CN105939924B - 电动齿轮马达系统和具有两个或三个轮的车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于具有两个或三个轮的车辆的电动齿轮马达系统，其能够在外部安装在车辆自身的底部支架上。该系统应用于具有两个和三个轮的车辆，该车辆包括标准自行车框架(1、101)，具有杠杆(6)和踏板曲柄，以用于传递车辆的前进运动。所述齿轮马达单元是“外转式”类型的，即转子(24、50、14、124、150、114)处于定子(12、112)外侧，齿轮箱是行星式类型的，嵌入在定子腔体内；该系统的特征在于，该系统借助于轮毂19、119与框架(1、101)的底部支架同轴地安装，该轮毂适当地成形为插入到标准自行车框架上具有的底部支架的腔体中，使得马达、齿轮箱和踏板曲柄轴的旋转轴线重合；马达处于框架外侧。描述并要求保护两个优选实施例。

Description

电动齿轮马达系统和具有两个或三个轮的车辆
技术领域
本发明涉及用于具有两个或三个轮的车辆(尤其是自行车或三轮车)的电动推进系统的领域。
背景技术
近年来，用于电动自行车的电动马达通常安装在轮的轮毂中(称为“轮毂马达”或“直接轮毂”或“驱动轮”)，以便由于这些马达所要求的体积而利用否则不会用到的空间。
多年来，这些马达已经开始显示出它们的限制。实际上，通常是具有外部转子的无刷马达，其中磁体在没有减速级的情况下直接固定到轮的轮毂，马达吸收大量的电流，以便产生必要的转矩。此外，转矩的缺乏阻碍电动自行车行驶于显著的上坡路(例如：大于20％的倾斜度)。
随后，为了克服这个问题，引入了无刷马达，其中与轮的轮毂的联接不再是直接的，而且运动通过周转级而被减速(例如EP2 308 436A1)。这样的周转级以同轴的方式相对于马达的主动部分侧向地安置。相对于没有减速级的马达而言，这种权宜之计能够减小尺寸和体积(并由此降低成本)，原因在于能够以较高速度(例如每分钟1000-2000转)旋转的马达在传递相同功率的情况下需要的驱动转矩较小，并且因此在下部绕组中需要的电流较小。
安置在轮毂上的、具有一个或两个周转减速级的马达的这种构造通常定义为“行星轮毂”并且具有若干缺陷。第一个缺陷在于，周转级的总体积减少了马达的主动部分(即用来产生能量的部分(定子、转子、绕组))的宝贵空间。第二个缺陷在于，传动装置在减速时可能依赖于单个固定的减速比，由此马达不得不在宽的旋转工况区间(例如：每分钟从0至2000转)内操作，从而在大部分时间极大地背离了确保最大效率的工况。
自行车的后轮毂的轴向尺寸是有限的(在大多数情况下小于150mm)。具有周转级的马达的方案必须将这样有限的体积划分在环形齿轮的轮、周转级以及马达的主动部分(定子、绕组、转子)之间。还需要考虑的是，该方案中采用的行星系统由于有限的体积而在可获得的最大减速比上存在限制，对于每个减速级而言，该减速比的范围通常为从3:1至5:1。
这些组合的因素确保了这样的系统即使在改进的情况下也不能够完全发挥出电动马达的固有的潜能。实际上，电动马达的最佳重量/功率、体积/功率比常常在每分钟2000至4000转的范围内，该系统并不能实现这样的最佳状况。考虑到在最大速度下电动自行车的后轮通常每分钟完成60至300转，所需的减速比应当在6:1-66:1的范围内。考虑到自行车的后轮毂的体积约束和要求传递的转矩，利用一个或多个周转减速级很难获得这样的比。
为了克服这个障碍，最近出现了具有“底部支架”的系统，其中电动马达不再安装在轮的轮毂上，而是安装在自行车自身的底部支架附近，从而借助于具有齿轮的传动装置或者具有链条的传动装置而将传递的转矩传动到自行车链条所接合的环形齿轮。
这种构造(称为“中间驱动”或“曲柄驱动”)提供的优点在于，能够使马达以接近最佳数值(每分钟2000-4000转)的转速旋转并且依赖于后续减速级/链轮(自行车自身的，包括一个或多个环形齿轮、传动链条以及与后轮的轮毂一体形成的一个或多个链轮，参考二次传动装置302)，这允许将电动马达保持在最接近最大效率的旋转范围内。
在相同的电池组的情况下，这些优点使得马达具有更加受限的尺寸、较小的电流消耗，并且由此具有较大的自主性(例如：EP2615023(A1)-2013-07-17，WO2008120311(A1)，WO 00/43259)。
然而，“中间驱动”构造使其具有若干缺陷：相对于马达定位在轮毂上，复杂度增大，并且一次传动系统(其将运动从电动马达传递到自行车的底部支架)所需的体积和重量增大，这迫使寻求用于定位马达-传动装置单元的新方案。
当前已有的最佳方案追求获得最小体积(与自行车的日常使用相容)和轮可以获得的高转矩(这需要使用马达或较大尺寸的一次传动装置)的相反需求之间的折中，当然同时追求最低的成本。
上述专利(EP2615023)和其它专利(例如：DE102011089559)依赖于高的一次减速比来获得可获取的高转矩，这对体积而言是不利的。因此，接受了大尺寸自行车具有显著增大的体积的缺陷，电动推进系统具有确保高转矩和高效率的优点。这些系统中的一些引入了其扩散的另一个限制：它们要求自行车具有用于接纳这些装置的框架(WO 00/43259)。虽然任何人都可以在某人的常规自行车上安装马达，马达被安置在后轮的轮毂上，从而将自行车转换为电动自行车，但是现在不再能够将已有的自行车转换为具有这些系统。
