!HU000226516B1! (19)
HU
(11) Lajstromszám:
226 516
(13)
B1
MAGYAR KÖZTÁRSASÁG Magyar Szabadalmi Hivatal
SZABADALMI LEÍRÁS (51) Int. Cl.:
(21) A bejelentés ügyszáma: P 02 04263 (22) A bejelentés napja: 2001. 01. 26.
B60L 11/18 H02K 11/04
(40) A közzététel napja: 2003. 05. 28. (45) A megadás meghirdetésének dátuma a Szabadalmi Közlöny és Védjegyértesítõben: 2009. 03. 02.
(30) Elsõbbségi adatok: 1014182 2000. 01. 26.
NL
(72) Feltaláló: Heinen, Andrianus Johannes, Apeldoorn (NL)
(54)
B60K 7/00
(2006.01) (2006.01) (2006.01)
(86) A nemzetközi (PCT) bejelentési szám: PCT/NL 01/00054 (87) A nemzetközi közzétételi szám: WO 0154939
(73) Jogosult: Special Products for Industry V.O.F., Apeldoorn (NL) (74) Képviselõ: Szuhai Elemér, DANUBIA Szabadalmi és Védjegy Iroda Kft., Budapest
Motoros kerék, jármû, eljárás motoros kerekek forgásának koordinálására
(57) Kivonat
HU 226 516 B1
A találmány motoros kerék (1), amely kerékben van elrendezve egy villamos motor (9), a villamos motor teljesítményvezérlõ elektronikája és ennek mérõérzékelõi, továbbá a vezérlõelektronika és a kerék és környezete közötti adatátviteli eszköz (34), amely adatátviteli eszköz
(34) egy legalább kétkerekû eszköz más, hasonló kerekének (1) kerékvezérlõjével (33) mérõ- és vezérlõadatok cseréjére alkalmasan van kialakítva, amely kerékvezérlõ (33) elektronikájának központi vezérlõegység jelével átkapcsolható „master” és „slave” üzemmódja van.
4. ábra A leírás terjedelme 14 oldal (ezen belül 6 lap ábra)
1
HU 226 516 B1
2
A találmány továbbá jármû motoros kerékkel, amelynek motoros kerekei (1) adatátviteli eszközökön (34) át központi számítógéppel (200) vannak összekapcsolva. A találmány továbbá eljárás motoros kerekek forgásának koordinálására, központi számítógéppel, amelynek során az egyes motoros kerekek (1) tekercseinek áramát mágnesestérerõ-méréssel érzékelik, a kerék
(1) pólusainak relatív szöghelyzetét és a fordulatszámot szöghelyzet-érzékelõvel (31) érzékelik, és ezekkel az adatokkal fázisáram-vezérlõkben (32, 32/I, 32/II) és kerékvezérlõben (33) kerekenként önállóan vezérlik a tekercsek (9) táplálását, a különbözõ motoros kerekek (1) vezérlését a központi számítógéppel (200) összehangolják.
A találmány tárgya motoros kerék a kerékben elrendezett villamos motorral, továbbá jármû, kerékfelfüggesztés, és eljárás motoros kerekek forgásának koordinálására. Irodalomból ismertek olyan kerekek, amelyek beépített villamos hajtással vannak ellátva. Jellemzõen a komplett hajtásnak csak egy része, a villamos motor van beépítve a kerékbe. Ilyen megoldások vannak ismertetve az alábbi szabadalmi leírásokban: DE–A–2719736, DE–A–4404889, FR–A–2561593, US–A–4585085 és WO–A–95/16300. Az 1. igénypontunk tárgyi körének megfelelõ, a találmányunkhoz legközelebb álló megoldások vannak ismertetve az EP–A–0337032 és WO–A–95/16300 szabadalmi leírásokban. Az ilyen motoros kerekekkel szerelt jármûnél gondot okoz a kerekek meghajtásának összehangolása. További problémák adódnak abból, hogy a kerekek motorjának meghajtóegysége a keréken kívül van elrendezve, az ilyen villamos jármû hajtásának megalkotása rendkívül összetett feladat, amelyben a hajtásvezérlõ funkciók nem különülnek el a rendszerben. A WO–A–95/16300 szabadalmi bejelentésben a nehézségek kiküszöbölésére olyan megoldás van javasolva, amely szerint a vezérlõelektronika egy részét a kerékben helyeznék el. A javaslat nem ad megoldást azonban számos ilyen motoros kerék mûködésének összehangolására és nem teszi lehetõvé azt. Célunk a találmánnyal az ismert megoldások említett hiányosságainak kiküszöbölése, könnyen szerelhetõ, jó hatásfokú és egy jármû számos kerekének egyszerû összehangolását lehetõvé tevõ hajtással ellátott motoros kerék megalkotásával, a motoros kerékkel szerelt jármû és a motoros kerekek forgásának koordinálására alkalmas eljárás kialakításával. A feladat találmány szerinti megoldása motoros kerék, amely kerékben van elrendezve egy villamos motor, a villamos motor teljesítményvezérlõ elektronikája és ennek mérõérzékelõi, továbbá a vezérlõelektronika és a kerék és környezete közötti adatátviteli eszköz, amely adatátviteli eszköz egy legalább kétkerekû eszköz más, hasonló kerekének kerékvezérlõjével mérõ- és vezérlõadatok cseréjére alkalmasan van kialakítva, amely kerékvezérlõ elektronikájának központi vezérlõegység jelével átkapcsolható „master” és „slave” üzemmódja van. Elõnyösen a motornak állandó mágnesekkel ellátott forgórésze van, amely forgórész tengelycsonkhoz képest csapágyazott keréktárcsa belsõ terében, a keréktárcsához koncentrikusan van rögzítve. A motor teker-
