CN108860439B - 一种电动助力自行车中置力矩传感电机及应用其的自行车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动助力自行车中置力矩传感电机及应用其的自行车，属于自行车力矩传感技术领域。本发明的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，其力矩传感组件设于在力矩作用下能够变形的中轴齿轮上，信号输出组件采用触点式信号传输结构。将力矩传感器组件设于电动助力自行车的中轴齿轮上，并对中轴齿轮进行结构优化，使得力矩传感器组件能够稳定灵敏地检测到齿轮产生的变形，并通过齿轮的变形量反应出骑行过程中产生的力矩大小；同时采用触点式信号输出组件将力矩传感器组件检测得到的力矩信息反馈给电机控制器，信号传输稳定可靠；具有结构更加简单紧凑、力矩检测和传输稳定灵敏等特点。

Description

一种电动助力自行车中置力矩传感电机及应用其的自行车

技术领域

本发明涉及一种电动助力自行车，更具体地说，涉及一种电动助力自行车中置力矩传感电机及应用其的自行车。

背景技术

电动助力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，并逐渐受到广大消费者的青睐。电动助力自行车在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。为了让电动助力自行车的驱动电机能够根据自行车中轴所受扭转力大小而调整输出功率，几乎所有的电动助力自行车上都设有中轴力矩传感装置。

电动助力自行车中置电机的主要技术难点在于中轴力矩传感装置和力矩信号传输装置两部分。

现有的电动助力自行车的中轴力矩传感装置多安装于中轴或牙盘上，普遍存在结构复杂等缺点，使用效果上也是差强人意。如中国专利申请号ZL201410498758.2，申请公布日为2015年1月7日，发明创造名称为：电动自行车中置电机及其力矩传感装置，该申请案涉及一种电动自行车中置电机的力矩传感装置以及具有该装置的中置电机，力矩传感装置包括穿设在自行车五通管中的中轴、套在该中轴上且当其受到周向扭转力时会产生周向形变的轴套、以及套设在轴套上的牙盘，轴套上设置有能够感应该轴套所受周向扭转力大小的力矩传感组件，力矩传感组件经一出线装置与自行车的电机控制器相连，出线装置由动磁芯、固定在所述动磁芯上的动线圈、静磁芯、以及固定在所述静磁芯上的静线圈构成。该申请案将力矩传感组件通过轴套安装于中轴上，结构较为复杂，制作难度相对较大。又如中国专利号ZL201010522236.3，授权公布日为2012年8月15日，发明创造名称为：电动自行车力矩和速度传感器，该申请案涉及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，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，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。该申请案将力矩传感组件通过变形架安装于牙盘上，牙盘结构复杂，同样存在制作困难繁琐等问题。

现有中轴力矩传感装置的力矩信号引出方式有多种方式，比如有：电感式、滑环式和光电式等，这些方案都有各自的优点和缺点，如：电感式的结构简单，但信号很弱、零漂大、抗干扰性能较差；光电式的抗干扰和防水性能都较差；滑环式的结构简单，但滑环和碳刷会产生摩擦，影响寿命和可靠性。中国专利号ZL201410498758.2，授权公告日为2015年1月7日，发明创造名称为：电动自行车中置电机及其力矩传感装置，该申请案涉及一种电动自行车中置电机的力矩传感装置以及具有该装置的中置电机，力矩传感装置包括穿设在自行车五通管中的中轴、套在该中轴上且当其受到周向扭转力时会产生周向形变的轴套、以及套设在所述轴套上的牙盘，轴套上设置有能够感应该轴套所受周向扭转力大小的力矩传感组件，力矩传感组件经一出线装置与自行车的电机控制器相连，出线装置由动磁芯、固定在动磁芯上的动线圈、静磁芯、以及固定在所述静磁芯上的静线圈构成。该申请案采用动静滑环结构，在动静滑环内设有线圈，形成“隔离变压器”进行信号传输，这种磁感式信号传输结构具有较稳定的信号传输能力，但动静滑环结构复杂，且动静滑环接触也会造成磨损，动静滑环距离稍远又会影响信号传输稳定性和强度。