其它系统(例如：EP2463189A1和EP1144242(A1)-2001-10-17)通过将马达与底部支架同轴地容纳在自行车的踏板之间而追求有限的体积。这防止了过大的尺寸，但是再次引入了马达单元的轴向尺寸的约束，和在本部分开始处调查的马达-轮系统一样。实际上，这些系统必须确保有限的轴向和径向体积(例如轴向小于100mm，径向小于200mm)，这由于可能的周转级所要求的体积而阻止获得高的一次减速比(踏板马达-环形齿轮)，并且由此阻止高的转矩传递到轮。为此，某些制造商提出解决方案，其中利用周转减速级(一种称为“周转中间驱动”的构造)进行补偿来限制马达的体积(US6296072)，并且某些制造商提出了其它的解决方案，其目的在于使得马达的尺寸最大化，排除一次减速和/或使用缺少减速级的轴向通量构造(EP2562071A1)，类似于本发明的目的。
在将同轴马达与多个周转减速级的优点结合起来的尝试中(例如：EP2463189和US6296072)，通过限制必须与周转级共同存在的马达的主动元件的尺寸(转子的直径，定子组的轴向长度，绕组头部的体积)，以及通过在有限的轴向体积下齿轮的最大可支持转矩，来限制最大功率。
在这个简要段中分析的大多数马达的最大功率被限制为250W。最大功率约束从来不是大问题，原因在于在大多数欧洲法律中不允许电动自行车传递更大的功率。随着电动自行车具有较高法定功率限制的国家(例如美国，其电动自行车能够交付使用的最大功率限制为750W)对电动自动车越来越关注，并且欧洲法律授权销售相对于公路而言用途不同的、具有较大功率的电动自行车，最大可获得功率的约束变得越来越不利。
必须要考虑的是，上述系统中的一些可以用来短时间传递甚至大于250W(例如：1000W)的功率，但是效率以及由此自主性将受到严重妨碍。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种推进系统，通过使用相对于车辆的中央系统(通常称为“中间驱动”)，其能够在多种不同的情形下(例如大于80％的情况为，在平地上中等速度，在陡峭上坡路上中等速度，在平地上高速，在陡峭上坡路上高速)获得较高水平的马达效率，以便获得车辆的较大的自主性。
本发明的另一个目的在于提供一种推进系统，其能够借助于高的一次减速比为电动车辆提供面对陡峭上坡路(例如：大于30％的倾斜度)所需的驱动转矩。
本发明的另一个目的在于提供一种推进系统，其通过使得一次传动装置的体积最小化而能够获得系统的最大转矩/体积比。
本发明的另一个目的在于向还没有设置电动推进装置的全部现有车辆提供上述优点。
所述目的和优点均通过根据本发明的目的的电动齿轮马达系统来实现，该电动齿轮马达系统用于具有两个或三个轮的车辆(例如：电动自行车、电动踏板车、三轮车)，能够与车辆自身的底部支架同轴地安装，以下的权利要求提供了该电动齿轮马达系统的特征。
附图说明
从以下仅仅借助于附图中的非限制性例子给出的若干图示实施例，这些和其它特征将会更加清楚。
图1：示出了本发明的第一实施例，具有两个轮的车辆(在该实施例中为自行车)的标准框架外侧的构造，
图2、3、4和6：示出了图1的系统的若干部件的结构细节，
图5：示出了本发明应用于底部支架外侧的构造的第二示意图，
图7：为用于底部支架外侧的构造的结构实施例(平面截面图)，
图8：示出了用于运动单向传动装置的装置的结构实施例(例如过限接头或自由轮系统)，
图9：为用于底部支架外侧的构造的结构实施例(轴测截面图)，
图10：示出了假想体积，齿轮箱的至少一个齿轮完全地或部分地封闭在该假想体积中，
图11：示出了根据本发明目的的系统的分解构造，
图12：示出了根据本发明目的的系统处于底部支架外侧的安装构造中的示意图，
图13：示出了现有技术相对于本发明的目的的性能比较曲线。
具体实施方式
在详细描述本发明之前，有必要首先进行若干陈述。
一般来讲，为了增大电动马达的功率(转矩*速度)，必须增大其转矩和/或速度。转矩是转子直径的指数级函数，指数为大约2.5，为最佳速度范围为2000至3000转：超过该工况，已经证实由于板中的滞后而产生恒定的损失(与绕组的激励频率的平方成比例)，这增大了马达的温度，因此增大了绕组的铜线的电阻，并由此使得马达的效率快速降低。
为了从马达获得最大转矩，在定子组具有相同长度的情况下，必须是的转子具有最大的尺寸。无刷马达产生的转矩实际上是转子直径的指数级函数，以增大产生的电磁力的力臂，并且增大能够获取的用以接纳磁体的表面积。然而，转子尺寸的增加与具有有限体积的需要是相对的。
为了优化驱动转矩/体积比，本发明采用具有外部转子的无刷马达(也被称为“外转式”)或者具有“轴向通量”的无刷马达。
在第一种类型的马达中，转子位于定子外侧，从而在相同的径向和轴向体积的情况下，其能够传递较高的转矩(高的因此为从2至4)。
