WO2011147010A1 - Electric energy generating assembly incorporated into the wheel(s) of electric vehicles, either hybrid or powered exclusively by electric energy, by a hydrogen fuel cell, or any other automotive technologies that use an electric motor as propulsion means, said generator allowing a substantial increase in the running autonomy of the electric vehicle - Google Patents
Electric energy generating assembly incorporated into the wheel(s) of electric vehicles, either hybrid or powered exclusively by electric energy, by a hydrogen fuel cell, or any other automotive technologies that use an electric motor as propulsion means, said generator allowing a substantial increase in the running autonomy of the electric vehicle Download PDFInfo
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Definitions
- the present invention relates to a simple, inexpensive power generator set mounted within one or more wheels of any type of automotive electric vehicle, such as automobiles, vans, utilities, buses, trucks, and others, whether they are pure pollutant-free electric vehicles, hybrid electric vehicles, or any other technologies that use electric motors as a propulsion in their design, which can be installed in any mechanical and / or auto-electric workshop, or already factory installed on new electric vehicles (OKM), which requires little or no maintenance in their later operation.
- This generator set which will be detailed below, is internally composed of a stator element fixed to the external housing of the generator, which in turn is fixed to the vehicle suspension, a rotor element fixed to the wheel rotation axis, as well as their respective windings. with or without brushless brushes.
- Also part of the generator set is an external power control and load balancing circuit between the electric motor of the vehicle and its battery bank, or fuel cell, having external computer output, aiming to perform tests and calibration after the installation of the generator set, technical assistance and maintenance if necessary, as well as all other functions that require electrical and / or electronic control, acting as a microprocessor digital electronic central, which will be sufficiently detailed throughout this description.
- the generator set can be manufactured in various models depending on the voltage and power required by the electric motor used in each vehicle, for the additional charging of electric energy from the batteries in balance with the energy supplied to the electric motor, aiming to further increase the autonomy of the vehicle. , which will also be all described in detail later.
- the secret lies in the development of new clean technologies (free from the emission of noxious gases) that can integrate viably and economically with existing technologies, thus enabling their mass adoption by the population, as the technology that will be described at length below.
- object of the present invention patent registration fruit of many years of research of its inventors.
- Hybrid models With two engines, one petrol and one electric, it is a slightly cleaner and more economical machine than any of the models produced so far. It averages 28 kilometers on one liter of gasoline, emits slightly less carbon dioxide and one tenth of the other pollutants tolerated by stricter environmental laws. This is possible thanks to a computerized electronic control unit that controls both a gasoline engine and an electric engine, a system called a hybrid. Typically, 58 horsepower from a 1.5-liter gasoline engine and 23 horsepower from the electric motor use the charge of a set of nickel metal hydride batteries located between the rear seat and the trunk.
- an external power control and load balancing circuit between the electric motor of the vehicle and its battery bank, having external computer output for testing and calibration after the installation of the generator set, technical assistance and maintenance as necessary, as well as all other functions requiring electrical and electronic control, acting as a microprocessor-based digital switchboard responsible, among other purposes, for balancing the voltage and amperage of the battery bank and the electric motor that drives the vehicle, control the state of the controller's digital electronic circuitry, as well as the messages from the internal microprocessor to the electric vehicle's general control center, indicating which devices are operating at any given moment, and the warning signals that indicate any failures.
- FIG. 1 schematically shows, in a simplified manner, the operation of a electric power generator for the purpose of powering the vehicle's electric motor, as well as replenishing the battery charge and supplying power to the other electrical components, all consumers connected to the generator, while also maintaining the load balance during the operation of the electric motor, that drives the vehicle.
- Fig. 1 illustrates the stator assembly (1) attached to the vehicle suspension frame and chassis with only two magnetic poles (2) of opposite magnetic polarity, the movable rotor (3) attached to the moving vehicle wheel, as well as the electromagnetic force (4) resulting from the movement of the rotor (3), which induces by magnetic effect an electric current in the stator windings (1).
- This is the simple principle that enables the generation of electrical energy from the movement of the vehicle's wheels, inducing an alternating electric current, with frequency proportional to the wheel's rotation speed.
- Fig. 2 illustrates the 12-pole stator assembly (1) used in the generator object of this patent application, three-phase with its four sets of electromagnetic-offset windings 120 ° apart in sequence ACB-ACB-ACB-ACB , each set A, B and C with their respective north (N) and south (S) magnetic poles in mechanical opposition.
- the rotor assembly 3 is shown in the center in Fig. 2 also with its four N-S windings.
- the number of magnetic poles of both the stator and rotor may vary from design to design depending on the desired characteristics, which is not a limiting factor of the present patent application.
- the generator thus constructed is based on the principle of electromagnetic induction to generate electrical energy, which from a conductor (a wire or loop) in the stator windings is crossed by the lines of a magnetic field generated by rotor rotation, thus a Voltage is induced in this conductor, which is independent of movement between the magnetic field and the conductor.
- a motionless conductor with a rotating magnetic field if the ends of that conductor are connected to a voltmeter, you can see that the voltage will take an alternating shape due to the varying position of the loop relative to the poles. If the rotation of this loop is constant, the tension curve by position (angle of rotation) of the loop will be sinusoidal.
- electromagnetism also includes the physical phenomenon that conductors subjected to an electric current are surrounded by a magnetic field.
- the strength of the generated magnetic field depends on the number of turns and the magnitude of the current flowing through it (in practice, a large number of turns is used, also known as armature). This magnetic field can be enlarged with the use of magnetizable iron cores.
- the use of these principles in the generator leads to the fact that the intensity of the magnetic field can be increased or reduced and thus increased or reduced the induced voltage.
- the excitation current of an electromagnet stops circulating, the magnetic field of its turns also extinguishes, except for a small residual portion.
- the excitation current may come from an external power source, for example from the battery or from the generator's own electrical circuit.
- stator (1) In our generator, it has been proven to be more advantageous to house this arrangement of coils in the stationary part of the equipment, also called stator (1).
- the poles of the magnet, which is crossed by the excitation current, are in the moving part of the equipment or rotor (3).
- This excitation current is a pulsating direct current that generates a magnetic field in the rotor armature (3), which in turn induces a three phase alternating current in the stator (1).
- Fig. 3 illustrates the three-phase alternating current (3) generated by the power generator object of the present patent application, which has the disadvantage that it cannot be stored in the battery, and is not suitable for powering the electrical components either. and vehicle electronics as well as its electric motor.
- To perform this power supply it is first necessary to rectify the current. This rectification is made through the semiconductor diodes shown in Fig. 3 (1) in triangle or star connection, with equivalent electrical circuit (2).
- the rectifier diode allows the current to flow only in one direction (in the direction of the arrow of the diode symbol), ie it only allows the passage of the positive "half waves" as illustrated in Fig.3 (4), whose result is a pulsating direct current.
- the excitation current which has the task of magnetizing the rotor armature poles, comes from the three-phase circuit and also undergoes a rectification. full wave before feeding the armor. This rectification is performed with the aid of the excitation diodes.
- the generator rectifier diodes not only rectify the excitation current and the current that powers the vehicle's electrical and electronic components, but also prevent the battery from discharging through the three stator coils.
- the function of the excitation circuit is to produce a magnetic field in the rotor and thus induce the required voltage across the three stator coils during the entire operating time. Part of the stator current flows to the battery and loads, and part to the regulator and rotor. When the excitation circuit begins to operate (when the warning lamp goes out), the voltage generated in the stator is still too small to feed the loads, so the current flow happens only in the self-excitation circuit. The rotor is powered by the stator and induces a higher voltage than the previous one. This cycle repeats until the induced voltage in the stator is sufficient to drive the main circuit diodes to power, and power the batteries and other loads present in the vehicle. At this point, the regulator prevents the generated voltage from increasing further.
- Fig.4 illustrates the basic parts of the generator inside the wheel: - Stator inside the wheel (3): consists of three windings (12 poles), arranged at 120 ° from each other;
- Rotor inside wheel (4) is the moving part of the generator coupled to the wheel of the electric vehicle. It has an axis that carries the electromagnet, the rings (6) and collectors, through which the current circulates;
- - Rectifier has six power diodes and three excitation diodes, which convert three-phase current into direct current;
- - Regulator also mounted inside the generator housing, serves to regulate the generated voltage
- Fig. 4 also illustrates parts of the vehicle suspension (1), the attachment of the generator set to the disc (2) and the brake pad calipers (8), finalizing the attachment to the wheel (5) of the electric vehicle.
- the function of the regulator also mounted internally within the generator housing, is to maintain constant the voltage generated for all vehicle operating speed fields reflected in its wheels.
- Automatic voltage regulation is not a simple task as the vehicle engine constantly changes speed.
- many of the vehicle's electrical and electronic devices are switched on for a brief period of time, or manually operated. Therefore, the load that the generator must supply is not constant.
