LU102734B1

LU102734B1 - Electromagnetic drive

Info

Publication number: LU102734B1
Application number: LU102734A
Authority: LU
Inventors: Ulrich Klose
Original assignee: Ulrich Klose
Priority date: 2021-04-05
Filing date: 2021-04-05
Publication date: 2022-10-05

Abstract

Der Elektromagnetische Antrieb ersetzt den üblichen Kettenantrieb bei Fahrrädern und ähnlichen Transportmitteln. Zwei elektrische Synchronmaschinen ersetzen der Kettenantrieb, eine für die Tretkurbel und die andere für die Hinterradnabe. Beide Maschinen sind mit einer elektrischen Leitung verbunden. Der Antrieb arbeitet autonom oder mit zusätzlicher elektrischer Leistungsunterstützung mittels Steuereinheit und Batterie.The electromagnetic drive replaces the usual chain drive on bicycles and similar means of transport. Two electric synchronous machines replace the chain drive, one for the pedal crank and the other for the rear wheel hub. Both machines are connected with an electrical line. The drive works autonomously or with additional electrical power support using a control unit and battery.

Description

Elektromagnefischer Antrieb LU102734 TITEL: Elektromagnetischer AntriebElectromagnetic Propulsion LU102734 TITLE: Electromagnetic Propulsion

BESCHREIBUNG Das Patent besteht aus einem elektromagnetischen Antrieb mit 2 synchron laufenden Außenläufermaschinen mit Permanentmagneten. Die Maschinen sind durch eine elektrische Leitung miteinander verbunden. Die Hauptmerkmale der Konfiguration sind:DESCRIPTION The patent consists of an electromagnetic drive with 2 synchronously running external rotor machines with permanent magnets. The machines are connected to each other by an electrical cable. The main features of the configuration are:

1. Mit der elektrischen Leitung verbunden arbeitet eine Maschine als Generator und die andere als Motor1. Connected to the electric line, one machine works as a generator and the other as a motor

2. Die Antriebsrichtung kann umgekehrt werden2. The drive direction can be reversed

3. Die Einspeisung und der Abruf der mechanischen Leistung laufen über die Wellen der Maschinen3. The mechanical power is fed in and called up via the shafts of the machines

4. Der Stator der Maschinen ist mit n-poligen Wicklungen bestückt und der Rotor mit entsprechenden Permanentmagneten4. The stator of the machines is equipped with n-pole windings and the rotor with corresponding permanent magnets

5. Die Maschinen können Außen- oder Innenläufer sein5. The machines can be external or internal rotors

6. Das Verhältnis der Polpaare zwischen den 2 Maschinen bestimmt das gewünschte Übersetzungsverhältnis6. The ratio of pole pairs between the 2 machines determines the desired gear ratio

7. Die mit der Leitung verbundenen Maschinenpaare können 1-phasig oder 3-phasig ausgeführt sein7. The machine pairs connected to the line can be 1-phase or 3-phase

8. Diese Konfiguration des Antriebs benötigt keine fremde Stromspeisung8. This configuration of the drive requires no external power supply

9. Die maximale Leistung des Antriebs ist von Baugröße, Drehmoment und Drehzahl abhängig9. The maximum power of the drive depends on the size, torque and speed

10. Der Drehzahlbereich ist von der Anwendung abhängig und liegt zwischen 0 und 50 Hertz10. The speed range depends on the application and is between 0 and 50 Hertz

