CN107249976B - 一种用于交通工具电动驱动轮毂系统以及一种包括有该电动驱动轮毂系统的交通工具 - Google Patents

一种用于交通工具电动驱动轮毂系统以及一种包括有该电动驱动轮毂系统的交通工具 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有电动驱动轮毂系统(30)的交通工具，且一种包含于交通工具中的轮毂系统，该轮毂系统具有由电动马达(31)驱动的轮毂(18)，该马达由具有定子(40)和转子(42)的无刷直流马达形成。电动马达被布置成驱动行星齿轮系统(32)，该行星齿轮系统(32)提供减速齿轮装置来驱动轮毂(18)。用于电动马达的电源电路和控制电路完全位于定子外围，电路设置在环形印刷电路板(70,71)上。

Description

一种用于交通工具电动驱动轮毂系统以及一种包括有该电动 驱动轮毂系统的交通工具
技术领域
本发明涉及一种具有电动驱动轮毂系统的交通工具和包含该电动驱动轮毂系统的交通工具。其还涉及一种用于这种交通工具的电驱动轮毂系统套件。
背景技术
现有技术公开了如下交通工具，例如具有电池、混合动力或燃料电池电驱动系统的汽车、摩托车、病人用车、小轮摩托车以及轮椅，并且还公开了具有电力的踏板自行车，其可以提供全部或部分辅助驱动。大多数电动辅助自行车需要骑行者为踏板提供动力，并且使用电动马达来提供补充的辅助动力来驱动自行车。这些自行车通常被称为电动自行车。
电动驱动轮毂系统是已知的，其中直接驱动电动机位于轮毂内，在美国专利552271中公开了早期的一个例子。这种早期系统需要刷换，但随着由逆变器或者脉冲宽度调制器(PWM)控制的无刷直流电动机的出现，获得了更高的效率。
WO2013/004409公开了一种直接驱动电动机，其具有适合于应用于货车、汽车或摩托车的电动交通工具的轮毂中的逆变器。电子换向通常由微控制器提供。
因此，为了控制电动机的速度和功率，每个脉冲的宽度增加或减小，并且相应地驱动马达的每个电相(可以是三相或五相)。这意味着包括供电、绕组温度和转速以及位置传感器在内的三相电动马达在控制单元、电池和逆变器之间至少需要十二个或十四个单独的连接。这导致大直径的庞大电缆，其必须通过车轮主轴并将定位螺母定位到电动机。
这种笨重的电缆提供了布线的损坏或故障的可能性，并且使用一或一点五米长度的电缆从电池或逆变器延伸到电动机是常见的，并且在这样长的长度上传输高频PWM开关电源可能会与其他部件产生电干扰，将高电压引入导体，反射波可能会引起高电流或电压，从而对控制逻辑电路造成损害或干扰。
此外，在自行车中，例如，前叉或后叉之间的空间限制了用于定位电动轮毂马达的可用空间。例如，标准尺寸的自行车轮毂通常为100mm宽，折叠自行车轮毂通常较小，为74mm，这严重限制了轮毂马达马达的应用。在许多情况下，这意味着轮毂马达安装在叉的非标准间距中，需要修改或转换的替换叉。叉的替换或修改成本高昂，从而形成并限制将现有自行车转换为电动驱动自行车的可接受性。此外，直接驱动轮毂马达倾向于较大并且笨重，从而尽管它们可以接受标准尺寸自行车的后轮中的位置，但是当它们位于自行车的前轮中时，是很不好看的。
直接驱动马达虽然功能强大，但由于车轮的尺寸和交通工具的最大速度受到转速的限制。这意味着这种电动马达通常在功率和电能效率的低效率下运行。给定功率输出的直接驱动马达的直径与等效的齿轮传动马达相比也显着更大。
发明内容
本发明的目的在于至少部分地克服上述缺陷。
根据第一方面，本发明提供了一种用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其包括容纳电动马达的轮毂，所述轮毂包括定子和可围绕定子旋转的转子，其中用于电动马达的电源电路和控制电路位于定子的周边内。
电动马达可以包括无刷直流电动马达，并且轮毂组件可以包括行星减速齿轮组件，其布置成由所述无刷DC电动马达驱动以旋转所述轮毂。
行星齿轮箱可以包括固定到转子的太阳齿轮、一组行星齿轮和固定到轮毂的环形齿轮，从而将扭矩从转子传递到轮毂。
电源电路可以包括逆变器或脉冲宽度调制器(PWM)电路，其安装在围绕所述主轴并且完全在所述定子的范围内的安装机构上。
安装机构可以是环形的，且可以包括印刷电路板(PCB)。当然可以提供其他形状以适应可用空间。
轮毂组件可以包括用于马达的换向电路，其包括可以安装在用于电源电路的所述印刷电路板上的微控制器，或者还可以安装在另外的环形印刷电路板上，所述微控制器也位于所述主轴周围，并完全在所述转子的范围内。微控制器可以形成电动轮毂马达的控制电路的一部分。该另外的印刷电路板也可以是环形的。
