ITPR20130101A1 - Sistema moto-riduttore per veicoli a due e tre ruote installabile coassialmente al movimento centrale del mezzo e veicolo comprendente detto sistema - Google Patents

Sistema moto-riduttore per veicoli a due e tre ruote installabile coassialmente al movimento centrale del mezzo e veicolo comprendente detto sistema

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ITPR20130101A1
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Description

DESCRIZIONE
TITOLO: SISTEMA MOTO-RIDUTTORE PER VEICOLI A DUE E TRE RUOTE INSTALLABILE COASSIALMENTE AL MOVIMENTO CENTRALE DEL MEZZO E VEICOLO COMPRENDENTE DETTO SISTEMA
CAMPO DI APPLICAZIONE DELL’INVENZIONE
Il presente trovato si inserisce nel campo dei sistemi di propulsione elettrica di veicoli a due o tre ruote, in particolare biciclette o tricicli.
STATO DELL’ARTE
Fino a qualche anno fa, i motori elettrici per biciclette elettriche venivano tipicamente installati nel mozzo delle ruote ( chiamati “HUB motors” o “HUB diretto” o “motoruota”) , in modo da sfruttare uno spazio non diversamente utilizzato e a causa del volume richiesto per questi motori.
Col passare degli anni questi motori hanno iniziato a mostrare i loro limiti. Infatti, trattandosi tipicamente di motori brushless a rotore esterno coi magneti direttamente fissati al mozzo della ruota e senza stadi di riduzione, i motori assorbivano molta corrente per produrre la coppia necessaria. Inoltre la carenza di coppia impedisce alle biciclette elettriche di affrontare salite accentuate ( es: superiori al 20% di pendenza).
Successivamente, per ovviare a questo problema, sono stati introdotti motori brushless in cui l’accoppiamento col mozzo della ruota non era più diretto, ma il moto era ridotto attraverso stadi epicicloidali (es EP2 308 436 A1). Tali stadi epicicloidali vengono posti lateralmente alla parte attiva del motore, in modo coassiale. Questo accorgimento permette di ridurre le dimensioni e gli ingombri ( e quindi i costi) rispetto ai motori senza stadi di riduzione, grazie al fatto che i motori, potendo ruotare a velocità superiori ( as esempio 1000 – 2000 giri al minuto) richiederanno una coppia motrice inferiore a parità di potenza erogata e, conseguentemente, correnti negli avvolgimenti inferiori.
Tale configurazione del motore posto sul mozzo con uno o due stadi di riduzione epicicloidali viene comunemente definita “HUB epicicloidale” e comporta alcuni svantaggi. Il primo svantaggio è che il volume d’ingombro degli stadi epicicloidali sottrae spazio prezioso alla parte attiva del motore, quella cioè destinata a produrre energia (statore, rotore, avvolgimento). Il secondo svantaggio è che la trasmissione, seppur ridotta, può contare su di un singolo rapporto di riduzione fisso, e quindi il motore è costretto ad operare entro un vasto intervallo del regime rotazionale ( es: da 0 a 2000 giri al minuto) discostandosi di molto, e per la maggior parte del tempo, dal regime che garantisce la massima efficienza.
L’ingombro assiale del mozzo posteriore di una bicicletta è limitato (inferiore nella maggior parte dei casi a 150 mm). La soluzione del motore con stadi epicicloidali si trova a dover ripartire tale ingombro limitato tra i rocchetti delle corone, gli stadi epicicloidali e la parte attiva del motore ( statore, avvolgimento, rotore). Occorre tener presente inoltre che il sistema epicicloidale impiegato in tale soluzione pone un limite al rapporto massimo di riduzione ottenibile a causa degli ingombri ridotti, che solitamente si attesta tra il 3:1 e 5:1 per ogni stadio di riduzione.
Questi fattori combinati fanno sì che tale sistema, seppur migliorativo, non riesca ancora a sfruttare appieno le potenzialità intrinseche del motore elettrico. Il motore elettrico , infatti, offre tendenzialmente rapporti peso/potenza, ingombro/potenza ottimali in un range dai 2000 ai 4000 giri al minuto, che tale sistema non riesce a raggiungere. Considerando infatti che tipicamente la ruota posteriore di una bicicletta elettrica compie dalle 60 alle 300 rivoluzioni al minuto a velocità massima, i rapporti di riduzione richiesti dovrebbero essere nel range di 6:1 – 66 :1. Tali rapporti sono difficilmente ottenibili con uno stadio o più di riduzione epicicloidale, compatibilmente i vincoli d’ingombro del mozzo posteriore della ruota della bicicletta e le coppie trasmesse richieste.
Per superare questa barriera, recentemente hanno fatto la loro comparsa i sistemi “a movimento centrale” in cui il motore elettrico non è più installato sul mozzo della ruota, ma bensì in prossimità del movimento centrale della bicicletta stessa, trasmettendo così la coppia erogata, tramite ingranaggi a ruote dentate o trasmissioni con catene, alle corone dentate su cui s’impegna la catena della bicicletta .
Questa configurazione ( chiamata in inglese “mid-drive” o “crank drive”) offre il vantaggio di poter far ruotare il motore ad un numero di giri più vicino a quello ottimale ( 2000 – 4000 giri al minuto) e di contare su un successivo stadio di riduzione/moltiplica ( quello della bicicletta stessa, composto da una o più corone dentate, catena di trasmissione e uno o più rocchetti dentati solidali al mozzo della ruota posteriore a cui faremo riferimento col termine ‘ trasmissione secondaria’ 302) che permette di mantenere il motore elettrico nel range di rotazione prossimo alla massima efficienza.
Questi vantaggi si traducono in motori dalle dimensioni più ridotte, minori consumi di corrente e quindi maggiore autonomia a parità di pacco batteria (es: EP2615023 (A1) ― 2013-07-17 , WO2008120311 (A1))
Tuttavia la configurazione “Mid drive” porta con sé alcuni svantaggi: la complessità rispetto ai motori posizionati sul mozzo è aumentata, così come ingombri e peso richiesti dal sistema di trasmissione primario ( che trasmette il moto dal motore elettrico al movimento centrale della bici), che impongono la ricerca di nuove soluzioni per il posizionamento del gruppo motoretrasmissione.