11. Der Wirkungsgrad des Antriebs hängt von den Betriebs- und Konstruktionsmaßnahmen ab und kann im Bestfall 90 Prozent sein Das Patent ersetzt hauptsächlich bei Fahrrädern herkömmliche Ketten mit Kettenblättern und - kränzen. Eine der Maschinen wird mit der Tretkurbel verbunden und die andere mit der Hinterradnabe. Die Außenläufer beider Maschinen sind zum einen mit der Kurbelwelle und zum anderen mit der Nabe fest verbunden und laufen durch die elektrische Zusammenschaltung synchron. In diese elektrische Leitung kann man einen Widerstand schalten, der das Bremsen bewirkt. Alternativ kann man eine Batterie laden. Im Normalfall bekommt der Außenläufer an der Kurbelwelle einen Freilauf. Ohne Freilauf ist das Fahrrad ein „Fixie“, bei dem die Beine immer synchron mittreten müssen. Sind die beiden Maschinen identisch mit der gleichen Polpaarzahl, entspricht die Tretfrequenz einem Einrad und ist deswegen relativ hoch. Ein zusätzliches mechanisches Schaltgetriebe in der Nabe kann diesen Nachteil eliminieren. 111. The efficiency of the drive depends on the operational and design measures and can be 90 percent in the best case. The patent replaces conventional chains with chainrings and rings, mainly in bicycles. One of the machines connects to the crank and the other to the rear wheel hub. The external rotors of both machines are firmly connected to the crankshaft on the one hand and to the hub on the other and run synchronously due to the electrical interconnection. A resistance can be switched into this electrical line, which causes the braking. Alternatively, you can charge a battery. Normally, the external rotor on the crankshaft gets a freewheel. Without a freewheel, the bike is a "fixie" where the legs always have to pedal synchronously. If the two machines are identical with the same number of pole pairs, the pedaling frequency corresponds to that of a unicycle and is therefore relatively high. An additional mechanical gearbox in the hub can eliminate this disadvantage. 1

Elektromagnefischer Antrieb ; ; ; oo ; ; 2. : ,, LU102734 Das Patent bringt weitere Vorteile mit sich, wenn man eine elektrische Unterstützung zuschaltet wie in der Patentanmeldung LU102370 - Drehmomentverstärker- beschrieben. Man stelle sich das Patent als ein Wechselstromnetz vor, in dem jede der beiden AuBenläufermaschinen wahlweise als Generator oder Motor funktionieren. Die elektrische Leitung zwischen den Maschinen entspricht dem Stromnetz und wird von einer Steuer- und Schalteinheit überwacht und gespeist. Zur Steuerung benutzt man die Phasenverschiebung der AuBenläufer relativ zum Stromnetz. Im Freilauf ist die Belastung gering und so auch die Phasenverschiebung. Wenn man kräftig in die Pedale steigt, zieht der Außenläufer an der Kurbelwelle das Netz mit und seinerseits zieht das Netz den AuBenläufer der Nabe mit. Bei hoher Belastung ist die maximale Dehnung des Phasenwinkels 2-mal 90 Grad. Bei Überlastung (= Überdehnung) „reißt“ die „virtuelle Kette“. Bei mehr benôtigter Leistung speist die Steuereinheit Stromimpulse ins Netz ein und unterstützt so den AuBenläufer der Nabe und entlastet das Treten. Der Grad der Unterstützung kann nach Wunsch eingestellt werden. Im hügeligen Gelände kompensiert die Steuereinheit Leistungsschwankungen und ermôglicht ein Fahren bei konstanter Geschwindigkeit und Tretkraft. Beim Bergabfahren und Bremsen speist die Steuereinheit Stromimpulse vom Netz in die Batterie zum Laden ein. Der Bremseffekt kann über einen Griff gewählt werden. Wenn der Fahrer plötzlich aufhört zu treten, wird auf ebenem Gelände, die vom Treten zuletzt gehaltene Geschwindigkeit beibehalten. Das Netz verbraucht dann nur die Leistung der Batterie, die zur Kompensation der mechanischen und elektromagnetischen Verluste benötigt wird. Wird die Unterstützung abgeschaltet, läuft das Fahrrad langsam bis zum Stillstand aus. Die Außenläufermaschinen haben zusätzlich eine Hilfswicklung, die die momentane Phasenverschiebung der Läufer an die Steuereinheit übermitteln. Ein mechanisches Schaltgetriebe kann zusammen mit der Nabenmaschine eine Einheit im Hinterrad bilden. Die Übersetzung kann auch dadurch verändert werden, indem man die Anzahl der Polpaare in der Tretlagermaschine erhöht und/oder in der Nabenmaschine verringert. Die Außenläufer können einfach und kostengünstig hergestellt werden. Der Stator besteht aus einen Elektroblechpaket mit zwei Wicklungssträngen. Hochwertige Neodym Permanentmagneten werden im Läufer verankert. Die Konstruktion der Maschinen wir auf einen gegenseitig hohen Wirkungsgrad und ein breites Frequenzband (0-50 Hertz) abgestimmt.Electromagnetic propulsion ; ; ; oh ; ; 2. : ,, LU102734 The patent brings other advantages when you switch on an electric assistance as described in the patent application LU102370 - Torque booster-. Think of the patent as an AC network in which each of the two external rotor machines function as either a generator or a motor. The electrical line between the machines corresponds to the power grid and is monitored and fed by a control and switching unit. The phase shift of the external rotors relative to the mains is used for control. When freewheeling, the load is low and so is the phase shift. If you step on the pedals vigorously, the outer rotor on the crankshaft pulls the net with it, and the net in turn pulls the outer rotor of the hub with it. At high loads, the maximum stretching of the phase angle is 2 times 90 degrees. In the event of overload (= overstretching), the “virtual chain” “breaks”. If more power is required, the control unit feeds current pulses into the network and thus supports the outer rotor of the hub and relieves pedaling. The level of support can be adjusted as desired. In hilly terrain, the control unit compensates for power fluctuations and allows you to ride at a constant speed and pedal power. When driving downhill and braking, the control unit feeds current pulses from the grid into the battery for charging. The braking effect can be selected via a handle. If the rider suddenly stops pedaling, the speed last maintained by pedaling will be maintained on flat terrain. The network then only consumes the power from the battery that is needed to compensate for the mechanical and electromagnetic losses. If the support is switched off, the bike slowly coasts to a standstill. The external rotor machines also have an auxiliary winding that transmits the momentary phase shift of the rotors to the control unit. A mechanical gearbox can form a unit in the rear wheel together with the hub machine. The translation can also be changed by increasing the number of pole pairs in the bottom bracket machine and/or reducing them in the hub machine. The external rotors can be manufactured easily and inexpensively. The stator consists of an electrical laminated core with two winding strands. High-quality neodymium permanent magnets are anchored in the rotor. The machines are designed for mutually high efficiency and a wide frequency range (0-50 Hertz).