在第二种类型的马达中，转子由平盘构成，该平盘沿轴向位于定子旁边；在该盘上，容纳有平的磁体，该磁体具有扇形的形式(参见EP 2562071 A1)。
轴向通量类型的马达被这样命名是因为，与定子的连接通量垂直于轴马达流动的第一种“外转式”类型相对，在轴向通量马达中，该流平行于轴马达流动。
两种类型能够获得的是，转子的尺寸大于定子的内径，并且由此优化驱动转矩/体积比。
为了描述简化起见，将仅仅以具有径向通量的“外转式”马达来描述本发明，其代表了较大的复杂度。
然而，所要求的保护还延伸到具有轴向通量的形式。换言之，在下文中，将提及“外转式”马达，两种马达类型(具有径向通量和具有轴向通量)，也就是其特征在于，容纳永久磁体的最大转子直径大于最大定子腔体的最大直径。
对于给定的电动马达，转矩是吸收的电流的线性函数：本发明的传递较大转矩的固有能力意味着电池的电流要求较低。较低的电流意味着较高的效率，原因在于在绕组中的电阻损失较低(根据已知的焦耳定律，与电流的平方成比例)。
在功率密度(即每单位体积的功率比)和转矩密度(即每单位体积的驱动转矩)方面，本发明结合了“外转式”构造的电动马达和极为紧凑的一次减速系统(以下描述)的优点。
第一实施例
图1、2、3、4示出了根据本发明的目的的用于具有两个和三个轮的电动车辆的齿轮马达系统的第一实施例。
首先，应当声明的是，本文所述和要求保护的两个实施例均保持相同的概念：马达安装在底部支架处，由此安装在踏板曲柄的轴上，并且安装在框架外侧。这表明，即使轮毂19、119插入到适于容纳底部支架的标准自行车框架1、101上的圆柱形空间中，马达和齿轮箱也能够定位在框架的侧部上。
具体地，用于具有两个或三个轮的车辆的电动齿轮马达系统包括：
-齿轮马达单元，其中马达是“外转式”类型的，也就是转子处于定子外侧，
-齿轮箱是行星式类型的；
-齿轮箱嵌入到定子腔体内；
系统与底部支架同轴地安装在标准自行车框架上，使得马达、齿轮箱和踏板曲柄的回转轴重合。
已知的是，行星齿轮箱是机械构件，通过简单的机构，该机械构件能够改变输入轴和输出轴之间的速比。
太阳轮、行星齿轮壳和具有内部齿的环形齿轮由于行星齿轮而传递运动，该行星齿轮关于相对于行星齿轮壳固定且一体的内部轴旋转。
第一实施例的系统包括齿轮马达单元，其中马达是“外转式”类型的，也就是转子(由元件124、150、114形成)位于定子(用附图标记112表示的元件)外侧，并且齿轮箱是行星式类型的并嵌入在定子112的腔体内。
定子112与车辆的框架101一体地形成，相对于该框架固定，并且包括多个适当地成形的板，这些板用于容纳多个绕组121。
中心轴109与框架101和齿轮马达成横向，并且在端部处支承车辆的踏板曲柄106，该踏板曲柄继而支承踏板(未示出)。
定子112与由磁体124形成的转子对应，磁体与转子环形齿轮150成一体，转子环形齿轮继而借助于转子凸缘114与行星齿轮箱的行星齿轮118系连接。
具体地，行星系统118的齿轮组与杯状物151的内部和带齿部分啮合，该杯状物从而用作用于所有减速级的环形齿轮，并且行星系统的组齿轮与后续级的太阳轮啮合，该后续级在末端将运动传递到最终级的行星齿轮壳，该行星齿轮壳用152表示，具有中空形状，轴109在其内部滑动并自由旋转。
在该实施例中，最终级152的行星齿轮壳与第二级相对应；然而，也可以具有不同数量的级(即不是两个级)。
杯状物151在一侧上借助于轮毂109与框架101成一体，而在另一侧上是开口的，以用于安装各个减速级的行星齿轮和行星齿轮壳118。
杯状物151具有用于允许轴109通过的孔，并且具有可能的轴承，在图中该轴承用圆圈识别，以便简化表示。
图3和4中详细示出了第二级行星齿轮壳152；其包括中空圆柱形本体155，轴109在该本体内自由旋转。所述圆柱形本体155具有三个凸缘156，每个凸缘具有孔154；行星齿轮组的行星齿轮118安装在该孔上。
因此，第二级行星齿轮壳152与轴109同轴，并且允许通过一系列前部连接件153将齿轮箱的输出动力传递到钟形元件103。
实际上可以观察到，在本体155的头部处，即在端部部分处，具有齿153，连接齿大致具有锯齿形状，以便允许仅仅沿一个旋转/致动方向致动或驱动对应的第一齿环107。
环107继而具有：前齿107A，即轴向齿，其适于与对应的齿153啮合；以及径向齿107B，其总是与元件103的凹槽轮廓啮合，该元件103为外部壳体，从而该外部壳体通过行星齿轮壳152和环107进行旋转。
在环107旁边具有类似但不同的环108；环108也设置有轴向齿108A和径向齿108B，径向齿与元件103的同一凹槽轮廓103A啮合。
所述第二环108继而可以由带齿元件160仅仅沿一个旋转/致动方向驱动，如图6所示。
这样的带齿元件160借助于利用方形座部161进行接合而与轴109成一体；所述元件160允许108和踏板曲柄106之间的单向前部啮合。
为此，设置有齿(轴向齿和径向齿)的齿环107和108可以沿着轴109滑动，并且通过弹性元件而保持被压缩，也就是它们受到推力，该弹性元件为例如中间弹簧170，适于保持齿环与元件152和160的对应齿抵靠接触。
