Dawno, dawno, temu zaraz po wojnie miałem zaszczyt urodzić się w rodzinie repatriantów na Ziemiach Odzyskanych. Moim chrzestnym został  zdemobilizowany z wojska kolega mojego ojca również dawnego żołnierz II Armii Wojska Polskiego. Mój chrzestny służył w wojsku jako sanitariusz więc normalne było, że znalazł prace w służbie zdrowia jako radiolog po zdobyciu wymaganych uprawnień. Ponieważ wierzę w opiekę naszych przodków w życiu doczesnym, zobowiązany jestem odnotować jego ścieżkę życiową, z której był bardzo dumny i podkreślał swoje doświadczenie w  wybranej dziedzinie zawodowej.

Dodatkowo w  kresowych wierzeniach ludowych funkcjonowała  wiara, że człowiek odchodzi w asyście swojego dawnego przodka. Według tej magii nasi przodkowie pomagają nam w życiu codzienny omijać niebezpieczne wydarzenia i sytuacje, a w przypadku gdy nasz misja ziemska dobiega końca, ktoś z przodków przejmuje funkcje wprowadzenia w nowa rzeczywistość, podczas procesu przejścia do innego świata. Dlatego tematem mojego artykułu jest droga rozwoju dawnych aparatów rentgenowskich, które osobiście pamiętam z lat 60 XX wieku.

Aparaty rentgenowskie działają poprzez emisję promieniowania elektromagnetycznego naświetlającego wybraną część ludzkiego ciała. Promieniowanie przechodzi przez ciało, z różnym stopniem absorpcji, w zależności od gęstości tkanek. Gęstsze tkanki, takie jak kości, pochłaniają więcej promieni rentgenowskich, co powoduje, że na obrazie wydają się białe. Z drugiej strony, tkanki o niższej gęstości, takie jak mięśnie i narządy, pochłaniają mniej promieni rentgenowskich, przez co wydają się ciemniejsze. Nowoczesne aparaty rentgenowskie wykorzystują detektory cyfrowe zamiast tradycyjnych klisz, co pozwala na szybsze przetwarzanie i przechowywanie obrazów. Następnie obrazy te są analizowane przez radiologa  w celu identyfikacji takich schorzeń, jak złamania, infekcje, guzy czy nieprawidłowości.

Wszystkie wczesne lampy rentgenowskie były lampami jonowymi Crookesa . Poważny problem z eksploatacją tej lampy polegały na tym, że intensywność (kontrolowana prądem) i penetracji (kontrolowanej przez przyłożone napięcie) tych lamp nie można było kontrolować niezależnie. Prąd w rurze, który wynikającą z napięcia wytwarzającego wyładowanie gazowe, była bardzo duża zależne od ciśnienia gazu. Jednak to ciśnienie gazu zmniejszała się z biegiem czasu, ponieważ szklana ściana pochłaniała jony gazu uwolniony przez wyładowania. Zatem było coraz wyższe napięcie potrzebne do zainicjowania wyładowania, co powoduje ugruntowanie  promieniowania.

Coolidge był inżynierem elektrykiem z Massachusetts Institute of Technology (MIT), który uzyskał stopień doktora na Uniwersytecie w Lipsku w Niemczech. Lampa Coolidge’a, zwana także lampą z gorącą katodą, radykalnie różni się od lampy Crookesa  i  jest najczęściej używany do dziś. Współpracuje z bardzo dobrym jakość próżni (około 10⁴ Pa lub 10⁶ Torr). W lampie  Coolidge, elektrony powstają w wyniku efektu emisji termoelektronowej  przez  włókno wolframowe podgrzewane prądem elektrycznym i dlatego  właśnie było to prawdziwa innowacją, ponieważ włókno jest katodą lampy.  Pomiędzy katodą a elektrodą występuje wysoki potencjał napięcia anoda, elektrony są w ten sposób przyspieszane, a następnie uderzają w anodę, wytwarzając w ten sposób promienie rentgenowskie. Dzięki temu możliwe było kontrolowanie napięcie i prąd lampy niezależnie, zmieniając prąd płynący przez żarnik katody. Moc lampy Coolidge’a zwykle waha się od 0,1 do 18 kW, co zapewniało osiągnięcie moc promieniowania lampy około 10 razy większa niż poprzednio technologia. W swoim patencie  Coolidge zastrzegł  „nową odmianę lampy, różniąca się zarówno zasadą działania oraz  operacyjnymi cechami  użytkowymi. Kolejna innowacja związana jest ze zmiennością lokalizacja ogniska, promująca przenikalność lub innymi słowy, lepsze dostosowanie „twardych” i „miękkich” promieni rentgenowskich. Wynalazca twierdził także, że jego nowy dyspozytyw  ( w kontekście badania rentgenowskiego (RTG) odnosi się do procesu wykonania ekspozycji, czyli momentu, w którym lampa rentgenowska emituje promieniowanie X w celu uzyskania obrazu prześwietlenia)  praktycznie pomijał  fluorescencja szkła, znikoma produkcja wtórnych promieni rentgenowskich ze szkła i lepsze równomierne ogniskowanie, stałe napięcie jak również określenie ostrości zdjęć rentgenowskich.  Inne zaproponowano alternatywne formy rurek, głównie dlatego, że zauważył że szczególne relacje elementów rury wpływają na jej nowatorskie  cechy.  Podstawową zaletą konstrukcji nowej lampy rentgenowskiej  było zastąpienie zimnej katody żarnikiem wolframowym co pozwala radiologom na precyzyjne kontrolowanie natężenia i przenikliwości promieniowania. Dodatkowo w/w wynalazek niezawodnej  lampy rentgenowskiej spowodował, że urządzenie rentgenowski stało się narzędziem bezpiecznym i masowym.

  US1203495  VACUUM TUBE, W.Coolidge, Data patentu: 31.10.1916.

 Patent dotyczy konstrukcji urządzeniu do wytwarzania promieni rentgenowskich, które składa się z  lampy wyposażonej w elektrody, przy czym próżnia w lampie jest tak rozrzedzona, że ​​praktycznie eliminuje wytwarzanie jonów dodatnich, oraz środków do generowania elektronów na katodzie lub elektrodzie ujemnej zasadniczo niezależnie od napięcia przyłożonego do wspomnianych elektrod.

 Urządzenie rentgenowskie zawierające gazoszczelną osłonę, przy czym przestrzeń wewnątrz tej osłony jest opróżniana do ciśnienia, przy którym zasadniczo nie występuje jonizacja gazu, katodę, anodę i środki do generowania elektronów na katodzie, przy czym prąd przesyłany przez to urządzenie przy danej temperaturze katody jest niezależny od napięcia w zakresie przyłożonych wartości napięcia.

Rura wykonana zgodnie z moim wynalazkiem różni się od rur poprzedniej techniki tym, że posiada niezwykłe właściwości. W rezultacie nie występują żadne znaczące zmiany w działaniu rury przez dłuższy czas, co pozwala na stałe generowanie promieni rentgenowskich o znacznie bardziej równomiernej mocy penetracji  i  znacznie bardziej stałej objętości oraz położeniu źródła lub ogniska. Przenikalność, czyli twardość lub miękkość promieni rentgenowskich, można regulować dowolnie poprzez regulację temperatury katody. Szkło rury praktycznie nie wykazuje fluorescencji, co jest istotne, ponieważ wskazuje, że szkło nie jest bombardowane przez tarczę lub anodę, a zatem nie jest przez to lokalnie nagrzewane. Efekt ogniskowania jest stały, a rozdzielczość zdjęcia rentgenowskiego wzrasta. Te i inne cechy oraz zalety  wynalazku będą lepiej zrozumiałe dzięki poniższemu opisowi w powiązaniu z załączonymi rysunkami a cechy nowości przedstawionw są  w załączonych zastrzeżeniach patentowych.

Na załączonych rysunkach, Fig.1 przedstawia widok przekroju kompletnej lampy wyposażonej w jeden typ urządzenia ogniskującego; Fig.2-7 ilustrują alternatywne formy urządzeń ogniskujących, a Fig. 8 ilustruje zmodyfikowaną lampę o stałej charakterystyce napięciowej.

Odnosząc się do Fig.1, przedstawiającego jeden z wariantów mojego wynalazku, rurka lub osłona jest oznaczona numerem 1 i składa się, jak zwykle, ze szkła lub innego przezroczystego materiału. W rurowym końcu 2 znajduje się uszczelniona anoda 3, która w tym przypadku ma kształt płytki. Jest ona podtrzymywana przez trzon 4, przy czym zarówno anoda, jak  i  trzon wykonane są, najlepiej, z kutego wolframu. Naprzeciwko tej anody, która służy również jako tarcza, znajduje się katoda 5 przystosowana do nagrzewania, w tym przypadku jest to włóknista spirala z wolframu, tantalu, węgla lub innego wysoce ogniotrwałego materiału. W tym przypadku włókno jest nawinięte bezindukcyjnie, choć nie jest to konieczne. Jest ono podłączone do przewodów doprowadzających 6, 7, uszczelnionych w podporze szklanej 8, gdzie przewody są odizolowane od siebie małymi szklanymi rurkami 8′, jak wyraźnie pokazano. Przewody 6, 7 są podłączone do źródła prądu, takiego jak bateria 9, lub do transformatora, poprzez regulowany opór 10.

Wokół właściwej katody znajduje się pusty cylinder 11 wykonany z wolframu, aluminium, żelaza lub innego odpowiedniego materiału przewodzącego, utrzymywany w miejscu przez sprężyny12, z których jeden współpracuje z mała gałka13 na szkle. Ten cylinder lub rura jest najlepiej połączona elektrycznie z katodą za pomocą drut 14, albo wewnątrz rury, albo na zewnątrz rury, jak pokazano na Fig.1, zawierające w obwodzie przełącznik 15. Podczas normalnej pracy cylinder 11 pełni ważną funkcję modyfikacji pola statycznego w celu skupienia wyładowania katodowego, co zostanie wyjaśnione poniżej. Zamiast rurowego, urządzenie ogniskujące może przybierać różne inne kształty. Może to być perforowany płaski dysk 16, jak pokazano na  Fig.2  lub perforowany talerz wklęsły lub wklęsły dysk17, Fig.3, a nawet prosty pierścień18, Fig.4. W rzeczywistości nawet osad metaliczny, taki jak warstwa chemicznie osadzonego srebra, na ściankach globusa 19, Fig.5, który  będzie działać jako statyczny środek ogniskujący.

Zamiast statycznych urządzeń ogniskujących można zastosować środki ogniskowania magnetycznego, jak pokazano na Fig. 6 i 7. Środki ogniskowania magnetycznego mogą mieć formę solenoidu, albo wewnątrz rury, podobnie jak pierścień ogniskowania statycznego, albo na zewnątrz ścian rury w pobliżu katody, jak pokazano schematycznie na  w punkcie 20,Fig.6  albo sama katoda jest nawinięta indukcyjnie, jak pokazano w punkcie 21 na Fig. 7.  Lampę według wynalazku można  uruchomić, zamykając obwód akumulatora przez rezystancję 10, tak aby podgrzać żarnik 5 do żaru. Po osiągnięciu wystarczająco podwyższonej temperatury, włókno emituje elektrony. Kiedy do rury zostanie przyłożony wystarczający potencjał poprzez pełne połączenie z odpowiednim źródłem 22, poprzez przewody 23 i 24, prąd będzie przesyłany, pod warunkiem, że ujemny biegun źródła będzie podłączony do żarnika. Gdy źródło 22 dostarcza prąd przemienny, jak na przykład a transformatora lub cewki indukcyjnej, przez urządzenie przesyłane są tylko górne połówki sinusoidy prądu.  Elektrony wkrótce ładują pusty cylinder 11 do ujemnego potencjału w stosunku do katody, chyba że cylinder i katoda są podłączone. Niezależnie od tego, czy są połączone, czy nie, cylindry tak modyfikują charakter pola statycznego wewnątrz lampy, że elektrony są kierowane na małą plamkę na anodzie 3. Moim zdaniem ogniskowanie jest spowodowane tym, że elektrony mają tendencję do poruszania się prostopadle do powierzchni ekwipotencjalnych

Reasumując ogniskowanie jest spowodowane tym, że elektrony mają tendencję do poruszania się prostopadle do powierzchni ekwipotencjalnych który może być narysowany w przestrzeni pomiędzy katodą i anodą. Ten sposób ogniskowania wyładowania katodowego jest skuteczny jest to istotne, ponieważ prędkość elektronów w pobliżu katody jest stosunkowo mała i dlatego ich ruchem można łatwo kierować za pomocą urządzeń skupiających. Ognisko ogniskowe na sieci anodowej ustalone podczas normalnej pracy lampy. Stanowi to ostry kontrast w stosunku do działania zwykłej lampy jonowej pod kątem  w którym plamka często poruszała się tak szybko, że powodowała rozmycie wszystkich linii podczas nierównoległych do krótkiego kierunku ruchu radiograficznego, nawet przy bardzo krótkich ekspozycjach radiograficznych.

PL16520 URZĄDZENIE RENTGENOWSKIE, N. V. Philips Gloeilampenfabrieken, Data patentu : 6.06.1932

Wynalazek niniejszy dotyczy urządzenia rentgenowskiego, zawierającego przynajmniej jeden kabel wysokiego napięcia z powłoką metalową, połączoną z osłoną metalową, w której zamknięta jest lampa Roentgena. Metalowa osłona lampy Roentgena jak również i okładzina kabla mogą być podczas pracy uziemione, wskutek czego urządzenie rentgenowskie nie posiada na swej powierzchni, praktycznie biorąc, żadnej części, znajdującej się pod napięciem, co pozwala bez obawy nadawać lampie Roentgena różne położenia. W takim urządzeniu rentgenowskim można zastosować lampę Roentgena o całkowicie szklanej ściance w kształcie walca, którą w razie potrzeby powleka się izolacją.

Urządzenia według wynalazku można bardzo łatwo i szybko składać i rozbierać. Ponieważ poszczególne części mogą być stosunkowo lekkie, przeto urządzenie to może być z łatwością przenoszone przez jedną osobę. Wymiary tego urządzenia mogą być bardzo nieznaczne. Dla ułatwienia przenoszenia transformatora można przymocowywać do osłony transformatora uchwyt, zamykający otwór lub otwory na kable. Zapobiega to jednocześnie wypływaniu na zewnątrz oleju przez otwory osłony.
Wynalazek jest tytułem przykładu wyjaśniony przy pomocy jednej jego postaci wykonania, uwidocznionej ma rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie rentgenowskie według wynalazku, w którym lampa Roentgena  i transformator są połączone za pomocą kabli wysokiego napięcia, powierzchnia zaś całego urządzenia zaopatrzona jest w uziemioną powłokę metalową, fig. 2 — szczegóły wykonania lampy Roentgena i transformatora i połączenia kablowego, fig. 3 — część urządzenia według fig. 2, przy czym na fig. 3 -uwidoczniono wyraźnie połączenie elektryczne i zamocowanie mechaniczne kabla na stronie katody lampy Roentgena, fig. 4 przedstawia widok z boku obsady z materiału izolacyjnego, wsuniętej w osłonę na stronie katody lampy Roentgena, fig. 5 — połączenie na stronie przeciw-katody, w którym obsada izolacyjna jest umieszczona bezpośrednio na drążku przeciw-katody, fig. 6 – transformator, w którym kable wysokiego napięcia zastąpione są uchwytem.

Na fig: 2 lampa Roentgena jest oznaczona, cyfrą 1, kable wysokiego napięcia z metalowym płaszczem zewnętrznym cyframi 2 i 3, transformator zaś  cyfrą 4. Lampa Roentgena posiada ściankę, składającą się z części szklanych 5 i części metalowej 6. Część metalowa ścianki posiada kształt pierścienia i jest na obydwóch końcach spasowana  do części szklanych ścianki lampy Roentgena.  Metalową część ścianki najwłaściwiej jest wykonać z żelaza chromowego. Zarówno przeciw-katoda 7, jak i płaszcz 8 katody żarowej są umieszczone wewnątrz metalowej części ścianki  i  są od niej odizolowane, będąc przymocowane do końców części szklanych ścianki. W części metalowej mieści się okienko 9, służące do przepuszczania promieni Roentgena. Do przeciw-katody przymocowany jest drążek chłodzący 10, służący do odprowadzania energii cieplnej, wytwarzającej się naprzeciw-katodzie.  Druty doprowadzające 11 i 12 katody żarowej 13 są wtopione szczelnie do spłaszczonej części 14 rurki kołnierzowej 15, której kołnierz jest spojony ze szklaną częścią ścianki lampy. Katoda żarowa 13 jest umieszczona wewnątrz płaszcza metalowego 8 przed otworem tego płaszcza, przez który elektrony docierają do przeciw-katody.

Po obu strontach metalowej części ścianki lampy umocowane są metalowe osłony 16, otaczające prawie całkowicie lampę Roentgena i tworzące wraz z metalową częścią ścianki lampy jednolitą powierzchnię metalową. Osłony te posiadają otwory na kable wysokiego napięcia oraz kilka otworów 17 (fig. 3) na końcach osłon, przez które powietrze może dopływać pomiędzy lampę Roentgena a osłony metalowe. Szklana część lampy Roentgena jest na obydwóch stronach szczelnie otoczona walcowatymi tulejami izolującymi 18.

Tuleje te leżą zatem pomiędzy szklaną ścianką a osłoną metalową. Lampa Roentgena jest połączona z transformatorem 4 za pomocą jednego jednożyłowego i jednego dwużyłowego kabla wysokiego napięcia 2 względnie 3, które otoczone są płaszczami metalowemu. Transformator 4, zamknięty z góry za pomocą ścianki izolacyjnej 19, jest umieszczony w napełnionym olejem naczyniu metalowym 20, które połączone jest ze środkiem cewki wtórnej i uziemione. Wskutek takiego układu połączeń napięcie przebijające, jakie musi wytrzymywać izolacja lampy i kabla, określa się tylko połową napięcia roboczego, wskutek czego oprócz oszczędności na materiale osiąga się zwartość budowy urządzenia. Oba kable wysokiego napięcia 2 i 3 posiadają nasadki końcowe 21, 22, 23, 24, wykonane z dobrego materiału izolacyjnego, np. ze sztucznej żywicy. Te nasadki końcowe, posiadające większą średnicę od kabla, posiadają, jak to wyraźnie uwidoczniono na fig. 3, powierzchnię falistą 25, wskutek czego niebezpieczeństwo przebicia wzdłuż tych powierzchni jest zmniejszone. Izolacyjna część kabla sięga aż do wnętrza nasadki końcowej i przylega do niej możliwie szczelnie bez pozostawiania jakiejkolwiek przestrzeni powietrznej. Przewód kabla przedłużony jest do nasadki końcowej i jest przez nią możliwie szczelnie otoczony. Nasadki 23, 24 są zaopatrzone w kontakty wtyczkowe 27, połączone z żyłą kabla. Kontakty te służą do elektrycznego połączenia żyły kabla z przeciw-katodą względnie z odpowiednim biegunem wtórnej cewki transformatora. Każda z nasadek końcowych 21 i 22 jest zaopatrzona w dwa współosiowe kontakty wtyczkowe 26 i 27, połączone z żyłami kabla. Kontakty te służą do elektrycznego połączenia żył kabla z drutami doprowadzającymi 11 i 12 katody żarowej.

Promienie krzywizny części przewodzących końcówek kabli są dobrane możliwie duże celem zmniejszenia niebezpieczeństwa przebicia. Powierzchnie czołowe 28 nasadek kabli nie są prostopadłe do żył kabli i nie przebiegają równolegle do istniejących tam linii sił pola elektrycznego, lecz posiadają, jak to lepiej uwidocznione jest na fig. 3, kierunek skośny względem osi kabli. Drążek chłodzący 10 przeciw-katody posiada koniec kulisty 29, zaopatrzony w otwór walcowy 30, w który można wsunąć kontakt wtyczkowy 27 nasadki końcowej 23, przy czym część czołowej powierzchni nasadki 23 przylega ściśle do części powierzchni kulistego końca drążka chłodzącego. Na ściance izolacyjnej 19 transformatora znajdują się współosiowe kontakty wtyczkowe 33 i 34, tworzące z kontaktami 26 i 27 nasadki 22 złącze wtyczkowe, oraz kontakt 36, odpowiadający analogicznie  kontaktowi 27 nasadki1 24. Ścianka 19 posiada występy cylindryczne 37, które obejmują nasadki końcowe 22 i 24 kabli wysokiego napięcia. Kontakt 33 jest połączony z jednym końcem wtórnej cewki transformatora, kontakt zaś 34 łączy się z odpowiednim zaczepem tego uzwojenia tak, że pomiędzy tymi kontaktami występuje nieznaczne napięcie, potrzebne do dostarczania prądu żarzenia, katodzie żarowej. Wewnątrz metalowej osłony lampy Roentgena, lecz na zewnątrz samej lampy, na stronie katody żarowej lampy Roentgena umieszczona jest, jak to wyraźnie uwidoczniono na fig. 3, obsada 38 z materiału izolacyjnego, np. ze sztucznej żywicy, która sięga aż do komory 39, którą tworzy szklana ścianka lampy. Druty doprowadzające 11 i 12 katody żarowej są przeprowadzone przez obsadę 38, a mianowicie przechodzą przez małe rurki metalowe 39 i 40, połączone elektrycznie ze współosiowymi kontaktami wtyczkowymi 41 i 42, przymocowanymi do obsady 38. Druty doprowadzające są utrzymywane w rurkach 39 i 40 za pomocą śrub 43 i 44.  Przy zakładaniu nasadki końcowej 21 kabla 3 do otworu metalowej osłony lampy Roentgena kontakty 26 i 27 zostają wsunięte do kontaktów 41 1.42. Nasadka 38 jest ukształtowana tak, że przylega ona szczelnie do nasadki 21. Powierzchnia rozdziału nasadki 21 i obsady 38 przebiega skośnie do kierunku linii sił pola elektrycznego. Obsada 38, celem umożliwienia obiegu powietrza, posiada spłaszczoną powierzchnię 45, jak to wyraźnie przedstawiono na fig. 4.

Na zewnątrz lampy Roentgena, szeregowo z katodą żarową włączony jest opornik 46, który ogranicza do określonej wartości prąd żarzenia. Do nasadek końcowych kabli przylegają pierścienie metalowe 47 (fig. 3). Powierzchnia działowa między nasadką końcową, 21 a pierścieniem 47 jest skierowana skośnie względem osi kabla, a mianowicie jest wygięta w kierunku przewodu prądu. Kable przymocowuje się do lampy Roentgena względnie do transformatora za pomocą kapturków nagwintowanych 48 (fig. 3). Kapturek 48 obejmuje pierścień 47 oraz część nasadki końcowej 21. Kapturek ten może być wkręcony na zaopatrzoną w gwint nasadę 49 metalowej osłony lampy Roentgena. Nasadka 21 zostaje przy tym przyciśnięta do obsady 38, a jednocześnie powstaje elektryczne połączenie między kontaktami 26 i 27 oraz 41 i 42.

 W ten sam sposób można połączyć kabel z transformatorem i przeciw-katodą lampy Roentgena. Kapturki 48 zapewniają elektryczne połączenie metalowe płaszcza zewnętrznego kabla z metalowymi osłonami lampy Roentgena i transformatora, wskutek czego uziemienie metalowej osłony transformatora powoduje jednocześnie uziemienie metalowej osłony lampy Roentgena i metalowego zewnętrznego płaszcza kabla. Na osłonie transformatora jest w tym celu umieszczony zacisk 50 do uziemiania. Kable 2 i 3, zaopatrzone w metalowy płaszcz zewnętrzny, są giętkie. W tym celu zastosowany jest giętki metalowy płaszcz zewnętrzny. Taki płaszcz może się składać z dużej liczby pierścieni, które, będąc przymocowane do siebie, są jednak względem siebie ruchome i stanowią razem metalowy płaszcz zewnętrzny 'kabla. Fig. 5 przedstawia nieco odmienną postać końca przeciw-katody lampy Roentgena. Koniec drążka chłodzącego jest przy tym otoczony bezpośrednio obsadą izolacyjną 52, która sięga aż do wydrążenia, które tworzy ścianka szklana lampy. Urządzenie rentgenowskie według wynalazku można bardzo łatwo rozbierać, odkręcając kapturki 48 i wyjmując kable z otworów w metalowych osłonach lampy i transformatora. Dla udogodnienia przenoszenia transformatora można w otworach na kable umieścić uchwyt 51, (fig. 6). Uchwyt ten przymocowuje się za pomocą kapturków nagwintowanych 53, nakręcanych na odpowiednie nasady metalowej osłony 20 transformatora,  przy czym uchwyt ten tworzy jednocześnie zamknięcie otworów w osłonie transformatora.

Suplement

Odkrycie technologii rentgenowskiej to historia zbiegu okoliczności i ciekawości. W 1895 roku, eksperymentując z promieniami katodowymi, niemiecki fizyk Wilhelm Roentgen przypadkowo natknął się na odkrycie promieni rentgenowskich.

Promienie katodowe to strumień elektronów emitowanych przez ujemną elektrodę (katodę) w lampach próżniowych lub rurach z rozrzedzonym gazem. Przemieszczają się one prostopadle do powierzchni katody w kierunku anody. Zostały zidentyfikowane jako cząstki materialne posiadające ujemny ładunek elektryczny, a ich odkrycie odegrało kluczową rolę w poznaniu budowy atomu. 

To przełomowe odkrycie ostatecznie doprowadziło do jednego z najważniejszych postępów w obrazowaniu medycznym. Jednak Roentgen nie od razu zrozumiał pełen potencjał swojego odkrycia. Początkowo nazwał je „promieniami rentgenowskimi” ze względu na nieznaną naturę tego promieniowania. Pierwsze zastosowanie promieni rentgenowskich w medycynie miało na celu przede wszystkim diagnostykę złamań. Prace Roentgena doprowadziły do szybkiego rozwoju aparatów rentgenowskich, których lekarze używali w szpitalach do badania kości. Był to jednak dopiero początek historii i ewolucji technologii rentgenowskiej. To, co zaczęło się jako proste narzędzie diagnostyczne, przekształciło się w kompleksową i zaawansowaną metodę stosowaną w szerokim spektrum dyscyplin medycznych. Roentgen za swoje odkrycie promieni X ( ponieważ nie wiedział dokładnie, z czym ma do czynienia) otrzymał pierwszą w historii Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, w 1901 roku. Jako człowiek o wysokim morale nie opatentował swojego odkrycia, ponieważ uważał, że powinno ono służyć całej ludzkości za darmo.  Gdyby opatentował swoje odkrycie, prawdopodobnie byłby  jednym z najbogatszych ludzi swoich czasów.  Lampy jonowe (nazywane też lampami gazowanymi) to „pierwsza generacja” lamp rentgenowskich, używana od odkrycia promieni X przez Roentgena w 1895 roku aż do lat 20 XX wieku. W przeciwieństwie do współczesnych lamp próżniowych, te urządzenia potrzebowały niewielkiej ilości gazu, aby w ogóle zadziałać. Lampy jonowa zbudowane były z  szklanej bańki z dwiema (lub trzema) elektrodami, katoda i anodą, w której panuje niska próżnia (pozostawiono w niej śladowe ilości powietrza lub innego gazu). Katoda posiadała zazwyczaj  kształt czaszy (wklęsła), aby skupiać wiązkę elektronów, a  antykatoda – anoda zbudowana była często z platyny lub wolframu, w którą uderzały elektrony, generując promieniowanie X.

Proces powstawania promieniowania  X   opierał się na zjawisku wyładowania w rozrzedzonym gazie, który podlegał jonizacja, ponieważ do  elektrod przyłożone zostaje bardzo wysokie napięcie (dziesiątki tysięcy woltów). Resztkowe cząsteczki gazu wewnątrz bańki ulegają jonizacji – rozpadają się na dodatnie jony i ujemne elektrony.

Dodatnie jony pędzą w stronę ujemnej katody i uderzają w nią z ogromną siłą w wyniku czego następuje emisja wtórna, tzn. uderzenia jonów „wybijają” z powierzchni katody strumień elektronów (tzw. promienie katodowe). Dzięki wklęsłemu kształtowi katody, wybite elektrony są ogniskowane na małym punkcie antykatody, co wywołuje  gwałtowne hamowanie elektronów na metalowej tarczy antykatody , które  powoduje emisję promieniowania X .

Ale lampy jonowe były kapryśne, ponieważ podczas pracy cząsteczki gazu były „wchłaniane” przez metalowe elementy i szkło. Gdy gazu ubyło zbyt dużo, lampa przestawała działać. Dlatego stare aparaty posiadały regeneratory – małe boczne rurki z węglem drzewnym lub azbestem, które po podgrzaniu uwalniały odrobinę gazu do wnętrza bańki, „zmiękczając” lampę i przywracając ją do życia. W realnych warunkach pracy lampa mogła pracować w dwóch trybach:

Lampa „miękka”: Dużo gazu, niskie napięcie wystarczy do startu, promieniowanie jest słabe (mało przenikliwe).

Lampa „twarda”: Mało gazu, potrzeba gigantycznego napięcia, promieniowanie jest bardzo silne i przenikliwe.