Le migliori soluzioni attualmente esistenti cercano un compromesso tra le necessità contrastanti di ottenere ingombri minimi ( e compatibili con l’utilizzo quotidiano della bicicletta) ed elevata coppia disponibile alla ruota ( che richiede l’impiego o di motori o di trasmissioni primarie di dimensioni maggiori), ovviamente cercando di minimizzare i costi.
Il brevetto citato precedentemente (EP2615023 ) e altri (es: DE102011089559 ) puntano su rapporti primari di riduzione elevati per ottenere elevata coppia disponibile, a discapito degli ingombri. Accettando quindi lo svantaggio di avere volumi d’ingombro della bicicletta fuori sagoma aumentati considerevolmente, si offre il vantaggio di un sistema di propulsione elettrica che garantisce elevata coppia in concomitanza con un’elevata efficienza. Alcuni di questi sistemi introducono un’altra limitazione alla loro diffusione: necessitano di una bicicletta che abbia un telaio creato appositamente per accogliere i dispositivi. Mentre chiunque può installare sulla propria bicicletta tradizionale un motore posto sul mozzo della ruota posteriore, trasformandola così in una bicicletta elettrica, ora non è più possibile convertire una bicicletta esistente con questi sistemi.
Altri sistemi (es: EP2463189 A1 e EP1144242 (A1) ― 2001-10-17) ricercano gli ingombri contenuti alloggiando il motore coassialmente al movimento centrale, tra i pedali della bicicletta. Questo evita masse fuori sagoma, ma introduce nuovamente il vincolo d’ingombro assiale del gruppo motore, proprio come per il sistema moto-ruota, esaminato all’inizio di questa sezione. Infatti questi sistemi devono garantire ingombri assiali e radiali contenuti (esempio assialmente inferiori ai 100 mm e radialmente inferiori ai 200mm), che impediscono l’ottenimento di alti rapporti di riduzione primaria (motore – corona pedali) a causa degli ingombri richiesti da eventuali stadi epicicloidali, e quindi non rendendo possibile l’erogazione di elevate coppie alla ruota. Per questo motivo alcuni costruttori presentano soluzioni in cui si riducono gli ingombri del motore compensando con stadi di riduzioni epicicloidali (US6296072), configurazione nota col nome di “Mid drive epicicloidale” ad altri che puntano sul massimizzare le dimensioni del motore, escludendo la riduzione primaria e/o utilizzando la configurazione a flusso assiale (EP2562071 A1) priva di stadi di riduzione similari a quelli oggetto della presente invenzione.
Nei tentativi di unire i vantaggi del motore coassiale con più stadi di riduzione epicicloidale (es: EP2463189 A1 e US6296072), la potenza massima è limitata dalle dimensioni contenute degli elementi attivi del motore ( diametro del rotore, lunghezza assiale del pacco statorico, volume delle testate d’avvolgimento) che devono coesistere con gli stadi epicicloidali e dalla coppia massima sopportabile delle ruote dentate con limitati ingombri assiali.
La maggior parte dei motori analizzati in questa breve trattazione ha potenze massime limitate a 250W. Il vincolo di potenza massima non ha mai rappresentato un grosso problema in quanto nella maggior parte d’Europa la legge impediva alle biciclette elettriche di erogare potenze superiori. Col crescente interesse rivolto alle biciclette elettriche da parte di Paesi in cui i limiti legali di potenza delle biciclette elettriche sono superiori ( esempio USA dove il limite di potenza massima erogabile da una bici elettrica è di 750W) e la legge Europea che autorizza la vendita di bici elettriche di potenza superiore per uso diverso da quello su strade pubbliche, il vincolo di potenza massima ottenibile diviene sempre più penalizzante.
Occorre far presente che alcuni dei sistemi descritti in precedenza possono arrivare ad erogare, per brevi periodi, potenze anche superiori ai 250W (es: 1000W) , ma il rendimento e quindi l’autonomia ne sarebbero fortemente penalizzate.
ESPOSIZIONE E VANTAGGI DEL TROVATO
Un primo scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione della tecnica un sistema di propulsione di in grado di ottenere un elevato livello di efficienza del motore nelle svariate situazioni (esempio superiore all’80% con velocità moderata su terreno pianeggiante, velocità moderata su salite accentuate, velocità elevata su terreno pianeggiante, velocità elevata su pendenze accentuate) sfruttando un sistema centrale rispetto al veicolo (comunemente definito in inglese “mid-drive ”), al fine d’ottenere un’autonomia del veicolo superiore.
Altro scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione della tecnica un sistema di propulsione di in grado di fornire al veicolo elettrico la coppia motrice necessaria per affrontare salite accentuate ( es: superiori al 30% di pendenza) tramite un elevato rapporto di riduzione primaria.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione della tecnica un sistema di propulsione di in grado ottenere il massimo rapporto coppia/volume del sistema minimizzando gli ingombri della trasmissione primaria.
Altresì scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione della tecnica un sistema di propulsione di in grado di ottenere il massimo rapporto potenza/peso del sistema, sfruttando al meglio le caratteristiche del motore elettrico.
Detti scopi e vantaggi sono tutti raggiunti dal sistema motoriduttore elettrico per veicoli a due e tre ruote (es: bicicletta elettrica , scooter elettrico, triciclo) installabile coassialmente al movimento centrale del mezzo stesso, oggetto del presente trovato, che si caratterizza per quanto previsto nelle sotto riportate rivendicazioni.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
Questa ed altre caratteristiche risulteranno maggiormente evidenziate dalla descrizione seguente di alcune forme di realizzazione illustrate, a puro titolo esemplificativo e non limitativo nelle unite tavole di disegno.
