CN1052827C - 辅助动力电动机 - Google Patents

Abstract

一种辅助动力电动机，固设于电动机壳盖内的定磁环适当电机角度位置上则至少有三个由HALL IC所组成的感测器，感测及产生该定磁环的无刷换向时序信号，另在电动机壳盖外部及车轮盖间设以一对应的转速感测器，以回授车轮转速予一可程式计数的控制电路，并由控制电路依车轮转速到达某一预设转速时，启动一电动机控制电路，令该转子盘旋动，以构成辅助动力结构。本发明实乃一具新型设计，尤以其整体的自行辅助动力系统组合及提升自行车辅助动力系统的运转效率及实用功效。

Description

辅助动力电动机

本发明涉及一种辅助动力电动机的构造，尤指一种应用于车辆辅助动力结构，及兼具以一具三相绕组的定磁环配合以一转轴结合于车辆盖的定磁场转子盘，且以若干个HALL IC结合于定磁环的电机角度位置上，回授及产生定磁环换向讯号，而形成一无刷换向且极具改良及创作性的车辆辅助动力电动机结构。

自行车(即脚踏车)是大众广泛使用的交通代步工具之一，尤以近年来人们普遍重视环保及空气品质的趋势下，实为未来理想的交通工具之一，然而，自行车长久以来所存在的动力问题，一直未能有效地得到良好的解决，诸如自行车在长途行驶时，由于一直需仰赖人力(脚踏)运动方式，使自行车获得助力运转行驶，于长时间行驶后，将使驾驶人身心疲惫，因而局限其长途行驶的行程力、续行车及速度，而无法有效率地发挥自行车代步的效率，因此，通常自行车则多作为短程或休闲代步的交通工具，而无法如汽车及机车般实用于长途行驶代步的场合中。

有些人虽已致力于开发一种加装电动动力系统的电动自行车产品，但以一般业者所研制的电动自行车构造而言，则在控制系统、动力系统、引线设计及电动机换向四方面皆存在着实用上的问题，以下列出其存在的问题：

(一)控制系统：由于所设计的电动自行车构造，直接加装以电动机于自行车的轮轴上，以直接由启动开关控制启断接通电瓶与电动机间的线路，而使电动机供给自行车辅助的行驶动力前进，然而以此种单段式的开回路(OPEN LOOP)的辅助动力控制系统，将由于启动开关一旦接通，则电动机即以全转矩及动力加诸于自行车的轮轴上，而导致驾驶者控速不易，稍有疏失或人为操作不当，则极易失速而造成有意外灾害发生；此外，以此种定电流、定电压、定转速及定转矩的输出控制，不但使电动机无法自动依自行车行驶速度及状态予以适当调配输出动力，并使该电力系统(电瓶)长时间低效率地供应负载，而导致电力将很快耗尽，而影响其续行力与行程范围。

(二)动力系统：一般电动自行车，其电动机采用传统圆筒型式，整流子亦与矽钢片绕线组分离的结构，不但较为笨重，且体积过大及宽度太长，实难以适用于特别讲究操作轻巧敏捷的自行车轮轴动力系统上，诸如于1975年8月5日所申请的美国发明专利第3897843号案，因上述动力系统设计的缺点，而一直无法见到其可实用的专利产品公开上市销售。

(三)引线设计：一般电动自行车，该电动机的电源及控制引线是直接自电动机外壳穿出，而分别接至电源或启动开关上，但由于距中心轴过远，而难以设计较大的供轮圈外壳使用的中心培林座，以避免该引线与其混绞，而不具实用效果。

(四)电动机换向：一般电动自行车，是采用传统圆筒状的直流电动机居多，故一般而言，除了上述较占空间不易装设外，尚于电动机换向部分，亦是采用传统的电刷及换向片接触的换向方式，故于电动机换向结构于设计上则较为繁复，诸如：换向片数及绕组匝数间有着密不可分的关系，需加以精密计算及配合，且以电刷及换向片接触式的换向动作，使用某一段时间后，则存在有电刷磨损及换向片损坏，故其电动机的使用寿命甚短，而不实用。