在使用两个印刷电路板的情况下，所述印刷电路板和另外的印刷电路板可以布置成基本上平行的平面关系并电连接在一起。其中一个可以携带电源电路，另一个可以携带控制电路。
马达的转子可以包括多个磁体，所述多个磁体被支撑在围绕定子的外周表面的外部的周向间隔的位置，在磁体和定子之间限定了气体间隙。
马达的转子可以由固定到主轴上的一对轴向间隔开的轴承组件支撑。轴承组件可以位于定子的周边内。
每一个轴承座可以包括内圈、外圈以及将内圈连接到外圈的多个轴承。轴承可以包括滚珠轴承或滚子(针)轴承。
内圈和外圈可以分别固定到主轴和转子上，尽管内圈可以沿主轴自由滑动以进行组装，并且也可以在使用中被完整的轮毂组件的相邻部件定位，以便相对于主轴轴向和径向定位转子。
转子可以包括径向延伸的主体，其具有主轴通过的中心开口；以及内部支撑边缘，其向着远离主体的最内周边处或靠近主体的最内周边的位置的方向延伸，使得其沿主轴轴向延伸以从动力和驱动电路和主轴之间通过，两个轴承组件固定到转子的内周边缘。
两个轴承组件可以定位于朝向内周边缘的相应端部。
转子的主体可以包括平面盘，其可以在减少重量的地方被切除。主体可以限定行星齿轮箱的太阳齿轮的多个固定点。
太阳齿轮可以啮合由齿轮架支撑的齿轮箱的一组行星减速齿轮，用于这些行星齿轮的齿轮架在驱动方向上固定到主轴上，以防止承载件围绕主轴旋转。
可以设置有可选的离合器，例如Sprag离合器，以允许齿轮架相对于主轴沿着另一个非驱动方向运动，以允许在电动机未被供电时续航。
或者，用于行星齿轮的齿轮架可以相对于主轴固定，以防止沿两个方向旋转。这可以使得例如轮毂组件用作发电机并允许再生制动。
通过驱动方向，我们通常是指轮毂组件的轮毂由马达旋转以驱动交通工具前行的方向。
齿轮架可以位于与转子主体相对的行星齿轮的相对侧上。行星齿轮可以依次固定到或者集成于轮毂的内表面或者盖板上，该盖板连接到轮毂并形成轮毂的一部分。
每一个行星齿轮均可以包括阶梯式减速行星齿轮，其中每个行星齿轮的接合太阳齿轮的部分具有比与齿圈啮合的行星齿轮的一部分更多的齿。实际上，每个行星齿轮可以包括在公共轴上刚性连接在一起的两个齿轮。
使用阶梯式齿轮允许行星齿轮箱的总直径保持紧凑，同时实现平滑高的总传动比，优选在大约7:1至大约13:1之间。最优选的范围是7.74:1和12.5:1之间。
转子还可以包括外周边缘，该外周边缘从主体的最外边缘处或附近的区域突出，从而使得其突出于定子的外周面，外周边缘上设置有多个与磁场相互作用的转子磁体，该磁场当电动机运行时由定子产生。
外周缘可以定位于靠近车轮组件的轮毂的内表面。
转子主体和两个轮圈可以包括单个压制部件，所述单个压制部件可以使用从扁平坯料开始的深拉伸工艺来生产。
使用轴承以确保轮毂组件的总体宽度的转子的定位可以保持较低，同时为转子提供稳定的支撑。所述轴承被固定在定子的周边内部以及电力和控制电路的外围的主轴上。
转子主体可以夹在定子和齿轮箱之间，并且转子主体可以位于轮毂组件的主轴的大致中间位置。
定子可以通过位于主轴的一端的承载件固定到主轴上。承载件还可以支撑承载轮毂的轴承组件，允许轮毂绕主轴旋转。定子可以仅在与转子主体所面对的一侧相对的一侧上被支撑。
在优选的布置中，除了将定子支撑在转子的内周边缘和外周边缘之间(如果提供)之外，承载件还可以相对于主轴支撑电源和控制电路。
主轴可以包括金属部件，优选为铝，并且可以提供用于传递热量的路径以将该热量传递到轮毂的外部，该热量积聚在电源电路和定子中。
在提供两个电路板的情况下，最靠近承载件的电路板优选地承载电源电路。携带控制电路的另一个板可以包括角位置传感器，其检测转子主体的角位置，并因此检测转动主体的旋转运动。例如，可以将磁体固定到转子的主体，并且传感器可以是检测磁体通过的霍尔效应传感器。可以提供多于一个的磁体，以允许从传感器输出更高分辨率的位置信号，并且类似地可以提供多于一个的霍尔效应传感器。
在最优选的布置中，电源和支撑电路可以包括一个或多个印刷电路板，每个印刷电路板从位于定子和转子的内周边缘之间的空间中的承载件悬挂出。一个或多个螺栓可以穿过电路板并且与承载件的相应螺纹孔相接合。
承载件可以包括具有中心孔的蜘蛛结构，所述中心孔使得蜘蛛结构能够通过例如压配合连接的方式固定到主轴，所述蜘蛛结构的每个腿提供用于定子或电路的定位点。承载件可以固定在主轴上，且靠近主轴的一端和支撑转子的轴承外侧。
承载件可以直接固定到继而支撑电路的定子，或者可以直接固定到继而支撑定子的电路。承载件可以直接固定到定子和电路两者。
轮毂可以包括两部分壳体，每一部件具有径向延伸的壁并由轴承组件支撑。使用时壳体的两个部分连接在一起，以形成避免马达定子、转子、控制电路和齿轮箱暴露于元件的保护盖。此外，当然，当建立成完整的车轮时，外壳提供从轮毂到轮缘的连接。
