Патенты на электрические велосипеды с 1800-х гг.

Ron/Spinningmagnets, Ноябрь, 2013

Недавно я искал патенты, в которых содержится информация о внутренней работе недавно изобретённых и представленных моторов-колесо. Я нашел больше информации об их работе и деталях, которые некоторые производители могли бы счесть скучноватыми для клиентов. В результате только основные и краткие детали появляются в PR-публикациях, которые потом копируются и вставляются везде. Но вы же читаете эту статью не только для получения общей информации, правда? А общую информацию всегда и быстро поможет найти Google.

Я наткнулся на несколько более старых патентов и подумал, что нашим читателям они могут показаться забавными (я публикую их как можно больше, и вы сможете ознакомиться с ними поподробнее).

Существуют старые поговорки «Нет ничего нового под Солнцем» и «Всё новое — хорошо забытое старое». Что ж, вспомните об этих патентах в следующий раз, когда вы будете читать объявление о новом электрическом «революционном» велосипеде!

Ниже приведён патент на двигатель с прямым приводом задней ступицы от Огдена Болдена, 1895 года (патент № US552271). Для того времени это выглядит удивительно современно. DD-центры актуальны до сих пор, поскольку могут получать питание при очень высоких Ватт-уровнях, разбивающих велосипедные цепи; также они остаются самыми тихими дисками, предполагаю, что в таком виде они просуществуют достаточно долго.

118 лет (1895–2013)

Самый старый патент на электрический велосипед актуален по сей день

Однако идея концентрированного двигателя получила известность не сразу. Был необходим следующий шаг: найти способ повышения мощности и эффективности с помощью вращения двигателя значительно быстрее, чем колеса. Этот патент от 1896 г. (всего одним годом позже!), зарегистрированный Чарльзом Териком.

В 1896 г. Терик приспособил мотор (двигатель hub-motor). Я не знаю, какая из этих «находок» будоражит меня больше всего, но этот приспособленный двигатель очень близок к номеру один в этом списке!

Интересное соотношение 5:6:1, это приблизительно то же, что используется и сегодня в geared hubs, таких как: eZee, MAC, и Bafang-BPM

Вот пример популярного geared hub MAC (взято с em3ev.com)

Патент US596272 тоже довольно интересная находка. Он зарегистрирован изобретателем Хоси В. Либби в 1897г. на срединный диск! Я не вижу педалей, но они не были необходимы для заявки на патент. Нахождение двигателя отдельно от колес означает, что мотор может работать и вращаться значительно быстрее, чем колесо, за счет чего звездочка/цепная передача может увеличить мощность системы. Это означает, что меньший по размерам двигатель может обеспечивать энергией, сопоставимой с энергией большего, но менее эффективного мотора.

К сожалению, именно этот центральный мотор вращается только при оборотах колеса, при этом вес двигателя перемещается в центр велосипеда. Это постоянно магнитный двигатель с двойным статором аксиально-поточного типа, в котором ротор является центральным сектором с обеих сторон. На рисунке щетки отмечены буквой “R”. Конечно же, щетки DC и батарея находятся в рамке треугольника.

На второй странице мы видим такую же велосипедную раму, батарею и двигатель, но сконструированную как двигатель над задним колесом. Пуристы могут возразить, что отсутствие педалей на чертеже показывает, что это «электрический скутер», но здесь явно использовано crank-arms крепление, которое позволяет прикрепить педали (я подозреваю, что он хотел избежать лицензирования существующих патентов на цепи и звездочки). Ударьте меня палкой, если хотите, но я продолжу называть это электрическим велосипедом.

Центральный мотор Либби (1897)

Это не патент, это реклама британского электрического тандема Хамбера в 1897 г.

«Электрический тандем Хамбер, представленный ниже, с четырьмя аккумуляторами и электрическим двигателем, а также энергией, полученной от кручения педалей двумя велосипедистами, была представлена на Стэнли Шоу в ноябре 1897 года».

Французский электрический тандем (около 1900 г.), был испытан Дасьером и Жалабертом. Этот электрический тандем был изобретением Frenchmen de Clerc and Pingault, данный велосипед был испытан велогонщиками Дасьером и Жалабертом. 22 мая 1897 года тандем проехал один километр за 57 секунд.