由于上述的常用电动自行车构造所普遍存在的问题，可明显得知，目前所研制出来的电动自行车，尚限于实验改良阶段，而无法达到尽善完美的实用境界。

本发明的主要目的是提供一种辅助动力电动机的新型构造，是以薄矽钢片组成并具三相绕组的定磁环固设于电动机壳体内，并于该电动机壳体内再配合以一固定磁场的转子盘，由该转子盘枢合于车辆转轴上，并由该转子盘的转轴结合以一行星齿轮组以传动车轮盖，以令车轮得以受转子盘的传动，且该定磁环的电源线则经由车轮转轴一侧的预留孔洞穿出，以形成一体积轻巧，且适于自行车车轮应用装组，而不影响自行车的操作结构，并于结构组装上，达到实用及改良的功效。

本发明的再一目的是提供一种辅助动力电动机新型构造，尤以其中，该定磁环上的绕组线圈是呈三相星形(Y接线)接线结构，并在于该内侧特定电动机角度的部位则分别设有至少三个HALL(霍尔)IC，以侦测及提供该定磁环的电源换向时序，且该HALL IC的信号线及定磁环的电源线则连结至一电动机控制电路，由该电动机控制电路依HALL IC所提供的换向时序信号，分别送出如同交流三相电源时序时的直流脉波电源，以使该定磁环中的线圈亦产生如同三相Y接磁场，而令该转子盘中的定磁场受切割及磁通变化影响而作往复的旋转转动，并以由该转子盘间接地传动车轮，形成一直流无刷式换向的车辆动力辅助电动机结构，而无传统电动机中的电刷及换向片磨损，且于换向结构设计上，亦无传统直流电动机换向结构设计繁复的问题存在。

此外，本发明的另一目的是提供一种辅助动力电动机的新型构造，于该电动机壳盖的外部及车轮轮盖内侧相对应位置处，分别设有一转速感测器，以感测车轮的转速，并将所测得的车轮转速信号回授予一可程式计数的控制电路，由该控制电路于车轮转速达到某一特定时速时，予以启动电动机控制电路，并由电动机控制电路提供如三相时序的直流电源予该电动机壳盖内的定磁环驱动转子盘运转，同时，于该电动机控制电路启动时，并可由旋转式把手依旋转操作(如摩托车的油门操作)方式，而控制该电动机控制电路的输出电流，使本发明的动力辅助电动机输出转速、转矩及功率，得以由使用者或车辆驾驶者依使用或车辆行驶状态予以调整控制，并使自行车行驶时的辅助动力控制更加精确及稳定，而益增本发明的安全性与效率。

本发明的其他目的与详细构造，将由以下的说明而使之明确，同时，配合参阅所附各图，更可使本发明的技术内容及实用功效揭示明了。

本发明包括定磁环、转子盘、转轴、轴承、培林座、行量齿轮组、齿轮带动盘、轮轴、中空心轴、轴套件、单向离合器、两相称电动机壳盖、车辆壳盖、控制电路及一电动机控制电路所构成，其中，定磁环及转子盘是包覆于电动机壳盖内部，且转子盘则由中空心轴、轴套件及轴承枢套于轮轴的一端，另中空心轴则与转子盘相为固定结合，并透过行星齿轮、齿轮带动、轴套件及单向离合器而连结至车轮壳盖上，由转子盘驱动车轮壳盖，其特征在于：该转子盘由硊铁环于外缘固设若干磁铁块构成，并设置于定磁环的内侧，而与定磁环保持一定的气隙；另定磁环以薄矽钢片堆叠并于边缘具有三相星形的线圈绕组，且于该定磁环的特定三相平衡电机角度位置上，分别设有至少三个的HALL IC，以感测及产生转子盘于转动时相对的换向时序信号予该电动机控制电路；而该电动机控制电路，则为具有产生如同于三相时序的直流脉波电源的线路构成，并以提供定磁环相对的三相时序的直流脉波电源，而驱动定子盘转动，形成一三相无刷换向的电动机结构。

本发明实乃一极具新颖性的新型设计，尤以其整体的自行辅助动力系统组合及提升自行车辅助动力系统的运转转效率及实用功效。其体积小，操作简单，性能稳定，实用性强，电动机输出的转速、转矩及功率，可根据使用者当时的车辆行驶状态进行调整控制，提高了自行车行驶的安全性与效率和电动机的使用寿命。

