CN104787223B - 电动助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动助力装置，其包括：飞轮、无线智能转矩传感器模块、外壳A、外壳B、空心中轴、中心支撑架和助力模块，助力模块包括助力产生组件、助力传递组件、转矩传感器和智能控制器，外壳A通过轴承与空心中轴相连，外壳B以能够旋转的方式配置，飞轮通过螺栓穿过外壳A与无线智能转矩传感器模块相连，无线智能转矩传感器模块安装在外壳A的内表面上，通过转矩传感器将转矩传递给智能控制器，通过智能控制器控制助力产生组件产生所需助力，并通过助力传递组件，将所需助力传递至外壳B。通过本发明优化骑行者的感受，使骑行者能够根据自己的体力进行调整而轻松地骑行很远，既能快速到达目的地，又可以根据自身状况适当锻炼。

Description

电动助力装置

技术领域

本发明涉及一种集成化的一体式电动助力装置，特别是关于一种应用在自行车后轮，集成了锂电池，电动机，电动机减速器，电动机驱动器，智能控制器，转矩传感器等，以探测骑行转矩为输入量，以电动机助力转矩为输出量的，可以通过蓝牙设备进行观测数据并控制的，集成化一体式电动助力装置。

背景技术

2014年中国的自行车和电动自行车的总销量接近4000万辆，市场巨大。随着社会的发展，大中型城市面临越来越严重的交通拥堵问题，自行车和电动自行车出行带来的便利性和灵活性再次成为人们关注的焦点。

目前的电动自行车存在诸多问题，例如：绝大多数的电动自行车使用的是铅酸蓄电池，能量密度低，为了达到一定的行驶里程，往往需要几十千克的铅酸蓄电池。不仅造成电动自行车重量大，难以搬运，充电困难等问题，而且铅酸蓄电池循环寿命较低，大约在1～2年需要更换，既浪费资源又容易污染环境。此外，目前的电动自行车中，电动机、电动机驱动器、电池等组成部分是分体的，散布于电动自行车的各个部分，部件之间使用暴露于环境的电线连接，不利于整车的安全性和耐久性，且外露的电线破坏了整车的美感。

发明内容

本发明针对上述问题，发明了一种集成化的一体式电动助力装置。车轮的特征在于：所有的部件，包括电动机，电动机减速器，电动机驱动器，智能控制器，转矩传感器等都被包含在一个防水防污外壳内。

本发明的电动助力装置包括：飞轮、无线智能转矩传感器模块、外壳A、外壳B、空心中轴、中心支撑架和助力模块，所述助力模块包括助力产生组件、助力传递组件、转矩传感器和智能控制器，所述 外壳A和外壳B通过螺栓连接在一起构成一个闭合壳体，并且所述闭合壳体具有中心通孔，所述空心中轴穿过所述中心通孔，所述外壳A通过轴承与所述空心中轴相连，所述外壳B以能够旋转的方式进行配置，所述中心支撑架固定在所述空心中轴上，所述无线智能转矩传感器模块通过螺栓安装在所述外壳A的内表面上，所述飞轮通过螺栓穿过所述外壳A与所述无线智能转矩传感器模块相连，所述转矩传感器和所述智能控制器固定在所述中心支撑架上，通过所述转矩传感器将所述无线智能转矩传感器模块传递来的转矩信号传递给所述智能控制器，通过所述智能控制器根据所述转矩信号控制所述助力产生组件产生所需助力，并通过所述助力传递组件，将所需助力传递至外壳B。

优选所述助力产生组件包括锂电池管理芯片、锂电池、电机驱动器和电动机，所述锂电池管理芯片和所述锂电池分别固定在所述中心支撑架上，所述电机驱动器固定在所述空心中轴上，所述外壳B通过轴承与所述电机驱动器相连，所述电动机包括直流永磁无刷电动机定子和直流永磁无刷电动机转子，所述直流永磁无刷电动机定子固定在所述空心中轴上。

优选所述助力传递组件包括行星齿轮减速器太阳轮、行星齿轮减速器行星架和行星齿轮减速器齿圈，所述行星齿轮减速器太阳轮通过花键与所述直流永磁无刷电动机转子连接，并与所述行星齿轮减速器行星架啮合，所述行星齿轮减速器行星架与所述行星齿轮减速器齿圈啮合，所述行星齿轮减速器齿圈固定在所述外壳B上。