csekkel szerelt állórésze a forgórészen belül van elrendezve, és a tengelycsonkhoz képest rögzítve van. Célszerûen a motor állórésze legalább két, villamosan és fizikailag önálló csoportra van osztva, csoportonként legalább két tekerccsel, amely tekercsek egyedi fázisáram-vezérlõkkel és árammérõ-érzékelõkkel rendelkeznek, amely egyedi fázisáram-vezérlõk a kerékben elrendezett kerékvezérlõvel vannak jelátviteli kapcsolatban. Elõnyösen az adatátviteli eszköz egy legalább kétkerekû eszköz más, hasonló kerekének kerékvezérlõjével mérõ- és vezérlõadatok cseréjére alkalmasan van kialakítva. Célszerûen az adatátviteli eszköz adatátvivõ optikai eszköz. Elõnyösen az adatátviteli eszköz egy legalább kétkerekû eszközön, a keréken kívül elrendezett központi számítógépre van csatlakoztatva. Célszerûen a motoros keréknek mindegyik tekercsáramát egyedileg szabályozó vezérlõelektronikája van. Elõnyösen az egyes tekercsek egyedi fázisáramvezérlõi a kerékben elrendezett kerékvezérlõre vannak csatlakoztatva. Célszerûen a vezérlõelektronika mérõeszközei árammérõ-érzékelõk és szöghelyzet-érzékelõ. Elõnyösen a fordulat- és szöghelyzet-érzékelõ a fázisáram-vezérlõkkel összekapcsolt kerékvezérlõre van csatlakoztatva. Célszerûen a kerékvezérlõ az adatátviteli eszközön át, a keréken kívül elrendezett központi számítógéppel van összekapcsolva. Elõnyösen a motoros kerék hûtõeszközzel van ellátva. Célszerûen a motoros keréknek aktív hûtõeszköze van. Elõnyösen az aktív hûtõeszköz a kerékben kialakított ventilátor. Célszerûen a motoros kerék vízhûtésre alkalmasan van kialakítva. Elõnyösen a vezérlõelektronika hõtermelõ alkatelemei hûtõtesttel vannak ellátva, amely hûtõtest hõcserélõ kapcsolatban van a motor állórészével. Célszerûen a motoros keréknek mechanikai nyomatékot mérõ eszköze és a mechanikai nyomatékot a motor által felvett villamos teljesítménnyel összehasonlító eszköze van. Elõnyösen a teljesítményvezérlõ egységnek külsõ vezérlõjellel átkapcsolható „master” és „slave” üzemmódja van.
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60 2
1
HU 226 516 B1
Célszerûen a teljesítményvezérlõ egységnek teljesítményigénytõl vagy keréksebességtõl függõen átkapcsolható „master” és „slave” üzemmódja van. Elõnyösen egy legalább kétkerekû eszköz legkisebb teljesítményigényû kereke van „master” üzemmódba kapcsolva. A találmány szerinti megoldás továbbá jármû motoros kerékkel, amely jármû motoros kerekei a jármû fedélzetén elrendezett központi számítógéppel és tápegységgel vannak összekapcsolva. A találmány szerinti megoldás továbbá eljárás motoros kerekek forgásának koordinálására, központi számítógéppel, amely eljárás során az egyes motoros kerekek tekercseinek áramát mágnesestérerõ-méréssel érzékeljük, a kerék pólusainak relatív szöghelyzetét és a fordulatszámot szöghelyzet-érzékelõvel érzékeljük, és ezekkel az adatokkal fázisáram-vezérlõkben és kerékvezérlõben kerekenként önállóan vezéreljük a tekercsek táplálását, a különbözõ motoros kerekek vezérlését a központi számítógéppel összehangoljuk. Elõnyösen az egyes motoros kerekektõl kapott információkat összehasonlítjuk, és az összehasonlítás eredménye alapján vezéreljük a kerekek kerékvezérlõit, „master” üzemmódba állítva azt a kereket, amelynek pillanatnyilag legkisebb a teljesítményigénye, és „slave” üzemmódba állítva a többi kereket. Célszerûen egy, legalább két motoros kerekû eszköz központi számítógépében az eszköz kormánymûvel ellátott kerékfelfüggesztései kerekének szögállásinformációit is feldolgozzuk. A találmány szerinti megoldás másrészt olyan motoros kerék, jármûhöz, amelynek több mint nyolc pólusú, adott esetben egyenáramú tápforrásból származó három vagy több fázisú, úgynevezett DC szinkronmotorja van. Az alábbiakban, kiviteli példákra vonatkozó rajz alapján, részletesen ismertetjük a találmány lényegét. A rajzon az 1. ábra motoros kerék szétszerelt állapotban, a 2. ábra az 1. ábra szerinti motoros kerék metszeti rajza, a 3. ábra motoros kormánymûvel kialakított kerékfelfüggesztés hosszmetszete, a 4. ábra jármû motoros kerekei összehangolt egyedi vezérlésének tömbvázlata, az 5A. ábra motoros kerekekkel szerelt jármû vázlatos felülnézete, az 5B. ábra az 5. ábra szerinti jármû vázlatos oldalnézete, a 6. ábra folyadékhûtésû motoros kerék tengelyirányú metszete. Az 1. és 2. ábrán feltüntetett motoros 1 kerék 3 keréktárcsája 2 gumiköpeny hordozására alkalmasan van kialakítva. A 2 gumiköpeny lehet legfeljebb 800 mm átmérõjû tömör gumiabroncs, amely kis sebességû jármûveken, traktoron, villás targoncán használható elõnyösen, vagy lehet levegõvel felfújt tömlõ is, amely közepes sebességû jármûveken, városi taxikon vagy városi szállítójármûveken alkalmazható elõnyösen.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60 3
