CN112660293A - 一种牙盘与中轴传感器异轴的高惯量外转子空冷中置电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牙盘与中轴传感器不同轴心的中置电机和高转速高惯量具有陀螺稳定性的电机结构，以及采用霍尔IC检测对斥磁铁位移的中轴传感器。脚踏扭矩经三个齿轮增速降扭后传给牙盘，电机扭矩经行星减速增扭后经滚针离合器传给牙盘。中轴传感器采用钢珠径向滚动挤压滑环锥面传递扭矩，滑环轴向压缩单片碟簧，推动轴承内圈，轴承外圈带动对斥磁铁轴向位移。定子中心开排气孔，转子带动涡轮，冷空气隔离磁钢与发热的绕组。

Description

一种牙盘与中轴传感器异轴的高惯量外转子空冷中置电机

技术领域

本发明涉及电动自行车技术领域，具体的说是涉及一种牙盘与中轴传感器不同轴心的中置电机和在中轴上测量脚踏扭矩的传感器。

背景技术

在电动自行车领域，中置电机的设计与传统自行车相同，将脚踏扭矩直接作用在牙盘上，牙盘齿数高于飞轮齿数2倍左右，要增速传动，而电机转数高，须减速再传给牙盘，浪费了电机的减速比。

中置电机常用内转子，高转速，高减速比，转子转动惯量小。在电机闭环控制中，负载的转动惯量与转子的转动惯量比值不能太大，因转动惯量与半径的平方成正比，车轮的转动惯量很大，所以电动自行车常采用开环控制，防震荡或嚣叫，并且自行车链条为柔性连接，很难采集车速做闭环控制。如果增大转子惯量，可改善电机的控制，高转速高惯量的转子，具备陀螺的定轴性，行驶更平稳。

中轴传感器对扭矩的测量多采用磁通或应变片方式，属于微变形，刚性连接，响应快，灵敏，自行车启动脚踏扭矩大，电机助力大且响应快，助力猛，不易掌握。从安全考虑，启动时助力要缓慢平滑，采用机械式测量扭矩就可以弥补，踩在位移很小的碟簧上面，发力加速线性，电机助力线性，高惯量延迟脚踏的死点，完美耦合，骑行顺畅。

发明内容

为改善中置电机减速比的浪费以及电机闭环控制，提高自行车行驶的稳定舒适性，本发明采用小牙盘和牙盘与中轴不同轴心的方案，以及增大电机转动惯量来实现。

牙盘不装在中轴上，脚踏扭矩经齿轮增速降扭后再传给牙盘，用小齿数的牙盘代替中轴大牙盘，避免了电机速比的浪费，缩短了链条长度，减小了牙盘盒的直径，从而减轻整车重量。

中轴传感器上的脚踏扭矩经棘爪离合器传给初级齿轮，过桥齿轮换向后，传给末级齿轮，牙盘与末级齿轮同轴心，牙盘装在塔基上，塔基与末级齿轮反牙螺纹连成一体。

初级齿轮、过桥齿轮、末级齿轮并列对称布置，两端通过轴承与齿轮轴分别安装在前壳和夹板上，设置螺丝将夹板固定在前壳内。

要增大转动惯量，根据惯量公式J=m*(R²+r),最好增大转子外径，所以采用外转子无刷电机结构，转子可以共用现有轮毂电机的外转子，优选外径88mm。

要紧凑的外形，电机采用一级行星减速，齿圈固定，太阳齿输入，行星架输出，减速比最大且同方向。

要提高减速比，取消电机轴或转子轴，将太阳齿齿数尽量选小，优选10齿1.0模数，方键，固定连接在转子上成整体。

进一步地，要节约空间，齿圈外径与转子外径要相近，优选78齿1.0模数。

进一步地，要高速低噪音，采用螺旋齿，并增强齿的强度。

进一步地，要转子与牙盘转动方向一致，只能顺时针转动，则太阳齿采用右螺旋，转子受到的轴向力压向后壳，限制转子轴向窜动，对应的齿圈为左螺旋，齿圈外圆上开键槽过渡配合装在前壳内，齿圈上的轴向力将其压紧在前壳上。