优选所述智能控制器还包括蓝牙通讯模块、GPRS通信模块和GPS全球定位系统模块。

优选还包括转速传感器和磁钢片，用于测量转速。

优选所述智能控制器能够与车载脉搏传感器和车载皮电传感器连接。

优选所述行星齿轮减速器齿圈通过过盈配合与所述外壳B连接。

本发明的优势在于：

1)电动助力所有的部件，包括锂电池，电动机，电动机减速器，电动机驱动器，智能控制器，转矩传感器等都被包含在一个防水防污外壳内，外观简洁美观。

2)电动助力车轮的中轴按照自行车的标准后叉尺寸设计，与自行车仅存在后轴的机械连接，而没有电气连接。有利于电动助力车轮 作为一个标准件，可以灵活安装于不同种类的自行车，互换性强。

3)电动助力车轮采用转矩助力的方式，根据骑行者踩踏踏板的力矩相应地给出助力转矩，给骑行者提供独特的省力骑行感受。

电动助力车轮可与手机等蓝牙设备通讯，骑行者可以通过手机等蓝牙设备实时监控车轮的参数，并且通过电动助力车轮内置的全球定位系统模块了解安装了电动助力车轮的自行车的实时位置，增强了防盗窃能力。

尤其是本发明基于自行车的骑行感受而提出的，通过本发明优化骑行者的感受，使骑行者能够根据自己的体力进行调整而轻松地骑行很远，既能快速到达目的地，又可以根据自身状况适当锻炼。

附图说明

图1为电动助力装置结构示意图。

图2为电动助力装置电气连接示意图。

具体实施方式

以下根据附图，对本发明做进一步详细说明。

一、结构

如图1所示，电动助力装置包括以下部件：直流永磁无刷电动机定子1，直流永磁无刷电动机转子2，行星齿轮减速器太阳轮3，行星齿轮减速器行星架4，行星齿轮减速器齿圈5，空心中轴6，外壳A面7，外壳B面8，飞轮9，锂电池组10，中心支撑架11，锂电池管理芯片12，电机驱动器13，智能控制器14，无线智能转矩传感器A模块15，无线智能转矩传感器B模块16，转速传感器17，磁钢片18。

其中，直流永磁无刷电动机定子1、中心支撑架11和电机驱动器13分别固定在空心中轴6上，锂电池组10、锂电池管理芯片12、智能控制器14、无线智能转矩传感器A模块15、转速传感器17分别固定安装于中心支撑架11上。直流永磁无刷电动机转子2和行星齿轮减速器太阳轮3固定连接，行星齿轮减速器齿圈5和外壳A面7固定连接，飞轮9固定安装于无线智能转矩传感器B模块16，无线智能转矩传感器B模块16和磁钢片18固定安装于外壳A面7上，外壳A面7和2外壳B面8固定连接，形成闭合的壳体，并且该壳体具有能够使空心中轴6穿过的中心通孔。外壳A面7通过轴承19 与空心中轴6相连，外壳B面8通过轴承20与电机驱动器13相连，外壳B面8也可以通过轴承直接安装在空心中轴6上。但为了电机驱动器13的散热，而使电机驱动器13露出在外，从而使外壳B面8以能够旋转的方式与电机驱动器13相连。行星齿轮减速器太阳轮3、行星齿轮减速器行星架4、行星齿轮减速器齿圈5以齿轮啮合的方式连接。

所以，电动助力装置的所有部件中，旋转的部件有：直流永磁无刷电动机转子2，行星齿轮减速器太阳轮3，行星齿轮减速器行星架4，行星齿轮减速器齿圈5，外壳A面7，外壳B面8，飞轮9，无线智能转矩传感器B模块16，磁钢片18。

电动助力装置的所有部件中，固定不旋转的部件有：直流永磁无刷电动机定子1，空心中轴6，锂电池组10，中心支撑架11，锂电池管理芯片12，电机驱动器13，智能控制器14，无线智能转矩传感器A模块15，转速传感器17。

并且，如图2所示，通过电气连接，锂电池组10通过锂电池管理芯片12输出电能，输入给电机驱动器13，通过直流永磁无刷电动机定子1和直流永磁无刷电动机转子2转化为机械能，驱动车辆前进。

电动助力装置通过空心中轴6安装在自行车后车轮的中轴上，并通过飞轮9借助链条与骑行者的脚蹬进行动力传递，外壳B面8安装有辐条，借助辐条将电动助力装置与轮圈相连。这样，安装有电动助力装置的自行车，有两个动力来源驱动整车前进：1)骑行者的动力；2)直流永磁无刷电动机的动力。两条动力的传递路线描述如下。1)骑行者的动力→飞轮9→无线智能转矩传感器B模块16→外壳A面7；2)直流永磁无刷电动机转子2→行星齿轮减速器太阳轮3→行星齿轮减速器行星架4→行星齿轮减速器齿圈5→外壳B面8。由于外壳A面7和外壳B面8固定连接，因此，动力在外壳A面7和外壳B面8合成，共同传递给辐条或者轮圈，驱动车轮前进。当车轮是小车轮时，可以不用辐条，而直接在电动助力装置外圈安装轮圈。