附图说明：

图1为本发明中辅助动力电动机的立体分解结构图；

图2为本发明的侧视图；

图3为一部分视图，显示本发明辅助动力电动机中定磁环的详细结构；

图4为本发明控制电路的详细电路图；

图5为图4电路图中的动作时序脉波图；

图6为本发明的较佳应用例图。

首先请参阅图1～3所示，本发明中的辅助动力电动机，包含有一定磁环10，其中，该定磁环10是扁平矽钢片材料堆叠如齿轮形状所构成，又于该定磁环10边缘则分别以线圈绕组方式绕结呈三相星形接线的定子结构(即一般所称的Y形接线)，并由一侧分别引接出电源线1A、1B及1C(如图3所示)，另该定磁环10的线圈绕组所相对的三相平衡电机角度位置上分别结合以一HALL IC 11、12及13，并分别引接出换向信号线2A、2B、2C及电源引线2D及2E，由HALL IC 11～13依霍尔磁场效应的原理(因非本发明的申请重点故不予详述)感测及输出转子结构于转动相对机械角度时，定磁环10中电源线1A、1B及1C的相对绕组电源换向时序信号，以构成一无刷式的电子换向结构。该以HALL IC作为无刷换向的结构，亦可由该转子盘或定磁环的反电动势作为无刷换向的侦测时序。

另定磁环10则包覆两扁平盘状的电动机壳体20及30内，且于电动机壳体20及30的中央部位则分别设有一套孔21及31，另一轮轴40上，则于中央部位设有一组合盘41，以令该轮轴40锁固电动机壳盖20的套孔21上，另并在于该轮轴40的一侧镂空成形有一出线孔42，以供上述定磁环10中的电源线1A～1C、换向信号线2A～2C、电源引线2D、2E等线路或其他信号感测检出线路，则由电动机壳盖的适当部位，经出线孔42穿出于轮轴40之外，而引接至其他控制线路上。

另一转子盘50，是配合定磁环10的内环大小所构成，并于中央部位设有一轴孔51，及在该外部边缘处则以一硊铁环52构成，并于该硊铁环52边缘结合以若干个磁铁块53，如是而构成一永久磁场的转子结构，且该转子盘50的轴孔51则透过轴承60、70及培林座80与中空心轴90而套组于该轮轴40的一端上，且该转子盘50是与中空心轴90为固设结合，而令该转子盘50的外缘磁铁块53与定磁环10间保持有一定的气隙，而形成一电动机的基本定子及转子的结构。

此外，该中空心轴90是结合一行星齿轮100中的太阳齿轮110上，而形成一减速传动结构，并以由该转子盘50传动太阳齿轮110，且该行星齿轮100的传动齿轮120、130及140则分别枢合于一齿轮带动盘150周边的各相对枢轴151上，以令该行星齿轮100得以由传动齿轮120、130及140分别以圆周运动带动该齿轮带动盘150旋转，另该齿轮带动盘150则于中央部位设有一组合孔152，以透过一轴套件160套合该轮轴40的末端而结合至一单向离合器170(如棘轮)上，而令该齿轮带动盘150传动该单向离合器170，且该单向离合器170则结合于车轮壳盖180的内侧上，以令该车轮壳盖180得受该转子盘50的间接传动，且该车轮壳盖180则由一车轮外盖190透过一轴承195封闭盖合，并得使该轮轴40的两端分别穿套于车轮壳盖180及车轮外盖190外。

另在于车轮外盖190内侧及电动机壳体20外侧相对应位置处，则分别结合设有一成对的转速感测器200及210，且该转速感测器200及210则可为成对磁簧开关组的结构所构成，亦即利用两者于某一特定距离的近接时，由该转速感测器210检出一脉动感测信号，亦即可检出车轮外盖190与电动机壳体20间的相对转速运动，另并在于该电动机壳盖20上设有至少一个温控开关215，以检测电动机壳体20及30内部的定磁环10及转子盘50的温升状态信号，构成本发明的动力辅助电动机整体结构。

请配合图4～5所示，如图1～3所述本发明的辅助动力电动机结构，是于实际应用上，尚需配合以一控制电路220及电动机控制电路230使用，其中，该控制电路220是主要包含有一可程式计数器MPU，该可程式计数器MPU由输入端A检入上述转速感测器210所感测输出的转速侦检信号，并依预设的转速值，如以本发明为例，是在于转速高于8公里/每小时时，则由该可程式计数器MPU的输出端B输出高电位予由晶体管Q1、Q2及电阻器R1及R2所组成的驱动放大网路，并由该晶体管Q2的集电极输出端C输出一高电位启动电动机控制电路230。