进一步地，要减轻定子铁芯的重量，铁芯中心设计成通孔，铁芯中心采用压铸的铝芯代替，铁芯过盈套在铝芯外圆上。

进一步地，要方便生产装配，采用定位销和螺钉将铝芯锁在后壳上成整体。

进一步地，在铝芯内腔和转子中心设置两个6804转子轴承支撑转子，转子悬臂单挑于铝芯外端。

进一步地，在末级齿轮轴心设置滚针离合器和两个离合轴承，行星架轴伸插在中间，行星架悬臂单挑于末级齿轮的内端，电机扭矩经行星架轴伸和滚针离合器传给末级齿轮。

进一步地，在行星架法兰中心沉孔与太阳齿外端设置行星架轴承，前壳同后壳合上装配时，保证行星架与太阳齿和转子同轴心。

连续大电流工作的电机，绕组线包的温度超出110度，外转子结构不利散热，故要加上空冷或水冷避免高温退磁。要实现电机内部空气流动，电机壳上要开排气孔和进气孔，要贴防水透气膜。

进一步地，排气孔开在高温位置，电机壳上定子的中心处。

进一步地，要将高温气体排出壳外，涡轮设在转子轴承之间，转子带动涡轮，在铁芯与磁钢的气隙间让空气流动，用冷空气隔离高温发热部件，降低磁钢耐温等级。

采用电机框替代电机挂架，中置电机可以实现任意安装角度；电机框用铝型材挤压成型，整条框钻完孔后再分切，成本低，电机框也可用钢板折弯焊接，适用钢架车。

对专利2018110464918的中轴传感器所述位移测量进行改进，采用单片碟簧替代三片的碟簧组，弹力一样，压缩位移缩短到三分之一，消除踏空感。采用轴承转动代替对斥磁环的转动，对斥磁铁代替对斥磁环，节约稀土，对斥磁铁只随轴承外圈轴向移动，因此对斥磁铁与霍尔IC无转动，零点电压不随中轴转动而变化。

在中轴和半轴之间设置定位钢珠，限制两者轴向移动，只能相互转动，位移钢珠径向滚动传递中轴的扭矩到半轴上，位移钢珠挤压滑环的圆锥面，滑环产生轴向分力压缩单片碟簧。

两颗单极轴向充磁的磁铁分别装在磁铁座和磁铁盖的凹槽内，两颗磁铁互相排斥并且同轴心，位移IC插在它们之间并且靠近一端，此为扭矩电压信号的零点电压。

多级磁环套在磁环架上，磁环架的两端分别顶在滑环的端面上和位移轴承的内圈上。

磁铁座与磁铁盖连接成整体套在位移轴承的外圈上，磁铁座上设置凸块位于PCB支架的开口槽内，限制转动。

磁环架、多级磁环和位移轴承的内圈随滑环一同转动和轴向移动，位移轴承的外圈、磁铁座、磁铁盖和磁铁只做轴向移动。

波簧位于PCB支架内腔，一端顶住磁铁盖，一端顶在PCB支架底部，是整个测量组件的复位弹簧。

在半轴与齿轮毂之间设置棘爪离合器或单向轴承。中轴设置调节螺纹，螺母调整碟簧的尺寸误差和预压力。

附图说明

图1是中置电机背面示意图；

图2是中置电机剖视图；

图3是中置电机***图；

图4是中置电机组件排布示意图；

图5是电机组件行星减速***图；

图6是中置电机前壳组件装配示意图；

图7是中置电机后壳组件装配示意图；

图8是中置电机与电机框安装示意图；

图9是中轴传感器剖视图；

图10是中轴传感器***图；

图11是铝芯3D示意图。

附图中标记：

1 中轴传感器、101 锯齿圈、 102 棘爪、 103 弾弓线、104 半轴、105 中轴、 106定位钢珠、 107 位移钢珠、 108 PCB板、 109 磁铁、 110 位移IC 、 111 踏频IC 、 112 滑环、113 碟簧、 114 螺母、 115 磁环架、 116 多级磁环、117 位移轴承、 118 磁铁座 、119磁铁盖、 120 波簧、121 PCB支架、122 限位轴承、123 支架座、