Stąd podstawową wadą pierwszych lamp rentgenowskich była ich niestabilność w wielkości natężenia promieniowana X , która zależało od ciśnienia gazu, a którego nie dało się idealnie kontrolować. W 1913 roku William Coolidge wynalazł lampę próżniową (z gorącą katodą), w której elektrony są emitowane przez rozżarzony drucik (termoemisja), a nie przez bombardowanie jonami. To rozwiązanie pozwoliło na niezależną regulację natężenia i twardości promieniowania, co odesłało lampy jonowe do muzeów. Dzięki temu parametry wysokiego napięcia zasilającego lampę w  kV (napięcie) są niezależne od  natężenia prądu żarnika w mA (prąd) , co do dziś stanowi fundament diagnostyki rentgenowskiej.

Twardnienie promieniowania X (często nazywane też utwardzaniem wiązki, ang. beam hardening) to zjawisko, w którym średnia energia (czyli „przenikliwość”) wiązki promieni rentgenowskich wzrasta podczas przechodzenia przez jakiś materiał. Mówiąc prościej: wiązka na wejściu jest „mieszanką”, a na wyjściu staje się „mocniejsza”, bo materiał odfiltrował jej słabsze elementy.

Rentgenografia część 1

https://youtu.be/aQAiI7SDNp8

 

     Wojna w Ukrainie doprowadziła do bezprecedensowego zapotrzebowania na zaawansowaną protetykę. Szacuje się, że liczba osób z amputacjami w Ukrainie wynosi od 20 000 do nawet 50 000 – to skala nieobserwowana w Europie od czasów II wojny światowej. Dla żołnierzy, którzy często chcą wrócić na front lub pozostać aktywnymi w cywilu, „inteligentne” protezy to nie luksus, a konieczność.  Niektórzy ukraińscy żołnierze po amputacjach wracają do czynnej służby bojowej, używając specjalistycznych protez sportowych (tzw. „blades”) lub wzmocnionych modeli mikroprocesorowych, co jest fenomenem na skalę światową. Tradycyjne protezy są pasywne – po całym dniu chodzenia w terenie żołnierz jest wycieńczony, ponieważ jego zdrowe mięśnie (biodro, plecy) muszą nadrabiać brak stopy. Stopa aktywna oddaje mu siłę, którą stracił wraz z kończyną, co pozwala na znacznie dłuższe marsze i mniejszy ból kręgosłupa.

Aktywna proteza  bioniczna umożliwia zgięcie w stawie skokowym w zakresie odpowiadającym naturalnemu, dzięki czemu pozwala na zachowanie płynności i  dynamiki ruchu podczas każdego kroku niezależnie od terenu. Łatwiejszy chód dzięki innowacyjnej konstrukcji umożliwiającej zgięcie przodostopia (System Forefoot Dynamic Properties FDP™). Niezawodne rozwiązanie dla osób po amputacji kończyny dolnej, w każdym wieku i o każdym poziomie aktywności. Współczesna technologia sprawia, że „niepełnosprawność” staje się pojęciem względnym – dla wielu tych młodych ludzi inteligentna proteza to nie tylko sprzęt medyczny, ale bilet powrotny do godności i sprawczości.

Jak w skrócie działa aktywna stopa bioniczna? 

Mechanizm ten opiera się na cyklu „Wykryj – Oblicz – Działaj”, który powtarza się tysiące razy podczas jednego spaceru.

1. System czujników (Zmysły)

Stopa jest naszpikowana sensorami:

• Akcelerometry i żyroskopy: Mierzą kąt nachylenia nogi i prędkość ruchu w przestrzeni.
• Czujniki obciążenia (Load Cells): Sprawdzają, z jaką siłą pacjent naciska na piętę, a z jaką na palce.

2. Mikroprocesor (Mózg)

Komputer pokładowy analizuje dane z czujników w czasie rzeczywistym. Musi on odróżnić, czy użytkownik właśnie idzie po płaskim, wchodzi po schodach, czy może potknął się o krawężnik. Algorytmy przewidują, jaka siła będzie potrzebna w następnym ułamku sekundy.

3. Aktywne napędzanie (Mięśnie)

To jest „magia” modeli aktywnych (np. Empower). W momencie, gdy noga znajduje się z tyłu i następuje faza odbicia z palców (toe-off):

• Silnik elektryczny gwałtownie napina system sprężyn lub bezpośrednio porusza przegubem.
• Proteza wykonuje zgięcie podeszwowe (plantar flexion), dosłownie wypychając pacjenta do przodu.
• Efekt: Użytkownik nie musi „ciągnąć” nogi biodrem; proteza wykonuje tę pracę za niego, oszczędzając do 20% energii organizmu.

4. Adaptacja terenu Kiedy człowiek idzie pod górę, stopa bioniczna automatycznie zwiększa kąt zgięcia, aby palce nie zahaczały o podłoże. Przy schodzeniu – aktywnie tłumi uderzenie, imitując naturalne „odpuszczanie” mięśni.

PL244488B1 Układ sensoryczny protezy kończyny dolnej człowieka, ENforce Medical Technologies Sp. z o.o. Adam Gramala et al. Data patentu: 29.01.2024

Przedmiotem wynalazku jest układ sensoryczny protezy kończyny dolnej człowieka wspomagający i sterujący pracą protezy, zawierającej dynamiczną stopę protezową połączoną z dwuelementowym obrotowym stawem skokowym oraz z tłumikiem wypełnionym cieczą  magnetoreologiczną.

Ciecz magnetoreologiczna (MR) to inteligentny płyn, który pod wpływem pola magnetycznego zmienia swą lepkość, przechodząc w stan półstały w milisekundy. Zawiera ferromagnetyczne drobiny ( 1-10μm) w oleju. Stosowana jest w zaawansowanych amortyzatorach, tłumikach drgań, sprzęgłach oraz w inteligentnych kolbach broni. 

Kluczowe zastosowania technologii magnetoreologicznej:

• Motoryzacja: Magnetyczne amortyzatory o zmiennej charakterystyce tłumienia, zapewniające szybką reakcję na stan drogi.
• Tłumienie drgań: Tłumiki MR w maszynach, budownictwie oraz specjalistycznych konstrukcjach (np. kolby broni strzeleckiej).
• Układy napędowe: Sprzęgła i hamulce, w których moment obrotowy jest regulowany magnetycznie.
• Obróbka powierzchni: Polerowanie magnetoreologiczne, pozwalające na bardzo precyzyjne wygładzanie powierzchni. 

Technologia ta, omawiana np. w publikacjach, pozwala na budowę systemów sterowanych mechatronicznie, co szczegółowo analizuje na przykład prototyp tłumika magnetoreologicznego i artykuł o przetwornikach elektromechanicznych. 

Poruszanie się na dwóch nogach ma istotne znaczenie w życiu człowieka. Szacuje się, że ludzie przechodzą średnio około 6500 kroków dziennie z prędkością marszu ok. 1,3 ms. Niemniej jednak amputacje kończyny dolnej są nieuniknione z wielu różnych powodów m.in. zaburzenia krążenia, infekcje, wypadki, choroby nowotworowe oraz wady wrodzone.

Aby radzić sobie z codziennymi czynnościami życiowymi, osoby po amputacji kończyny dolnej wymagają odpowiednich rozwiązań technicznych. W zależności od oczekiwanego stopnia mobilności protezy stosuje się odpowiednie moduły protetyczny dla każdego segmentu roboczego np. stopy, stawu skokowego, podudzia, kolana czy uda.

Zwiększenie funkcjonalności protez jest możliwe dzięki protezom kończyn dolnych zdolnym do magazynowania i uwalniania energii (ESAR) (energy storing and returning).  Koncepcja protezy ESAR uwzględnia w szczególności specjalną konstrukcję stopy, która magazynuje energię podczas fazy środkowej ruchu i uwalnia energię podczas późniejszej fazy chodu. Badania nad dynamiką ruchu pokazały, że ludzka kostka wytwarza więcej energii niż pochłania, co oznacza, że w konstrukcjach protez stawu skokowego konieczne jest uwzględnienie elementu aktywnego, po to aby zapewnić dodatkowy moment obrotowy i wiernie naśladować funkcję ludzkiej kostki. Stopa protezowa najczęściej wykonana ze struktury węglowej działającej tutaj jak sprężyna, która jest obciążana w fazie podporu i uwalnia energię podczas odepchnięcia. Konstrukcje protez typu ESAR pozwalają na bardziej naturalny zakres ruchu stawu skokowego, przez to zwiększają wydajność chodu. Jeszcze wyższa wydajność chodu jest możliwa przy zastosowaniu protez z mechanicznym stawem skokowym.

Celem prac nad wynalazkiem było zapewnienie takiego optymalnego rozmieszczenia sensorów w ramach górnego elementu stawu skokowego, który pozwoli na detekcje elementów otoczenia w odległości do 1,5 m. Cel osiągnięto dzięki połączeniu laserowych czujników odległości zamocowanych z przodu i z tyłu protezy z kamerą. Proteza wyposażona w układ według wynalazku poza wykrywaniem przeszkód, potrafi również przewidzieć uderzenie pięty.

Istotą wynalazku jest układ sensoryczny protezy kończyny dolnej człowieka wspomagający i sterujący pracą protezy, zawierającej dynamiczną stopę protezową połączoną z dwuelementowym obrotowym stawem skokowym oraz z tłumikiem magnetoreologicznym.  W górnym elemencie obrotowego stawu skokowego z tłumikiem magnetoreolo-gicznym w przedniej części obudowy umieszczono zestaw sensorów obrazu w postaci:

1. a) kamery wizyjnej wraz co najmniej dwoma, korzystnie trzema laserowymi czujnikami odległości umieszczonymi ponad albo pod kamerą wizyjną,

1. b) dwóch sensorów głębi, które zwracają macierz pomiarów odległości.

W przypadku zastosowania zestawu sensorów obrazu z kamerą wizyjną czujniki laserowe umieszczone na przedniej ścianie bloku ponad lub pod kamerą obrócone są względem siebie o kąt ±5° w płaszczyźnie wertykalnej tj. np. czujnik pierwszy przesunięty jest o -5° od osi, czujnik drugi znajduje się w osi – tj. 0°, a kolejny czujnik trzeci przesunięty jest o +5° od osi czyli czujnika 2. Górny element obrotowego stawu skokowego wyposażony jest  także w trzyosiowy akcelerometr i trzyosiowy żyroskop.

Nadto w dolnym elemencie obrotowego stawu skokowego znajduje się także trzyosiowy akcelerometr i trzyosiowy żyroskop. Wszystkie czujniki łączą się przy pomocy magistrali z głównym mikrokontrolerem, który stanowi główną jednostkę obliczeniową sterującą tłumikiem magnetoreologicznym zasilanym baterią litowo-polimerową. Układ mikrokontrolera ma wbudowany moduł komunikacji Bluetooth z anteną zewnętrzną umożliwiający komunikacje z aplikacją mobilną która pozwala na kalibracje, diagnozę oraz na personalizacje parametrów protezy. Układ mikrokontrolera z baterią zasilającą osadzony jest w bloku górnego elementu obrotowego stawu skokowego.

Korzystnie układ posiada dodatkowy laserowy czujnik odległości w wystającej części piętowej. Czujnik w części piętowej zorientowany jest w stronę podłoża i znajduje się przy przyłączu tłoka siłownika. Wariantowo przewiduje się, że układ może być uzupełniony o czujniki siły nacisku umieszczone w podeszwie dynamicznej stopy protezowej. Czujniki takie, co najmniej trzy, korzystnie sześć, umieszczone są w części piętowej, śródstopia i w przodostopiu, w lokalizacjach zbieżnych z punktami styku stopy człowieka. Wariantowo czujniki nacisku mogą zostać umieszczone także między adapterem protezowym, a górnym stawem skokowym. Czujniki takie, korzystnie dwa, umieszczone są po obu stronach osi przechodzącej przez środek mocowania protezy oraz środek osi stawu skokowego.

Przewiduje się że układ wyposażony jest korzystnie w szczelne: port USB np. w standardzie USB-C służący do szybkiego ładowania litowo-polimerowej baterii protezy piezoelektryczny podświetlany włączJo specjalne szkła ochronne. Wszystkie trzy elementy powinny spełniać normę stopnia ochrony IP68.

 

Układ sensoryczny protezy kończyny dolnej człowieka wspomagający i sterujący pracą protezy, zawierającej dynamiczną stopę protezową połączoną z dwuelementowym obrotowym stawem skokowym oraz z tłumikiem magnetoreologicznym w przykładach realizacji pokazano na rysunkach, na których fig. 1 pokazuje rozmieszczenie sensorów w płaszczyźnie przekroju wzdłużnego protezy kończyny w pierwszym przykładzie realizacji z trzema laserowymi czujnikami odległości ponad kamerą; fig. 2 przedstawia przykład rozmieszczenia sensorów siły nacisku w podeszwie dynamicznej stopy protezowej; fig. 3 pokazuje rozmieszczenie sensorów w płaszczyźnie przekroju wzdłużnego protezy kończyny w drugim przykładzie realizacji, z dwoma laserowymi czujnikami odległości pod kamerą; fig. 4 przedstawia wariantowe rozmieszczenie sensorów w płaszczyźnie przekroju wzdłużnego protezy kończyny w trzecim przykładzie realizacji z dwoma laserowymi czujnikami odległości pod kamerą oraz pionowym umieszczeniem tłumika magnetoreologicznego;  a fig. 5 przedstawia wariantowe rozmieszczenie sensorów w płaszczyźnie przekroju wzdłużnego protezy kończyny, w czwartym przykładzie realizacji z dwoma laserowymi sensorami mapowania głębi.

Układ sensoryczny protezy kończyny dolnej człowieka wspomagający i sterujący pracą protezy zawierającej dynamiczną stopę protezową połączoną z dwuelementowym obrotowym stawem skokowym z tłumikiem magnetoreologicznym cechuje się tym, że w górnym elemencie 1 obrotowego stawu skokowego z tłumikiem magnetoreologicznym w przedniej części obudowy umieszczono kamerę wizyjną 10 oraz trzy laserowe czujniki odległości 17, 18, 19 ponad kamerą, a czwarty 20 w wystającej części piętowej. Laserowy czujnik 20 zorientowany jest w stronę podłoża przy przyłączu tłoka siłownika.

Czujniki laserowe 17, 18, 19 umieszczone są na przedniej ścianie bloku elementu górnego w osi przedniej ściany elementu górnego ponad kamerą 10, w ten sposób, że są obrócone względem siebie o kąt ±5° w płaszczyźnie horyzontalnej, tj. -5° czujnik 17, 0° czujnik 18, +5° czujnik 19. Wszystkie czujnik  łączą się przy pomocy magistrali z głównym mikrokontrolerem 4, który stanowi główną jednostkę obliczeniową sterującą tłumikiem magnetrologicznym.

Układ mikrokontrolera 4 ma wbudowany moduł komunikacji Bluetooth z anteną zewnętrzną 9 umożliwiający komunikacje z aplikacją mobilną, która pozwala na kalibrację, diagnozę oraz na personalizację parametrów protezy. Układ mikrokontrolera 4 z baterią 15 osadzony jest w górnym elemencie obrotowego stawu skokowego. W komorze dolnego elementu obrotowego stawu skokowego 2 umieszczone są również, połączone za pomocą magistrali z głównym mikrokontrolerem, trzyosiowy akcelerometr i trzyosiowy żyroskop 5.

Na osi obrotowej stawu skokowego umieszczony jest enkoder magnetyczny 6 wraz z magnesem 7. W podeszwie dynamicznej stopy protezowej, w części piętowej, śródstopia i przodostopiu, w lokalizacjach zbieżnych z aszynowe na obrazach statycznych. W przykładzie realizacji funkcja sztucznej inteligencji oparta zostało o moduł kamery wraz z mikrokontrolerem 10, a obiektyw kamery umieszczony jest na przedniej ścianie obudowy.

 Moduł kamery 10 komunikuje się za pomocą magistrali I2C z płypunktami styku stopy człowieka znajduje się sześć czujników siły nacisku 12. Układ zawiera włącznik IP68 13 i port USB-C 14 do ładowania baterii litowo-polimerowej 15 oraz układ do pomiaru naładowania baterii.

Układ według wynalazku pozwala na następujące sposoby działania. Mikrokontroler odczytuje informacje z dwóch układów zawierających trzyosiowy akcelerometr  i  trzyosiowy żyroskop – umieszczonych w części podeszwowej i w części goleniowej. Z odczytów z tych czujników obliczany jest zarówno kąt w stawie skokowym, który stanowi sprzężenie zwrotne dla systemu sterowania tłumikiem jak i kąt stopy do podłoża, co zapewnia pełną informację o jej położeniu oraz orientacji.  Kąt nachylenia do podłoża wyznaczany jest na podstawie sygnałów z akcelerometru i żyroskopu podeszwowego.  System wykrywania schodów składa się z dwóch podsystemów – sztucznej inteligencji opartej o analizę utrwalonych przez kamerę 10 obrazów i trzech laserowych czujników 17, 18 i 19. Sztuczna inteligencja opiera się o uczenie mtą główną protezy. Czujniki laserowe również umieszczone są na przedniej ścianie obudowy, obrócone względem siebie o kąt w płaszczyźnie horyzontalnej (-5- czujnik 17, 0- czujnik 18, +5 stopni- czujnik 19). Czujniki łączą się z głównym mikrokontrolerem przy pomocy magistrali I2C.

Wykorzystanie algorytmów uczenia maszynowego pozwala na sklasyfikowanie widocznej przez kamerę sceny jako jedną z dwóch klas – schody lub nie schody, a informacja o tym jest przekazywana do głównego mikrokontrolera. Klasyfikacja oparta jest o wyuczone cechy obiektów. Cechami obiektów są elementy geometrii (punkty, proste, krzywe) jak i elementy abstrakcyjne (niemożliwe do logicznego opisu). Klasyfikowanie może być rozumiane jako porównanie cech widzianego przez kamerę obrazu do cech wyuczonych i przedstawienie tego w wartości procentowej. Przykładowo jeżeli cechy widzianego obiektu i cechy wyuczone w procesie treningu algorytmu sztucznej inteligencji są do siebie zbliżone w przynajmniej 50% system potwierdzi ich obecność oraz wyśle informację do głównego mikrokontrolera. Mikrokontroler zbiera również dane dotyczące odległości z czujników laserowych. Z danych po chodzących z czujników laserowych obliczana jest odległość do obiektu przed protezą, a także sprawdzana jest obecność uskoku, tj. różnicy w odległości, możliwej do wykrycia dzięki różnicy kątowej w zamocowaniu czujników. Taki uskok świadczy o obecności stopnia. Przejście protezy w tryb porusza nia się po schodach uzależnione jest od jednoczesnego spełniania dwóch warunków: wykrycia schodów, obecności obiektu w ustalonej maksymalnej odległości od protezy lub wykrycia uskoku.

Układ umożliwia również predykcję uderzenia pięty o podłoże, w którym to momencie niezbędne jest wcześniejsze wyłączenie tłumika stawu skokowego i umożliwienie ruchu w stawie skokowym. Na podstawie analizy sygnałów zarejestrowanych podczas chodzenia po płaskiej powierzchni stwierdzono, że największą powtarzalnością charakteryzuje się sygnał prędkości kątowej odebrany z żyroskopu zainstalowanego w podeszwowej części protezy stopy. Dodatkową informacją jest sygnał z laserowego czujnika odległości 20 umieszczonego w części piętowej stopy. Jest on zorientowany w stronę podłoża, przez co umożliwia wykrywanie zbliżania się do ziemi w trakcie kroku. Wyznaczanie faz chodu jest niezbędne do sterowania przez źródło prądowe 8, wartością tłumienia tłumika magnetoreologicznego. Fazy kroku mogą być wyznaczane na podstawie sygnałów z czujników siły nacisku 12 zainstalowanych w podeszwie, wariantowo między adapterem protezowym 3 i stawem skokowym górnym 1 z układem kondycjonującym dane z czujników nacisku 11 oraz akcelerometrów i żyroskopów 5 używanych również  do wykrywania zgięcia w stawie skokowym oraz orientacji stopy.

Przewiduje się,  że układ może być kontrolowany zdalnie, np. za pomocą aplikacji mobilnej z za implementowanym algorytmem odpowiedzialnym za identyfikacje aktualnej fazy chodu na podstawie danych przesłanych przez protezę. Algorytm ten opiera się na danych pochodzących z czujników zainstalowanych w stopie protezowej. W fazie podporowej w pierwszej kolejności analizuje się i wybiera próg odczytu z czujników nacisku, powyżej którego wskazanie czujnika będzie traktowane jako kontakt z podłożem. Próg ten jest indywidualnie dopasowany do wagi pacjenta podczas przymiarki protezy.

W fazie uderzenia pięty – (Initial contact- heel strike), kiedy algorytm wykrywa kontakt tylko czujnikanacisku piętowego (wartość siły aktywacji jest dopasowywana indywidualnie do pacjenta) generowana jest informacja o uderzeniu piętą w fazie podporowej, a dodatkową informacją potwierdzającą jest wykrycie sygnału z akcelerometrów (nagłe przeciążenie wynikające z uderzenia), który będzie wskazywał na uderzenie piętą protezy w podłoże. W fazie pełnego kontaktu – (Loading response + midstance) – algorytm wykrywa kontakt czujnika nacisku tylnego (pięta) oraz przedniego (palce) to generuje informacje o pełnym kontakcie stopy w fazie podporowej.  W fazie oderwania pięty – (terminal stace- heel off) -algorytm wykrywa tylko kontakt przedniego czujnika nacisku co generuje informacje o wybiciu w fazie podporowej, dodatkową informacją potwierdzającą jest wykrycie sygnału z czujnika odległości 20 umieszczonego na pięcie, który wskazuje na zwiększanie się odległości tylnej części protezy do podłoża.

Podczas fazy wymachowej dodatkowo wykorzystywane są odczyty z akcelerometrów i żyroskopów 5 oraz czujnika odległości 20. Dzięki czemu możliwe jest wykrywanie poszczególnych etapów fazy wymachowej. Jeśli algorytm nie wykrywa kontaktu czujnika nacisku tylnego (pięta) ani przedniego (palce) to generuje informacje o fazie wymachowej. Następnie wykrywany jest fragment, gdy prędkość kątowa ma wartość stałą. Od momentu, gdy wartość bezwzględna prędkości kątowej zacznie spadać odliczony jest określony odcinek czasu, po którym następuje wyłączenia tłumika. Końcowa faza wymachowa – (Terminal swing) faza ta zaczyna się wykryciem zbliżania się pięty do podłoża (odczyt czujnika odległości 20 wskazuje tendencję spadkową), oraz akcelerometr wskazuje na przyspieszenie pionowe, a kończy się tuż przed uderzeniem pięty o podłoże.

Algorytm sterowania tłumieniem tłumika magnetoreologicznego przez źródło prądowe korzysta ze wszystkich zebranych pomiarów (akcelerometry, żyroskopy, enkoder, czujniki nacisku, czujniki odległości, kamera) w celu sterowania stawem skokowym w taki sposób aby zapewnić użytkownikowi możliwość chodu w sposób wygodny i kontrolowany. Podczas uderzenia pięty przez cewkę płynie prąd I=min, tak aby użytkownik nie był narażony na przeciążenia w stawie kolanowym oraz biodr owym. Następnie w fazie pełnego kontaktu wartość prądu rośnie aż do I=max, gdzie max zależny jest od masy pacjenta i prędkości chodu i jest kalibrowany w aplikacji mobilnej podczas wstępnej kalibracji stopy protezowej. Następnie w fazie oderwania pięty tłumik wysterowany I=max blokuje obrót stawu skokowego. Kąt, podczas którego blokowany jest obrót stawu skokowego zależny jest od oprócz wcześniej opisanych parametrów także od kąta nachylenia podłoża podczas chodu uśrednionego w fazie pełnego kontaktu. Po oderwaniu stopy od podłoża wartość prądu I maleje do wartości minimalnej umożliwiającej utrzymanie stawu skokowego w pozycji zgięcia. Po wykryciu końcowej fazy wymachowej wartość prądu spada do I=min, tak aby płynnie uderzyć piętą o podłoże. Zastosowanie układu mikrokontrolera pozwala na wysoką indywidualizację działania algorytmóworaz korekty w zakresie sterowania tłumieniem tłumika magnetoreologicznego.

Suplement

Udział Polski w leczeniu i protezowaniu ukraińskich żołnierzy to wielowymiarowe przedsięwzięcie, w którym technologie takie jak te od ENforce Medical Technologies odgrywają kluczową rolę. Polska stała się jednym z głównych centrów rehabilitacyjnych i protetycznych dla ofiar wojny, łącząc wsparcie rządowe, inicjatywy NGO oraz innowacje prywatnych firm. Oto jak w 2026 roku wygląda polskie zaangażowanie w tym obszarze:

1. Innowacje i bionika: Rola ENforce Medical Technologies

Poznański startup ENforce stał się symbolem nowoczesnej pomocy. Ich rozwiązania są cenione za to, że pozwalają żołnierzom na powrót do niemal pełnej sprawności, co ma ogromne znaczenie psychologiczne.

• Bezpośrednia pomoc: Firma, we współpracy z poznańskim Szpitalem Ortopedyczno-Rehabilitacyjnym im. Wiktora Degi, zaopatruje ukraińskich weteranów (takich jak znani z mediów Oleksandr czy Jewgienij) w bioniczne stopy.
• Technologia AI: Dzięki systemowi Active Obstacles Detection (AOD™), żołnierze po amputacjach mogą poruszać się w trudnym terenie, co jest kluczowe dla osób, które często chcą wrócić do służby pomocniczej lub aktywnego życia zawodowego.
• Ośrodek w Poznaniu: Poznań wyrósł na „bioniczne centrum” dzięki połączeniu zaplecza medycznego szpitala klinicznego z laboratoriami B+R ENforce.

2. Infrastruktura Medyczna i Programy Rządowe

Polska od początku inwazji udostępniła swoje szpitale dla najciężej rannych.

• Pociągi medyczne: Specjalne składy transportowały rannych z granicy do szpitali w głąb kraju (m.in. do Lublina, Warszawy i Krakowa). Szacuje się, że do 2026 roku w polskich placówkach leczono tysiące obywateli Ukrainy, w tym setki żołnierzy z urazami wielonarządowymi i amputacjami.
• Hub Logistyczny: Polska (szczególnie Rzeszów i okolice) służy jako punkt przerzutowy dla pacjentów relokowanych do innych krajów UE i NATO na specjalistyczne operacje.
• Niestety takie zaawansowane protezy elektroniczne są drogie, a przez to trudniej dostępne dla pacjentów. Kosztują nawet ponad 100 tys. zł. Dlatego w ramach projektu protezy stopy  opracowano także tzw. stopy kompozytowe wykonane z włókna węglowego. I to one z racji dostępności cenowej stały się bardziej powszechne rynku. Bionic-Foot

https://www.facebook.com/reel/1543799397283607

 

 

      Wstyd się przyznać ale nadziałem się na temat, który wprowadził mnie w zakłopotanie z powodu skali złożoności technicznego rozwiązania w dziedzinie wzmacniaczy elektronicznych,  a konkretnie w wzmacniaczy mikrofalowych Doherty’ego. Okazało się, że  hasło wzmacniacz Doherty’ego jest dla mnie białą plamą,  pomimo że uważałem  tematykę wzmacniaczy elektronicznych za wszechstronnie spenetrowaną. Na usprawiedliwienie mogę tylko stwierdzić, że tego typu wzmacniacze rozpowszechnione są w technice stacji bazowych sieci komórkowych, które za moich młodych lat kształcenia zawodowego jeszcze nie powstały. A teraz w ramach wstępu kilka uproszczonych informacji na temat tego rodzaju wzmacniaczy. Wzmacniacz Doherty’ego wykorzystuje dwa wzmacniacze, aby zoptymalizować ogólną wydajność systemu nadawczego LTE. Wzmacniacz nośnej (lub wzmacniacz główny) obsługuje zakres niskiej mocy, a wzmacniacz szczytowy (lub wzmacniacz pomocniczy) zakres wysokiej mocy. Brzmi to prosto, ale praktyczna implementacja może być trudna.

