CN1120006A - 配备有一个直流电动机的自行车及其直流电动机 - Google Patents

Abstract

一种配备有一直流电动机的自行车，一种直接驱动三相直流电动机及其驱动装置。自行车包括一装在前或后轮的轮毂芯轴上的直接驱动无电刷外转子三相直流电动机；一装在制动盖上并由传感器操动的制动装置；多个间隔设置在电动机侧面的探测掣子；一设置在后叉上的探测装置探测至少两个掣子的起动和转动；一根据掣子旋转通过和起动信号驱动电动机的装置；电动机可以容易地停止，并可以低频率、高效率和低荷载获得高输出力矩。

Description

配备有一个直流电动机的 自行车及其直流电动机

本发明涉及一种配备有一个直流电动机的自行车，一种直接驱动无电刷三相直流电动机及其驱动装置，更为具体地说是一种配备有一个直流电动机的自行车，一种直接驱动无电刷三相直流电动机及其驱动装置，该驱动装置结构很薄，操作安全，不带齿轮，具有较好的制动力并能以低频率和低速度转动以便获得高输出力矩和高效率。

相应地，本发明的直接驱动无电刷三相直流电动机的能量消耗很小，噪音也低，对机械角度的调整也很容易，因此直流电动机的蓄电池一旦充电后，自行车就能行驶很长的距离(在平整的路面上可行驶45公里)。

为此目的，普通的自行车可以很容易地通过换以配备有直接驱动无电刷三相直流电动机的前轮或后轮的方式改装成一辆直流电动机驱动的自行车，它不需要重新改型就能以低频率和低速度转动，能够在低载荷时获得高力矩，并能在平整的路面上以15km/h的速度行驶。

最近以来，有不少电动机驱动的自行车曾被提出，例如，参看日本专利说明书(未审查)，92-90982，92-100790，92-321479，92-321482，4-365590，92-358985，92-358986，92-358987，93-24574，93-58379，93-105146，93-238461，93-246377，93-246378等等。

在一般熟悉的电动机驱动自行车中，电动机的转速由行星齿轮，斜齿轮等所减速再被传送到车轮上，因而结构极端复杂而每一次蓄电池充电后的行驶距离是有限制的。

此外，由于寻常的电动机驱动的自行车是由微型计算机(CPU)控制的，其生产成本必然是昂贵的。

寻常的电动机驱动自行车的电动机以很高的速度转动，因而制动力往往不够。即使它们被称为自行车，实际上它们就是摩托车或机器脚踏车。因此，寻常的电动机驱动自行车对于无照驾驶员，特别是妇女和老人往往造成问题而不能安全驾驶。

因此，人们期待着能发明一种配备有直流电动机的自行车，这种自行车即使无执照的驾驶员也能容易和安全地驾驶。

本发明的主要特征就是提供一种带有直流电动机的自行车，它包括一个手动驱动系统和一个电气系统，从而使一辆普通的自行车通过将其现有的前轮或后轮换以配有目前的直接驱动无电刷直流电动机的前轮或后轮的方式就可以转换成一辆电动机驱动自行车，直接驱动无电刷直流电动机可以装在一个轮毂芯轴上而不需重新改型现有的自行车。

更为具体地说，本发明的第一主要特征是一个直接驱动无电刷三相直流电动机，其包括一个装置，该装置包括一个用于由左把手闸杆操动的后轮闸的邻近传感器，一个用于由右把手闸杆操动的前轮闸的邻近传感器，两个闸杆都是用手来操动的，一个无触点控制系统(无触点继电器)与这些邻近传感器相连，这些把手闸杆和这些邻近传感器当每个或两个闸杆都像普通自行车那样紧紧握住时才被操动以便使这些邻近传感器开启使一个转动控制电路关掉和使一个驾驶员逻辑电路也同时关掉，多个掣子以给定的角度和间隔设置在直接驱动无电刷三相直流电动机四周的一个侧面部份上并且随着人力驱动的曲柄踏板的向前转动而操动以启动邻近传感器，装置在后叉处的装置位于掣子的相应位置处并根据与人力驱动曲柄踏板连为一体的链轮的向前转动探测至少两个掣子的启动和转动的通过，探测把手传感器和探测装置启动的装置，一个与把手传感器，探测装置和一个直流电源相连的控制电路，一个与控制电路和另一个直流电源相连的三相变换器，它能被操动根据向前转动和来自探测装置的启动信号来驱动直接驱动外转子三相直流电动机，其特征在于直接驱动无电刷外转子三相直流电动机的转动很容易被把手闸杆所停止，而一个高的输出力矩可以在低频率，高效率和低荷载情况下获得。