- Figura 1 e 2: illustrano due viste del sistema oggetto del trovato in configurazione di installazione, interna al telaio, del motore “mid-drive” di un mezzo a due ruote,
- Figura 3: illustra lo schema esemplificativo di applicazione per configurazione interna al movimento centrale - Figura 4: illustra la schematizzazione del funzionamento del riduttore caratterizzante la trasmissione primaria,
- Figura 5: illustra lo schema esemplificativo di applicazione per configurazione esterna al movimento centrale, - Figura 6: è un esempio di realizzazione costruttiva per configurazione interna al movimento centrale (vista sezionata in pianta),
- Figura 7: è un esempio di realizzazione costruttiva per configurazione esterna al movimento centrale (vista sezionata in pianta),
- Figura 8: illustra un esempio di realizzazione costruttiva del dispositivo per la trasmissione unidirezionale del moto (es. giunto di sopravanzo o sistema ruota libera)
- Figura 9: è un esempio di realizzazione costruttiva per configurazione esterna al movimento centrale (vista sezionata in assonometria )
- Figura 10: illustra il volume fittizio in cui è racchiusa totalmente o parzialmente almeno una delle ruote dentate del riduttore
- Figura 11: illustra il sistema oggetto del trovato in configurazione esplosa,
- Figura 12: illustra una vista del sistema oggetto del trovato in configurazione di installazione esterna al movimento centrale
- Figura 13: illustra un grafico comparativo delle performance delle tecnologie esistenti rispetto all’oggetto della presente invenzione
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Prima di descrivere nel dettaglio il trovato occorre preliminarmente fare alcune osservazioni.
Facendo considerazioni di carattere generale, per aumentare la potenza ( coppia * velocità) di un motore elettrico occorre aumentarne coppia e/o velocità. La coppia è funzione esponenziale del diametro del rotore, con esponente di circa 2,5 , mentre la velocità ottimale è dai 2000 ai 3000 giri: oltre tale regime si verificano consistenti perdite per isteresi nel lamierino (proporzionali al quadrato della frequenza di eccitazione degli avvolgimenti ) che innalzano la temperatura del motore, facendo conseguentemente aumentare la resistenza del filo di rame dell’avvolgimento, facendo così scadere rapidamente l’efficienza del motore.
Per ottenere la massima coppia dal motore, a parità di lunghezza del pacco statorico, dobbiamo quindi avere un rotore dalle dimensioni massime. La coppia prodotta da un motore brushless è infatti funzione esponenziale del diametro del rotore per l’aumento del braccio della forza elettromagnetica prodotta e per l’incremento della superficie disponibile per accogliere i magneti. Questo aumento delle dimensioni del rotore è tuttavia in contrapposizione con la necessità d’avere ingombri ridotti.
Per ottimizzare il rapporto coppia motrice/volume la presente invenzione sfrutta i motori brushless a rotore esterno ( detti anche “outrunner”) o ,alternativamente, i motori brushless a “flusso assiale”.
Nella prima tipologia di motori il rotore è esterno allo statore, per cui a parità di ingombro radiale ed assiale, riescono ad erogare coppie superiori (di un fattore che varia da 2 a 4).
Nella seconda tipologia di motore il rotore è costituito da un disco piatto, affiancato assialmente allo statore, sul quale disco sono alloggiati magneti piani aventi forma di settori circolari ( rif. EP 2562071 A1).
La tipologia di motore a flusso assiale è così chiamata perché, al contrario della prima tipologia “outrunner” in cui il flusso concatenato dello statore scorre perpendicolarmente all’albero motore, nei motori a flusso assiale il flusso scorre parallelamente all’albero motore.
Entrambe le tipologie permettono d’avere un rotore dalle dimensioni superiori al diametro interno statorico, e quindi di ottimizzare il rapporto coppia motrice/volume.
Per semplicità di trattazione illustreremo l’invenzione nella sola tipologia di motore “outrunner” a flusso radiale che rappresenta maggiore complessità.
Tuttavia la protezione richiesta si estende anche alla versione a flusso assiale. In altri termini, nel proseguo si citerà il motore “outrunner” intendendo entrambe le tipologie di motori (sia a flusso radiale sia a flusso assiale) vale a dire caratterizzate dal fatto che il massimo diametro rotorico su cui sono alloggiati i magneti permanenti è superiore al massimo diametro della massima cavità statorica.
Per un dato motore elettrico la coppia è funzione lineare della corrente assorbita: la capacità intrinseca della presente invenzione di erogare coppie superiori implica una minore richiesta di corrente da parte delle batterie. Minore corrente significa una più elevata efficienza in quanto si avranno minori perdite resistive nell’avvolgimento (proporzionali al quadrato della corrente, secondo la nota legge di Joule).
In termini di densità di potenza, ossia rapporto potenza per unità di volume, e di densità di coppia, ossia rapporto coppia motrice per unità di volume, la presente invenzione integra i vantaggi dell’architettura “outrunner” del motore elettrico ad un sistema di riduzione primaria estremamente compatto, che viene descritto in seguito.
Il sistema moto-riduttore per veicoli elettrici a due e tre ruote, oggetto del trovato è illustrato nelle figure allegate.
Esso è del tipo installabile coassialmente al movimento centrale del veicolo stesso.
Comprende un gruppo motoriduttore formato da:
a. uno statore 12 fisso, solidale al telaio 1 del mezzo, e costituito da una pluralità di lamierini opportunamente sagomati al fine di alloggiare una pluralità di avvolgimenti 21 b. un albero 9 su cui sono alloggiate coppie rotoidali che supportano e su cui ruotano coassialmente almeno
c. una corona dentata 22 e
d. un rotore 11 avente il diametro medio su cui sono alloggiati i magneti 24 ,superiore al massimo diametro interno statorico, ovvero alla massima misura della cavità statorica nel caso in cui essa non sia circolare, a sua volta, il rotore è costituito da:
i. una corona rotorica 50 su cui sono fissati, ii. una pluralità di magneti permanenti 24, supportata da,
iii. una flangia rotorica 14, anche detta nel seguito porta-satelliti o portatreno; detta flangia rotorica 14 ruota coassialmente all’albero 9 e funge da porta satelliti in quanto su di essa sono vincolati tramite coppie rotoidali 54, c. una pluralità di satelliti 18 costituiti da ruote dentate 10 e 29 che s’ingranano all’interno di una pluralità di corone dentate interne 23 e 22 di cui:
i. almeno una è fissa
ii. almeno una è libera di ruotare coassialmente all’albero 9;
Dall’esempio di realizzazione di figura 3 si osserva che almeno una delle corone dentate interne 23 e 22 è parzialmente o totalmente contenuta nella porzione di spazio/volume, indicata con 401, di un cilindro avente superficie cilindrica tangente e coassiale alla cavità interna dello statore e le due basi poste in corrispondenza del massimo ingombro assiale, secondo la direzione dell’albero 9, identificato dal gruppo formato dall’unione di statore 12, avvolgimento 21 e rotore 11. Tale porzione di spazio 401 è messa in evidenza nell’esempio di realizzazione costruttiva in figura 10.