- the voltage is limited to a preset value, usually the value of the battery bank "Tricker Point".
- the voltage generated by the generator increases with both its rotation and magnetic field strength due to the excitation current. If a generator were to operate under maximum excitation current, with no connected loads, the voltage would increase linearly with its axis rotation speed.
- the principle of voltage regulation is based on the regulation of the excitation current, which in turn regulates the magnetic field of the rotor.
- the regulator starts when the voltage generated exceeds the preset value. It interrupts the excitation current, causing the rotor's magnetic field to decrease.
- the generator excitation starts again and the cycle repeats, this occurs very fast (in milliseconds). Despite this switching on the current, it does not fall or rise abruptly. This is because the winding present on the rotor is a large inductive load.
- Generator regulators have the function of controlling voltage only. This is due to the fact that the function of the shunt relay is exerted by the diodes, and current limitation is unnecessary, since from a given rotation the current reaches a maximum value, so it is said that the generators are self-limiting.
- FIG. 5 illustrates an electric vehicle with the generators, object of the present invention, positioned on all four wheels of the vehicle (1), the battery bank (2), the electric motor (4). ) and the control center (3), or controller, which is the microprocessor circuit responsible for balancing the load distribution from the generators to the electric motor, the battery bank and all other power consuming circuits of the vehicle, which controller is an integral part of the present patent application.
- Fig. 6 shows a picture of the complete electric power generator assembly mounted inside the vehicle wheel, in section, as well as outside the wheel.
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Abstract
The present invention patent relates to a simple and low-cost electric energy generating assembly mounted inside one or more wheels of any type of electric automotive vehicle, such as automobiles, vans, utility vehicles, buses and trucks, inter alia, either vehicles powered exclusively by electric energy, with zero pollutant emissions, or hybrid electric vehicles, or vehicles designed with any other technology that uses electric motors as propulsion means. The assembly can be mounted in any mechanical and/or electrical automobile workshop, or be factory-mounted in new electric vehicles (0 km), requiring little or no maintenance during the subsequent operation thereof.
Description
"CONJUNTO, GERADOR DE ENERGIA ELÉTRICA EMBUTIDO NA(S) RODA(S) DE VEÍCULOS ELÉTRICOS PUROS, HÍBRIDOS, MOVIDOS A CÉLULA COMBUSTÍVEL DE HIDROGÉNIO, OU QUAISQUER OUTRAS TECNOLOGIAS AUTOMOTIVAS QUE UTILIZEM UM MOTOR ELÉTRICO COMO MEIO DE PROPULSÃO, GERADOR ESTE QUE PROPORCIONA AUMENTO SUBSTANCIAL DA AUTONOMIA DE RODAGEM DO VEÍCULO ELÉTRICO" "ASSEMBLY, ELECTRIC POWER GENERATOR BUILT IN WHEEL (S) OF PURE, HYBRID, VEHICLE ENGINE CELLS, OR ANY OTHER AUTOMOTIVE TECHNOLOGIES WHICH PROTECTOR USES A PROTECTOR WHICH VEHICLE ROLLING AUTONOMY "
A presente patente de invenção diz respeito a um conjunto gerador de energia elétrica, simples e de baixo custo, montado dentro de uma ou mais rodas de qualquer tipo de veículo elétrico automotivo, como automóveis, vans, utilitários, ônibus, caminhões, e outros, quer sejam veículos elétricos puros com emissão zero de poluentes, veículos elétricos híbridos, ou de quaisquer outras tecnologias que utilizem motores elétricos como meio de propulsão em sua concepção, o qual pode ser instalado em qualquer oficina mecânica e/ou auto-elétrica, ou já sair instalado de fábrica nos veículos elétricos novos (OKM), que requer pouca, ou nenhuma, manutenção em seu funcionamento posterior. Esse conjunto gerador, que será detalhado adiante, é composto internamente por um elemento estator fixo à carcaça externa do gerador, que por sua vez é fixa na suspensão do veículo, um elemento rotor fixo ao eixo de rotação da roda, bem como seus respectivos enrolamentos elétricos com ou sem escovas "brushless". Também faz parte do conjunto gerador, um circuito externo controlador de potência e equilíbrio de cargas entre o motor elétrico do veículo e o seu banco de baterias, ou célula combustível do mesmo, possuindo saída para computador externo, objetivando a realização de testes e calibragem após a instalação do conjunto gerador, assistência técnica e manutenção se necessárias, bem como de todas as demais funções que necessitam de controle elétrico e/ou eletrônico, atuando como uma central eletrônica digital microprocessada, que será suficientemente detalhada no decorrer desse descritivo. O conjunto gerador pode ser fabricado em vários modelos dependendo da voltagem e potência necessárias ao motor elétrico utilizado em cada veículo, para o carregamento adicional de energia elétrica das baterias em equilíbrio com a energia fornecida ao motor elétrico, objetivando aumentar ainda mais a autonomia do veículo, que também serão todos detalhadamente descritos mais a frente. The present invention relates to a simple, inexpensive power generator set mounted within one or more wheels of any type of automotive electric vehicle, such as automobiles, vans, utilities, buses, trucks, and others, whether they are pure pollutant-free electric vehicles, hybrid electric vehicles, or any other technologies that use electric motors as a propulsion in their design, which can be installed in any mechanical and / or auto-electric workshop, or already factory installed on new electric vehicles (OKM), which requires little or no maintenance in their later operation. This generator set, which will be detailed below, is internally composed of a stator element fixed to the external housing of the generator, which in turn is fixed to the vehicle suspension, a rotor element fixed to the wheel rotation axis, as well as their respective windings. with or without brushless brushes. Also part of the generator set is an external power control and load balancing circuit between the electric motor of the vehicle and its battery bank, or fuel cell, having external computer output, aiming to perform tests and calibration after the installation of the generator set, technical assistance and maintenance if necessary, as well as all other functions that require electrical and / or electronic control, acting as a microprocessor digital electronic central, which will be sufficiently detailed throughout this description. The generator set can be manufactured in various models depending on the voltage and power required by the electric motor used in each vehicle, for the additional charging of electric energy from the batteries in balance with the energy supplied to the electric motor, aiming to further increase the autonomy of the vehicle. , which will also be all described in detail later.
Panorama mundial - Sabe-se que face às enormes consequências que a
contínua emissão de gases poluentes em nossa atmosfera, principalmente originadas pela queima de combustíveis fósseis nos atuais veículos combustíveis, define um impulso imperativo para a Ciência e Tecnologia no século XXI. Energia, segurança, segurança nacional, segurança ambiental e segurança económica, provavelmente, apenas serão obtidas focando-se o problema energético nos próximos decénios. World panorama - It is known that in view of the enormous consequences that the The continuous emission of pollutant gases into our atmosphere, mainly from the burning of fossil fuels in today's fuel vehicles, sets an imperative impetus for 21st century science and technology. Energy, security, national security, environmental security and economic security will probably only be achieved by focusing on the energy problem in the coming decades.
O segredo está no desenvolvimento de novas tecnologias limpas (livre da emissão de gases nocivos), que possam integrar-se de forma viável e económica às tecnologias hoje existentes, possibilitando assim sua adoção em massa pela população, como a tecnologia que será extensamente descrita abaixo, objeto do presente registro de patente de invenção, fruto de muitos anos de pesquisas de seus inventores. The secret lies in the development of new clean technologies (free from the emission of noxious gases) that can integrate viably and economically with existing technologies, thus enabling their mass adoption by the population, as the technology that will be described at length below. , object of the present invention patent registration, fruit of many years of research of its inventors.
O estado-da-arte atual no planeta relativo à esse tipo de pesquisa, é conduzido pelas grandes montadoras automobilísticas mundiais, cujo foco atual é a produção de veículos Híbridos novos, acionados por combustíveis fósseis tradicionais e/ou por motores elétricos. Essas mesmas montadoras, não têm hoje qualquer produto anunciado como o presente conjunto gerador de energia elétrica, que vise aumentar a autonomia dos veículos elétricos, quer sejam eles veículos elétricos puros, híbridos, ou com célula combustível, como o gerador objeto da presente patente de invenção. The state-of-the-art on the planet regarding this type of research is driven by the world's largest automakers, whose current focus is on the production of new Hybrid vehicles powered by traditional fossil fuels and / or electric motors. These same automakers today do not have any product advertised as the present electric generator set, which aims to increase the autonomy of electric vehicles, whether they are pure, hybrid or fuel cell electric vehicles, as the generator object of this patent. invention.