Rysunek przedstawia klasyczny wzmacniacz Doherty’ego z dwoma ścieżkami wzmacniającymi, obie zasilane ze sprzęgacza hybrydowego. Wzmacniacz nośnej jest zawsze włączony, podczas gdy wzmacniacz szczytowy pozostaje bezczynny, chyba że sygnał znajdzie się w obszarze wysokiej mocy. W obszarze wysokiej mocy wzmacniacz szczytowy włącza się i zapewnia dodatkowe wzmocnienie, aby obsłużyć wyższą moc wyjściową. Dwa ważne wyzwania projektowe to 1) rozdzielenie i rekombinacja sygnału z zachowaniem wyrównania czasowego 2) włączenie wzmacniacza szczytowego w odpowiednich warunkach z zachowaniem liniowości. Wiele technik modulacji opiera się na zachowaniu czystości amplitudy i fazy, dlatego ważne jest, aby łączone działanie wzmacniacza nośnej i wzmacniacza szczytowego, było liniowe. W różnych publikacjach wzmacniacze nośne są określane jako działające w klasie B lub klasie AB, przy czym głównym założeniem jest, że wzmacniacz musi działać liniowo. Wzmacniacz szczytowy jest często opisywany jako pracujący w klasie C, co oznacza, że ​​wzmacniacz jest spolaryzowany tylko przez część czasu. Klasa C jest zazwyczaj kojarzona z pracą nieliniową i może nie być odpowiednia do wzmacniania wszystkich rodzajów modulacji. Wzmacniacz Doherty’ego zawiera jednak wzmacniacz szczytowy jako element dodatkowy, dzięki czemu liniowość jest zachowana na wyjściu. Klasyczny projekt Doherty’ego wykorzystuje linię transmisyjną ćwierćfalową (λ/4) do zapewnienia inwersji impedancji na wyjściu wzmacniacza nośnej. Ta linia ćwierćfalowa wprowadza 90-stopniowe przesunięcie fazowe, dlatego przed wzmacniaczem szczytowym dodawana jest dodatkowa linia ćwierćfalowa w celu wyrównania obu ścieżek. Na wyjściu wzmacniacza Doherty’ego zazwyczaj znajduje się dodatkowa linia ćwierćfalowa, zapewniająca dopasowanie impedancji do 50 Ω. W niektórych projektach zamiast linii transmisyjnych stosuje się elementy obwodów skupionych. Sprawność energetyczna wzmacniacza Doherty’ego ma punkt przegięcia, w którym włączany jest wzmacniacz szczytowy .

Sprawność energetyczna może nieznacznie spaść powyżej punktu przegięcia, ale wzmacniacz nadal utrzymuje sprawność. Jak pokazano na rysunku, wzmacniacz szczytowy zazwyczaj włącza się przy 6 dB poniżej szczytowej mocy wyjściowej. Chociaż klasyczna konstrukcja Doherty’ego wykorzystuje tylko dwie ścieżki wzmacniacza, niektóre konstrukcje wykorzystują dodatkowe wzmacniacze szczytowe w celu poprawy wydajności w zakresie dużej mocy. Spośród dużej liczby przejrzanych patentów dotyczących konstrukcji w/w wzmacniaczy, jednym z ciekawszych jest konstrukcja zoptymalizowana pod kontem szerokości użytecznego pasma przenoszenia sygnałów telefonii komórkowej LTE.

Spośród dużej liczby przejrzanych patentów dotyczących konstrukcji w/w wzmacniaczy, jednym z ciekawszych jest konstrukcja zoptymalizowana pod kontem szerokości użytecznego pasma przenoszenia sygnałów telefonii komórkowej LTE.

EP2686953B1 – ENHANCED DOHERTY AMPLIFIER ,Cree.Inc, Raymond Sydney Pengelly. Data patentu:7.04.2017

   W związku z stale rosnącym zapotrzebowaniem na wydajność, wzmacniacz Doherty’ego stał się popularnym wzmacniaczem mocy w zastosowaniach komunikacji mobilnej, zwłaszcza w stacjach bazowych. Choć stosunkowo wydajny w porównaniu z konkurencją, wzmacniacz Doherty’ego charakteryzuje się stosunkowo ograniczoną szerokością pasma. Na przykład, dobrze zaprojektowany wzmacniacz Doherty’ego może zapewnić chwilową szerokość pasma wynoszącą 5%, co odpowiada około 100 MHz dla sygnału 2 GHz i jest zazwyczaj wystarczające do obsługi jednego pasma komunikacyjnego. Na przykład urządzenia Universal Mobile Telecommunications Systems (UMTS) działają w paśmie od 2,11 do 2,17 GHz, a zatem wymagają chwilowej szerokości pasma 60 MHz (2,17 GHz – 2,11 GHz). Wzmacniacz Doherty’ego można skonfigurować tak, aby obsługiwał chwilową szerokość pasma 60 MHz dla pasma UMTS. W związku z tym, dla urządzeń komunikacyjnych, które muszą obsługiwać tylko jedno pasmo komunikacyjne, ograniczona szerokość pasma wzmacniacza mocy Doherty’ego nie stanowi problemu. Pasma działania tych standardów mieszczą się w zakresie od około 800 MHz do 4 GHz w przypadku zastosowań telekomunikacyjnych dla użytkowników indywidualnych oraz od 20 MHz do 6 GHz w przypadku zastosowań wojskowych. Same standardy GSM wykorzystują pasma od około 800 MHz do 2 GHz. Na przykład GSM-850 wykorzystuje pasmo 824-894 MHz, GSM-900 – 890-960 MHz, GSM-1800 – 1710-1880 MHz, a GSM-1900 – 1850-1990 MHz. UMTS wykorzystuje pasmo 2,11-2,17 GHz. LTE wykorzystuje pasmo 2,6-2,7 GHz, a WiMAX – pasma o częstotliwościach około 2,3, 2,5, 3,3 i 3,5 GHz. Dlatego w przypadku urządzeń, które muszą obsługiwać wiele pasm komunikacyjnych, pojedynczy wzmacniacz Doherty’ego nie jest wystarczający.

 

Fig.1 przedstawia schemat konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego. Fig.2 przedstawia wykres mocy wejściowej w funkcji mocy wyjściowej dla obwodów wzmacniacza nośnej i szczytowej konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego. Fig.3A przedstawia wykres zależności sprawności od mocy wyjściowej typowego wzmacniacza mocy (innego niż Doherty). Fig.3B przedstawia wykres zależności sprawności od mocy wyjściowej konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego. Fig. 4A przedstawia wykres wzmocnienia w funkcji częstotliwości dla szerokopasmowego wzmacniacza mocy (innego niż Doherty). Fig.4B przedstawia wykres wzmocnienia w funkcji częstotliwości dla konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego wykorzystującego wzmacniacze szerokopasmowe. Fig.5 przedstawia schematyczny diagram ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego, zgodnie z jednym z przykładów realizacji wynalazku. Fig. 6A przedstawia wykres zależności wydajności od częstotliwości dla pierwszej konfiguracji ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego z Fig.5. Fig.6B przedstawia wykres szczytowej mocy wyjściowej w funkcji częstotliwości dla pierwszej konfiguracji ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego z Fig.5. Fig. 7A przedstawia wykres zależności wydajności od częstotliwości dla drugiej konfiguracji ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego z Fig.5. Fig.7B przedstawia wykres szczytowej mocy wyjściowej w funkcji częstotliwości dla drugiej konfiguracji ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego z Fig.5. Fig.8 przedstawia schematyczny diagram ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego, zgodnie z innym przykładem wykonania niniejszego wynalazku.

Fig.1 przedstawia schemat tradycyjnego wzmacniacza mocy Doherty’ego 10 gdzie modulowany sygnał wejściowy RF (RF _IN) jest podawany do rozdzielacza mocy 12, takiego jak rozdzielacz Wilkinsona, który rozdziela sygnał wejściowy RF (RF _IN) na „ścieżkę nośnej” i „ścieżkę szczytową”. Tradycyjnie sygnał wejściowy RF (RF _IN) jest dzielony równomiernie, tak aby ścieżka nośnej i ścieżka szczytowa otrzymywały połowę (-3 dB) pierwotnej mocy wejściowej sygnału wejściowego RF (RF _IN).

 Ścieżka nośna zazwyczaj obejmuje układ wzmacniacza mocy nośnej (PAC ₎ 14, a następnie pierwszą linię transmisyjną (TL) 16, której rozmiar zapewnia przesunięcie fazowe o 90° na częstotliwości środkowej pasma roboczego lub w jej pobliżu. Ścieżka nośna kończy się w węźle łączącym Doherty’ego 18, który jest dodatkowo sprzężony z transformatorem 24, który z kolei jest ostatecznie sprzężony z anteną (niepokazaną). Ścieżka szczytowa obejmuje drugą linię transmisyjną (TL) 20, której rozmiar pozwala na przesunięcie fazy o 90° przy częstotliwości środkowej pasma roboczego lub w jej pobliżu, a następnie obwód wzmacniacza mocy szczytowej (PA _P ) 22. W związku z tym sygnał wejściowy RF RF_N dostarczany zarówno wzdłuż ścieżki nośnej, jak i ścieżki szczytowej jest przesunięty w fazie o 90° względem siebie, gdy jest wzmacniany przez odpowiednie obwody wzmacniacza mocy nośnej i szczytowej 14 i 22. Podobnie jak w przypadku ścieżki nośnej, ścieżka szczytowa kończy się w węźle łączącym Doherty’ego 18. Co istotne, rozdzielacz mocy 12 może z natury zapewniać przesunięcie fazy o 90° w odgałęzieniu zasilającym ścieżkę szczytową. W takich przypadkach druga linia transmisyjna 20 nie jest uwzględniana.

 W tradycyjnym podejściu Doherty’ego, obwód wzmacniacza mocy nośnej 14 zapewnia wzmacniacz klasy A/B (lub B), a obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 zapewnia wzmacniacz klasy C. Podczas pracy sygnał wejściowy RF RF _IN jest dzielony i kierowany wzdłuż ścieżek nośnej i szczytowej do odpowiednich obwodów wzmacniacza mocy nośnej i szczytowej 14 i 22. Co istotne, druga linia transmisyjna 20 opóźnia część sygnału wejściowego RF RF _IN na ścieżce szczytowej o 90° przed dotarciem do obwodu wzmacniacza mocy szczytowej 22.

Wzmacniacz Doherty’ego jest zazwyczaj uważany za mający dwa obszary działania. W pierwszym obszarze włączony jest tylko obwód wzmacniacza mocy nośnej 14, który wzmacnia sygnał wejściowy RF RF _IN . W drugim obszarze zarówno obwód wzmacniacza mocy nośnej 14, jak i obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 wzmacniają sygnał wejściowy RF RF_N w odpowiednich ścieżkach nośnej i szczytowej. Próg między tymi dwoma obszarami odpowiada wartości sygnału wejściowego RF RF_N w ścieżce nośnej, w której obwód wzmacniacza mocy nośnej 14 ulega nasyceniu. W pierwszym obszarze poziomy sygnału wejściowego RF RF_N są poniżej progu. W drugim obszarze poziomy sygnału wejściowego RF RF_IN są równe lub wyższe od progu.
 W pierwszym obszarze, w którym poziom sygnału wejściowego RF RF_IN jest niższy od zadanego progu, układ wzmacniacza mocy nośnej 14 wzmacnia część sygnału wejściowego RF RF_IN w ścieżce nośnej. Gdy sygnał wejściowy RF RF _IN jest niższy od zadanego progu, układ wzmacniacza mocy szczytowej 22 jest wyłączany i zużywa niewiele energii. W związku z tym tylko układ wzmacniacza mocy nośnej 14 dostarcza wzmocniony sygnał wejściowy RF RF _IN do węzła scalonego Doherty’ego 18 i transformatora 24, aby zapewnić sygnał wyjściowy RF RF_OUT. Całkowita sprawność wzmacniacza Doherty’ego jest determinowana głównie przez sprawność wzmacniacza klasy AB (lub B) układu wzmacniacza mocy nośnej 14.

W drugim obszarze, w którym sygnał wejściowy RF RF_IN jest równy lub wyższy od zadanego progu, obwód wzmacniacza mocy nośnej 14 jest nasycony i dostarcza swoją maksymalną moc do węzła łącznego Doherty’ego 18 za pośrednictwem pierwszej linii transmisyjnej 16. Ponadto, gdy sygnał wejściowy RF RF_IN wzrasta powyżej zadanego progu, obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 włącza się i rozpoczyna wzmacnianie części sygnału wejściowego RF RF_IN przepływającej wzdłuż ścieżki szczytowej. W miarę jak sygnał wejściowy RF RF_IN nadal wzrasta powyżej zadanego progu, obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 dostarcza więcej mocy do węzła łącznego Doherty’ego 18, aż obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 ulegnie nasyceniu.

W drugim obszarze, zarówno obwody wzmacniacza nośnej, jak i mocy szczytowej 14 i 22 dostarczają wzmocnione sygnały do ​​węzła łączącego Doherty’ego 18. Dzięki zastosowaniu pierwszej i drugiej linii transmisyjnej 16 i 20 w ścieżkach nośnej i szczytowej, wzmocnione sygnały w każdej ścieżce docierają do węzła łączącego Doherty’ego w fazie i są reaktywnie łączone. Połączony sygnał jest następnie podwyższany lub obniżany przez transformator 24 w celu wygenerowania wzmocnionego sygnału wyjściowego RF RF _OUT .

 Wykres na Fig.2 przedstawia zależność mocy wyjściowej (P _O ) od mocy wejściowej (P _I ) dla układu wzmacniacza mocy nośnej 14, układu wzmacniacza mocy szczytowej 22 oraz ogólnego wzmacniacza Doherty’ego 10. Jak pokazano na rysunku, układ wzmacniacza mocy nośnej 14 działa liniowo w całym pierwszym obszarze R1, aż do osiągnięcia nasycenia. Gdy układ wzmacniacza mocy nośnej 14 osiągnie nasycenie, wkracza do drugiego obszaru R2. W drugim obszarze R2 włącza się układ wzmacniacza mocy szczytowej 22 i rozpoczyna wzmacnianie sygnału wejściowego RF _IN . Całkowita moc wyjściowa wzmacniacza Doherty’ego jest w efekcie sumą mocy wyjściowej wzmacniaczy mocy nośnej i szczytowej 14 i 22 w drugim obszarze R2.

 Podczas pracy w drugim obszarze R2, moc dostarczana przez obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 skutecznie zmniejsza pozorną impedancję obciążenia generowaną przez obwód wzmacniacza mocy nośnej 14. Zmniejszenie pozornej impedancji obciążenia pozwala obwodowi wzmacniacza mocy nośnej 14 na dostarczenie większej mocy do obciążenia, przy jednoczesnym zachowaniu nasycenia. W rezultacie utrzymywana jest maksymalna sprawność obwodu wzmacniacza mocy nośnej 14, a ogólna sprawność wzmacniacza Doherty’ego 10 pozostaje wysoka w całym drugim obszarze R2, aż do momentu nasycenia obwodu wzmacniacza mocy szczytowej 22.

Wykresy na Fig.3A i 3B przedstawiają zależność sprawności od mocy wyjściowej odpowiednio dla typowego wzmacniacza mocy i typowego wzmacniacza Doherty’ego. Odnosząc się do Fig.3A, sprawność η typowego wzmacniacza mocy rośnie proporcjonalnie do mocy wyjściowej P, aż wzmacniacz mocy osiągnie nasycenie i maksymalną moc wyjściową PMAX _. Jak pokazano na Fig. 3B, układ wzmacniacza mocy nośnej 14 wzmacniacza Doherty’ego 10 działa w podobny sposób. Przechodząc przez pierwszy obszar R1, obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 pozostaje wyłączony, a sygnał wejściowy RF RF _IN wzrasta do punktu, w którym układ wzmacniacza mocy nośnej 14 staje się nasycony. W całym pierwszym obszarze R1 sprawność układu wzmacniacza mocy nośnej 14, a tym samym całkowita sprawność η wzmacniacza Doherty’ego 10, rośnie proporcjonalnie do mocy wyjściowej P, aż układ wzmacniacza mocy nośnej 14 stanie się nasycony przy danym poziomie mocy wyjściowej. Dany poziom mocy wyjściowej nazywany jest tutaj progowym poziomem mocy P _TH i jest podawany, wyłącznie w celach ilustracyjnych, jako jedna dziewiąta (1/9) maksymalnej mocy wyjściowej P _MAX (1/9 P _MAX ) wzmacniacza Doherty’ego 10.

Gdy sygnał wejściowy RF RF _IN wzrasta powyżej punktu, w którym obwód wzmacniacza mocy nośnej 14 staje się nasycony, wzmacniacz Doherty’ego wchodzi w drugi obszar R2. Gdy sygnał wejściowy RF RF IN zostaje wprowadzony do drugiego obszaru R2, obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 zaczyna wzmacniać sygnał wejściowy RF RF_IN . Obwód wzmacniacza mocy nośnej 14 pozostaje nasycony i kontynuuje wzmacnianie sygnału wejściowego RF RF _IN . W miarę dalszego wzrostu sygnału wejściowego RF RF _IN, obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 dostarcza więcej mocy, aż obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 stanie się nasycony przy maksymalnej mocy wyjściowej Pmax wzmacniacza Doherty’ego 10. W całym drugim obszarze R2 ogólna sprawność η wzmacniacza Doherty’ego 10 pozostaje wysoka i osiąga szczyt na początku drugiego obszaru R2 _, gdzie obwód wzmacniacza mocy nośnej 14 najpierw staje się nasycony, oraz na końcu drugiego obszaru R2, gdzie obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 staje się nasycony. Jak wyraźnie pokazano na rysunkach 3A i 3B, dodana wydajność mocy przy obniżonych poziomach mocy od poziomu progowego P _TH do maksymalnej mocy wyjściowej P _MAX jest znacząco lepsza we wzmacniaczu Doherty’ego 10 w porównaniu ze zwykłym wzmacniaczem mocy.

 Wracając do Fig.1, zilustrowany wzmacniacz Doherty’ego 10 ma trzecią linię transmisyjną 26 w torze nośnej i czwartą linię transmisyjną 28 w torze szczytowym. Trzecia i czwarta linia transmisyjna 26 i 28 mogą być używane do zapewnienia przesunięć fazowych na wyjściach torów nośnej i szczytowej, aby zmieniająca się impedancja wyjściowa układu wzmacniacza mocy szczytowej 22 prawidłowo obciążała impedancję wyjściową układu wzmacniacza mocy nośnej 14 i odwrotnie.

Jak pokazano powyżej, konwencjonalny wzmacniacz Doherty’ego 10 jest bardzo wydajny zarówno przy dużym obciążeniu, jak i przy maksymalnym poziomie mocy. Niestety, konwencjonalny wzmacniacz Doherty’ego 10 ma stosunkowo ograniczoną szerokość pasma i zapewnia jedynie dostępną chwilową szerokość pasma wynoszącą 5% częstotliwości roboczej. Na przykład, wzmacniacz Doherty’ego 10 zaprojektowany do transmisji sygnałów o częstotliwości około 2,1 GHz będzie miał maksymalnie dostępną szerokość pasma wynoszącą około 105 MHz.

Co istotne, obwody wzmacniacza nośnej i mocy szczytowej 14 i 22 nie ograniczają szerokości pasma konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10. Nawet gdyby te obwody wzmacniacza nośnej i mocy szczytowej 14 i 22 zostały zaprojektowane jako wzmacniacze szerokopasmowe i indywidualnie obsługiwały szerokości pasma kilku oktaw, całkowita chwilowa szerokość pasma konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10 pozostałaby ograniczona do około 5% częstotliwości roboczej. Na przykład, gdyby każdy z obwodów wzmacniacza nośnej i mocy szczytowej 14 i 22 został zaprojektowany indywidualnie z dostępnymi szerokościami pasma od 2 GHz do 4 GHz, całkowita chwilowa szerokość pasma wzmacniacza Doherty’ego 10 pozostałaby ograniczona do około 5% częstotliwości roboczej (100 MHz przy 2 GHz; 400 MHz przy 6 Hz). Tak więc, niezależnie od tego, jak szeroki jest zakres roboczy obwodów wzmacniacza mocy nośnej i szczytowej 14 i 22, jakie zastosujesz w konwencjonalnym wzmacniaczu Doherty’ego 10, inne komponenty konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10 ograniczają dostępną szerokość pasma.

Fig.4A i 4B ilustrują powyższą koncepcję. Fig.4A przedstawia zależność wzmocnienia od częstotliwości dla szerokopasmowego wzmacniacza mocy, a Fig.4B przedstawia zależność wzmocnienia od częstotliwości dla konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10, gdzie ten sam szerokopasmowy wzmacniacz mocy jest używany zarówno w obwodach wzmacniacza nośnej, jak i mocy szczytowej 14 i 22. Jak pokazano, konwencjonalny wzmacniacz Doherty’ego 10 ma znacznie bardziej ograniczoną szerokość pasma niż samodzielny szerokopasmowy wzmacniacz mocy, nawet gdy wykorzystuje wzmacniacze szerokopasmowe w obwodach wzmacniacza nośnej i mocy szczytowej 14 i 22. Zatem samo zastosowanie szerokopasmowego wzmacniacza mocy w konwencjonalnym wzmacniaczu Doherty’ego 10 niekoniecznie zwiększy szerokość pasma wzmacniacza Doherty’ego 10.

 Odkryto, że głównymi komponentami ograniczającymi szerokość pasma konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10 są rozdzielacz mocy 12, pierwsza i druga linia transmisyjna 16, 20, które zapewniają przesunięcia fazowe o 90°, trzecia i czwarta linia transmisyjna 26, 28, które zapewniają przesunięcia fazowe, oraz transformator 24. Niniejsze ujawnienie przedstawia techniki wymiany lub modyfikacji różnych komponentów konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10 w celu znacznego zwiększenia całkowitej szerokości pasma konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10.

 Przykład ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30 zilustrowano na Fig.5. W szczególności, modulowany sygnał wejściowy RF RF _IN jest podawany do rozdzielacza mocy 32, takiego jak rozdzielacz Wilkinsona, który rozdziela sygnał wejściowy RF RF_IN na ścieżkę nośnej i ścieżkę szczytową. W tym przykładzie sygnał wejściowy RF RF_IN jest nierównomiernie dzielony, tak że ścieżka nośnej odbiera moc wejściową sygnału wejściowego RF RF_IN stłumioną o 1,7 dB, a ścieżka szczytowa odbiera moc wejściową sygnału wejściowego RF RF _IN stłumioną o 4,7 dB. Nierównomierny podział w ten sposób dodatkowo zwiększa wydajność ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30 w porównaniu z podziałem równomiernym, w którym przy podziale równomiernym sygnał wejściowy RF RF_IN jest dzielony równomiernie (-3 dB) między ścieżkę nośnej i ścieżkę szczytową.

Ścieżka nośna obejmuje sieć wejściową nośnej 34, układ wzmacniacza mocy nośnej (PAC ₎ 36 oraz sieć wyjściową nośnej 38. Ścieżka nośna kończy się w węźle łączącym Doherty’ego 40, który jest dodatkowo sprzężony z transformatorem 42, który z kolei jest ostatecznie sprzężony z anteną (niepokazaną). Ścieżka szczytowa obejmuje sieć wejściową szczytową 44, układ wzmacniacza mocy szczytowej (PAC) 46 oraz sieć wyjściową szczytową 48. Ścieżka szczytowa kończy się w węźle łączącym Doherty’ego 40.

W tym przykładzie rozdzielone sygnały wejściowe RF RF_IN, dostarczane przez rozdzielacz mocy 32, są prezentowane sieciom wejściowym nośnej i szczytowej 34, 44 zasadniczo w fazie. Innymi słowy, rozdzielacz mocy nie nadaje 90° przesunięcia fazowego sygnałowi wejściowemu RF RF_IN , który jest dostarczany do ścieżki szczytowej w tym wariancie wykonania. Jednakże sygnały wejściowe RF RF_IN , które są dostarczane do odpowiednich wejść obwodów wzmacniacza mocy nośnej i szczytowej 36, 46, muszą zostać przesunięte o około 90°. Zasadniczo sygnał wejściowy RF RF _IN , który jest dostarczany do wejścia obwodu wzmacniacza mocy szczytowej 46, jest opóźniony o około 90° względem sygnału wejściowego RF RF_IN, który jest dostarczany do wejścia obwodu wzmacniacza mocy nośnej 36.

W zilustrowanym wariancie wykonania obwód wzmacniacza mocy nośnej 36 zapewnia wzmacniacz klasy A/B (lub B), a obwód wzmacniacza mocy szczytowej 46 zapewnia wzmacniacz klasy C.  Każdy z tych wzmacniaczy jest zasadniczo zbudowany z jednego lub większej liczby tranzystorów. W wybranych wariantach wykonania wzmacniacze są zbudowane z jednego z następujących tranzystorów: tranzystorów HEMT z azotku galu (GaN), tranzystorów polowych MESFETS z arsenku galu (GaAs) lub węglika krzemu (SiC) oraz tranzystorów LDMOS z dyfuzyjnym półprzewodnikiem metalowo-tlenkowym. Osoby biegłe w tej dziedzinie rozpoznają jednak inne możliwe do zastosowania tranzystory i systemy materiałowe.

 Podczas działania ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30, sygnał wejściowy RF RF_IN jest dzielony przez rozdzielacz mocy 32 i kierowany wzdłuż ścieżek nośnej i szczytowej do odpowiednich obwodów wzmacniacza mocy nośnej i szczytowej 36 i 46. Sygnał wejściowy RF RF_IN jest wyprzedzany o 45° na ścieżce nośnej przez sieć wejściową nośnej 34 przed podaniem do obwodu wzmacniacza mocy nośnej 36. Sygnał wejściowy RF RF_IN jest opóźniany o 45° na ścieżce szczytowej przez sieć wejściową szczytową 48 przed podaniem do obwodu wzmacniacza mocy szczytowej 46.

  Jak wspomniano powyżej, wzmacniacze Doherty’ego charakteryzują się pracą w dwóch obszarach. W pierwszym obszarze R1 włączony jest tylko obwód wzmacniacza mocy nośnej 36, który wzmacnia sygnał wejściowy RF RF _IN . W drugim obszarze R2 zarówno obwód wzmacniacza mocy nośnej 36, jak i obwód wzmacniacza mocy szczytowej 46 wzmacniają sygnał wejściowy RF RF _IN w odpowiednich ścieżkach nośnej i szczytowej. Próg między tymi dwoma obszarami odpowiada wartości sygnału wejściowego RF RF _IN w ścieżce nośnej, przy której obwód wzmacniacza mocy nośnej 36 ulega nasyceniu. W pierwszym obszarze R1 poziomy sygnału wejściowego RF RF _IN są poniżej progu. W drugim obszarze R2 poziomy sygnału wejściowego RF RF _IN są równe lub wyższe od progu.
   W pierwszym obszarze R1, gdzie poziom sygnału wejściowego RF RF_IN jest niższy od zadanego progu, układ wzmacniacza mocy nośnej 36 wzmacnia część sygnału wejściowego RF RF _IN w ścieżce nośnej. Wzmocniony sygnał wejściowy RF RF_IN jest przesuwany o skompensowane przesunięcie fazowe nośnej φ _C-COMP przez układ wyjściowy nośnej 38 i przekazywany do węzła scalonego Doherty’ego 40. Co istotne, w pierwszym obszarze R1 żaden sygnał nie jest dostarczany do węzła scalonego Doherty’ego 40 poprzez ścieżkę szczytową, gdy sygnał wejściowy RF RF _IN jest niższy od zadanego progu. W pierwszym obszarze R1 układ wzmacniacza mocy szczytowej 46 jest wyłączony, a ogólna sprawność ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30 jest określana głównie przez sprawność układu wzmacniacza mocy nośnej 36.

  W drugim obszarze R2, w którym sygnał wejściowy RF RF_IN jest równy lub wyższy od zadanego progu, obwód wzmacniacza mocy nośnej 36 jest nasycony i dostarcza swoją maksymalną moc do węzła łączącego Doherty’ego 40 za pośrednictwem sieci wyjściowej nośnej 38. Ponownie, wzmocniony sygnał wejściowy RF RF _IN jest przesuwany o skompensowane przesunięcie fazy nośnej φ _C-COMP przez sieć wyjściową nośnej 38 i przekazywany do węzła łączącego Doherty’ego 40.
Ponadto, gdy sygnał wejściowy RF RF _IN wzrasta powyżej zadanego progu, włącza się obwód wzmacniacza mocy szczytowej 46 i rozpoczyna wzmacnianie części sygnału wejściowego RF RF_IN przepływającej ścieżką szczytową. Gdy sygnał wejściowy RF RF _IN nadal wzrasta powyżej zadanego progu, obwód wzmacniacza mocy szczytowej 46 dostarcza więcej mocy do węzła łączącego Doherty’ego 40 poprzez obwód wyjściowy szczytowy 48, aż obwód wzmacniacza mocy szczytowej 46 osiągnie nasycenie. Co istotne, obwód wyjściowy szczytowy 48 skutecznie przesuwa sygnał wejściowy RF RF _IN w ścieżce szczytowej o skompensowane przesunięcie fazowe szczytowe φ _P-COMP . W związku z tym sygnały wejściowe RF RF _IN docierają do węzła łączącego Doherty’ego 40 z odpowiednich ścieżek nośnej i szczytowej, są reaktywnie łączone w węźle łączącym Doherty’ego 40, a następnie są podwyższane lub obniżane przez transformator 42 w celu wygenerowania sygnału wyjściowego RF RF _OUT .

W porównaniu z konwencjonalnym wzmacniaczem Doherty’ego 10 (Fig.1), ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 (rysunek 5) skutecznie zastąpił linie transmisyjne 16, 20, 26, 28 sieciami wejściowymi i wyjściowymi 34, 44, 38, 48 zarówno w torze nośnej, jak i szczytowym. Zastosowanie skupionych sieci wejściowych i wyjściowych 34, 44, 38, 48 w torze nośnej i szczytowym pozwala na postrzeganie i syntezę ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30 jako filtru pasmowo-przepustowego. W związku z tym, odpowiednie sieci, a także rozdzielacz mocy 32 i transformator 42 mogą być syntetyzowane jako część ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30, aby uzyskać pożądane parametry pracy w sposób zbliżony do syntezy filtru pasmowo-przepustowego. Najważniejsze parametry pracy ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30 obejmują szerokość pasma, impedancję końcową, wzmocnienie mocy i moc wyjściową.

