CN106143777A - 一种电动助力车中置电机及其力矩检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动助力车中置电机的力矩检测装置，其包括穿设在自行车五通管中的中轴，所述中轴上依次套设有滑环转动部分、力矩信号发生介质和单向轴承固定座；力矩信号发生介质固定安装在所述中轴上，所述的滑环转动部分和单向轴承固定座均固定安装在所述力矩信号发生介质上；还包括用于检测所述力矩信号发生介质的变形量来输出实时电压信号的力矩信号感应器；所述中轴上还套设有与中置电机的控制器相连接的滑环固定部分，所述滑环固定部分固定在所述自行车五通管的壳体上。本发明的力矩检测装置能实时准确的将人力蹬踏的力矩值转换成电压信号传送给控制器，使控制器能更合理的分配电机助力，达到骑行舒适，节能环保的目的。

Description

一种电动助力车中置电机及其力矩检测装置

技术领域

本发明涉及一种电动助力车中置电机及其力矩检测装置。

背景技术

电动助力车又称助力式电动自行车，是通过电力辅助人力提供给自行车行进中所需要的动能，它节能、环保、轻便、安全；目前，电动助力车在国外市场，如欧洲、日本等国家比较流行。在我国，电动自行车仍占有主要市场，且大多数都采用的是轮毂式驱动，轮毂式驱动是将电机安置于电动车车体前轮或后轮，造成整车重心偏前或偏后，不符合人们的骑行方式。而且轮毂电机的安装方式还使得检修的难度增大，增加了使用成本。使用中置电机的电动助力车将会克服上述缺陷，更能满足人们的出行需求。

电动助力车中置电机的核心部件是力矩检测装置。目前用于电动助力车中置电机的力矩检测装置多为霍尔转速传感器，这种传感器用来检测人脚蹬踏的速度信号，控制器根据此速度信号控制电机按照比例输出功率。蹬踏的速度快，电机输出功率大，蹬踏速度慢，电机输出功率小；在平路上骑行能达到助力效果，但是在重载或者爬坡的情况下，由于蹬踏速度慢，电机输出的功率小，就无法达到助力的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种电动助力车中置电机及其力矩检测装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种电动助力车中置电机的力矩检测装置，其包括穿设在自行车五通管中的中轴，所述中轴上依次套设有滑环转动部分、力矩信号发生介质和单向轴承固定座；力矩信号发生介质固定安装在所述中轴上，所述的滑环转动部分和单向轴承固定座均固定安装在所述力矩信号发生介质上；还包括用于检测所述力矩信号发生介质的变形量来输出实时电压信号的力矩信号感应器；所述中轴上还套设有与中置电机的控制器相连接的滑环固定部分，所述滑环固定部分固定在所述自行车五通管的壳体上。

进一步地，还包括用于检测人力蹬踏的频率以及中轴旋转方向的速度感应霍尔模块，所述速度感应霍尔模块通过引线与中置电机的控制器相连接。

进一步地，所述速度感应霍尔模块固定安装在自行车五通管的壳体上。

进一步地，所述力矩信号发生介质的材料为钢材。

进一步地，所述钢材为弹簧钢。

一种电动助力车中置电机，包括安装在所述单向轴承固定座上的第一单向轴承，所述第一单向轴承上安装有二级传递大齿轮，所述二级传递大齿轮上固定安装有齿盘，所述齿盘通过链条与电动助力车后轮毂连接。

进一步地，该中置电机还包括电机总成，所述电机总成包括转子、定子和磁钢，所述定子固定安装在定子安装腔内，所述转子固定安装在转子轴上，所述转子轴两端通过轴承安装在所述自行车五通管的壳体上，所述磁钢固定安装在所述转子上；所述转子轴作为主动轮带动一级传递大齿轮转动；所述第二单向轴承外壁固定在所述一级传递大齿轮上，内孔安装有二级传递小齿轮。