此电动机控制电路230则具有电子电源相位控制功能的线路所构成，并连结如上所述定磁环10中的电源线1A～1C、换向信号线2A～2C、电源引线2D、2E及温控开关215，并以由该电动机控制电路230提供具有交流三相时序的直流脉波电源予该定磁环10启动转子盘50带动车轮壳盖180转动，并由该换向信号线2A～2C随时反馈提供换向时序信号予电动机控制电路230；但若于该转速低于6公里时，则该可程式计数器MPU的输出端则为低电位，亦即此时该电动机控制电路230为关闭的状态，转子盘50则不动作；而另一种转子盘50不动作的状态，则为该温控开关215检出该定磁环10及转子盘50于相对运转时的温升过高时，则会令该电动机控制电路230自动关闭。

请再对阅图6所示，如上述图1～5所述本发明的动力辅助电动机及其相关控制线路结构，于应用上，则可如图5所示应用于自行车D上，其中，由该车轮轮盖180外部结合以钢丝或钢片于自行车轮胎内侧，并由该轮轴40两端枢合于该自行车的前轮支轴1D上，而该控制电路200及电动机控制电路230则可装设于自行车D车体的适当位置上，并可由电瓶或直流电池组等作为其电源供应，另值得一提的是，在于自行车D的方向操作把2D末端，则装设有一可旋转的握把3D，以于自行车D车速达到8公里/小时启动上述的动力辅助电动机中的转子盘50辅助带动自行车D轮胎转动时，由该握把3D的旋转操作，而改变其动力辅助电动机的转子盘50的输出转速、转矩及功率，以使驾驶者得依行驶路况及状态，予以适度调配该动力辅助电动机的输出，而使驾驶者于驾驶自行车3D时更能得心应手，进而增益本发明的实用功效，诚为一前所未见的新型设计，并得以改善常用电动自行车于辅助动力电动机的结构及其实用上所易于产生的缺点与困扰。

此外，本发明中以HALL IC 11～13作为换向时序侦测的方式，亦可以电动机本身的反电动势配合电动机控制电路230，来侦测转子盘50于转动时的机械角度，而提供相同的换向时序，而也可达到与本发明相同的动作及实用功效。

Claims (5)

1.一种辅助动力电动机，包括定磁环、转子盘、转轴、轴承、培林座、行量齿轮组、齿轮带动盘、轮轴、中空心轴、轴套件、单向离合器、两相称电动机壳盖、车轮壳盖、控制电路及一电动机控制电路所构成，其中，定磁环及转子盘是包覆于电动机壳盖内部，且转子盘则由中空心轴、轴套件及轴承枢套于轮轴的一端，另中空心轴则与转子盘相为固定结合，并透过行星齿轮、齿轮带动、轴套件及单向离合器而连结至车轮壳盖上，由转子盘驱动车轮壳盖，其特征在于：该转子盘(50)由硊铁环(52)于外缘固设若干磁铁块(53)构成，并设置于定磁环(10)的内侧，而与定磁环(10)保持一定的气隙；另定磁环(10)以薄矽钢片堆叠并于边缘具有三相星形的线圈绕组，且于该定磁环(10)的特定三相平衡电机角度位置上，另外设有至少三个的HALL IC，以感测及产生转子盘(50)于转动时相对的换向时序信号予该电动机控制电路；而该电动机控制电路(230)，则为具有产生如同于三相时序的直流脉波电源的线路构成，并以提供定磁环(10)相对的三相时序的直流脉波电源，而驱动定子盘转动，形成一三相无刷换向的电动机结构。

2.如权利要求1所述的辅助动力电动机，其特征在于：该电动机壳盖(20)外侧及车轮壳盖(180)内侧相对应部位，则分别设有一转速感测器，以检测输出车轮壳盖(180)及电动机壳盖(20)间的相对转速予控制电路，以令该控制电路于特定转速时，启动该电动机控制电路(230)。

3.如权利要求2所述的辅助动力电动机，其特征在于：转速感测器(200、210)指以成对的磁簧开关组所构成。

4.如权利要求2所述的辅助动力电动机，其特征在于：控制电路(220)指以一可程式计数器MPU所构成。

5.如权利要求1所述的辅助动力电动机，其特征在于：该以HALL IC作为无刷换向的结构，亦可由该转子盘(50)或定磁环(10)的反电动势作为无刷换向的侦测时序。

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