ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ВЕЛОСИПЕДА
BICYCLE ELECTRIC DRIVE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области наземных транспортных средств, в частности, к устройству электрического привода для велосипеда.
Уровень техники
Известен привод электровелосипеда, который включает установленный на багажнике аккумулятор и закрепленный на раме двигатель, ротор которого кинематически связан с цепью передачи, соединяющей мускульный привод с ведущим колесом велосипеда (см. патент RU 2100239, МПК: В62К11/00, опубл. 27.12.1997). К недостаткам этого решения следует отнести невысокую надежность работы привода, обусловленную наличием коллектора со щетками и механической передачи крутящего момента от электродвигателя к ведущему колесу. При этом закрепленный на раме двигатель создает дополнительные нагрузки на раму, а незначительные отклонения в установке двигателя и аккумулятора ведут к появлению дисбаланса, что усложняет езду на велосипеде.
В связи с упомянутыми недостатками, подвесные конструкции электрических приводов, в которых двигатель закреплен на раме, а движение от двигателя на колесо передается посредством цепи, ремня или зубчатой передачи, не получили широкого распространения.
Известны конструкции электровелосипедов, в которых электродвигатель установлен на валу кареточного узла, между кривошипами педалей, и в процессе работы облегчает вращение ведущей звездочки мускульного привода, передающей вращение на заднее колесо посредством цепной передачи (например, см. патент SU 9573646, опубл. 21.02.2017 или заявку на патент US 2016176474, опубл. 23.06.2016).
Наиболее распространенным типом электропривода является привод с бесколлекторным двигателем, установленным в ступице колеса, заднего или переднего (например, см. патенты RU 110712, US 20100301711, ЕР1506915, US 3921741, US 5828145, KR 20170106785, FR2753315 и др.). Благодаря размещению двигателя непосредственно на оси колеса и отсутствию механизмов передачи, такая конструкция привода отличается высокой эффективностью, при этом практически не изменяется дизайн велосипеда.
В общем случае конструкция бесколлекторного двигателя включает статор, жестко связанный с осью колеса, установленной неподвижно в дропаутах вилки рамы, и внешний, относительно статора, ротор с постоянными магнитами, размещенными на внутренней поверхности ступицы (втулки) колеса, соединенной с осью колеса через подшипники.
Для модернизации велосипеда путем установки на него такого двигателя потребуется осуществить ряд непростых операций, связанных с разбором и переспицеванием колеса. В связи со сложностью таких работ, требующих наличия определенных навыков, потребителю, обычно, предлагается уже установленный в ободе колеса и заспицованный электродвигатель, так называемое мотор-колесо, однако это существенно повышает стоимость привода.
При этом следует подбирать мотор-колесо, соответствующее марке велосипеда, что дополнительно осложняет процесс модернизации.
В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого технического решения, принята конструкция электрического привода велосипеда, раскрытая в патенте Германии DE 4229261, МПК: Н02К21/24, В62М7/00, опубл. 31.03.1994г.
Электрический привод велосипеда, согласно патенту DE 4229261, включает источник энергии в виде закрепленного на раме блока аккумуляторов, блок управления и установленный на заднем колесе велосипеда двигатель, включающий ротор в виде диска с центральным отверстием и расположенными на периферии постоянными магнитами, и статор, образованный  размещенными в корпусе обмотками, взаимодействующими с постоянными магнитами ротора. Эти признаки являются сходными с существенными признаками предлагаемого технического решения.
Конструкция известного двигателя отличается простотой, легкостью и малыми габаритами (толщиной). При этом для установки двигателя не требуется полного демонтажа колеса: дискообразный ротор закрепляется снаружи на спицах колеса, а дисковый статор устанавливается на оси между вилкой рамы и втулкой заднего колеса.
Однако выполнение двигателя в виде двух отдельных узлов повышает трудоемкость монтажа, при этом возникает необходимость установки и регулирования воздушного зазора между обмотками статора и магнитами ротора, размещенными на плоских, обращенных друг к другу поверхностях статора и ротора, соответственно.
Другим недостатком ближайшего аналога является низкая надежность работы привода, что обусловлено открытой конструкцией двигателя, подверженной попаданию пыли, грязи и воды, а также закреплением ротора непосредственно к спицам колеса, которые в наибольшей степени подвержены повреждениям и изгибам, что неизбежно приведет к нарушению воздушного промежутка между статором и ротором.
