CN103661762A - 电动助力自行车及其中置电机驱动*** - Google Patents

Abstract

本发明提供电动助力自行车及其中置电机驱动***，包括第一端盖组件、第二端盖组件、壳体组件、力矩传感器、电机组件、中轴组件、行星减速机构、离合器机构以及牙盘链轮组件；力矩传感器组件连接于中轴组件，力矩传感器组件用于检测人力产生的扭矩；电机组件包括电机定子以及电机外转子；电机定子连接于第一端盖组件，电机外转子连接于中轴组件；行星减速机构的输入端连接在电机外转子上，输出端连接在离合器组件上；离合器组件连接于中轴组件；牙盘链轮组件连接于离合器组件。本发明能够实现电机助力和人力踩踏共同驱动的目的，使骑行过程省力且节能。

Description

电动助力自行车及其中置电机驱动***

技术领域

本发明涉及电机驱动装置，尤其涉及一种带力矩传感器的电动助力自行车用的中置电机驱动***及电动助力自行车。

背景技术

传统的电动自行车都是由骑乘者的踩踏力量外加轮毂电动机所提供的电助力而获得前进的动力，使得电助力自行车不会对骑乘者的体力造成太大的负担，并且在休闲之余还能达到健身的效果。但是由于现有技术大多是以轮毂电机的形式直接驱动前轮或者后轮，轮毂电机属于低速电机，在启动的瞬间转速较低，启动电流较大，另外在低速情况下效率较低导致电动自行车电池续航里程不足；此外，在纯人力踩踏情况下，电机转子会跟着轮子跟转，电机线圈会产生反向电磁阻力，造成骑行者在纯人力情况下较为费力；电机输出功率不能随人力踩踏力度的大小而改变，导致电机不能长期运行在高效区。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种符合人们一般骑乘方式的带力矩传感器的电动助力自行车用的中置电机驱动***，该***具有体积紧凑、爬坡能力强劲、效率高、带力矩传感器智能调节动力等优点。

根据本发明提供的电动助力自行车用的中置电机驱动***，包括第一端盖组件101、第二端盖组件108、壳体组件104、力矩传感器102、电机组件103、中轴组件105、行星减速机构106、离合器机构107以及牙盘链轮组件109；

第一端盖组件101、壳体组件104、第二端盖组件108依次连接构成驱动***外壳；力矩传感器102、电机组件103、中轴组件105、行星减速机构106、离合器机构107安装在所述驱动***外壳内；

力矩传感器组件102连接于中轴组件105，力矩传感器组件102用于检测人力产生的扭矩；

电机组件103包括电机定子5以及电机外转子7；电机定子5连接于第一端盖组件101，电机外转子7连接于中轴组件105；

行星减速机构106的输入端连接在电机外转子7上，输出端连接在离合器组件107上；

离合器组件107连接于中轴组件105；

牙盘链轮组件109连接于离合器组件107。

优选地，力矩传感器组件102包括轴式力矩感应器和/或速度感应传感器，中轴组件105包括中轴1；轴式力矩感应器、速度感应传感器分别安装于中轴1上。

优选地，电机组件103还包括定子支架4、第一轴承28以及第二轴承29，中轴组件105包括中轴1；

电机定子5通过定子支架4安装在第一端盖组件101上，电机外转子7通过第一轴承28与中轴1连接，电机外转子7通过第二轴承29安装在定子支架4上。

优选地，行星减速机构106包括一级行星轮系、二级行星轮系、共用内齿轮9以及行星支架10，共用内齿轮9安装在所述驱动***外壳上；

一级行星轮系包括一级中心太阳轮27以及一级行星轮26；一级中心太阳轮27安装在电机外转子7轴向面上作为输入端，一级行星轮26安装在行星支架10上，电机组件(103)带动一级中心太阳轮27旋转，一级中心太阳轮27通过一级行星轮26带动行星支架10减速运行，实现一级减速；

二级行星轮系包括二级中心太阳轮24以及二级行星轮25；二级中心太阳轮24安装在行星支架10上，二级行星轮25安装在离合器机构107的离合器的外圈11上，二级中心太阳轮24随着行星支架10旋转，并通过二级行星轮25带动离合器外圈11旋转，实现二级减速；

一级行星轮26和一级中心太阳轮27外啮合、和共用内齿轮9内啮合，一级行星轮26安装在一级中心太阳轮27和共用内齿轮9之间，二级行星轮25和二级中心太阳轮24外啮合、和共用内齿轮9内啮合，二级行星轮25安装在二级中心太阳轮24和共用内齿轮9之间。

