CN101973357B - 电动自行车力矩和速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动自行车力矩和速度传感器，包括中轴、牙盘及固定在中轴上的曲柄，还包括变形架，所述变形架包括藉由若干辐射状连接筋相连的外圈和内圈，其中内圈与曲柄紧固，外圈与牙盘紧固；内圈上固定有两个力矩感应磁钢，它们的外表面极性相反，而外圈上固定有信号输出板，其上装有线性霍尔元件，线性霍尔元件的感应面与两个磁钢的外表面相对；还包括同轴套置于中轴上的旋转件和静止件，旋转件上固定副边绕组，而静止件上固定原边绕组和信号接收板，所述原、副边绕组共同组成一隔离变压器，原边绕组与信号接收板上设有的交流电发生器电连接，且信号接收板上设有引出线，而副边绕组则与信号输出板电连接。本发明工作稳定性和敏感度好。

Description

电动自行车力矩和速度传感器
技术领域
本发明涉及一种电动自行车力矩和速度传感器。
背景技术
电动自行车由于其轻快省力及无污染等特点，正日益在我国推广运用。传统的电动自行车都用转把来调速，也有用速度传感器来控制电机的输出功率的所谓智能型电动自行车，这类智能型电动自行车的特点是平地骑行很轻松，但上坡却十分费力。采用力矩和速度传感器的电动自行车则正好与之相反，平地骑行时电机的输出功率很小，既能让人感觉到骑行轻松又很省电，而上坡时却可输出较大的电流使爬坡变得很省力，是一种真正能让人体验到人与机的自然融合的电动自行车。然而国内现在虽然也有力矩和速度传感器，但效果却是差强人意，主要是在低速时不能输出正常的力矩信号，造成起步时的力量要么过大，要么过小，无法做到人机协调，还存在用力骑行时传感器的输出信号又过早饱和，造成上坡无力，整体的工作稳定性和敏感度均较差。虽然国外(特别是日本)早就有这类产品，但结构复杂，制造难度和成本都很高，而且传感器引出线还容易卷绕至自行车中轴上，存在转动电信号与静止电信号间的转换难题，使得这类电动自行车不能很快普及。
发明内容
本发明目的是：提供一种工作稳定性和敏感度更好的电动自行车力矩和速度传感器。
本发明的技术方案是：一种电动自行车力矩和速度传感器，包括中轴、牙盘及固定在中轴上的曲柄，其特征在于还包括变形架，所述变形架包括藉由若干辐射状连接筋相连的外圈和内圈，其中内圈与曲柄紧固，而外圈与牙盘紧固；并且内圈上固定有两个力矩感应磁钢，这两个力矩感应磁钢的外表面极性相反，而外圈上固定有信号输出板，所述信号输出板上装有线性霍尔元件，所述线性霍尔元件的感应面与两个磁钢的外表面相对；还包括同轴套置于中轴上的旋转件和静止件，所述旋转件同牙盘、变形架、曲柄和中轴中的一个相固定，且其上固定有副边绕组；而静止件相对旋转件保持不转动，其上固定有原边绕组和信号接收板，所述原、副边绕组共同组成一隔离变压器，其中原边绕组与信号接收板上设有的交流电发生器电连接，且信号接收板上设有引出线；而副边绕组则与信号输出板电连接。
进一步的，本发明中所述副边绕组由固定在旋转件上的环状转动磁罐和设于转动磁罐内的转动线圈一同构成；而原边绕组则由固定在静止件上的环状静止磁罐和设于静止磁罐内的静止线圈一同构成，所述转动磁罐和静止磁罐合在一起形成闭合回路，并与内部的转动线圈和静止线圈一同构成隔离变压器，所述静止线圈相当于是隔离变压器的原边线圈，其与信号接收板上设有的交流电发生器电连接；而转动线圈相当于是隔离变压器的副边线圈，其与信号输出板电连接。
更进一步的，本发明中所述中轴上套设有中轴碗，所述中轴碗通过螺纹紧固在同电动自行车的车架相连的中接头上的，所述中接头和中轴碗之间夹紧有开设凹槽的止转片，所述静止件上设有抵入所述凹槽内的止转杆。
更进一步的，本发明中所述旋转件上设置有呈圆周分布的若干速度感应磁钢，所述信号接收板上装有开关霍尔元件，所述开关霍尔元件的感应面同速度感应磁钢表面相对。