轴向齿107A和108A的布置是成镜像的，也就是彼此相反的，使得当马达旋转时，元件107能够与第二级行星齿轮壳152啮合，考虑到元件107总是与附图标记为103的外部壳体接合，元件107可以致动车辆的环形齿轮102。在这种情形下，通过壳体103进行的环108的设定旋转不会引起踏板曲柄旋转，原因在于元件108的齿与齿轮160的啮合是自由的，就好像这是自由轮。中间弹簧允许齿108A轴向脱离。
在相反的情况下，也就是在非电动的人工踩踏的情况下，元件108借助于元件160的前部连接件利用方形座部而接纳通过杠杆106的运动，该方形座部由此变得与轴109成一体；在这种情形下，环108借助于齿108B而接合外部壳体103的凹槽轮廓，并且由此环形齿轮102旋转。和前述情况一样，环107现在可以免于与行星齿轮壳152的齿53对应啮合。环107被径向地驱动，然而前部连接件用作自由轮，由此马达不旋转——弹簧在环的齿每次在相反的齿上经过的情况下被压缩。
第二实施例
现在图示描述根据本发明的目的的用于具有两个和三个轮的电动车辆的齿轮马达系统的第二实施例。其实能够与车辆自身的底部支架同轴地安装的类型，并且包括齿轮马达单元，该齿轮马达单元由以下部件形成：
a、固定的定子12，其与车辆的框架1一体地形成，并且包括多个板，这些板适当地成形以用于容纳多个绕组21，
b、轴9，转动副容纳在该轴上，该轴支撑以下部件，并且至少以下部件在该轴上同轴地旋转：
c、环形齿轮22，以及
d、转子11，其上容纳磁体24的平均直径大于最大定子内径，也就是大于定子腔体的最大尺寸(如果其不是圆形的)，继而转子包括：
i、转子环形齿轮50，其上固定有以下部件：
ii、多个永久磁体24，其由以下部件支撑
iii、转子凸缘14，在本下文中也被称为行星齿轮壳或行星齿轮系壳；所述转子凸缘14与轴9同轴地旋转并且用作行星齿轮壳，原因在于以下部件借助于转动副54而约束在其上：
c、多个行星齿轮18，其包括齿轮10和29，这些齿轮接合在多个内部环形齿轮23和22内，所述多个内部环形齿轮中的：
i、至少一个是固定的ii、至少一个与轴9同轴地自由旋转；
内部环形齿轮23和22中的至少一个部分地或全部容纳在圆筒的用401表示的空间/体积部分中，该圆筒具有：圆柱形表面，其与定子的内部腔体成切向且同轴；以及两个基部，其安置在根据轴9的方向的最大轴向尺寸处，该最大轴向尺寸由定子12、绕组21和转子11的组合所形成的单元识别。在图10所示的结构实施例中清楚地示出了这样的空间部分401。
此外，系统包括具有固定齿轮或自由轮8和7的一个或多个装置，其允许用于两个旋转元件的仅仅一个相互旋转方向的运动传递，这两个旋转元件中的至少一个将运动从可动的环形齿轮运动装置22传递到二次传动装置302的环形齿轮2。
行星齿轮组如下：
a、封端的Z11(23)
b、转子11用作齿轮系壳，通过凸缘14
c、Z12(10)和Z21(29)成一体以形成行星齿轮18。
系统总是定位在底部支架外侧。
与车辆1的框架连接的固定壳体15支撑定子12。
齿轮马达单元与车辆的底部支架同轴地定位，或者如果不具有底部支架，则与二次传动装置的环形齿轮2同轴地定位。
根据这两个实施例：
-轴9支承踏板曲柄6和16，踏板4继而可以容纳在踏板曲柄上；这样的踏板用来收集通过腿和/或手臂传递的人体肌肉力量；在这种情况下，具有固定齿轮或自由轮8的至少一个装置将运动从轴9传递到二次传动装置302的环形齿轮，
-轴9不支承任何踏板曲柄；在这种情况下，轴9可以与固定壳体15一体地固定。
做为环形齿轮2的替代形式，可以安装其它系统以用于将运动传递到轮，例如借助于非限制性例子：用于齿形带的环形齿轮，用于梯形和/或平坦带的环形齿轮，万向接头传动齿轮组，流体静力学传动齿轮组，以及任何其它类型的用于将运动从旋转轴传递到轮的系统。
快速输出轴(201)将运动传递到转子(11)，然后传递到齿轮系壳(14)，该齿轮系壳使行星齿轮(18)旋转，该行星齿轮包括两个一体的齿轮：行星齿轮的第一齿轮Z12(10)和行星齿轮Z21(29)的第二齿轮。
在本发明中，内部环形齿轮Z11(23)是固定的，原因在于其与固定的壳体(15)成一体。
根据以下较佳地描述的模型，转子(11)直接通过电动马达进行旋转。
轮Z12(10)由于被转子凸缘14和啮合的固定内部环形齿轮Z11(23)驱动而绕其轴线旋转并绕轴(201)旋转，从而也使得与其成一体的轮Z21(29)以相同的角速度旋转。
如果轮具有相同的模数，那么轮Z21(29)的齿数与Z12(10)的齿数不同，在这种情况下向环形齿轮Z22(22)施加旋转运动，继而将运动传递到输出轴(202)。
由此构成的齿轮组的传动比由以下的公式给出：
Figure GDA0002297885430000121
其中z11、z21、z12和z22分别为轮Z11(23)、Z21(29)、Z12(10)和Z22(22)的齿的数量。
实例1
仍然假定所有的轮具有相同的模数，并且具有：
Z11＝77
Z12＝21
Z21＝20