优选地，离合器机构107包括离合器外圈11、离合器中圈17、离合器内衬21；中轴组件105包括中轴1；

离合器外圈11与行星减速机构106相连，离合器中圈17通过离合器内衬21与中轴1相连；

当电机组件103通过行星减速机构106带动离合器外圈11的旋转速度大于牙盘链轮组件109转速时，离合器外圈11和离合器中圈17啮合，离合器内衬21和离合器中圈17脱离，离合器外圈11带动离合器中圈17旋转，进一步带动压装在离合器中圈17上的牙盘链轮组件109旋转，最终实现电机驱动；

当人力踩踏中轴1的转速大于牙盘链轮组件109转速时，离合器内衬21和离合器中圈17啮合，离合器外圈11和离合器中圈17脱离，离合器内衬21带动离合器中圈17旋转，进一步带动压装在离合器中圈17上的牙盘链轮组件109旋转，最终实现人力驱动。

优选地，电机组件103的类型为外转子永磁无刷直流电机。

优选地，行星减速机构106采用两个NEW型行星减速机构串联并共用内齿圈的结构。

优选地，离合器机构107为楔块式双向离合器。

优选地，离合器外圈11带法兰面且带有螺纹孔用来固定行星减速机构106的行星轮。

本发明提供的电动助力自行车，包括上述的中置电机驱动***。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用力矩传感器和控制器相结合的智能控制***，人力踩踏脚踏曲柄对中置造成的扭曲变形，力矩传感器将扭曲变形量转换为与电信号线性相关的电压信号。力矩传感器检测踩踏力大小，速度传感器检测踩踏速度大小，两种信号经过通讯接口传给控制器，控制器对两种信号进行分析处理后确定电机的输出扭矩和转速，最终实现电机助力和人力踩踏共同驱动的目的，使骑行过程省力且节能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的结构示意图；

图2为本发明的***图。

图中：

101为第一端盖组件；

102为力矩传感器组件；

103为电机组件；

104为壳体组件；

105为中轴组件；

106为行星减速机构；

107为离合器组件；

108为第二端盖组件；

109为牙盘链轮组件；

1为中轴；

2为左端盖；

3为力矩传感器；

4为定子支架；

5为电机定子；

6为机壳；

7为电机外转子；

8为磁钢；

9为共用内齿轮；

10为行星支架；

11为离合器外圈；

12为第三轴承；

13为右端盖；

14为牙盘；

15为第四轴承；

16为牙盘锁紧螺钉；

17为离合器中圈；

18为第五轴承；

19为牙盘螺母；

20为第六轴承；

21为离合器内衬；

22为牙盘支架；

23为第七轴承；

24为二级中心太阳轮；

25为二级行星轮；

26为一级行星轮；

27为一级中心太阳轮；

28为第一轴承；

29为第二轴承；

30为第八轴承。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明所述的电机驱动***通过扭矩传感器102检测人力踩踏产生的扭矩，根据踩踏力大小控制电机按比例输出驱动扭矩，从而实现人力踩踏力矩越高，电机按照程序设定的比例输出扭矩越大，实现电机助力驱动的功能，且人力与电机助力共同驱动可以保证电机一直在高效区运行，达到节能的目的。

下面结合具体附图给出的实施例对本发明作出进一步描述：

本发明包括壳体组件104、电机组件103、中轴组件105、行星减速机构106、离合器机构107、第一端盖组件101、第二端盖组件108、力矩传感器102以及牙盘链轮组件109。壳体组件104包括外壳6，第一端盖组件101包括左端盖2，第二端盖组件108包括右端盖13。

电机组件103主要由电机外转子7和电机定子5构成，电机外转子7和电机定子5之间设置有磁钢8。

电机定子5通过定子支架4固定在左端盖2上，左端盖2固定在机壳6上，电机外转子7通过第一轴承28与中轴1连接。

力矩传感器组件102固定在中轴1上，控制器通过力矩传感器组件102来检测人力产生的扭矩；行星减速机构106采用两个NEW型行星减速机构串联并共用内齿圈的结构；行星减速机构106输入端固定在电机外转子7上，输出端固定在离合器组件107上。