轮毂组件的主轴可以具有在60mm和150mm之间的标称轴向宽度。可以提供74mm宽度的轮毂组件。这允许在不改变叉端之间的间隔的情况下，轮毂组件可以适配于一定范围的自行车的叉的臂之间。该尺寸通常被称为轮毂的外部锁紧螺母尺寸，尽管本发明的主轴不具有外部锁紧螺母，而是具有由径向肩部形成的预设长度，该径向肩部形成在主轴的每个端部，使用自行车的叉端或出口的内表面或诸如轮椅或移动踏板车类的交通工具的相当的支撑位置。
轮毂组件可包括用于将主轴固定到交通工具的支撑部分的装置，例如自行车的前叉，从而避免主轴相对于交通工具的支撑部分旋转。
固定装置可以包括一组固定螺母，主轴的每个端部设置有与螺母的螺纹互补的螺纹延伸部分，螺纹部分的直径的尺寸被设计成以穿过位于自行车前叉的末端的标准叉的端部。这将允许轮毂改装到一系列不同的具有很少或没有修改的叉的自行车。该螺纹部分可以延伸超过轮毂组件的标称宽度，通常在10mm和20mm之间。
主轴的各个螺纹端可以具有在7mm和20mm之间的直径，优选地，用于具有自行车的轮毂组件的直径为8mm或直径为15mm。
在将电动驱动轮组件安装到轮椅或移动式踏板车上的情况下，主轴可以仅在一端固定到交通工具，在这种情况下，可能仅需要一个固定螺母，并且可能仅在主轴的一端设置螺纹延伸部。
轮毂可以具有小于150mm的外径，优选地小于或等于140mm。这种小直径允许轮毂安装在宽范围的轮缘内，并且通过保持紧凑，轮毂组件的重量可以保持相对较低。
马达的输出可能被限制在约250瓦特的平均功率，但马达输出可能具有超过250瓦特的峰值功率。
根据本发明的另一方面，提供了一种交通工具，其具有布置成由电动马达驱动的轮毂，所述轮毂容纳所述电动马达，所述电动马达包括定子和可围绕所述定子旋转的转子，其中用于电动马达的电源电路和控制电路位于所述定子的周边内。优选地，所述交通工具具有至少一个驱动轮，所述驱动轮包括支撑所述轮毂的主轴和延伸到边缘外围的支撑装置，所述电动马达位于轮毂中，所述电动马达包括无刷直流电动机，和设置为由无刷直流电动机驱动以使轮毂旋转的行星减速齿轮组件。
有利地，无刷直流电动机具有由包括逆变器或脉冲宽度调制器(PWM)电路在内的电源电路导出的电力，所述逆变器或脉冲宽度调制器(PWM)电路安装在围绕所述主轴并完全在所述定子的范围内的环形安装装置上。
优选地，所述安装装置是印刷电路板(PCB)。
方便地，通过安装在所述印刷电路板或另一环形印刷电路板上的微型控制器提供换向，所述微型控制器也位于所述主轴且完全在所述转子的范围内。
优选地，在使用两个印刷电路板的情况下，所述印刷电路板和另外的印刷电路板被布置成基本上平行的平面关系，且电连接在一起。
有利地，印刷电路板和所述另外的印刷电路板每个都是双面的，其组件安装在其两个主平面上。
轮毂可以容纳用于电动马达的换向电路，其包括微控制器，该微控制器可以安装在用于电源电路的所述印刷电路板上，或者安装在另外的环形印刷电路板上，该微控制器也位于所述主轴周围并且完全在所述转子的范围内。微控制器可以形成电动轮毂马达的控制电路的一部分。该另外的印刷电路板也可以是环形的。
在使用两个印刷电路板的情况下，所述印刷电路板和另外的印刷电路板可以布置成基本上平行的平面关系并电连接在一起。其中一个可以携带电源电路，另一个可以携带控制电路。
马达的转子可以包括多个磁体，所述多个磁体支撑于围绕定子的外周表面周向隔开的位置，磁体和定子之间限定了气体间隙。
马达的转子可以由固定到主轴上的一对轴向间隔开的轴承组件支撑。轴承组件可以位于定子的周边内。
每个轴承座可包括内圈、外圈和将内圈连接到外圈的多个轴承。所述轴承可以包括滚珠轴承或滚子(针)轴承。
内圈和外圈可以分别固定到主轴和转子上，尽管内圈可以沿主轴自由滑动以进行组装，并且也可以在使用中被完整的轮毂组件的相邻部件定位，以便相对于主轴轴向和径向定位转子。
转子可以包括径向延伸的主体，其具有主轴通过的中心开口；以及内部支撑边缘，其向着远离主体的最内周边处或靠近主体的最内周边的位置得到方向延伸，使得其沿主轴轴向延伸以从动力和驱动电路和主轴之间通过，两个轴承组件固定到转子的内周边缘。
两个轴承组件可以定位于朝向内周边缘的相应端部。
转子的主体可以包括平面盘，其可以在减少重量的地方被切除。主体可以限定行星齿轮箱的太阳齿轮的多个固定点。
转子还可以包括外周边缘，该外周边缘从主体的最外边缘处或附近的区域突出，从而使得其突出于定子的外周面，外周边缘上设置有多个与磁场相互作用的转子磁体，该磁场当电动机运行时由定子产生。
外周边缘可以定位于靠近车轮组件的轮毂的内表面。
转子主体和两个轮圈可以包括单个压制部件，其可以是由扁平坯料通过深拉伸工艺加工所得。
使用轴承以确保轮毂组件的总体宽度的转子的定位可以保持较低，同时为转子提供稳定的支撑。所述轴承被固定在定子的周边内部以及电源和控制电路的外围的主轴上。