在权利要求2中所描述的本发明的第一主要特征是一个直接驱动无电刷外转子三相直流电动机，它包括一个金属外转子，多个场永久磁铁，每个磁铁具有一个高矫顽磁力并设置在金属外转子的一个内周边上；多个电枢设置在场永久磁铁的一个内侧以面对每个北极场永久磁铁和南极场永久磁铁，南极场永久磁铁一个接一个地安排，这些永久磁铁是用稀土金属制成，电枢和绕在电枢上的绕组都是三相星(three-phase star)，外转子的电枢的场磁极数和齿数分别是12至36

在权利要求2中所描述的本发明的第二主要特征是一个薄结构的直接驱动无电刷外转子三相直流电动机，它包括多个霍乐元件，每个霍尔元件具有一个相角θ并设于场转子和电枢之间的空间内以便位于与场永久磁铁一样近，而场磁通量是可以由一个磁电转换装置在径向和圆周方面上予以调整以调整其霍尔效应。

在权利要求2中所描述的本发明的第三主要特征是一个薄结构的直接驱动无电刷外转子三相直流电动机，它包括为一个电枢绕组产生和驱动一个电流的装置，这是一组低频率，高速度和高电流切换功率的金属—氧化物—半导体场效应晶体管(MOS FET)元件，该些元件在三相的情况下安装和接线。

在权利要求3中所描述的本发明主要特征是一个直接驱动无电刷外转子三相直流电动机，它包括一个具有高矫顽磁力和设置在金属外转子的一个内周边上的稀土金属制成的场永久磁铁，和低频率高电流的切换功率金属—氧化物—半导体场效应晶体管元件和一组二极管(HED)，每个二极管具有一个高速度和高效率比率并在一对芯片情况下安装和接线。

下面将对一辆配备有本发明直流电动机的自行车10的例子参照附图予以说明。附图中：

图1是一辆配备有直接驱动无电刷外转子直流电动机的自行车的透视图；

图2是图1中所示的直接驱动无电刷外转子直流电动机的放大侧视图，这是从右面观察的，特别显示出一个金属外转子，多个场永久磁铁和电枢，其右盖和电枢绕组已被除去；

图3是图2中所示的金属外转子的放大左侧视图，特别显示出一些霍尔元件，其部分已被除去；

图4是图3中所示的金属外转子的放大右视图，特别显示出三个以120°度的同样间隔设置在外转子盖的周边边缘部份附近的掣子；

图5是直接驱动无电刷外转子直流电动机的放大直立截面图，显示出一条制动带与一个制动鼓的外周面相接合；

图6是图5中所示的直接驱动无电刷外转子直流电动机的放大直立截面局部视图，显示出一条制动带与一个制动鼓的外周边面分开；

图7是本发明直接驱动无电刷外转子直流电动机的驱动系统的流程图；和

图8是一幅曲线图显示本发明直接驱动无电刷外转子直流电动机的效率。

参看图1，图中显示一辆自行车10，其中一个直流电动机F可以装在前轮12的轮毂芯轴12a上，或者也可以装在后轮14的轮毂芯轴14a上，因而形成一个用于机械驱动系统的机械驱动单元A的曲柄机构20。