Z22＝76
根据该公式，传动比为大约0.035。因此，通过使马达并由此使行星齿轮壳(14)以每分钟4000转的速度旋转，输出轴(202)的速度为大约每分钟4000x 0.035＝140转。
由此获得的一次减速比大于4000/140＝28.5比1。
因此，一次轴(201)每转动28.5圈，输出轴(202)仅仅转动一圈。
这样的构造将正常踩踏结构(每分钟70至140转)与马达的最大效率范围(2000至4000rpm)结合起来，从而优化了系统的效率。
实例2
仍然假定所有的轮具有相同的模数，并且具有：
Z11＝144
Z12＝42
Z21＝41
Z22＝143
传动比为大约0.017。
通过使马达并由此使行星齿轮壳(14)以每分钟4000转的速度旋转，输出轴(202)的速度为大约每分钟4000x 0.017＝68转，因此，这样的速度之间的比大于4000/68＝58比1。
因此，一次轴(201)每转动58圈，输出轴(202)仅仅转动一圈。
比较本发明获得的减速比与专利US6296072(为大约8:1)、EP20110187604和EP2522567 A1(为大约1:4)中所述的借助具有一个或多个级的常规周转设计能够获得的减速比，输出轴的转矩的增大超过3至14倍的因数。这样的转矩增大仅仅是由于所获得的较大的减速比，从而还没有考虑使用特定马达构造的积极效果，如下较佳地描述的。
图4中所示的方案能够获得与非同轴方案所能获得的减速比相当的减速比，而同时传动装置自身还能够具有更加有限的体积和更高的效率。
本发明的目的在于获得用于自行车和三轮车的电动齿轮马达单元，其整合了“外转式”类型的电动马达的上述减速系统的效果，同时允许使用者在需要时能够进行踩踏的可能性；上述全部处于极为紧凑的方案中，总是为了获得上述目的。
图5仍然是“底部支架外侧的构造”，原因在于齿轮马达单元位于底部支架外侧，如图12所示，以确保能够借助于非限制性例子应用本发明的优点，还能够应用于不形成为电动车辆的自行车的框架，由此将其从肌肉推进的车辆转换为电动推进的车辆。
参考图5，固定壳体15借助于中空轴也与车辆1的框架成一体，该中空轴的外部部分封闭在车辆的底部支架中，而该轴的内部部分容纳轴承，该轴承允许相同的轴9旋转。
相对于内部构造的一个不同之处在于，轮22现在借助于允许传递单向运动的装置7(例如过限接头或自由轮系统，图8示出了其可能的结构模型)将运动传递到马达的活动壳体3。
在该实施例中，用于二次传动装置302的环形齿轮2与活动壳体3成一体地布置，该活动壳体由于15和9上的转动或圆柱形副(53)(例如轴承或衬套)而与9同轴地自由旋转。
活动壳体3现在借助于用7和8表示的能够传递单向运动的装置(例如过限接头或自由轮系统，参见图8)而联接到轮毂17和轴9，使得当所述元件17的转速大于或等于活动壳体3的转速时运动从轮毂17传递到元件3。
类似地，当轴9的转速大于或等于活动壳体3的转速时，运动从轴9传递到壳体3。
参考图8，示出了装置的操作，其能够进行用于底部支架外侧的构造的单向运动传递。
轮毂17与环形齿轮22成一体，并且能够与9同轴地旋转。
覆盖件31具有内部齿，并且固定到壳体3。
成形轮廓34与轮毂17成一体，并且形成为能够容纳多个齿33，这些齿借助于多个弹簧32压靠内部齿31而确保仅仅当轮毂17以相对于31沿参考图8的第一视图的顺时针方向的相对运动旋转时运动能够从轮毂17传递到内部齿31。在这种情况下，实际上齿接合在31的腔体中，驱动31。
相反，当17和34相对于齿31以逆时针相对运动旋转时，齿33在内部齿轮廓上滑动，而没有接合在腔体中，由此阻止运动在两个元件17和31之间传递，从而由此阻止运动在马达与二次传动装置302的环形齿轮2之间传递。
操作
为了解释的目的，以三种情形方便地描述本发明的操作：
1)驱动功率仅仅由电动马达传递，
2)驱动功率仅仅由人借助于踩踏而经由踏板4以及踏板曲柄6和16传递，
3)驱动功率由电动马达305以及由人借助于踏板4和踏板曲柄6和16两者传递。
在第一种情况下，转子(11)通过由电动马达21、12、24的主动部分产生的磁场所产生的磁动势而旋转。
接合在固定内部环形齿轮Z11(23)上的轮Z12(10)同时绕其轴线旋转并绕轴9旋转，从而也使得与其成一体的轮Z21(29)进行相同的运动。
在轮具有相同模数的情况下，轮Z21(29)具有与Z12(10)不同的齿数，并且向环形齿轮22施加绕轴9的旋转运动。
环形齿轮22借助于具有上述模型的装置7将运动传递到环形齿轮壳单元41(或者在外部构造的情况下传递到壳体3)，然后传递到环形齿轮2，继而借助于链条308将运动施加到轮306。
在刚刚描述的情形下，人不借助于系统的踏板4以及踏板曲柄16和6提供动力；因此为了简化起见假定踏板不使轴9旋转，将停止，装置8将自由旋转地操作，类似轴承，使得环形齿轮壳单元41(或者在外部构造的情况下壳体3)的运动与轴的运动脱开。