基于现有技术存在的上述问题，有必要对现有电动助力自行车中置电机进行改进，以简化力矩传感装置的结构，提高力矩传感器和信号传输的工作稳定性和反应灵敏度。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有电动助力自行车中置电机存在力矩传感装置结构复杂、信号传输稳定性和灵敏性较差等不足，提供一种电动助力自行车中置力矩传感电机及应用其的自行车，采用本发明的技术方案，将力矩传感器组件设于电动助力自行车的中轴齿轮上，并对中轴齿轮进行结构优化，使得力矩传感器组件能够稳定灵敏地检测到齿轮产生的变形，并通过齿轮的变形量反应出骑行过程中产生的力矩大小；同时采用触点式信号输出组件将力矩传感器组件检测得到的力矩信息反馈给电机控制器，信号传输稳定可靠；具有结构更加简单紧凑、力矩检测和传输稳定灵敏等特点。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，包括机座、电机及控制器、中轴、电机齿轮、中轴齿轮、力矩传感组件和信号输出组件，所述的电机及控制器设于机座的外侧，所述的中轴齿轮通过中轴安装于机座的内侧，所述的中轴齿轮与电机齿轮相啮合，其中：

所述的力矩传感组件设于中轴齿轮上，所述的中轴齿轮包括齿轮内圈、齿轮外圈以及将齿轮内圈和齿轮外圈连接于一体的若干可变形连接筋；所述的力矩传感组件包括霍尔力矩传感器和力矩传感磁钢，所述的霍尔力矩传感器和力矩传感磁钢两者之一安装于齿轮外圈上，另一者安装于齿轮内圈上，且霍尔力矩传感器和力矩传感磁钢对应配合；

所述的信号输出组件包括安装于中轴齿轮上的绝缘基座、安装于绝缘基座上的导电滑环和安装于机座上的弹性触点，所述的导电滑环在绝缘基座上至少设有两组，且导电滑环与霍尔力矩传感器电连接，每组导电滑环分别与至少一组弹性触点接触配合，所述的弹性触点与控制器电连接。

更进一步地，所述的霍尔力矩传感器安装于齿轮外圈上，所述的力矩传感磁钢安装于齿轮内圈上；所述的绝缘基座固定安装于齿轮内圈上，所述的齿轮内圈通过单向轴承与中轴相连接。

更进一步地，所述的齿轮外圈上设有传感器安装腔，所述的霍尔力矩传感器安装于上述的传感器安装腔内。

更进一步地，所述的齿轮内圈、齿轮外圈和连接筋通过在中轴齿轮上切割分割槽一体加工而成。

更进一步地，所述的绝缘基座为环形结构，所述的导电滑环同心嵌入绝缘基座内，所述的导电滑环上设有与弹性触点相配合的凹槽。

更进一步地，还包括速度传感组件，所述的速度传感组件包括速度传感磁钢和霍尔速度传感器，所述的速度传感磁钢在绝缘基座上周向设置一圈，所述的霍尔速度传感器安装于机座上，且霍尔速度传感器与速度传感磁钢对应配合。

更进一步地，所述的速度传感磁钢为磁钢柱，所述的磁钢柱呈圆周间隔分布嵌设在绝缘基座上。

更进一步地，所述的速度传感磁钢为由多级磁铁组成的磁环，所述的磁环嵌设在绝缘基座上。

本发明的一种应用上述的中置力矩传感电机的自行车，所述的中轴齿轮的齿轮外圈与自行车的牙盘固定连接。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，其将力矩传感器组件设于电动助力自行车的中轴齿轮上，并对中轴齿轮进行结构优化，使得力矩传感器组件能够稳定灵敏地检测到齿轮产生的变形，并通过齿轮的变形量反应出骑行过程中产生的力矩大小；同时采用触点式信号输出组件将力矩传感器组件检测得到的力矩信息反馈给电机控制器，信号传输稳定可靠；具有结构更加简单紧凑、力矩检测和传输稳定灵敏等特点；

(2)本发明的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，其力矩传感组件中的霍尔力矩传感器安装于齿轮外圈上，力矩传感磁钢安装于齿轮内圈上；绝缘基座固定安装于齿轮内圈上，齿轮内圈通过单向轴承与中轴相连接，更加便于霍尔力矩传感器的安装；并且，齿轮外圈上设有传感器安装腔，霍尔力矩传感器安装于上述的传感器安装腔内，使整个中置力矩传感电机结构更加紧凑；

(3)本发明的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，其齿轮内圈、齿轮外圈和连接筋通过在中轴齿轮上切割分割槽一体加工而成，中轴齿轮加工制作方便，并且保证了中轴齿轮的整体结构强度；

(4)本发明的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，其绝缘基座为环形结构，导电滑环同心嵌入绝缘基座内，导电滑环上设有与弹性触点相配合的凹槽，保证了弹性触点与导电滑环接触更加稳定，提高了信号传输可靠性；

