merjenega navora.

Navor ki ga uporabnik povzoča z pritiskanjem na pedala ima značilno obliko dvignjene sinusoide (slika 3). Ob mrtvi točki - ko sta pedali navpični - je navor zelo majhen oziroma ničen. Največji pa je ko sta pedali v vodoravnem položaju - uporabnik na pedalo pritiska pravokotno. To lastnost lahko uporabimo v kombinaciji s piezo merilnimi lističi 4.

Vezje ojačevalnika naboja je prikazano na sliki 4. Sestavljajo ga senzor 16 kota gonilke, detektor 17 navpične pozicije, rešet stikalo 18, kondenzator 19 in operacijski ojačevalnik 20.

Vezje ojačevalnika naboja vsebuje sinhrono rešet vezje, ki resetira izhod ojačevalnika naboja na vrednost 0. To vezje je proženo iz detektorja 1 kota gonilke. Rešet se sproži dvakrat na obrat gonilke s pedali - vedno ko sta pedali navpično eno nad drugim in je uporabnikov navor nič oziroma zelo majhen.

Podoben algoritem je mogoče realizirati tudi z mikroprocesorjem 22. V tem primeru v vezju ojačevalnika naboja vzporedno s kondenzatorjem 19 namestimo visokoohmski upor 21. Tako vezje ojačevalnik naboja ima tudi filter, ki prepušča visoke frekvence in časovno konstanto, ki je produkt med kondenzatorjem 19 in vzporedno vezanim uporom 21. Zaželeno je, da je ta konstanta v območju nekaj sekund. Na mikroporcesor 22 je priključen tudi senzor 16 kota gonilke. Programska oprema nato ob detekciji vertikalne pozicije gonilke izmeri trenutno vrednost naboja in jo odšteva od naslednjih meritev.

Napetost v materialu lahko merimo tudi s spremembo razdalje med dvema točkama. Tako je realiziran induktivni senzor napetosti v materialu, ki je prikazan na verižnem zobniku s kovinskimi čepi 23 in tuljavami 24 (slika 6). Na eni strani elementa ki se deformira pod vplivom navora je nameščen kovinski čep 23, na drugi strani pa tuljava 24. Z deformacijo se spreminja razdalja med kovinskim čepom 23 in tuljavo 24, zaradi česar se spremeni induktivnost tuljave 24. Le-to lahko merimo s standardnim pretvornikom induktivnosti v napetost. Obdelava samega signala je ista kot pri izvedbenem primeru z merilnimi lističi 4, le da je sedaj induktivnost premosorazmerna navoru, ki ga dosega uporabnik.

Claims (8)

1. PATENTI ZAHTEVKI

   1. Senzor navora za sredinski pogon električnega kolesa, kjer se navor meri kot torzijska napetost v zadnjem zobnikuf^zobniške prestave, označen s tem, da je senzor navora za merjenje raztega pritrjen v sredinskem delu (3) zobnika (2).
2. 2. Senzor navora po zahtevku 1, označen s tem, da so senzor navora merilni lističi (4).
3. 3. Senzor navora po zahtevku 1, označen s tem, da je senzor navora bazira na induktivnem principu izvedenem s tuljavo (24) in kovinskim čepom (23).
4. 4. Senzor navora po zahtevku 2 ali 3, označen s tem, da so na zadnjem zobniku (2) izvedene aksialne zareze (25) za generiranje večje napetosti v materialu ob enakem navoru.
5. 5. Senzor navora po zahtevku 2, označen s tem, da so merilni lističi (4) uporovni merilni lističi.
6. 6. Senzor navora po zahtevku 2, označen s tem, da so merilni lističi (4) piezo električni merilni lističi.
7. 7. Senzor navora po zahtevku 6, označen s tem, da so piezo električni merilni lističi (4) priključeni na vezje ojačevalnika naboja, ki se resetira vedno ob navpičnem kotu pedal, ko je uporabnikov navor ničen.
8. 8. Senzor navora po zahtevku 6, označen s tem, da se za odštevanje naboja ob ob navpičnem kotu pedal uporablja programska oprema v mikroprocesorju.