在第二种情形下，功率仅仅由人传递，转子(11)停止，因此行星齿轮18、环形齿轮22和环形齿轮壳轮毂17停止。踏板曲柄6和16将沿图1的透视图所示的逆时针方向旋转，以驱动轴9。装置8允许旋转运动传递到环形齿轮壳单元41(或者在外部构造的情况下传递到壳体3)，由此传递到环形齿轮2，继而借助于链条308将运动施加到轮306。装置7将自由旋转地操作，类似轴承，使得环形齿轮壳单元41(或者在外部构造的情况下壳体3)的运动与环形齿轮壳轮毂17的运动脱开。
在第三种操作情形下，功率由人和齿轮马达单元两者传递，驱动转矩同时通过马达和踏板借助于装置7和8传递到环形齿轮壳单元41(或者在外部构造的情况下传递到壳体3)，装置7和8现在阻止它们所联接的部分的相互运动。
踏板6和16、环形齿轮壳单元41(或者在外部构造的情况下壳体3)以及环形齿轮壳轮毂17将绕着轴9的轴线以相同的转速旋转。
最后的考虑
因此，本发明结合了“外转式”马达的构造的优点与上述一体化减速系统的优点，采用极为紧凑和有效的方案，在环形齿轮2上产生的驱动转矩为当前市面上的系统的驱动转矩的4至40倍。
因此，“中间驱动”的方案允许借助于二次传动装置(302)根据需要利用该转矩，该二次传动装置可以进一步降低或增加传动比，以允许马达在最佳效率的旋转工况下操作(例如：在每分钟2000至4000转之间效率高于80％)。
在图7中，能够理解该系统的应用例子的有限体积。表示的方案允许传递1800W，马达传递的驱动转矩为大约12Nm的连续水平和30Nm的峰值水平，其与减速比为10:1的一次传动装置一起，使得能够传递到环形齿轮2的转矩为大约340Nm的连续水平和855Nm的峰值水平，全部具有最小的体积。
外径可以例如小于二次传动装置的具有52个齿的标准环形齿轮的直径(为大约218mm)，轴向尺寸可以为例如大约70mm，以便容纳在正常框架的形状内。在这样的例子中，根据本发明目的的齿轮马达单元的总体积由此为大约2.6立方分米，由此提供的连续转矩密度(或“转矩密度”)为大约340/2.6＝130Nm/dm^3，峰值为大约328Nm/dm^3。为了表现结果的重要性，以下将列出现有技术的典型的值。
考虑到相同的电源电压和电流，缺少行星减速齿轮的“直接轮毂”马达需要大得多的体积(3.8立方分米)，来获得小于一半的转矩(130Nm)，由此产生的连续转矩密度为30-35Nm/dm^3。
在一次传动装置具有行星减速齿轮的“行星轮毂”式马达，由于轴向尺寸的约束(受齿轮箱限制)，以及电动马达的直径/长度比的约束，而具有的特征在于小尺寸(体积为大约1.6立方分米)，并且其特征在于连续转矩密度大于缺少减速的形式的连续转矩密度：这些马达的典型的值为大约40-45Nm/dm^3。然而，体积约束限制了可获得的最大转矩，该最大转矩小于80Nm。非同轴“中间驱动”系统，类似WO2008120311，必须限制总体尺寸，由此具有有限的体积(在具体情况下，小于1立方分米)，并且由于其构造而能够获得高的转矩密度(在当前的情况下，为50Nm/dm^3)，但是不会超过适度的连续转矩值：对于一次传动装置的环形齿轮而言，大约44Nm。转矩值减小是由于这些系统的电动马达所需的尺寸有限。
框架内的同轴的“周转中间驱动”系统具有周转级，并且传递与本发明最为接近的性能。专利US6296072中所述的系统提供的峰值功率为850W和120Nm(制造商数据)，这是由于两个常规周转级给出的总体一次减速比为大约32：1。因为对于无刷马达而言峰值数据和标称数据之间的比为0.5至0.3，并且假定在当前情况下为0.5，所以专利US6296072中描述的系统的功率和转矩值分别为425W和60Nm。这些值与有限的体积(大约1立方分米)一起将该系统定位在现有方案的顶部处，连续转矩密度为56Νm/dm^3，峰值转矩密度为111Nm/dm^3。
将现有技术和上述专利的转矩和转矩密度值(由制造商自己提供，和由独立研究机构提供)与根据本发明的目的用于传递340Nm的连续转矩(连续服务S1)所能获得的值(连续值为130Nm/dm^3，峰值为328Nm/dm^3)相比，本发明的优点将变得非常清楚，如图13的曲线图所示。实际上，通过使用小部分的可获得的转矩，将吸收较低的电流，并由此具有较高的效率，在相同的电池组容量的情况下，较高的效率转换为较大的自主性。能获得的高转矩能够面对非常陡峭的上坡路(例如30％倾斜度)，通过采用高的一次减速比，可以在行驶的同时保持马达处于最大效率的旋转范围内。由于二次传动装置，能够将该比“扩展”，以将可获得的功率转换为速度，从而总是保持马达处于最佳操作工况下。
附图标记列表
1、101-框架自行车
2、102-用于链条传动装置的环形齿轮
3、103-活动壳体
4-踏板
6、106-右踏板曲柄
7、107-用于单向运动传递的构件(例如：过限接头或具有夹子的自由轮)，以用于将运动从马达传递到壳体
8、108-用于单向运动传递的构件(例如：过限接头或具有夹子的自由轮)，以用于将运动从底部支架的轴传递到壳体
9、109-轴底部支架
10-行星齿轮Z12
11-转子
12、112-定子组
14、114-转子凸缘或行星齿轮壳或系壳
15-固定壳体
16、116-左踏板曲柄
17-环形齿轮的轮毂，具有内部齿Z22