Хамбер, 1897

Здесь мы рассмотрим патент № US598819, выданный Гордону Дж. Скотту в 1898 г. Если вы не сталкивались раньше с подобным патентом электрического велосипеда во время поиска (кто-нибудь интересовался в свободное время?), то, возможно, это потому что изначально он был зарегистрирован под другим названием.

Я знаком с одним из последних проектов, в котором педали включают генератор, а он заряжает батарею (здесь нет цепи, присоединяющей BB к заднему колесу). Заднее колесо приводится в действие двигателем и предполагалось, что кручение педалей поможет продлить заряд батареи, по сравнению с уровнем заряда, который обычно предоставляется. Этот реальный эксперимент показал, что это был очень неэффективный дизайн, кроме того, он показал, что могло быть еще хуже.

Электрический велосипед Скотта, 1898 г.

Возвращаясь к современным действующим патентам: рассмотрим патент №US627066, зарегистрированный Джоном Снепфом в 1899 г. Здесь мы видим, что двигатель с прямым приводом является концентрическим с валом, дающий энергию ролику задней шины для запуска трения двигателя. На второй странице патента представлено 90-градусное снижение, позволяющее вращаться двигателю гораздо быстрее, чем ролик (валик) (теоретически это может повысить эффективность), он был творческий изобретатель, но… это первый проект, показывающий то, может пройти 113 лет и это будет востребовано любителями электрогибридов.

Мой самый первый электрический велосипед был с friction drive system. Его двигатель разработан с использованием компактных и мощных RC двигателей, которые развивались на протяжении многих лет и, наконец, стали очень неплохими для электрического велосипеда, к 2010 году. Это не самый ранний пример двигателя friction-drive, но он задал направление современным friction-drive двигателям и доказал, что эта система жизнеспособна и будет обеспечивать хорошую работу.

Friction drive двигатель Джона Снепфа, 1899 г.

А вот фото моего личного friction-drive. Несмотря на его небольшой размер, через него проходит мощность 36V X 30A = ~ 1100 Вт. Мне было необходимо переключиться на режим защиты шины (square-profile tread tire) на пляже Крейсер для получения достаточной тяги, чтобы она не скользила при высокой мощности во время езды на влажном участке дороги.

Возможно, friction drive — это самый простой электрический велосипед для пользования

Я поискал немного больше и нашел необыкновенно современный центральный двигатель. Патент № US656323, поданный Альбертом Гензелем в 1899 г. и выданный в 1900 г.

Неконцентрированный левосторонний двигатель Гензеля, 1900 г.

Вот велосипед, на котором участник ES “PaulD” выиграл главную гонку электрических велосипедов в 2012 г. Маленькая рамка (коробка), с установленным внутри двигателем, в треугольной раме велосипеда, ведомая установленной горной системой привода при помощи цепи , который приводит в движение заднее колесо с левой стороны.

Так как патента, описанного выше, оказалось недостаточно, господин Гензель запатентовал свободный фрикционный привод.

Это — чертеж замечательного голландского электрического велосипеда Junckers 1933 года. Модель 80-ти летней давности, но я был бы счастлив ездить на нём и в наши дни!

The Junckers из Нидерландов, 1933 г.

Следующая модель, которую я нашел, была разработана в 1938 и подана на патент в 1939. Начиналась Вторая Мировая Война, поэтому эта разработка не была известной в то время. Это патент, доступный под номером US2179418 Т.М. Макдоналда. Он примечателен по трем причинам. Это — самая ранняя конструкция, которую я нашел, с электрическим передним приводом на велосипеде. Кроме того, батарея установлена по центру и очень низко, и это обеспечивает самое лучшее распределение веса (точно так же, как 3-ий Элемент eSpire). И наконец, там используется асинхронный двигатель, вместо системы использования статичных (постоянных) магнитов. Из-за слабой силы общих ферритовых перманентных (постоянных) магнитов, используются электромагниты в статоре, а также ротор сделал бы этот двигатель гораздо мощнее, чем предыдущие представленные электрические велосипеды.