2
A 3 keréktárcsa különbözõ 2 gumiköpenyek hordozására alkalmas profilú koszorúval és erre rászerelt vagy vele egybeépített, külsõ oldali 4 tárcsafallal rendelkezik. A 3 keréktárcsa a 4 tárcsafalnál fogva 5 tengelycsonk körül forgathatóan van szerelve. A 3 keréktárcsa belsõ terében hengeres gyûrû alakú 6 forgórész van rögzítve, amely motor 6 forgórészgyûrûjének belsõ hengeres felületén 7 állandó mágnesek vannak ragasztással rögzítve. A motoros 1 kerék forgórészeit a 2 gumiköpenyt tartó 3 keréktárcsa és a keréktárcsa 4 tárcsafala, a motor 6 forgórésze a 7 állandó mágnesekkel és az 5 tengelycsonk képezik, amely forgó 5 tengelycsonkon az 1 kerék a 4 tárcsafalánál fogva van rögzítve. A motor állórésze a 7 állandó mágnesek koszorúján belül, a koszorú belsõ átmérõjénél légrésnyivel kisebb átmérõvel van kialakítva és elrendezve, amely állórész lemezelt 8 vasmagjain 9 tekercsek vannak elrendezve. A 8 vasmagok egy centrikus 11 tartóelemen vannak rögzítve, amely 11 tartóelem egy, az 1 kerék belsõ terét lezáró 17 fedõlaphoz van rögzítve, 10, 13 befogóelemek között. A 17 fedõlapnak a jármûre felfogásra alkalmas (B5 vagy 250 mm típusú) rögzítõpereme van. A 13 befogóelemben megfelelõ tér van kialakítva 20 vezérlõelektronika számára, amely 20 vezérlõelektronika többek között áramszabályozó IGBT (szigetelt kapus bipoláris tranzisztor) elemeket és programozható logikai áramköröket (mûködtetõrendszer) tartalmaz. A motoros 1 kerék jármûhöz képest a 17 fedõlap rögzítõpereménél fogva rögzített állórészei tehát: a 17 fedõlaphoz 10, 13 befogó elemek között rögzített motorállórész 8 vasmagja és 9 tekercsei, valamint a 20 vezérlõelektronika. Az 1 keréknek az 5 tengelycsonkra illeszkedõ, 22 retesszel elfordulás ellen biztosított keményfém 14 szerelõhüvelye van, amely 14 szerelõhüvely az 5 tengelycsonkkal együtt forgó forgórész része, és amely 14 szerelõhüvely és az állórész között 23 kerékcsapágyak vannak elrendezve. A 14 szerelõhüvelyen továbbá 21 szöghelyzet-érzékelõ van elrendezve, amely dekódoló jellegû 21 szöghelyzet-érzékelõ a forgás detektálására és a motor pólusai és a 7 állandó mágnesek közötti, relatív szöghelyzet adására szolgál, amely 21 szöghelyzet-érzékelõ jelei alapján a 20 vezérlõelektronika megfelelõ fázisban, periodikusan látja el villamos árammal a 9 tekercseket. Az 1. és 2. ábra szerinti 4 tárcsafalban levegõt az 1 kerék belsõ terébe benyomó és onnan kiszívó 15, 15’ légterelõ fülek vannak kialakítva, két koncentrikus kör mentén. Ha pl. az 1 kerék az óramutatóval egyezõ irányban forog, a belsõ körön lévõ 15 légterelõ fülek benyomják a levegõt a belsõ térbe, a külsõ körben kialakított 15’ légterelõ fülek, amelyek a 15 légterelõ fülekkel ellentétes irányban nyitottak, kiszívják a belsõ térbõl. A 15, 15’ légterelõ fülek tehát ventilátorként mûködnek, és a 10 befogóelem belsõ terén átjutva az 1 kerék belsõ terének, a belsõ térben elrendezett hûtõbordás hûtõtestnek léghûtésére szolgálnak. A 15, 15’ légterelõ fülek centrifugálszivattyúként mûködnek az 1 kerék forgása közben. A benyomó
1
HU 226 516 B1
15 légterelõ fülek méretei kisebbek, a kiszívó 15’ légterelõ fülek ezekhez képest nagyobbak, hogy a bent felmelegített és kiterjedt levegõnek nagyobb kiáramló nyílása legyen, az 1 belsõ terében ne keletkezzen túlnyomás. A 15, 15’ légterelõ fülek passzív levegõhûtést biztosítanak, de beépíthetõ az 1 kerékbe motoros ventilátor is, amely aktív léghûtést biztosít. A motoros ventilátor mûködtetése történhet az 1 kerék forgásától függetlenül, pl. a hûtendõ felületek hõmérséklete függvényében. A találmány szerinti elrendezésû motoros 1 kerék egyszerûen kialakítható vízzáró kivitelben, azaz környezettõl elzárt belsõ térrel is. A motoros 1 kerék kialakítható folyadékhûtéssel is. A 17 fedõlap minden esetben lezárja a belsõ teret, és megvédi a 20 vezérlõelektronikát külsõ behatásoktól. A motor 6 forgórészének 7 állandó mágneseket hordozó gyûrûje készülhet alumíniumból, vagy fõként nagyobb sebességre méretezett kerekeknél acélból is. A 6 forgórész a 4 tárcsafalra 16 rögzítõelemekkel van felfogva. A nyomatékátvitelt a 7 állandó mágnesek és az állórész gerjesztett mágneses tere közötti kölcsönhatás biztosítja. A motoros 1 kerék léghûtését szolgálhatják továbbá a formába öntött 17 fedõlapban kialakított 24 hûtõbordák. A 20 vezérlõelektronika hõtermelõ elemei 12 hûtõtestre vannak szerelve. A 12 hûtõtestnek további