图1显示的例子中直流电动机F是装在后轮14的轮毂芯轴14a上的。

具有一个曲柄踏板20c的曲柄20b设置在一根曲柄芯轴20a上，一条咬合在一个链轮20e上的链子20d也咬合在后轮14的轮毂芯轴14a的链轮30d上，因此曲柄踏板20c的转动由曲柄芯轴20a和链子20d转送给后轮14的轮毂芯轴14a上以便形成一个棘轮15。

在图5，6中，自行车10的直接驱动无电刷直流电动机F的一个金属外转子30能转动地被设置在一个成为主芯轴的轮毂芯轴14a上。

更为具体地说，轮毂芯轴14a的两端连成一体地设置在后叉10a和10a的两个端头部份上，而金属外转子30由多个滚柱轴承32可转动地设置在轮毂芯轴14a上。

一个圆周凸缘30e突出地和连成一体地形成在一个盖30d的中央开口处，该盖30d固定在金属外转子30的右侧部分上。

棘轮15设置在轮毂芯轴14a处靠近凸缘30e，曲柄芯轴20a的链子20d咬合在棘轮15上将曲柄踏板20c的转动传送给棘轮15。

另一个盖30d′连成一体地设置在金属外转子30的左圆周凸缘30e′上，而一条制动带64a能滑动地安装在一个制动鼓30f的外圆周表面上。

多个电枢42安装在设置在轮毂芯轴14a处的内环38内，每个电枢具有一个包括一个线圈42的电枢绕组40。

如特别显示在图5中，一个线路开口14b被设置以容许引出电枢绕组40的线圈44的一个导线44a的内部线路。

如图5中所示，多个场永久磁铁46连成一体地以一定的间隔安装在金属外转子30的内周边30a内，每个永久磁铁由钕稀土金属制成并具高度有效的矫顽磁力；

场永久磁铁45的场磁极数与电枢40的齿数的比率分别是12比36，多个霍尔元件48(每个霍尔元件具有一个给定的旋转相角)安装在场永久磁铁46和电枢绕组40之间一个侧面部分中所形成的空间内以便位于与场永久磁铁46和电枢绕组40一样的近从而使旋转相角θ可以在径向和圆周方向上予以调整；

在附图中，标号70和72分别表示一根辐条和一个轮胎。

如图3中所示，霍尔元件48是如此地相对于金属外转子30安置的，从而获得最佳的霍尔效应，因而使空载电流最小，降低了消耗和产生了一个高效率和高输出旋转力矩。

一个用于探测在与踏板20c相关连的直流电动机F一侧的掣子的动作的邻近传感器B是具有这样的构造的，即三个掣子24a，24b和24c是以120度的相同间隔突出地安装在右盖30d的圆周边缘部份上，而一个传感器26被设置在后叉10a的里面部份上以便位于三个掣子24a，24b和24c的相应部份上，因而邻近传感器B可以探测出自行车10的向前转动和开始行驶，而掣子24a，24b和24c的通过可以为传感器B所探测出来。

当曲柄踏板20c向前转动时，邻近传感器26可以探测出至少两组掣子，例如，掣子24a—24b，24b—24c或24c—24a中任一组的向前转动和开始，以便发出一个向前转动信号和一个开始信号给一个驱动电路D，这将在下文中说明。

当曲柄踏板20c以反方向转动时，直接驱动直流电动机F就不会起动以维持安全。

连接到直流蓄电池C上的控制电路D位于内环38的内部空间38a内，它具有控制直接驱动无电刷外转子直流电动机F的起动/停止和向前/回转的转动的各种不同功能。

一个用于驱动直流电动机F的驱动电路E具有一个这样的变换器构造，即用于一个低频率高电流的一个低频率大电流(P通道MOS型和N通道MOS型)的三组功率MOS FET(金属—氧化物—半导体场效应晶体管)单元件是三相交流电输出(总共六个元件)，这是一个三相开关变换器。