转子主体可以夹在定子和齿轮箱之间，并且转子主体可以位于轮毂组件的主轴的大致中间位置。
定子可以通过位于主轴的一端的承载件固定到主轴上。承载件还可以支撑支撑轮毂的轴承组件，允许轮毂绕主轴旋转。定子可以仅在与转子主体所面对的一侧相对的一侧上被支撑。
在优选的布置中，除了将定子支撑在转子的内周边缘和外周边缘之间(如果提供)之外，承载件还可以支撑相对于主轴电源和控制电路。
主轴可以包括金属部件，优选为铝，并且可以提供用于传递热量的路径以将该热量传递到轮毂组件的外部，该热量积聚在电源电路和定子中。
在提供两个电路板的情况下，最靠近承载件的电路板优选地承载电源电路。携带控制电路的另一个板可以包括角位置传感器，其检测转子主体的角位置，并因此检测转动主体的旋转运动。例如，可以将磁体固定到转子的主体，并且传感器可以是检测磁体通过的霍尔效应传感器。可以提供多于一个的磁体，以允许从传感器输出更高分辨率的位置信号，并且类似地可以提供多于一个的霍尔效应传感器。
在最优选的布置中，电力和支撑电路可以包括一个或多个印刷电路板，每个印刷电路板从位于定子和转子的内周边缘之间的空间中的承载件悬挂出。一个或多个螺栓可以穿过电路板并且与承载件的相应螺纹孔相接合。
承载件可以包括具有中心孔的蜘蛛结构，所述中心孔使得蜘蛛结构能够通过例如压配合连接的方式固定到主轴，所述蜘蛛结构的每个腿提供用于定子或电路的定位点。承载件可以固定在主轴上，且靠近主轴的一端和支撑转子的轴承外侧。
承载件可以直接固定到继而支撑电路的定子，或者可以直接固定到继而支撑定子的电路。承载件可以直接固定到定子和电路两者。
优选地，所述交通工具为自行车，方便地为折叠自行车，并且所述驱动轮为其前轮。交通工具也可以替代地为轮椅、小轮摩托车或移动踏板车。
有利地，在交通工具为自行车的情况下，交通工具可以包括安装在前轮上的调节器，所述调节器被布置成容纳用于电池充电器的电池、电池充电器和控制电子器件中的至少一个。
方便地，所述调节器可从所述自行车上拆卸。它可以例如被固定到固定于自行车的头管上的固定装置。
交通工具可以包括固定到交通工具的辅助控制器，并且所述辅助控制器包括用于电连接到电池的至少一个输入端口和用于连接到轮毂的至少一个输出端口。控制器可以提供系统的不同部分之间的一些控制，例如，在轮毂、电池和电池控制器之间，并且控制器也可以包括能够输出适合于通过CAN总线传输的复用信号的处理器。
辅助控制器可以包括诊断电路，该诊断电路在使用中监视系统的一个或多个部件的操作，例如轮毂马达，并向用户提供诊断信息。例如，它可以包括照亮以指示故障或服务系统的要求的一个或多个灯。提供监控控制器允许对整个系统进行混合和匹配方法，其中电池和集线器可以根据需要进行更换并替换。
控制器可以包括用于连接到交通工具的前灯和/或后灯的另一端口，以允许电池为灯以及轮毂供电。
控制器可以方便地固定到自行车的框架上，例如固定到自行车的头管上。
控制器可以包括用于连接到用户可操作开关的另一端口，由此用户可以控制轮毂的操作的至少一部分或者。
在提供扭矩传感器或力传感器的情况下，控制器可以包括用于接收来自扭矩传感器的信号的输入口。
控制器可以通过单个多芯电缆连接到轮毂，其中每个电缆芯携带以下信号之一：
-车速；
-用户(例如骑行者)应用扭矩或力；
-踏板速度；
-从电池向集线器电路供电；
-从集线器返回到电池或接地点的连接。
最优选地，电缆具有四个芯：两个承载电力，一个承载来自监控控制器到轮毂的控制电路的多路复用控制信号，例如，指示车速、踏板速度和用户施加的扭矩或力中的至少一个，以及另外一个用来接收从轮毂的控制电路发送的控制信号。
辅助控制器可以包括用于产生多路复用信号的处理器，该处理器用于将多路复用信号传输到轮毂，并用于从轮毂接收多路复用信号。
方便地，可以设置速度传感器来确定自行车的踏板速度，并且速度控制电缆从速度传感器延伸到所述电动马达以控制电动马达的速度。代替这种电缆，信号可以由辅助控制器复用，并且通过多芯电缆的一个导体传输。
如果检测到了非零速度或者速度超过某个预定义的非零值，亦或从测量速度确定的加速度超过预定水平时，马达可以施加辅助扭矩。当这些条件不满足时，不能提供协助。因此，电动马达不能提供全面的帮助，而只是帮助用户(也许轮椅使用者或自行车骑行者)为轮椅或自行车提供动力。
该系统可以包括用于感测交通工具的使用者施加驱动力或者扭矩于交通工具的力传感器或扭矩传感器装置。辅助控制器的处理器在提供的情况下可以执行接收力信号或扭矩信号的功能，并将信号发送到轮毂，可能与其它信号复用。
例如，可以提供用于感测由骑行者施加到踏板的力的扭矩传感器。扭矩传感器可以与交通工具的底部支架组件相关联并且可以包括一个或多个应变计。