Inoltre, il sistema comprende uno o più dispositivi a scatto fisso o ruota libera 8 e 7 che consentono la trasmissione del moto solamente per un verso di rotazione reciproca di due elementi rotanti, di cui almeno uno trasmette il moto dalla corona mobile 22 alle corone dentate 2 della trasmissione secondaria 302.
I ruotismi epicicloidali sono i seguenti:
a. Z11 (23) bloccato
b. Il rotore 11 funge da porta treno, attraverso la flangia 14
c. Z12 (10) e Z21 (29) sono solidali a formare un satellite 18.
Il sistema è posizionato in modo simmetrico rispetto all’asse del veicolo (come illustrato nelle figure 1, 2, 3 e 6), o esternamente al movimento centrale (come illustrato nelle figure 5, 7, 9, 10 , 11 e 12).
Una carcassa fissa 15 che è collegata al telaio del mezzo 1 supporta lo statore 12.
Il gruppo motoriduttore è posizionato coassialmente al movimento centrale del veicolo o, ove il movimento centrale non sia presente, coassialmente alle corone dentate 2 della trasmissione secondaria.
Secondo due forme di realizzazione:
- l’albero 9 porta pedivelle 6 e 16, su cui, a loro volta possono essere alloggiati pedali 4, destinati a raccogliere la potenza muscolare umana erogata dalle gambe e/o dalle braccia; in tal caso almeno un dispositivo a scatto fisso o ruota libera 8 trasmette il moto dall’albero 9 alle corone dentate della trasmissione secondaria 302 - l’albero 9 non reca alcuna pedivella; in tal caso l’albero 9 può essere fissato solidalmente alla carcassa fissa 15. Alternativamente alle corone dentate 2 possono essere installati altri sistemi per la trasmissione del moto alla ruota, quali, a titolo esemplificativo ma non esaustivo: corone per cinghie dentate, corone per cinghie trapezoidali e/o piane, ruotismi per la trasmissione cardanica, ruotismi per la trasmissione idrostatica e ogni altro tipo di sistema per trasmettere il moto da un albero rotante ad una ruota.
Con particolare riferimento alla figura 4 si osserva che l’albero veloce d’ingresso (201) trasmette il moto al rotore (11) e quindi al porta treno (14) che fa ruotare il satellite (18) composto dai due ingranaggi solidali: il primo ingranaggio Z12 (10) del satellite ed il secondo ingranaggio del satellite Z21 (29).
Nella presente invenzione la corona interna Z11 (23) è fissa in quanto solidale alla carcassa fissa (15).
Il rotore (11) è direttamente posto in rotazione dal motore elettrico secondo le modalità meglio esplicate in seguito.
La ruota Z12 (10), a causa del trascinamento da parte della flangia rotorica 14 e dell’ingranamento corona interna fissa Z11 (23), è posta in rotazione attorno al proprio asse ed in rivoluzione attorno all’albero (201), facendo ruotare alla medesima velocità angolare anche la ruota Z21 (29) ad essa solidale.
Se le ruote hanno il medesimo modulo allora la ruota Z21 (29) ha un numero di denti differente dalla Z12 (10) e in tal caso imprime un moto rotatorio alla corona dentata Z22 (22) , la quale, a sua volta, trasmette il moto all’albero d’uscita (202).
Il rapporto di trasmissione τ del ruotismo così composto è dato dalla formula:
In cui z11, z21, z12 e z22 sono rispettivamente il numero di denti delle ruote Z11 (23), Z21 (29), Z12 (10) e Z22 (22), ESEMPIO 1
Sempre ipotizzando che tutte le ruote abbiano medesimo modulo e di avere:
Z11= 77
Z12= 21
Z21= 20
Z22= 76
Secondo la formula, risulta un rapporto di trasmissione di circa 0,035 . Facendo quindi ruotare il motore, e, di conseguenza, il porta satelliti (14) alla velocità di 4000 giri al minuto, risulta una velocità dell’albero d’uscita (202) di circa 4000 x 0,035 = 140 rivoluzioni al minuto.
Il rapporto di riduzione primario così ottenuto è superiore a 4000/140= 28,5 a 1.
Quindi per ogni 28,5 rivoluzioni dell’albero primario (201) si ha una sola rivoluzione dell’albero d’uscita (202).
Tale configurazione abbina alla normale cadenza di pedalata ( dalle 70 alle 140 rivoluzioni al minuto) il range di massimo rendimento del motore ( dai 2000 ai 4000 rpm), ottimizzando così l’efficienza del sistema.
ESEMPIO 2
Sempre ipotizzando che tutte le ruote abbiano medesimo modulo e di avere:
Z11= 144
Z12= 42
Z21= 41
Z22= 143
Risulta un rapporto di trasmissione di circa 0,017.
Facendo quindi ruotare il motore, e, di conseguenza, il porta satelliti (14) alla velocità di 4000 giri al minuto, risulta una velocità dell’albero d’uscita (202) di circa 4000 x 0,017 = 68 rivoluzioni al minuto, quindi tra loro in rapporto di superiore a 4000/68= 58 a 1.
Quindi per ogni 58 rivoluzioni dell’albero primario (201) si ha una sola rivoluzione dell’albero d’uscita (202).
Paragonando il rapporto di riduzione ottenuto con la presente invenzione a quelli ottenibili tramite schemi epicicloidali convenzionali, a uno o più stadi, esposti nei brevetti US6296072 ( di circa 8:1 ) , EP20110187604 e EP2522567 A1 (di circa 1:4), ne risulta un incremento della coppia all’albero d’uscita superiore di un fattore variabile da 3 a 14 volte. Tale incremento di coppia è da imputarsi esclusivamente al maggior rapporto di riduzione ottenuto, e quindi non considera ancora gli effetti positivi dell’impiego della particolare conformazione del motore, meglio descritta in seguito.