更进一步的，本发明中所述曲柄上还固定有罩住变形架的防护盖。
更进一步的，本发明中所述静止件和旋转件的轴向通过卡扣固定。
本发明的工作原理如下：
当人骑车时，曲柄将通过变形架带动牙盘转动，同常规技术一样，所述牙盘上要安装链条来驱动自行车，而链条会通过牙盘对变形架施加一反作用力矩来达到平衡，由于牙盘和曲柄分别固定在变形架的外圈和内圈，因此两个相反方向的力矩分别施加在变形架的外圈和内圈，使变形架的外圈和内圈因受力而变形错位，进而致使线性霍尔元件和两个力矩感应磁钢的相对位置发生变化。由于两个力矩感应磁钢在线性霍尔元件的感应面小范围内产生一从N极到S极的接近线性的磁场分布，故当线性霍尔元件和两个力矩感应磁钢的相对位置发生变化后线性霍尔元件的感应面也因为其通过的磁场发生变化而影响到它输出电压的变化。所述信号输出板的作用是通过其上的电子电路将线性霍尔元件的输出电压转换为一个与之相对应的可变负载。
本发明中的旋转件和静止件同轴装配在中轴上时，所述转动磁罐和静止磁罐合在一起形成闭合回路，并与内部的转动线圈和静止线圈一同构成隔离变压器，所述静止线圈相当于是隔离变压器的原边线圈，其与信号接收板上设有的交流电发生器电连接；而转动线圈相当于是隔离变压器的副边线圈，其与信号输出板电连接。信号接收板上安装的交流电发生器给静止线圈供电，即是对隔离变压器的原边线圈提供交流电，由于隔离变压器的副边线圈(即转动线圈)连接的是可变负载，所以其原边侧的电流会随着副边侧可变负载的变化而变化，将这一电流的变化通过信号接收板进行处理转换成电压输出即完成了力矩的检测。
由于本发明在具体工作时，旋转件随着牙盘和变形架的转动而转动，而静止件则由于止转杆和止转片的作用不会跟转，因此使得同静止件相固定的信号接收板上的引出线能够保持不动，不会象现有技术那样经常卷绕至中轴上而导致损耗，造成信号输出稳定性下降，解决了由转动的电信号转换为静止的电信号的难题。
同时，本发明亦可进行速度的检测，电动自行车运转时，旋转件随牙盘转动，而开关霍尔元件是静止的，这样呈圆周分布的若干速度感应磁钢连续通过开关霍尔元件的感应面，就可使开关霍尔元件感应并输出相应的速度脉冲电压信号，该信号最后由信号接收板进行相应信号处理后通过引出线输出。
本发明的优点是：
1.本发明提供的这种电动自行车力矩和速度传感器，其借助专门设计的变形架及设于其上的力矩感应磁钢和线性霍尔元件一同来测量人脚蹬力施加于曲柄上的力矩，测量敏感度高；同时本发明又专门设计了一种原、副绕组分设于静止、旋转件上的隔离变压器来输出测得的霍尔电压信号，利用该变压器原理，巧妙地解决了将旋转信号转换为静止信号的难题，且信号传输稳定性好，大大提高了本发明整体的工作性能和测量精度。
2.本发明提供的这种电动自行车力矩和速度传感器，具体工作时，旋转件随着牙盘和变形架的转动而转动，而静止件则由于止转杆和止转片的作用不会跟转，因此使得同静止件相固定的信号接收板上的引出线能够保持不动，解决了由转动的电信号转换为静止的电信号的难题。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为图1反面视角的立体结构示意图。
其中：1、中轴；2、牙盘；3、曲柄；4、变形架；4a、外圈；4b、内圈；4c、连接筋；5、信号输出板；6、线性霍尔元件；7、旋转件；8、静止件；9、信号接收板；10、引出线；11、转动磁罐；12、转动线圈；13、静止磁罐；14、静止线圈；15、中轴碗；16、中接头；17、止转片；18、止转杆；19、开关霍尔元件；20、防护盖；A、力矩感应磁钢；B、速度感应磁钢。
具体实施方式