Еще одним недостатком являются ограниченные возможности использования, преимущественно, для модернизации велосипедов, оборудованных ободными тормозами, такими как клещи и v-brake, что обусловлено размещением двигателя на участке оси заднего колеса, обычно используемом для установки дискового тормоза. Установка электродвигателя вместо дискового тормоза нежелательна, т.к. ведет к существенному снижению безопасности езды.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является создание электропривода велосипеда достаточно простого, компактного, надежного, удобного в монтаже, позволяющего просто и с минимальными затратами осуществить модернизацию любых известных моделей велосипедов, в том числе скоростных, оборудованных дисковыми тормозами.
Достигаемые технические результаты заключаются в повышении надежности привода, упрощении монтажа, расширении возможностей использования – для всех известных моделей скоростных велосипедов, оборудованных дисковыми тормозами.
Раскрытие сущности изобретения
Решение вышеупомянутой технической проблемы и технические результаты достигаются благодаря тому, что в электрическом приводе велосипеда, содержащем электрически связанные источник энергии, блок управления и двигатель, включающий ротор в виде диска с центральным отверстием и расположенными на периферии постоянными магнитами, и статор, образованный размещенными в корпусе обмотками, взаимодействующими с постоянными магнитами ротора, согласно заявляемому изобретению, диск ротора жестко закреплен на осевой втулке и размещен внутри корпуса статора, смонтированного на осевой втулке посредством подшипников, при этом осевая втулка установлена с возможностью совместного вращения на втулке заднего колеса велосипеда на участке, предназначенном для размещения блока звездочек.
В отличие от ближайшего аналога, конструкция двигателя включает дополнительный установочный соединительный элемент в виде осевой втулки, на которой диск ротора закреплен жестко, а статор смонтирован посредством подшипников.
Осевая втулка позволяет объединить статор и ротор в единый цельный блок, и при этом обеспечивает возможность его простой и легкой установки на стандартной (родной) втулке заднего колеса велосипеда, при этом разбирать колесо не требуется.
Корпус статора образует корпус двигателя в целом. Все элементы двигателя размещены внутри корпуса, благодаря чему конструкция защищена от попадания влаги, пыли и грязи, что способствует надежной и долговечной работе привода.
Предлагаемая конструкция обеспечивает простоту модернизации велосипеда: электродвигатель устанавливается быстро, с минимальными затратами средств и времени, при этом установка не требует особых навыков. Все зазоры между постоянными магнитами ротора и обмотками статора установлены и отрегулированы в процессе изготовления двигателя, представляющего собой один цельный, законченный блок.
Предлагаемая конструкция может быть установлена на любую модель скоростного велосипеда, в конструкции которого на втулке заднего колеса предусмотрено место для размещения блока звездочек, вместо которого устанавливается предлагаемый двигатель.
В зависимости от модели велосипеда количество звездочек в блоке может варьироваться, как и интервал между ними, однако посадочное место под блок звездочек (кассету или трещотку) имеет унифицированные размеры, поэтому предлагаемое решение электропривода может быть применено для самых различных моделей шоссейных, горных, спортивных (трековых) и туристических (туринговых) велосипедов.
Для такой установки двигателя, на внутренней цилиндрической поверхности осевой втулки предусмотрены соединительные элементы, аналогичные соединительным элементам кассеты или трещотки - основным видам известных блоков звездочек.
Соединительные элементы обеспечивают жесткое закрепление осевой втулки на втулке заднего колеса и возможность их совместного вращения, в результате чего ротор двигателя вращается вместе с втулкой заднего колеса, при неподвижном статоре, соединенном с осевой втулкой через подшипники.
Блок звёздочек предназначен для изменения передаточного отношения и, соответственно, угловой скорости и крутящего момента. Функции удаленного блока звездочек практически полностью компенсируются возможностями двигателя, обеспечивающего регулирование скоростей за счет изменения режимов работы двигателя.
При желании пользователь может легко осуществить обратную модернизацию велосипеда, выполнив демонтаж электродвигателя и установив снова блок звездочек.
В предпочтительных частных случаях реализации устройство электрического привода характеризуется следующими признаками.