进一步地，所述自行车五通管的壳体通过第一锁紧螺母和第二锁紧螺母固定在自行车车架上。

进一步地，所述控制器固定安装在所述自行车五通管的壳体上。

进一步地，所述力矩信号感应器固定安装在所述力矩信号发生介质的腔体内。

本发明的电机总成包括电机定子、电机转子以及与转子连接的转子轴，传动总成是二级传动减速结构，在第一级传动的大齿轮内设有单向轴承，起到在人力踩踏时电机转子不跟转的目的；力矩检测装置是一种压变式传感器，利用钢材受力变形的特性在其腔体内安装检测此种变形量的传感器来将人力蹬踏的力矩值转化为电压信号，再传送到控制器，力矩检测装置还包含一组滑环，滑环的作用是将电压信号实时的传输给控制器，力矩检测装置还包含速度霍尔检测模块，用来检测人力蹬踏的频率和中轴旋转方向。

检测踏频的目的是弥补力矩信号模式下骑行时的顿挫感，因为助力自行车在骑行时，骑行者在地面水平方向±45°是能够施加蹬踏力的，而在垂直地面方向时是无法施加蹬踏力的，如果控制器直接根据力矩信号控制电机输出，在骑行者蹬踏到地面垂直方向时电机不输出功率，骑行者蹬踏一圈就会有180°的区域电机不输出功率，这样在骑行时就会有时断时续的骑行感觉，顿挫感很明显，为了弥补这个180°区域空档，控制器会根据检测到的踏频信号控制电机稳定输出一个功率，这样在骑行者蹬踏一圈时就不会有电机输出功率不连续的感觉了。

检测中轴的旋转方向目的是增加骑行的安全性，检测到中轴正转时，电机正常输出，检测到中轴反转时控制***立马切断电机输出，增加骑行舒适度；控制器是安装在电机壳体上的，完善了电机的功能，集成度也更高；齿盘是中置电机的输出部件，通过链条与助力自行车的后轮连接，齿盘被固定在齿轮减速部分的第二级减速齿轮的大齿轮上。

工作原理：

人力蹬踏电动助力车时，中轴跟随旋转，力矩信号发生介质是固定安装在中轴上的，滑环转动部分是固定安装在力矩信号发生介质上的，单向轴承固定座是固定安装在力矩信号发生介质上的，所以中轴、力矩信号发生介质、滑环转动部分、单向轴承固定座一体旋转；。

单向轴承固定座上安装有第一单向轴承，第一单向轴承上安装有二级传递大齿轮，齿盘是固定安装在二级传递大齿轮上的。单向轴承固定座正转时，第一单向轴承单向传递力矩，单向轴承固定座反转时第一单向轴承离合。所以中轴在正转时，力矩信号发生介质、滑环转动部分、单向轴承固定座、第一单向轴承、二级传递大齿轮、齿盘一体旋转，最后齿盘通过链条将蹬踏力矩传递到电动助力车后轮毂上。力矩信号发生介质在传递力矩的同时，随着传递力矩的大小发生相应的形变，此形变会根据施加力矩的大小线性变化，力矩信号感应器根据形变量实时输出电压信号，此信号值是随力矩信号发生介质形变量的大小线性变化的，根据两者线性变化量的关系能够准确的换算出人力蹬踏力矩的大小，然后再建立数学模型存储到控制器中；电压信号通过滑环转动部分传递到滑环固定部分上，滑环固定部分上有信号引出线与控制器连接。

速度感应霍尔模块是固定安装在自行车五通管的壳体上的，速度感应霍尔模块采集的信号直接通过引线传输到控制器中，控制器汇总力矩信号感应器和速度感应霍尔模块的信号值，能判断出人力蹬踏的力矩，然后控制电机按照人力蹬踏力矩：电机输出功率＝1:1或者1:1.5或者1:2输出功率，实现助力效果。控制器控制电机输出功率的过程：定子固定安装在自行车五通管的壳体上，磁钢被固定安装在转子上，转子轴固定安装在转子上，转子轴两端通过轴承安装在壳体上，控制器进入工作状态后转子、磁钢、转子轴转动，转子轴作为主动轮带动一级传递大齿轮转动，第二单向轴承内孔安装有二级传递小齿轮，第二单向轴承的外壁固定安装在一级传递大齿轮上，转子轴带动一级传递大齿轮转动时，第二单向轴承与二级传递小齿轮单向锁死一体转动，此时二级传递小齿轮作为主动轮带动二级传递大齿轮转动，齿盘与二级传递大齿轮一体转动，齿盘通过链条与电动助力车后轮连接，至此电机输出功率传递到电动助力车后轮毂上。