二级行星轮25固定在离合器组件107上，离合器中圈17通过离合器内衬21与中轴1相连，牙盘链轮组件109通过牙盘螺母19固定在双向超越离合器中圈17上。

所述的行星减速机构106具有一级行星轮系和二级行星轮系，一级行星轮系包括一级中心太阳轮27、一级行星轮26、共用内齿轮9，所述一级中心太阳轮27的一端有法兰面特征，固定在电机外转子7轴向面上作为输入端，共用内齿轮9固定在机壳6上，一级行星轮26固定在行星支架10上，电机103带动一级太阳轮27旋转，一级太阳轮27通过一级行星轮26带动行星支架10减速运行，实现一级减速。二级行星轮系包括二级中心太阳轮24、二级行星轮25、共用内齿轮9，二级中心太阳轮24固定在行星支架10上，二级行星轮25固定在离合器的外圈11上，二级中心太阳轮24随着行星支架10旋转，通过二级行星轮25带动离合器外圈11旋转，实现二级减速。

所述的离合器机构107为楔块式双向离合器，双向离合器外圈11带法兰面且带有螺纹孔用来固定行星轮，双向离合器中圈17通过离合器内衬21与中轴1相连，双向离合器外圈11与二级行星轮25相连。

双向离合实现方式如下：当电机组件103通过行星减速机构106带动离合器外圈11的旋转速度大于牙盘链轮组件109转速时，离合器外圈11和离合器中圈17啮合，离合器内衬21和离合器中圈17脱离，离合器外圈11带动离合器中圈17旋转，进一步带动压装在离合器中圈17上的牙盘链轮组件109旋转，最终实现电机驱动；当人力踩踏中轴1的转速大于牙盘链轮组件109转速时，离合器内衬21和离合器中圈17啮合，离合器外圈11和离合器中圈17脱离，离合器内衬21带动离合器中圈17旋转，进一步带动压装在离合器中圈17上的牙盘链轮组件109旋转，最终实现人力驱动。

根据本发明提供的电动助力自行车，其采用所述中置电机驱动***，因此可以在三种不同模式下驱动：电机驱动模式、人力骑行模式和助力骑行模式。

电机驱动模式：当电机组件103通电后，电机外转子7在电磁感应产生的电磁力的作用下带动一级中心太阳轮27旋转，一级中心太阳轮27通过一级行星轮26带动行星支架10运转，二级中心太阳轮24固定在行星支架10上，二级中心太阳轮24随着行星支架10运转，二级中心太阳轮24通过二级行星轮25带动双向超越离合器外圈11运转，离合器外圈11与离合器中圈17此时处于啮合状态，离合器中圈17在离合器外圈11的带动下旋转，离合器中圈17与离合器内衬21此时处于脱离状态，中轴1不会跟着电机外转子7运转，牙盘链轮组件109在牙盘螺母19的作用下与离合器中圈17固定在一起，牙盘链轮组件109随着离合器中圈17一起旋转，最终实现牙盘链轮组件109的运转，达到电动驱动的作用，实现电动自行车在电机驱动下正常行驶。

人力骑行模式：电机组件103不通电，电机组件103不工作，人力踩踏踏板带动中轴1，中轴1带动离合器内衬21，离合器内衬21与离合器中圈17处于啮合状态，离合器中圈17随着中轴1一起旋转，此时离合器中圈17与离合器外圈11处于脱离状态，离合器外圈11不会跟着中轴1旋转，牙盘链轮组件109在牙盘螺母19的作用下与离合器中圈17固定在一起，牙盘链轮组件109随着离合器中圈17一起旋转，最终实现牙盘链轮组件109的运转，达到人力骑行目的，实现人力驱动下正常行驶。

助力骑行模式：此模式为前述两种模式共同作用，电机组件103通电运行的同时，骑行者也人力踩踏驱动电机。人力踩踏中轴1，中轴1在踩踏力的作用下发生形变，力矩传感器组件102通过检测分析形变量检测到中轴1的踩踏力，控制器通过信号处理驱动电机组件103运转。当电机组件103通过行星减速机构106带动离合器外圈11的转速大于牙盘链轮组件109转速时，离合器外圈11和离合器中圈17啮合，实现电机驱动；当人力踩踏中1的转速大于牙盘链轮组件109转速时，离合器内衬21和离合器中圈17啮合，实现人力驱动。在助力骑行模式下电机驱动和人力驱动交替进行，最终实现电机驱动和人力驱动的效果叠加，骑行者在长途骑行或者爬坡时不会感觉非常吃力。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种中置电机驱动***，其特征在于，包括第一端盖组件（101）、第二端盖组件（108）、壳体组件(104)、力矩传感器组件（102）、电机组件(103)、中轴组件（105）、行星减速机构（106）、离合器机构（107）以及牙盘链轮组件（109）；

第一端盖组件（101）、壳体组件(104)、第二端盖组件（108）依次连接构成驱动***外壳；力矩传感器组件（102）、电机组件(103)、中轴组件（105）、行星减速机构（106）、离合器机构（107）安装在所述驱动***外壳内；