实施例：结合图1、图2所示，本实施例提供的这种电动自行车力矩和速度传感器由中轴1、牙盘2、固定在中轴1上的曲柄3、变形架4、信号输出板5、线性霍尔元件6、旋转件7、静止件8、信号接收板9、引出线10、转动磁罐11、转动线圈12、静止磁罐13、静止线圈14、中轴碗15、中接头16、止转片17、止转杆18、开关霍尔元件19和防护盖20一同组成。
本实施例中所述变形架4由外圈4a、内圈4b和连接在内、外圈之间呈辐射状的10根连接筋4c所构成(图1中只显示了半个变形架4)，其中内圈4b与曲柄3通过螺钉紧固，而外圈4a与牙盘2也通过螺钉紧固；并且内圈4b上固定有两个力矩感应磁钢A，这两个力矩感应磁钢A的外表面极性相反，而外圈4a上固定有信号输出板5，所述信号输出板5上装有线性霍尔元件6，所述线性霍尔元件6的感应面与两个磁钢A的外表面相对。
本实施例中所述旋转件7和静止件8同轴套置于中轴1上，并且所述旋转件7上设有4个卡扣(图中未标出)扣住静止件8，从而使得旋转件7和静止件8轴向固定。所述旋转件7同变形架4通过螺钉相固定，故其能够随同中轴1、牙盘2、曲柄3和变形架4一同旋转；同时本实施例中所述中轴1上套设有中轴碗15，所述中轴碗15通过螺纹紧固在同电动自行车的车架相连的中接头16上，所述中接头16和中轴碗15之间夹紧有开设凹槽的止转片17，所述静止件8上设有抵入所述凹槽内的止转杆18，借助止转杆18和止转片17的配合从而使得静止件8能够相对旋转件7保持不动。
本实施例中的旋转件7上固定有副边绕组，该副边绕组由固定在旋转件7上的环状转动磁罐11和设于转动磁罐11内的转动线圈12一同构成；而静止件8上固定有原边绕组和信号接收板9，该原边绕组则由固定在静止件8上的环状静止磁罐13和设于静止磁罐13内的静止线圈14一同构成，所述转动磁罐11和静止磁罐13合在一起形成闭合回路，并与内部的转动线圈11和静止线圈14一同构成隔离变压器，所述静止线圈14相当于是隔离变压器的原边线圈，其与信号接收板9上设有的交流电发生器电连接；而转动线圈12相当于是隔离变压器的副边线圈，其与信号输出板5电连接。所述引出线10设于信号接收板9上。
本实施例中所述旋转件7上设置有呈圆周分布的20个速度感应磁钢B，所述信号接收板9上装有开关霍尔元件19，所述开关霍尔元件19的感应面同所述速度感应磁钢B表面相对。
本实施例中防护盖20通过螺钉固定在曲柄3上，该防护盖20罩住变形架4，对其进行保护。
本实施例的工作原理如下：
当人骑车时，曲柄3将通过变形架4带动牙盘转动，同常规技术一样，所述牙盘2上要安装链条来驱动自行车，而链条会通过牙盘2对变形架4施加一反作用力矩来达到平衡，由于牙盘2和曲柄3分别固定在变形架4的外圈4a和内圈4b，因此两个相反方向的力矩分别施加在变形架4的外圈4a和内圈4b，使变形架4的外圈4a和内圈4b因受力而变形错位，进而致使线性霍尔元件6和两个力矩感应磁钢A的相对位置发生变化。由于两个力矩感应磁钢A在线性霍尔元件6的感应面小范围内产生一从N极到S极的接近线性的磁场分布，故当线性霍尔元件6和两个力矩感应磁钢A的相对位置发生变化后线性霍尔元件6的感应面也因为其通过的磁场发生变化而影响到它输出电压的变化。所述信号输出板5的作用是通过其上的电子电路将线性霍尔元件6的输出电压转换为一个与之相对应的可变负载。
本实施例中的旋转件7和静止件8同轴装配在中轴1上时，所述转动磁罐11和静止磁罐13合在一起形成闭合回路，并与内部的转动线圈12和静止线圈14一同构成隔离变压器，所述静止线圈14相当于是隔离变压器的原边线圈，其与信号接收板9上设有的交流电发生器电连接；而转动线圈12相当于是隔离变压器的副边线圈，其与信号输出板5电连接。信号接收板9上安装的交流电发生器给静止线圈14供电，即是对隔离变压器的原边线圈提供交流电，由于隔离变压器的副边线圈(即转动线圈12)连接的是可变负载，所以其原边侧的电流会随着副边侧可变负载的变化而变化，将这一电流的变化通过信号接收板9进行处理转换成电压输出即完成了力矩的检测。