La soluzione schematizzata in figura 4 permette di ottenere rapporti di riduzione paragonabili a quelli ottenibili con soluzioni non coassiali, pur consentendo ingombri molto più contenuti e maggiore efficienza della trasmissione stessa.
Oggetto della presente invenzione è la realizzazione di un gruppo moto-riduttore elettrico per veicoli bicicli e tricicli integrante l’efficacia del sistema di riduzione esposto sopra ed in FIG 4 in un motore elettrico di tipologia “outrunner”, eventualmente lasciando, al contempo, la possibilità all’utente di pedalare se desiderato, il tutto in una soluzione estremamente compatta e sempre al fine di ottenere gli scopi precedentemente indicati.
Detto gruppo moto-riduttore è schematicamente illustrato in FIG. 3, in una delle sue modalità applicative, nella fattispecie “configurazione interna al movimento centrale”: si evince che il portatreno 14 è prolungato in senso radiale fino a sostenere la corona rotorica che avvolge lo statore (12) ( su cui è avvolto l’avvolgimento 21) ed, al contempo, alloggia i magneti 24, espletando così la funzione di rotore “outrunner” del motore a magneti permanenti.
L’albero veloce d’ingresso (201) forma un corpo unico con il rotore 11 ed è cavo per permettere all’albero pedali 9 di attraversare la sezione del motoriduttore. 201 è libero di ruotare coassialmente a 9 per mezzo di supporti costituiti da coppie cilindriche o rotoidali (51) ( es: cuscinetti o bronzine) .
La ruota dentata interna Z11 (23) è, nella presente invenzione, fissa ed alloggiata coassialmente ed internamente allo statore 12, in modo che 23 e 10 siano totalmente o parzialmente contenuti nel cilindro solido fittizio (401) che ha la superficie cilindrica tangente e coassiale alla forma della cavità interna dello statore ( tipicamente chiamato diametro interno dello statore quando assume la classica sezione circolare) e che ha le due basi del cilindro in corrispondenza del massimo ingombro assiale, secondo la direzione dell’albero 9, del gruppo formato dall’unione di statore 12, avvolgimento 21 e flangia rotorica 14, come meglio illustrato in figura 10.
La prima parte del riduttore è così annidata, parzialmente o totalmente, all’interno dello statore al fine di ottenere notevole compattezza assiale del sistema.
L’elemento indicato con 15, carcassa fissa, è solidale al telaio del mezzo 1 con diversi accorgimenti a seconda che la configurazione sia interna o esterna al movimento centrale.
La corona Z22 (22) è anch’essa cava per permettere all’albero pedali 9 di attraversare la sezione del motoriduttore. La ruota 22 può ruotare coassialmente a 9 per mezzo di supporti costituiti da coppie cilindriche o rotoidali (52) ( es: cuscinetti o bronzine) e trasmette il moto al gruppo porta-corone 41 per mezzo di un dispositivo che consente la trasmissione del moto unidirezionale 7 (es. giunto di sopravanzo o sistema ruota libera, di cui una possibile modalità costruttiva è illustrata in fig.8).
Le corone 2, che assieme alla catena 308 e corone 309 formano la trasmissione secondaria 302, sono disposte solidali al gruppo porta-corone 41, il quale è libero di ruotare coassialmente all’albero 9, grazie alle coppie cilindriche o rotoidali (53) (es cuscinetti o bronzine) sul carcassa fissa 15 e sull’albero 9.
Il gruppo porta-corone 41 è accoppiato altresì all’elemento 17 e all’albero 9 per mezzo di dispositivi che consentono la trasmissione del moto unidirezionale 7 e 8 (es. giunto di sopravanzo o sistema ruota libera, vedere FIG.8) in modo che il moto sia trasmesso da 17 a 41 quando la velocità di rotazione di 17 è superiore o uguale a quella di 41.
Analogamente il moto è trasmesso da 9 a 41 quando la velocità di rotazione di 9 è superiore o uguale a quella di 41.
La variante illustrata in FIG.5 è chiamata “configurazione esterna al movimento centrale” proprio perché il gruppo motoriduttore giace all’esterno del movimento centrale, come illustrato in FIG.12, assicurando il vantaggio di poter applicare la presente invenzione, a titolo di esempio esplicativo ma non riduttivo, anche a telai di biciclette che non sono nate come veicoli elettrici, convertendoli così da veicoli a propulsione muscolare a veicoli a propulsione elettrica.
Con riferimento alla FIG. 5, questa variante si differenzia dalla precedente per il fatto che la carcassa fissa 15 ora è solidale al telaio del mezzo 1 tramite un albero cavo la cui parte esterna viene bloccata all’interno del movimento centrale del veicolo, mentre la parte interna dell’albero alloggia i cuscinetti che permettono allo stesso albero 9 di ruotare, mentre nel caso precedente la carcassa 15 era direttamente solidale al mezzo o veicolo 1.
Un’altra differenza rispetto alla configurazione interna sta nel fatto che la ruota 22 trasmette ora il moto alla carcassa mobile 3 del motore per mezzo del dispositivo che consente la trasmissione del moto unidirezionale 7 (es. giunto di sopravanzo o sistema ruota libera, di cui una possibile modalità costruttiva è illustrata in fig.8).
Le corone 2 per la trasmissione secondaria 302 sono disposte, nell’esempio, solidali alla carcassa mobile 3, la quale è libera di ruotare coassialmente a 9, grazie alle coppie cilindriche o rotoidali (53) (es cuscinetti o bronzine) su 15 e su 9.
La carcassa mobile 3 è ora accoppiata al mozzo 17 e all’albero 9 per mezzo di dispositivi che consentono la trasmissione del moto unidirezionale, indicati con 7 e 8 (es. giunto di sopravanzo o sistema ruota libera, vedere FIG.8) in modo che il moto sia trasmesso dal mozzo 17 all’elemento 3 quando la velocità di rotazione di detto elemento 17 è superiore o uguale a quella della carcassa mobile 3.
Analogamente il moto è trasmesso dall’albero 9 alla carcassa 3 quando la velocità di rotazione dell’albero 9 è superiore o uguale a quella della carcassa mobile 3.