To zwiększenie szerokości pasma może być wykorzystane do umożliwienia pojedynczemu ulepszonemu wzmacniaczowi Doherty’ego 30 obsługi wielu pasm komunikacyjnych działających w różnych pasmach częstotliwości, zwiększenia dostępnej szerokości pasma dla danego pasma komunikacyjnego w celu obsługi wyższych prędkości transmisji danych i dodatkowych kanałów lub ich kombinacji. Jak wspomniano powyżej, konwencjonalny wzmacniacz Doherty’ego 10 ma stosunkowo ograniczoną szerokość pasma i zapewnia jedynie dostępną chwilową szerokość pasma wynoszącą 5% częstotliwości roboczej. Na przykład, UMTS ma przydzielone pasmo częstotliwości 2,11 i 2,17 GHz i wymaga minimalnej szerokości pasma 60 MHz. Ponieważ konwencjonalny wzmacniacz Doherty’ego 10 może obsługiwać szerokość pasma 105 MHz, może on obsługiwać pasmo UMTS. Jednakże, jeśli zachodzi potrzeba obsługi pasma UMTS między 2,11 a 2,17 GHz, a także pasma LTE między 2,6 a 2,7 GHz za pomocą tego samego układu wzmacniacza, wymagana jest szerokość pasma wynosząca zasadniczo 600 MHz, a konwencjonalny wzmacniacz Doherty’ego 10 oczywiście nie jest w stanie sprostać takim wymaganiom. Ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 może zostać zaprojektowany tak, aby spełnić te wymagania, jednocześnie osiągając pożądane parametry sprawności, wzmocnienia i mocy wyjściowej

Poniżej przedstawiono dwa z wielu przykładów, w których ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 można skonfigurować do obsługi zarówno pasm UMTS, jak i LTE, które znajdują się w pasmach 2,11–2,17 GHz i 2,6–2,7 GHz. W pierwszym przykładzie ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 został zsyntetyzowany w celu zapewnienia względnie jednolitego wzmocnienia i wydajności mocy biernej w paśmie 600 MHz, między 2,11 a 2,7 GHz, aby pokryć zarówno pasma UMTS, jak i LTE. Jak pokazano na Fig.6A, który przedstawia wykres wydajności w funkcji częstotliwości przy poziomie mocy biernej 6 dB, ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 można zsyntetyzować w celu zapewnienia względnie jednolitej wydajności w całym zakresie częstotliwości 2,11–2,7 GHz przy poziomach mocy biernej. Jednakże, ponieważ ostateczny potencjał szerokości pasma dla konstrukcji wzmacniacza zależy od konkurencyjnych cech wydajności, wzmocnienia i mocy wyjściowej, kompromisy między tymi cechami zawsze wchodzą w grę. W tym przykładzie kompromisy skutkują zauważalnym, ale akceptowalnym, spadkiem szczytowej mocy wyjściowej w paśmie LTE (2,6–2,7 GHz) w porównaniu ze szczytową mocą wyjściową w paśmie UMTS. Spadek ten ilustruje rysunek 6B, który przedstawia zależność szczytowej mocy wyjściowej od częstotliwości.

Na przykład, jeden ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 może być użyty do obsługi zarówno pasm WiMax 2,5, jak i 3,5 GHz. Ponadto, dane pasmo przepustowe może zostać poszerzone, aby obsługiwać względnie sąsiednie pasma komunikacyjne, takie jak PCS 1,8 GHz i UMTS 2,1 GHz. Chociaż w drugim przykładzie zilustrowano tylko dwa pasma komunikacyjne, ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 może być zsyntetyzowany do obsługi trzech lub więcej pasm w podobny sposób, gdzie spadki wydajności mocy, wzmocnienia lub mocy wyjściowej mogą być zapewnione, jeśli i jak jest to pożądane.

Ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 ma konstrukcję modułową i jako taki może być używany równolegle z jednym lub kilkoma innymi ulepszonymi wzmacniaczami Doherty’ego 30 w zastosowaniach o wyższej mocy. Przykładowa modułowa konfiguracja Doherty’ego 50 jest zilustrowana na Fig.8. Modułowa konfiguracja Doherty’ego 50 zapewnia te same korzyści i możliwości konfiguracji, co opisane powyżej. Modułowa konfiguracja Doherty’ego 50 zawiera dwa ulepszone moduły Doherty’ego 52A, 52B, które odpowiadają ulepszonemu wzmacniaczowi Doherty’ego 30 z Fig. 5.

Suplement

Kiedy William H.  Doherty dołączył do działu rozwoju radiowego w Bell Telephone Laboratories w czerwcu 1929 roku, zajmował się rozwojem nadajników radiowych dużej mocy do transoceanicznej radiotelefonii i nadawania. W rezultacie, w 1936 roku, wynalazł sposób na znaczną poprawę sprawności wzmacniaczy mocy RF, nazwany szybko wzmacniaczem Doherty’ego[ (DA). Po raz pierwszy zastosowano go w nadajniku o mocy 50 kW ze sprzężeniem zwrotnym częstotliwości akustycznych, co pozwoliło uzyskać poziom zniekształceń od poniżej 1% przy niższych częstotliwościach do kilku procent przy wysokich częstotliwościach. W tym przypadku wzmacniacz mocy pracował ze sprawnością 60%, co oznaczało redukcję całodobowego zużycia energii o prawie połowę w porównaniu z mocą wymaganą przez konwencjonalny liniowy wzmacniacz mocy pracujący ze sprawnością 33%. W maju 1937 roku Doherty otrzymał Nagrodę Pamięci IRE Morrisa Liebmanna za poprawę wydajności wzmacniaczy mocy RF.

 Do 1940 roku wzmacniacze DA były już stosowane w 35 komercyjnych stacjach radiowych na całym świecie, osiągając moc do 50 kW.  Doherty opatentowa swoje rozwiązanie W. H. Doherty, Amplifier, U.S. Patent US2210028 , Aug. 1940 co zapewniło mu nieśmiertelna sławę w dziedzinie wzmacniaczy radiowych AM.

Zasadniczo układ DA łączy wyjścia dwóch (lub więcej) liniowych wzmacniaczy mocy RF (PA) za pośrednictwem odwracającej impedancję sieci złożonej z elementów skupionych lub reprezentowanej przez ćwierćfalową linię transmisyjną. Dwie podstawowe formy DA przedstawiono na Fig.1, z obciążeniem połączonym bocznikowo na Fig.1(a) i z obciążeniem połączonym szeregowo na Fig. 1(b) . W pierwszym przypadku impedancja obciążenia wynosi RL = R/2, czyli tyle samo, ile byłoby stosowane w przypadku równoległego połączenia lamp w konwencjonalnym wzmacniaczu mocy, gdzie R jest impedancją obciążenia widzianą przez każdą lampę przy maksymalnej mocy wyjściowej. W drugim przypadku, dopóki prawa strona lub lampa szczytowa nie przewodzi, odwracająca impedancję sieć zapewnia zerową impedancję, będąc zakończoną jako obwód otwarty, a lewa strona lub lampa nośna działa z impedancją obciążenia RL = 2R. Jednakże, gdy lampa szczytowa ma możliwość przewodzenia, każda lampa pracuje w impedancji R w punkcie szczytowym modulacji i dostarcza dwukrotnie większą moc nośną (lub moc przesyłanego niemodulowanego sygnału), tak że całkowita chwilowa moc wyjściowa jest wymagana i wynosi czterokrotność mocy nośnej. Połączenie bocznikowe wydaje się być korzystniejsze w większości praktycznych zastosowań, ponieważ obwód obciążenia jest uziemiony, podczas gdy obciążenie nie jest uziemione ani zbalansowane do masy w układzie szeregowym. Idealne zachowanie napięcia i prądu anodowego w lampach nośnej i szczytowej przy zmiennej amplitudzie wzbudzenia siatki pokazano na Fig.1(c). W tym przypadku, dla klasycznego wzmacniacza mocy z lampami o jednakowej mocy, napięcie przejścia wynosi połowę punktu obwiedni szczytowej (PEP), a całkowita moc wyjściowa wzmacniacza pochodzi z lampy nośnej dla amplitud wejściowych mniejszych lub równych punktowi przejścia. Obszar między punktem przejścia a wartościami PEP reprezentuje obszar modulacji obciążenia, a napięcie na lampie nośnej pozostaje stałe na poziomie PEP. Jednocześnie napięcie na lampie szczytowej nadal rośnie liniowo, a jego prąd zaczyna i rośnie dwukrotnie szybciej niż prąd w lampie nośnej, aby osiągnąć wartość PEP przy maksymalnej mocy wyjściowej. Zatem przy niskich poziomach mocy wyjściowej wzmacniacz nośnej działa liniowo, osiągając nasycenie odpowiadające maksymalnej sprawności przy pewnym napięciu przejściowym poniżej szczytowego napięcia wyjściowego układu. Jednak przy wyższych poziomach mocy wyjściowej wzmacniacz nośnej pozostaje nasycony, podczas gdy wzmacniacz szczytowy działa liniowo.

Odpowiednie kształty obwiedni prądu i napięć anodowych podczas całkowitej zmiany obciążenia przedstawiono na Fig. 2.

A NEW HIGH-EFFICIENCY POWER AMPLIFIER FOR MODULATED WAVES DohertyHISTORIA

by W. H. DOHERTY BELL TELEPHONE SYSTEM TECHNICAL PUBLICATlONS

 

 

Doherty Amplifier animation

https://youtu.be/7fwqI9j0mMM

 

 

 

 

  W ramach wstępu należy potwierdzić fakt, że silniki elektryczne odgrywają integralną rolę we współczesnym świecie, napędzając wszystko, od urządzeń gospodarstwa domowego po maszyny przemysłowe. Chociaż istnieje wiele rodzajów silników elektrycznych, silnik prądu przemiennego (AC) wyróżnia się jako jeden z najważniejszych wynalazków w tej dziedzinie. Silnik prądu przemiennego utorował drogę szerokiemu wachlarzowi zastosowań i zrewolucjonizował sposób, w jaki wykorzystujemy i wykorzystujemy energię elektryczną. Przełom nastąpił wraz z opracowaniem silnika indukcyjnego prądu przemiennego, koncepcji, którą po raz pierwszy przewidział Galileo Ferraris, włoski fizyk i inżynier. W 1888 roku Ferraris opublikował artykuł opisujący teorię i konstrukcję silników prądu przemiennego opartych na wirującym polu magnetycznym. Jego praca położyła podwaliny pod przyszły rozwój silników prądu przemiennego.

Fascynacja Tesli elektrycznością i magnetyzmem skłoniła go do szeroko zakrojonych eksperymentów z prądem przemiennym. Dostrzegł ograniczenia silników prądu stałego i ogromny potencjał prądu przemiennego w przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości. Tesla wierzył, że prąd przemienny ma potencjał zrewolucjonizowania sposobu wytwarzania i wykorzystywania energii elektrycznej. Pod koniec lat 80. XIX wieku Tesla zaprojektował i zbudował pierwszy praktyczny silnik indukcyjny prądu przemiennego. Jego konstrukcja wykorzystywała układ wielofazowy, który obejmował wiele faz prądu przemiennego. Pozwoliło to na uzyskanie wydajniejszego i mocniejszego silnika w porównaniu z poprzednimi konstrukcjami jednofazowymi. Silnik prądu przemiennego Tesli był nie tylko bardziej wydajny, ale także mógł pracować przy wyższych napięciach, co czyniło go odpowiednim do przesyłu energii na duże odległości. Było to przełomowe osiągnięcie w czasach, gdy dominowały systemy zasilania prądem stałym.

W 1888 roku Tesla złożył patent na swój silnik prądu przemiennego, kładąc podwaliny pod jego powszechne zastosowanie i komercjalizację. Jednak napotkał poważne trudności w pozyskaniu finansowania i wsparcia dla swoich systemów zasilania prądem przemiennym. Thomas Edison, zwolennik zasilania prądem stałym, był jednym z głównych rywali Tesli i zagorzałych krytyków.

Silnik indukcyjny prądu przemiennego działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, podobnie jak wcześniejsze odkrycia Faradaya. Składa się z dwóch głównych elementów: nieruchomego stojana i obracającego się wirnika. Stojan zawiera zestaw cewek, przez które przepływa prąd przemienny, generując wirujące pole magnetyczne. To wirujące pole magnetyczne indukuje prądy w wirniku, powodując jego obrót. 

Jedną z kluczowych zalet silnika indukcyjnego jest jego prostota i trwałość. Brak szczotek i komutatorów eliminuje zużycie i zmniejsza wymagania konserwacyjne, co czyni go niezawodnym i trwałym silnikiem. Co więcej, silnik indukcyjny charakteryzuje się wysoką sprawnością dzięki swojej konstrukcji. Wirnik obraca się z nieco mniejszą prędkością niż wirujące pole magnetyczne stojana, co powoduje ruch względny, który indukuje prądy w uzwojeniach wirnika. Ta interakcja zapewnia płynny i efektywny transfer energii, co przekłada się na wysoką sprawność silnika.

Dzięki postępowi technologicznemu silnik indukcyjny stale ewoluuje. Systemy napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) umożliwiają precyzyjną kontrolę prędkości obrotowej silnika i poprawiają efektywność energetyczną. Ponadto, postęp w materiałach i projektowaniu doprowadził do opracowania wysokosprawnych silników indukcyjnych, co dodatkowo zmniejsza zużycie energii. Silnik indukcyjny pozostaje integralną częścią naszego codziennego życia, napędzając urządzenia i maszyny, na których polegamy. Jego prostota, niezawodność i wydajność czynią go niezbędnym elementem w świecie silników elektrycznych.

UWAGA

Tu muszę się przyznać bez bicia, że moją analizę patentowa z zakresu silników AC musiałem poprzedzić przypomnieniem sobie zasady generacji prądu zmiennego, ponieważ  w  kolejnych patentach z tego zakresu istnieje powiązanie konstrukcji silnika AC z generatorem prądu zmiennego, który stanowi źródło napięć zasilający w/w silnik. Mam nadzieję , że  przedstawienia uproszczonego diagramu generatora AC pozwoli  lepiej  zrozumieć istotę  dalej cytowanych historycznych patentów  z tej dziedziny.

Po krótkim wstępie można przejść do omówienia dwóch historycznych  patentów z dziedziny silników indukcyjnych AC.

US381969 Electro-magnetic motor, Tesla, Data patentu: 1.05.1888

Silnik jest uzwojony cewkami tworzącymi niezależne obwody zasilające albo na tworniku, albo na statorze, albo na obu (dla niniejszych celów wystarczające jest rozważenie przypadku, w którym cewki znajdują się wyłącznie na tworniku- wirniku), a cewki te są połączone z odpowiednimi obwodami generatora prądu przemiennego.
Twornik – uzwojenie silnika elektrycznego lub prądnicy, w którym indukuje się siła elektromotoryczna na skutek względnego ruchu tego uzwojenia i pola magnetycznego wytworzonego przez odrębne uzwojenie wzbudzenia. W tworniku zachodzi przemiana energii elektrycznej na mechaniczną (silnik) lub mechanicznej na elektryczną (prądnica). Twornik może być umieszczony w wirniku lub stojanie, w zależności od rodzaju maszyny. W przypadku gdy twornik znajduje się w wirniku, energia elektryczna jest do niego doprowadzana (bądź odprowadzana) za pomocą komutatora i szczotek.

W wyniku tego prądy o naprzemiennie przeciwnych kierunkach przepływają przez cewki zasilające silnika w taki sposób, że powodują postępujące przesunięcie lub obrót biegunów magnetycznych twornika.
Ten ruch biegunów twornika ma oczywiście tendencję do obracania twornika w kierunku przeciwnym do tego, w którym odbywa się ruch biegunów, ze względu na siłę przyciągania między wspomnianymi biegunami a magnesami rotora, a prędkość obrotowa wzrasta od początku, aż zrówna się z generatorem, zakładając, że zarówno silnik, jak i generator są podobne.
Gdy bieguny twornika zostaną przesunięte w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu twornika, będzie oczywiste, że gdy osiągnięta zostanie normalna prędkość, bieguny twornika przyjmą stałe położenie względem magnesu statora , co w konsekwencji magnesy polowe będą zasilane przez indukcję magnetyczną, wykazując dwa różne bieguny, po jednym w każdym z biegunów. Jednakże podczas uruchamiania silnika, prędkość twornika jest stosunkowo mała, więc bieguny poddawane są szybkiemu odwróceniu polaryzacji magnetycznej; ale wraz ze wzrostem prędkości te odwrócenia stają się coraz rzadsze i ostatecznie ustają, gdy ruch twornika staje się zsynchronizowany z ruchem generatora. W takim przypadku rdzenie statora i nabiegunniki silnika stają się magnesem, ale tylko na drodze indukcji. 

Rys. 1 przedstawia widok z boku mojego ulepszonego silnika. Rys. 2 przedstawia częściowo poziomy przekrój środkowy, a Rys. 3 przedstawia schemat silnika i generatora połączonych w celu uruchomienia.

 Niech A, A na Rys. 1 reprezentują ramiona lub nabiegunniki magnesu polowego, wokół których nawinięte są cewki B, B, włączone do obwodu generatora prądu ciągłego C, który jest przystosowany do przekazywania magnetyzmu wspomnianym biegunom w standardowy sposób. D, D’ to dwie niezależne cewki nawinięte na odpowiedni cylindryczny lub równoważny rdzeń wirnika, który, podobnie jak wszystkie inne używane w podobny sposób, powinien być rozdzielony lub podzielony na naprzemienne części magnetyczne i izolacyjne w standardowy sposób. Wirnik ten jest zamontowany na niemagnetycznych poprzeczkach E E, przymocowanych do biegunów magnesu polowego. Zaciski cewek wirnika D D’ są połączone z izolowanymi, ślizgowymi pierścieniami stykowymi a a b b, osadzonymi na wale wirnika, a szczotki c c’ opierają się na tych pierścieniach, przekazując do cewek prądy zasilające silnik. Generator do napędzania tego silnika ma lub może mieć dokładnie taką samą konstrukcję i dla ułatwienia oznaczono na rys. 3 jego części w następujący sposób: F F – magnesy polowe, zasilane ciągłym prądem płynącym w ich cewkach polowych G G; H H’ – cewki osadzone na cylindrycznym wirniku; d d e e – pierścienie cierne lub zbiorcze, osadzone na wale wirnika i tworzące zaciski cewek wirnika; oraz f f’ – szczotki zbiorcze, które przekazują prądy wytwarzane w cewkach wirnika do dwóch obwodów g, g’, które łączą generatory z silnikiem. Działanie tego układu będzie zrozumiałe z powyższego. Działanie generatora, powodując stopniowe przesuwanie biegunów w tworniku, wprawia go w ruch obrotowy w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu biegunów. Jeśli zatem prąd ciągły zostanie skierowany przez cewki wzbudzenia, tak aby silnie wzbudzić magnes A A, prędkość silnika, zależna od prędkości generatora, nie wzrośnie, ale moc, która powoduje jego obrót, wzrośnie proporcjonalnie do energii dostarczanej przez cewki B B. Charakterystyczną cechą tego silnika jest to, że jego kierunek obrotu nie jest odwracany poprzez odwrócenie kierunku prądu płynącego przez cewki wzbudzenia, ponieważ kierunek obrotu nie zależy od biegunowości pola, ale od kierunku, w którym przesuwane są bieguny twornika. Aby odwrócić silnik, należy odwrócić połączenia jednego z obwodów g, g’. Odkryłem, że jeśli magnes pola silnika zostanie silnie pobudzony przez jego cewki B B i obwody przez cewki wirnika zamknięte, zakładając, że generator pracuje z określoną prędkością, silnik nie uruchomi się; ale jeśli pole zostanie tylko nieznacznie pobudzone lub ogólnie w takim stanie, że wpływ magnetyczny wirnika ma przewagę w określaniu jego stanu magnetycznego, silnik uruchomi się i przy wystarczającym prądzie osiągnie maksymalną lub normalną prędkość. Z tego powodu pożądane jest, aby na początku i aż do osiągnięcia przez silnik normalnej prędkości lub prawie do niej, obwód pola był otwarty lub aby przepuszczał przez niego tylko niewielki prąd. Odkryłem jednak, że jeśli pola zarówno generatora, jak i silnika zostaną silnie pobudzone, to uruchomienie generatora uruchamia silnik, a prędkość silnika wzrasta synchronicznie z generatorem. Silniki zbudowane i eksploatowane na tej zasadzie utrzymują niemal tę samą prędkość dla wszystkich obciążeń w ich normalnych granicach roboczych; W praktyce jeśli silnik zostanie przeciążony do takiego stopnia, że ​​jego prędkość obrotowa zostanie ograniczona, prędkość generatora, o ile jego moc napędowa nie jest zbyt duża, maleje synchronicznie z prędkością silnika. W innych zastosowaniach  można zmieniać konstrukcję tych lub podobnych silników w pewien dobrze znany sposób – na przykład poprzez obrót pola wokół nieruchomego twornika lub obracanie przewodników w polu; co jest możliwe do zbudowania przez osobę biegłą w tej dziedzinie. Obecna wersja silnika jest tania, prosta, niezawodna i łatwa w utrzymaniu. Do działania wymaga najprostszego typu generatora, a przy prawidłowej konstrukcji charakteryzuje się wysoką sprawnością.

CH1885A  Neuerung in der Schaltung von Wechselstrom-Generatoren und –Motoren. MICHAEL VON DOLIVO-DOBROWOLSKY,  Data patentu: 8.01.1890.

Przedmiotem patentu jest  generatorach prądu przemiennego, który charakteryzuje się  połączeniem trzech lub więcej cewek lub grup cewek, połączonych równolegle lub szeregowo, oraz takiej samej liczby przewodów połączonych z tymi cewkami lub grupami cewek oraz ze sobą w taki sposób, że każdy przewód tworzy obwód z każdym z pozostałych przewodów  i  jedną lub kilkoma cewkami lub grupami cewek;

Niniejszy wynalazek dotyczy metody opracowanej przez profesora  Ferrarisa  w Turynie, polegającej na wprawianiu wirnika silnika elektrycznego w ruch poprzez ciągłe przesuwanie osi pola magnetycznego silnika za pomocą dwóch lub więcej prądów przemiennych,  których fazy następują po sobie   i  wprawianie go w ten sposób w ruch obrotowy.

Fig. 1-4 przedstawiają cewki obu maszyn połączonych równolegle, a każdy z tych rysunków służy zilustrowaniu stanu i kierunku prądów generowanych przez obrót wirnika E.  Fig. 5 i 6 przedstawiają te same maszyny z cewkami połączonymi szeregowo. Zgodnie  z  Fig.7, cewki generatora są połączone równolegle, a cewki silnika szeregowo, natomiast  Fig. 8 przedstawia odwrotny układ. Na  Fig. 5-8 wirnik G jest pominięty a Fig.9 przedstawia widok generatora z czterema biegunami i dwiema grupami cewek.

 Na Fig.1,  D oznacza elektromagnes, a  E wirnik generatora, F elektromagnes, a G wirnik silnika.  N i S to bieguny wirnika D.  Wirnik E ma trzy cewki a, b, c, a elektromagnes ma trzy cewki a1, b1, c1. Dla przejrzystości cewki te są przedstawione jako oddzielone małymi przerwami, ale są połączone w taki sposób, że tworzą ciągłe uzwojenie  przy czym  d2 to pierścień ślizgowy obracający się wraz z wirnikiem E, d1 to przewód łączący pierścień  d2  z  przewodem biegnącym od cewki a do cewki b, natomiast d3 oznacza sprężynę ślizgową stykającą się z pierścieniem d2, do której podłączony jest przewód d.  Podobnie, pierścienie ślizgowe e2, f2, przewody e1, f1  i  sprężyny e3, f3  tworzą styki ślizgowe między parami cewek  a c, b c,   a  odpowiadającymi im wyprowadzeniami  e, f.  Wyprowadzenia  d, e, f są połączone w punktach d4, e4, f4 z odpowiednimi parami cewek  b1 c1, a1 c1, a1 b1 silnika B. Gdy wirnik E, obracając się w kierunku strzałki 1, osiągnie położenie pokazane na Fig. 1, cewki  a i c  są w równym stopniu wystawione na działanie pola magnetycznego; Jednakże jedna cewka znajduje się powyżej, a druga poniżej linii neutralnej  k, l. Dlatego w tym momencie w wyżej wymienionych cewkach  a, c indukowane są dwa równe prądy o przeciwnych kierunkach. Prądy indukowane jednocześnie w cewce b znoszą się wzajemnie, ponieważ cewka znajduje się w połowie powyżej i w połowie poniżej linii k, l. Wspomniane prądy 2, 3  łączą się i przepływają przez przewód  e1, pierścień e2, sprężynę e3  i  linię e (patrz strzałka 4) do punktu e4, gdzie połączony prąd ponownie rozdziela się i powraca dwiema gałęziami przez cewki  a1, c1 elektromagnesu F (patrz strzałki 5, 6), odpowiednie linie d, f (patrz strzałki 7, 8), sprężyny d3, f3, pierścienie  d2, f2 i przewody  d1, f1 do cewek a, c.  Cewka b1 obecnie nie otrzymuje prądu. W tych okolicznościach prądy 5 i 6 wzbudzają elektromagnes F w taki sposób, że jego oś magnetyczna znajduje się w położeniu N1, S1. Po dalszym obrocie o 60° wirnik E osiągnął położenie pokazane na Fig. 2, a cewki b i c mają teraz położenie symetryczne względem pola magnetycznego i przewodu neutralnego. W związku z tym w tych cewkach indukowane są teraz prądy o jednakowym natężeniu  i  przeciwnych kierunkach, jak wskazują strzałki 9 i 10, podczas gdy w cewce  a  nie płynie prąd, ponieważ podlega ona dwóm równym, ale przeciwnie skierowanym wpływom indukującym.

Przepływ prądu będzie zatem teraz odpowiadał strzałkom pokazanym na tym rysunku. Kierunek prądu płynącego w przewodzie  f  jest przeciwny do kierunku,  jaki miał prąd w pierwszym przypadku. W międzyczasie prąd musiał zatem w pewnym momencie wynosić zero, co miało miejsce, gdy cewka była symetryczna do bieguna północnego  N  i osiągnęła maksimum indukcji.  Oś magnetyczna silnika osiągnęła teraz położenie N2, S2, Fig. 2, po przejściu przez wszystkie położenia pośrednie  z  N1, S1,  Fig.1. Kolejny obrót o 60° powoduje, że wirnik E znajduje się w położeniu pokazanym na Fig. 3. Indukowane prądy odpowiadają wówczas strzałkom pokazanym na tym rysunku, a oś magnetyczna znajduje się w położeniach N3, S3.

 Podobnie, po wykonaniu przez wirnik połowy obrotu, prądy znajdują się w stanie pokazanym na Fig. 4 i wyznaczają położenia N4 i S4 osi magnetycznej.  W  ten sam sposób można określić kolejne położenia tej osi.  Z tych rozważań wynika, że ​​dzięki opisanemu obwodowi obrót wirnika  E powoduje ciągły ruch do przodu osi magnetycznej elektromagnesu F,  a  w konsekwencji obrót wirnika G.

 Ponadto oczywiste jest, że następuje stopniowe przejście od maksymalnej indukcji jednej cewki do maksymalnej indukcji drugiej. W rezultacie całkowita wytworzona praca elektryczna lub energia nie podlega żadnym lub jedynie bardzo niewielkim wahaniom.

Fig. 5 i 6 przedstawiają cewki wirnika E z jednej strony i cewki elektromagnesu  F z drugiej strony, połączone szeregowo w następujący sposób: tzn.  cewka a jest połączona z jednego końca, np. końca prowadzącego do obrotu wirnika, przewodem g   odpowiednim końcem cewki  b. Cewka b jest podobnie połączona z cewką c przewodem  h, a ta ostatnia z cewką a przewodem i.

Te same połączenia są wykonane między cewkami a1, b1 i c1 za pomocą przewodów g1, h1 i i1. Końce cewek a i a1, które pozostają niepołączone w tych połączeniach, są połączone przewodząco elementami d1, d2, d3, d , przy czym   końce cewek b i b1 są połączone z elementami e1, e2, e3, e; a końce cewek c i c1  z elementami f1, f2, f3, f.     Gdy obracający się wirnik E przechodzi przez położenie pokazane na Fig. 5, w każdej z dwóch cewek  a i c  indukuje się prąd w taki sam sposób, jak wyjaśniono w odniesieniu do Fig. 1.

Z cewki  a  prąd płynie przewodem  do cewki  c, gdzie odbiera siłę elektromotoryczną prądu obecnego w tej ostatniej cewce. Następnie przepływa przez połączenia  f1, f2, f3, f do cewki c1, a stamtąd przewodem  i1 do cewki a1, wracając ostatecznie do cewki a przez połączenia d, d3, d2, d1. Pole magnetyczne generowane przez prądy krążące w cewkach a1 i c1 ma swoją oś w linii N1, S1. Po jednej szóstej obrotu wirnika prądy płyną zgodnie z Fig. 6, a oś magnetyczna, znajdująca się teraz w położeniu N2, S2, przesunęła się do przodu o ten sam kąt co wirnik.