力矩传感器组件（102）连接于中轴组件（105），力矩传感器组件（102）用于检测人力产生的扭矩；

电机组件（103）包括电机定子（5）以及电机外转子（7）；电机定子（5）连接于第一端盖组件（101），电机外转子（7）连接于中轴组件（105）；

行星减速机构(106)的输入端连接在电机外转子（7）上，输出端连接在离合器组件(107)上；

离合器组件(107)连接于中轴组件（105）；

牙盘链轮组件（109）连接于离合器组件(107)。

2.根据权利要求1所述的中置电机驱动***，其特征在于，力矩传感器组件（102）包括轴式力矩感应器和/或速度感应传感器，中轴组件（105）包括中轴（1）；轴式力矩感应器、速度感应传感器分别安装于中轴（1）上。

3.根据权利要求1所述的中置电机驱动***，其特征在于，电机组件（103）还包括定子支架（4）、第一轴承（28）以及第二轴承（29），中轴组件（105）包括中轴（1）；

电机定子（5）通过定子支架（4）安装在第一端盖组件（101）上，电机外转子（7）通过第一轴承（28）与中轴（1）连接，电机外转子（7）通过第二轴承（29）安装在定子支架（4）上。

4.根据权利要求1所述的中置电机驱动***，其特征在于，行星减速机构（106）包括一级行星轮系、二级行星轮系、共用内齿轮（9）以及行星支架（10），共用内齿轮（9）安装在所述驱动***外壳上；

一级行星轮系包括一级中心太阳轮（27）以及一级行星轮（26）；一级中心太阳轮（27）安装在电机外转子（7）轴向面上作为输入端，一级行星轮（26）安装在行星支架（10）上，电机组件(103)带动一级中心太阳轮（27）旋转，一级中心太阳轮（27）通过一级行星轮（26）带动行星支架（10）减速运行，实现一级减速；

二级行星轮系包括二级中心太阳轮（24）以及二级行星轮（25）；二级中心太阳轮（24）安装在行星支架（10）上，二级行星轮（25）安装在离合器机构（107）的离合器的外圈（11）上，二级中心太阳轮（24）随着行星支架（10）旋转，并通过二级行星轮（25）带动离合器外圈（11）旋转，实现二级减速；

一级行星轮（26）和一级中心太阳轮（27）外啮合，并且和共用内齿轮（9）内啮合，一级行星轮（26）安装在一级中心太阳轮（27）和共用内齿轮（9）之间；二级行星轮（25）和二级中心太阳轮（24）外啮合，并且和共用内齿轮（9）内啮合，二级行星轮（25）安装在二级中心太阳轮（24）和共用内齿轮（9）之。

5.根据权利要求1所述的中置电机驱动***，其特征在于，离合器机构（107）包括离合器外圈（11）、离合器中圈(17)、离合器内衬（21）；中轴组件（105）包括中轴（1）；

离合器外圈（11）与行星减速机构（106）相连，离合器中圈(17)通过离合器内衬（21）与中轴（1）相连；

当电机组件(103)通过行星减速机构（106）带动离合器外圈（11）的旋转速度大于牙盘链轮组件（109）转速时，离合器外圈（11）和离合器中圈（17）啮合，离合器内衬（21）和离合器中圈（17）脱离，离合器外圈（11）带动离合器中圈（17）旋转，进一步带动压装在离合器中圈（17）上的牙盘链轮组件（109）旋转，最终实现电机驱动；

当人力踩踏中轴（1）的转速大于牙盘链轮组件（109）转速时，离合器内衬（21）和离合器中圈（17）啮合，离合器外圈（11）和离合器中圈（17）脱离，离合器内衬（21）带动离合器中圈（17）旋转，进一步带动压装在离合器中圈（17）上的牙盘链轮组件（109）旋转，最终实现人力驱动。

6.根据权利要求1所述的中置电机驱动***，其特征在于，电机组件（103）的类型为外转子永磁无刷直流电机。

7.根据权利要求1所述的中置电机驱动***，其特征在于，行星减速机构（106）采用两个NEW型行星减速机构串联并共用内齿圈的结构。

8.根据权利要求1所述的电动助力自行车用的中置电机驱动***，其特征在于，离合器机构（107）为楔块式双向离合器。

9.根据权利要求5所述的中置电机驱动***，其特征在于，离合器外圈（11）带法兰面且带有螺纹孔用来固定行星减速机构（106）的行星轮。

10.一种电动助力自行车，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的中置电机驱动***。

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