szerepei is vannak: ez tartja a motor állórészét, és vízhûtés alkalmazása esetén elválasztja az elektronika terét a víztértõl. Az 1. ábrán külön van ábrázolva a 12 hûtõtest és a 13 befogóelem, de a gyakorlatban egy elem elláthatja mindkét funkciót. A 10 és 13 befogóelemek közrefogják a motor állórészének 8 vasmagját, így az tengelyirányban is rögzítve van a forgórészen belül. Ennek az az elõnye, hogy a 7 állandó mágnesek tengelyirányban mindig optimális helyen vannak a mágneses csatolás lehetõségeinek maximális kihasználása érdekében. A motor állórészének legalább harminc 9 tekercse van, amely állórész a 9 tekercsek három csoportjából áll, de célszerûen a lemezelt 8 vasmag egy egységként van kialakítva. A 9 tekercsek tekercsfejeken vannak elrendezve, amely tekercsfejek meghatározott, a teljesítmény szempontjából optimális minta szerint vannak kialakítva. A 9 tekercsek gerjesztõárama mágneses teret gerjeszt, amely a motor forgatónyomatékát adja. A mágneses fluxust a 8 vasmag vezeti és alakítja. A motor hatékonyságában jelentõs szerepe van az elõnyösen kialakított 8 vasmagnak. A levegõhûtés terét tömítõgyûrû választja el a 20 vezérlõelektronikát befogadó tértõl. A dupla soros 23 kerékcsapágyak a 14 szerelõhüvely külsõ, hengeres felületén vannak elrendezve, a 20 vezérlõelektronikát befogadó térben. A nagy szilárdságú acél 14 szerelõhüvely a terhelést a csapágyak közvetítésével a centrikus 11 tartóelemre viszi át. A 23 kerékcsapágyak mind az útegyenetlenségekbõl adódó radiális, mind a kanyarodás során fellépõ axiális erõket felveszik, így változó futási körülmények között
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60 4
2
is nyugodt a 6 forgórész futása a motor állórészéhez képest. Ez azért is nagyon fontos, mert a motor 6 forgórésze és állórésze közötti légrés legfeljebb 2 mm lehet, és ez a légrés nem változhat számottevõen az erõhatások következtében. Ennek érdekében a 23 kerékcsapágyak túlméretezettek, legalább 10 000 óra üzemidõt biztosítanak változatlan légrés tartása mellett. A motor állórésze és a centrikus 11 tartóelem 22 reteszekkel vagy csapokkal össze vannak rögzítve, így nem mozdulhatnak el egymáshoz képest. A 23 kerékcsapágyak és a 17 fedõlap között távtartó gyûrûk biztosítják a csapágyakat tengelyirányú elmozdulás ellen. A 31 szöghelyzet-érzékelõ tartólapját menetes csap és csavaranya kapcsolat rögzíti az 5 tengelycsonkhoz képest. A motor állórészének centrikus 11 tartóelemét koncentrikus kör mentén elosztva elrendezett három csap rögzíti elfordulás ellen. A 11 tartóelem testében átmenõ szerelõnyílások vannak kialakítva, amelyek arra is alkalmasak hogy vízhûtés esetén (ami 12 kW¹nál nagyobb motorteljesítmény vagy 96 V¹nál nagyobb feszültség esetén alkalmazandó elõnyösen) a hûtõfolyadékot a 11 tartóelem másik oldalára átengedjék. A 13 befogóelemnek számos funkciója van: A: a 10 befogóelemmel együtt közrefogja a motor állórészének 8 vasmagját, biztosan rögzíti az állórészt, B: elzárja a hûtõ folyadékteret a 20 vezérlõelektronikát befogadó tértõl, C: teret ad a 20 vezérlõelektronikának. Az elektronikát befogadó teret másik oldalról a 17 fedõlap zárja le. A 20 vezérlõelektronika így a környezettõl terjesen elzárt térben lehet, ami a hibamentes mûködését rendkívül elõnyösen befolyásoló körülmény. A motoros 1 kerék 17 fedõlapjának a jármûre felfogásra alkalmas (B5 vagy 250 mm típusú) rögzítõpereme van, ennélfogva szereljük fel jármûre, amely felszereléssel teljesen stabil, merev és jól definiált kapcsolat jön létre a jármû kerékfelfüggesztésének kerékfelfogó szerelvénye és a motoros 1 kerék állórésze között. A motoros 1 kerék felszerelése tehát ismert koncepciók szerinti, szabványos felületekkel történhet. A 7 állandó mágnesek olyan alakban készülnek, amely alak pontosan megfelel a motor 6 forgórészében szegmensként elfoglalt helyüknek. A 7 állandó mágnesek ragasztással vannak rögzítve a 6 forgórész belsõ hengeres felületén. Az elõnyösen ritkaföldfém-anyagú 7 állandó mágnesek fluxusa nagyobb mint 1 tesla. A kódadó jellegû 21 szöghelyzet-érzékelõ a 6 forgórész 14 szerelõhüvelyén kialakított fogak elhaladását érzékeli, ezek számlálásával a megtett út is mérhetõ. A 21 szöghelyzet-érzékelõ úgy vezérli a 20 vezérlõelektronikát, hogy az mindig tudja, hogy a 6 forgórész 7 állandó mágnesei milyen helyzetben vannak az állórész vasmagjának pólusaihoz (a 9 tekercsekhez) képest. Ezzel biztosítható a kerék akadozásmentes forgatása. A találmány szerint az 1 kerék forgatását önállóan vezérlõ 20 vezérlõelektronika az 1 kerék beépített része. Ebbõl számos elõny származik.