Modelos híbridos - Com dois motores, um a gasolina e outro elétrico, é uma máquina um pouco mais limpa e económica que qualquer dos modelos até agora produzidos. Faz em média 28 km com um litro de gasolina, emite um pouco menos do gás carbónico e um décimo dos outros poluentes tolerados pelas leis ambientais mais rigorosas. Isso é possível graças a uma central eletrônica computadorizada que comanda, ao mesmo tempo, um motor a gasolina e outro elétrico, sistema chamado de híbrido. Normalmente, são 58 cavalos de um motor 1.5 litros a gasolina e outros 23 do motor elétrico, usam a carga de um conjunto de baterias de níquel hidreto metálico, localizadas entre o banco traseiro e o porta-malas. Hybrid models - With two engines, one petrol and one electric, it is a slightly cleaner and more economical machine than any of the models produced so far. It averages 28 kilometers on one liter of gasoline, emits slightly less carbon dioxide and one tenth of the other pollutants tolerated by stricter environmental laws. This is possible thanks to a computerized electronic control unit that controls both a gasoline engine and an electric engine, a system called a hybrid. Typically, 58 horsepower from a 1.5-liter gasoline engine and 23 horsepower from the electric motor use the charge of a set of nickel metal hydride batteries located between the rear seat and the trunk.
Veículo Elétrico Puro - A General Motors, por exemplo, lançou, em 1997, o EV1 , de dois lugares, movido por um motor elétrico alimentado por 26 baterias de ácido-chumbo, semelhantes às dos carros atuais. No mesmo ano, a Honda começou a vender o Honda EV Plus, de quatro lugares, na Califórnia e no Japão.
A Europa unificada também estabeleceu suas metas de proteção ambiental, o que levou a Renault, a Citroèn-Peugeot e a Fiat a lançar carros elétricos. E para compensar a autonomia de apenas 90 km do Seicento, a Fiat criou em Turim o Estacionamento Ecológico: o usuário deixa seu carro num estacionamento e roda pelo centro histórico da cidade com um modelo elétrico experimental. Recentemente, a fábrica italiana trouxe a idéia para Curitiba e pretende criar, em breve, outro estacionamento do mesmo tipo também em Belo Horizonte. No entanto, ainda não se tem notícia que existe alguma dessas empresas que esteja aproveitando a energia cinética rotacional das rodas dos veículos para gerar energia elétrica adicional e realimentar tanto o motor elétrico do veículo em movimento, como também equilibrar a carga do banco de baterias, como o presente invento objeto deste pedido de patente de invenção. Pure Electric Vehicle - General Motors, for example, launched in 1997 the two-seater EV1, powered by an electric motor powered by 26 lead-acid batteries, similar to today's cars. In the same year, Honda began selling the four-seater Honda EV Plus in California and Japan. Unified Europe has also set its environmental protection goals, which has led Renault, Citroèn-Peugeot and Fiat to launch electric cars. And to compensate for the Seicento's only 90 km range, Fiat has set up the Eco Parking in Turin: the user leaves his car in a parking lot and rides around the historic city center with an experimental electric model. Recently, the Italian factory brought the idea to Curitiba and intends to create soon another parking lot of the same type in Belo Horizonte. However, it is not yet known that any of these companies are harnessing the rotational kinetic energy of their vehicle wheels to generate additional electrical power and to power both the moving vehicle's electric motor as well as to balance the charge of the battery bank, as the present invention is the subject matter of this patent application.
É objetivo da presente patente de invenção, um conjunto gerador de energia elétrica, montado dentro da(s) roda(s) de um veículo elétrico, composto internamente por um elemento estator fixo à carcaça externa do gerador, que por sua vez é fixa na suspensão do veículo, um elemento rotor fixo ao eixo de rotação da roda, bem como seus respectivos enrolamentos elétricos com ou sem escovas "brushless", anéis de fixação do estator e do rotor, pinças, rolamentos, e outros dispositivos mecânicos. Também faz parte do conjunto gerador, um circuito externo controlador de potência e equilíbrio de cargas entre o motor elétrico do veículo e o banco de baterias do mesmo, possuindo saida para computador externo para testes e calibragem após a instalação do conjunto gerador, assistência técnica e manutenção se necessárias, bem como de todas as demais funções que necessitam de controle elétrico e eletrônico, atuando como uma central eletrônica digital microprocessada responsável, entre outras finalidades, por estabelecer o equilíbrio da voltagem e amperagem do banco de baterias e do motor elétrico que impulsiona o veículo, controlar o estado dos circuitos eletrônicos digitais do controlador, bem como as mensagens do microprocessador interno à central de controle geral do veículo elétrico, indicando quais engenhos estão atuando a cada momento, e os sinais de alerta que indicam eventuais falhas. It is the object of the present invention to provide an electric power generator assembly mounted within the wheel (s) of an electric vehicle, internally composed of a stator element attached to the external housing of the generator, which in turn is fixed to the vehicle suspension means a rotor element fixed to the wheel's axis of rotation, as well as their respective electrical windings with or without brushless brushes, stator and rotor locking rings, calipers, bearings, and other mechanical devices. Also part of the generator set is an external power control and load balancing circuit between the electric motor of the vehicle and its battery bank, having external computer output for testing and calibration after the installation of the generator set, technical assistance and maintenance as necessary, as well as all other functions requiring electrical and electronic control, acting as a microprocessor-based digital switchboard responsible, among other purposes, for balancing the voltage and amperage of the battery bank and the electric motor that drives the vehicle, control the state of the controller's digital electronic circuitry, as well as the messages from the internal microprocessor to the electric vehicle's general control center, indicating which devices are operating at any given moment, and the warning signals that indicate any failures.
O conjunto gerador elétrico, de acordo com a presente patente de invenção, é adicionalmente explicado por meio dos desenhos anexos nos quais a Figura 1 mostra esquematicamente, de forma bem simplificada, a operação de um
gerador de energia elétrica que tem por finalidade alimentar o motor elétrico do veículo, como também recompor a carga da bateria e fornecer energia aos demais componentes elétricos, todos os consumidores conectados ao gerador, mantendo também o equilíbrio de cargas durante o funcionamento do motor elétrico, que impulsiona o veículo. A Fig.1 ilustra o conjunto estator (1), fixo à estrutura de suspensão e chassi do veículo, com apenas dois pólos magnéticos (2), de polaridades magnéticas opostas, o rotor móvel (3) fixado à roda em movimento do veículo, bem como a força eletro magnética (4) resultante do movimento do rotor (3), que induz por efeito magnético uma corrente elétrica nos enrolamentos do estator (1). Este é o princípio simples que possibilita a geração de energia elétrica a partir do movimento das rodas do veículo, induzindo uma corrente elétrica alternada, com frequência proporcional à velocidade de rotação da roda. The electric generator set according to the present invention is further explained by the accompanying drawings in which Figure 1 schematically shows, in a simplified manner, the operation of a electric power generator for the purpose of powering the vehicle's electric motor, as well as replenishing the battery charge and supplying power to the other electrical components, all consumers connected to the generator, while also maintaining the load balance during the operation of the electric motor, that drives the vehicle. Fig. 1 illustrates the stator assembly (1) attached to the vehicle suspension frame and chassis with only two magnetic poles (2) of opposite magnetic polarity, the movable rotor (3) attached to the moving vehicle wheel, as well as the electromagnetic force (4) resulting from the movement of the rotor (3), which induces by magnetic effect an electric current in the stator windings (1). This is the simple principle that enables the generation of electrical energy from the movement of the vehicle's wheels, inducing an alternating electric current, with frequency proportional to the wheel's rotation speed.
A Fig.2 ilustra o conjunto estator de 12 poios (1), utilizado no gerador objeto deste pedido de patente, trifásico com seus quatro conjuntos de enrolamentos defasados eletro-magneticamente em 120° entre si, na sequência ACB-ACB-ACB- ACB, cada conjunto A, B e C com seus respectivos pólos magnéticos norte (N) e sul (S) em contraposição mecânica. O conjunto rotor (3) é apresentado ao centro na Fig. 2 também com seus quatro enrolamentos N-S. O numero de pólos magnéticos tanto do estator, como do rotor, pode variar de projeto a projeto, dependendo das características desejadas, não sendo este um fator limitante do presente pedido de patente de invenção. Fig. 2 illustrates the 12-pole stator assembly (1) used in the generator object of this patent application, three-phase with its four sets of electromagnetic-offset windings 120 ° apart in sequence ACB-ACB-ACB-ACB , each set A, B and C with their respective north (N) and south (S) magnetic poles in mechanical opposition. The rotor assembly 3 is shown in the center in Fig. 2 also with its four N-S windings. The number of magnetic poles of both the stator and rotor may vary from design to design depending on the desired characteristics, which is not a limiting factor of the present patent application.
