CN110890823B - 一种电机及驱动助力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及交通运输技术领域，公开了一种电机及驱动助力系统，包括装在车架上的电机和电池，电机与电池之间电连接有控制器，电机包括与车架转动连接的转轴，转轴上固定有内转子，转轴上设有与车架固定的内支撑架；内支撑架内侧固定有内定子，外侧固定有外定子；转轴上装有单向轴承，单向轴承内侧与转轴固定，外侧固定有外支撑架；外支撑架上固定有外转子，内定子与内转子形成低速电机，外定子和外转子形成高速电机，低速电机、高速电机与控制器电连接，低速电机可供车体在平路上行驶，高速电机能确保车体顺利上坡，且高速电机与低速电机有机结合，减小了电机结构的体积和载重，有利于节能。

Description

一种电机及驱动助力系统
技术领域
本发明涉及交通运输技术领域，特别涉及一种电机及驱动助力系统。
背景技术
电单车是“人力+电力”的混合运行模式，从外观上几乎等同于自行车，依然保留有自行车的脚踏设计，又称电动自行车。电动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。
目前，公告号为CN107465296A的中国发明专利公开了一种双驱动轮毂电机结构及电动自行车，包含直驱电机组件与高速电机组件；直驱电机组件包含端盖、轮毂电机轴、直驱转子以及直驱定子；端盖安装在直驱转子上，直驱定子安装在轮毂电机轴上；直驱转子与直驱定子之间能够周向相对转动；高速电机组件与端盖相连。上述发明提及的电动自行车包含上述的双驱动轮毂电机结构。
上述技术方案在传统的轮毂直驱电机内部安装一台高速电机及齿轮减速机构，充分利用低速电机在额定负载时的高效率，起到了节约能源的作用。但上述技术方案存在以下缺陷：直驱电机组件与高速电机组件两个电机组件的配合虽然能够适用于不同扭矩的工作情况，但两个电机组件既增加了电机的体积，又增加了车体的载重，不利于节省能源。在电单车之外的多种车体上，同样存在此类问题，如电动三轮车、电动摩托车等。
为此，亟需一种电机及驱动助力系统，在满足不同扭矩的工作需要的同时，进一步减小电机的体积和载重，以此节省能源。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的是提供一种电机，其电机结构的体积和载重小，有利于节省能源。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种电机，安装于车架上，包括与车架转动连接的转轴，所述转轴中部固定有内转子，所述转轴上套设有与车架固定的内支撑架；所述内支撑架内侧固定有内定子，外侧固定有外定子；所述转轴上安装有单向轴承，所述单向轴承内侧与转轴固定，外侧固定有外支撑架；所述外支撑架内侧壁上固定有外转子，所述内定子与内转子形成低速电机，所述外定子和外转子形成高速电机，且低速电机与高速电机均与控制器电连接。
通过采用上述技术方案，利用内定子与内转子形成低速电机，并利用外定子和外转子形成高速电机，再通过单向轴承实现低速电机与高速电机之间的配合，当车体在平路上行驶时，内定子与内转子形成的低速电机即可提供充足的扭矩，确保车体的前进速度和稳定性，此时外转子处于低速转动状态；当车体上坡时，外转子高速转动，其产生的扭矩通过单向轴承与内转子产生的扭矩叠加至转轴上，以此提高输出的扭矩，确保车体快速、顺利上坡；而上述方案将高速电机与低速电机有机结合在同一个电机内，有效减小了电机结构的体积和载重，有利于节省能源。
本发明的第二目的是提供一种驱动助力系统，能够运用上述电机，能调节车体的扭矩，智能适配行驶路况，节省能源。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种驱动助力系统，包括安装在车架上的上述电机和电池，所述电机与电池之间电连接有控制器，所述车架上安装有与所述控制器电连接的调速旋钮。