轮毂马达可以被配置为在骑行者施加的扭矩满足一个或多个预定标准的情况下提供辅助扭矩，否则不使用任何辅助扭矩。因此，轮毂马达将协助骑行者，而不是为交通工具提供唯一的动力来源。
轮毂马达可以被配置为提供一个用户定义的响应于输入的扭矩，允许用户在检测到对扭矩的增加的需求时选择更多或更少量的辅助和更积极或更主动的增加辅助。
在另一方面，本发明提供了一种结合本发明前述的轮毂组件的车轮，所述车轮包括轮缘、所述轮毂组件和将轮缘连接到轮毂组件的多个辐条。车轮上可能有16到40个辐条。
车轮的外轮缘直径可以在20英寸(51厘米)到28英寸(71厘米)之间，可适用于自行车或轮椅。轮缘直径的优选直径为20英寸，24英寸，26英寸，27英寸，650cc和700cc。这些尺寸对应于自行车和轮椅的标准车轮尺寸。
根据本发明的另一方面，提供了一种定位在交通工具的从动轮的轮毂中的电驱动轮毂系统，其包括电驱动轮毂组件，所述电驱动轮毂组件包括具有定子和转子的电动马达，所述转子可围绕所述定子旋转，其中用于所述电动马达的电源电路和控制电路位于所述定子的周边内，所述电驱动轮毂系统还包括电池、监控控制器以及将所述监控控制器连接到所述电驱动轮毂组件多芯电缆。
根据另一方面，本发明提供一种用于将无动力自行车、小轮摩托车或轮椅转换为电力辅助交通工具的部件的套件，所述套件包括以下至少两个：根据第一方面的电驱动轮毂组件、包括至少一个电池的电池组，以及用于将轮毂连接到电池的至少一根电缆。
所述套件还可以包括速度传感器和扭矩传感器中的至少一个。可以提供一个或多个电缆，用于将传感器或每个传感器直接或间接连接到轮毂。
电动轮毂组件可以形成用于自行车的前轮的一部分。
所述套件可以包括用于形成为将套件的各部分连接在一起的接线盒的监控控制器。
通过将本发明所述的套件添加到正常的无辅助动力的自行车中，从而提供了一种全电动辅助自行车，其可以帮助骑行者以更舒适和更不累的方式进行行驶。
优选地，所述轮毂内设置有电动马达，所述电动马达包括无刷直流电动机和行星减速齿轮组件，所述行星减速齿轮组件布置成由所述无刷直流电动机驱动以使所述轮毂旋转。
附图说明
现在将参照附图通过举例的方式描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的一个具体实施例的自行车的侧视图，
图2示出了本发明中使用的电动马达的横截面视图，该电动马达容纳在轮毂中并位于自行车的前叉之间，
图3示出了包括本发明中使用的电动机和行星减速齿轮组件的电驱动轮毂系统的部分横截面视图，
图4示出了减速齿轮组件的透视图，
图5示出了容纳在轮毂中的电动马达，转子和定子的透视图，
图6示出了根据本发明的电驱动轮毂组件的分解图
图7(a)示出了本发明中使用的一对印刷电路板的透视图，
图7(b)示出了图7(a)所示的各印刷电路板的主视图，以及
图7(c)示出了图7(a)所示的印刷电路板的后视图。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记表示相同的部件。
图1所示的踏板自行车具有框架1，框架1包括有前杆2，前杆2内穿过有从一对把手3延伸到一对前叉4的轴，前叉4之间定位有前轮5，前轮5具有电驱动轮毂系统30，该电驱动轮毂系统30包括有容纳有轮毂马达31和行星减速齿轮组件32的轮毂18，(参见图2和图3)。在框架的后部是连接在一起以形成用于后轮9的轴8的位置的一对后叉6和四肢7。后轮具有由安装在链轮12上的链条11驱动的后链轮10，其中链轮12由脚踏板13驱动，所述链轮12通过曲柄14与脚踏板13互连。自行车具有用于骑行者的座椅15。安装在前杆2上的是一种可拆卸安装的调节器16。尽管为了稳定性，优选地，调节器16位于前杆2上，但也可以可替换地将调节器16连接到车把和/或前叉4。所述调节器设置为用于容纳包括电池，电池充电器和充电器控制电子器件(未单独示出)，其通过多芯电缆75(图1中未示出)连接到轮毂电动机30。可以在自行车上或在调节器16中设置开关和速度控制油门以及踏板速度传感器(图中未单独示出)。自行车还可以设置有扭矩传感器，用于感测由骑行者施加到脚踏板上13的力，该扭矩传感器和确定踏板的旋转速度的踏板速度传感器结合，可用于将输入信号提供给控制逻辑以确定轮毂马达是否需要动力。
前轮5具有作为轴的主轴17，其用于支撑前叉4之间的车轮，可围绕主轴17旋转的是轮毂18，所述轮毂18为支撑装置提供径向内端位置，该支撑装置可以是例如在其径向外端处连接到轮5的边缘20的轮辐19，轮缘定位轮胎21。类似地，后轮9的轴8支撑定位后轮辐23的径向内端的轮毂22和定位轮胎25的后轮缘24。
参考图2，示出了位于前叉4之间的电动马达31的局部横截面视图，且轮子(图2中未示出)通过主轴17安装在叉之间并通过固定螺母27保持位置。