2 电机组件、201铝芯、202铁芯、203 转子、204 转子轴承、

205太阳齿、206行星架轴承、207 涡轮、 208 磁钢、

3 驱动器、301 散热铝条、4 后壳、4a 排气孔、5 前壳、6 电机框、7 牙盘、

801 初级齿轮、802 过桥齿轮、803 末级齿轮、804 齿圈、805 行星齿、806 行星架、807 滚针离合器、808 塔基、809 齿轮毂、 810 离合轴承、811 透气膜、820 铝芯螺钉、821 铝条螺钉、822 框螺钉、

9 夹板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，中轴传感器1与牙盘7不同轴心，牙盘7的齿数小于22。后壳4的转子203中心位置，开有排气孔4a。铝芯螺钉820和铝条螺钉821都位于壳的后面。

如图2和图3、图5所示，没有贯穿定子铁芯202和转子203以及行星架806的电机轴或转子轴。铝芯201锁在后壳4上，散热铝条310锁在后壳4上。铁芯202套在铝芯201外圆上。

转子203是轴心通孔的’山’字形一体式压铸铝合金，通孔开有方形键槽，悬臂单挑在铝芯201的端面，靠铝芯201内腔里的两个转子轴承204支撑。太阳齿205一端位于转子203轴心通孔，一端固定行星架轴承206，该轴承位于行星架806的法兰盘中心沉孔内。

行星架806的轴伸上有两个离合轴承810和滚针离合器807，共同位于末级齿轮803的轴心通孔内，行星架806悬臂单挑在末级齿轮803的端面。

末级齿轮803的轴肩各有一个轴承，分别安装在夹板9和前壳5上。初级齿轮801过盈套在齿轮毂809上，齿轮毂809两端设有轴承固定于夹板9和前壳5上。齿轮毂809与锯齿圈101螺纹反牙连接。

涡轮207位于两个转子轴承204之间。夹板9是一块平板。

太阳齿205为右旋10齿，行星齿805为左旋，齿圈804为左旋。

中轴传感器上的脚踏扭矩经棘爪离合器传给初级齿轮801、过桥齿轮802、末级齿轮803，塔基808与末级齿轮803反牙螺纹连接，牙盘7装在塔基808上。

如图4和图6、图7所示，中轴传感器1位于电机组件2和驱动器3之间，三者并排装在后壳4上。

初级齿轮801、过桥齿轮802、末级齿轮803并排对称布置在夹板9上。传动的齿轮装在前壳5上。

驱动器3的形状为长方体，其COB板为长方形，六个MOS管排成一列锁在散热铝条301上。

得益于转子203和行星架806是悬臂梁结构，使得装配模块化。

转子203端面没有散热孔，顺时针转动，冷空气必须从气隙流进铝芯201，实现对发热部件的隔离。

如图8所示，中置电机轴向放入电机框6，框螺钉822分别从底面、侧面、前面将中置电机固定在电机框6内。电机框(6)为型材拉伸铝合金。

如图9和图10所示，定位钢珠106位于中轴105与半轴104构成的环形槽内，中轴105为四分之一圆弧环槽，半轴104为半圆弧环槽。

位移钢珠107位于中轴105、半轴104和滑环112之间，位移钢珠107与半轴104为圆弧面半圆线接触，与中轴105为斜面点接触，与滑环112为圆锥面点接触。

碟簧113的大端面顶在滑环112上，小端面顶在螺母114上。

多级磁环116套在磁环架115上，磁环架115的两端分别顶在滑环112的端面上和位移轴承117的内圈上。

两颗磁铁109分别装在磁铁座118和磁铁盖119的凹槽内，两颗磁铁109互相排斥并且同轴心，位移IC110插在它们之间并且靠近一端。踏频IC（111）在多级磁环(116)的上方。