Con riferimento alla FIG 8, viene illustrato il funzionamento del dispositivo che consente la trasmissione del moto unidirezionale per la configurazione esterna al movimento centrale.
Il mozzo 17 è solidale alla corona dentata 22 e può ruotare coassialmente a 9.
Il coperchio 31 ha una dentatura interna ed è fissato alla carcassa 3.
Il profilo sagomato 34 è solidale al mozzo 17, ed è creato in modo da poter alloggiare una pluralità di denti 33 che, premuti tramite una pluralità di molle 32 contro la dentatura interna di 31, fanno sì che il moto possa essere trasmesso dal mozzo 17 alla dentatura interna 31 solamente quando il mozzo 17 ruota di moto relativo rispetto a 31 in senso orario con riferimento alla prima vista della figura 8. In quel caso, infatti, i denti s’impegnano nelle cavità di 31, trascinandolo.
Contrariamente, quando 17 e 34 ruotano di moto relativo antiorario rispetto alla dentatura 31, i denti 33 scorrono sul profilo dentato interno, senza impegnarsi nelle cavità, non rendendo quindi possibile la trasmissione del moto tra i due elementi 17 e 31 e quindi, conseguentemente tra il motore e le corone dentate 2 della trasmissione secondaria 302.
FUNZIONAMENTO
Ai fini esplicativi, è conveniente descrivere il funzionamento della presente invenzione in tre circostanze:
1) La potenza motrice è unicamente erogata dal motore elettrico
2) La potenza motrice è unicamente erogata dall’uomo tramite la pedalata, per mezzo dei pedali 4 e delle pedivelle 6 e 16
3) La potenza motrice è erogata sia dal motore elettrico 305 sia dall’uomo per mezzo dei pedali 4 e delle pedivelle 6 e 16 Nella prima circostanza il rotore (11) è quindi posto in rotazione dalla forza magnetomotrice generata dal campo magnetico generato dalle parti attive del motore elettrico 21, 12, La ruota Z12 (10), impegnandosi sulla corona interna Z11 (23) fissa, è posta contemporaneamente in rotazione attorno al proprio asse ed in rivoluzione attorno all’albero 9, facendo ruotare del medesimo moto anche la ruota Z21 (29) ad essa solidale.
La ruota Z21 (29), nel caso di ruote del medesimo modulo, ha un numero di denti differente dalla Z12 (10) e imprime un moto rotatorio alla corona 22 attorno all’albero 9.
La corona 22 per mezzo del dispositivo 7, con le modalità descritte precedentemente, trasmetterà il moto al gruppo portacorone 41 (o alla carcassa 3 nel caso di configurazione esterna) e quindi alle corone 2, le quali, a loro volta, per mezzo della catena 308 imprimeranno il moto alla ruota 306.
Nella circostanza appena descritta l’uomo non fornirà potenza tramite il sistema pedali 4 e pedivelle 16 e 6, quindi, ipotizzando per semplicità che i pedali non ruotino, l’albero 9 sarà fermo ed il dispositivo 8 funzionerà in rotazione libera come un cuscinetto, disaccoppiando il moto del gruppo porta-corone 41 (o la carcassa 3 nel caso di configurazione esterna) da quello dell’albero.
Nella seconda circostanza, in cui la potenza è erogata esclusivamente dall’uomo, il rotore (11) è fermo, così come i satelliti 18, la corona 22 ed il mozzo porta-corona 17. Le pedivelle 6 e 16 ruoteranno in senso antiorario dalla prospettiva di FIGURA 1, trascinando l’albero 9. Il dispositivo 8 permette la trasmissione del moto rotatorio al gruppo porta-corone 41 (o alla carcassa 3 nel caso di configurazione esterna), e quindi alle corone 2, le quali, a loro volta, per mezzo della catena 308 imprimeranno il moto alla ruota 306. Il dispositivo 7 funzionerà in rotazione libera come un cuscinetto, disaccoppiando il moto del gruppo portacorone 41 (o della carcassa 3 nel caso di configurazione esterna) da quello del mozzo porta-corona 17.
Nella terza circostanza di funzionamento, in cui la potenza è erogata sia dall’uomo sia dal gruppo motoriduttore, la coppia motrice è trasmessa al gruppo porta-corone 41 (o alla carcassa 3 nel caso di configurazione esterna) contemporaneamente dal motore e dai pedali, per mezzo dei dispositivi 7 e 8 che ora impediscono la rotazione reciproca delle parti a cui sono accoppiati. I pedali 6 e 16, il gruppo porta-corone 41 (o la carcassa 3 nel caso di configurazione esterna) ed il mozzo portacorona 17 ruoteranno attorno all’asse dell’albero 9 alla medesima velocità di rotazione.
La presente invenzione unisce quindi i vantaggi dell’architettura del motore “outrunner” a quelli del sistema di riduzione integrato sopra descritto, generando coppie motrici sulle corone 2 da 4 a 40 volte superiori ai sistemi attualmente in commercio, in una soluzione estremamente compatta ed efficiente.
La soluzione “mid-drive” consente poi di sfruttare tale coppia in funzione delle necessità, per mezzo della trasmissione secondaria (302), la quale può ridurre ulteriormente o moltiplicare il rapporto di trasmissione, al fine di consentire al motore di operare nel regime rotazionale in cui l’efficienza è ottimale ( es: efficienza superiore all’80% tra i 2000 ed i 4000 giri al minuto).
In figura 1 è possibile apprezzare gli ingombri contenuti di un esempio d’applicazione del sistema nella configurazione interna. La soluzione rappresentata permette di erogare 1800W, ed una coppia motrice erogata dal motore dell’ordine dei 12Nm continuativi e 30Nm di picco, che, unitamente alla trasmissione primaria con rapporto di riduzione di 28,5:1, permette di erogare una coppia alle corone 2 dell’ordine dei 340Nm continuativi e 855Nm di picco, il tutto con ingombri minimi.