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Elektromagnefischer Antrieb LU102734Electromagnetic drive LU102734

BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN IN DER ANLAGE ABBILDUNG 1) zeigt den Umfang der Erfindung, durch die der herkömmliche Kettenantrieb wegfällt. Die mechanische Konstruktion der Maschinen und die Integration mit dem Fahrrad wird in der Beschreibung des Patents nicht weiter erörtert, da der Markt genügend Lösungen zur Verfügung stellt. ABBILDUNG 2) zeigt das Konzept einer „virtuellen Kette“ mit 2 identischen synchron laufenden einphasigen Außenläufermaschinen mit 12 Polpaaren. Mit einem 28 Zoll Hinterrad und einer Umdrehung ergibt sich eine Strecke von 2,23 Metern. Eine Umdrehung pro Sekunde mit 12 Magnetpolpaaren entspricht einer Wechselstromfrequenz von 12 Hertz. Die Geschwindigkeit beträgt dabei 8 Kilometer / Stunde. Die entsprechende Frequenz für 25 km / h liegt bei 38 Hertz. ABBILDUNG 3) ist das Konzept in Abbildung 2) erweitert mit der elektrischen Unterstützung aus Batterie und Steuer- und Schalteinheit. ABBILDUNG 4) Das Blockschaltbild zeigt die Hauptkomponenten der Erfindung. Das „Netz“, mit fetten Linien gezeichnet, optimiert mit Hilfe der Steuer- und Schalteinheit die elektrische Leistung, die für den jeweiligen Betrieb benötigt wird. Die ,Netzfrequenz“ ändert sich analog zur Geschwindigkeit des Fahrrads. Abwechselnd geben die Maschinen Leistung ab und verbrauchen sie und damit verandert sich ihr Phasenwinkel im Verhältnis zum „Netz“. Diese Winkelveranderungen der Außenläufer werden von einer kleinen Geberwicklung in der Maschine entdeckt und an die Steuereinheit weitergegeben. Die Geber für Leistungsunterstützung, Bremsen und Batterieladung werden manuell bedient. ABBILDUNG 5) beschreibt weitere Einzelheiten der Steuer- und Schalteinheit. Die Schalteinheit unterstützt je nach Bedarf und Phasenlage die entsprechende positive und negative Halbwelle im „Netz“ mit Stromimpulsen und damit die Maschine die mehr Leistung braucht. Beim Bremsen wird die Leistung abgezweigt und in die Batterie eingespeist. Detaillierte Einzelheiten der Steuerung sind in der Patentanmeldung LU102370 - Drehmomentverstärker — beschrieben und treffen auch auf diese Patentanmeldung zu. Teilweise arbeitet die Steuereinheit wie ein Tempomat bei einem Kraftfahrzeug.DESCRIPTION OF THE DRAWINGS IN THE ATTACHMENT FIGURE 1) shows the scope of the invention, which eliminates the traditional chain drive. The mechanical construction of the machines and the integration with the bicycle is not further discussed in the description of the patent, as the market provides enough solutions. FIGURE 2) shows the concept of a "virtual chain" with 2 identical synchronously running single-phase 12-pole-pair external rotor machines. With a 28-inch rear wheel and one revolution, the distance is 2.23 meters. One revolution per second with 12 pairs of magnetic poles corresponds to an alternating current frequency of 12 Hertz. The speed is 8 kilometers / hour. The corresponding frequency for 25 km / h is 38 Hertz. ILLUSTRATION 3) the concept in illustration 2) is expanded with the electrical support from the battery and the control and switching unit. FIGURE 4) The block diagram shows the main components of the invention. The "network", drawn in bold lines, optimizes the electrical power required for the respective operation with the help of the control and switching unit. The "mains frequency" changes in line with the speed of the bicycle. Alternately, the machines give off and consume power and thus their phase angle changes in relation to the "grid". These changes in the angle of the external rotors are detected by a small sensor winding in the machine and passed on to the control unit. The transmitters for power assistance, brakes and battery charging are operated manually. FIGURE 5) describes more details of the control and switching unit. Depending on requirements and phase position, the switching unit supports the corresponding positive and negative half-wave in the "network" with current pulses and thus the machine that needs more power. When braking, the power is diverted and fed into the battery. Detailed control details are described in patent application LU102370 - Torque multiplier - and also apply to this patent application. The control unit partly works like a cruise control in a motor vehicle.