磁铁座118与磁铁盖119连接成整体套在位移轴承117的外圈上，磁铁座118上的凸块位于PCB支架121的开口槽内。

波簧120位于PCB支架121内腔，一端顶住磁铁盖119，一端顶在PCB支架121底部，是整个测量组件的复位弹簧。

磁环架115、多级磁环116和位移轴承117的内圈随滑环112一同转动和轴向移动，位移轴承117的外圈、磁铁座118、磁铁盖119和磁铁109只做轴向移动。

在半轴104与齿轮毂809之间设置棘爪离合器或单向轴承。

中轴105设置有调节螺纹，设置螺母114调整碟簧113的尺寸误差和预压力。中轴105在外圆上设置均布的钢珠槽，钢珠槽由斜面和圆弧面构成。

半轴104在左端设置均布的半圆齿槽, 右端外圆上设置对称的棘爪槽和弹弓线环槽。

如图11所示，铝芯201台阶面对称设置两个螺丝孔201a和定位销孔201b，两者连线垂直，其内腔设置数条L形的凹槽201c，作为转子轴承204与内腔壁之间的空气流通通道。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种应用于电动助力自行车带空气冷却的中置电机，其包括：中轴传感器(1)、电机组件(2)、驱动器(3)、后壳(4)、前壳(5)、电机框(6)、牙盘(7)、夹板(9)、初级齿轮(801)、过桥齿轮(802)、末级齿轮(803)、齿圈(804)、行星齿(805)、行星架(806) 、滚针离合器(807)、塔基(808) 、锯齿圈(101)等，电机组件(2)包括，铝芯(201)、铁芯(202)、转子(203)、转子轴承(204) 、太阳齿(205)、行星架轴承(206) 、涡轮(207)、磁钢(208)等；

所述中置电机的特征在于：能检测脚踏扭矩和踏频，脚踏扭矩经三个齿轮增速后传给牙盘(7)，电机扭矩行星减速后经滚针离合器(807)传给牙盘(7);

所述中置电机的特征在于：牙盘(7)与中轴传感器(1)不同轴心，两者的轴心线相互平行, 牙盘(7)为15T至21T单片卡式飞轮盘；

所述中置电机的特征在于：中轴传感器(1)位于电机组件(2)和驱动器(3)之间，三者并排，置于后壳(4)，夹板(9)和传动齿轮装在前壳(5)；

所述中置电机的特征在于：初级齿轮(801)和末级齿轮(803)间设置一个换向的过桥齿轮(802)，使脚踏和牙盘(7)转动方向相同,三个齿轮在前壳(5)和夹板(9)间并排对称固定；

所述中置电机的特征在于：塔基(808)与末级齿轮(803)反牙螺纹连接，牙盘(7)卡在塔基(808)上；

所述电机组件(2)的特征在于： 铁芯(202)作为定子，设成中空减重，并过盈套在铝芯(201)外圆上，铁芯(202)设为18槽，对应20片磁钢(208)。

2.根据权利要求1，所述中置电机的特征在于：采用高惯量的转子(203)，外径超过87mm，额定转速超过2000rpm，高转速高惯量的电机组件(2)具有陀螺定轴性;

所述中置电机的特征在于：没有贯穿定子和转子(203)以及行星架(806)的电机轴或转子轴，转子(203)悬臂单挑于铝芯(201)外端，在铝芯(201)内腔设置两个转子轴承(204)支撑转子(203)；

所述中置电机的特征在于：行星架(806)悬臂单挑于末级齿轮(803)的内端，在末级齿轮(803)的轴心通孔设置滚针离合器(808)和两个离合轴承(810)支撑行星架(806)。

3.根据权利要求1，所述中置电机的特征在于：铝芯螺钉(820)从壳外面将铝芯(201)锁在后壳(4)上固定铁芯(202)；

铝条螺钉(821)从壳外面将散热铝条(301)锁在后壳(4)上固定驱动器(3)；

所述中置电机的特征在于：转子(203)顺时针转动，齿圈(804)为左螺旋齿，装在前壳(5);