Il diametro esterno può, ad esempio, essere inferiore al diametro di una corona standard a 52 denti della trasmissione secondaria (di circa 218mm), l’ingombro assiale può essere, ad esempio, dell’ordine dei 70mm così da essere contenuto all’interno della sagoma di un normale telaio. In tale esempio il volume totale del gruppo motoriduttore, oggetto della presente invenzione, sarebbe quindi di circa 2,6 decimetri cubi, fornendo così una densità di coppia continuativa ( o “torque density”) di circa 340/2,6= 130 Nm/dm^3 e 328 Nm/dm^3 di picco. Per dare un’idea dell’importanza del risultato verranno esposti in seguito i valori tipici per la tecnologie esistenti.
Un motore “hub diretto”, quindi privo di riduzioni epicicloidali, a parità di tensione e corrente d’alimentazione, ha bisogno di un volume ben superiore (3,8 decimetri cubi) per ottenere meno della metà della coppia (130Nm), dando una densità di coppia continuativa di circa 30-35 Nm/dm^3.
I motori del tipo “hub epicicloidale”, quindi con di riduzioni epicicloidali nella trasmissione primaria, a causa del vincolo d’ingombro assiale (limitato dal riduttore), unito a quello del rapporto diametro/larghezza del motore elettrico, sono contraddistinti da piccole dimensioni (volume di circa 1,6 decimetri cubi) e sono caratterizzati da densità di coppia continuativa superiori a quelle delle versioni prive di riduzione : valori tipici per questi motori si attestano sui 40-45 Nm/dm^3 . I vincoli d’ingombro ne limitano però le coppie massime ottenibili che sono inferiori agli 80Nm.
I sistemi “mid-drive” non coassiali, come il WO2008120311, devono contenere gli ingombri fuori sagoma e quindi hanno volumi ridotti ( nel caso specifico inferiore a 1 decimetro cubo) e grazie alla loro configurazione riescono ad ottenere densità di coppia elevate (nella fattispecie 50Nm/dm^3), fermandosi pur sempre a valori modesti di coppia continuativa: attorno ai 44Nm alle corone della trasmissione primaria. I ridotti valori di coppia sono dati dalle ridotte dimensioni in cui devono essere contenuti i motori elettrici di questi sistemi.
Sistemi “mid-drive epicicloidali” coassiali hanno stadi epicicloidali e erogano prestazioni che si avvicinano maggiormente a quelle della presente invenzione. Il sistema del tipo illustrato nel brevetto US6296072 fornisce una potenza di picco di 850W e 120Nm (dati del costruttore), grazie ad un rapporto complessivo di riduzione primaria di circa 32:1 dato da due stadi epicicloidali tradizionali. Dato che il rapporto tra dati di picco e dati nominali varia da 0,5 a 0,3 per un motore brushless, e assumendo che nel caso in questione sia 0,5, i valori di potenza e coppia del sistema esposto nel brevetto US6296072 sono rispettivamente 425W e 60Nm. Questi valori, unitamente a ingombri contenuti ( circa 1 decimetro cubo) posizionano questo sistema all’apice delle soluzioni esistenti con una densità di coppia continuativa di 56Nm/dm^3 e 111 Nm/dm^3 di picco.
Confrontando i valori di coppia e densità di coppia ( forniti dai costruttori stessi e da istituti di ricerca indipendenti) delle tecnologie esistenti e dei brevetti citati a riferimento con quelli ottenibili con l’oggetto della presente invenzione di 130 Nm/dm^3 continuativi e 328 Nm/dm^3 di picco per una coppia continuativa ( servizio continuo S1) erogata di 340Nm emerge chiaramente il vantaggio della presente invenzione, come rappresentato graficamente in FIG.13. Ricordiamo infatti che utilizzando piccole frazioni della coppia disponibile avremo bassi assorbimenti di corrente e quindi maggiore efficienza che si traduce in una maggiore autonomia a parità di capacità del pacco batterie. L’elevata coppia disponibile rende possibile affrontare salite molto accentuate (es. 30% di pendenza) che, sfruttando l’elevato rapporto di riduzione primaria, possono essere percorse mantenendo il motore nel range di giri di massima efficienza.
Grazie alla trasmissione secondaria è possibile poi “allungare” il rapporto così da tradurre la potenza disponibile in velocità, sempre mantenendo il motore nell’area di funzionamento ottimale.
E’ inoltre da notare che la configurazione “mid-drive” esterna (illustrata a titolo esemplificativo schematicamente in FIG 5 e costruttivamente in FIGG. 7, 9 e 12), permette di ottenere i medesimi vantaggi in termini di prestazioni della configurazione interna dando, al contempo, la possibilità d’installazione su bicicli e tricicli esistenti. Tutto ciò senza che si verifichino interferenze coi componenti di cui solitamente possono essere equipaggiate le biciclette, quali: eventuale sistema sospensione ammortizzatore per ruota posteriore, borraccia per acqua, alloggiamento batteria, né con la distanza minima da terra, utile al superamento degli ostacoli.