由于本实施例在具体工作时，旋转件7随着牙盘2和变形架4的转动而转动，而静止件8则由于止转杆18和止转片17的作用不会跟转，因此使得同静止件8相固定的信号接收板9上的引出线10能够保持不动，不会象现有技术那样经常卷绕至中轴1上而导致损耗，造成信号输出稳定性下降，解决了由转动的电信号转换为静止的电信号的难题。
同时，本实施例亦可进行速度的检测，电动自行车运转时，旋转件7随牙盘2转动，而开关霍尔元件19是静止的，这样呈圆周分布的20个速度感应磁钢B连续通过开关霍尔元件19的感应面，就可使开关霍尔元件19感应并输出相应的速度脉冲电压信号，该信号最后由信号接收板9进行相应信号处理后通过引出线10输出。

Claims (6)

1.一种电动自行车力矩和速度传感器，包括中轴(1)、牙盘(2)及固定在中轴(1)上的曲柄(3)，其特征在于还包括变形架(4)，所述变形架(4)包括藉由若干辐射状连接筋(4c)相连的外圈(4a)和内圈(4b)，其中内圈(4b)与曲柄(3)紧固，而外圈(4a)与牙盘(2)紧固；并且内圈(4b)上固定有两个力矩感应磁钢(A)，这两个力矩感应磁钢(A)的外表面极性相反，而外圈(4a)上固定有信号输出板(5)，所述信号输出板(5)上装有线性霍尔元件(6)，所述线性霍尔元件(6)的感应面与两个磁钢(A)的外表面相对；还包括同轴套置于中轴(1)上的旋转件(7)和静止件(8)，所述旋转件(7)同牙盘(2)、变形架(4)、曲柄(3)和中轴(1)中的一个相固定，且其上固定有副边绕组；而静止件(8)相对旋转件(7)保持不转动，其上固定有原边绕组和信号接收板(9)，所述原、副边绕组共同组成一隔离变压器，其中原边绕组与信号接收板(9)上设有的交流电发生器电连接，且信号接收板(9)上设有引出线(10)；而副边绕组则与信号输出板(5)电连接。
2.根据权利要求1所述的电动自行车力矩和速度传感器，其特征在于所述副边绕组由固定在旋转件(7)上的环状转动磁罐(11)和设于转动磁罐(11)内的转动线圈(12)一同构成；而原边绕组则由固定在静止件(8)上的环状静止磁罐(13)和设于静止磁罐(13)内的静止线圈(14)一同构成，所述转动磁罐(11)和静止磁罐(13)合在一起形成闭合回路，并与内部的转动线圈(12)和静止线圈(14)一同构成隔离变压器，所述静止线圈(14)相当于是隔离变压器的原边线圈，其与信号接收板(9)上设有的交流电发生器电连接；而转动线圈(12)相当于是隔离变压器的副边线圈，其与信号输出板(5)电连接。
3.根据权利要求1或2所述的电动自行车力矩和速度传感器，其特征在于所述中轴(1)上套设有中轴碗(15)，所述中轴碗(15)通过螺纹紧固在同电动自行车的车架相连的中接头(16)上，所述中接头(16)和中轴碗(15)之间夹紧有开设凹槽的止转片(17)，所述静止件(8)上设有抵入所述凹槽内的止转杆(18)。
4.根据权利要求1或2所述的电动自行车力矩和速度传感器，其特征在于所述旋转件(7)上设置有呈圆周分布的若干速度感应磁钢(B)，所述信号接收板(9)上装有开关霍尔元件(19)，所述开关霍尔元件(19)的感应面同所述速度感应磁钢(B)表面相对。
5.根据权利要求1或2所述的电动自行车力矩和速度传感器，其特征在于所述曲柄(3)上还固定有罩住变形架(4)的防护盖(20)。
6.根据权利要求1或2所述的电动自行车力矩和速度传感器，其特征在于所述静止件(8)和旋转件(7)的轴向通过卡扣固定。 
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