Корпус статора выполнен в виде полого диска, т. е. в виде уплощенного полого цилиндра, закрытого с торцов основаниями, на внутренней цилиндрической поверхности которого размещены обмотки, а в основаниях сформированы центральные осевые отверстия для установки подшипников, обеспечивающих закрепление корпуса на осевой втулке. Снаружи корпус статора снабжен элементами закрепления к нижнему перу рамы велосипеда.
Постоянные магниты размещены на цилиндрической поверхности диска ротора.
В одних моделях велосипедов участок, предназначенный для размещения блока звездочек, выполнен в виде шлицевого барабана. В этом случае на внутренней поверхности осевой втулки выполняются продольные пазы, ответные шлицам барабана.
В других моделях велосипедов участок, предназначенный для размещения блока звездочек (трещотки), имеет наружную резьбу. В этом случае на внутренней поверхности осевой втулки выполняется ответная резьба, аналогичная резьбе трещотки.
Источник энергии представляет собой блок аккумуляторов, выполненный с возможностью закрепления к раме велосипеда посредством элементов флягодержателя, которым уже оборудован велосипед.
Краткое описание чертежей
Суть предлагаемого технического решения поясняется приведенными ниже примерами конкретного осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, которые даны для иллюстрации примеров и не являются ограничивающими.
На чертежах изображены:
на фиг. 1 – схематично общий вид велосипеда, оснащенного электрическим приводом, согласно предлагаемому изобретению;
на фиг. 2 – вид А на фиг.1, с частичным разрезом;
на фиг. 3 – вид двигателя в разрезе, схематично;
на фиг. 4 – вид В с фиг.1 с частичным сечением, показана установка двигателя на втулке заднего колеса.
Осуществление изобретения
Велосипед классической конструкции (см. фиг. 1) включает раму 1, образованную из труб (перьев), шарнирно закреплённую на ней рулевую вилку 2 с рулем 3, ведомое переднее колесо 4, ведущее заднее колесо 5, установленное в задней вилке 6 рамы 1, и мускульный привод, включающий педали 7 с кривошипами и трансмиссию, передающую усилие на заднее колесо 5. В подавляющем большинстве случаев используется цепная передача 8, соединяющая звездочку 9 мускульного привода со звездочкой 10 заднего колеса 5.
В простейшем случае велосипед имеет одну переднюю (ведущую) и одну заднюю (ведомую) звездочки, 9 и 10, соответственно. В многоскоростных велосипедах предусмотрены блоки звезд. Совокупность (блок) звезд 9 называется системой, совокупность (блок) звезд 10 – кассетой или трещоткой.
Конструкция заднего колеса 5, как известно, включает (см. фиг. 2) заднюю ось 11, представляющую собой жестко зафиксированный в дропаутах вилки 6 рамы 1 стержень, который не передает крутящий момент, но при этом несет основную нагрузку при движении велосипеда. На оси 11 установлена с возможностью вращения втулка 12, содержащая ступицу с фланцами для закрепления спиц колеса, и участок для установки блока звездочек 10. В подавляющем большинстве моделей велосипедов этот участок представляет собой шлицевый барабан, закрепленный к ступице втулки стопорной шайбой или полым болтом, внутри барабана размещен храповый механизм с обгонной муфтой. Барабан служит для установки кассеты – блока съемных звездочек 10, имеющих на установочной поверхности пазы, ответные шлицам барабана. Шлицевое соединение обеспечивает легкость установки и малый вес при большой жесткости соединения и надежности работы. Это объясняет широкое использование кассет.
Некоторые модели велосипедов еще используют трещотки, представляющие собой набор несъёмных звёзд 10, закрепляемый на резьбовом участке оси 11.
Электрический привод, выполненный согласно предлагаемому изобретению, может быть установлен на скоростной велосипед, практически любой известной марки. Электрический привод включает электрически связанные между собой источник энергии в виде закрепленного на раме 1 блока аккумуляторов 13, размещенный на руле 3 блок управления (далее – контроллер) 14 и двигатель 15.
Двигатель 15 состоит (см. фиг. 3, 4) из статора, обмотки 16 которого размещены на внутренней поверхности корпуса 17, размещенного внутри статора дискового ротора 18 с постоянными магнитами 19 на цилиндрической поверхности и соединяющей их осевой втулки 20, на которой ротор 18 закреплен жестко, а корпус 17 – через подшипники 21.