Com a evolução dos veículos elétricos automotivos houve a incorporação de uma série de componentes de potência que aumentam a demanda de energia consumida. Com o aumento do trânsito nas cidades, com veículos elétricos funcionando em baixas rotações, levariam aos limites de funcionamento e aplicação dos geradores convencionais (com coletor), pois quanto maior a amplitude da variação de rotação, mais difícil se tornará o controle da conversão da corrente alternada trifásica, produzida pelo gerador, para corrente contínua, para suprir a potência necessária dos consumidores e também carregar o banco de baterias do veículo. With the evolution of automotive electric vehicles has been incorporated a series of power components that increase the demand for energy consumed. With the increase of traffic in cities, with electric vehicles running at low speeds, would lead to the limits of operation and application of conventional generators (with collector), because the greater the range of rotation variation, the more difficult will be the control of the conversion of the Three-phase alternating current, produced by the generator, for direct current, to supply the required power of consumers and also charge the vehicle's battery bank.
Para acompanhar a evolução nos veículos elétricos, a obtenção de corrente contínua sem a utilização de coletor, foi fornecida ao sistema, através de uma ponte retificadora trifásica, a base de díodos semicondutores de silício, os
quais podem ser facilmente instalados no gerador devido as suas reduzidas dimensões. Ela permite a retificação da corrente alternada trifásica, de forma que o gerador forneça corrente contínua. Com estas características podemos denominar o nosso gerador como : "gerador trifásico de corrente contínua, sem coletor, com circuito eletrônico controlador de tensão e equilíbrio de cargas, cujo sistema controla a corrente de excitação do campo do rotor de forma a manter a tensão gerada no estator, dentro dos limites especificados". To monitor the evolution in electric vehicles, the obtaining of direct current without the use of a collector was supplied to the system through a three-phase rectifier bridge, based on silicon semiconductor diodes, which can easily be installed on the generator due to their small size. It allows the rectification of three-phase alternating current so that the generator provides direct current. With these characteristics we can call our generator: "three-phase direct current generator, without collector, with electronic circuit voltage control and load balancing, whose system controls the rotor field excitation current in order to maintain the voltage generated in the stator within the specified limits ".
O gerador assim construído baseia-se no princípio de indução eletromagnética para gerar energia elétrica, que a partir de um condutor (um fio ou espira) nos enrolamentos do estator é atravessado pelas linhas de um campo magnético gerado pela rotação do rotor, assim, uma voltagem é induzida neste condutor, que independe do movimento entre o campo magnético e o condutor. Imagine um condutor imóvel com um campo magnético em rotação, se as extremidades desse condutor estão conectadas a um voltímetro, será possível verificar que a voltagem tomará uma forma alternada, devida à variação da posição da espira em relação aos pólos. Se a rotação desta espira é constante, a curva de tensão por posição (ângulo de rotação) da espira será senoidal. The generator thus constructed is based on the principle of electromagnetic induction to generate electrical energy, which from a conductor (a wire or loop) in the stator windings is crossed by the lines of a magnetic field generated by rotor rotation, thus a Voltage is induced in this conductor, which is independent of movement between the magnetic field and the conductor. Imagine a motionless conductor with a rotating magnetic field, if the ends of that conductor are connected to a voltmeter, you can see that the voltage will take an alternating shape due to the varying position of the loop relative to the poles. If the rotation of this loop is constant, the tension curve by position (angle of rotation) of the loop will be sinusoidal.
O termo eletromagnetismo também inclui o fenómeno físico de que condutores submetidos a uma corrente elétrica são rodeados por um campo magnético. No caso de uma bobina, a força do campo magnético gerado depende do número de espiras e da magnitude da corrente que flui através dela (na prática, utiliza-se uma bobina com grande número de espiras, que também é conhecida como armadura). Este campo magnético pode ser ampliado com o uso de núcleos de ferros magnetizáveis. The term electromagnetism also includes the physical phenomenon that conductors subjected to an electric current are surrounded by a magnetic field. In the case of a coil, the strength of the generated magnetic field depends on the number of turns and the magnitude of the current flowing through it (in practice, a large number of turns is used, also known as armature). This magnetic field can be enlarged with the use of magnetizable iron cores.
O uso destes princípios no gerador leva ao fato de que se pode aumentar ou reduzir a intensidade do campo magnético e, desta forma, aumentar ou reduzir a voltagem induzida. Quando a corrente de excitação de um eletroímã para de circular, o campo magnético de suas espiras também se extingue, com exceção de uma pequena parcela residual. A corrente de excitação pode vir de uma fonte externa de energia, por exemplo, da bateria ou do próprio circuito elétrico do gerador. Uma vantagem da corrente trifásica é que ela permite o uso mais eficiente do potencial do gerador. The use of these principles in the generator leads to the fact that the intensity of the magnetic field can be increased or reduced and thus increased or reduced the induced voltage. When the excitation current of an electromagnet stops circulating, the magnetic field of its turns also extinguishes, except for a small residual portion. The excitation current may come from an external power source, for example from the battery or from the generator's own electrical circuit. An advantage of three-phase current is that it allows the most efficient use of generator potential.
No gerador ilustrado na Fig. 2, há três bobinas idênticas (A, C, B), dispostas mecanicamente à 120° uma da outra. De acordo com o princípio da
indução, à medida que o rotor (3) gira são geradas três correntes alternadas de mesma freqCiência e magnitude, porém defasadas em 120° elétricos no estator (1). Estas três correntes são chamadas de corrente alternada trifásica. Normalmente, um gerador precisaria de seis fios para conduzir a corrente induzida nas três bobinas. No entanto, é possível reduzirmos o número de conexões para três, ligando as bobinas entre si. Há duas formas possíveis de se fazer esta ligação: em triângulo ou em estrela. In the generator shown in Fig. 2, there are three identical coils (A, C, B), mechanically arranged at 120 ° from each other. In accordance with the principle of induction, as the rotor (3) rotates, three alternating currents of the same frequency and magnitude are generated, but are offset by 120 ° in the stator (1). These three currents are called three-phase alternating current. Normally, a generator would need six wires to conduct the induced current in the three coils. However, it is possible to reduce the number of connections to three by connecting the coils together. There are two possible ways to make this connection: triangle or star.
Em nosso gerador, foi provado que é mais vantajoso alojar este arranjo de bobinas na parte estacionária do equipamento, também chamada de estator (1). Os pólos do magneto, que é atravessado pela corrente de excitação, ficam na parte móvel do equipamento ou rotor (3). Esta corrente de excitação é uma corrente contínua, pulsante, que gera um campo magnético na armadura do rotor (3), que por sua vez, induz uma corrente alternada trifásica no estator (1). In our generator, it has been proven to be more advantageous to house this arrangement of coils in the stationary part of the equipment, also called stator (1). The poles of the magnet, which is crossed by the excitation current, are in the moving part of the equipment or rotor (3). This excitation current is a pulsating direct current that generates a magnetic field in the rotor armature (3), which in turn induces a three phase alternating current in the stator (1).
A Fig.3 ilustra a corrente alternada trifásica (3), gerada pelo gerador de energia elétrica objeto do presente pedido de patente de invenção, que tem a desvantagem de não poder ser armazenada na bateria, e também não é adequada para alimentar os componentes elétricos e eletrônicos do veículo, bem como seu motor elétrico. Para realizar esta alimentação é necessário, primeiramente, retificar a corrente. Esta retificação é feita através dos díodos semicondutores apresentados na Fig. 3 (1) em ligação triângulo ou estrela, com circuito elétrico equivalente (2). O diodo retificador permite que a corrente circule somente em um sentido (no sentido da seta do símbolo do diodo), ou seja, ele só permite a passagem das "meias ondas" positivas como ilustrado na Fig.3 (4), cujo resultado é uma corrente contínua pulsante. Na retificação de sistemas trifásicos, este método é aplicado em cada uma das fases. Para que se possa tirar proveito de todas as "meias ondas", incluindo as negativas, é necessário utilizar dois díodos por fase: um diodo no lado positivo e outro, no lado negativo como ilustrado na Fig. 3 (2). Este circuito, chamado de ponte, provê a retificação de onda completa. O resultado da retificação é a soma das amplitudes positiva e negativa da corrente trifásica (4). Esta soma gera uma corrente contínua (5), com um certo fator de ruído "ripple". Essas flutuações na corrente podem ser suavizadas pela bateria e pelos capacitores que ficam ligados em paralelo com o gerador. A corrente de excitação, que tem como tarefa magnetizar os pólos da armadura do rotor, vem do circuito trifásico e também passa por uma retificação
de onda completa antes de alimentar a armadura. Esta retificação é realizada com o auxilio dos diodos de excitação. Os díodos retificadores do gerador não apenas retificam a corrente de excitação e a corrente que alimenta os componentes elétricos e eletrônicos do veículo, mas também impedem que a bateria descarregue através das três bobinas do estator. Fig. 3 illustrates the three-phase alternating current (3) generated by the power generator object of the present patent application, which has the disadvantage that it cannot be stored in the battery, and is not suitable for powering the electrical components either. and vehicle electronics as well as its electric motor. To perform this power supply it is first necessary to rectify the current. This rectification is made through the semiconductor diodes shown in Fig. 3 (1) in triangle or star connection, with equivalent electrical circuit (2). The rectifier diode allows the current to flow only in one direction (in the direction of the arrow of the diode symbol), ie it only allows the passage of the positive "half waves" as illustrated in Fig.3 (4), whose result is a pulsating direct current. In the rectification of three phase systems, this method is applied in each of the phases. In order to take advantage of all "half waves", including negative ones, it is necessary to use two diodes per phase: one diode on the positive side and one on the negative side as shown in Fig. 3 (2). This circuit, called a bridge, provides full wave rectification. The result of rectification is the sum of the positive and negative amplitudes of the three-phase current (4). This sum generates a direct current (5) with a certain ripple noise factor. These fluctuations in current can be smoothed out by the battery and capacitors that are connected in parallel with the generator. The excitation current, which has the task of magnetizing the rotor armature poles, comes from the three-phase circuit and also undergoes a rectification. full wave before feeding the armor. This rectification is performed with the aid of the excitation diodes. The generator rectifier diodes not only rectify the excitation current and the current that powers the vehicle's electrical and electronic components, but also prevent the battery from discharging through the three stator coils.