Следующий патент фактически еще вполне жизнеспособной конфигурации. Это — № US2457430 1946 года, созданный Аргирисом Стефаносом. Находящийся в центре цилиндрический электропривод, установленный под уклоном 90 градусов, который переходит в линию и приводит в движение велосипед с помощью цепного привода. Привод звёздочки цепного мотора крепится к муфте свободного хода, которая встроена в систему таким образом, что мотор не даёт привода на заднюю ось, когда он выключен, и ты крутишь педали.

Я не был уверен, что информация о следующем электрическом велосипеде должна здесь быть, но эта статья написана исключительно для удовольствия, так что вот она: 1975 г., и это — патент № 3884317, Августа Б. Кинзеля. Там установлен двигатель вокруг BB-шпинделя. 10ти скоростные переключатели были распространены в 1975 (пять звёзд на заднем колесе), и такая особенность делает этот пример самым ранним, который я мог найти среди электронных велосипедов, дающий двигателю возможность использовать несколько механизмов, чтобы улучшить преодоление подъема. Если рассмотреть повнимательнее, то станет видно батарею - крошечная батарея только позади сиденья. Это обычная динамо-машинка, которая приводит в движение велосипедные колеса, но, как правило, её используют для того, чтобы держать фары зажжёнными. Правильно … это эксклюзивный электрический велосипед! Объясню вам современным языком: он использует регенерацию, чтобы привести двигатель в действие. Это предназначено для того, чтобы использовать обычные звёздочки и несколько цепей, но это не показано на рисунке.

В прошлом году это изобретение произвело фурор в мире современных двигателей, где кронштейн крепится снизу. Престижные компании, как Bosch и Panasonic, потратили много времени и денег, чтобы разработать самую лучшую систему для массового производства. Они пришли к выводу, что для того, чтобы получить лучший КПД (Коэффицент Полезного Действия — отдача от двигателя) от двигателей скромных мощностей, как например 250 Вт, BB-двигатель (Bottom-Bracket — тип двигателя с креплением кронштейна снизу), который дает возможность мотору использовать систему переключения передач на велосипеде, что является лучшим способом передвижения на нём.

Топливный кризис 1973 года породил десятилетие инновационных мыслей, как минимум один человек пришел к тому же самому заключению, что Bosch и Panasonic, и он сделал его за несколькими годами раньше до того, как появилось автоматизированное проектирование (CAD: Computer Aided Design), доступное обычному человеку. Патент № US4030562 1977 года принадлежит Чарльзу Дунканк и Питеру Лейтону. Это компактный BB-привод (Bottom-Bracket) с цилиндрическим мотором, установленным под углом 90 градусов, который включает в себя муфту свободного хода, и не приводится в движение, когда двигатель отключён, нужно просто крутить педали.

Интересен патент 1982 года, изобретателя Амедео А. Рестелли. Он представляет собой передний ступичный двигатель, но даже при том, что это, кажется, приспособленной технологией (ничего особенного), он также включает в себя сцепление и определяет, что механизм создает передачу с 2мя скоростями. Первая передача — приспособленная функция, и когда сцепление на месте, двигатель становится прямым приводом. Цифры на рисунке обозначены следующим образом: номер 19: щетки, 20: коммутатор, 16: перманентные (постоянные) магниты, 22: центральная шестерня, 28: булавки в центре механизмов главных звёзд и 21: сцепление. Пункты, которые изображены на рисунке в виде большого “X”, являются поперечными сечениями отношений.

На мой взгляд, современная эпоха электрических велосипедов началась сразу после 1995, когда компьютерный прорыв дал нам мощные "Неодимовые" магниты, которые были введены в массовое производство, что существенно снизило их цену. Неодимовые магниты были на виду некоторое время, и они использовались в жёстких дисках, которые хранили цифровые файлы. Как только Нео магниты стали дешевле, электрические велосипедные двигатели получили мощное ускорение, благодаря которым произошли серьезные прорывы, удовлетворившие спрос покупателей.

Другие большие перемены происходили в то же самое время, когда переносные инструменты и ноутбуки питались от Литиевых батарей. Массовое производство литиевых батарей существенно снизило их цены. Комбинация мощных Нео магнитов и литиевых батарей также так же стало более возможным (стало ощутимо дешевле) …, что стало переломным моментом между эпохами "Истории электрических двигателей" и "Нашим временем".