第二单向轴承和第一单向轴承工作状态：人力蹬踏中轴正转时，第一单向轴承锁死，二级传递大齿轮一体转动，带动二级传递小齿轮转动，二级传递小齿轮和一级传递大齿轮中间安装有第二单向轴承，第二单向轴承反向离合，一级传递大齿轮不跟随转动，成功将转子、磁钢和二级传递小齿轮分离，分离的好处是：阻断磁钢与定子之间的磁滞效应，提供人力蹬踏效率。电机总成在工作时，转子轴带动一级传递大齿轮转动，第二单向轴承与二级传递小齿轮单向锁死一体转动，二级传递小齿轮带动二级传递大齿轮转动，二级传递大齿轮与单向轴承固定座之间安装有第一单向轴承，由于第一单向轴承反向离合，单向轴承固定座不跟随转动，成功将电机总成与中轴分离，分离的好处是：防止电机总成工作时中轴跟转，如果中轴跟转骑行者双脚就会一起运动，在骑行时是很危险的。

本发明所达到的有益效果是：

本发明的力矩检测装置采用的是一种压变式的传感器，力矩传递介质为钢材，此种钢材选用的是内部分子结构稳定，抗拉强度和屈服强度都高于普通钢材的材料；力矩传感器能实时准确的将人力蹬踏的力矩值转换成电压信号传送给控制器，使控制器能更合理的分配电机助力，达到骑行舒适，节能环保的目的。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明力矩检测装置的结构示意图；

图2是本发明中置电机的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，本发明一种电动助力车中置电机的力矩检测装置，其包括穿设在自行车五通管3中的中轴2，所述中轴2上依次套设有滑环转动部分402、力矩信号发生介质403和单向轴承固定座404；力矩信号发生介质403固定安装在所述中轴2上，所述的滑环转动部分402和单向轴承固定座404均固定安装在所述力矩信号发生介质403上；还包括用于检测所述力矩信号发生介质403的变形量来输出实时电压信号的力矩信号感应器4031；所述中轴2上还套设有与中置电机的控制器601相连接的滑环固定部分401，所述滑环固定部分401固定在所述自行车五通管3的壳体301上。

在本实施例中，还包括用于检测人力蹬踏的频率以及中轴2旋转方向的速度感应霍尔模块405，所述速度感应霍尔模块405通过引线与中置电机的控制器601相连接。

在本实施例中，所述速度感应霍尔模块405固定安装在自行车五通管3的壳体301上。

在本实施例中，所述力矩信号发生介质403的材料为弹簧钢。

弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。钢的弹性取决于其弹性变形的能力，即在规定的范围之内，弹性变形的能力使其承受一定的载荷，在载荷去除之后不出现永久变形。

弹簧钢具有优良的综合性能，如力学性能(特别是弹性极限、强度极限、屈强比)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。为了满足上述性能要求，弹簧钢具有优良的冶金质量(高的纯洁度和均匀性)、良好的表面质量(严格控制表面缺陷和脱碳)、精确的外形和尺寸。

一种电动助力车中置电机，其包括安装在所述单向轴承固定座404上的第一单向轴承505，所述第一单向轴承505上安装有二级传递大齿轮504，所述二级传递大齿轮504上固定安装有齿盘701，所述齿盘701通过链条与电动助力车后轮毂连接。

在本实施例中，电动助力车中置电机还包括电机总成，所述电机总成包括转子101、定子103和磁钢102，所述定子103固定安装在定子安装腔105内，所述转子101固定安装在转子轴104上，所述转子轴104两端通过轴承安装在所述自行车五通管3的壳体301上，所述磁钢102固定安装在所述转子101上；所述转子轴104作为主动轮带动一级传递大齿轮501转动；所述第二单向轴502承外壁固定在所述一级传递大齿轮501上，内孔安装有二级传递小齿轮503。