如图3所示，包括电动马达的电力驱动轮毂系统30(即轮毂马达31和行星减速齿轮组件32)被容纳在前叉4的空间内的轮毂18中。
围绕主轴17的是滚珠球轴承圈34和35，轴承圈34可旋转地支撑用于行星齿轮减速齿轮组件32的碟形盖36，其形成轮毂18的可移除的端盖。轴承组件35支撑轮毂18的主体。轮毂18内设有轮毂马达31。轮毂18具有周向隔开的臂37，每个臂37都有用于定位轮辐19的径向内端的孔。
轮毂马达31具有软铁定子40和一系列定子绕组41，它们可以是三相或五相，但如果是三相，它们由围绕定子周向隔开的三组六个线圈对组成，以提供十八极机。定子绕组可以星形或三角形构造缠绕，如本身已知的。
永磁转子具有十六个交替的南北永磁体42，其布置在转子本体43的周围，该转子主体43固定在行星减速齿轮组件32的太阳齿轮51上。定子40位于定子壳体44或承载件。
更详细地，磁体42由转子的最外周边缘43a支撑，转子的最外周缘43a从转子的主体43突出。主体43包括在中心具有孔的盘，主轴自由地通过该孔。内圆周边缘43b从圆盘突出并且沿主轴延伸以占据电路板和主轴17之间的空间。两个间隔开的轴承组件45相对于主轴支撑转子，其位于内周边缘的相对端。主体和内周边缘一起形成转子的轮毂。
行星减速齿轮组件包括太阳齿轮51和可旋转地承载行星减速齿轮53的行星齿轮架52，行星减速齿轮53的较小直径部分与环形行星齿轮54的内齿啮合。行星减速齿轮53的较大直径的齿与太阳齿轮51接合。每个行星齿轮53安装在轴55上，并且行星齿轮架52保持静止，使得当轮毂马达31的轮毂43旋转时，其旋转与行星减速齿轮53啮合的太阳齿轮51，继而行星减速齿轮53又旋转环形行星齿轮54，进而旋转轮毂18，36。
因此，应当理解，由定子40产生的EMF向转子磁体42换向地提供电磁排斥力，以旋转毂的主体43。这使得太阳齿轮51旋转，从而旋转行星齿轮53和齿圈。与轮毂马达的直接驱动相比，行星减速齿轮53的齿轮传动可以将电动机速度提高3：1，4：1或5：1。对于给定的电动机尺寸，这种传动显着地提高了轮毂电动机的效率和功率输出。因此，克服了功率和电能效率低于其有效速度的直接驱动电动马达的缺点，并且由于齿轮传动可以采用较小的轮毂电动机。
为了驱动无刷直流轮毂电动机，来自位于调节器16中的电池的电流通过诸如脉冲宽度调制(PWM)电路的逆变器从DC转换为AC，由此PWM的波形的标记空间比的脉冲宽度控制轮毂马达的速度。
迄今为止，已知在位于自行车的后轮上的框架或行李架上或装配在把手之间的调节器中提供PWM组件和控制电子装置。然而，由于高电流和高开关频率通过距离为1至1.5米的电缆传导到轮毂电动机定子绕组，这种已知的布置造成了问题并且导致了较差的效率。
因此，在本发明中，PWM组件和控制电子设备位于定子的周边界限内的一个或多个印刷电路板上。控制逻辑、通信电路以及温度传感器、速度和位置传感器都位于上述印刷电路板上。
因此，参考图7(a)-7(c)，功率印刷电路板70包含PWM集成电路，并且印刷电路板71包含控制和逻辑电路。控制逻辑印刷电路板71安装控制逻辑集成电路72，并且输出功率晶体管73位于印刷电路板70的周围，以最小化到定子绕组的导体长度。印刷电路板70和71通过一对多针连接器74相互连接。印刷电路板71的外边缘被部分切除，以便于来自调音板16的多芯电缆75进给到印刷电路。用于电源和控制轮毂马达的多芯电缆包含四条电线，即正负电源，控制区网络总线高和低。
尽管在示例性实施例中示出了两个印刷电路板，但是应当理解，在可能的情况下尽量地将组件安装在单个印刷电路板上。
因此，可以看出，在本发明中，电力逆变器(或PWM)，电力驱动电路和逻辑控制电路安装在位于轮毂内的一个或多个印刷电路板上，从而最大化电效率和空间利用率。
通过将逆变器/PWM和逻辑电路放置在轮毂内，实现了逆变器/PWM和定子绕组之间的电缆长度的显着减少。在本发明中，输出相晶体管开关的引线直接连接到定子绕组，且定位绕电源印刷电路板73的边缘。
控制逻辑被编程到集成电路72中，该集成电路72和位置传感器，电流和电压传感器一起安装在逻辑印刷电路板71上。通过由计算机区域网络逻辑总线控制集成电路72，到集线器的电线数量从12或14减少到4个。电池和充电器通过位于调节器内，使得便携式电话机能够在一个方便的位置(例如在家里或在办公室)被安装，以便进行保管或对电池充电。沿着多线缆引线75通向和来自轮毂的信号流，该多线缆引线75在其自由端连接到固定到交通工具的辅助控制器80。在该示例中，辅助控制器固定于调节器16下方的自行车头管2。辅助控制器形成了将轮毂、电池和电池控制器以及扭矩/踏板速度传感器互连的接线盒。
电池可以是24,36,42或48伏特中的任一种。