W związku z tym analogiczny efekt uzyskuje się łącząc cewki szeregowo i równolegle. Cewki wirnika E i elektromagnesu F można również połączyć na różne sposoby, tj. niektóre równolegle, inne szeregowo.

Fig. 7 przedstawia wirnik z cewkami połączonymi równolegle i elektromagnes F, w którym cewki są połączone szeregowo, natomiast  Fig. 8 przedstawia układ odwrotny. Odnośnie Fig. 7, należy zauważyć, że gdy wirnik E znajduje się we wskazanym położeniu i  prąd płynie z niego przewodem  e  do cewki c1, prąd ten przepływa częściowo przez przewód  h1  i cewkę b1  i powraca przewodem d,  podczas gdy pozostała część przebiega przez przewód  i1, cewkę a1 i przewód  f.  Oś magnetyczna ma wówczas położenie N1, S1, Fig. 7. Jeśli cewki są połączone zgodnie z Fig. 8, a wirnik E znajduje się w położeniu pokazanym na tym rysunku, prąd płynący na zewnątrz przez przewód f będzie krążył częściowo w cewce b1, a częściowo w cewkach a1, c1 i powracał przewodem d.

Polski wkład w powstanie trój-fazowego silnika AC

Polski wątek historii wynalazku silnika trójfazowego AC rozpoczyna się na Wydziałe Elektrotechnicznym w Wyższej Szkole Technicznej w Darmstadt, gdzie zdolny student Doliwo-Dobrowolski szybko trafił pod skrzydła fizyka i pioniera elektrotechniki Erazmusa Kittlera. Ostatecznie nawet został asystentem wybitnego profesora i dzięki jego rekomendacji otrzymał w 1887 roku posadę konstruktora-wynalazcy w  berlińskim oddziale Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft (AEG ).

To była wielka szansa, którą młody naukowiec wykorzystał. Ważną inspiracją dla Doliwo-Dobrowolskiego stał się artykuł na  temat m.in. alternatora z marca 1888 roku autorstwa Galileo Ferrarisa, włoskiego fizyka i współpracownika Tesli. W ciągu zaledwie kilku miesięcy pracujący dla niemieckiego koncernu naukowiec skonstruował prądnicę trójfazowego prądu zmiennego, a w marcu 1889 roku zgłosił do opatentowania asynchroniczny silnik o mocy 100 W z wirnikiem klatkowym, pracujący w systemie prądu przemiennego trójfazowego. Doliwo wprowadził zarazem stosowany potem powszechnie termin „trójfazowy” na określenie układu trzech obwodów elektrycznych prądu przemiennego. Taki układ otwierał wiele możliwości budowania na nowych zasadach silników, transformatorów i generatorów.

Wynalazca pracował intensywnie dalej. Jeszcze w tym samym roku skonstruował generator prądu przemiennego trójfazowego. Budował silniki większej mocy, silniki pierścieniowe, eksperymentował z możliwością dołączenia opornika rozruchowego. W 1890 r. Doliwo-Dobrowolski miał gotowy transformator trójfazowy. Dzięki jego wynalazkom pod koniec lat 80. XIX wieku firma AEG rozpoczęła sprzedaż rynkową silników trójfazowych o mocy 2 i 3 KM.

W dużym stopniu to właśnie dzięki niemu niemiecka AEG wyrosła na globalnego giganta w dziedzinie energetyki opartej na prądzie przemiennym. Pierwsze trójfazowe elektrownie AEG uruchomiło w Zabrzu i Chorzowie. Pierwsza na świecie trójfazowa elektrownia wodna z  urządzeniami Dobrowolskiego powstała na Renie, w miejscowości Rheinfelde.

Doliwo-Dobrowolski stał się światowym autorytetem. W 1900 r. uhonorowano go Złotym Medalem Światowej Wystawy w Paryżu, a macierzysta politechnika w Darmstadt przyznała mu tytuł doktora honoris causa „za wybitne zasługi dla rozwoju elektrotechniki” (1911 r.). Zaangażował się w działalność Stowarzyszeniu Elektrotechników Niemieckich. Przyjął obywatelstwo szwajcarskie i przez kilka lat prowadził badania naukowe w Lozannie. Pozostał jednak wierny AEG. W 1909 wrócił do Niemiec, by objąć stanowisko dyrektora technicznego fabryki aparatury AEG. Zarządzał firmą i nadal prowadził projekty badawcze, co zaowocowało kolejnymi wynalazkami, jak np. fazomierz, komory gasikowe w wyłącznikach wysokonapięciowych, w końcu popularne suszarki do włosów, znane pod nazwą handlową Fön (w tłum. ciepły, górski wiatr) produkowane przez AEG od 1899 r.

Gdy w 1918 roku Polska odzyskała niepodległość Doliwo-Dobrowolski wysłał depeszę gratulacyjną do rządu krajowego. Do ojczyzny ojca i dziadka nie zdążył przyjechać. Zmarł w Niemczech 15 października 1919  roku z  powodu zakażenia grypą hiszpanką. W czerwcu 2022 r. w Szczecinie odsłonięto pomnik wynalazcy. Na ławeczce przy gmachu Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego przysiadła odlana z brązu postać pioniera prądu trójfazowego.

Historia silnika prądu zmiennego AC może być kanwą dobrego filmu edukacyjnego, który ilustruje kolejne dokonania konstrukcyjne w tej dziedzinie. Film kanału youtube History of 3-phase Electricity & Distribution https://youtu.be/NEkegQanD2I w sposób obiektywny przedstawia zasługi Polaka MICHAEL VON DOLIVO-DOBROWOLSKY w opracowaniu standardu sieci trójfazowej w zastosowaniu przemysłowym  oraz konstrukcje silnika trójfazowego, który obowiązuje w naszym życiu codziennym oraz w zastosowaniach przemysłowych ( bez zmian) do dnia dzisiejszego .

Suplement

Wszystko co dobre, szybko się kończy, minęło 10 lat mojego pisania o ciekawych wynalazkach oraz udziale  polskich twórców w dorobku techniki światowej. Z przykrością muszę zauważyć, że próby zainteresowania tematyką patentową szkół technicznych zakończył się niepowodzeniem. Moja wizja zakładała próby popularyzacji osiągnięć technicznych na poziome szkół  technicznych, ale niestety  nie znalazło to  zainteresowania pedagogów  w/w  szczebli szkół. Wierząc w dalszym ciągu w potrzebę popularyzacji  postępu technicznego w naszym społeczeństwie,  zainteresowany jestem przekazaniem materiałów mojego  bloga w dobre ręce. Może w przyszłości nasze szkolnictwo techniczne odkryje potencjał drzemiący  w  literaturze patentowej oraz pobudzi młode pokolenia do twórczego myślenia technicznego.

Silniki elektryczne [RS Elektronika]#86    https://youtu.be/t5udd52l1WA

 

 

 

     Tak się składa, że przespałem rewolucje baterii Litowo-Ionowych, które królują w praktycznych zastosowaniach urządzeń przenośnych. W mojej epoce królował akumulator kwasowo-ołowiowy, który był ciężki i za duży aby stosować go w urządzeniach przenośnych, więc stosowany był przede wszystkim w motoryzacji jako akumulator startowy. W miedzyczasie pojawił się akumulator AGM (skrót pochodzi od angielskiego „absorbent glass mat”- https://patentyblog.pl/2022/04/) ale też nie nadawał się do powszechnego zastosowania.  Jak szybko zmienia się technologia baterii może świadczyć fakt, że tak niedawno bo w roku 2019 przyznana została  nagroda Nobla w dziedzinie chemii trzem profesorom – Stanley’owi Whittinghamowi, Johnowi Goodenoughowi  i  Akira Yoshino.  THE  NOBEL  PRIZE  IN  CHEMISTRY  2019   https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/popular-chemistryprize2019.pdf

Z całą pewnością przyznanie nagrody Nobla za wynalezienie baterii litowo-jonowych potwierdza fakt, że technologia ta zrewolucjonizowała nasze życie, zwiększyła mobilność, poprawiła efektywność energetyczną, obniża emisję zanieczyszczeń i pozwala skutecznej wykorzystywać odnawialne źródła energii. Dąży ona również, tak jak już wspominano, do uzależniania nas od magazynowania energii. Dlatego tak ważne, wręcz strategiczne, będzie posiadanie zapewnionych dostaw baterii litowo-jonowych opartych o zrównoważone technologie materiałowe bezpieczne surowcowo, np. technologie bez-kobaltowe oraz oparte na surowcach odnawialnych. Każda bateria się zużywa, co jest zjawiskiem naturalnym, dlatego wymaga recyclingu oraz wymiany na nową. Kluczowym rozwiązaniem dla każdej gospodarki powinno być więc posiadanie własnych fabryk baterii litowo-jonowych. Rewolucja „litowo-jonowa” już trwa i w najbliższej przyszłości to dostępność baterii litowo-jonowych będzie decydowała o niezależności i konkurencyjności gospodarki, tym samym zastąpi dominującą rolę paliw kopalnych.

W ramach wstępu do technologii baterii litowo-jonowych należy odnotować, że w  istocie w/w bateria składa się z trzech głównych elementów: anody, katody i elektrolitu. Anoda, zazwyczaj wykonana z węgla (grafitu), magazynuje jony litu podczas ładowania. Katoda, często zbudowana z tlenków metali, takich jak tlenek litu i kobaltu, uwalnia jony litu podczas rozładowywania.  Elektrolit, substancja ciekła lub żelowa, ułatwia przepływ jonów litu między anodą a katodą.

Fizyka działania baterii obejmuje cykle:

1. Ładowanie: Po podłączeniu do prądu, zewnętrzne źródła zasilania wysyłają elektrony do anody, powodując migrację jonów litu przez elektrolit w kierunku anody. System BMS zarządza tym przepływem, zapobiegając przeładowaniu.
2. Rozładowywanie: Elektrony przepływają przez obwód urządzenia z anody, zasilając podzespoły zasilane. Jednocześnie jony litu powracają przez elektrolit do katody, zamykając obwód.
3. Magazynowanie energii: Podczas wyładowań energia jest uwalniana, gdy elektrony przepływają przez zasilane urządzenie, takie jak silniki, procesory i radia.
4. Zarządzanie temperaturą: BMS monitoruje temperaturę, aby zapobiec przegrzaniu, które może skrócić żywotność baterii lub spowodować problemy z bezpieczeństwem.
5. Recykling jonów: Jony litu przemieszczają się tam i z powrotem podczas cykli ładowania i rozładowywania, umożliwiając wielokrotne wykorzystanie bez znacznej utraty pojemności.
6. Koniec cyklu życia: Z biegiem cykli pojemność maleje. Akumulator jest wówczas wymieniany lub poddawany recyklingowi w celu odzyskania materiałów.

Interkalacja to proces odwracalnego wbudowywania w strukturę ciała stałego jonów, atomów lub cząsteczek innej substancji, przebiegający bez zasadniczych zmian w strukturze krystalicznej interkalowanego materiału. Proces odwrotny nosi nazwę deinterkalacji.
Proces interkalacji możliwy jest dla stosunkowo wąskiej grupy materiałów — najczęściej udaje się interkalować materiały o strukturze warstwowej a wprowadzane substancje to zwykle jony metali alkalicznych lub wodór. Zjawisko interkalacji znalazło powszechne zastosowanie jako mikroskopowy mechanizm działania odwracalnych ogniw litowych typu Li­-Ion batteries. Wykorzystany w ogniwach litowych mechanizm interkalacji polega na odwracalnym wbudowywaniu jonów litu (jeden lub więcej moli litu na mol związku) do struktury związków metali przejściowych (stanowiących materiał katodowy) i grafitu (będącego zwykle materiałem anodowym) bez zasadniczej zmiany parametrów struktur krystalicznych tych substancji. Podstawowe elementy komórki elementarnej interkalowanych materiałów pozostają niezmienione za wyjątkiem niewielkich, odwracalnych dystorsji struktury.

Pierwotnie, niejako naturalnym materiałem anodowym w ogniwach litowych był lit metaliczny.  Baterie takie zostały nawet wprowadzone na rynek, jednak w czasie cyklu ładowania narastały na litowej anodzie dendryty litu, co prowadziło do zwarcia wewnętrznego ogniwa, wzrostu temperatury i wybuchu. Obecnie stosowanym materiałem anodowym jest grafit, który również ma zdolność interkalowania jonów litu. Takie rozwiązanie zostało wprowadzone przez firmę Sony w roku 1989 pod nazwą „Li-ton battery”. Grafit jako materiał anodowy zapewnia bezpieczeństwo użytkowania baterii przy niewielkim spadku napięcia w porównaniu do zastosowania litu metalicznego (zbliżony potencjał). Grafit jest materiałem tanim, łatwo dostępnym, nietoksycznym, a ponad to ma mały ciężar właściwy. Podstawową wadą zastosowania grafitu jest jego duża objętość molowa, przez co znacznie spada wolumetryczna gęstość energii zgromadzonej w baterii. Stanowi to przeszkodę minimalizacji rozmiarów ogniw. Chociaż wciąż trwają prace nad wykorzystaniem innego typu materiału anodowego zdolnego do wbudowywania jonów litu w swoją strukturę (nanorurki węglowe, związki międzymetaliczne) to jednak ze względu na szereg zalet uważa się, że grafit pozostanie materiałem anodowym dla przyszłych generacji odwracalnych ogniw litowych.

Natomiast w charakterze katody która jest kluczowym elementem baterii, który decyduje  o gęstości energii i napięciu akumulatorów litowo-jonowych stosowane sa rózne materiały oferując unikalne zalety:
Tlenek litu kobaltu (LCO)
LCO jest szeroko stosowany w elektronice użytkowej ze względu na wysoką gęstość energii. Ma jednak umiarkowaną bezpieczeństwo i długowieczność, co czyni go mniej odpowiednim do zastosowań wymagających dłuższej żywotności.
Tlenek kobaltu litowo-niklowo-manganowy (NMC)
NMC oferuje równowagę między wysoką gęstością energii a umiarkowanym bezpieczeństwem. Jest powszechnie stosowany w pojazdach elektrycznych i systemach magazynowania energii. Innowacje w zakresie tlenków warstwowych o ultrawysokiej zawartości niklu dodatkowo zwiększają jego wydajność.
Fosforan litowo-żelazowy (LFP)
LFP wyróżnia się wysokim bezpieczeństwem i trwałością. Jest coraz bardziej popularny w stacjonarnych systemach magazynowania energii i pojazdach elektrycznych, szczególnie w Chinach, ze względu na niższą gęstość energii przy lepszej stabilności termicznej.

Natomiast elektrolit powinien wykazywać się możliwie wysokim przewodnictwem jonowym przy zupełnym braku przewodnictwa elektronowego. Ponadto musi wykazywać bierność chemiczną tak w stosunku do materiału katody, jak i anody (stabilność w tzw. oknie elektrochemicznym). Obecnie stosuje się niewodne roztwory soli litu w rozpuszczalniku organicznym. Konieczność stosowania rozpuszczalników niewodnych (lub częściej ich mieszanin) wynika głównie z dużej reaktywności litu. Najpowszechniej stosowanymi rozpuszczalnikami są: węglan etylenu, węglan dimetylu i węglan dietylu. Jako soli używa się związków o słabo kompleksujących anionach. Najczęściej stosuje się LiPF9 LiBF 4, LiCIO 4.

US7824810 Electrolytic solution and battery, Sony, Shinsaku Ugawa,Yoshikatsu Yamamoto, Data patentu: 2.11.20210.  Wynalazek dotyczy roztwóru elektrolitycznego baterii Litowo-Ionowej, który zapobiega samorozładowaniu nawet w wysokich temperaturach, oraz akumulator wykorzystujący ten roztwór. Wewnątrz obudowy akumulatora znajduje się spiralnie nawinięty korpus elektrody, w którym katoda i anoda są nawinięte, a pomiędzy nimi znajduje się spiralnie nawinięty separator. Separator jest impregnowany roztworem elektrolitycznym. Roztwór elektrolityczny zawiera siarczyn etylenu, węglan winylu, LiPF6 oraz sól metalu lekkiego, taką jak difluoro[szczawiano-O,O′]boran litu w określonym zakresie temperatur. Dzięki temu samorozładowanie może zostać zahamowane nawet w wysokich temperaturach.

Fig.1 jest przekrojem poprzecznym przedstawiającym strukturę baterii wtórnej zgodnie z jednym z przykładów wykonania niniejszego wynalazku; Fig.2 jest przekrojem poprzecznym przedstawiającym strukturę spiralnie nawiniętego korpusu elektrody, pokazanego na linii II-II, Fig.1; Fig.3 jest przekrojem poprzecznym przedstawiającym inną strukturę wzdłuż linii II-II spiralnie nawiniętego korpusu elektrody pokazanego na Fig.1; Fig.4 jest przekrojem poprzecznym przedstawiającym kolejną strukturę wzdłuż linii II-II spiralnie nawiniętego korpusu elektrody pokazanego na Fig.1; Fig.5 jest przekrojem poprzecznym przedstawiającym kolejną strukturę wzdłuż linii II-II spiralnie nawiniętego korpusu elektrody pokazanego na   Fig.1.

Roztwór elektrolityczny zgodnie z jednym z wariantów realizacji niniejszego wynalazku zawiera na przykład rozpuszczalnik i sól elektrolitu rozpuszczoną w rozpuszczalniku. Jako rozpuszczalnik można wymienić na przykład rozpuszczalnik niewodny, taki jak węglan etylenu, węglan propylenu, węglan dimetylu, węglan dietylu, węglan etylometylowy, 1,2-dimetoksyetan, 1,2-dietoksyetan, γ-butyrolakton, tetrahydrofuran, 2-metylotetrahydrofuran, 1,3-dioksolan, 4-metylo-1,3-dioksolan, eter dietylowy, sulfolan, metylosulfolan, acetonitryl, propionitryl, anizol, octan estru, maślan estru i propionian estru.

FIG.1 przedstawia strukturę przekroju poprzecznego akumulatora wtórnego wykorzystującego ten roztwór elektrolityczny. Akumulator wtórny jest tzw. akumulatorem cylindrycznym i posiada spiralnie nawinięty korpus elektrody 20 wewnątrz puszki akumulatora 11 o kształcie zbliżonym do pustego cylindra. Pojemnik na baterię 11 wykonany jest np. z żelaza (Fe) pokrytego niklem (Ni). Jeden koniec puszki baterii 11 jest zamknięty, a drugi koniec jest otwarty. Wewnątrz obudowy akumulatora 11 znajduje się para płyt izolacyjnych 12 i 13 ułożonych prostopadle do powierzchni obwodu uzwojenia, dzięki czemu spiralnie nawinięty korpus elektrody 20 jest umieszczony pomiędzy płytami izolacyjnymi 12 i 13.

Na otwartym końcu pojemnika baterii 11, pokrywa baterii 14 oraz mechanizm zaworu bezpieczeństwa 15 i urządzenie PTC (dodatni współczynnik temperaturowy) 16 umieszczone wewnątrz pokrywy baterii 14 są przymocowane za pomocą uszczelki 17. Wnętrze puszki akumulatora 11 jest dzięki temu hermetycznie zamknięte. Pokrywa baterii 14 jest na przykład wykonana z materiału podobnego do tego, z którego wykonana jest puszka baterii 11. Mechanizm zaworu bezpieczeństwa 15 połączony jest elektrycznie z pokrywą akumulatora 14 za pośrednictwem urządzenia PTC 16. Gdy ciśnienie wewnętrzne akumulatora osiągnie określony poziom lub więcej wskutek wewnętrznego zwarcia, zewnętrznego nagrzania itp., płytka tarczowa 15A obraca się, przerywając połączenie elektryczne pomiędzy pokrywą akumulatora 14 a spiralnie nawiniętym korpusem elektrody 20.Gdy temperatura wzrasta, urządzenie PTC 16 ogranicza prąd poprzez zwiększenie wartości rezystancji, aby zapobiec nadmiernemu wytwarzaniu ciepła przez duży prąd. Uszczelka 17 wykonana jest na przykład z materiału izolacyjnego, a jej powierzchnia pokryta jest asfaltem.

Fig.2 przedstawia przekrój poprzeczny wzdłuż linii II-II spiralnie nawiniętego korpusu elektrody 20 pokazanego na Fig.1. W spiralnie nawiniętym korpusie elektrody 20 znajdują się warstwowo nawinięta spiralnie katoda 21 w kształcie paska i anoda 22 w kształcie paska, pomiędzy którymi znajduje się separator 23. W jego środku umieszczony jest sworzeń 24, który na w/w rysunku razem z separatorem  23 jest pominięty. Przewód katodowy 25 wykonany z aluminium (Al) lub podobnego materiału jest połączony z katodą 21 spiralnie nawiniętego korpusu elektrody 20. Do anody 22 podłączony jest przewód anodowy 26 wykonany z niklu lub podobnego materiału. Przewód katodowy 25 połączony jest elektrycznie z pokrywą akumulatora 14 poprzez przyspawanie go do mechanizmu zaworu bezpieczeństwa 15. Przewód anodowy 26 jest przyspawany i połączony elektrycznie z puszką akumulatora 11.

Katoda 21 posiada kolektor prądu 21A z parą przeciwległych powierzchni i warstwę materiału aktywnego 21B umieszczoną na obu lub jednej powierzchni kolektora prądu 21A. Kolektor prądu 21A jest wykonany na przykład z aluminium (Al), niklu (Ni), stali nierdzewnej lub podobnego materiału.

Warstwa materiału aktywnego 21B zawiera na przykład jeden lub więcej materiałów katodowych zdolnych do wprowadzania i usuwania litu (Li) jako materiału aktywnego katody. W razie potrzeby warstwa materiału aktywnego 21B może zawierać przewodnik elektryczny, taki jak materiał węglowy i spoiwo, takie jak polifluorek winylidenu. Materiałem katodowym zdolnym do wprowadzania i usuwania litu (Li) może być na przykład związek zawierający lit, taki jak tlenek litu, tlenek fosforanu litu, siarczek litu, a także związek interkalacyjny zawierający lit.

Podobnie jak katoda 21, anoda 22 ma kolektor prądu 22A z parą przeciwległych powierzchni i warstwą materiału aktywnego 22B umieszczoną na obu lub jednej powierzchni kolektora prądu 22A. Kolektor prądu 22A jest wykonany na przykład z miedzi (Cu), niklu (Ni), stali nierdzewnej lub podobnego materiału.

Jako materiał anodowy zdolny do wprowadzania i usuwania litu (Li) można wymienić na przykład materiał węglowy, taki jak grafit, węgiel niegrafityzowalny i węgiel grafityzowalny.  Materiały węglowe są preferowane, ponieważ zmiana struktury krystalicznej zachodząca  podczas ładowania i rozładowywania jest bardzo mała, dzięki czemu można uzyskać dużą pojemność ładowania i rozładowywania, a także korzystne charakterystyki cyklu ładowania i rozładowywania. W szczególności preferowany jest grafit, ponieważ ma dużą pojemność i zapewnia dużą gęstość energii.

W baterii wtórnej katoda 21 ma odsłonięty obszar 21C, w którym nie ma warstwy materiału aktywnego 21B, dwustronny obszar materiału aktywnego 21D, w którym warstwa materiału aktywnego 21B znajduje się po obu stronach kolektora prądu 21A, oraz wewnętrzny obszar materiału aktywnego 21E, w którym warstwa materiału aktywnego 21B znajduje się tylko po stronie wewnętrznej kolektora prądu 21A. Anoda 22 ma odsłonięty obszar 22C, w którym nie ma warstwy materiału aktywnego 22B, oraz dwustronny obszar materiału aktywnego 22D, w którym warstwa materiału aktywnego 22B znajduje się po obu stronach kolektora prądu 22A. Warstwa materiału aktywnego 21B katody 21 jest umieszczona tak, że warstwa materiałuaktywnego 21B znajduje się naprzeciwko warstwy materiału aktywnego 22B anody 22. Jeden lub więcej obwodów odsłoniętego obszaru 21C usytuowanych jest na środkowej stronie spiralnie nawiniętego korpusu elektrody.

Około jeden obwód obszaru materiału aktywnego wewnętrznej powierzchni 21E jest umieszczony na obwodowej stronie spiralnie nawiniętego korpusu elektrody. Jeden lub więcej obwodów odsłoniętego obszaru 22C anody 22 rozmieszczono na obwodzie spiralnie nawiniętego korpusu elektrody tak, że odsłonięty obszar 22C znajduje się naprzeciwko kolektora prądu 21A katody 21. Dzięki temu poprawiają się właściwości uwalniania ciepła. 

Zgodnie z Fig.3 katoda 21 może mieć jeden lub więcej obwodów odsłoniętego obszaru 21C  zamiast wewnętrznego obszaru materiału aktywnego 21E na stronie obwodowej spiralnie nawiniętego korpusu elektrody. Separator 23 wykonany jest na przykład z porowatej folii wykonanej z materiału poliolefinowego, takiego jak polipropylen i polietylen, lub porowatej folii wykonanej z materiału nieorganicznego, takiego jak włóknina ceramiczna. Separator 23 może mieć strukturę, w której dwie lub więcej porowatych folii, takich jak powyższe porowate folie, są ułożone warstwowo.

Opatentowany  roztwór elektrolityczny jest impregnowany w separatorze 23. Dzięki temu na powierzchni anody 22 tworzy się korzystna powłoka, a reakcja rozkładu roztworu elektrolitycznego zostaje zahamowana. Dzięki temu zapobiega się samoistnemu rozładowaniu nawet w wysokich temperaturach. Ponadto poprawiono właściwości niskotemperaturowe oraz wydajność ładowania i rozładowywania.

Przewód katody 25 mocowany jest do kolektora prądu 21A poprzez spawanie lub w podobny sposób, a przewód anody 26 mocowany jest do kolektora prądu 22A poprzez spawanie lub w podobny sposób. Następnie katoda 21 i anoda 22 są układane warstwowo, pomiędzy nimi znajduje się separator 23, a całość jest spiralnie nawijana. Koniec przewodu katodowego 25 jest przyspawany do mechanizmu zaworu bezpieczeństwa 15, a koniec przewodu anodowego 26 jest przyspawany do puszki akumulatora 11. Spiralnie nawinięta katoda 21 i spiralnie nawinięta anoda 22 umieszczone są pomiędzy parą płyt izolacyjnych 12 i 13 i umieszczone wewnątrz obudowy baterii 11. Po umieszczeniu katody 21 i anody 22 wewnątrz obudowy akumulatora 11, do obudowy akumulatora 11 wtryskuje się roztwór elektrolitu, który następnie impregnuje separator 23. Następnie do otwartego końca puszki baterii 11 mocuje się pokrywę baterii 14, mechanizm zaworu bezpieczeństwa 15 i urządzenie PTC 16, uszczelniając je uszczelką 17.  W akumulatorze wtórnym podczas ładowania jony litu są np. pobierane z katody 21 i wprowadzane do anody 22 poprzez roztwór elektrolityczny. Tymczasem podczas rozładowywania, na przykład, jony litu są wydobywane z anody 22 i wprowadzane do katody 21 poprzez roztwór elektrolityczny. W tym przypadku roztwór elektrolityczny zawiera siarczyn etylenu, węglan winylu, LiPF oraz sól metalu lekkiego przedstawioną we wzorze chemicznym 1. Dlatego też w początkowym ładowaniu na anodzie 22 tworzy się korzystna powłoka. Dzięki temu zahamowana zostaje reakcja rozkładu roztworu elektrolitycznego i wyeliminowany zostaje proces samo rozładowania, nawet w wysokich temperaturach.

SUPLEMENT 

Mój opis pozbawiony jest informacji z zakresu chemii związków Litu, który skupia się jedynie na jego roli jako najlżejszego metalu alkalicznego, reagującego gwałtownie z wodą, tworzącego jony i  liczne sole (węglany, azotany, halogenki, wodorotlenki) oraz związki litoorganiczne, przy czym  jego związki (np. wodorotlenek, tlenek, sole) mają zastosowanie w akumulatorach, przemyśle szklarskim, ceramice i farmacji, przy czym lit posiada  również efekt stabilizujący w medycynie, wpływając na neuroprzekaźniki. 

Kluczowe właściwości litu Reaktywność: Wysoce reaktywny, łatwo reaguje z tlenem i wodą, tworząc wodorotlenek litu (LiOH))i wodór, a w normalnych warunkach reaguje nawet z azotem.

Charakterystyka: Srebrzystobiały, miękki metal, najlżejszy metal stały. Kolor płomienia: Barwi płomień na intensywny karminowy (czerwony) kolor. Rodzaje związków litu Sole nieorganiczne: Węglan litu (Li2CO3), azotan litu(LiNO3), chlorek litu((LiCl), wodorotlenek litu(LiOH). Związki z wodorem i azotem: Wodorek litu (LiOH), amid litu (LiNH2)).Związki tlenowe: Tlenek litu (LiO2), ponadtlenek litu (LiO2). Związki litoorganiczne (RLi): Związki z bezpośrednim wiązaniem węgiel-lit, będące mocnymi zasadami i nukleofilami, podobne do związków Grignarda.