在本实施例中，所述自行车五通管3的壳体301通过第一锁紧螺母302和第二锁紧螺母303固定在自行车车架上。

在本实施例中，所述控制器601固定安装在所述自行车五通管3的壳体301上。

在本实施例中，所述力矩信号感应器4031固定安装在所述力矩信号发生介质403的腔体内。

本发明的电机总成包括定子103、转子101以及与转子101连接的转子轴104，传动总成是二级传动减速结构，在第一级传动的大齿轮内设有单向轴承，起到在人力踩踏时电机转子不跟转的目的；力矩检测装置是一种压变式传感器，利用钢材受力变形的特性在其腔体内安装检测此种变形量的传感器来将人力蹬踏的力矩值转化为电压信号，再传送到控制器，力矩检测装置还包含一组滑环，滑环的作用是将电压信号实时的传输给控制器，力矩检测装置还包含速度霍尔检测模块，用来检测人力蹬踏的频率和中轴旋转方向。

检测踏频的目的是弥补力矩信号模式下骑行时的顿挫感，因为助力自行车在骑行时，骑行者在地面水平方向±45°是能够施加蹬踏力的，而在垂直地面方向时是无法施加蹬踏力的，如果控制器直接根据力矩信号控制电机输出，在骑行者蹬踏到地面垂直方向时电机不输出功率，骑行者蹬踏一圈就会有180°的区域电机不输出功率，这样在骑行时就会有时断时续的骑行感觉，顿挫感很明显，为了弥补这个180°区域空档，控制器会根据检测到的踏频信号控制电机稳定输出一个功率，这样在骑行者蹬踏一圈时就不会有电机输出功率不连续的感觉了。

检测中轴的旋转方向目的是增加骑行的安全性，检测到中轴正转时，电机正常输出，检测到中轴反转时控制***立马切断电机输出，增加骑行舒适度；控制器是安装在电机壳体上的，完善了电机的功能，集成度也更高；齿盘是中置电机的输出部件，通过链条与助力自行车的后轮连接，齿盘被固定在齿轮减速部分的第二级减速齿轮的大齿轮上。

工作原理：

人力蹬踏电动助力车时，中轴2跟随旋转，力矩信号发生介质403是固定安装在中轴2上的，滑环转动部分402是固定安装在力矩信号发生介质403上的，单向轴承固定座404是固定安装在力矩信号发生介质403上的，所以中轴2、力矩信号发生介质403、滑环转动部分402、单向轴承固定座404一体旋转。

单向轴承固定座404上安装有第一单向轴承505，第一单向轴承505上安装有二级传递大齿轮504，齿盘701是固定安装在二级传递大齿轮504上的。单向轴承固定座404正转时，第一单向轴承505单向传递力矩，单向轴承固定座404反转时第一单向轴承505离合。所以中轴2在正转时，力矩信号发生介质403、滑环转动部分402、单向轴承固定座404、第一单向轴承505、二级传递大齿轮504、齿盘701一体旋转，最后齿盘701通过链条将蹬踏力矩传递到电动助力车后轮毂上。力矩信号发生介质403在传递力矩的同时，随着传递力矩的大小发生相应的形变，此形变会根据施加力矩的大小线性变化，力矩信号感应器4031根据形变量实时输出电压信号，此信号值是随力矩信号发生介质403形变量的大小线性变化的，根据两者线性变化量的关系能够准确的换算出人力蹬踏力矩的大小，然后再建立数学模型存储到控制器601中；电压信号通过滑环转动部分402传递到滑环固定部分401上，滑环固定部分401上有信号引出线与控制器601连接；速度感应霍尔模块405是固定安装在自行车五通管3的壳体301上的，速度感应霍尔模块405采集的信号直接通过引线传输到控制器601中，控制器601汇总力矩信号感应器4031和速度感应霍尔模块405的信号值，能判断出人力蹬踏的力矩，然后控制电机按照人力蹬踏力矩：电机输出功率＝1:1或者1:1.5或者1:2输出功率，实现助力效果。

控制器601控制电机输出功率的过程：定子103固定安装在自行车五通管3的壳体301上，磁钢102被固定安装在转子101上，转子轴104固定安装在转子101上，转子轴104两端通过轴承安装在壳体301上，控制器601进入工作状态后，转子101、磁钢102、转子轴103转动，转子轴104作为主动轮带动一级传递大齿轮501转动，第二单向轴承502内孔安装有二级传递小齿轮503，外壁固定安装在一级传递大齿轮501上，转子轴104带动一级传递大齿轮501转动时，第二单向轴承502与二级传递小齿轮503单向锁死一体转动，此时二级传递小齿轮503作为主动轮带动二级传递大齿轮504转动，齿盘701与二级传递大齿轮504一体转动，齿盘701通过链条与电动助力车后轮连接，至此电机输出功率传递到电动助力车后轮毂上。