因此，当驱动整车前进时：骑行者的动力和电动机的助力按照如下的传递过程进行传递。

骑行者的动力传递过程：

首先，涉及到骑行者的动力传递，机械连接关系如下：飞轮9通过螺栓和无线智能转矩传感器B模块16相连，无线智能转矩传感器B模块16通过螺栓安装在外壳A面7上，外壳A面7通过螺纹或者 螺栓等方式和外壳B面8连接，辐条安装在外壳B面8上的安装孔上，辐条以螺纹连接方式和轮圈相连。

因此，骑行者的动力传递过程如下：

1.骑行者通过链条将动力传递到飞轮9

2.飞轮9通过螺栓将动力传递给无线智能转矩传感器B模块16

3.无线智能转矩传感器B模块16通过螺栓将动力传递给外壳A面7

4.外壳A面7通过螺纹或者螺栓将动力传递给外壳B面8

5.外壳B面8通过辐条安装孔将动力传递给辐条

6.辐条通过螺纹将动力传递给轮圈，从而传递给轮胎，产生向前的动力。

电动机的助力动力传递过程：

涉及到电动机的助力动力传递，机械连接关系如下：直流永磁无刷电动机定子1和空心中轴6通过键连接固连，直流永磁无刷电动机转子2和行星齿轮减速器太阳轮3通过花键连接，行星齿轮减速器太阳轮3、行星齿轮减速器行星架4和行星齿轮减速器齿圈5通过齿轮啮合连接，行星齿轮减速器齿圈5通过过盈配合和外壳B面8连接，辐条安装在外壳B面8上的安装孔上，辐条以螺纹连接方式和轮圈相连。

因此，电动机的助力动力传递过程如下：

1.直流永磁无刷电动机定子1产生旋转磁场，推动直流永磁无刷电动机转子2产生旋转的动力

2.直流永磁无刷电动机转子2通过花键将动力传递给行星齿轮减速器太阳轮3

3.行星齿轮减速器太阳轮3通过齿轮啮合将动力传递给行星齿轮减速器行星架4

4.行星齿轮减速器行星架4通过齿轮啮合将动力传递给行星齿轮减速器齿圈5

5.行星齿轮减速器齿圈5通过过盈配合将动力传递给外壳B面8

6.外壳B面8通过辐条安装孔将动力传递给辐条

7.辐条通过螺纹将动力传递给轮圈，从而传递给轮胎，产生向前的动力。

二、控制方法

电动助力装置有两种控制方式，一种是通过蓝牙设备设定助力级 别，另一种是根据车载健康传感器自动调整助力级别。

蓝牙设备设定助力级别控制方式：

手机等蓝牙设备可以通过蓝牙通讯方式和电动助力装置的智能控制器14连接，在蓝牙设备中有应用程序可以设置电动助力装置的助力级别(例如可以设置高、中、低三档)。

控制流程如下：

骑行者的转矩传递到飞轮9，飞轮9通过螺栓将动力传递给无线智能转矩传感器B模块16，无线智能转矩传感器B模块16上有测量转矩的传感器，通过无线方式将转矩信号发送给无线智能转矩传感器A模块15，无线智能转矩传感器A模块15将转矩信号以有线的方式发送给智能控制器14，智能控制器14通过蓝牙设备预先设定的助力级别，输出一个助力转矩命令以有线的方式发送给电机驱动器13，控制直流永磁无刷电动机定子1和直流永磁无刷电动机转子2产生助力转矩。

车载健康传感器自动调整助力级别：

车载脉搏传感器可以测试骑行者的心跳速率，车载皮电传感器可以测试骑行者的健康状况，电动助力装置的智能控制器14连接车载脉搏传感器和车载皮电传感器，随时监测骑行者的身体状况，并且给出相应的助力级别。当车载脉搏传感器和车载皮电传感器显示骑行者的身体状况较为轻松，智能控制器14减小助力级别，让电动助力装置的助力动力减小；当车载脉搏传感器和车载皮电传感器显示骑行者的身体状况较为吃力疲惫，智能控制器14增大助力级别，让电动助力装置的助力动力增大。