(5)本发明的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，其还包括速度传感组件，该速度传感组件包括速度传感磁钢和霍尔速度传感器，速度传感磁钢在绝缘基座上周向设置一圈，所霍尔速度传感器安装于机座上，且霍尔速度传感器与速度传感磁钢对应配合；利用速度传感组件，在检测到转动速度后，力矩传感组件检测到的力矩信号才被判断为正确信号，有效防止了发生误动作的危险，使用更加安全可靠。

附图说明

图1为本发明的一种电动助力自行车中置力矩传感电机的结构示意图；

图2为本发明中的中轴齿轮与信号输出组件的装配结构示意图；

图3为本发明中的力矩传感组件在中轴齿轮上的装配结构示意图。

示意图中的标号说明：

1、机座；1-1、中轴套管；2、电机及控制器；3、电机齿轮；4、中轴齿轮；4-1、单向轴承；4-2、齿轮内圈；4-3、齿轮外圈；4-4、连接筋；4-5、分割槽；4-6、传感器安装腔；5、力矩传感组件；5-1、霍尔力矩传感器；5-2、力矩传感磁钢；6、信号输出组件；6-1、绝缘基座；6-2、导电滑环；6-3、弹性触点；7、速度传感组件；7-1、速度传感磁钢；7-2、霍尔速度传感器。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例

结合图1至图3所示，本实施例的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，包括机座1、电机及控制器2、中轴、电机齿轮3、中轴齿轮4、力矩传感组件5和信号输出组件6，电机及控制器2设于机座1的外侧，具体可在机座1的外侧设置一个一体的壳体，电机及控制器2安装于该壳体内，电机的输出轴伸入机座1内侧，且电机的输出轴与电机齿轮3相连接，自行车中轴配合安装在机座1的中轴套管1-1内，中轴齿轮4通过中轴安装于机座1的内侧，中轴齿轮4与电机齿轮3相啮合，在需要电动助力时，电机通过电机齿轮3带动中轴齿轮4转动来提供骑行助力。

如图1和图3所示，力矩传感组件5设于中轴齿轮4上，中轴齿轮4包括齿轮内圈4-2、齿轮外圈4-3以及将齿轮内圈4-2和齿轮外圈4-3连接于一体的若干可变形连接筋4-4，在中轴齿轮4的内外圈产生扭力时，连接筋4-4变形使得齿轮内圈4-2和齿轮外圈4-3产生相对转动位移，利用这种变形大小即可反应出力矩大小；力矩传感组件5包括霍尔力矩传感器5-1和力矩传感磁钢5-2，霍尔力矩传感器5-1和力矩传感磁钢5-2两者之一安装于齿轮外圈4-3上，另一者安装于齿轮内圈4-2上，且霍尔力矩传感器5-1和力矩传感磁钢5-2对应配合，在中轴齿轮4产生变形时，霍尔力矩传感器5-1和力矩传感磁钢5-2产生位移，从而反应出中轴齿轮4所受力矩大小信息，根据该力矩信息即可确地是否需要电动助力。通过将力矩传感器组件5设于电动助力自行车的齿轮上，通过对齿轮结构优化设计，使得力矩传感器组件5能够稳定灵敏地检测到齿轮产生的变形，并通过齿轮的变形量反应出骑行过程中产生的力矩大小，不仅结构更加简单紧凑，便于制作，而且力矩检测更加稳定和灵敏。在本实施例中优选地，霍尔力矩传感器5-1安装于齿轮外圈4-3上，力矩传感磁钢5-2安装于齿轮内圈4-2上，齿轮外圈4-3的周向尺寸更大，更加便于霍尔力矩传感器5-1的安装。具体地，齿轮外圈4-3上设有传感器安装腔4-6，霍尔力矩传感器5-1安装于上述的传感器安装腔4-6内，将霍尔力矩传感器5-1嵌入齿轮外圈4-3，使整个齿轮力矩传感装置结构更加紧凑，便于与其他部件进行装配。另外，在本实施例中，齿轮内圈4-2、齿轮外圈4-3和连接筋4-4通过在中轴齿轮4上切割分割槽4-5一体加工而成，该分割槽4-5可采用线切割等工艺加工而成，分为分割齿轮内圈4-2和齿轮外圈4-3的圆弧部分和用于成型连接筋4-4的径向直线部分，加工制作方便，并且保证了中轴齿轮4的整体结构强度。连接筋4-4在中轴齿轮4上至少均匀设有三个，如图3中所示，连接筋4-4在中轴齿轮4上均匀设置三个，在中轴齿轮4受力过程中，保证了齿轮内外圈变形产生力矩检测信号的同时，保证了中轴齿轮4具有足够的结构强度。使用时，齿轮内圈4-2通过单向轴承4-1与自行车中轴连接(图中未示出)，齿轮外圈4-3通过螺栓与牙盘连接，在上坡等路段，自行车中轴的力作用于中轴齿轮4上产生变形，力矩传感组件5检测到该变形，并转换为电信号传输给电机的控制器，控制器根据设定力矩大小来确定是否进行电动助力。