1
HU 226 516 B1
A jelenleg gyártott, villamos hajtású jármûvek elõállításának egyik legnagyobb problémája jelenleg az, hogy a vezérlõszervek a jármû legkülönbözõbb helyein vannak elrendezve, ezeknek a vezérlõszerveknek a végrehajtó szervekkel számos csatlakozási helye van, amelyeket újra és újra össze kell rendelni, össze kell csatlakoztatni. Ez idõt, türelmet igénylõ, szellemi kapacitást lekötõ, ismétlõdõ, tehát költséges feladat. További nehézséget okoz, hogy a jármû összeszerelési feladatai nem végezhetõk párhuzamosan, így a jármû elõállításának legalább három, egymást követõ szakasza van, a jármû elõállításának átfutási ideje hosszú. Ezzel szemben a találmány szerinti motoros 1 kerék az egyedi kerékhajtás vezérlésének minden eszközét magában foglalja, csak a tápforrás és a kerekek futásának összehangolásához szükséges eszközök vannak a kerekeken kívül elrendezve. A 2. ábrán metszetben látható a motoros 1 kerék felépítésének térbeli elrendezése. A 2 gumiköpeny a szerelt 4 tárcsafallal rendelkezõ 3 keréktárcsán van elrendezve, amely 3 keréktárcsa lényegében hengeres belsõ terében koncentrikusan van rögzítve a motor 6 forgórészének hengeres tartóteste (amelynek belsõ felületére, a kerület mentén elosztva, fel vannak ragasztva a 7 állandó mágnesek). Az állórész 9 tekercseit kétoldalt körülveszi a 8 vasmag, amely állórészelemek a 10, 13 befogóelemek által közrefogva, a 17 fedõlaphoz vannak rögzítve. A 9 tekercsek a 20 vezérlõelektronikára vannak csatlakoztatva. Ez az elrendezés mintegy 50%-kal nagyobb hatékonyságot biztosít a villamos motornak, mint ami a hagyományos kerékmotorokkal elérhetõ. A 7 állandómágnes-pólusok alkalmazásának elõnye még, hogy fékezésnél áramvisszatermelésre is lehetõséget nyújt. A találmány szerinti 1 kerék elõnye továbbá, hogy a hajtásban nincs szükség mechanikus áttételezésre vagy differenciálmû alkalmazására. A találmány szerinti villamos hajtás nagyobb kerékfordulatszámok elérését is egyszerû eszközökkel lehetõvé teszi. A 3. ábrán egy, a találmány szerinti kerékfelfüggesztés van hosszmetszetben ábrázolva, amely kerékfelfüggesztés beépített motoros 100 kormánymûvel van kialakítva. A 100 kormánymû 103 motorjának forgórészére 101 bordás tengely van csatlakoztatva, amely 102 bordákkal kialakított 101 bordás tengely 104 bordás hüvellyel van nyomatékátvivõ kapcsolatban, benne hosszirányban mozgathatóan megvezetve. A 104 bordás hüvely a 103 motor állórészét is tartó 107 kormánymûházban hossztengelye mentén elfordíthatóan van elrendezve. A csaknem függõlegesen álló 104 bordás hüvely alsó végén 105 tengelyház van rögzítve, amely 105 tengelyházban vízszintes irányú 106 keréktengely van csapágyazva (amely megegyezhet az 1–3. ábrák szerinti 5 tengelycsonkkal). A kerékfelfüggesztés a 107 kormánymûház felfogó- 108 szerelvényénél fogva van fixen (két, kúpos csappal megvalósított, oldható kapcsolattal) a jármû alvázához vagy más fedélzeti eleméhez rögzítve. A 107 kormánymûház és a benne elfordítható és hosszirányban csúsztatható 104 bordás hüvely között 109 rugó van el-
5
10
15
20
25
30
35
40
45
2
rendezve, amely 109 rugó a 104 bordás hüvelyt lefelé nyomja a 107 kormánymûházhoz (a jármû fedélzetéhez) képest. A 109 rugó egy, a 107 kormánymûházat körülvevõ spirálrugó, amelyet kívülrõl teleszkopikus 112 burkolat takar. A rugó által lefelé kinyomott 104 bordás hüvely útját a teleszkopikus 112 burkolat alsó és felsõ 113, 115 burkolatelemének összeakadó pereme határolja. A túlterhelés miatt a rugó ellenében teljesen összenyomott futómû rugóútjának végén O gyûrû szolgál ütközõként, amely, a 104 bordás hüvely alsó peremén felfekvõ O gyûrûre ráüthet a 107 kormánymû ház alsó pereme. Az alsó és belsõ 115 burkolatelem peremében porvédõ 114 zárógyûrû van elrendezve, de a 112 burkolat megfelelõ helyén levegõnyílások vannak kialakítva. A 100 kormánymû mechanikus áttétellel szükség szerint ellátott, villamos 103 motorjának aktiválásával a 101 bordás tengely meghatározott szöggel elfordul, magával viszi a 104 bordás hüvelyt, amely elfordítja a 105 tengelyház tengelyirányát, és vele a 106 keréktengely tengelyirányát. A 100 kormánymû el van látva kormányszögadóval, amely egy központi vezérlésnek visszajelzi a forgatással elért irányszöget. A 100 kormánymûvel ellátott kerékfelfüggesztésnek a központi vezérléssel kapcsolattartásra alkalmas adatátviteli eszköze is van, amely elõnyösen adatátvivõ optikai eszköz. A rugózott kapcsolat a 107 kormánymûház és a 104 bordás hüvely között, lehetõvé teszi a kerékfelfüggesztés hosszváltozásait, a 106 keréktengelyre szerelt szabadonfutó vagy motoros 1 kerék rugózását. A 104 bordás hüvellyel együtt mozgó 105 tengelyház elõnyösen a találmány szerinti motoros 1 kerék rögzítésére alkalmas kerékfelfogó B5 felülettel rendelkezik. A 106 keréktengely kerékkel ellentétes végére féktárcsa szerelhetõ. A 106 keréktengely rendelkezhet továbbá szabadonfutó (nem motoros) kerék felfogására alkalmas kerékfelfogó felülettel. A kerékfelfüggesztés kiegészíthetõ háromszögletû támasztókarral, amely az erõk támadáspontját áthelyezi, áttételezi. Ily módon egy 1500 kg terhelésre megfelelõ rugó 4000 kg rugózására is alkalmassá tehetõ. A motoros 1 kerék villamos motorjának és egy jármû kerekei összehangolásának, valamint kormányzásának elektronikus vezérlését az alábbiakban ismertetjük. Egy villamos hajtású jármû vagy más, motoros 1 kerékkel rendelkezõ eszköz vezérlése moduláris egységekbõl épül fel, amely moduláris egységek egy része az 1 kerékben, más része a 100 kormánymûben, további része a jármû fedélzetén lehet elrendezve.