В предпочтительном примере осуществления корпус 17 выполнен в виде полого диска, на внутренней цилиндрической поверхности которого размещены обмотки 16, а в основаниях (плоских сторонах) сформированы осевые отверстия для размещения подшипников 21. Снаружи к корпусу 17 закреплена консоль 22 для возможности жесткого закрепления к раме 1 велосипеда.
При этом приведенный пример не исключает возможности размещения обмоток  16 и постоянных магнитов 19 на плоских поверхностях корпуса 17 и диска 18, например как в ближайшем аналоге.
Для обеспечения жесткого соединения с втулкой 12 заднего колеса 5 и возможности совместного с ней вращения, на внутренней поверхности осевой втулки 20 сформированы продольные пазы, ответные шлицам барабана 23, входящего в состав втулки 12 и предназначенного для установки кассеты (блока звездочек).
Установка электрического привода на велосипед осуществляется следующим образом.
Перед началом работ необходимо установить задний и передний (если есть) переключатели скоростей велосипеда в крайнее положение, ориентированное на самую маленькую звездочку 10 в кассете и самую большую звезду 9 системы.
Отсоединяют заднее колесо 5 от вилки 6 рамы 1.
С помощью специального инструмента с барабана 23 втулки 12 заднего колеса 5 снимают кассету (блок звездочек 10).
Устанавливают на барабан 23 двигатель 15 и одну звездочку 10, предпочтительно наименьшую шестерню из блока, и фиксируют конструкцию при помощи стопорного кольца 24, предусмотренного для фиксации кассеты (см. фиг. 4).
Надевают цепь. Устанавливают заднее колесо 5 в исходное положение, закрепляя в дропаутах задней вилки 6 рамы 1 велосипеда гайками 25.
С помощью консоли 22 закрепляют двигатель 15 к нижнему перу 26 рамы 1.
Устанавливают блок аккумуляторов 13 на нижнюю трубу рамы 1 велосипеда, закрепляя основание блока винтами в посадочные отверстия флягодержателя (на чертежах не показаны).
На руле 3 закрепляют контроллер 14. Соединяют провода компонентов электропривода коннекторами и закрепляют их к раме 1 велосипеда при помощи стяжек.
Блок управления (контроллер) 14 может быть размещен в другом месте, например, закреплен к корпусу 17 двигателя 15, как показано на фиг. 3.
В процессе монтажа колесо 5 не разбирается. Дисковый тормоз 27, установленный на другом конце втулки 12 остается на своем месте.
Соединение шип-паз обеспечивает возможность совместного вращения втулок 12 и 20, а значит и ротора 18 двигателя, исключая прокручивание его на барабане 23.
Корпус 17, соединенный с втулкой 20 через подшипники 21, неподвижен и дополнительно зафиксирован к нижнему перу рамы 1, что исключает прокручивание статора.
При движении велосипедист вращает педали 7 и, соответственно звездочку 9, с которой движение цепью 8 передаётся на звездочку 10, что обеспечивает включение двигателя 15 (с помощью датчика PAS).
Электрический ток по силовому кабелю от аккумуляторов 13 поступает в двигатель 15, где между обмотками 16 статора и магнитами 19 ротора возникает электромагнитное поле, приводящее систему в движение. Так как корпус 17 двигателя, с закреплёнными в нем обмотками 16 неподвижен, то вращение приобретает диск 18 ротора жестко закреплённый на втулке 20, при этом подшипники 21, установленные между корпусом 17 и втулкой 20 позволяют осуществлять независимое вращение частей двигателя. Движение ротора 18 через осевую втулку 20 передается на жестко связанную с ней втулку 12 заднего колеса 5, облегчая его вращение.
Изменяя режимы работы двигателя 15, можно регулировать скорость движения велосипеда, т. е. все функциональные возможности велосипеда после проведенной модернизации сохраняются. Дисковые тормоза обеспечивают безопасность езды на скоростном велосипеде.
Предлагаемое решение предусматривает две возможные модификации двигателя 15, различающиеся соединительными элементами, выполненными на внутренней поверхности осевой втулки 20.
Для модернизации велосипедов с трещотками, соединительные элементы на внутренней поверхности осевой втулки 20 выполняются в виде резьбы, ответной резьбе для установки трещотки, выполненной на втулке 12 заднего колеса 5. Установка двигателя производится аналогичным образом, как в вышеприведенном примере.
При необходимости пользователь может легко осуществить обратную модернизацию велосипеда, выполнив демонтаж электродвигателя и установив обратно блок звездочек.