如图1和图2所示，力矩传感组件5检测得到的力矩信号通过信号输出组件6传递给电机及控制器2，在需要电动助力时，电机通过电机齿轮3带动中轴齿轮4转动来提供骑行助力。上述的信号输出组件6包括安装于中轴齿轮4上的绝缘基座6-1、安装于绝缘基座6-1上的导电滑环6-2和安装于机座1上的弹性触点6-3，绝缘基座6-1通过螺钉固定安装于齿轮内圈4-2上，齿轮内圈4-2通过单向轴承4-1与中轴相连接，导电滑环6-2在绝缘基座6-1上至少设有两组，且导电滑环6-2与霍尔力矩传感器5-1电连接，具体可采用导线将导电滑环6-2与霍尔力矩传感器5-1的信号输出端连接；每组导电滑环6-2分别与至少一组弹性触点6-3接触配合，弹性触点6-3与控制器电连接，即每组导电滑环6-2可与一组弹性触点6-3接触配合，也可以与多组弹性触点6-3接触配合，采用多组弹性触点6-3与一组导电滑环6-2配合的方式，进一步提高了触点与滑环的电接触稳定性，并且优选地，一组导电滑环6-2上设置多组弹性触点6-3时，该多组弹性触点6-3相互并联，在某个弹性触点6-3与导电滑环6-2接触不良时也不会影响到信号传输稳定性，提高了信号传输装置的使用寿命。采用上述信号输出组件6，力矩传感组件5通过导电滑环6-2和弹性触点6-3的动静信号传输机构连接控制器，导电滑环6-2和弹性触点6-3结构简单紧凑，制作和装配方便快捷，且导电滑环6-2和弹性触点6-3接触稳定，信号传输稳定可靠。另外，在本实施例中优选地，绝缘基座6-1为环形结构，导电滑环6-2同心嵌入绝缘基座6-1内，导电滑环6-2上设有与弹性触点6-3相配合的凹槽，弹性触点6-3的端部可设计为球形，保证弹性触点6-3与导电滑环6-2接触更加稳定，提高了信号传输可靠性。具体在本实施例中，绝缘基座6-1可采用胶木板制作，导电滑环6-2嵌设在绝缘基座6-1上的开槽内，也可将导电滑环6-2作为嵌件和绝缘基座6-1采用注塑工艺一体成型。上述的导电滑环6-2和弹性触点6-3优选为铜质材质，保证了良好的导电性能。

如图1和图2所示，为了防止力矩传感组件5在车辆停止状态发生误信号而造成车辆突然窜出等危险，在本实施例中还包括速度传感组件7，速度传感组件7包括速度传感磁钢7-1和霍尔速度传感器7-2，速度传感磁钢7-1在绝缘基座6-1上周向设置一圈，霍尔速度传感器7-2安装于机座1上，且霍尔速度传感器7-2与速度传感磁钢7-1对应配合，霍尔速度传感器7-2也与控制器电连接，在速度传感组件7检测到转动速度后，力矩传感组件5检测到的力矩信号才被判断为正确信号，有效防止了发生误动作的危险。在一个实施方式中，速度传感磁钢7-1为磁钢柱，磁钢柱呈圆周间隔分布嵌设在绝缘基座6-1上(如图2所示)，采用该结构，速度感应稳定，结构相对简单，但在制作时磁钢柱的精确定位较为麻烦。在另一个实施方式中，速度传感磁钢7-1为磁环，该磁环由多级磁铁组成，磁环嵌设在绝缘基座6-1上，采用该结构，利用磁环来实现霍尔速度传感器7-2的检测，更加便于磁环与绝缘基座6-1装配。

本实施例中还公开了一种应用上述的中置力矩传感电机的自行车，中轴齿轮4的齿轮外圈4-3与自行车的牙盘固定连接，机座1与自行车的五通管连接，中轴与自行车的曲柄连接。在自行车骑行过程中，骑行者对中轴施加骑行力矩，此时中轴带动中轴齿轮4旋转，这种旋转被速度传感组件7检测到，控制器识别判断自行车是否正常行驶，当遇到爬坡等费力路段，骑行者对中轴施加的骑行力矩需要更大，此时在力矩作用下，中轴齿轮4的齿轮外圈4-3和齿轮内圈4-2发生变形，力矩传感组件5检测到这种变形，并将变形信号转换为力矩信号通过信号输出组件6传输给控制器，在控制器识别自行车正常行驶且骑行力矩大时，控制器控制电机进行电动助力行驶，使骑行更加轻松省力。