50 1. Teljesítménymodulok Ilyen teljesítménymodulok az 1 kerékben a 9 tekercsek áramát átengedõ teljesítményfokozatok és a 100 kormánymû 103 motorjának áramát átengedõ tel55 jesítményfokozat. A teljesítménymodulok IGBT félvezetõvel (szigetelt kapus bipoláris tranzisztor) vannak megvalósítva, mert ezek az eszközök rendkívül megbízhatóak, és kis disszipációjúak. Az 1 kerék 9 tekercsei három fázisnak megfelelõ három csoportba van60 nak rendezve, mindegyik 9 tekercs áramát két-két telje5
1
HU 226 516 B1
sítménymodul szolgáltatja. A teljesítménymodulok vezérlését 2. fázisáram-vezérlõk látják el, amely fázisvezérlõre van csatlakoztatva a fázis 9 tekercseinek mindkét teljesítménymodulja. A fázisvezérlõ bemenetére a fázisáramot érzékelõ árammérõ-érzékelõ van csatlakoztatva, amely elõnyösen egy, a fázisáram által keltett mágneses fluxust érzékelõ Hall-elem. A teljesítménymodulok galvanikusan el vannak választva a fázisvezérlõtõl. Ezt az összeállítást a továbbiakban 4Q modulnak is fogjuk nevezni. Fázisonként tehát egy-egy fázisvezérlõ, tekercsenként egy-egy 4Q modul van az 1 kerékben.
5
10
15 3. Vektorgenerátor Az 1 kerék 4Q moduljai közvetve egy kerékvezérlõ vektorgenerátorra vannak csatlakoztatva, amely kerékvezérlõ is be van építve az 1 kerékbe. A vektorgenerátor a szinkronmotor nyomatékát meghatározó mágnesestér-vektorokat generál, azaz a 9 tekercsek áramának idõzítését vezérli. A vezérlés alapjául egy kódadóként kialakított szöghelyzet-érzékelõ jel szolgál, amely jel az elektromágneses pólusok és a 6 forgórész 7 állandó mágnesei relatív pillanatnyi helyzetét jelzi. A kódadó szinuszos jelébõl a fordulatszám és a megtett fordulatok száma (úthossz) is kikalkulálható. A vektorgenerátor egy mikroprocesszort és egy logikai modult tartalmaz, amely logikai modul elõnyösen egy FGPA (térben programozható logikai kapurendszer), amely kapurendszer optikai szálas kábelen át programozható. Ez azt jelenti, hogy az átprogramozás rendkívül egyszerû, és megfelelõ távkapcsolattal (telefon, internet) az üzemelõ eszközön is végrehajtható. Az átprogramozás kiterjedhet a motor tekercseinek átcsoportosítására is. Ha például egy tekercs meghibásodik, az kiiktatható az áramellátásból, és a tekercsek átcsoportosíthatók úgy, hogy a motor üzemképes maradjon. A vektorgenerátor alkotja a kerékmotor hajtásának operatív rendszerét. Ennek mérõrendszerét alkotják az árammérõ-érzékelõk és a szöghelyzet-érzékelõ. A vezérlés fenti három fokozata az 1 kerékbe van beépítve. 4. A központi vezérlõ számítógép a keréken vagy kerekeken kívül, jellemzõen a motoros kerekekkel ellátott jármû fedélzetén van elrendezve, és a kerekekkel optikai adatbuszon át (ORDABUL=optical ring data bus line) adatátviteli kapcsolatban van. Ez a számítógép egy teljesen automatizált, önvezérlõ jármû, munkagép vagy más eszköz kormányzására és minden funkciójának vezérlésére is alkalmas lehet. Ilyen funkciók többek között a megtett út mérése, a sebességszabályozás, az akadályok érzékelése és leküzdése, és az automatikus hibajavítás, mentõprogram végrehajtása. A vezérlõrendszer moduláris felépítése egyszerû diagnosztikával a hiba helyének meghatározását lehetõvé teszi, és a hibás modul cseréje után nem szükséges beállítási mûveleteket végezni ahhoz, hogy az egész rendszer összehangoltan mûködjön.