O Há três circuitos internos no gerador: O There are three internal circuits in the generator:
- Circuito de pré-excitação; - Pre-excitation circuit;
- Circuito de excitação (auto-excitação), e - excitation circuit (self-excitation), and
- Circuito regulador de tensão. - Voltage regulator circuit.
CIRCUITO DE PRÉ-EXCITAÇÃO PRE-EXCITEMENT CIRCUIT
A corrente que vem do banco de baterias pré-excita o gerador. A pré- excitação é necessária, pois nos geradores, o magnetismo residual no núcleo de ferro não é suficiente no instante de partida. Portanto, o gerador não é capaz de gerar um campo magnético suficiente, e consequentemente gerar a voltagem necessária. No circuito de excitação há um diodo de excitação e um diodo de potência em série para cada uma das fases. Portanto, a auto-excitação só começa depois que o gerador consegue gerar uma voltagem maior que, pelo menos, a queda de tensão nos dois diodos (2 x 0,7 V = 1 ,4 V). Quando a roda do veículo elétrico começa a girar, a corrente que flui deve ser grande o bastante para gerar um campo magnético capaz de iniciar o processo de auto-excitação. Current from the battery bank pre-excites the generator. Pre-excitation is necessary, as in generators, residual magnetism in the iron core is not sufficient at the time of starting. Therefore, the generator is not capable of generating a sufficient magnetic field, and consequently generating the required voltage. In the excitation circuit there is an excitation diode and a power diode in series for each of the phases. Therefore, self-excitation only begins after the generator can generate a voltage greater than at least the voltage drop in both diodes (2 x 0.7 V = 1.4 V). When the wheel of the electric vehicle begins to spin, the flowing current must be large enough to generate a magnetic field capable of initiating the self-excitation process.
CIRCUITO DE EXCITAÇÃO EXCITING CIRCUIT
A função do circuito de excitação é produzir um campo magnético no rotor e, desta forma, induzir a voltagem necessária nas três bobinas do estator, durante todo o tempo de operação. Parte da corrente do estator flui para a bateria e as cargas, e outra parte, para o regulador e rotor. Quando o circuito de excitação começa a entrar em funcionamento (quando a lâmpada de advertência apaga), a tensão gerada no estator ainda é muito pequena para alimentar as cargas, portanto o fluxo de corrente acontece apenas no circuito de auto-excitação. O rotor é alimentado pelo estator, e passa a induzir uma tensão maior que a anterior. Este ciclo se repete, até que a tensão induzida no estator seja suficiente para colocar os diodos do circuito principal em condução, e alimentar as baterias e as demais cargas presentes no veículo. Neste ponto, o regulador impede que a tensão gerada continue aumentando. A Fig.4 ilustra as partes básicas do gerador dentro da roda:
- Estator dentro da roda (3): consiste de três enrolamentos (12 poios), dispostos a 120° uns dos outros; The function of the excitation circuit is to produce a magnetic field in the rotor and thus induce the required voltage across the three stator coils during the entire operating time. Part of the stator current flows to the battery and loads, and part to the regulator and rotor. When the excitation circuit begins to operate (when the warning lamp goes out), the voltage generated in the stator is still too small to feed the loads, so the current flow happens only in the self-excitation circuit. The rotor is powered by the stator and induces a higher voltage than the previous one. This cycle repeats until the induced voltage in the stator is sufficient to drive the main circuit diodes to power, and power the batteries and other loads present in the vehicle. At this point, the regulator prevents the generated voltage from increasing further. Fig.4 illustrates the basic parts of the generator inside the wheel: - Stator inside the wheel (3): consists of three windings (12 poles), arranged at 120 ° from each other;
- Rotor dentro da roda (4): é a parte móvel do gerador, acoplado à roda do veículo elétrico. Possui um eixo que carrega o eletroímã, os anéis (6) e coletores, pelos quais a corrente circula; - Rotor inside wheel (4): is the moving part of the generator coupled to the wheel of the electric vehicle. It has an axis that carries the electromagnet, the rings (6) and collectors, through which the current circulates;
- Ventoinha interna à roda (5): também conectada ao eixo do rotor, serve para refrigerar o gerador. - Internal wheel fan (5): also connected to the rotor shaft, serves to cool the generator.
- Retificador: possui seis diodos de potência e três diodos de excitação, que convertem a corrente trifásica em corrente contínua; - Rectifier: has six power diodes and three excitation diodes, which convert three-phase current into direct current;
- Regulador: também montado no interior da carcaça do gerador, serve para regular a tensão gerada; - Regulator: also mounted inside the generator housing, serves to regulate the generated voltage;
- Anéis e coletores (6 e 7): os anéis são fixos aos pólos do eletroímã, enquanto que os coletores são pressionados contra os anéis. Servem para proteger e fixar as partes internas do gerador. A Fig. 4 ilustra também partes da suspensão do veículo (1), a fixação do conjunto gerador ao disco (2) e às pinças das pastilhas do freio (8), finalizando a fixação na roda (5) do veículo elétrico. - Rings and collectors (6 and 7): The rings are fixed to the electromagnet poles, while the collectors are pressed against the rings. They serve to protect and secure the internal parts of the generator. Fig. 4 also illustrates parts of the vehicle suspension (1), the attachment of the generator set to the disc (2) and the brake pad calipers (8), finalizing the attachment to the wheel (5) of the electric vehicle.
CIRCUITO REGULADOR DE TENSÃO VOLTAGE REGULATOR CIRCUIT
A função do regulador, montado também internamente à carcaça do gerador, é manter constante a tensão gerada para todos os campos de velocidades de operação do veículo, refletida em suas rodas. A regulação automática de voltagem não é uma tarefa simples, pois o motor do veículo muda constantemente de rotação. Além disso, muitos dos dispositivos elétricos e eletrônicos do veículo ficam ligados por um breve período de tempo, ou são acionados manualmente. Portanto, a carga que o gerador deve alimentar não é constante. Quando o motor está em alta rotação e há poucas cargas a serem alimentadas, deve-se garantir que a tensão seja limitada até um valor preestabelecido, normalmente o valor do "Tricker Point" do banco de baterias. The function of the regulator, also mounted internally within the generator housing, is to maintain constant the voltage generated for all vehicle operating speed fields reflected in its wheels. Automatic voltage regulation is not a simple task as the vehicle engine constantly changes speed. In addition, many of the vehicle's electrical and electronic devices are switched on for a brief period of time, or manually operated. Therefore, the load that the generator must supply is not constant. When the engine is running at a high speed and there are few loads to be fed, it must be ensured that the voltage is limited to a preset value, usually the value of the battery bank "Tricker Point".
Dessa forma, protege-se os dispositivos contra sobrecargas. Além disso, deve-se levar em conta que as propriedades eletroquímicas das baterias variam com a temperatura. Portanto, deve-se gerar uma tensão maior nos dias frios. This protects the devices from overloads. In addition, it should be noted that the electrochemical properties of batteries vary with temperature. Therefore, a higher voltage should be generated on cold days.
A tensão gerada pelo gerador aumenta tanto com a sua rotação, quanto com a força do campo magnético, devido à corrente de excitação. Se um gerador fosse posto a operar sob máxima corrente de excitação, sem cargas conectadas, a tensão cresceria linearmente com velocidade de rotação do seu eixo.