控制电路D包括产生换向信号的装置H，探测位置信号的装置I，其是一种霍尔元件的位置探测双极式线性集成电路，和探测旋转控制信号的探测装置J。

直流蓄电池12V-24VC安装在自行车10的主架16上并连接到驱动电路E上，驱动电路E包括一组用于低频率大电流开关变换器的功率MOSFET，直接驱动外转子无电刷直流电动机F连接在驱动电路E上，而一个包括一个高速高效二极管(HED)的保护电路G连接在驱动电路E和无刷直流电动机F之间的中间部份上。

一个把手传感器A将参照图1，5和6中所示的例子予以说明。一条制动线64的一个端头部份连接在把手60的闸杆62上，制动线64的另一端头穿过一个制动盖66的一个开孔(未显示)进入制动盖66内，一个掣子64b设置在靠近一个端头部份处，端头部份由一个L形闸杆66a所支承，一条设置在制动线64的一个端头部份上的制动带64a由L形闸杆66a操动可以垂直地滑动，以便靠近面对着一个安装在制动盖66内壁上的制动传感器68。

制动传动器68的一个导线68a被安置在一个非接触的控制系统L中，它的一个输出安置在一个旋转控制电路J中。

当被强烈地拉动时(如图5中所示)，制动带62被导致与制动鼓30f的周边相接触(如图6中所示)，而在此同时，制动传感器68和掣子64b被导致相互面对着以便制动。

相应地，制动传感器68被开着，非接触控制系统L和旋转控制电路J被关上，而驱动逻辑电路H的换向信号被关上以控制驱动电路E的功能并且还可使驱动电路E和无电刷直流电动机F停止转动。

参看图7，图中显示无电刷直流电动机F的一个驱动系统的流程图，一组霍尔元件K(48)被安装在其上位于与无电刷直流动机F的场永久磁铁46和电枢42一榇地近，而霍尔元件K(48)的导线连接在探测装置上以便探测位置信号。

在权利要求3中描述的直接驱动无电刷外转子直流电动机F包括一个金属外转子30，多个场永久磁铁46，每个由钕稀土金属制成的并具有高效率矫顽磁力的永久磁铁在金属外转子30的内周边30a内以一定的间隔连成一体地安装在内，该直流电动机F还包括一个驱动电路E。它包括一组用于低频率大电流开关变换器结构的功率MOS FET，因而用于一个低频高电流的一个低频率大电流(P通道MOS型和N通道MOS型的)三组功率MOS FET(金属—氧化物—半导体场效应晶体管)的单个元件是三相交流电输出(总共六个元件)，其是一个三相开关变换器。

电流，直接驱动无电刷外转子直流电动机F和由直流电动机F所获得的力矩之间的关系显示在图8中。

应当知道，横坐标的轴线显示电流而竖坐标的轴线显示，由■表示的直流电动机的旋转数(rpm)和由口表示的力矩(kgf/cm)。

它的特征显示出电流与力矩之间的关系和电流与旋转数之间的关系。

一个输入电压被维持在24V(DC)的确定度数，一个稍大于5.7A的电流和大约稍大于130W的输出功率，而其效率比为71％。

如前文所述，普通自行车可以很容易地通过替换一个配备有这种直接驱动无电刷外转子三相直流电动机F的前轮或后轮和其驱动装置而无需对普通自行车的任何部份进行改型就可将其改变成一辆直流电动机驱动的自行车。

没有变速齿轮的直接驱动无电刷外转子三相直流电动机F是薄结构的，因而它可以被装在前轮12的轮毂芯轴12a上或后轮14的轮毂芯轴14a上，控制电路D和驱动电路E可以由把手闸杆62所驱动，设置在直流电动机F一个侧面部份上的至少两组三个掣子24a，24b和24c的旋转通过和起动可以根据与人力驱动的曲柄踏板20c连成一体的链轮20e的向前转动被探侧出来，以便驱动无电刷外转子三相直流电动机F。

把手60的闸杆62被强烈地抓握以便拉下在制动线64一个端头部份处的掣子64b并使制动带64a与制动鼓30f的外周边面相咬合以便刹车，和于此同时探测朝对着制动传感器68的掣子64b，因而起动制动传感器68，然后关上控制电路D(刹车)，停止直接驱动直流电动机F的转动和使自行车停止。