INDICE DEI RIFERIMENTI INDICATI
1- Telaio bicicletta
2- Corone per trasmissione a catena
3- Carcassa mobile
4- Pedale
6- Pedivella destra
7- Organo per trasmissione unidirezionale moto (es: giunto di sopravanzo o ruota libera a clip) per trasmissione del moto dal motore alla carcassa
8- Organo per trasmissione unidirezionale moto (es: giunto di sopravanzo o ruota libera a clip) per trasmissione del moto dall’albero del movimento centrale alla carcassa
9- Albero movimento centrale
10- Ingranaggio satellite Z12
11- Rotore
12- Pacco statorico
14 - Flangia rotorica o portasatelliti o portatreno
15- Carcassa fissa
16- Pedivella sinistra
17- Mozzo della corona con dentatura interna Z22
18- Satellite composto dagli ingranaggi Z12 (10) e Z21 (29)
19- Tubo fisso movimento centrale
20- Uscita fili di alimentazione motore
21- Testate avvolgimento statorico
22- Z22 – corona con dentatura interna dell’ultimo stadio di riduzione
23- Z11 – corona con dentatura interna del primo stadio di riduzione
24- Magneti rotorici
29 – Ingranaggio satellite Z21
31 – Coperchio sistema motoriduttore
32 – Pluralità di molle di compressione dei denti dell’ organo per trasmissione unidirezionale moto
33 – Pluralità di denti dell’ organo per trasmissione unidirezionale moto
34 – profilo sagomato dell’ organo per trasmissione unidirezionale moto
41 – gruppo porta-corone
50 – Corona rotorica porta-magneti
51 – coppie rotoidali a supporto del rotore 11
52 – coppie rotoidali a supporto dello stadio finale 17 del riduttore
53 – coppie rotoidali a supporto dello stadio iniziale della trasmissione secondaria
54 – coppie rotoidali a supporto dei satelliti 18
201 – albero veloce d’ ingresso moto del riduttore
202 – albero lento d’uscita del moto dal riduttore
302 – trasmissione secondaria
305 – Motore Elettrico
306 – ruota posteriore dei veicolo
308 – catena della trasmissione secondaria
309 – corone dentate poste in corrispondenza della ruota del veicolo
401 – volume di un ipotetico cilindro entro cui sono annidate una o più ruote dentate interne della trasmissione primaria

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema moto-riduttore elettrico per veicoli a due e tre ruote, del tipo comprendente un gruppo motoriduttore con almeno uno statore (12); detto statore (12) alloggiante un avvolgimento (21) costituito da una pluralità di cavi conduttori, un albero (9) e coppie rotoidali supportanti, e su cui ruotano coassialmente, almeno una corona dentata (22) e un rotore (11), il rotore (11), a sua volta comprendente: a. una corona (50), avente il diametro medio superiore al massimo diametro interno statorico, ovvero alla massima misura della cavità statorica nel caso in cui essa non sia circolare; detta corona (50) alloggia una pluralità di magneti (24) permanenti b. una flangia rotorica (14) caratterizzato dal fatto che detta flangia rotorica (14) ruota coassialmente all’albero (9) e funge da porta-satelliti per una pluralità di satelliti (18) costituiti da ruote dentate (10) e (29) che s’ingranano all’interno di una pluralità di corone dentate interne (22, 23) di cui almeno una è fissa (23) e l’altra (22) è libera di ruotare almeno coassialmente all’albero (9); e caratterizzato dal fatto che almeno una delle corone dentate interne (23 e 22) è parzialmente o totalmente contenuta in un ipotetico volume di un cilindro (401) avente superficie cilindrica tangente e coassiale alla cavità interna dello statore e le due basi poste in corrispondenza del massimo ingombro assiale, secondo la direzione dell’albero (9), identificato dal gruppo formato dall’unione di statore (12), avvolgimento (21) e flangia rotorica (14).
  2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende ruotismi epicicloidali in cui: a. La corona (23) è bloccata b. Il rotore (11) funge da porta treno, attraverso la flangia (14) c. Le ruote dentate (10) e (29) sono solidali
  3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto rotore (11) riceve il moto da un albero veloce d’ingresso (201) e quindi al porta treno (14) che fa ruotare il satellite (18) composto dai due ingranaggi solidali: il primo ingranaggio Z12 (10) del satellite ed il secondo ingranaggio del satellite Z21 (29); la corona interna Z11 (23) è fissa in quanto solidale alla carcassa fissa (15); il rotore (11) è direttamente posto in rotazione dal motore elettrico e la ruota (10), a causa del trascinamento da parte della flangia rotorica (14) e dell’ingranamento corona interna fissa (23), è posta in rotazione attorno al proprio asse ed in rivoluzione attorno all’albero (201), facendo ruotare alla medesima velocità angolare la ruota (29) ad essa solidale che imprime un moto rotatorio alla corona dentata (22), la quale, a sua volta, trasmette il moto all’albero d’uscita (202).
  4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che: a. l’albero veloce d’ingresso (201) forma un corpo unico con il rotore (11) ed è cavo per il passaggio dell’albero (9); detto albero (201) essendo libero di ruotare coassialmente all’albero (9) per mezzo di supporti costituiti da coppie cilindriche o rotoidali (51); b. la ruota dentata interna Z11 (23) è fissa ed alloggiata coassialmente ed internamente allo statore (12); c. la corona Z22 (22) è anch’essa cava e ruota coassialmente all’albero (9) per mezzo di supporti costituiti da coppie cilindriche o rotoidali (52) e trasmette il moto al gruppo porta-corone (41) per mezzo di un dispositivo che consente la trasmissione del moto unidirezionale (7) quale un giunto di sopravanzo o sistema ruota libera;
  5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la ruota 22 trasmette il moto alla carcassa mobile 3 del motore per mezzo del dispositivo che consente la trasmissione del moto unidirezionale 7.
  6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che sull’albero 9 possono essere alloggiati pedivelle, su cui, a loro volta possono essere alloggiati pedali, destinati a raccogliere la potenza muscolare umana erogata dalle gambe e/o dalle braccia; nel caso in cui sull’albero 9 non siano fissate pedivelle, allora l’albero 9 può essere fissato solidalmente alla carcassa fissa 15; nel caso in cui sull’albero 9 siano fissate pedivelle; in tal caso almeno un dispositivo a scatto fisso o ruota libera 8 e 7 trasmette il moto dall’albero 9 alle corone dentate della trasmissione secondaria 302.
  7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che alternativamente alle corone dentate 2 possono essere installati altri sistemi per la trasmissione del moto alla ruota, quali, a titolo esemplificativo ma non esaustivo: corone per cinghie dentate, corone per cinghie trapezoidali e/o piane, ruotismi per la trasmissione cardanica, ruotismi per la trasmissione idrostatica e ogni altro tipo di sistema per trasmettere il moto da un albero rotante ad una ruota.
  8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il motore può essere alternativamente a flusso radiale o assiale
  9. 9. Veicolo a due e/o tre ruote caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema moto-riduttore secondo la rivendicazione 1; detto sistema essendo posizionato coassialmente al movimento centrale del veicolo o coassialmente alle corone dentate 2 della trasmissione secondaria.
  10. 10. Veicolo secondo la rivendicazione 9 caratterizzato dal fatto che la carcassa fissa 15 del sistema 1 è solidale al telaio 1 direttamente oppure tramite un albero cavo la cui parte esterna viene bloccata all’interno del movimento centrale del veicolo, mentre la parte interna dell’albero alloggia i cuscinetti che permettono allo stesso albero 9 di ruotare.
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