CN113474246B - 轮毂式驱动装置及利用其的电动自行车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可适用于调速转把式电动自行车、助力系统式电动自行车以及兼备调速转把式和助力系统式的电动自行车的轮毂式驱动装置及利用其的电动自行车。上述轮毂式驱动装置可包括：外罩，在内部形成有收容空间；支撑轴，贯通并通过上述外罩，两端部固定设置于电动自行车的后叉；第一轴承及第二轴承，以能够围绕上述支撑轴旋转的方式支撑外罩；电动马达，产生围绕上述支撑轴进行旋转的旋转力；变速器，用于对上述电动马达的旋转力进行减速；以及离合器，用于选择性地向外罩传递上述变速器的输出，上述变速器可由中心齿轮输入、行星架固定、齿圈输出方式的行星齿轮装置形成，上述齿圈可通过一端与齿圈相连接的齿圈支架的另一端来与离合器相连接，上述离合器可由单向轴承形成，在上述单向轴承中，外轮被齿圈支架的另一端支撑，内轮被从上述外罩突出的离合器固定部支撑。

Description

轮毂式驱动装置及利用其的电动自行车

技术领域

本发明涉及电动自行车，更详细地，涉及可适用于调速转把(Throttle)式电动自行车、助力系统(PAS，Pedal Assist System)式电动自行车以及兼备调速转把式和助力系统式的电动自行车的轮毂式驱动装置及利用其的电动自行车。

背景技术

电动自行车(Electric Bicycle)通过在普通自行车的车轮轮毂或曲柄轴安装直流马达并起到动力辅助功能来能够在平地及上坡实现舒适的行驶。

电动自行车是指为了减轻人的用力负担而配备电动马达动力的两轮自行车。电动自行车必须具备脚踏板行驶功能，并指依靠电动马达的动力移动的自行车，可根据驱动方式分成以下几类。

第一、调速转把式：是指通过操作电动自行车变速器把手来仅依靠电动马达的动力移动的自行车。

第二、助力系统式：是指同时依靠电动自行车脚踏板和电动马达的动力移动的自行车。

第三、调速转把式/助力系统式：是指支持电动自行车调速转把式和助力系统式两种模式的自行车。

在调速转把式电动自行车中，可通过操作加速器(Accelerator)来调节马达的旋转力，可由此在低速到高速的范围内控制自行车的速度，这种依靠加速器实现的驱动方式被称作电动踏板车式。

助力系统式电动自行车为蹬脚踏板时进行检测并使马达自动旋转的脚踏板辅助式，扭矩传感器起到测定自行车驾驶人向脚踏板施加的踏板力来向电动自行车控制器提供所计算的扭矩信息的作用，向脚踏板施加的踏板力越大，马达的输出也将越大，可通过由驾驶人调节向脚踏板施加的踏板力来能动性地控制电动自行车的直流马达的输出。

在轮毂内部内置马达的轮毂式马达与普通马达相同，若转速下降，则效率将急剧下降，由此导致电动自行车的驱动能力下降。因此，为了在低速状态下保持良好的驱动力，就需要变速器。将变速器和马达都内置于轮毂内的轮毂式马达近期才被开发。

这种变速器通常仅使马达的输入产生变速，在自行车依靠马达或脚踏板的驱动行驶的过程中，若变速控制部存在负荷，则不会产生速度变换。

这就存在如下的问题，即，在通过一个变速器接收马达的输入和脚踏板的输入来形成马达或脚踏板的驱动的期间，将很难立即变换到所需变速档。

而在现有技术中，在韩国公开专利公报第10-2010-0135488号(专利文献1)中提出了“可适用于电动自行车及普通自行车的轮毂内置型变速器的变速方法”，来解决了因马达侧输入及脚踏板侧输入全部转移而导致变速装置内产生负荷并导致无法变换到所选变速档的问题。

在专利文献1中公开了马达及蹬车兼备变速方法，即，马达和变速装置都设置于车轮的轮毂外壳内，通过内置于轮毂外壳的变速装置来使得依靠内置于轮毂外壳的马达驱动的驱动力和单独安装于上述轮毂外壳外侧来依靠骑车人的蹬车驱动的依靠链轮输入的动力分别或同时产生变速。

专利文献1中的变速器可通过变速装置来在低速到高速的范围内自由变换马达及脚踏板的输入动力，并且，即使在变速器正在工作或未工作的情况下也可都接收马达侧输入或脚踏板侧输入。

但是，专利文献1中的变速器实现三档变速，因变速器的结构复杂而导致体积大、结构复杂、制造成本高，并不属于实现固定比例变速的助力系统式。

使用由单一的单向轴承构成的离合器的实现固定比例变速的助力系统式配备3～5档的模式，根据道路行驶环境来在各个模式中提供适当的动力。

例如，共分为5档的脚踏板助力系统的模式包括：关闭模式，完全阻断马达的支持；经济模式，支持长距离行驶；旅行模式，提供均衡的助力；运动模式，提供较强动力；以及涡轮模式，提供最大动力。

但是，现有的使用单一离合器的实现固定比例变速的助力系统式驱动装置形成如下的结构，即，向中心齿轮输入、行星架固定、齿圈输出方式的行星齿轮组输入单马达的动力，来从齿圈产生按固定比例扭矩变速的输出。