通过采用上述技术方案，将调速旋钮与控制器电连接，利用调速旋钮便于使用者调节电机输出的功率，以此实现车体的无极变速功能，满足使用者的需求，并通过控制器调节电机输出至车体的扭矩，以此智能适配行驶路况，从而节省能源。
本发明进一步设置为，所述转轴上固定有用于检测转轴受到的扭矩的力矩传感器，所述力矩传感器与控制器电连接。
通过采用上述技术方案，利用力矩传感器检测转轴受到的扭矩，以此判断电机需要提供的扭矩，从而满足不同行驶环境对扭矩的要求；力矩传感器起到了检测作用，便于控制器实时调整电机输出的扭矩。
本发明进一步设置为，车体的前轮和后轮的轮胎内均嵌设有用于检测车体载重的载重检测器，所述载重检测器包括但不限于压力传感器，所述压力传感器与控制器电连接。
通过采用上述技术方案，在前轮和后轮的轮胎内嵌设压力传感器，以此检测地面对压力传感器的反作用力，从而反推出车体上的载重，便于控制器调整电机的输出功率以适配不同体重的使用者。
本发明进一步设置为，车体的前轮和后轮的轮胎内均安装有用于检测轮胎内气压的载重检测器，所述载重检测器包括但不限于气压传感器，所述气压传感器与控制器电连接。
通过采用上述技术方案，利用气压传感器检测轮胎内气压的值，通过使用者上车前后气压的变化测算出车体上的载重，便于控制器调整电机的输出功率以适配不同体重的使用者，检测结果精度高。
本发明进一步设置为，车体的前轮的轮轴上设有坡度检测组件，所述坡度检测组件包括套设在前轮的轮轴上并与车架固定的圆环，所述圆环上均匀缠绕有电阻丝，前轮的轮轴上转动连接有指针，所述指针一端与所述圆环内侧的电阻丝抵触，且所述指针、所述电阻丝均与控制器电连接。
通过采用上述技术方案，利用重力使得指针保持竖直，而前轮上坡时，车架与地面的角度发生变化，使得圆环相对指针转动，而圆环上缠绕的电阻丝在不同位置具有不同的阻值，指针停留在不同位置即可测算出车架变化的角度，从而推算出坡度，便于控制器调整电机的输出功率以适应不同的斜坡。
本发明进一步设置为，车体的后轮的轮轴上安装有用于检测后轮转速的转速传感器，所述转速传感器与所述控制器电连接。
通过采用上述技术方案，利用转速传感器检测后轮的转速，以此检测和控制车体的速度，从而避免车体超速，提高行驶安全。
本发明进一步设置为，车体的前轮的轮轴上设有坡度检测组件，所述坡度检测组件包括套设在前轮的轮轴上并与车架固定的凸轮，所述凸轮顶部抵触有滑动杆，车架上开设有供所述滑动杆滑移的圆孔，所述圆孔内固定有用于检测滑动杆端部位置的线性传感器，线性传感器包括但不限于接近传感器、距离传感器和光电传感器。
通过采用上述技术方案，利用凸轮的转动体现前轮上坡时车架角度的变化，并利用滑动杆将需要检测的角度转化为线性的变量，从而便于线性传感器的检测，降低了传感器的成本，且线性变量的稳定性更高，有利于提高检测精度。
本发明进一步设置为，车架上固定有罩设在所述坡度检测组件外的保护罩。
通过采用上述技术方案，利用保护罩对坡度检测组件形成防护，从而防止灰尘、水分影响坡度检测组件的运转，确保坡度检测组件的使用寿命。
综上所述，本发明的有益技术效果为：
1.本发明中，低速电机能确保车体在平路上行驶的速度，高速电机能确保车体顺利上坡，且高速电机与低速电机有机结合，减小了电机结构的体积和载重，有利于节能；
2.本发明在前轮和后轮的轮胎内嵌设压力传感器，以此检测地面对压力传感器的反作用力，从而反推出车体上的载重，便于控制器调整电机的输出功率以适配不同体重的使用者，还设计了利用气压传感器检测轮胎内气压的值，再通过使用者上车前后气压的变化测算出车体上的载重，使得检测结果精度更高；