控制流程如下：

骑行者的转矩传递到飞轮9，飞轮9通过螺栓将动力传递给无线智能转矩传感器B模块16，无线智能转矩传感器B模块16上有测量转矩的传感器，通过无线方式将转矩信号发送给无线智能转矩传感器A模块15，无线智能转矩传感器A模块15将转矩信号以有线的方式发送给智能控制器14，智能控制器14通过车载脉搏传感器和车载皮电传感器的数据，智能调整助力级别，输出一个助力转矩命令以有线的方式发送给电机驱动器13，控制直流永磁无刷电动机定子1和直流永磁无刷电动机转子2产生助力转矩。

所以当人在骑行自行车时，通过智能控制器经由手动或蓝牙等方式设定车速档次之后，电动助力装置采用转矩助力的方式，根据骑行 者的力矩相应地给出助力转矩。给骑行者提供独特的省力骑行感受。

骑行者的转矩传递到飞轮9，飞轮9将转矩传递给无线智能转矩传感器B模块16，无线智能转矩传感器B模块16测量该转矩，通过无线方式将转矩信号发送给无线智能转矩传感器A模块15，无线智能转矩传感器A模块15将转矩信号以有线的方式发送给智能控制器14，根据由上述两种控制方式设定的助力级别，通过控制算法输出一个助力转矩命令以有线的方式发送给电机驱动器13，控制直流永磁无刷电动机定子1和直流永磁无刷电动机转子2产生相应的助力转矩。

电动助力车轮内的智能控制器14包含蓝牙通讯模块14-1、GPRS通信模块14-2、GPS全球定位系统模块14-3。手机等蓝牙设备可以通过蓝牙通讯方式和电动助力车轮连接，电动助力车轮将当前车轮车轮状态，例如地理位置坐标、骑行转矩、助力转矩、锂电池剩余电量等信息发动给手机等蓝牙设备，手机等蓝牙设备可以向电动助力装置发送命令，例如助力档位(分为大，中，小三档，对应的是电机助力转矩大，中，小)。

转速传感器17与磁钢片18共同作用，能够测出车轮的转速，并通过车载显示屏显示给骑行者，以便骑行者随时掌控车速，根据车速手动或自动地通过智能控制器14控制输出的助力级别。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种电动助力装置，其特征在于，包括：飞轮、无线智能转矩传感器模块、外壳A、外壳B、空心中轴、中心支撑架和助力模块，所述助力模块包括助力产生组件、助力传递组件、转矩传感器和智能控制器，所述外壳A和外壳B通过螺栓连接在一起构成一个闭合壳体，并且所述闭合壳体具有中心通孔，所述空心中轴穿过所述中心通孔，所述外壳A通过轴承与所述空心中轴相连，所述外壳B以能够旋转的方式进行配置，所述中心支撑架固定在所述空心中轴上，所述无线智能转矩传感器模块通过螺栓安装在所述外壳A的内表面上，所述飞轮通过螺栓穿过所述外壳A与所述无线智能转矩传感器模块相连，所述转矩传感器和所述智能控制器固定在所述中心支撑架上，通过所述转矩传感器将所述无线智能转矩传感器模块传递来的转矩信号传递给所述智能控制器，通过所述智能控制器根据所述转矩信号控制所述助力产生组件产生所需助力，并通过所述助力传递组件，将所需助力传递至外壳B。

2.如权利要求1所述的电动助力装置，其特征在于：所述助力产生组件包括锂电池管理芯片、锂电池、电机驱动器和电动机，所述锂电池管理芯片和所述锂电池分别固定在所述中心支撑架上，所述电机驱动器固定在所述空心中轴上，所述外壳B通过轴承与所述电机驱动器相连，所述电动机包括直流永磁无刷电动机定子和直流永磁无刷电动机转子，所述直流永磁无刷电动机定子固定在所述空心中轴上。

3.如权利要求2所述的电动助力装置，其特征在于：所述助力传递组件包括行星齿轮减速器太阳轮、行星齿轮减速器行星架和行星齿轮减速器齿圈，所述行星齿轮减速器太阳轮通过花键与所述直流永磁无刷电动机转子连接，并与所述行星齿轮减速器行星架啮合，所述行星齿轮减速器行星架与所述行星齿轮减速器齿圈啮合，所述行星齿轮减速器齿圈固定在所述外壳B上。

4.如权利要求1所述的电动助力装置，其特征在于：所述智能控制器还包括蓝牙通讯模块、GPRS通信模块和GPS全球定位系统模块。

5.如权利要求1所述的电动助力装置，其特征在于：所述智能控制器能够与车载脉搏传感器和车载皮电传感器连接。

6.如权利要求3所述的电动助力装置，其特征在于：所述行星齿轮减速器齿圈通过过盈配合与所述外壳B连接。

7.如权利要求1～6中任一项所述的电动助力装置，其特征在于：还包括转速传感器和磁钢片，用于测量转速。