太阳齿(205) 为右螺旋齿,压入转子(203)轴心与其成一体。

4.根据权利要求1，所述中置电机的特征在于：在后壳(4)的定子中心位置，高温区设置排气孔(4a)和透气膜(811)，在其它非发热位置设进气孔；

所述中置电机的特征在于：涡轮(207)位于两个转子轴承(204)之间，转子(203)带动涡轮(207)转动，在涡轮(207)与透气膜(811)间形成低压，将高温气体压出壳外，在涡轮(207)另一面形成负压区，将冷空气从进气孔吸入壳内，冷空气流过铁芯(202)与磁钢(208)间的气隙，冷空气将线包、铁芯(202)、铝芯(201)与转子(203)和磁钢(208)隔离。

5.根据权利要求1，所述中轴传感器(1)包括：棘爪 (102)、弾弓线(103)、半轴(104)、中轴(105)、定位钢珠(106)、位移钢珠(107)、PCB板(108)、磁铁(109)、位移IC(110) 、踏频IC(111) 、滑环(112)、碟簧(113)、螺母(114)、磁环架(115)、多级磁环(116)、位移轴承(117)、磁铁座(118)、磁铁盖(119)、波簧 (120)、PCB支架(121) 、限位轴承(122) 、支架座(123)；

所述中轴传感器(1)的特征在于：在中轴(105)和半轴(104)之间设置定位钢珠(106)，限制两者轴向移动，只能互相转动，位移钢珠(107)径向滚动传递中轴(105)上的扭矩到半轴(104)，位移钢珠(107)挤压滑环(112)的圆锥面，滑环(112)产生轴向分力压缩单片碟簧(113)；

所述中轴传感器(1)的特征在于：两颗单极轴向充磁的磁铁(109)分别装在磁铁座(118)和磁铁盖(119)的凹槽内，两颗磁铁(109)互相排斥并且同轴心，位移IC(110)插在它们之间并且靠近一端，此位置即为扭矩电压信号的零点电压；踏频IC（111）设在多级磁环(116)的上方；

所述中轴传感器(1)的特征在于：多级磁环(116)套在磁环架(115)上，磁环架(115)的两端分别顶在滑环(112)上和位移轴承(117)的内圈上，磁铁座(118)与磁铁盖(119)扣合成整体套在位移轴承(117)的外圈上；

所述中轴传感器(1)的特征在于：磁环架(115)、多级磁环(116)和位移轴承(117)的内圈随滑环(112)一同转动和轴向移动，位移轴承(117)的外圈、磁铁座(118)、磁铁盖(119)和磁铁(109)只做轴向移动；

所述中轴传感器(1)的特征在于：在磁铁盖(119)和PCB支架(121)的底部间设置复位弹簧，优选波簧 (120)。

6.根据权利要求1，所述中置电机的安装特征在于：可任意角度将电机框(6)焊在车架五通位置，中置电机安装角度不受限制，中置电机轴向放入电机框(6)，框螺钉(822)分别从底面、侧面、前面将中置电机固定在电机框(6)内。

7.根据权利要求1，所述铝芯(201)的特征在于：其台阶面对称设置两个螺丝孔(201a)和定位销孔(201b)，两者互相垂直，其内腔设置数条’L’形的凹槽(201c)，作为转子轴承(204)与内腔壁间的空气流通通道；

所述太阳齿(206)特征在于：齿数10，模数1.0,右旋；

所述末级齿轮(803)的特征在于：轴心为通孔，容纳滚针离合器(807)和离合轴承(810)，直齿为轴肩，轴承两端固定，轴伸设置反牙螺纹；

所述夹板(9)的特征在于：采用4.0mm厚的铝合金板材，冲压而成；

所述驱动器(2)的特征在于：其外形为长方体，其COB板为长方形，六个MOS管排成一列锁在散热铝条(301)上。

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