3.本发明利用重力使得指针保持竖直，而前轮上坡时，车架与地面的角度发生变化，使得圆环相对指针转动，而圆环上缠绕的电阻丝在不同位置具有不同的阻值，指针停留在不同位置即可测算出车架变化的角度，从而推算出坡度，便于控制器调整电机的输出功率以适应不同的斜坡。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中电机的剖面结构示意图；
图3是本发明的电子元件连接关系的示意图；
图4是本发明中前轮（或后轮）的剖面结构示意图；
图5是实施例5中坡度检测组件的结构示意图；
图6是实施例6中坡度检测组件的结构示意图。
附图标记：1、车架；11、前轮；111、保护罩；12、后轮；13、大齿盘；14、飞轮；15、链条；16、电池；2、电机；21、转轴；22、内转子；23、内定子；24、内支撑架；241、安装孔；25、外定子；26、外支撑架；261、凸起部；27、外转子；28、单向轴承；3、控制器；4、力矩传感器；5、载重检测器；51、压力传感器；52、气压传感器；6、坡度检测组件；611、圆环；612、电阻丝；613、指针；621、凸轮；622、滑动杆；623、圆孔；624、线性传感器；7、转速传感器；8、调速旋钮。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：如图1、图2所示，为本发明所提供的一种电机，包括转轴21、内转子22、内定子23、内支撑架24、外定子25、外支撑架26、外转子27和单向轴承28。转轴21与车架1转动连接，内转子22固定在转轴21周侧表面上，用于为转轴21提供扭矩。内支撑架24为圆筒形，套设在转轴21上，且内支撑架24一端面延伸形成环形平面，环形平面上开设有安装孔241，安装孔241的设置方便了内支撑架24与车架1通过螺钉、法兰、铆钉等固定件固定。内定子23固定在内支撑架24内侧圆周表面上，并与内转子22对应形成低速电机。外定子25固定在内支撑架24外侧圆周表面上；而外支撑架26亦为圆筒形，且其直径大于内支撑架24的直径，套设在外定子25外侧。内支撑架24一端为封闭面，其中部凸出并形成凸起部261，单向轴承28安装在凸起部261内。单向轴承28内侧与转轴21固定，外侧与外支撑架26固定。外转子27固定在外支撑架26内侧表面上，且与外定子25对应形成高速电机。内转子22和外转子27均为汝铁硼材料制成，且低速电机和高速电机为无刷直流电动机，具有宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小的特点。
实施例2：如图1所示，一种驱动助力系统，安装在车体的车架1上，包括安装在车架1上的电机2、电池16和控制器3。电池16和控制器3固定在车架1中部，且电池16与控制器3电连接，电池16可为整个助力系统供电。电机2为实施例1所设计的电机。电机2的转轴21固定在大齿盘13的中部，并与车架1转动连接。结合图3所示，控制器3与电机2电连接，用于将电池16提供的直流电转化成用于驱动低速电机和高速电机运行的三相电，并控制低速电机和高速电机的输入功率，从而调节两者的运转速度。当车体在平路上行驶时，控制器3输入低速电机的电流大于输入高速电机的电流，使高速电机的转速低于低速电机的转速，高速电机产生的扭矩无法作用至转轴21上，而低速电机的转速即可提供充足的扭矩供车体前进；当车体上坡时，控制器3输入高速电机的电流使外转子27高速转动，使得高速电机的转速大于等于低速电机的转速，高速电机产生的扭矩通过单向轴承28与低速电机产生的扭矩叠加至转轴21上，以此提高电机2输出的扭矩，确保车体快速、顺利上坡。