20
25
30
35
40
45
50
55
60 6
2
Az ismert és a találmány szerinti kerékmotor közötti lényeges különbség, hogy a találmány szerint a motor tekercsei három csoportba vannak osztva, amely csoportokba 30¹30 tekercs tartozik. Ezek a tekercsek egymástól villamosan el vannak választva, és minden tekercshez egy-egy 4Q modul tartozik. A 4Q modulok közös tápforrásra vannak kapcsolva, más galvanikus kapcsolatuk egymással nincs. Ebbõl az elrendezésbõl számos elõny származik. 1. A 3 fázisú hajtásból csak két fázist szükséges szabályozottan vezérelni, a harmadik fázis vezérlése levezethetõ a két másikból. Ez a vezérlést egyszerûsíti, és egy modul hibája kevésbé befolyásolja a többiek mûködését, nem okozza a hibák halmozódását. 2. Az áramelosztás úgy szabályozható, hogy mindegyik tekercs egyforma mágneses fluxust létesítsen. Így kiküszöbölhetõ a tekercsek és vasmagrészek eltéréseibõl adódó egyenetlenség a tekercsek árama által kifejtett nyomatékban. 3. Mindegyik tekercs mágneses hibája kompenzálható a vektorgenerátor által végzett, elektronikus kalibrálással. 4. Ha kiesik egy 4Q modul vagy egy tekercs zárlatossá válik, a motor mûködõképes marad. A hibás egység egy biztosító vagy relé kioldásával leválasztható a mûködõ rendszerrõl, a kerék hajtása továbbra is mûködõképes mind hajtás, mind fékezés üzemmódban. A vezérlés rendszerének tömbvázlata a 4. ábrán van feltüntetve. Az ábrán az 1 kerék, a 100 kormánymû elektronikus egységei, és a jármû fedélzetén elrendezett egységek, így központi 200 számítógép, 300 teljesítményvezérlõ egység tápforrással, leginkább akkumulátorteleppel, tüzelõanyag-cellával vagy napelemmel, továbbá egy állapot- és adatkijelzõ 400 képernyõ a kezelõ számára és 500 kezelõszervek vannak feltüntetve. A 200 számítógép adatátviteli kapcsolatban van, elõnyösen száloptikás kábelen át, a motoros 1 kerekekkel és a kormányzott kerekek 100 kormánymûvével. A 200 számítógépnek más érzékelõi is vannak, amelyek a környezetrõl (akadályról, jármûpozícióról, belsõ klimatikus viszonyokról stb.) informálják õt. A motoros 1 kerék legalább harminc 9 tekercse három csoportba van osztva, három fázisnak megfelelõen. A 9 tekercsekhez csoportonként tartozik egy-egy, két IGBT¹t tartalmazó 32, 32/I, 32/II fázisáram-vezérlõ és egy-egy 30, 30/I, 30/II fázisáram-érzékelõ. Az 1 keréknek egy 31 szöghelyzet-érzékelõje van, amely az állórész és forgórész pólusainak relatív helyzetét érzékeli és adja a megfelelõ 32, 32/I, 32/II fázisáram-vezérlõ egyik vezérlõbemenetére. A 30, 30/I, 30/II fázisáramérzékelõk elõnyösen Hall-érzékelõk, amelyek a tekercs árama által keltett mágneses térerõsséget érzékelik. Egy 33 kerékvezérlõ (vektorgenerátor) mindhárom 32, 32/I, 32/II fázisáram-vezérlõt vezérli a 31 szöghelyzetérzékelõ jele alapján, a megkívánt teljesítmény és üzemmód függvényében. A teljesítmény optimalizálása az áram megfelelõ szöghelyzetben történõ engedélyezésével történik. A motoros 1 kerék 33 kerékvezérlõjének kimenetét 34 adatátviteli eszköz alkotja, amely elõnyösen egy száloptikai kábel, és amely az 1 kerék és a
1
HU 226 516 B1
központi 200 számítógép közötti, adatátviteli kapcsolatot biztosítja. A 100 kormánymû egyfázisú hajtása hasonló egységekbõl, hasonló kapcsolatokkal van felépítve, mint az 1 kerék háromfázisú hajtása. Az 5A. és 5B. ábrán egy motoros 1 kerekekkel és négykerék-kormányzással szerelt villamos hajtású eszköz (jármû) van vázlatos felülnézetben és oldalnézetben feltüntetve. A jármû 1 kerekei az 1. és 2. ábra szerinti kialakításúak, a négykerék-kormányzás 100 kormánymûvel a 3. ábra szerinti kialakításúak, és az összehangolt vezérlés a 4. ábrán vázolt megoldású. A jármû fedélzetén van elrendezve a központi 200 számítógép és a 300 teljesítményvezérlõ egység egy villamos tápforrással együtt. A 6. ábrán egy folyadékhûtésû motoros 1 kerék van metszetben ábrázolva. A már említett rajzjelek jelentése megegyezik az 1. és 2. ábra szerintivel. A folyadékhûtés vízkörének be¹ és kimenõ- 130 csõcsatlakozói a kerék A nyíl szerinti, jármû fedélzete felõli oldalon vannak kialakítva. A hûtõfolyadék 131 hûtõtere elõnyösen a tekercseket körülvevõen van kialakítva, és vízzáróan el van szigetelve az elektronikus áramköröket befogadó 132 tértõl. Célszerûen a motoros keréknek mechanikai nyomatékot mérõ eszköze és a mechanikai nyomatékot a motor által felvett villamos teljesítménnyel összehasonlító eszköze van. A találmány szerinti megoldás másrészt olyan motoros kerék jármûhöz, amelynek több mint nyolc pólusú, három vagy több fázisú DC szinkronmotorja van.