第二单向轴承和第一单向轴承工作状态：人力蹬踏中轴2正转时，第一单向轴承505锁死，二级传递大齿轮504一体转动，带动二级传递小齿轮503转动，二级传递小齿轮503和一级传递大齿轮501中间安装有第二单向轴承502，第二单向轴承502反向离合，一级传递大齿轮501不跟随转动，成功将转子101、磁钢102和二级传递小齿轮503分离，分离的好处是：阻断磁钢102与定子103之间的磁滞效应，提供人力蹬踏效率。

电机总成在工作时，转子轴104带动一级传递大齿轮501转动，第二单向轴承502与二级传递小齿轮503单向锁死一体转动，二级传递小齿轮503带动二级传递大齿轮504转动，二级传递大齿轮504与单向轴承固定座404之间安装有第一单向轴承505，由于第一单向轴承505反向离合，单向轴承固定座404不跟随转动，成功将电机总成与中轴2分离，分离的好处是：防止电机总成工作时中轴2跟转，如果中轴2跟转骑行者双脚就会一起运动，在骑行时是很危险的。

本发明的力矩检测装置采用的是一种压变式的传感器，力矩传递介质为钢材，此种钢材选用的是内部分子结构稳定，抗拉强度和屈服强度都高于普通钢材的材料；力矩传感器能实时准确的将人力蹬踏的力矩值转换成电压信号传送给控制器，使控制器能更合理的分配电机助力，达到骑行舒适，节能环保的目的。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动助力车中置电机的力矩检测装置，其特征在于，包括穿设在自行车五通管中的中轴，所述中轴上依次套设有滑环转动部分、力矩信号发生介质和单向轴承固定座；力矩信号发生介质固定安装在所述中轴上，所述的滑环转动部分和单向轴承固定座均固定安装在所述力矩信号发生介质上；还包括用于检测所述力矩信号发生介质的变形量来输出实时电压信号的力矩信号感应器；所述中轴上还套设有与中置电机的控制器相连接的滑环固定部分，所述滑环固定部分固定在所述自行车五通管的壳体上。

2.根据权利要求1所述的一种电动助力车中置电机的力矩检测装置，其特征在于，还包括用于检测人力蹬踏的频率以及中轴旋转方向的速度感应霍尔模块，所述速度感应霍尔模块通过引线与中置电机的控制器相连接。

3.根据权利要求1所述的一种电动助力车中置电机的力矩检测装置，其特征在于，所述速度感应霍尔模块固定安装在自行车五通管的壳体上。

4.根据权利要求1所述的一种电动助力车中置电机的力矩检测装置，其特征在于，所述力矩信号发生介质的材料为钢材。

5.根据权利要求4所述的一种电动助力车中置电机的力矩检测装置，其特征在于，所述钢材为弹簧钢。

6.一种具有如权利要求1～5中任一所述的力矩检测装置的电动助力车中置电机，其特征在于，包括安装在所述单向轴承固定座上的第一单向轴承，所述第一单向轴承上安装有二级传递大齿轮，所述二级传递大齿轮上固定安装有齿盘，所述齿盘通过链条与电动助力车后轮毂连接。

7.根据权利要求6所述的一种电动助力车中置电机，其特征在于，还包括电机总成，所述电机总成包括转子、定子和磁钢，所述定子固定安装在定子安装腔内，所述转子固定安装在转子轴上，所述转子轴两端通过轴承安装在所述自行车五通管的壳体上，所述磁钢固定安装在所述转子上；所述转子轴作为主动轮带动一级传递大齿轮转动；所述第二单向轴承外壁固定在所述一级传递大齿轮上，内孔安装有二级传递小齿轮。

8.根据权利要求6所述的一种电动助力车中置电机，其特征在于，所述自行车五通管的壳体通过第一锁紧螺母和第二锁紧螺母固定在自行车车架上。

9.根据权利要求6所述的一种电动助力车中置电机，其特征在于，所述控制器固定安装在所述自行车五通管的壳体上。

10.根据权利要求6所述的一种电动助力车中置电机，其特征在于，所述力矩信号感应器固定安装在所述力矩信号发生介质的腔体内。