如图1、图3所示，车架1上安装有调速旋钮8，调速旋钮8与控制器3电连接，用于方便使用者调节电机2输出的功率，以此实现无极变速功能，满足使用者的车速需求。结合图2所示，转轴21上安装有力矩传感器4，力矩传感器4与控制器3电连接。力矩传感器4用于检测转轴21受到的扭矩，并将信号传递至控制器3中进行分析，便于控制器3实时调整电机2输出的扭矩，以此便于控制器3判断电机2需要提供的扭矩并输出对应的电流。
本实施例在使用时，当车体在平路上行驶时，力矩传感器4检测到的扭矩较小，此时控制器3根据力矩传感器4传递的信号判断出内定子23与内转子22形成的低速电机即可提供充足的扭矩，控制器3输出的电流使得低速电机运行并确保车体的前进；当车体上坡时，力矩传感器4检测到的扭矩增大，此时控制器3根据力矩传感器4传递的信号判断出需要提高输出的扭矩，控制器3加大对高速电机输入的电流，使得外转子27高速转动，以此提高输出的扭矩，确保车体快速、顺利上坡；而本实施例将高速电机与低速电机有机结合在同一个电机2内，有效减小了电机结构的体积和载重，有利于节省能源。
实施例3：如图1、图3所示，一种驱动助力系统，本实施例在实施例2的基础上，在车体后轮12的轮轴上安装了转速传感器7，且转速传感器7与控制器3电连接。转速传感器7用于检测后轮12以及车体的速度，并将速度信号转换后传输给控制器3，便于控制器3调整电机2的速度，有利于避免车体超速，从而提高行驶安全。
实施例4：如图1、图3所示，一种驱动助力系统，本实施例在实施例2的基础上，在车体的前轮11和后轮12的轮胎上安装了载重的载重检测器5，结合图4所示，本实施例中，载重检测器5为压力传感器51。压力传感器51有多个，且多个压力传感器51均匀分布在前轮11和后轮12的轮胎内，压力传感器51与轮胎之间为嵌合关系。且压力传感器51上带有电池和无线发射模块，用于将检测到的压力通过无线信号传输给控制器3，实现电连接。当使用者使用车体时，其自身的重量作用在整个车体上，车体的自重加载重由地面支撑，而压力传感器51位于轮胎内，能够通过地面的反作用力反推出车体上的载重变化，从而便于控制器3调整电机2的输出功率以适配不同体重的使用者。
实施例5：如图1、图3所示，一种驱动助力系统，本实施例与实施例4的不同之处在于，结合图4所示，本实施例中载重检测器5为气压传感器52，气压传感器52位于前轮11和后轮12的轮胎内，且气压传感器52亦与控制器3电连接。气压传感器52上带有电池和无线发射模块，用于将检测到的气压通过无线信号传输给控制器3。气压传感器52通过使用者上车前后气压的变化而测算出车体上的载重变化，以此便于控制器3调整电机2的输出功率以适配不同体重的使用者，且检测结果精度高。
实施例6：如图1、图3所示，一种驱动助力系统，本实施例在实施例2的基础上，在车体的前轮11的轮轴上设有坡度检测组件6，结合图5所示，本实施例中，坡度检测组件6包括圆环611、电阻丝612和指针613。圆环611套设在前轮11的轮轴上并与车架1固定；电阻丝612由金属制成，其质地均匀，且电阻丝612均匀缠绕在圆环611上，其两端与控制器3电连接；指针613一端与前轮11的轮轴中心转动连接，另一端与圆环611内侧缠绕的电阻丝612抵触。本实施例中，重力使得指针613始终保持竖直，而当前轮11上坡时，车架1与地面的角度发生变化，使得圆环611相对指针613转动，而圆环611上缠绕的电阻丝612在不同位置具有不同的阻值，指针613停留在不同位置时，控制器3收到的电流大小不同，以此将坡度转化成线性的电流信号，便于控制器3识别并调整电机2的输出功率以适应不同的斜坡。