轮毂马达31可以具有大约200-500瓦特的相对低的功率，但是也可以更大。例如，如有需要的话，可以为800瓦。
在上述实施例中，轮毂马达位于自行车的前轮中并代替常规的轮毂，从而允许轮辐安装在轮毂的外缘上并支撑自行车的前轮缘。然而，轮毂马达可以位于后轮的轮毂中或者布置成将链条驱动到后轮。控制电路可以被布置成通过监视骑行者的踏板力输入并且如果需要提供增压扭矩来向骑行者提供转矩补偿。
通过减少电缆连接的数量，本发明具有减少电缆所需空间的量并减少电气干扰的优点。
本发明对于紧凑或折叠的自行车具有特别的用途，但是本领域技术人员将会理解，本发明在空间和/或通道受限的情况下使用，会更加具有优越性，而且也会最小化电气高频干扰。

Claims (26)

1.一种用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，所述电驱动轮毂组件包括容纳电动马达和行星减速齿轮组件的轮毂，所述电动马达包括定子和可围绕所述定子旋转的转子，其中用于所述电动马达的电源电路和控制电路位于所述定子的周边内，其中，所述电动马达被设置为无刷直流电动机，所述行星减速齿轮组件设置成由所述无刷直流电动机驱动以使所述轮毂旋转，所述轮毂包围所述行星减速齿轮组件和转子，其中，所述交通工具具有至少一个驱动轮，所述驱动轮包括支撑所述轮毂的主轴和延伸到周边轮缘的支撑装置；所述无刷直流电动机具有由所述电源电路输出的电力，所述电源电路包括逆变器或脉冲宽度调制器（PWM）电路，所述逆变器或脉冲宽度调制器（PWM）电路安装在位于所述主轴周围并且完全在所述定子的范围内的环形安装机构上；所述安装机构为印刷电路板（PCB）；换向由安装在所述印刷电路板上或另外的环形印刷电路板上的微控制器提供，所述微控制器也位于所述主轴周围并且完全在所述转子的范围内；所述印刷电路板和另外的环形印刷电路板大致平行配置并电连接；所述电动马达还包括承载件，所述承载件包括具有中心孔的蜘蛛结构，所述中心孔使得所述蜘蛛结构固定到主轴，所述蜘蛛结构的每个腿提供用于所述定子或所述电源电路的定位点，并且所述承载件支撑轴承组件以支撑轮毂，所述承载件也支撑所述电源电路。
2.根据权利要求1所述的用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其特征在于，所述另外的环形印刷电路板为安装控制逻辑集成电路的控制逻辑印刷板，所述印刷电路板的外边缘被部分切除，以便来自调节器的多芯电缆进给到所述印刷电路板。
3.根据权利要求2所述的用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其特征在于，所述印刷电路板和所述另外的环形印刷电路板均为双面的，所述控制逻辑集成电路安装在所述另外的环形印刷电路板上，所述脉冲宽度调制器（PWM）电路安装在所述印刷电路板上。
4.根据权利要求1所述的用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其特征在于，所述马达的转子包括多个磁体，所述多个磁体支撑于围绕所述定子的外周表面的周向隔开的位置，所述磁体和定子限定了气体间隙。
5.根据权利要求1所述的用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其特征在于，所述马达的转子由一对轴向间隔开的轴承组件支撑，所述轴承组件固定到所述主轴上并且位于所述定子的周边内。
6.根据权利要求5所述的用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其特征在于，所述转子包括径向延伸的主体，所述主体具有主轴通过的中心开口，以及内部支撑边缘，所述内部支撑边缘从位于或接近主体的最内侧圆周沿主轴轴向延伸以在所述印刷电路板和主轴之间通过，两个轴承组件固定到转子的内部支撑边缘。
7.根据权利要求6所述的用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其特征在于，所述转子还包括外周边缘，所述外周边缘突出远离所述主体的最外边缘处，使得其突出于所述定子的外周面，所述外周边缘承载多个转子磁体，所述多个转子磁体在电动机运行时与由定子产生的磁场相互作用。
8.根据权利要求6所述的用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其特征在于，所述转子的主体被夹在所述定子和所述行星减速齿轮组件之间，并且所述转子的主体位于所述轮毂组件的主轴的大致中间位置。
9.根据权利要求6所述的用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其特征在于，所述定子通过位于所述主轴的一端的承载件固定到所述主轴上。