本发明的一种电动助力自行车中置力矩传感电机及应用其的自行车，其将力矩传感器组件设于电动助力自行车的中轴齿轮上，并对中轴齿轮进行结构优化，使得力矩传感器组件能够稳定灵敏地检测到齿轮产生的变形，并通过齿轮的变形量反应出骑行过程中产生的力矩大小；同时采用触点式信号输出组件将力矩传感器组件检测得到的力矩信息反馈给电机控制器，信号传输稳定可靠；具有结构更加简单紧凑、力矩检测和传输稳定灵敏等特点。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电动助力自行车中置力矩传感电机，包括机座（1）、电机及控制器（2）、中轴、电机齿轮（3）、中轴齿轮（4）、力矩传感组件（5）和信号输出组件（6），所述的电机及控制器（2）设于机座（1）的外侧，所述的中轴齿轮（4）通过中轴安装于机座（1）的内侧，所述的中轴齿轮（4）与电机齿轮（3）相啮合，其特征在于：

所述的力矩传感组件（5）设于中轴齿轮（4）上，所述的中轴齿轮（4）包括齿轮内圈（4-2）、齿轮外圈（4-3）以及将齿轮内圈（4-2）和齿轮外圈（4-3）连接于一体的若干可变形连接筋（4-4），所述的齿轮内圈（4-2）、齿轮外圈（4-3）和连接筋（4-4）通过在中轴齿轮（4）上切割分割槽（4-5）一体加工而成；所述的力矩传感组件（5）包括霍尔力矩传感器（5-1）和力矩传感磁钢（5-2），所述的霍尔力矩传感器（5-1）和力矩传感磁钢（5-2）两者之一安装于齿轮外圈（4-3）上，另一者安装于齿轮内圈（4-2）上，且霍尔力矩传感器（5-1）和力矩传感磁钢（5-2）对应配合；

所述的信号输出组件（6）包括安装于中轴齿轮（4）上的绝缘基座（6-1）、安装于绝缘基座（6-1）上的导电滑环（6-2）和安装于机座（1）上的弹性触点（6-3），所述的绝缘基座（6-1）固定安装于齿轮内圈（4-2）上，所述的齿轮内圈（4-2）通过单向轴承（4-1）与中轴相连接，所述的导电滑环（6-2）在绝缘基座（6-1）上至少设有两组，且导电滑环（6-2）与霍尔力矩传感器（5-1）电连接，每组导电滑环（6-2）分别与至少一组弹性触点（6-3）接触配合，所述的弹性触点（6-3）与控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，其特征在于：所述的霍尔力矩传感器（5-1）安装于齿轮外圈（4-3）上，所述的力矩传感磁钢（5-2）安装于齿轮内圈（4-2）上。

3.根据权利要求2所述的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，其特征在于：所述的齿轮外圈（4-3）上设有传感器安装腔（4-6），所述的霍尔力矩传感器（5-1）安装于上述的传感器安装腔（4-6）内。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，其特征在于：所述的绝缘基座（6-1）为环形结构，所述的导电滑环（6-2）同心嵌入绝缘基座（6-1）内，所述的导电滑环（6-2）上设有与弹性触点（6-3）相配合的凹槽。

5.根据权利要求4所述的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，其特征在于：还包括速度传感组件（7），所述的速度传感组件（7）包括速度传感磁钢（7-1）和霍尔速度传感器（7-2），所述的速度传感磁钢（7-1）在绝缘基座（6-1）上周向设置一圈，所述的霍尔速度传感器（7-2）安装于机座（1）上，且霍尔速度传感器（7-2）与速度传感磁钢（7-1）对应配合。

6.根据权利要求5所述的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，其特征在于：所述的速度传感磁钢（7-1）为磁钢柱，所述的磁钢柱呈圆周间隔分布嵌设在绝缘基座（6-1）上。

7.根据权利要求5所述的一种电动助力自行车中置力矩传感电机，其特征在于：所述的速度传感磁钢（7-1）为由多级磁铁组成的磁环，所述的磁环嵌设在绝缘基座（6-1）上。

8.一种应用权利要求1至7任意一项所述的中置力矩传感电机的自行车，其特征在于：所述的中轴齿轮（4）的齿轮外圈（4-3）与自行车的牙盘固定连接。

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