5
10
15
20
25
30
SZABADALMI IGÉNYPONTOK 1. Motoros kerék (1), amely kerékben van elrendezve egy villamos motor (9), a villamos motor teljesítményvezérlõ elektronikája (20) és ennek mérõérzékelõi, továbbá a vezérlõelektronika (20) és a kerék és környezete közötti adatátviteli eszköz (34), azzal jellemezve, hogy az adatátviteli eszköz (34) legalább egy másik, hasonló kerék (1) kerékvezérlõjével (33) mérõ- és vezérlõadatok cseréjére alkalmasan van kialakítva, amely kerékvezérlõ (33) elektronikájának (20) központi vezérlõegység jelével átkapcsolható „master” és „slave” üzemmódja van. 2. Az 1. igénypont szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy a motornak állandó mágnesekkel (7) ellátott forgórésze (6) van, amely forgórész (6) tengelycsonkhoz (5) képest csapágyazott keréktárcsa (3) belsõ terében, a keréktárcsához (3) koncentrikusan van rögzítve, a motor tekercsekkel (9) szerelt állórésze a forgórészen (6) belül van elrendezve, és a tengelycsonkhoz (5) képest rögzítve van. 3. A 2. igénypont szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy a motor állórésze legalább két, villamosan és fizikailag önálló csoportra van osztva, csoportonként legalább két tekerccsel (9), amely tekercsek (9) egyedi fázisáram-vezérlõkkel (32, 32/I, 32/II) és árammérõ-érzékelõkkel (30, 30/I, 30/II) rendelkeznek, amely egyedi fázisáram-vezérlõk (32, 32/I, 32/II) a kerékben
35
40
45
50
55
60 7
2
(1) elrendezett kerékvezérlõvel (33) vannak jelátviteli kapcsolatban. 4. Az 1–3. igénypontok bármelyike szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy az adatátviteli eszköz (34) adatátvivõ optikai eszköz. 5. Az 1–4. igénypontok bármelyike szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy az adatátviteli eszköz (34) egy legalább kétkerekû eszközön, a keréken (1) kívül elrendezett központi számítógépre (200) csatlakoztatható módon van kialakítva. 6. Az 1–5. igénypontok bármelyike szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy mindegyik tekercs (9) áramát egyedileg szabályozó 4Q moduljai vannak. 7. Az 1–6. igénypontok bármelyike szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy a tekercsek (9) fázisáram-vezérlõi (32, 32/I, 32/II) kerékvezérlõre (33) vannak csatlakoztatva. 8. A 7. igénypont szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy a fázisáram-vezérlõk (32, 32/I, 32/II) árammérõ-érzékelõvel (30, 30/I, 30/II) rendelkeznek, és a kerék (1) szöghelyzet-érzékelõvel (31) rendelkezik. 9. A 8. igénypont szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy a szöghelyzet-érzékelõ (31) a fázisáramvezérlõkkel (32, 32/I, 32/II) összekapcsolt kerékvezérlõre (33) van csatlakoztatva. 10. Az 1–9. igénypontok bármelyike szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy kerékvezérlõ (33) az adatátviteli eszközön (34) át, a keréken (1) kívül elrendezett, központi számítógéppel (200) van összekapcsolva. 11. Az 1–10. igénypontok bármelyike szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy hûtõeszközzel van ellátva. 12. A 11. igénypont szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy aktív hûtõeszköze van. 13. A 12. igénypont szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy az aktív hûtõeszköz a kerékben kialakított ventilátor. 14. Az 1–12. igénypontok bármelyike szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy vízhûtésre alkalmasan van kialakítva. 15. A 2–14. igénypontok bármelyike szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy a vezérlõ elektronikájának (20) hõtermelõ alkatelemei hûtõtesttel vannak ellátva, amely hûtõtest hõcserélõ kapcsolatban van a motor állórészével. 16. Az 1–15. igénypontok bármelyike szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy mechanikai nyomatékot mérõ eszköze és a mechanikai nyomatékot a motor által felvett villamos teljesítménnyel összehasonlító eszköze van. 17. Az 1–16. igénypontok bármelyike szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy a vezérlõ elektronikájának (20) teljesítményigénytõl vagy keréksebességtõl függõen átkapcsolható „master” és „slave” üzemmódja van. 18. A 17. igénypont szerinti motoros kerék, azzal jellemezve, hogy egy legalább kétkerekû eszköz legkisebb teljesítményigényû kerekeként (1) „master” üzemmódba kapcsolható módon van kialakítva.
1
HU 226 516 B1
19. Jármûegység legalább két motoros kerékkel, azzal jellemezve, hogy a jármûegység 1–18. igénypontok bármelyike szerinti motoros kerekei (1) adatátviteli eszközökön (34) át központi számítógéppel (200) vannak összekapcsolva. 20. Jármû motoros kerékkel, azzal jellemezve, hogy az 1–18. igénypontok bármelyike szerinti motoros kerekei (1) a jármû fedélzetén elrendezett központi számítógéppel (200) és tápegységgel vannak összekapcsolva. 21. Eljárás az 1–18. igénypontok bármelyike szerinti motoros kerekek forgásának koordinálására, központi számítógéppel, azzal jellemezve, hogy az egyes motoros kerekek (1) tekercseinek (9) áramát mágnesestérerõ-méréssel érzékeljük, a kerék (1) pólusainak relatív szöghelyzetét és a fordulatszámot szöghelyzet-ér-
2
zékelõvel (31) érzékeljük, és ezekkel az adatokkal fázisáram-vezérlõkben (32, 32/I, 32/II) és kerékvezérlõben (33) kerekenként önállóan vezéreljük a tekercsek (9) táplálását, a különbözõ motoros kerekek (1) vezér5 lését a központi számítógéppel (200) összehangoljuk. 22. A 21. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az egyes motoros kerekektõl (1) kapott információkat összehasonlítjuk, és az összehasonlítás eredménye alapján vezéreljük a kerekek (1) kerékve10 zérlõit (33), „master” üzemmódba állítva azt a kereket (1), amelynek pillanatnyilag legkisebb a teljesítményigénye, és „slave” üzemmódba állítva a többi kereket (1). 23. Az 1–18. igénypontok bármelyike szerinti moto15 ros kerék, azzal jellemezve, hogy több mit nyolc pólusú, három vagy több fázisú DC szinkronmotorja van.
8
HU 226 516 B1 Int. Cl.: B60K 7/00
9
HU 226 516 B1 Int. Cl.: B60K 7/00
10
HU 226 516 B1 Int. Cl.: B60K 7/00
11
HU 226 516 B1 Int. Cl.: B60K 7/00
12
HU 226 516 B1 Int. Cl.: B60K 7/00
13
HU 226 516 B1 Int. Cl.: B60K 7/00
Kiadja a Magyar Szabadalmi Hivatal, Budapest Felelõs vezetõ: Törõcsik Zsuzsanna Windor Bt., Budapest