18、118-行星齿轮，包括齿轮Z12(10)和Z21(29)
19、119-底部支架的固定管
20-用于马达电源的线材输出
21、121-定子绕组头部
22-Z22-最终减速级的具有内部齿的环形齿轮
23-Z11-第一减速级的具有内部齿的环形齿轮
24、124-转子磁体
29-行星齿轮Z21
31-用于齿轮马达系统的覆盖件
32-多个弹簧，用于单向运动传递构件的齿的压缩
33-用于单向运动传递构件的多个齿
34-单向运动传递构件的成形轮廓
41-环形齿轮壳单元
50-磁体-载体转子环形齿轮
51-用于支撑转子11的转动副
52-用于支撑齿轮箱的最终级17的转动副
53-用于支撑二次传动装置的初始级的转动副
5t4-用于支撑行星齿轮18的转动副
201-齿轮箱的快速运动输入轴
202-用于齿轮箱的运动输出的慢轴
302-二次传动装置
305-电动马达
306-车辆的后轮
308-二次传动装置的链条
309-环形齿轮，其安置在车辆的轮处
401-假想圆筒的体积，一次传动装置的一个或多个内部齿轮嵌入在该体积内
123-行星齿轮箱的内部齿轮
150-转子环形齿轮
151-用于所有减速级的杯状物、环形齿轮
152-最终级的行星齿轮壳
155-最终级的行星齿轮壳的圆柱形本体
156-凸缘，其具有孔154
153-前部连接件
107A、108A-前齿
107B、108B-径向齿
103A-元件103的凹槽轮廓
160-带齿元件
170-方形座部161
170-弹簧

Claims (18)

1.一种用于具有两个或三个轮的车辆的电动齿轮马达系统，所述车辆包括自行车框架(1、101)，该自行车框架具有踏板曲柄(6、16、106、116)以用于传递车辆的前进运动；所述电动齿轮马达系统包括齿轮马达单元，所述齿轮马达单元是“外转式”类型的，即转子(24、50、14、124、150、114)处于定子(12、112)外侧，所述电动齿轮马达系统与自行车框架(1、101)的底部支架同轴地安装，齿轮箱是行星式类型的，嵌入在定子的腔体内，该电动齿轮马达系统的特征在于，该电动齿轮马达系统借助于轮毂(19、119)与自行车框架(1、101)的底部支架同轴地安装，该轮毂适当地成形为插入到底部支架的腔体中，使得齿轮马达单元、齿轮箱和踏板曲柄轴的旋转轴线重合；并且其中齿轮马达单元和齿轮箱处于自行车框架外侧。
2.根据权利要求1所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，所述电动齿轮马达系统还包括旋转钟形元件，齿轮箱的输出运动被传递到旋转钟形元件(3、103)，齿轮马达单元完全容纳在该旋转钟形元件内。
3.根据权利要求2所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，在旋转钟形元件(3、103)上固定有用于运动的二次传动的环形齿轮或带轮。
4.根据权利要求1所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，杯状物(15、151)在一侧上与自行车框架(101)成一体，而在另一侧上在外部用作定子(12、112)的支撑件且在内部用作齿轮箱的内部齿(23、123)。
5.根据权利要求1所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，运动借助于最终级的中空的行星齿轮壳(152)从齿轮马达单元离开，该行星齿轮壳在前面级的太阳轮内旋转，踏板曲柄轴(109)在所述行星齿轮壳(152)内旋转。
6.根据权利要求5所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，所述行星齿轮壳(152)具有前齿(153)，该前齿借助于与齿环(107)的适当联接而实现运动的单向传递的机构功能。
7.根据权利要求6所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，靠近所述齿环(107)具有另一个齿环(108)；齿环(107)和另一个齿环(108)两者均设置有轴向齿和径向齿，能够沿着踏板曲柄轴(109)滑动，并且通过弹性元件而保持被压缩，也就是它们受到推力，该弹性元件为中间弹簧。
8.根据权利要求7所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，轴向齿(107A、108A)的布置是成镜像的，也就是彼此相反的，使得当齿轮马达单元旋转时，齿环(107)能够与第二级行星齿轮壳啮合，考虑到齿环(107)总是与旋转钟形元件(103)接合，齿环(107)能够驱动车辆的环形齿轮(102)，并且所述另一个齿环(108)自由地旋转。
9.根据权利要求7所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，到旋转钟形元件(3、103)的运动从踏板曲柄(106、116)传递到踏板曲柄轴(109)，并且从该踏板曲柄轴借助于带齿元件(160)的前部连接件利用方形座部传递到所述另一个齿环(108)，并最终传递到旋转钟形元件(3、103)。