 Zastosowania związków litu Energetyka: Baterie litowo-jonowe (jony litu).Medycyna: Leki stabilizujące nastrój (dwuwodny węglan litu), stabilizujące jony i neuroprzekaźniki.

Przemysł: Produkcja szkła żaroodpornego, ceramiki (tlenek litu), pochłaniacz CO2, środki smarne.

Chemia organiczna: Tetrahydroglinian litu (Li[AlH4]) jako silny środek redukujący. 

Występowanie: W przyrodzie występuje wyłącznie w związkach, np. w minerałach i solankach. Pozyskiwany przez elektrolizę roztopionych soli litu (np. (LiCl). 

Akumulatory litowo – jonowe [RS Elektronika] #115

 

 

     Tym razem przedmiotem analizy patentowej jest MBS – Battery Management System, który dał plamę w mojej wiertarce akumulatorowej Worcraft, po krótki czasie bezczynności. Jakie było moje zdziwienie gdy chciałem użyć w/w wiertarki, a tu okazało się, że za długo leżała bezczynnie i baterie Li-Ion ( Litowo-jonowe ) się rozładowały do stanu który uniemożliwiał powtórne naładowanie. Konsultacje z serwisem uświadomiły mi, że winny jest system BMS, który blokuje proces ładowania w/w baterii. Rozwiązaniem jest wymiana baterii na nowe ale żal wyrzucać starych, które w zasadzie są sprawne ale elektronika blokuje ich ładowanie. Niestety takie są koszty postępu, który wymusza wymianę baterii na nowe, jeżeli użytkownik za długo ich nie używał.

EP/PL2092627 System zarządzania baterią, Lithium Balance A/S, IVAN LONCAREVIC, Data patentu: 30.10.2028. Wynalazek dotyczy systemów i sposobów do sterowania ładowaniem i rozładowywaniem ogniw bateryjnych, takich jak na przykład ogniwa litowo-jonowe. Technologia baterii litowo-jonowych potrzebuje ścisłych kryteriów ładowania i rozładowywania. Wymagana jest tutaj ochrona i detekcja nieprawidłowych warunków pracy, co skutkowało opracowaniem systemu BMS (System Zarządzania Baterią) w celu spełnienia tych wymagań. Stąd celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie systemu zarządzania baterią (BMS), który zapewnia optymalne warunki ładowania i rozładowywania dla każdego z indywidualnych ogniw litowych i chroni ogniwa litowe przed wszelkimi szkodliwymi warunkami takimi, jak na przykład przeciążenie  i/lub  zwarcie.
Opracowany system BMS zawiera centralny mikrokontroler sterujący i wiele układów sterujących połączonych z odpowiednim ogniwem bateryjnym i służących do indywidualnego monitorowania ładowania indywidualnego odpowiedniego ogniwa bateryjnego, a w czasie osiągnięcia stanu maksymalnego naładowania utworzenia bocznika na indywidualnym ogniwie bateryjnym w celu umożliwienia ciągłego ładowania pozostałych ogniw bateryjnych i w tym samym czasie komunikowania do centralnego mikrokontrolera sterującego wiadomości informacyjnej, że osiągnięto stan maksymalnego naładowania, a także służących w trakcie rozładowywania baterii do monitorowania stanu indywidualnego odpowiedniego ogniwa bateryjnego i do informowania centralnego mikrokontrolera sterującego w przypadku osiągnięcia stanu minimalnego naładowania, w celu spowodowania, aby centralny mikrokontroler sterujący odłączył baterię od obciążenia w celu zapobiegania nadmiernemu rozładowaniu indywidualnych ogniw bateryjnych.

Według przykładu wykonania wynalazku wspomniany system BMS zawiera sensory temperatury służące do nieustannego monitorowania temperatury w urządzeniu, środki do wyłączenia ładowania/rozładowywania w przypadku przeciążenia/zwarcia, monitorowania prądu za pośrednictwem bocznikującego rezystora, bezpiecznikową ochronę urządzenia w przypadku przeciążenia/zwarcia, zasilanie dla jednostki sterującej i wskaźnik rozładowania.
W celu zapewnienia najwyższej wydajność baterii oraz maksymalne bezpieczeństwo w trakcie ładowania i rozładowywania stosowana jest następująca logika działania:
-w trakcie ładowania wspomnianych ogniw: – etap regulowania napięcia/prądu co do stanu ogniwa w celu uzyskania optymalnej wydajności ładowania i ominięcia jednego lub więcej indywidualnych ogniwa w celu umożliwienia nieustannego ładowania pozostałych ogniw, kiedy wspomniane jedno lub więcej indywidualnych ogniw osiągnęło górne napięcie;
– w trakcie rozładowywania wspomnianych ogniw – napięcie każdego indywidualnego ogniwa jest monitorowane, aż do osiągnięcia minimalnej wartości w jednym lub większej liczbie z indywidualnych ogniw, w którym to czasie wszystkie ogniwa są wyłączone w celu zapobieżenia zniszczenia litowo-jonowego ogniwa, które osiągnęło minimalny poziom napięcia, przez nieustanne rozładowywanie;
Ponadto przedstawiony system zarządzania baterią (BMS) charakteryzuje się o modułową konstrukcją, co oznacza , że system może być przystosowany do różnych liczb i fizycznego umiejscowienia ogniw wielokrotnego ładowania. W modułowym systemie według wynalazku układy/funkcje wspólne dla wszystkich ogniw są więc usytuowane centralnie, na przykład na pojedynczej płycie drukowanej PCB lub inaczej, natomiast indywidualne ogniwa mogą być zaopatrzone w odpowiednie systemy sterowania zawierające środki równoważenia ogniw i/lub podrzędne środki sensorowe, przy czym indywidualne systemy sterowania są albo takiego typu, który jest wspólny dla wszystkich ogniw w systemie albo są indywidualnie dostosowane do każdego indywidualnego ogniwa. Systemy sterowania w indywidualnych ogniwach mogą komunikować się z centralnymi układami systemu za pośrednictwem połączeń przewodowych, na przykład analogowego połączenia lub cyfrowej magistrali komunikacyjnej w zależności od konkretnej implementacji systemu. Może być jednakże, alternatywnie, możliwe, zastosowanie komunikacji pomiędzy systemami sterowania indywidualnych ogniw a centralnymi częściami  systemu za pośrednictwem bezprzewodowych środków komunikacji, a stąd jeszcze większej elastyczności całego zestawu.

Fig.1 przedstawia schematyczny schemat blokowy pierwszej postaci wykonania systemu BMS (System zarządzania baterią) według niniejszego wynalazku,
Fig.2 przedstawia schematyczny widok ilustrujący ładowanie 14 ogniwowej baterii litowo-jonowej przy użyciu systemu BMS z Fig.1,
Fig.3 przedstawia schematyczny widok podobny do widoku z Fig. 2 rozładowywania 14 ogniwowej baterii litowo-jonowej przy użyciu systemu BMS z Fig.1.
Fig.4 przedstawia schematyczny schemat blokowy drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku,
Fig.5 przedstawia schematyczny widok przełącznika baterii z drugiej postaci wykonania systemu BMS według niniejszego wynalazku,
Fig.6 przedstawia schematyczny widok źródła zasilania z drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku,
Fig.7 przedstawia schematyczny diagram rozruchu źródła zasilania z Fig.6 z drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku,
Fig.8 przedstawia schematyczny widok części zasilającej do magistrali komunikacyjnej, wewnętrzny sensor temperatury, zewnętrzny sensor temperatury i wyjściowy wskaźnik rozładowania z drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku,
Fig.9 przedstawia schematyczny widok jednostki sterującej i synchronizującej z drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku,
Fig.10 przedstawia schematyczny widok modułu równoważenia ogniw i pomiaru napięcia ogniwa z drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku,
Fig.11 przedstawia schematyczny widok jednoliniowej magistrali z drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku.

Schemat blokowy pierwszej postaci wykonania systemu zarządzania baterią BMS, 10, według wynalazku, zawiera przykładowo w sumie 15 ogniw litowo-jonowych oznaczonych odnośnikiem 12. System BMS centralnie zawiera główny mikrokontroler wykonujący całościowo pomiary i sterowanie systemu BMS, który to centralny mikrokontroler jest oznaczony odnośnikiem numerycznym 14.  Mikrokontroler 14 może być połączony z zewnętrznym osprzętem, takim jak na przykład zewnętrzny komputer PC, poprzez interfejsowe złącze 16. System BMS jest połączony ze wspólnym złączem lub terminalem 18 uziemienia i jest połączony z wejściowym złączem lub terminalem 20 ładowania poprzez MOSFET 22 sterowania ładowaniem służący do oddzielenia wejściowego złącza ładowania od wyjściowego złącza 24 baterii stanowiącego dodatni wyjściowy zacisk układu baterii względem wspólnego złącza lub terminalu 18 uziemienia.

Szeregowa konfiguracja 15 ogniw litowo-jonowych wyznacza dodatni zacisk, który jest połączony z łączeniem pomiędzy wyjściowym zaciskiem lub złączem 24 baterii a zaciskiem sensora napięcia baterii tranzystora MOSFET 22 sterowania ładowaniem. Ujemny zacisk szeregowej konfiguracji 15 ogniw litowo jonowych jest połączony poprzez szeregową konfigurację tranzystora MOSFET 26 sterowania rozładowywaniem i nisko omowy rezystor ze wspólnym złączem lub terminalem 18 uziemienia. Napięcie na nisko omowym rezystorze 28 jest mierzone przez wzmacniacz prądowy podający napięcie wyjściowe w odpowiedzi na nadmierny prąd płynący przez nisko omowy rezystor 28 w celu poinformowania centralnego głównego mikrokontrolera 14 o wystąpieniu nadmiernego obciążenia prądowego przez szeregową konfigurację 15 ogniw litowo-jonowych. Tranzystor MOSFET 26 sterowania rozładowywaniem jest sterowany przez centralny główny mikrokontroler 14 i jest używany do wyłączania zasilania prądu z ogniw litowo-jonowych.

Szczególną cechą systemu BMS według niniejszego wynalazku jest to, że każde ogniwo litowo jonowe jest połączone z odrębnym układem monitorowania i sterowania zawierającym dla każdego ogniwa litowo-jonowego układ 32 równoważenia ogniw, sensor temperatury 34 oraz komunikacyjny lub pomiarowy układ podrzędny 36 ustanawiający komunikację od układu 32 równoważenia ogniw i sensora temperatury do i od centralnego głównego mikrokontrolera 14. Układ 32 równoważenia ogniw zasadniczo służy do monitorowania napięcia na ogniwie litowo-jonowym w trakcie ładowania i w przypadku, kiedy ogniwo litowo jonowe połączone z rozważanym układem równoważenia ogniw osiągnęło górne napięcie i główny mikrokontroler 14 wciąż steruje systemem BMS,  aby nieustannie ładował pozostałe  ogniwa litowo-jonowe, układ 32 równoważenia ogniw bocznikuje dane ogniwo litowo-jonowe w celu umożliwienia nieustannego ładowania pozostałych ogniw litowo-jonowych.

Sensor temperatury 34 służy do monitorowania, czy wystąpiła nadmierna temperatura w ogniwie litowo-jonowym i/lub w układach podrzędnych równoważenia i mierzenia ogniw, 32 i 36 odpowiednio, zaś pomiarowy układ podrzędny 36 służy w trakcie rozładowywania ogniwa litowo-jonowego do monitorowania rozładowywania ogniwa litowo-jonowego do minimum, w którym to czasie pomiarowy układ podrzędny 36 informuje główny mikrokontroler 14 o wystąpieniu całkowitego rozładowania jednego z ogniw powodując wyłączenie przez główny mikrokontroler 14 całości układów w celu zapobieżenia zniszczeniu ogniw litowo jonowych, które osiągnęły minimalny poziom napięcia, przez nieustanne rozładowywanie ogniwa litowo jonowego.

Na Fig.2, pokazano diagram ilustrujący korzystne ładowanie w sumie 14 ogniw przez użycie systemu BMS pokazanego na Fig.1, jednakże, zmodyfikowanego do komunikacji z 14 ogniwami litowo-jonowymi zamiast 15 ogniwami litowo-jonowymi, jak zilustrowano na Fig.1. Z Fig.2 wynika, że indywidualne ogniwa litowo-jonowe są ładowane jednocześnie do tego samego maksymalnego poziomu wynoszącego w przybliżeniu 4,2V.
Odwołując się do Fig.3, pokazano diagram ilustrujący korzystne rozładowywanie i sterowanie w sumie 14 ogniw przez użycie systemu BMS pokazanego na Fig.1, jednakże, zmodyfikowanego do komunikacji z 14 ogniwami litowo-jonowymi zamiast 15 ogniwami litowo-jonowymi, jak zilustrowano na Fig.1. Z Fig.2 oczywiste jest, że każde z indywidualnych ogniw jest monitorowane a bateria jako całość może zostać wyłączona, kiedy pojedyncze ogniwo litowo-jonowe osiągnie minimalny poziom napięcia wynoszący 2,8V.

Z kolei na Fig.4, pokazano schematyczny schemat blokowy drugiej postaci wykonania systemu zarządzania baterią lub systemu BMS według wynalazku, który jest połączony z wieloma ogniwami litowo-jonowymi, gdzie jedno z ogniw litowo-jonowych jest oznaczone odnośnikiem numerycznym 12 a system BMS jest jako całość oznaczony odnośnikiem numerycznym 10.
System BMS centralnie zawiera główny mikrokontroler 14 wykonujący ogólne pomiary i sterowanie systemem BMS. Główny mikrokontroler 14 może być połączony z zewnętrznym oprzyrządowaniem, takim jak zewnętrzny komputer PC, poprzez magistralę 16 urządzeń zewnętrznych. System BMS jest połączony ze wspólnym złączem lub terminalem 24 baterii, który jest połączony z szeregową konfiguracją 15 ogniw litowo-jonowych 12 i wyznacza zacisk dodatni. Ujemny zacisk szeregowej konfiguracji 15 ogniw litowo-jonowych jest połączony poprzez nisko omowy bocznikujący rezystor 28. Napięcie na nisko-omowym bocznikującym rezystorze 28 jest mierzone przez wzmacniacz prądowy 44 podający napięcie wyjściowe w odpowiedzi na nadmierny prąd płynący poprzez nisko-omowy bocznikujący rezystor 28 w trakcie ładowania lub w trakcie rozładowywania w celu poinformowania centralnego głównego mikrokontrolera 14 o wystąpieniu nadmiernego obciążenia prądowego płynącego poprzez szeregową konfigurację 15 ogniw litowo-jonowych. W przypadku zwarcia/przeciążenia, osiągana jest wartość progowa prądów ładujących lub prądów rozładowujących i centralny główny mikrokontroler wyłącza proces ładowania/rozładowywania. Niskoomowy bocznikujący rezystor 28 jest ponadto połączony z łączem pomiędzy pozwalającym na obciążenie tranzystorem MOSFET 26 a pozwalającym na ładowanie tranzystorem MOSFET 22 służąc do oddzielenia zacisku uziemienia 18 rozładowującego obciążenia i zacisku uziemienia 20 ładowania. Pozwalający na obciążenie tranzystor MOSFET 26 i pozwalający na ładowanie tranzystor MOSFET 22 są sterowane przez centralny główny mikrokontroler 14 i są używane do podłączenia ogniw litowo-jonowych do obciążenia w przypadku rozładowywania i do ładowarki w przypadku ładowania i do wyłączenia zasilania prądowego w przypadku zwarcia/przeciążenia.

Szczególną cechą systemu BMS według niniejszego wynalazku jest to, że każde ogniwo litowo-jonowe jest połączone z odrębnym układem monitorowania i sterowania zawierającym dla każdego ogniwa litowo-jonowego układ 32 równoważenia ogniw oraz komunikacyjny i pomiarowy układ podrzędny 36 nawiązujący komunikację od układu 32 równoważenia ogniw do i od centralnego głównego mikrokontrolera 14. Pomiarowy układ 36 służy do monitorowania napięcia na ogniwie litowo-jonowym w trakcie ładowania i w przypadku, kiedy ogniwo litowo-jonowe połączone z rozważanym układem równoważenia ogniw osiągnęło górne napięcie a główny mikrokontroler 14 wciąż steruje systemem BMS do ładowania pozostałych ogniw litowo-jonowych, oznacza to, że układ 32 równoważenia ogniw bocznikuje rozważane ogniwo litowo-jonowe, które osiągnęło górne napięcie w celu umożliwienia ładowania pozostałych ogniw litowo-jonowych.

Bocznikowanie jest wykonywane przez układ 32 równoważenia ogniw poprzez zwarcie dodatniego i ujemnego bieguna ogniwa poprzez rezystor mocy i szybko przełączający się tranzystor. W celu zapewnienia regulacji przepływu prądu przez rezystor wykonuje się modulację szerokość impulsu (PWM). Pomiarowy układ podrzędny 36 służy w trakcie rozładowywania ogniwa litowo-jonowego do monitorowania rozładowywania ogniwa litowo-jonowego do minimum, w którym to czasie pomiarowy układ podrzędny 36 informuje główny mikrokontroler 14 o wystąpieniu całkowitego rozładowania jednego z ogniw, powodując, że główny mikrokontroler 14 wyłącza całość układów w celu zapobieżenia zniszczenia ogniwa litowo-jonowego, które osiągnęło minimalny poziom napięcia przez nieustanne rozładowywanie ogniwa litowo-jonowego.

Wewnętrzny sensor temperatury 34 służy do monitorowania i raportowania do głównego mikrokontrolera 14 temperatury panującej w głównym mikrokontrolerze 14 i w przypadku osiągnięcia nadmiernej temperatury, główny mikrokontroler 14 spowoduje wyłączenie ładowania/rozładowywania. Sensor temperatury 40 baterii służy do monitorowania i raportowania do głównego mikrokontrolera temperatury panującej w ogniwie litowo-jonowym i/lub w układach podrzędnych równoważenia i mierzenia ogniw, odpowiednio 32 i 36. Jeśli w ogniwie litowo-jonowym i/lub w układach podrzędnych 32 i 36 równoważenia i mierzenia ogniw osiągnięta zostanie nadmierna temperatura, wówczas główny mikrokontroler spowoduje wyłączenie procesu ładowania/rozładowywania.

Do komunikacji pomiędzy głównym mikrokontrolerem a mikrokontrolerem podrzędnym stosowana jest magistrala komunikacyjna 42 ogniwa obecna w każdym indywidualnym układzie podrzędnym. Magistrala jest oddzielona od głównego mikrokontrolera za pośrednictwem stopnia izolacji i (roz)łączenia 38. Magistrala jest także używana dla wskaźnika rozładowania, gdzie raportowana jest pozostała pojemność baterii.

System zarządzania baterią (BMS) do sterowania i monitorowania wielu ogniw litowo-jonowych lub podobnych ogniw bateryjnych zawierających ogniwa litowo-molibdenowe, niklowe, kadmowe i ołowiowe, PB, przy czym system BMS zawiera centralny mikrokontroler sterujący (14) i wiele układów sterujących (32, 36) połączonych z odpowiednim ogniwem bateryjnym (12) i służy do indywidualnego monitorowania ładowania indywidualnego odpowiedniego ogniwa bateryjnego i w czasie osiągania stanu maksymalnego naładowania w indywidualnym ogniwie bateryjnym ustanowienia bocznika na indywidualnym ogniwie bateryjnym w celu umożliwienia ciągłego ładowania pozostałych ogniw bateryjnych i w tym samym czasie komunikowania do centralnego mikrokontrolera sterującego (14) wiadomości reprezentującej, że osiągnięto stan maksymalnego naładowania i służy w trakcie rozładowywania baterii do monitorowania stanu indywidualnego odpowiedniego ogniwa bateryjnego i do informowania centralnego mikrokontrolera sterującego (14), w przypadku osiągnięcia stanu minimalnego naładowania w indywidualnym ogniwie bateryjnym w celu spowodowania odłączenia przez centralny mikrokontroler sterujący (14) baterii jako całości od obciążenia w celu zapobiegania nadmiernemu rozładowaniu indywidualnych ogniw bateryjnych, gdzie wspomniane układy sterujące zawierają środki równoważenia ogniw (32)  i podrzędne środki wykrywające (36), i gdzie wspomniane podrzędne środki wykrywające (36) zawierają mikrokontroler podrzędny.

Wspomniany system zarządzania baterią zawiera ponadto magistralę komunikacyjną (42) ogniwa do komunikacji pomiędzy wspomnianym centralnym mikrokontrolerem sterującym (14) a wspomnianym mikrokontrolerem podrzędnym obecną w każdych indywidualnych podrzędnych środkach wykrywających (36). Wspomniana magistrala komunikacyjna (42) jest oddzielona od centralnego mikrokontrolera sterującego (14) przez stopień izolacji i (roz)łączenia (38).

Reasumując:

System zarządzania baterią, ponadto zawiera sensory temperatury do nieustannego monitorowania temperatury ogniw i/lub w równoważeniu i mierzeniu ogniw oraz układy sterujące odpowiednio pozwalające, aby centralna jednostka sterująca zredukowała prąd ładowania w przypadku wysokiej temperatury oraz środki (26, 22) do wyłączania ładowania/rozładowywania ogniw sterowanego przez wspomniany centralny mikrokontroler sterujący (14) w przypadku przeciążenia lub zwarcia baterii. System zarządzania baterią zawiera również środki (28,30) do monitorowania prądu płynącego poprzez wiele ogniw (12), przez co używany jest bocznikujący rezystor ulokowany szeregowo z ogniwami oraz bezpiecznik do ochrony w przypadku przeciążenia lub zwarcia baterii oraz jednostkę zasilającą do zasilania jednostki sterującej.
Sposób sterowania i monitorowania wieloma litowo-jonowymi ogniwami zawiera etap zastosowania wspomnianego systemu:

A) w trakcie ładowania wspomnianych ogniw: 
– regulowania napięcia/prądu względem stanu ogniwa w celu uzyskania optymalnej wydajności ładowania i ominięcia jednego lub większej liczby indywidualnych ogniw w celu umożliwienia ciągłego ładowania pozostałych ogniw, kiedy wspomniane jedno lub więcej indywidualnych ogniw osiągnęło górne napięcie;

B) w trakcie rozładowywania wspomnianych ogniw:
– monitorowania napięcia każdego indywidualnego ogniwa, aż osiągnięta zostanie minimalna wartość w jednym lub większej liczbie z indywidualnych ogniw, w którym to czasie wszystkie ogniwa są wyłączone w celu zapobieżenia temu, aby wspomniane jedno lub więcej ogniw, które osiągnęły minimalny poziom napięcia, uległy uszkodzeniu lub zniszczeniu przez kontynuowanie rozładowywania; zapewniając przez to najwyższą wydajność procesów ładowania/rozładowywania i zapobiegając uszkodzeniu indywidualnych ogniw.

How does a BMS (Battery Management System) work? | Passive & Active cell balancing Explained

 

 

   Prawie się wyleczyłem z planów  posiadania roweru elektrycznego, a to z kilku powodów: 1. Ograniczonym zasięgiem spowodowanym koniecznością zastosowania baterii, które wymagają długich cykli ładowania oraz skończonym okresem ich eksploatacji. 2. Skomplikowaną procedurą obsługi takiego roweru oraz brakiem technicznych doświadczeń w jego obsłudze oraz możliwych naprawach. 3. Nie bez znaczenia jest również znaczne zwiększenie ciężaru roweru, które w moim przypadku jest znacznym utrudnieniem w transporcie i jego przechowywaniu. Ale reasumując wiedza z tego zakresu została znacznie uzupełniona i mogę spokojnie zaliczyć tematykę rowerów elektrycznych do mojego amatorskiego stanu wiedzy z  tej dziedziny.

Przechodząc do konkretów należy odnotować dwa typy rowerów elektrycznych: HUB-drive (Silniki w piaście są osadzone w przednim lub tylnym kole i działają niezależnie od rower koła zębate. W prostocie konstrukcji priorytetem jest łatwość obsługi i przystępna cena)  oraz  MID-drive (Silniki o  napędzie są umieszczone w suporcie roweru (w miejscu styku pedałów z ramą), który integrują się bezpośrednio z układem napędowym. To centralne umiejscowienie optymalizuje rozkład ciężaru i naśladuje naturalną dynamikę pedałowania). 

Rower elektryczny typu HUB-drive został omówiny w poprzednim artykule Electric wheel bicycle, natomiast teraz przyszedł czas na rozwiązanie techniczne roweru MID-drive z silnikiem elektrycznym umieszczonym centralnie. Porównanie obu tych konstrukcji zawiera suplement na końcu artykułu.

 US6296072 ELECTRIC BICYCLE AND METHODS, Opti-Bike LLC, James R. Turner,  Data patentu: 2.10.2001.     Wynalazek dotyczy roweru ze wspomaganiem elektrycznym, który jest skonfigurowany w sposób maksymalizujący wydajność silnika i wydłużający żywotność akumulatora dostarczającego prąd elektryczny do silnika.

Na przestrzeni ostatnich 150 lat rower rozwinął się w taki sposób, że stał się jednym z najefektywniejszych środków transportu pod względem zamiany energii na pokonywany dystans. Na przykład większość współczesnych rowerów wymaga mocy zaledwie około 400 watów (1/2 KM), aby osiągnąć prędkość 15 mil na godzinę na płaskim terenie. Zoptymalizowano również wydajność roweru, aby zminimalizować wysiłek wymagany od rowerzysty. Na przykład większość nowoczesnych rowerów jest wyposażona w wydajny system przerzutek, który minimalizuje wysiłek rowerzysty.

Mięśnie człowieka mogą funkcjonować w dwóch stanach: tlenowym i beztlenowym. Podczas skurczu (anaerobic) beztlenowego mięsień wykorzystuje zmagazynowany ATP jako paliwo do zasilania mięśni bez potrzeby korzystania z tlenu. W tym przypadku mięsień może produkować duże ilości energii w krótkim czasie. Produktem ubocznym tego wysokiego wydatku energetycznego jest kwas mlekowy. W miarę jak skurcz mięśni przebiega w stanie beztlenowym, w mięśniach gromadzi się kwas mlekowy, który zahamuje dalsze skurcze mięśni. Po okresie odpoczynku kwas mlekowy jest usuwany z mięśni przez układ krwionośny, a skurcze mięśni mogą być kontynuowane (pod warunkiem, że zgromadzone są wystarczające zapasy paliwa w postaci ATP.

Skurcze (aerobowe) mięśni  w stanie tlenowym pozwalają na dłuższe okresy wysiłku, ale przy niższym poziomie mocy niż ćwiczenia beztlenowe. Podczas ćwiczeń aerobowych do mięśni dostarczana jest odpowiednia ilość tlenu, dzięki czemu mogą one wykorzystać rozpuszczalny tłuszcz we krwi jako główne paliwo. Przekładnie nowoczesnych rowerów pozwalają kolarzom ćwiczyć mięśnie w zakresie aerobowym, co pozwala na ciągłą jazdę na długich dystansach. Przekładnie służą do utrzymywania wysokiej prędkości obrotowej pedałów rowerzysty (zwykle od 60 do 100 obr. /min). Przy wyższych prędkościach pedałowania siła potrzebna do skurczu mięśni jest niska, dzięki czemu mięśnie mogą pozostać w strefie tlenowej.

Oryginalny rower miał  jeden stały przełożenie (podobnie jak większość rowerów elektrycznych) i jego możliwości pokonywania stromego terenu były mocno ograniczone.  Liczba biegów w rowerze ewoluowała, a współczesny rower górski ma aż 27 biegów, co umożliwia jazdę w zróżnicowanym terenie. Podobnie jak ludzki mięsień, współczesny akumulator ma część wydajną i nieefektywną. Akumulator dostarcza prąd do silnika, który wytwarza moment obrotowy w silniku. Moment obrotowy silnika wzrasta liniowo wraz z prądem silnika. Wysokie prądy są nieefektywne. Przy wysokim natężeniu prądu rozładowania akumulator zaczyna mieć problemy podobne do tych, które powstają w mięśniach człowieka, gdy gromadzi się w nich kwas mlekowy. Dokładniej rzecz ujmując, w akumulatorze na płycie ładującej tworzy się gaz wodorowy. Wodór działa jako bariera utrudniająca transfer elektronów. W miarę kontynuowania rozładowywania wysokim prądem, wodór gromadzi się na płytkach, aż do momentu, gdy akumulator nie jest w stanie dostarczyć prądu.

Kolejną ważną kwestią, którą należy wziąć pod uwagę przy wysokim prądzie rozładowania, jest to, że czas pracy akumulatora zmniejsza się wykładniczo przy liniowym wzroście prądu silnika. Ponadto występują straty cieplne silnika, które rosną proporcjonalnie do kwadratu prądu silnika. W związku z tym zwiększony prąd silnika marnuje dostępną energię na dwa nieliniowe sposoby, tj. w postaci strat akumulatora i strat rezystancji silnika. Dostępna moc z akumulatora jest funkcją wykładniczą szybkości bieżącego zużycia. W związku z tym, w miarę wzrostu natężenia rozładowania, dostępna energia z akumulatora maleje wykładniczo.