O princípio da regulação de tensão é baseado na regulação da corrente de excitação, que por sua vez, regula o campo magnético do rotor. O regulador entra em funcionamento quando a tensão gerada ultrapassa o valor pré-estabelecido. Ele interrompe a corrente de excitação, fazendo com que o campo magnético do rotor diminua. Quando a tensão cai abaixo do valor pré-estabelecido, a excitação do gerador é acionada novamente e o ciclo se repete, isto ocorre muito rápido (em milisegundos). Apesar desse chaveamento que é feito sobre a corrente, ela não cai ou se eleva abruptamente. Isso se deve ao fato de que o enrolamento presente no rotor é uma grande carga indutiva. Portanto, o seu campo magnético gera uma força contra-eletromotriz quando a corrente tende a variar, suavizando a variação da corrente. Os reguladores do gerador têm a função de controlar apenas a tensão. Isto se deve ao fato de que a função do relê de corte é exercida pelos diodos, e a limitação da corrente é desnecessária, pois a partir de uma determinada rotação a corrente atinge um valor máximo, por isso se diz que os geradores são autolimitantes. The voltage generated by the generator increases with both its rotation and magnetic field strength due to the excitation current. If a generator were to operate under maximum excitation current, with no connected loads, the voltage would increase linearly with its axis rotation speed. The principle of voltage regulation is based on the regulation of the excitation current, which in turn regulates the magnetic field of the rotor. The regulator starts when the voltage generated exceeds the preset value. It interrupts the excitation current, causing the rotor's magnetic field to decrease. When the voltage drops below the preset value, the generator excitation starts again and the cycle repeats, this occurs very fast (in milliseconds). Despite this switching on the current, it does not fall or rise abruptly. This is because the winding present on the rotor is a large inductive load. Therefore, its magnetic field generates a counter electromotive force when the current tends to vary, smoothing out the current variation. Generator regulators have the function of controlling voltage only. This is due to the fact that the function of the shunt relay is exerted by the diodes, and current limitation is unnecessary, since from a given rotation the current reaches a maximum value, so it is said that the generators are self-limiting.
PRINCIPAIS PARTES DO SISTEMA KEY PARTS OF THE SYSTEM
Apenas a título de exemplo, a Fig. 5 ilustra um veículo elétrico com os geradores, objeto da presente patente de invenção, posicionados em todas as quatro rodas do veículo (1), o banco de baterias (2), o motor elétrico (4) e a central de controle (3), ou controlador, que é o circuito microprocessado responsável pelo equilíbrio na distribuição de cargas dos geradores para o motor elétrico, para o banco de baterias e para todos os demais circuitos consumidores de energia elétrica do veículo, controlador este que faz parte integrante do presente pedido de patente de invenção. By way of example only, Fig. 5 illustrates an electric vehicle with the generators, object of the present invention, positioned on all four wheels of the vehicle (1), the battery bank (2), the electric motor (4). ) and the control center (3), or controller, which is the microprocessor circuit responsible for balancing the load distribution from the generators to the electric motor, the battery bank and all other power consuming circuits of the vehicle, which controller is an integral part of the present patent application.
Ainda, apenas para facilitar a compreensão, a Fig. 6 apresenta a foto do conjunto gerador de energia elétrica completo, montado dentro da roda do veículo, em corte, bem como fora da roda.
Also, just for ease of understanding, Fig. 6 shows a picture of the complete electric power generator assembly mounted inside the vehicle wheel, in section, as well as outside the wheel.
Claims
REIVINDICAÇÕES
01. Conjunto gerador de energia elétrica, montado dentro da(s) roda(s) de um veículo qualquer tracionado por motor elétrico, gerador este composto internamente por um elemento estator fixo à carcaça externa do mesmo, que por sua vez é fixa na suspensão do veículo, um elemento rotor fixo ao eixo de rotação da roda, bem como seus respectivos enrolamentos elétricos com ou sem escovas "brushless", um circuito de pré-excitação, um circuito de excitação (auto-excitação), um circuito regulador de tensão, anéis de fixação do estator e do rotor, pinças, rolamentos, e outros dispositivos mecânicos. Também faz parte do conjunto gerador, um circuito externo controlador de potência e equilíbrio de cargas entre o motor elétrico do veículo e o banco de baterias do mesmo, possuindo saida para computador externo para testes e calibragem após a instalação do conjunto gerador, assistência técnica e manutenção se necessárias, bem como de todas as demais funções que necessitam de controle elétrico e eletrônico, atuando como uma central eletrônica digital microprocessada responsável, entre outras finalidades, por estabelecer o equilíbrio da voltagem e amperagem do banco de baterias e do motor elétrico que impulsiona o veículo, controlar o estado dos circuitos eletrônicos digitais do controlador, bem como as mensagens do microprocessador interno à central de controle geral do veículo elétrico, indicando quais engenhos estão atuando a cada momento, e os sinais de alerta que indicam eventuais falhas. A Fig.4 ilustra as partes básicas do gerador dentro da roda: 01. Electricity generator set, mounted inside the wheel (s) of any vehicle powered by an electric motor, which generator is internally composed of a stator element attached to the outer casing of the same, which in turn is fixed to the suspension. a rotor element attached to the wheel's axis of rotation, as well as their respective electrical windings with or without brushless brushes, a pre-excitation circuit, an excitation circuit (self-excitation), a tension regulator circuit , stator and rotor retaining rings, collets, bearings, and other mechanical devices. Also part of the generator set is an external power control and load balancing circuit between the electric motor of the vehicle and its battery bank, having external computer output for testing and calibration after the installation of the generator set, technical assistance and maintenance as necessary, as well as all other functions requiring electrical and electronic control, acting as a microprocessor-based digital switchboard responsible, among other purposes, for balancing the voltage and amperage of the battery bank and the electric motor that drives the vehicle, control the state of the controller's digital electronic circuitry, as well as the messages from the internal microprocessor to the electric vehicle's general control center, indicating which devices are operating at any given moment, and the warning signals that indicate any failures. Fig.4 illustrates the basic parts of the generator inside the wheel:
- Estator dentro da roda (3): consiste de três enrolamentos (12 poios), dispostos a 120° uns dos outros; - Stator inside the wheel (3): consists of three windings (12 wells), arranged 120 ° from each other;
- Rotor dentro da roda (4): é a parte móvel do gerador, acoplado à roda do veículo elétrico. Possui um eixo que carrega o eletroímã, os anéis (6) e coletores, pelos quais a corrente circula; - Rotor inside wheel (4): is the moving part of the generator coupled to the wheel of the electric vehicle. It has an axis that carries the electromagnet, the rings (6) and collectors, through which the current circulates;
- Ventoinha interna à roda (5): também conectada ao eixo do rotor, serve para refrigerar o gerador. - Internal wheel fan (5): also connected to the rotor shaft, serves to cool the generator.
- Retificador: possui seis díodos de potência e três diodos de excitação, que convertem a corrente trifásica em corrente contínua; - Rectifier: has six power diodes and three excitation diodes, which convert three-phase current into direct current;
- Regulador: também montado no interior da carcaça do gerador, serve para regular a tensão gerada; - Regulator: also mounted inside the generator housing, serves to regulate the generated voltage;
- Anéis e coletores (6 e 7): os anéis são fixos aos pólos do eletroímã, enquanto que os coletores são pressionados contra os anéis. Servem para proteger e fixar as partes internas do gerador. A Fig. 4 ilustra também partes da suspensão do veículo (1), a fixação do conjunto gerador ao disco (2) e às pinças das pastilhas do freio (8), finalizando a fixação na roda (5) do veículo elétrico. - Rings and collectors (6 and 7): The rings are fixed to the electromagnet poles, while the collectors are pressed against the rings. They serve for protect and secure the internal parts of the generator. Fig. 4 also illustrates parts of the vehicle suspension (1), the attachment of the generator set to the disc (2) and the brake pad calipers (8), finalizing the attachment to the wheel (5) of the electric vehicle.
02. Conjunto gerador de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 01 , caracterizado pelo fato de ser adicionalmente explicado por meio dos desenhos anexos nos quais a Figura 1 mostra esquematicamente, de forma bem simplificada, a operação de um gerador de energia elétrica que tem por finalidade alimentar o motor elétrico do veículo, como também recompor a carga da bateria e fornecer energia aos demais componentes elétricos, todos os consumidores conectados ao gerador, mantendo também o equilíbrio de cargas durante o funcionamento do motor elétrico, que impulsiona o veículo. A Fig.1 ilustra o conjunto estator (1), fixo à estrutura de suspensão e chassi do veículo, com apenas dois pólos magnéticos (2), de polaridades magnéticas opostas, o rotor móvel (3) fixado à roda em movimento do veículo, bem como a força eletro magnética (4) resultante do movimento do rotor (3), que induz por efeito magnético uma corrente elétrica nos enrolamentos do estator (1). Este é o princípio simples que possibilita a geração de energia elétrica a partir do movimento das rodas do veículo, induzindo uma corrente elétrica alternada, com frequência proporcional à velocidade de rotação da roda. Power generator set according to claim 1, characterized in that it is further explained by means of the accompanying drawings in which Figure 1 schematically shows, in a simplified manner, the operation of an electric power generator having for the purpose of powering the vehicle's electric motor, as well as replenishing the battery charge and supplying power to the other electrical components, all consumers connected to the generator, while also maintaining the load balance during the operation of the electric motor that drives the vehicle. Fig. 1 illustrates the stator assembly (1) attached to the vehicle suspension frame and chassis with only two magnetic poles (2) of opposite magnetic polarity, the movable rotor (3) attached to the moving vehicle wheel, as well as the electromagnetic force (4) resulting from the movement of the rotor (3), which induces by magnetic effect an electric current in the stator windings (1). This is the simple principle that enables the generation of electrical energy from the movement of the vehicle's wheels, inducing an alternating electric current, with frequency proportional to the wheel's rotation speed.