10.根据权利要求9所述的用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其特征在于，所述承载件支撑用于支撑所述轮毂的轴承组件，允许所述轮毂绕所述主轴旋转。
11.根据权利要求9所述的用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其特征在于，所述定子仅仅支撑于所述转子的主体所面对的一侧相对的一侧上。
12.根据权利要求11所述的用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其特征在于，所述承载件还相对于所述主轴支撑所述印刷电路板。
13.根据权利要求9所述的用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其特征在于，最靠近所述承载件的所述印刷电路板承载所述电源电路。
14.根据权利要求1所述的用于电动辅助交通工具的电驱动轮毂组件，其特征在于，所述轮毂组件的主轴具有在60mm至150mm之间的轴向长度。
15.一种具有由电动马达驱动的轮毂的交通工具，所述轮毂容纳所述电动马达和行星减速齿轮组件，所述电动马达包括定子和可围绕所述定子旋转的转子，其中用于所述电动马达的电源电路和控制电路位于所述定子的周边内，其中，所述电动马达被设置为无刷直流电动机，所述行星减速齿轮组件设置成由所述无刷直流电动机驱动以使所述轮毂旋转，所述轮毂包围所述行星减速齿轮组件和转子，其中，所述交通工具具有至少一个驱动轮，所述驱动轮包括支撑所述轮毂的主轴和延伸到周边轮缘的支撑装置；所述无刷直流电动机具有由所述电源电路输出的电力，所述电源电路包括逆变器或脉冲宽度调制器（PWM）电路，所述逆变器或脉冲宽度调制器（PWM）电路安装在位于所述主轴周围并且完全在所述定子的范围内的环形安装机构上；所述安装机构为印刷电路板（PCB）；换向由安装在所述印刷电路板上或另外的环形印刷电路板上的微控制器提供，所述微控制器也位于所述主轴周围并且完全在所述转子的范围内；所述印刷电路板和另外的环形印刷电路板大致平行配置并电连接；所述电动马达还包括承载件，所述承载件包括具有中心孔的蜘蛛结构，所述中心孔使得所述蜘蛛结构固定到主轴，所述蜘蛛结构的每个腿提供用于所述定子或所述电源电路的定位点，并且所述承载件支撑轴承组件以支撑轮毂，所述承载件也支撑所述电源电路。
16.根据权利要求15所述的交通工具，其特征在于，所述印刷电路板的外边缘被部分切掉，以便来自调节器的多芯电缆进给到所述印刷电路板。
17.根据权利要求16所述的交通工具，其中所述印刷电路板和所述另外的环形印刷电路板各自是双面的，其中控制逻辑集成电路安装在所述另外的环形印刷电路板上，所述脉冲宽度调制器（PWM）电路安装在所述印刷电路板上。
18.根据权利要求15所述的交通工具，其特征在于，所述交通工具是自行车，并且驱动轮为其前轮。
19.根据权利要求18所述的交通工具，其特征在于，所述交通工具是折叠自行车。
20.根据权利要求18或19所述的交通工具，其特征在于，所述自行车包括安装在所述前轮上的调节器，所述调节器被布置成容纳用于电池充电器的电池、电池充电器和控制电子器件中的至少一个。
21.根据权利要求18或19所述的交通工具，其特征在于，提供速度传感器以确定所述自行车的踏板速度，并且速度控制电缆从其延伸到所述电动机以控制电动机速度。
22.根据权利要求18或19所述的交通工具，其特征在于，设置有用于感测骑行者施加到脚踏板上的力的扭矩传感器。
23.根据权利要求20所述的交通工具，其特征在于，所述调节器可从所述自行车上拆卸。
24.根据权利要求15所述的交通工具，其特征在于，通过不超过四根电缆提供从电池和控制电子器件到印刷电路板和/或另外的环形印刷电路板的电连接。
25.一种用于将无动力自行车，小轮摩托车或轮椅转换为电辅助交通工具的套件，该套件包括：根据权利要求1所述的电驱动轮毂组件和以下中的至少一个：包括至少一个电池的电池组以及用于将轮毂连接到电池的至少一个电缆。
26.一种结合了根据权利要求1所述的轮毂组件的车轮，所述车轮包括轮缘、所述轮毂组件和将所述轮缘连接到所述轮毂组件的多个辐条。
CN201580076370.6A 2014-12-17 2015-12-16 一种用于交通工具电动驱动轮毂系统以及一种包括有该电动驱动轮毂系统的交通工具 Expired - Fee Related CN107249976B (zh)

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