W związku z tym, im większy moment obrotowy jest potrzebny do poruszania rowerem (np. podczas wspinaczki pod górę lub przyspieszania), tym większy będzie pobór prądu, co spowoduje wykładniczy spadek dostępnej mocy z akumulatora.  Rower elektryczny będący przedmiotem wynalazku powinien być skonfigurowany w taki sposób, aby zmaksymalizować wydajność silnika, zminimalizować zużycie prądu i tym samym wydłużyć czas pracy akumulatora.

Silnik elektryczny według  wynalazku jest  skonfigurowany tak, aby zużywać minimalną ilość prądu. Ponieważ dostępna energia z akumulatora maleje wykładniczo wraz ze wzrostem prądu rozładowania, silniki według wynalazku są w stanie znacząco wydłużyć czas pracy akumulatorów. Przykładowo, dzięki wykorzystaniu szerokiego zakresu mechanicznych przekładni redukcyjnych w nowoczesnym rowerze, wymagany moment obrotowy do napędzania roweru został utrzymany na minimalnym poziomie. Ponieważ moment obrotowy silnika zwiększa się liniowo wraz z prądem silnika, wynalazek ten pozwala na wykorzystanie przekładni mechanicznej w celu utrzymania momentu obrotowego, a co za tym idzie, wymaganego prądu, na możliwie najniższym poziomie.

Pożądane byłoby, aby takie cechy można było osiągnąć, minimalizując wymagany moment obrotowy i utrzymując prędkość obrotową silnika na możliwie najwyższym poziomie spadek dostępnej mocy z akumulatora. Najlepiej byłoby, gdyby rowery elektryczne objęte wynalazkiem wykorzystywały układ przekładniowy umożliwiający minimalizację momentu obrotowego, zwłaszcza podczas pokonywania wzniesień i przyspieszania. Pożądane byłoby również, aby rowery elektryczne objęte wynalazkiem miały funkcję automatycznej zmiany biegów, która pozwalałaby utrzymać prędkość silnika blisko maksymalnej mocy wyjściowej, minimalizując jednocześnie moment obrotowy. Z drugiej strony, pożądane byłoby, aby tego typu rowery elektryczne mogły być napędzane albo silnikiem, albo pedałami, w sposób równoległy.

FIG.1 przedstawia schematyczny widok z boku przykładowego roweru ze wspomaganiem elektrycznym według wynalazku.  FIG.1A przedstawia przekrój poprzeczny ramy roweru z FIG.1 wykonany wzdłuż  linii  A-A. FIG.1B przedstawia widok przekroju poprzecznego alternatywnej ramy do mocowania prostokątnego zestawu akumulatorów. FIG.2 przedstawia widok perspektywiczny w rozłożeniu na części przykładowego zespołu silnika elektrycznego roweru z FIG.1. FIG.3 przedstawia widok przekroju bocznego silnika z FIG.2. FIG.4 przedstawia widok przekroju czołowego silnika z FIG.3 wzdłuż linii 4–4. FIG.5 przedstawia widok przekroju czołowego silnika z FIG. 3 wzdłuż linii 5-5. FIG.6 przedstawia widok z boku przekroju zespołu przepustnicy roweru z FIG.1 zgodnie z wynalazkiem. FIG.6A przedstawia widok końcowy zespołu przepustnicy z FIG.6. FIG.7 przedstawia schematyczny rysunek przykładowego układu zmiany biegów według wynalazku. FIG.8 przedstawia schematyczny widok układów elektronicznych zastosowanych w rowerze z FIG.1.

Istotną cechą wynalazku jest to, że obejmuje on zespół silnika/przekładni, który jest integralną częścią suportu roweru i służy do napędzania przednich zębatek bezpośrednio za pomocą sterownika silnika. Dzięki bezpośredniemu napędzaniu przednich zębatek silnik może w pełni wykorzystać szeroki zakres mechanicznych redukcji przełożeń, powszechnie stosowanych w nowoczesnych rowerach. Zastosowanie takich przekładni redukcyjnych pozwala na maksymalizację sprawności silnika elektrycznego i akumulatora.

Silniki elektryczne niniejszego wynalazku są skonfigurowane tak, aby zużywać minimalną ilość prądu. Ponieważ dostępna energia z akumulatora maleje wykładniczo wraz ze wzrostem prądu rozładowania, silniki według wynalazku są w stanie znacząco wydłużyć czas pracy akumulatorów. Przykładowo, dzięki wykorzystaniu szerokiego zakresu mechanicznych przekładni redukcyjnych w nowoczesnym rowerze, wymagany moment obrotowy do napędzania roweru został utrzymany na minimalnym poziomie. Ponieważ moment obrotowy silnika zwiększa się liniowo wraz z prądem silnika, wynalazek ten pozwala na wykorzystanie przekładni mechanicznej w celu utrzymania momentu obrotowego, a co za tym idzie, wymaganego prądu, na możliwie najniższym poziomie.

Taka konfiguracja rowerów będących przedmiotem wynalazku zapewnia znaczące korzyści w porównaniu ze starszymi rowerami elektrycznymi. Na przykład rowery z silnikiem zamontowanym bezpośrednio na tylnym kole mają tylko stały przełożenie. Zatem, aby uzyskać czterokrotny wzrost momentu obrotowego, prąd silnika musi zostać zwiększony czterokrotnie. Silniki niniejszego wynalazku wykorzystują przełożenia 4,5:1 stosowane w nowoczesnych rowerach, co pozwala na czterokrotny wzrost momentu obrotowego kół bez zwiększania natężenia prądu i bez spadku wydajności.

Wygodnie jest, jeśli w rowerach objętych wynalazkiem zastosowano sterownik lub mikroprocesor w celu automatycznej zmiany biegów. W ten sposób optymalizuje się wydajność silnika poprzez ciągłą zmianę biegów na właściwy, co pozwala na zmniejszenie momentu obrotowego niezbędnego do napędzania roweru. Co więcej, wykorzystując przekładnie mechaniczne współczesnego roweru, silnik może pracować blisko swojej maksymalnej mocy. Dzięki temu silnik może pracować w swoim najbardziej wydajnym zakresie, co pozwala na dalsze zmniejszenie strat prądu silnika i akumulatora. Inną ważną cechą rowerów będących przedmiotem wynalazku jest to, że mogą być napędzane zarówno energią elektryczną, jak i siłą ludzkich mięśni, co zwiększa ogólną wydajność roweru. Jedną ze szczególnych cech wynalazku jest to, że silniki obejmują zespół przekładni redukującej, który obraca przednie zębatki z prędkością porównywalną z  prędkością, z jaką rowerzysta obracałby przednie zębatki. Taka konfiguracja umożliwia łatwą zmianę między sterowaniem rowerem za pomocą energii elektrycznej i siły ludzkiej. Dla wygody silniki niniejszego wynalazku mogą być wyposażone w mechanizm sprzęgłowy, który pozwala użytkownikowi na wykorzystanie siły ludzkiej poprzez pedałowanie z prędkością przekraczającą prędkość wyjściową silnika. Natomiast gdy rowerzysta przestanie pedałować, silnik zostanie włączony i będzie napędzał przednie zębatki.

Dzięki zastosowaniu silników elektrycznych według wynalazku do bezpośredniego obracania przednich zębatek, rowery według wynalazku mogą używać konwencjonalnych przerzutek lub mechanizmów zmiany biegów. Dzieje się tak, ponieważ obracające się przednie zębatki napędzają łańcuch tak jak w konwencjonalnym rowerze. W praktyce sterowniki lub mikroprocesory rowerów mogą być połączone z siłownikiem, który zmienia biegi, optymalizując osiągi roweru.

Rowery objęte wynalazkiem mogą opcjonalnie obejmować inteligentny sterownik monitorujący prąd silnika i ograniczający moc wyjściową silnika, aby zapewnić różne poziomy wydajności i przyspieszenia w reakcji na sygnały wysyłane przez rowerzystę. Rowery mogą być również wyposażone w sterownik silnika, który umożliwia uzyskanie dużego momentu obrotowego przy przyspieszaniu, np. około 10 razy większego od normalnego momentu obrotowego podczas jazdy. Nadmierne wytwarzanie ciepła w silniku można ograniczyć za pomocą inteligentnego sterownika, który stopniowo zmniejsza natężenie prądu w krótkim, zaprogramowanym czasie. W silniku można również zamontować czujnik termiczny, dzięki czemu inteligentny sterownik będzie mógł monitorować temperaturę silnika i regulować maksymalny prąd, zapobiegając przegrzaniu silnika.

Rowery będące przedmiotem wynalazku mogą również wykorzystywać czujnik momentu obrotowego, dzięki czemu moment obrotowy silnika może stanowić wielokrotność momentu obrotowego rowerzysty, zgodnie z wymogami wielu krajowych przepisów regulujących kwestię rowerów elektrycznych. Co więcej, układ sterowania silnikiem można zaprogramować tak, aby silnik nie zaczynał się obracać, dopóki rowerzysta nie zacznie kręcić pedałami z określoną prędkością. W ten sposób można zwiększyć wydajność akumulatora, ponieważ do początkowego rozpędzenia roweru potrzebna jest siła człowieka.

Odnosząc się teraz do FIG. 1, zostanie opisany przykładowy wariant roweru ze wspomaganiem elektrycznym 10. Rower 10 składa się z ramy 12, do której przymocowane są przednie koło 14 i tylne koło 16. Do ramy 12 przymocowany jest również zespół kierownicy 18 i regulowane siedzisko 20. Jak pokazano, rower 10 jest rowerem górskim i zawiera przednie zawieszenie 22 i tylne zawieszenie 24, co jest powszechnie znane w tej dziedzinie. Należy jednak zauważyć, że funkcje wspomagania elektrycznego wynalazku można stosować zasadniczo w przypadku każdego rodzaju roweru i nie ograniczają się one wyłącznie do rowerów górskich.

Rower 10 zawiera także wahacz 26, który jest obrotowo połączony z ramą 12. Zastosowanie wahacza 26 jest korzystne, ponieważ umożliwia efektywniejsze wykorzystanie zawieszenia 24. Na dole wahacza 26 znajduje się zespół silnika elektrycznego 28. Zespół silnika 28 obejmuje jedno lub więcej kół zębatych, które definiują przedni zespół zębatki 30. Koło tylne 16 zawiera wiele kół zębatych definiujących drugi zespół zębatek 31. Zgodnie z wiedzą w tej dziedzinie, łańcuch jest połączony z pierwszym zespołem zębatek i drugim zespołem zębatek tak, że gdy pierwszy zespół zębatek jest obracany, tylne koło 16 również będzie się obracać.

Ponadto z zespołem zębatki przedniej 30 i zespołem zębatki tylnej 31 połączone są odpowiednio przednia i tylna przerzutka, służące do przesuwania łańcucha pomiędzy poszczególnymi biegami zespołu zębatki przedniej i zespołu zębatki tylnej, co jest znane w tej dziedzinie techniki. Choć tego nie pokazano, najlepiej jest zamontować także przednie i tylne hamulce, ponieważ są one znane w tej dziedzinie i pozwalają na spowolnienie lub zatrzymanie roweru. Opcjonalnie, na kierownicy 18 mogą być zamontowane siłowniki do uruchamiania przerzutek i hamulców.

 Z przednim zespołem zębatek 30 sprzężona jest para ramion korbowych 32, do których przymocowana jest para pedałów 34, co jest znane w tej dziedzinie. W ten sposób rowerzysta może obrócić pedały 34, aby obrócić przednią zębatkę 30. Powoduje to przesunięcie łańcucha i obrót tylnego koła zębatego 31, a tym samym obrót tylnego koła 16. Rower 10 może zostać przełączony w tryb ręczny, w którym koło 16 obraca się wyłącznie poprzez naciskanie pedałów 34. Alternatywnie rower 10 można ustawić w trybie automatycznym, w którym zespół silnika 28 będzie służył do obracania tylnego koła 16. Na koniec rower 10 może być skonfigurowany tak, aby rowerzysta mógł wybrać, czy rower ma być obsługiwany przez zespół silnika 28, czy też użytkownik może wybrać ręczną obsługę roweru, po prostu obracając pedały 34 szybciej, niż zespół silnika jest w stanie obrócić przedni zespół zębatki 30.

Rama 12 jest najlepiej skonstruowana tak, aby miała otwór na dole 40, do którego wkładany jest akumulator 36 i elementy elektroniczne 38. Jednakże rama 12 może mieć inne otwory umożliwiające dostęp do akumulatora, w tym górny koniec i boki. Przewody 47 biegną od akumulatora 36 do zespołu silnika 28, umożliwiając doprowadzenie prądu elektrycznego do zespołu silnika 28. W skład podzespołów elektronicznych 38 wchodzi również ładowarka akumulatora 38b wyposażona we wtyczkę 110 V 41, która jest przytrzymywana przez mechanizm zwijający przewód zasilający 45. W ten sposób wtyczka 41 jest chowana, co pozwala na wygodne podłączenie jej do konwencjonalnego gniazdka elektrycznego w celu naładowania akumulatora 36.

Rower 10 jest wyposażony w panel wyświetlacza, który jest zamontowany na kierownicy 18. Panel wyświetlacza zawiera różne wyświetlacze i przełączniki, które są połączone z elektroniką 38 za pomocą przewodu sterującego 49 w celu ułatwienia obsługi roweru 10, jako pisano bardziej szczegółowo poniżej. Zespół silnika elektrycznego 28, choć ukryty, jest umieszczony w dolnym wsporniku wahacza 26. W ten sposób ciężar zespołu silnika został umieszczony możliwie najniżej na rowerze 10, obniżając jego środek ciężkości. Co więcej, dzięki prostej konstrukcji zespół silnika można umieścić w suporcie, co dodatkowo poprawia wygląd roweru.

Zespół silnika 28 zawiera szereg komponentów współosiowych z głównym wrzecionem 42. Ponadto główna oś 42 jest również współosiowa z suportem ramy roweru. Główne wrzeciono 42 przechodzi przez cały zespół silnika i jest podtrzymywane odpowiednio przez lewe i prawe łożyska wrzeciona 44 i 46, FIG.3.  Zewnętrzna średnica lewego łożyska wrzeciona 44 jest zamontowana w obudowie głównej 48. Główna obudowa 48 służy do umieszczenia większości podzespołów zespołu silnika i jest wygodnie dopasowana do suportu roweru, jak opisano wcześniej. Prawe łożysko wrzeciona 46 zamontowane jest w sterowniku wyjściowym 50. Z głównym wrzecionem 42 połączone jest lewe ramię korbowe 52 i prawe ramię korbowe 54. Ramiona korbowe 52 i 54 połączone są z wrzecionem 42 za pomocą stożkowego, pewnego sprzężenia i przy użyciu śrub 56, które wkręca się w gwintowane szczeliny 58 w głównym wrzecionie 42.

Zespół silnika 28, FIG.3 obejmuje także zespół wirnika silnika 60, który jest zamontowany na zewnętrznej średnicy łożysk kulkowych wirnika 62. Magnes silnika 64 jest przymocowany do zespołu wirnika silnika 60. Wewnętrzna średnica łożysk kulkowych wirnika 62 jest zamontowana na wrzecionie 42. Zespół wirnika silnika 60 może się swobodnie obracać niezależnie od wrzeciona 42 oraz ramion korbowych 52 i 54, które są zamontowane na wrzecionie 42. Stojan silnika 66 jest przymocowany do głównej obudowy 48. Przez obudowę główną 48 wychodzi kilka przewodów sterujących silnikiem 68. Płytka drukowana 70 wyposażona w urządzenia wykrywające położenie jest zamontowana po lewej stronie obudowy głównej 48. Pierwsze koło słoneczne planetarne 72 zamontowane jest bezpośrednio po prawej stronie zespołu wirnika silnika 60. Zewnętrzna średnica pierwszego koła zębatego planetarnego 72 jest zazębiona z trzema pierwszymi kołami zębatymi planetarnymi 74. Trzy pierwsze koła planetarne 74 zamontowane są na łożyskach kulkowych 76. Średnica wewnętrzna łożysk kulkowych 76 zamocowana jest na wałach 78. Końce wału 78 zamocowane są do kołnierza drugiego koła słonecznego 80. Zewnętrzna średnica drugiego koła słonecznego 80 jest zazębiona z trzema drugimi kołami planetarnymi 82. Drugie koło słoneczne 80 podparte jest na wrzecionie 42 za pomocą łożysk84. Średnice zewnętrzne pierwszych kół planetarnych 74 i drugich kół planetarnych 82 są zazębione z kołem pierścieniowym 86. Koło zębate 86 jest wykonane bezpośrednio w obudowie głównej 48. Średnice wewnętrzne drugich kół planetarnych 82 zamocowane są na łożyskach kulkowych 88. Średnica wewnętrzna łożysk kulkowych 88 zamocowana jest na wałach 90. Wały 90 są przymocowane do pierścienia wyjściowego silnika 92. Pierścień napędowy silnika wyjściowego 92 jest podtrzymywany przez wewnętrzną średnicę łożyska 94, jak pokazano na FIG. 4. Zewnętrzna średnica łożyska 94 jest zamocowana do końcowej pokrywy obudowy 96.

Sterownik wyjściowy 50 podparty jest łożyskami 98. Zewnętrzna średnica łożysk 98 jest zamontowana w pokrywie końcowej obudowy 96. Na prawym końcu sterownika wyjściowego 50 zamontowany jest pierścień sterujący korbą 100. W prawym ramieniu korby 54 zamontowane są zapadki korbowe 102, jak pokazano również na FIG. 5. Zapadki  102 służą do zazębiania się z pierścieniem napędowym korby 100.

Na lewym zewnętrznym obwodzie wyjściowego napędu 50 zamontowano kilka zapadek napędowych 104, które służą do zazębiania wyjścia silnika z pierścieniem napędowym 92, jak opisano bardziej szczegółowo poniżej. Prawa zewnętrzna średnica napędu wyjściowego 50 jest przymocowana do wspornika zębatki 106. Podpora zębatki 106 jest przymocowana do przednich zębatek napędowych 108.

Zespół silnika elektrycznego 28 jest o tyle korzystny, że pozwala na eksploatację roweru 10 w trzech trybach. Pierwszy tryb polega na napędzaniu wyłącznie pedałami. Drugi tryb wykorzystuje wyłącznie moc silnika, a trzeci tryb to zmienna kombinacja mocy pedału i mocy silnika. W przypadku napędu wyłącznie pedałowego, pedałowanie korb 52 i 54 przez rowerzystę powoduje obrót przednich zębatek 108 bez obracania zespołu wirnika silnika 60. W ten sposób eliminuje się znaczne straty spowodowane tarciem podczas jazdy na rowerze. Obrót napędu wyjściowego 50 nie powoduje obrotu pierścienia napędu wyjściowego silnika 92, ponieważ zapadki napędu 104 nie zazębiają się z pierścieniem napędu wyjściowego silnika 92 w tym kierunku. Ponieważ napęd wyjściowy 50 nie jest zazębiony z pierścieniem napędowym silnika 92, nie występuje opór na korbach 52 i 54 spowodowany tarciem silnika, a pedały roweru obracają się swobodnie, jak w normalnym rowerze bez silnika

W przypadku zasilania wyłącznie silnikiem, silnik napędza zębatki 108, ale nie korby 52 i 54, które w przeciwnym razie mogłyby spowodować obrażenia rowerzysty. Prędkość obrotowa kół zębatych 108 jest zmniejszona w stosunku do prędkości zespołu wirnika silnika 60  o  łączny stosunek obu zestawów przekładni planetarnych.  Gdy wykorzystywana jest wyłącznie moc silnika, pole magnetyczne w stojanie silnika 66 powoduje obrót zespołu wirnika silnika 60. Pierwsze koło słoneczne 72 obraca się wraz z zespołem wirnika silnika 16. Obrót pierwszego koła słonecznego 72 powoduje obrót pierwszych kół planetarnych 74. Ze względu na stałą konstrukcję pierścienia zębatego 86  i wzajemny związek kół planetarnych, prędkość drugiego koła słonecznego 80 jest zmniejszona o przełożenie konstrukcyjne. Optymalny stosunek wynosi około 5,6 do 1. Należy jednak pamiętać, że możliwe jest również zastosowanie innych proporcji. Obrót drugiego koła słonecznego 80 powoduje obrót trzech drugich kół planetarnych 82 w kole pierścieniowym 86. Drugi obrót powoduje kolejną redukcję. Najlepiej, żeby ta redukcja wynosiła 5,6 do 1. Można jednak zastosować również inne obniżki. Ze względu na mnogość przekładni, całkowita redukcja prędkości pierścienia napędowego silnika wyjściowego 92 wynosi 31,86 do 1.  Innymi słowy, prędkość pierścienia wyjściowego silnika 92 jest zmniejszona do 31,86-krotności prędkości zespołu wirnika silnika 60.’

Obrót pierścienia 92 napędu wyjściowego silnika powoduje zazębienie się zapadek napędu  wyjściowego silnika 104 i obrót napędu wyjściowego 50.  Podobnie jak w przypadku napędu  wyłącznie pedałowego, obrót napędu wyjściowego 50 powoduje obrót zębatek 108. Obrót napędu wyjściowego 50 nie powoduje obrotu ramion korbowych 52 i 54 ani wrzeciona 42,ponieważ zapadki korby 102 nie zazębiają się z pierścieniem napędu korby 100 w tym kierunku.

 W trybie ze zmienną kombinacją mocy pedałów i silnika moc jest dostarczana albo przez silnik, albo przez rowerzystę.  Jeżeli prędkość silnika jest wyższa niż prędkość pedałowania, silnik spowoduje szybszą jazdę rowerem. Jednakże, jeżeli rowerzysta zwiększy prędkość pedałowania powyżej prędkości silnika, rower ruszy. W związku z tym załączenie sterownika wyjściowego 50 zależy od względnej prędkości silnika i pedałów. Którakolwiek z nich obraca się szybciej, będzie napędzać zębatki 108.

Przyspieszenie zespołu silnika elektrycznego 28 jest najlepiej osiągane przy użyciu zespołu przepustnicy 110, jak pokazano na FIG.6. Zespół przepustnicy 110 jest korzystnie połączony z zespołem kierownicy 18. Zespół przepustnicy 110 składa się z gumowego uchwytu 112, który jest umieszczony wokół tulei przepustnicy 114. Z tuleją przepustnicy 114 sprzężona jest przekładnia planetarna 116, która obraca się wokół koła słonecznego 118.  Zespół przepustnicy 110 obejmuje również potencjometr 120, który obraca się podczas obrotu uchwytu 112. Następnie potencjometr wysyła sygnał przewodami 122, które są połączone z układem elektronicznym 38 (patrz rys. 1), dzięki czemu prąd elektryczny może zostać dostarczony do zespołu silnika 28.   Odnosząc się do FIG.7, zostanie opisany przykładowy wariant układu zmiany biegów 130. Układ zmiany biegów 130 obejmuje liniowy silnik krokowy 132, który porusza linką przerzutki 134. Przykładowym silnikiem krokowym, który można zastosować, jest silnik krokowy Haydon Switch and Instrument, nr części: 46441-12. Kabel 134 jest połączony z mechanizmem zmiany przełożeń przerzutki 136 lub wewnętrznym mechanizmem zmiany przełożeń w piaście, co jest znane w tej dziedzinie. W celu wygodnego dostosowania naciągu kabla 134 można zastosować regulator 138. Silnik krokowy 132 jest elektrycznie sprzężony ze sterownikiem 140 lub mikroprocesorem. Zakres ruchu silnika krokowego 132 zależy od konkretnego typu mechanizmu zmiany biegów i jest zaprogramowany w sterowniku 140. Napęd silnika krokowego 132 jest konwencjonalnym napędem silnika krokowego, znanym w tej dziedzinie. Zamiast stosowania silnika krokowego lub silnika prądu stałego do przesuwania kabla 134, można zastosować inne rozwiązania, w tym silnik obrotowy z przekładnią redukcyjną. Silnik krokowy 132 zawiera także wyłącznik krańcowy 142, który służy do określenia pozycji wyjściowej po włączeniu zasilania silnika krokowego 132.  

Odnosząc się teraz do FIG.8, zostanie opisana instalacja elektryczna roweru 10. Układ obejmuje płytę główną 150, płytę interfejsu kierownicy 152 i płytę ładowarki akumulatora 154. Główna płyta sterująca jest  reprezentatywna dla układu 38 z FIG.1. Napięcie systemu wynosi preferencyjnie 24 V DC, ale opcjonalnie może wynosić 36 lub 48 V DC. Główna płyta sterująca 150 jest sprzężona z silnikiem 156, który jest reprezentatywny dla zespołu silników28 z rys. 1. Główna płyta sterująca 150 jest również połączona ze sterownikiem przepustnicy 158, który jest reprezentatywny dla zespołu przepustnicy 110 z FIG. 6. Światła drogowe 160 i światła mijania 162 są również połączone z główną płytką sterującą 150, dzięki czemu rower może zostać wyposażony w światła. Podobnie, światło tylne 164 jest także połączone z główną płytą sterującą 150. Silnik krokowy zmiany biegów tylnych 166 jest sprzężony z główną płytką sterującą 150 i jest reprezentatywny dla silnika krokowego 132 z FIG.7.Opcjonalnie przedni silnik krokowy zmiany biegów 168 może być również sprzężony z główną  płytą sterującą 150 w celu sterowania zmianą łańcucha na przednich kołach zębatych.

 Suplement.

 Silniki HUB-drive z napędem w piaście integrują się bezpośrednio z piastą koła roweru elektrycznego. Silniki te działają niezależnie od łańcucha i przerzutek roweru. Umiejscowienie silnika w piaście umożliwia bezpośredni napęd koła. Taka konstrukcja upraszcza cały mechanizm, zmniejszając liczbę ruchomych części. Silniki z piastą zazwyczaj wykorzystują napęd bezpośredni lub układ przekładniowy do przekształcania energii elektrycznej w ruch mechaniczny. Silniki z napędem w piaście zapewniają prostotę i łatwość obsługi. Integracja z piastą koła eliminuje potrzebę skomplikowanych modyfikacji układu napędowego. Jeźdźcy mogą cieszyć się prostą jazdą, nie martwiąc się o skomplikowane systemy przerzutek. Niezależne działanie od przerzutek roweru zapewnia bezproblemową funkcjonalność nawet w przypadku zerwania łańcucha.

Silniki napędu piasty wymagają minimalnej konserwacji. Zamknięta konstrukcja chroni silnik przed czynnikami zewnętrznymi, zmniejszając zużycie. Ta trwałość sprawia, że ​​silniki w piaście są atrakcyjnym wyborem dla rowerzystów poszukujących bezproblemowej jazdy na rowerze elektrycznym. Regularne czynności konserwacyjne, takie jak smarowanie łańcucha i regulacja przerzutek, stają się rzadsze.

Silniki z napędem w piaście są tańsze w porównaniu do silników z napędem środkowym. Prostsza konstrukcja i mniejsza liczba komponentów przyczyniają się do niższych kosztów produkcji. Ta opłacalność sprawia, że ​​silniki w piaście są idealne dla rowerzystów dbających o budżet. Dodatkowo zmniejszone potrzeby konserwacyjne przekładają się na długoterminowe oszczędności.

Natomiast silniki napędu piasty mogą powodować problemy z rozkładem ciężaru. Umieszczenie silnika w piaście koła zwiększa masę nieresorowaną, wpływając na prowadzenie roweru. Silniki z piastą przednią mogą prowadzić do powstania rowerów z ciężkim przodem, podczas gdy silniki z piastą tylną mogą powodować, że tył będzie cięższy. Ta nierównowaga może mieć wpływ na ogólne wrażenia z jazdy, zwłaszcza podczas ostrych zakrętów.

Dodatkowo silniki napędu piasty mają problemy z wydajnością na stromych wzniesieniach. W mechanizmie napędu bezpośredniego brakuje zwielokrotnienia momentu obrotowego zapewnianego przez przerzutki roweru. To ograniczenie staje się oczywiste podczas pokonywania wzniesień, gdzie silnik może odczuwać słabą moc. Jeźdźcy mogą potrzebować większego wysiłku lub polegać na wspomaganiu pedałowania, aby pokonywać strome tereny. Silniki napędu piasty wykazują mniejszą wydajność.

Z kolei Silniki MID-drive z napędem centralnym umieszczają się w suporcie roweru. To centralne położenie pozwala silnikowi bezpośrednio napędzać ramiona korby. Moc z silnika przenoszona jest przez łańcuch roweru, podobnie jak pedałowanie rowerzysty. Taka konstrukcja umożliwia silnikowi wykorzystanie istniejącego układu przerzutek roweru w celu uzyskania optymalnej wydajności. Silniki o średnim napędzie, takie jak Bafang serii M, oferują różną moc znamionową i moment obrotowy, obsługując różne typy rowerów elektrycznych, takich jak e-MTB i rowery miejskie.

Silniki z napędem środkowym płynnie integrują się z układami przekładni roweru. Ta integracja umożliwia silnikowi wykorzystanie przerzutek roweru do zwielokrotnienia momentu obrotowego. Zmiana biegów może pomóc w utrzymaniu efektywnej kadencji podczas wspinaczki po stromych wzgórzach lub jazdy po płaskim terenie. Zdolność silnika do współpracy z przerzutkami roweru zwiększa ogólną wydajność i osiągi. Na przykład lekki silnik do roweru elektrycznego *Bosch Performance SX* zapewnia zwrotność i szybkość reakcji, idealne w różnych warunkach jazdy.