实施例7：如图1、图3所示，一种驱动助力系统，本实施例与实施例6的不同之处在于，结合图6所示，本实施例中，坡度检测组件6包括凸轮621、滑动杆622和线性传感器624。凸轮621与前轮11的轮轴中心转动连接，其周侧边缘与转动中心的距离呈渐变往复变化曲线。前轮11的车架1处开设有一个圆孔623，滑动杆622一端滑动连接在圆孔623内，另一端与凸轮621顶部抵触。线性传感器624安装在圆孔623远离凸轮621的一端，用于检测滑动杆622端部的位置。线性传感器624包括接近传感器，利用磁场对滑动杆622端部的位置进行检测。在另一实施例中，还可通过光电传感器或其它距离传感器对滑动杆622端部的位置进行检测。本实施例中，重力使得凸轮621始终保持竖直，当前轮11上坡时，车架1与地面的角度发生变化，使得凸轮621相对车架1转动，此时滑动杆622在凸轮621的作用沿圆孔623滑移，其端部与线性传感器624的距离产生变化，线性传感器624检测并将结果输送至控制器3中，以此将坡度转化成线性的电流信号，便于控制器3识别并调整电机2的输出功率以适应不同的斜坡。本实施例中，还在车架1上固定安装一个保护罩111，保护罩111为透明塑料制成，保护罩111将坡度检测组件6罩设在其中，以此防止灰尘、水分影响坡度检测组件6的运转，确保坡度检测组件6的使用寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种运用了电机的驱动助力系统，包括安装在车架(1)上的电机(2)和电池(16)，其特征在于，所述电机(2)与电池(16)之间电连接有控制器(3)，所述电机(2) 包括与车架(1)转动连接的转轴(21)，所述转轴(21)中部固定有内转子(22)，所述转轴(21)上套设有与车架(1)固定的内支撑架(24)；所述内支撑架(24)内侧固定有内定子(23)，外侧固定有外定子(25)；所述转轴(21)上安装有单向轴承(28)，所述单向轴承(28)内侧与转轴(21)固定，外侧固定有外支撑架(26)；所述外支撑架(26)内侧壁上固定有外转子(27)，所述内定子(23)与内转子(22)形成低速电机，所述外定子(25)和外转子(27)形成高速电机，且低速电机与高速电机均与控制器(3)电连接；所述车架(1)上安装有与所述控制器(3)电连接的调速旋钮(8)；车体的前轮(11)的轮轴上设有坡度检测组件(6)，所述坡度检测组件(6)包括套设在前轮(11)的轮轴上并与车架(1)固定的凸轮(621)，所述凸轮(621)顶部抵触有滑动杆(622)，车架(1)上开设有供所述滑动杆(622)滑移的圆孔(623)，所述圆孔(623)内固定有用于检测滑动杆(622)端部位置的线性传感器(624)，线性传感器(624)为接近传感器、距离传感器和光电传感器的一个或多个；所述凸轮(621)与前轮(11)的转轴中心转动连接，重力使得所述凸轮(621)始终保持竖直。
2.根据权利要求1所述的一种驱动助力系统，其特征在于，所述转轴(21)上固定有用于检测转轴(21)受到的扭矩的力矩传感器(4)，所述力矩传感器(4)与控制器(3)电连接。
3.根据权利要求1所述的一种驱动助力系统，其特征在于，前轮(11)和后轮(12)的轮胎内均嵌设有用于检测车体载重的载重检测器(5)，所述载重检测器(5)包括压力传感器(51)，所述压力传感器(51)与控制器(3)电连接。
4.根据权利要求1所述的一种驱动助力系统，其特征在于，车体的前轮(11)和后轮(12)的轮胎内均安装有用于检测轮胎内气压的载重检测器(5)，所述载重检测器(5)包括气压传感器(52)，所述气压传感器(52)与控制器(3)电连接。
5.根据权利要求1所述的一种驱动助力系统，其特征在于，车体的后轮(12)的轮轴上安装有用于检测后轮(12)转速的转速传感器(7)，所述转速传感器(7)与所述控制器(3)电连接。
6.根据权利要求1所述的一种驱动助力系统，其特征在于，车架(1)上固定有罩设在所述坡度检测组件(6)外的保护罩(111)。
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