03. Conjunto, gerador de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 01 ou 02, caracterizado pelo fato de que a Fig.2 ilustra o conjunto estator de 12 poios (1), utilizado no gerador objeto deste pedido de patente, trifásico com seus quatro conjuntos de enrolamentos defasados eletro-magneticamente em 120° entre si, na sequência ACB-ACB-ACB-ACB, cada conjunto A, B e C com seus respectivos pólos magnéticos norte (N) e sul (S) em contraposição mecânica. O conjunto rotor (3) é apresentado ao centro na Fig. 2 também com seus quatro enrolamentos N-S. O numero de pólos magnéticos tanto do estator, como do rotor, pode variar de projeto a projeto, dependendo das características desejadas, não sendo este um fator limitante do presente pedido de patente de invenção. Power generator assembly according to claim 01 or 02, characterized in that Fig. 2 illustrates the 12-pole stator assembly (1) used in the generator object of this patent application, three-phase with its four sets of electromagnetically offset 120 ° windings, in sequence ACB-ACB-ACB-ACB, each set A, B and C with their respective north (N) and south (S) magnetic poles in mechanical opposition. The rotor assembly 3 is shown in the center in Fig. 2 also with its four N-S windings. The number of magnetic poles of both the stator and rotor may vary from design to design depending on the desired characteristics, which is not a limiting factor of the present patent application.
04. Conjunto gerador de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 01 , 04. Electricity generator set according to claim 01,
02 ou 03, caracterizado pelo fato ilustrado na Fig. 2, com três bobinas idênticas (A, C, B), dispostas mecanicamente à 120° uma da outra. De acordo com o princípio da indução, à medida que o rotor (3) gira são geradas três correntes alternadas de mesma frequência e magnitude, porém defasadas em 120° elétricos no estator (1). Estas três correntes são chamadas de corrente alternada trifásica. Normalmente, um gerador precisaria de seis fios para conduzir a corrente induzida nas três bobinas. No entanto, é possível reduzirmos o número de conexões para três, ligando as bobinas entre si. Há duas formas possíveis de se fazer esta ligação: em triângulo ou em estrela. Os pólos do magneto, que é atravessado pela corrente de excitação, ficam na parte móvel do equipamento ou rotor (3). Esta corrente de excitação é uma corrente contínua, pulsante, que gera um campo magnético na armadura do rotor (3), que por sua vez, induz uma corrente alternada trifásica no estator (1). 02 or 03, characterized by the fact illustrated in Fig. 2, with three identical coils (A, C, B), mechanically arranged at 120 ° from each other. According to the induction principle, as the rotor (3) rotates, three alternating currents of the same frequency and magnitude are generated, but are offset by 120 ° in the stator (1). These three currents are called three-phase alternating current. Normally, a generator would need six wires to conduct the induced current in the three coils. However, it is possible to reduce the number of connections to three by connecting the coils together. There are two possible ways to make this connection: triangle or star. The poles of the magnet, which is crossed by the excitation current, are in the moving part of the equipment or rotor (3). This excitation current is a pulsating direct current that generates a magnetic field in the rotor armature (3), which in turn induces a three phase alternating current in the stator (1).
05. Conjunto gerador de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 01 , Electrical generator set according to claim 01,
02, 03 ou 04, caracterizado na Fig.3 que ilustra a corrente alternada trifásica (3), gerada pelo gerador de energia elétrica objeto do presente pedido de patente de invenção, que tem a desvantagem de não poder ser armazenada na bateria, e também não é adequada para alimentar os componentes elétricos e eletrônicos do veículo, bem como seu motor elétrico. Para realizar esta alimentação é necessário, primeiramente, retificar a corrente. Esta retificação é feita através dos diodos semicondutores apresentados na Fig. 3 (1) em ligação triângulo ou estrela, com circuito elétrico equivalente (2). O diodo retificador permite que a corrente circule somente em um sentido (no sentido da seta do símbolo do diodo), ou seja, ele só permite a passagem das "meias ondas" positivas como ilustrado na Fig.3 (4), cujo resultado é uma corrente contínua pulsante. Na retificação de sistemas trifásicos, este método é aplicado em cada uma das fases. Para que se possa tirar proveito de todas as "meias ondas", incluindo as negativas, é necessário utilizar dois diodos por fase: um diodo no lado positivo e outro, no lado negativo como ilustrado na Fig. 3 (2). Este circuito, chamado de ponte, provê a retificação de onda completa. O resultado da retificação é a soma das amplitudes positiva e negativa da corrente trifásica (4). Esta soma gera uma corrente contínua (5), com um certo fator de ruído "ripple". Essas flutuações na corrente podem ser suavizadas pela bateria e pelos capacitores que ficam ligados em paralelo com o gerador. A corrente de excitação, que tem como tarefa magnetizar os pólos da armadura do rotor, vem do circuito trifásico e também passa por uma retificação de onda completa antes de alimentar a armadura. Esta retificação é realizada com o auxilio dos diodos de excitação. Os diodos retificadores do gerador não apenas retificam a corrente de excitação e a corrente que alimenta os componentes elétricos e eletrônicos do veículo, mas também impedem que a bateria descarregue através das três bobinas do estator. Há três circuitos internos no gerador: 02, 03 or 04, characterized in Fig. 3 illustrating the three-phase alternating current (3) generated by the power generator object of the present patent application, which has the disadvantage that it cannot be stored in the battery, and also It is not suitable for powering the vehicle's electrical and electronic components as well as its electric motor. To perform this power supply it is first necessary to rectify the current. This rectification is made through the semiconductor diodes shown in Fig. 3 (1) in triangle or star connection, with equivalent electrical circuit (2). The rectifier diode allows current to flow only in one direction (in the direction of the arrow of the diode symbol), ie it only allows the passage of positive "half waves" as illustrated in Fig.3 (4), the result of which is a pulsating direct current. In the rectification of three phase systems, this method is applied in each of the phases. In order to take advantage of all "half waves", including negative ones, it is necessary to use two diodes per phase: one diode on the positive side and one on the negative side as shown in Fig. 3 (2). This circuit, called a bridge, provides full wave rectification. The result of rectification is the sum of the positive and negative amplitudes of the three-phase current (4). This sum generates a direct current (5) with a certain ripple noise factor. These fluctuations in current can be smoothed out by the battery and capacitors that are connected in parallel with the generator. The excitation current, which has the task of magnetizing the rotor armature poles, comes from the three phase circuit and also goes through a full wave rectification before feeding the armature. This rectification is performed with the aid of the excitation diodes. The generator rectifier diodes not only rectify the excitation current and the current that feeds the electrical and electronic components of the but also prevent the battery from discharging through the three stator coils. There are three internal circuits in the generator:
- Circuito de pré-excitação; - Pre-excitation circuit;
- Circuito de excitação (auto-excitação), e - excitation circuit (self-excitation), and
- Circuito regulador de tensão. - Voltage regulator circuit.
06. Conjunto gerador de energia elétrica de acordo com a reivindicação 01 , 02, 03, 04 ou 05, caracterizado por um CIRCUITO DE PRÉ-EXCITAÇÃO, onde a corrente que vem do banco de baterias pré-excita o alternador. A pré-excitação é necessária, pois nos geradores, o magnetismo residual no núcleo de ferro não é suficiente no instante de partida. Portanto, o gerador não é capaz de gerar um campo magnético suficiente, e consequentemente gerar a voltagem necessária. No circuito de excitação há um diodo de excitação e um diodo de potência em série para cada uma das fases. Portanto, a auto-excitação só começa depois que o gerador consegue gerar uma voltagem maior que, pelo menos, a queda de tensão nos dois diodos (2 x 0,7 V = 1 ,4 V). Quando a roda do veículo elétrico começa a girar, a corrente que flui deve ser grande o bastante para gerar um campo magnético capaz de iniciar o processo de auto-excitação. Electrical generator set according to claim 01, 02, 03, 04 or 05, characterized by a PRE-EXCITING CIRCUIT, where current from the battery bank pre-excites the alternator. Pre-excitation is necessary, as in generators, residual magnetism in the iron core is not sufficient at the time of starting. Therefore, the generator is not capable of generating a sufficient magnetic field, and consequently generating the required voltage. In the excitation circuit there is an excitation diode and a power diode in series for each of the phases. Therefore, self-excitation only begins after the generator can generate a voltage greater than at least the voltage drop in both diodes (2 x 0.7 V = 1.4 V). When the wheel of the electric vehicle begins to spin, the flowing current must be large enough to generate a magnetic field capable of initiating the self-excitation process.