配备有这种无电刷外转子三相直流电动机F并具有一个人力驱动系统和一个电动机驱动系统的自行车具有下列效果。

(1)无电刷外转子三相直流电动机F是薄结构的因而能直接装到轮毂芯轴12a或14a上并具有较好的制动力以维护安全。

(2)无电刷外转子三相直流电动机F是以低频率的低速转动来驱动的从而获得一个高的输出力矩和高效率。

(3)能源消耗量小而经济，直流蓄电池一次充电后，自行车能行驶很长的距离。

(4)当曲柄踏板20c在起动时旋转120度时，一个起动和起动方向就确定了。换句话说，当曲柄踏板20c旋转120度以打开邻近传感器时，就能维持安全，而骑者就能以舒适安逸的位置驾驶自行车。

(5)在平整的道路上，这种自行车的行驶速度是15km/h，当与人力驱动相结合时，甚至在上下坡时也能舒适地行驶。

(6)这种自行车无噪音也不会引起污染，而且非常经济。

(7)用于一个低频率大电流开关变换器的多个功率MOS FET元件包括两组安装成一套，每一组包括三个功率MOS FET单独元件，该元件用于一个低频率大电流转换(三P通道MOS型和三N通道MOS型)(总共六个元件)以转换一个低频率大电流，它是一个三相开关变换器，和以一对芯片的情况安装和接线。因此，连接步骤可以大大地减少。

Claims (3)

1.一种由一个人力驱动装置和电力驱动装置组成的自行车，它包括：

一个装在前轮或后轮的轮毂芯轴上的直接驱动无电刷外转子三相直流电动机；

一个安装在制动盖上并由连接在一个把手闸杆上的传感器操动的控制装置；

多个以一定间隔设置在所述直流电动机的一个侧面部份上的探测掣子；

一个设置在后叉上的探测装置(传感器)位于掣子的相应部份处并还根据与所述人力驱动系统的曲柄踏板连成一体的链轮的向前转动探测至少两个掣子的起动和转动；

一个根据所述掣子的所述旋转通过和起动信号驱动所述直流电动机的装置；

其特征在于所述直接驱动无电刷外转子三相直流电动机的转动可以容易地停止，而一个高的输出力矩可以以低频率、高效率和低荷载获得。

2.配备在前轮或后轮的轮毂芯轴上的直流无电刷电动机，其是由一个直接驱动无电刷外转子三相直流电动机构成，它包括：

一个金属外转子；

多个场永久磁铁，每个磁铁具有高的矫顽磁力并被设置在所述金属外转子的内周边上；

多个设置在所述场永久磁铁内侧的电枢朝对着每个N极永久磁铁和每个S极永久磁铁，而所述每个永久磁铁具有一个绕在所述每个电枢上的绕组；

多个霍尔元件设置在一个场转子的所述电枢之间的空间内以便位于与所述场永久磁铁一样近，它的旋转场磁通量可以在径向和圆周方向上予以调整，并且还具有一个给定的旋转相角；

一个驱动电路，其产生一个用于所述电枢绕组的电流，所述电流从一组功率MOS FET元件换向为一个低频、高电流。

一个产生换向信号装置用以控制一个在所述驱动电路的栅源极间的电压产生一个用于所述电枢绕组的电流；和

一个产生磁电转换信号的装置；

其特征在于所述外转子的电枢的场极数和齿数分别是12比36，而直流电动机是薄结构的以便装在自行车前轮或后轮的轮毂芯轴上和在低频，高效率和低荷载情况下获得一个大的力矩。

3.如权利要求1中所述的直接驱动无电刷外转子三相直流电动机，它包括：

所述具有高矫顽磁力并设置在所述金属外转子的内周边上的场永久磁铁是由稀土金属制成，和所述用于低频率高电流的功率MOS FET元件和一组二极管(HED)，每个二极管具有一个高速度和高效率比率，是在一对芯片情况下安装和接线的。

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