10.根据权利要求1所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，齿轮马达单元包括至少一个定子(12)；所述定子(12)容纳由多个导电线材构成的绕组(21)，所述齿轮马达单元包括轴(9)，该轴支撑转动副，至少一个内部环形齿轮(22)和一个转子(11)在该轴上同轴地旋转，转子(11)继而包括：
a、转子环形齿轮，其具有的平均直径大于定子腔体的最大尺寸；所述转子环形齿轮容纳多个永久磁体(24)
b、转子凸缘(14)
所述转子凸缘(14)与轴(9)同轴地旋转，并且用作用于多个行星齿轮(18)的行星齿轮壳，这些行星齿轮包括多个齿轮(10、29)，这些齿轮接合在多个内部环形齿轮(22、23)内，所述多个内部环形齿轮中的至少一个内部环形齿轮(23)是固定的，而另一个内部环形齿轮(22)至少与轴(9)同轴地自由旋转；并且其特征在于内部环形齿轮(23、22)中的至少一个内部环形齿轮部分地或全部地容纳在圆筒(401)的体积内，该圆筒具有：圆柱形表面，其与定子的内部腔体成切向且同轴；以及两个基部，其安置在根据轴(9)的方向的最大轴向尺寸处，该最大轴向尺寸由定子(12)、绕组(21)和转子凸缘(14)的组合所形成的单元识别；并且其特征在于其包括行星齿轮组，其中：
c、所述至少一个内部环形齿轮(23)是封端的；
d、转子(11)通过转子凸缘(14)用作齿轮系壳；
e、所述多个齿轮(10、29)是一体的。
11.根据权利要求10所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，所述转子(11)从齿轮箱的快速输入轴(201)接收运动并且随后将该运动发送到齿轮系壳(14)，该齿轮系壳使行星齿轮(18)旋转，该行星齿轮包括两个一体的齿轮：行星齿轮的第一齿轮(10)和行星齿轮的第二齿轮(29)；所述至少一个内部环形齿轮(23)是固定的，原因在于其与固定的壳体(15)成一体；转子(11)通过齿轮马达单元和第一齿轮(10)直接进行旋转，该第一齿轮由于被转子凸缘(14)和固定的所述至少一个内部环形齿轮(23)驱动而绕其轴线旋转并绕快速输入轴(201)旋转，从而也使得与其成一体的第二齿轮(29)以相同的角速度旋转，该第二齿轮向所述另一个内部环形齿轮(22)施加旋转运动，继而将运动传递到输出轴(202)。
12.根据权利要求10所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，
a、齿轮箱的快速输入轴(201)形成具有转子(11)的单个本体，并且是中空的以用于轴(9)通过；所述快速输入轴(201)借助于由转动副或圆柱形副(51)构成的支撑件而与轴(9)同轴地自由旋转；
b、所述至少一个内部环形齿轮(23)同轴地固定且容纳在定子(12)内；
c、所述另一个内部环形齿轮(22)也是中空的，借助于由转动副或圆柱形副(52)构成的支撑件而与轴(9)同轴地旋转，并且借助于允许传递单向运动的装置(7)而将运动传递到环形齿轮壳单元(41)。
13.根据权利要求12所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，所述允许传递单向运动的装置(7)是过限接头或自由轮系统。
14.根据权利要求10所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，所述另一个内部环形齿轮(22)借助于允许传递单向运动的装置(7)将运动传递到电动齿轮马达系统的活动壳体。
15.根据权利要求10所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，在轴(9)上能够容纳有踏板曲柄，继而踏板能够容纳在踏板曲柄上，用来接纳通过腿和/或手臂传递的人体肌肉力量；如果踏板曲柄不固定在轴(9)上，那么轴(9)能够与固定的壳体(15)一体地固定；如果踏板曲柄固定在轴(9)上，那么在这种情况下，至少一个固定的齿轮或自由轮装置(8、7)将运动从轴(9)传递到二次传送装置(302)的环形齿轮。
16.根据权利要求1所述的电动齿轮马达系统，其特征在于，做为环形齿轮(2、102)的替代形式，可以安装其它系统以用于将运动传递到轮，所述其它系统包括以下中的一个：用于齿形带的环形齿轮，用于梯形和/或平坦带的环形齿轮，万向接头传动齿轮组，流体静力学传动齿轮组，以及任何其它类型的用于将运动从旋转轴传递到轮的系统。
17.具有两个或三个轮的车辆，其特征在于，其包括根据权利要求1所述的电动齿轮马达系统；所述电动齿轮马达系统定位在车辆的底部支架外侧。
18.具有两个或三个轮的车辆，其特征在于，其包括根据权利要求5所述的电动齿轮马达系统；所述电动齿轮马达系统定位在车辆的底部支架外侧。
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