07. Conjunto gerador de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 01 , 02, 03, 04, 05 ou 06, caracterizado por um CIRCUITO DE EXCITAÇÃO, cuja função é produzir um campo magnético no rotor e, desta forma, induzir a voltagem necessária nas três bobinas do estator, durante todo o tempo de operação. Parte da corrente do estator flui para a bateria e as cargas, e outra parte, para o regulador e rotor. Quando o circuito de excitação começa a entrar em funcionamento (quando a lâmpada de advertência apaga), a tensão gerada no estator ainda é muito pequena para alimentar as cargas, portanto o fluxo de corrente acontece apenas no circuito de auto-excitação. O rotor é alimentado pelo estator, e passa a induzir uma tensão maior que a anterior. Este ciclo se repete, até que a tensão induzida no estator seja suficiente para colocar os diodos do circuito principal em condução, e alimentar as baterias e as demais cargas presentes no veículo. Neste ponto, o regulador impede que a tensão gerada continue aumentando. Electrical generator set according to claim 01, 02, 03, 04, 05 or 06, characterized by an EXCITING CIRCUIT, whose function is to produce a magnetic field in the rotor and thereby induce the required voltage. on the three stator coils for the entire operation time. Part of the stator current flows to the battery and loads, and part to the regulator and rotor. When the excitation circuit begins to operate (when the warning lamp goes out), the voltage generated in the stator is still too small to feed the loads, so the current flow happens only in the self-excitation circuit. The rotor is powered by the stator and induces a higher voltage than the previous one. This cycle repeats until the induced stator voltage is sufficient to drive the main circuit diodes to power, and power the batteries and other loads present in the vehicle. At this point, the regulator prevents the generated voltage from increasing further.
08. Conjunto gerador de energia elétrica de acordo com a reivindicação 01 , 02, 03, 04, 05, 06 ou 07, caracterizado por um CIRCUITO REGULADOR DE TENSÃO, montado também internamente à carcaça do gerador, cuja função é manter constante a tensão gerada para todos os campos de velocidades de operação do veículo, refletida em suas rodas. A regulação automática de voltagem não é uma tarefa simples, pois o motor do veículo muda constantemente de rotação. Além disso, muitos dos dispositivos elétricos e eletrônicos do veículo ficam ligados por um breve período de tempo, ou são acionados manualmente. Portanto, a carga que o gerador deve alimentar não é constante. Quando o motor está em alta rotação e há poucas cargas a serem alimentadas, deve-se garantir que a tensão seja limitada até um valor preestabelecido, normalmente o valor do "Tricker Point" do banco de baterias. Dessa forma, protege-se os dispositivos contra sobrecargas. Além disso, deve-se levar em conta que as propriedades eletroquímicas das baterias variam com a temperatura. Portanto, o circuito regulador gera uma tensão maior nos dias frios. Electricity generator set according to claim 01, 02, 03, 04, 05, 06 or 07, characterized by a VOLTAGE REGULATOR CIRCUIT, also mounted internally to the generator housing, whose function is to keep constant the voltage generated for all fields of operating speeds of the vehicle, reflected in its wheels. Automatic voltage regulation is not a simple task as the vehicle engine constantly changes speed. In addition, many of the vehicle's electrical and electronic devices are switched on for a brief period of time, or manually operated. Therefore, the load that the generator must supply is not constant. When the engine is running at a high speed and there are few loads to be fed, it must be ensured that the voltage is limited to a preset value, usually the value of the battery bank "Tricker Point". This protects the devices from overloads. In addition, it should be noted that the electrochemical properties of batteries vary with temperature. Therefore, the regulator circuit generates a higher voltage on cold days.
09. Conjunto gerador de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 01 , 02, 03, 04, 05, 06, 07 ou 08, caracterizado pela tensão gerada pelo gerador que aumenta tanto com a sua rotação, quanto com a força do campo magnético, devido à corrente de excitação. Se um gerador fosse posto a operar sob máxima corrente de excitação, sem cargas conectadas, a tensão cresceria linearmente com velocidade de rotação do seu eixo. O princípio da regulação de tensão é baseado na regulação da corrente de excitação, que por sua vez, regula o campo magnético do rotor. O regulador entra em funcionamento quando a tensão gerada ultrapassa o valor pré-estabelecido. Ele interrompe a corrente de excitação, fazendo com que o campo magnético do rotor diminua. Quando a tensão cai abaixo do valor pré- estabelecido, a excitação do gerador é acionada novamente e o ciclo se repete, isto ocorre muito rápido (em milisegundos). Apesar desse chaveamento que é feito sobre a corrente, ela não cai ou se eleva abruptamente. Isso se deve ao fato de que o enrolamento presente no rotor é uma grande carga indutiva. Portanto, o seu campo magnético gera uma força contra-eletromotriz quando a corrente tende a variar, suavizando a variação da corrente. Os reguladores do gerador têm a função de controlar apenas a tensão. Isto se deve ao fato de que a função do relê de corte é exercida pelos diodos, e a limitação da corrente é desnecessária, pois a partir de uma determinada rotação a corrente atinge um valor máximo, por isso se diz que os geradores são autolimitantes. Electrical generator set according to claim 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07 or 08, characterized by the voltage generated by the generator that increases both with its rotation and with the force of the magnetic field. , due to the excitation current. If a generator were to operate under maximum excitation current, with no connected loads, the voltage would increase linearly with its axis rotation speed. The principle of voltage regulation is based on the regulation of the excitation current, which in turn regulates the magnetic field of the rotor. The regulator starts when the voltage generated exceeds the preset value. It interrupts the excitation current, causing the rotor's magnetic field to decrease. When the voltage drops below the preset value, the generator excitation starts again and the cycle repeats, this occurs very fast (in milliseconds). Despite this switching on the current, it does not fall or rise abruptly. This is because the winding present on the rotor is a large inductive load. Therefore, its magnetic field generates a counter electromotive force when the current tends to vary, smoothing out the current variation. Generator regulators have the function of controlling voltage only. This is due to the fact that the function of the shunt relay is exerted by the diodes, and current limitation is unnecessary, since from a given rotation the current reaches a maximum value, so it is said that the generators are self-limiting.
10. Conjunto gerador de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 01 , 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, ou 09, caracterizado pelas PRINCIPAIS PARTES DO SISTEMA, onde a Fig. 5 ilustra um veículo elétrico com os geradores, objeto da presente patente de invenção, posicionados em todas as quatro rodas do veículo (1), o banco de baterias (2), o motor elétrico (4) e a central de controle (3), ou controlador, que é o circuito microprocessado responsável pelo equilíbrio na distribuição de cargas dos geradores para o motor elétrico, para o banco de baterias e para todos os demais circuitos consumidores de energia elétrica do veículo, controlador este que faz parte integrante do presente pedido de patente de invenção. Ainda, apenas para facilitar a compreensão, a Fig. 6 apresenta a foto do conjunto gerador de energia elétrica completo, montado dentro da roda do veículo, em corte, bem como fora da roda. Electricity generator set according to claim 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, or 09, characterized by the MAIN PARTIES OF SYSTEM, where Fig. 5 illustrates an electric vehicle with the generators, object of the present invention, positioned on all four wheels of the vehicle (1), the battery bank (2), the electric motor (4) and the control center (3), or controller, which is the microprocessor circuit responsible for balancing the load distribution from the generators to the electric motor, the battery bank and all other power consuming circuits of the vehicle, which controller It is an integral part of this patent application. Also, just for ease of understanding, Fig. 6 shows a picture of the complete electric power generator assembly mounted inside the vehicle wheel, in section, as well as outside the wheel.
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BRPI1002171-0A BRPI1002171A2 (en) | 2010-05-24 | 2010-05-24 | power generator embedded in the wheel (s) of pure, hybrid, hydrogen fuel cell powered electric vehicles, or any other automotive technology using an electric motor as a propulsion generator of the running range of the electric vehicle |
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WO2021051176A1 (en) * | 2019-09-20 | 2021-03-25 | Rodrigues De Lima Neto Manoel | In-wheel running system |
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US4223255A (en) * | 1977-10-28 | 1980-09-16 | Goldman Gary S | Electric wheel |
US4585085A (en) * | 1981-08-20 | 1986-04-29 | Handel Peter H | Electric wheel-drive for motor vehicles, in particular for nondestructive hybridization of automobiles |
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2011
- 2011-05-24 WO PCT/BR2011/000163 patent/WO2011147010A1/en active Application Filing
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WO2021051176A1 (en) * | 2019-09-20 | 2021-03-25 | Rodrigues De Lima Neto Manoel | In-wheel running system |
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