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Elektromagnefischer Antrieb LU102734Electromagnetic drive LU102734

BEDEUTUNG DER ERFINDUNG Der Elektromagnetische Antrieb ersetzt die Leistungsübertragung mit Ketten. Besonders für Fahrräder ist es ein neues Konzept. Man kann die Erfindung dem Unterschied zwischen Elektro- und Verbrennungsmotoren bei Autos gleichstellen: e Weniger Bauteile e Lange Lebensdauer dank weniger Verschleiß e Einfache Wartung und Reparatur ¢ Wegfall von freiliegenden und schmutzempfindlichen Ketten, Zahnrädern und Schaltungen e Geringere Verschmutzungs- und Verletzungsgefahr für die Radfahrer*Innen e Die Zusatzkosten für die elektrische Unterstützung sind relativ gering. Es müssen nur die Steuer- und Schalteinheit samt Bedienelementen und die Batterie angebaut und angeschlossen werden. 4IMPORTANCE OF THE INVENTION The electromagnetic drive replaces the power transmission with chains. It is a new concept especially for bicycles. The invention can be equated with the difference between electric and combustion engines in cars: e Fewer components e Long service life thanks to less wear and tear e Easy maintenance and repairs ¢ Elimination of exposed and dirt-sensitive chains, gears and gears e Less risk of dirt and injury for cyclists* Inside e The additional cost of electric assistance is relatively small. Only the control and switching unit including the controls and the battery have to be installed and connected. 4

Claims

Electromagnetic drive TITLE: Electromagnetic drive LA 102798 PATENT CLAIMS: The electromagnetic drive is primarily intended for bicycles and similar means of transport and has common features with patent application LU102370 - torque multiplier. This compensates for load changes at a given speed and brakes the speed by recharging the battery.

1. The invention is characterized in that the electromagnetic drive has two stages.

2. The invention is characterized in that in the first expansion stage, the chain and associated sprockets are replaced by two single-phase interconnected synchronous machines with permanent magnets in the external rotor. This expansion stage is autonomous and does not require a battery or control and switching elements.

3. The invention is characterized in that the second expansion stage uses batteries and control and switching elements to boost performance and for braking. The braking power is used to charge the battery.

4. The invention is characterized by a control unit that evaluates the phase shifts of the external rotors by means of an auxiliary winding and accordingly supplies the machines with power or diverts power.

5. The invention is characterized by a control unit that allows the desired mode of operation to be selected via manual controls.

6. The invention features simple and efficient single-phase permanent magnet synchronous machines that minimize size and iron and copper losses.

7. The invention results in a new and attractive appearance of the bicycle and similar means of transport.

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