Silniki z napędem środkowym zapewniają doskonały rozkład masy. Umieszczenie silnika na środku roweru obniża środek ciężkości. Zrównoważony rozkład masy poprawia prowadzenie i stabilność. Jeźdźcy doświadczają bardziej naturalnej i kontrolowanej jazdy, szczególnie na nierównym terenie. Centralne położenie zmniejsza również masę nieresorowaną, zwiększając zwinność roweru.

Silniki z napędem centralnym wyróżniają się  zwiększona wydajnością w różnych terenach. Zdolność silnika do korzystania z przerzutek roweru zapewnia lepszą dostępność momentu obrotowego przy każdej prędkości. Ta funkcja okazuje się korzystna podczas pokonywania stromych wzgórz lub nierównych szlaków. Silniki o większej mocy, takie jak te w serii Bafang M, zapewniają płynniejszą pracę i lepsze możliwości pokonywania wzniesień. Jeźdźcy mogą cieszyć się wszechstronną jazdą, niezależnie od tego, czy dojeżdżają do pracy w mieście, czy eksplorują ścieżki terenowe.

Silniki z napędem centralnym charakteryzują  również  wydajnym przenoszeniem mocy. Położenie silnika pozwala mu przenosić siłę przez układ napędowy podobnie jak pedałowanie rowerzysty. Metoda ta zapewnia optymalną dystrybucję mocy i ogranicza straty energii. W rezultacie silniki z napędem środkowym zużywają mniej energii z akumulatora na tym samym dystansie w porównaniu do silników z piastą. Efektywne przenoszenie mocy przekłada się na dłuższą żywotność baterii i większy zasięg jazdy.

Niestety nie ma róży bez kolców, silniki z napędem centralnym wymagają większej dbałości o konserwacje w trakcje eksploatacji. Integracja z układem napędowym roweru oznacza, że ​​więcej elementów ulega zużyciu. Regularne prace konserwacyjne obejmują smarowanie łańcucha, regulację przekładni i przeglądy okresowe. Zwiększona złożoność wymaga większej uwagi, aby zapewnić optymalną wydajność. Kierowcy muszą zachować czujność podczas konserwacji układu napędowego, aby uniknąć potencjalnych problemów. Silniki z w/w napędem są zazwyczaj  droższe. Zaawansowana konstrukcja i dodatkowe komponenty przyczyniają się do zwiększenia kosztów produkcji. Wysokiej jakości silniki z napędem średnim, takie jak Bosch Performance SX, często mają wyższą cenę. Początkowa inwestycja może zniechęcić rowerzystów dbających o budżet. Jednak doskonała wydajność i wydajność może uzasadniać wyższy koszt dla wielu entuzjastów.

Jednocześnie silniki tego rodzaju  napędu wymagają bardziej złożonych procedur instalacyjnych. Centralne umiejscowienie wymaga modyfikacji ramy i układu napędowego roweru. Do prawidłowego montażu często potrzebne są specjalistyczne narzędzia i specjalistyczna wiedza. Ta złożoność może sprawić, że instalacje typu „zrób to sam” będą stanowić wyzwanie. Może być wymagana profesjonalna pomoc, co zwiększa całkowity koszt i wysiłek.

Bafang middrive 500W 48V – instrukcja montażu, krok po kroku

https://youtu.be/nEIiJqhQD5M

 

 

     Kiedy to minęło gdy na polskich drogach królował radziecki rower Mińsk, a częstym widokiem była jazda dzieci pod ramą, co jest dzisiaj trudne do otworzenia, gdy są dostępne różnej wielkości rowery dziecięce i młodzieżowe. Szczęściarze  jeździli na rowerach MIFA  lub Diamant  z NRD, które były znacznie droższe w obiegu handlowym,  ale wzbudzały zachwyt, konstrukcją i wykonaniem,  miłośników dwóch kółek na pustych polskich drogach. Ja jeździłem dumnie ESKĄ SPORT FAVORIT więc nie mogłem narzekać na asfalcie gdy wyprzedzałem konkurencję, gorzej było na polnych drogach gdzie moje wąskie opony grzęzły i musiałem iść pieszo. Ale było minęło  a  teraz  mamy erę hulajnóg i rowerów elektrycznych z silnikami prądu stałego w piaście koła .

Silnik rowerowy w piaście, jak sama nazwa wskazuje, umieszczony jest wewnątrz piasty koła – najczęściej przedniego lub tylnego. W uproszczeniu, wewnątrz piasty znajdują się magnesy i cewki. Prąd elektryczny przekształcany odpowiednio przez sterownik przepływający przez cewki generuje zmienne pole magnetyczne, które oddziałuje z magnesami, powodując obrót wirnika, a tym samym całego koła. Nowoczesne silniki rowerowe w piaście to silniki bez-szczotkowe. Są one bardziej wydajne, trwalsze i cichsze niż starsze silniki szczotkowe ale wymagają jednak bardziej zaawansowanego sterownika prądowego. Znane są silniki  z przekładnią (geared), które charakteryzują się wysokim momentem obrotowym przy niskich prędkościach, co jest przydatne podczas ruszania i jazdy pod górę. Są mniejsze i lżejsze od silników bez przekładni, ale mogą być mniej trwałe. Natomiast silniki  bez przekładni (direct drive) charakteryzują się  prostotą konstrukcji, cichą pracą i duża trwałość. Są zazwyczaj większe i cięższe od silników z przekładnią, ale oferują płynniejszą jazdę i lepsze chłodzenie. Dobrze sprawdzają się przy wyższych prędkościach i na płaskich terenach. Po tym krótkim wstępie można przejść do typowego patentu z branży silników rowerowych w piaście.

EP1601085A1  Hub unit for use in electrically movable wheels and vehicle comprising the hub unit, SANYO, Data patentu: 15.04.2009.  Przedstawiony  wynalazek dotyczy zespołu piasty, w którym zastosowano tylko jeden mocujący wał podporowy,  przy czym wał podporowy  ma przynajmniej jeden koniec wystający na zewnątrz   z  piasty , a wirnik  ma rurowy wał obrotowy  osadzony obrotowo wokół wału podporowego,  przy czym wynalazek dotyczy również pojazdu zawierającego zespół piast.

Fig.1 przedstawia widok z przodu roweru ze wspomaganiem elektrycznym; Fig.2 przedstawia widok przekroju zespołu piasty; Fig.3 przedstawia widok perspektywiczny zespołu piasty z usuniętym głównym korpusem piasty; Fig.4 przedstawia widok perspektywiczny zespołu piasty; Fig.5 przedstawia widok perspektywiczny w rozłożeniu stosu płyt metalowych; Fig.6 przedstawia widok przekroju zespołu piasty drugiego wariantu wykonania; Fig.7 przedstawia widok perspektywiczny zespołu piasty z usuniętym głównym korpusem piasty; Fig.8 przedstawia widok przekroju konwencjonalnego zespołu piasty; Fig.9 przedstawia widok perspektywiczny zespołu piasty z usuniętym głównym korpusem piasty.

Elektrycznie ruchomy zespół piasty koła (zwany dalej „zespołem piasty”) składa się z silnika 9 zawierającego stojan 3 i wirnik 4, planetarnego mechanizmu redukcyjnego 6 sprzężonego z wałem wirnika 41 przechodzącym przez płytę końcową 52 obudowy silnika 5 oraz piasty 7 otaczającej silnik 9 i mechanizm redukcyjny 6  w  nim oraz posiadającej wewnętrzne zęby 66a zazębiające się z przekładniami planetarnymi 65,  a także mocujących wałków podporowych 57, 57a ustawionych w jednej linii z wałem wirnika 41  i  wystających na zewnątrz odpowiednio z płyty końcowej 51 po jednej stronie obudowy silnika 5 naprzeciwko mechanizmu redukcyjnego 6 oraz z ramy nośnej przekładni planetarnej 61, przy czym wały podporowe 57, 57a  wystają na zewnątrz z piasty 7. Wałki podporowe 57, 57a zamocowane są do przedniego lub tylnego widelca roweru, a szprychy (niepokazane) koła osadzone są w otworach mocujących szprychy 74a w ściankach obwodowych 74, 74 znajdujących się wokół piasty 7.

Po wzbudzeniu uzwojeń 32 stojana 3 wirnik 4 zaczyna się obracać. Po redukcji prędkości, obrót wirnika 4 przenoszony jest na piastę 7 za pomocą mechanizmu przekładni planetarnej 6, w celu obracania koła roweru. W przypadku, gdy na pedały roweru działa obciążenie nie mniejsze od określonej wartości w momencie nacisku, uzwojenia 32 stojana 3 zostają wzbudzone, co pozwala rowerzyście na łatwą jazdę nawet po pochyłościach.

Niniejszy wynalazek dotyczy zespołu piasty, w którym zastosowano tylko jeden mocujący wał podporowy 57, przy czym wał podporowy 57 ma przynajmniej jeden koniec wystający na zewnątrz z piasty 7, a  wirnik 4 ma rurowy wał obrotowy 44 osadzony obrotowo wokół wału podporowego 57,  przy czym wynalazek dotyczy również pojazdu zawierającego zespół piast.

FIG.1 przedstawia przykład roweru wspomaganego elektrycznie 1 posiadającego piastę 2, która jest   przymocowana do dolnego końca przedniego widelca 12 roweru 1, a piasta 2 i obręcz 13 przedniego koła 11 są połączone ze sobą szprychami 14, 14. Akumulator 17 zamontowany jest na rowerze pomiędzy sztycą  siodełka 15  i  tylnym kołem 16.

Podczas jazdy na rowerze,  siła nacisku pedałów 18 oddziałuje  na czujnik (niepokazany), który zasila silnik 9 zespołu piasty 2 za pomocą akumulatora 17, gdy obciążenie pedałów nie jest mniejsze od ustalonej wartości. Jednostka piasty 2 ma wspomniany wyżej silnik 9, który obejmuje stojan 3 i wirnik 4, piastę 7 otaczającą silnik 9 i napędzaną obrotowo przez obrót wirnika 4 oraz wałek podporowy 57 zamocowany do obudowy silnika 5, wystający z niej zgodnie z osią obrotu piasty 7 i mający przeciwległe końce wystające na zewnątrz z piasty 7.

Jak pokazano na FIG. 5, stojan 3 składa się ze stosu 31 określonej liczby wyciętych płyt  metalowych  31a  oraz uzwojeń 32 nawiniętych wokół stosu płyt metalowych 31. Każda z metalowych płyt 31a ma kształt pierścienia posiadającego wiele wypustek w kształcie litery T 31b rozmieszczonych na wewnętrznym obwodzie pierścienia w równych odstępach na jego obwodzie i wystających w kierunku środka pierścienia. Zgodnie z niniejszym przykładem wykonania płytka metalowa 31a ma dwanaście wypustek 31b. Uzwojenie 32 umieszczone jest na stosie wypustek 31b w fazie jako całość.

 Wirnik 4 jest umieszczony obrotowo wewnątrz stojana 3, współśrodkowo względem niego, przy czym, wirnik 4 umiejscowiony jest  w wyniku włożenia rurowego wału obrotowego 44 przez środek stosu 42 okrągłych płyt metalowych, tak aby wał 44 mógł się obracać wraz ze stosem płyt metalowych 42.

W zewnętrznej obwodowej części stosu płyt metalowych 42 osadzono wiele magnesów trwałych 43 równolegle do obracającego się wału 44 w równych odstępach, przy czym bieguny S i bieguny N rozmieszczone są naprzemiennie na obwodzie stosu.  Obudowę 5 silnika 9 wykonuje się poprzez umieszczenie stosu płyt metalowych 31 stojana 3 pomiędzy parą pierwszej i drugiej płyty końcowej 51, 52 ustawionych naprzeciwko siebie osiowo względem stojana 3 i połączenie dwóch płyt końcowych 51, 52 za pomocą wielu śrub 53 włożonych przez zewnętrzną obwodową część stosu 31 i dokręconych.

Wał obrotowy 44 wirnika 4 jest rurowy. Rurowy wał obrotowy 44 przechodzi przez drugą płytę końcową 52 i wystaje na zewnątrz poza drugą płytę końcową 52.  Łożysko 49 umieszczone jest pomiędzy wałem 44 a drugą płytą końcową 52. Pierwsza płyta końcowa 51 ma występ 56 wystający na zewnątrz ze swojego środka. Wałek podporowy mocujący 57 przechodzi przez pierwszą płytę końcową 51 i jest do niej zamocowany, zgodnie z osią stojana 3. Wałek podporowy 57 przechodzi przez występ 56 pierwszej płyty końcowej 51, rurowy wał obrotowy 44 wirnika 4, mechanizm przekładni planetarnej 6, oraz płytę zamykającą 72 piasty 7, a jego przeciwległe końce wystają na zewnątrz z piasty 7. Przeciwległe końce wału podporowego 57 mają gwint zewnętrzny, jak w punkcie 57b, w celu umożliwienia montażu piasty na przednim widelcu 12 roweru 1. Łożyska 46, 46 umieszczone są pomiędzy rurowym wałem obrotowym 44 wirnika 4 a wałem podporowym mocującym  57.

Łożyska 46, 46 umieszczone są pomiędzy rurowym wałem obrotowym 44 wirnika 4 a wałem podporowym mocującym 57. Mechanizm redukcyjny jest umieszczony na zewnątrz drugiej płyty końcowej 52 i służy do przekazywania obrotów rurowego wału obrotowego 44 wirnika 4 po redukcji prędkości. Mechanizm redukcyjny w przykładzie wykonania jest mechanizmem redukcyjnym przekładni planetarnej 6.

Mechanizm redukcyjny 6 ma ramę nośną przekładni planetarnej 61 wyposażoną w trzy rurowe nogi 62 wystające w kierunku drugiej płyty końcowej 52 i opierające się o nią, rozmieszczone w równych odstępach obwodowo wzdłuż ramy. Rama 61 jest przymocowana do drugiej płyty końcowej 52 za pomocą śrub 63 przechodzących przez odpowiednie nogi 62.

Przekładnia planetarna 65 składa się z dużego koła zębatego 65a umieszczonego bliżej drugiej płyty końcowej 52 i małego koła zębatego 65b umieszczonego po przeciwnej stronie i współosiowego z kołem zębatym 65a. Duże koło zębate 65a przekładni planetarnej 65 zazębia się z kołem zębatym słonecznym 60 utworzonym na końcowej części rurowego wału obrotowego 44 wirnika 4.Małe koło zębate 65b przekładni planetarnej 65 zazębia się z zębami wewnętrznymi 66a na płycie zamykającej 72 piasty 7.

Piasta 7 składa się z głównego korpusu piasty 71, mającego zasadniczo kształt kubka, który jest otwarty w środkowej części swojej dolnej ścianki i otwarty na całej powierzchni drugiej strony, a także z wyżej wymienionej płytki zamykającej 72, która przykrywa cały otwór. Korpus główny piasty 71 przykrywa obudowę silnika 5 i mechanizm przekładni planetarnej 6. Łożysko 73 umieszczone jest w dolnym otworze 70 wokół występu 56 na pierwszej płycie końcowej 51 obudowy silnika 5. Płyta zamykająca 72 zakrywa cały otwór głównego korpusu piasty 71, tak aby ukryć ramę nośną 61 mechanizmu redukcyjnego 6 i jest przymocowana do głównego korpusu piasty 71 za pomocą śrub 76. Do wewnętrznej strony płytki zamykającej 72 przymocowany jest za pomocą śrub element pierścieniowy 66, współśrodkowy z wałkiem podporowym mocującym 57. Zęby wewnętrzne 66a, które mogą współpracować z kołami planetarnymi 65, są uformowane na wewnętrznym obwodzie pierścieniowego elementu 66.

Łożysko 75 umieszczone jest w płycie zamykającej 72 wokół wału podporowego mocującego 57. Główny korpus piasty 71 ma ściankę obwodową 74 utworzoną na jej zewnętrznej powierzchni obwodowej i rozciągającą się dookoła po każdej z przeciwległych części bocznych. Otwory mocujące szprychy 74a wykonane są w ścianie obwodowej 74 i rozmieszczone w regularnych odstępach na obwodzie ściany. Gdy wałek podporowy 57 jest zamocowany do przedniego widelca 12 roweru za pomocą śruby z gwintem, części oznaczone liniami skierowanymi w lewo w dół na FIG. 2 są częściami stałymi, a części oznaczone liniami skierowanymi w prawo w dół są częściami obrotowymi.

Gdy po naciśnięciu pedałów roweru 18 na pedały działa obciążenie przekraczające określoną wartość, akumulator 17 pobudza uzwojenia 32 stojana 3, obracając wirnik 4. Obrót wirnika 4 powoduje obrót koła słonecznego 60 na końcu rurowego wału obrotowego 44, co powoduje obrót kół planetarnych 65 w odpowiedniej pozycji. Obroty kół planetarnych 65 przekazywane są poprzez zęby wewnętrzne 66a na piastę 7 przy redukcji prędkości, powodując napędowy obrót koła przedniego 11. Dzięki obrotowi wirnika 4 rower 1 może być napędzany przy zmniejszonej sile nacisku na pedały 11. Ponieważ rurowy wał obrotowy 44 wirnika 4 jest osadzony obrotowo wokół wału podporowego 57, którego przeciwległe końce wystają z piasty 7, oś wirnika 4 nie odchyli się względem wału podporowego 57. 

Poddanie uzwojeń 32 działaniu prądu powoduje, że uzwojenia 32 wytwarzają ciepło, które przekazywane jest do stojana 3. W przypadku prezentowanego przykładu wykonania obudowa silnika 5 nie posiada jednak ścianki rurowej, która zapobiegałaby promieniowaniu ciepła, dzięki czemu ciepło przekazywane do stojana 3 jest uwalniane bezpośrednio przez otwór pomiędzy parą płyt końcowych 51, 52 utrzymujących stojan 3 pomiędzy sobą, dzięki czemu uzwojenia 32 nie przegrzewają się.

Zgodnie z tym przykładem wykonania, jednakże, wiele jednostek 31c, z których każda obejmuje określoną liczbę wyciętych płyt metalowych 31a, jest układanych w stos, przesuniętych względem siebie o ustalony kąt, tak aby uzyskać stos płyt metalowych 31 o jednolitej grubości na całym obwodzie w możliwie największym stopniu. Nawet jeśli płyty końcowe 51, 52 zostaną zamocowane poprzez dokręcenie śrub 53 w taki sposób, aby siła docisku śrub działała na stos płyt metalowych 31 w kierunku układania w stos, pierwszej i drugiej płycie końcowej 51, 52 można nadać równoległość z dużą dokładnością.  Dzięki temu wirnik 4 może obracać się płynnie, co jest możliwe dzięki lepszemu równoległości łożysk podtrzymujących przeciwległe końce obracającego się wału 44 wirnika 4.

Rys.6 przedstawia przykład wykonania zespołu piasty 2 zawierającego silnik 9 mający wirnik 4 typu zewnętrznego.  FIG. 7 przedstawia widok perspektywiczny zespołu piasty 2 z usuniętym głównym korpusem piasty 71.  Wałek podporowy mocujący 57 umieszczony jest na osi piasty 7 i umożliwia obrót względem piasty 7. Wał podporowy 57 ma jeden koniec przechodzący przez rurowy blok 34 i do niego zamocowany, a drugi koniec przechodzący przez łożysko 75 umieszczone w środku płyty zamykającej 72 głównego korpusu piasty 71 i wystający na zewnątrz z piasty 7. Silnik 9 ma stojan 3 przymocowany do wewnętrznego końca bloku 34 za pomocą śrub 53d.

Wirnik 4 silnika 9 obejmuje cylinder 47 umieszczony wokół stojana 3, rurowy wał obrotowy 44, który może obracać się wokół wału podporowego 57 i do którego przymocowana jest płyta końcowa 48 na jednym końcu cylindra 47, oraz magnesy trwałe 43 umieszczone na wewnętrznej powierzchni cylindra 47 z biegunami N i S rozmieszczonymi naprzemiennie obwodowo wokół cylindra 47.

Koło słoneczne 60 zamontowane na jednym końcu rurowego wału obrotowego 44 obsługuje mechanizm redukcji przekładni planetarnej 6, a obrót przekładni planetarnej 65 jest przenoszony na zęby wewnętrzne 66a piasty 7 po zmniejszeniu prędkości, aby obracać piastę 7 ze zmniejszoną prędkością w taki sam sposób, jak w zespole piasty 2 pokazanym na FIG. 2. W przypadku zespołu piasty 2 pokazanego na FIG. 6 można zrezygnować z obudowy silnika 5, a wirnik 4 może mieć mniejszą masę, co dodatkowo zmniejsza masę zespołu piasty 2.

Silnik typu HUB – wiedza w pigułce / Lekcja 8 https://youtu.be/VBveBO9l-KA

Silnik typu HUB, czyli silnik w piaście (hub-drive), to typ napędu rowerowego, w którym silnik elektryczny jest zintegrowany z piastą jednego z kół. Jest to jedno z najpopularniejszych rozwiązań w rowerach elektrycznych, cenione za prostotę konstrukcji, niższą cenę, łatwość konserwacji i cichą pracę. Napęd hub-drive jest idealny do spokojnej, miejskiej jazdy i codziennego użytkowania, ale może być mniej wydajny niż silnik centralny (mid-drive) w wymagających warunkach, takich jak jazda po górach. 

Silnik przekładniowy za 700zł MXUS XF15C // Co ma w środku?  https://youtu.be/soFaaTb0pS4

Porównanie silników MXUS // przekładniowy vs bez przekładni https://youtu.be/9_HT4gXRGYE

 

   Pierwszy rower ESKA SPORT FAVORIT kupiłem samodzielnie za zarobione pierwsze 150 zł, jako pomocnik geodety na początku lat 60-tych XX wieku. Rower był w systemie wolnobieżnym wiec wymagał dobrych hamulców zaciskowych na oba koła.  Był bardzo lekki ale wymagał dużej sprawności fizycznej podczas jazdy.  Drogi były puste więc przejażdżki rowerowe to była sama przyjemność.  Dzisiaj coraz częściej spotykam rowery elektryczne i hulajnogi więc spróbuje odświeżyć ten temat w patentach. Pierwszy patent z tej branży datuje się na 1895 rok i muszę się przyznać, opis jest niedokładny, co zmusza do wysiłku intelektualnego, żeby zrozumieć istotę wynalazku.

US552271  ELECTRICAL BICYCLE,O, BOLTON, Jr. Data patentu: 31.12.1895r.  Wynalazek dotyczy ulepszenia rowerów elektrycznych. Po pierwsze, obracający się wirnik umieszczony na kole, magnes i części robocze są zamknięte w zewnętrznym pierścieniu oraz płytach bocznych, które chronią części przed wilgocią i brudem. Po drugie, pusta oś, pręty osadzone w materiale izolacyjnym oraz przewody przewodzące przymocowane do wewnętrznego i zewnętrznego końca prętów. Po trzecie, akumulator, reostat umieszczony na kierownicy, powierzchnie łożyskowe na sztycy, punkty styku i przewody przewodzące, które łączą w/w części.

W towarzyszących rysunkach Rys. 1 jest bocznym widokiem  roweru, do którego stosuje się wynalazek.

Rys. 2 jest powiększonym widokiem środkowej części koła silnika, a płyta boczna jest usuwana.

Rys. 3 jest powiększonym pionowym odcinkiem koła silnika.

Rys. 4 jest widokiem z boku jednej z płyt, z czego powstaje twornik.

Rys. 5 to szczegółowy widok odlewu.

Rys. 6 to widok z planu roweru, pokazujący okablowanie.

Rys. 7 to widok szczegółowy pokazujący reostat na uchwycie.

Rys. 8 i 9 są szczegółowymi widokami kontaktów i przestrzeni łożyska na słupku.

Rys. 10 to szczegół pokazujący połączenia przewodów wewnątrz osi koła. 

Kluczowe cechy wynalazku  to:

Akumulator o natężeniu 100 A umieszczony w ramie, napędzający 6-biegunowy silnik prądu stałego  ze szczotkami i komutatorem  w tylnym kole.

Co najważniejsze, był to system z napędem bezpośrednim, co oznacza, że silnik bezpośrednio napędzał koło bez skomplikowanego łańcucha lub przekładni  mechanicznej  połączonej z silnikiem. Rowerzysta kontrolował prędkość za pomocą mechanizmu przepustnicy, co jest podstawową koncepcją, która przetrwała do dziś w rowerach elektrycznych.

Przedstawiony patent  nie był tylko przelotnym pomysłem. To był plan. Wykazano w nim zrozumienie niezbędnych komponentów – źródła zasilania, silnika i sterowania – oraz ich integracji. Chociaż prawdopodobnie nigdy nie był produkowany masowo w formie opatentowanej ze względu na ograniczenia technologiczne epoki, zwłaszcza wagę i wydajność baterii, niezaprzeczalnie położył kamień węgielny pod koncepcję. Stworzył on wizję rozwoju konstrukcji roweru elektrycznego, ponieważ zaproponował  na silnik z napędem bezpośrednim w tylnej piaście, który dziś jest najszerszym i najczęściej używanym typem silnika w konstrukcjach  rowerów.

US1093149  DRIVING MECHANISM FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES, E.W Schneider, Data patentu : 14.04.1914.  potwierdza istotę wcześniejszego wynalazku Boltona Jr. tzn realizacje techniczną silnik prądu stałego w napędzanym kole pojazdu. 

Gdzie: Fig.1 – jest przekrojem silnika prądu stałego w napędzanym kole. Fig.2 – przedstawia przekrój blach twornika i stojana w/w silnika.

W odróżnieniu do klasycznych konstrukcji silników komutatorowych  prądu stałego , wirnik jest zamontowany na stałe na nieruchomej osi koła. Z kolei stator  zamontowany jest obrotowo na łożyskach  osi , która posiada kształt rurowy.

Przestrzeń wewnątrz osi jest wykorzystana do poprowadzenia przewodów zasilających nieruchomo wirnik oraz stator  poprzez komutator, który również jest nieruchomo połączony z wirnikiem.

 

 

 

 

US572036 WHEEL WITH ELECTRICAL MOTOR HUB FOR, VEHICLES, C.Theryc, Data patent: 24.11.1896.

   Przedstawiony wynalazek dotyczy koła pojazdu wyposażonego w środkowy silnik elektryczny, który może być stosowany w pojazdach ogólnie, a w rowerach w szczególności.  Koło to, które może mieć dowolną odpowiednią formę, jak wskazuje poprzednie wyrażenie, posiada silnik elektryczny połączony ze swoją częścią środkową w szczególny sposób, przy czym takie połączenie pozwala na wyeliminowanie aktualnie używanego pomocniczego środka przeniesienia napędu.

Rys. 1 przedstawia przekrój koła i jego środkową część  w płaszczyźnie wzdłużnej  osi  koła;  Rys.2 przedstawia przekrój środkowego silnika elektrycznego w płaszczyźnie poprzecznej do tej osi,; A Rys.3 przedstawia szczegółowy widok mechanizmu napędowego.

Silnik elektryczny składa się z dynama, którego wirnik A B obraca się w polu magnetycznym wytworzonym przez bieguny C. Wirnik zamocowany jest na osi D koła roweru, które jest podtrzymywane, jak zwykle, przez widełki T T’. Oś ta obraca się swobodnie w dwóch łożyskach kulkowych M. Połączenie wirnika A B z osią D odbywa się za pomocą dwóch stożków blokujących D’, wykonanych z materiału izolacyjnego, takiego jak drewno, ebonit itp. Oś D ma na jednym końcu zębatkę K, która zazębia się z kołem pośrednim J, osadzonym na łożysku kulkowym S na sworzniu N,  Ta obudowa I, do której przymocowany jest magnes polowy, jest połączona z jednej strony z obręczą za pomocą szprych R R’, których końce są osadzone w uszach o lub otworach w kołnierzu obudowy I, a z drugiej strony jest osadzona na osi D, wokół której obraca się swobodnie za pośrednictwem obudów łożysk kulkowych H, H’.

Przewodniki elektryczne doprowadzające prąd do silnika przechodzą przez widełki T i kończą się dwiema szczotkami węglowymi  t, t2 ,  które ocierają się o koncentryczne pierścienie g1,g2 ’, które są zamocowane na końcu obudowy  I, aby się tam poruszać. Dwa pierścienie  g1,g2 są połączone odpowiednio z uchwytami szczotek G za pomocą przewodników  g3,g4″. Pierścienie są oczywiście izolowane od reszty skrzynki i dostarczają prąd tylko do uchwytów szczotek G. Uchwyty szczotek są połączone elektrycznie z komutatorem E silnika za pomocą szczotek węglowych lub gum F, które są dociskane do komutatora przez sprężyny ściskające spiralne g.

Z powyższego opisu łatwo zrozumieć, że prąd pochodzący z dowolnego odpowiedniego źródła energii elektrycznej w rowerze i wpływający do wirnika poprzez opisane połączenia wprawia wirnik w ruch. Wirnik przekazuje swój ruch poprzez ciąg epicykloidalny K J L w odwrotnym kierunku do obudowy I,  która przenosi ze sobą magnes polowy A’ B’, która jest do  przymocowany do  obręcz koła za pomocą szprych R R’.

DC Motor, How it works? https://youtu.be/LAtPHANEfQo