现有的助力系统式驱动装置形成如下的结构，即，当在通过中心齿轮接收旋转驱动力并通过行星齿轮来向齿圈产生输出时，齿圈与驱动装置外罩直接结合，由单向轴承构成的离合器插入于行星架。

在此情况下，当马达被驱动时，齿圈通过行星齿轮组的齿轮减速进行旋转，即使在马达停止时，自行车也需向前进方向移动。

现有的助力系统式形成齿圈与外罩直接结合且离合器插入于行星架的结构，离合器固定于轴。因此，当马达停止时，若驱动装置外罩朝向前进方向旋转，则齿圈和行星齿轮也随之旋转并使得中心齿轮也旋转，转子也将旋转。在此情况下，若马达的转子随着齿圈的旋转而旋转，则转子将成为负荷并起到刹车作用，因而并不优选。

最终，为了防止中心齿轮在行星齿轮旋转时被驱动，以往设计成将离合器插入于行星架来使行星架旋转。

但是，若自行车在马达停止时朝向前进方向移动，则随着驱动装置外罩进行旋转而造成齿圈和行星齿轮的旋转产生噪音，由于齿圈和行星齿轮的旋转比例并不是1:1，因而由合成树脂制造的行星齿轮会因旋转和停止的反复而产生破损。

发明内容

技术问题

本发明用于解决如上所述的问题，本发明的一目的在于提供如下的轮毂式驱动装置及利用其的电动自行车，即，使齿圈和外罩分离并通过由单向轴承构成的离合器连接齿圈支架与从外罩突出的离合器固定部之间，由此可仅在电动马达工作时向外罩传递齿圈输出，可在电动马达停止时，阻断向外罩传递齿圈输出。

本发明的再一目的在于，提供如下的轮毂式驱动装置及利用其的电动自行车，即，当因自行车在马达停止状态下进行移动而使得外罩旋转时，可阻断齿圈旋转，因而可使齿轮的破损或噪音的产生最小化。

本发明的另一目的在于，提供如下的轮毂式驱动装置及利用其的电动自行车，即，可支持调速转把式、助力系统式以及调速转把式和助力系统兼备式，可实现固定比例的变速。

本发明的还有一目的在于，提供如下的轮毂式驱动装置，即，当用三线接线方法来在一体型定子芯的齿部卷绕三相线圈时，随着所有线圈均实现一次性连续卷绕，因而能够以没有线圈之间的连接部位的方式实现线圈卷绕。

本发明的又一目的在于，提供如下的轮毂式驱动装置，即，当用三线接线方法来卷绕线圈时，通过各个芯组之间的并联来使得线圈的电阻最小化，由此通过减少电阻(resistance)和线圈损耗(coil loss)来降低线圈温度、提高效率，可通过卷绕两条直径小的金属线的方式确保圈数，来呈现高转速(RPM)。

技术方案

根据本发明的一实施例，本发明的特征在于，电动自行车用轮毂式驱动装置包括：外罩，在内部形成有收容空间；支撑轴，贯通并通过上述外罩，两端部固定设置于从电动自行车的车架分支的后叉；第一轴承及第二轴承，设置于上述支撑轴所贯通的外罩的两侧面与支撑轴之间，以能够围绕支撑轴旋转的方式支撑外罩；电动马达，内置于上述外罩的内部，用于产生围绕支撑轴进行旋转的旋转力；变速器，用于对上述电动马达的旋转力进行减速；以及离合器，用于选择性地向外罩传递上述变速器的输出，上述变速器由中心齿轮输入、行星架固定、齿圈输出方式的行星齿轮装置形成，上述齿圈通过一端与齿圈相连接的齿圈支架的另一端来与离合器相连接，上述离合器由单向轴承形成，在上述单向轴承中，外轮被齿圈支架的另一端支撑，内轮被从上述外罩突出的离合器固定部支撑。

在上述电动自行车用轮毂式驱动装置中，上述齿圈和齿圈支架与外罩分离，当上述电动马达工作时，上述离合器可向外罩传递齿圈支架的输出，当上述电动马达停止时，可阻断向齿圈支架传递外罩的前进方向旋转力。

并且，上述电动马达可由外转子型无刷直流(BLDC，Brushless DC)马达构成，可通过转子支架向行星齿轮装置的中心齿轮传递上述转子的输出，上述中心齿轮能够以能够旋转的方式被支撑轴支撑，上述行星架固定于支撑轴。

上述行星齿轮装置可包括：中心齿轮，与上述电动马达的转子相连接；多个行星齿轮，与上述中心齿轮的外周齿轮结合，进行自转；行星架，以使上述多个行星齿轮分别旋转的方式进行支撑；齿圈，上述多个行星齿轮内接；以及齿圈支架，一端与上述齿圈的外周相连接，另一端与上述离合器相连接，上述中心齿轮能够以能够旋转的方式被支撑轴支撑，上述行星架可固定于支撑轴。

上述外罩可包括：轮圈，以在内部形成有收容空间的方式形成杯子形状；以及盖，外周部与上述轮圈的开口部相结合，上述离合器固定部可由向上述轮圈的收容空间内部突出而成的圆筒部形成，单向轴承的内轮可被上述离合器固定部的外周部支撑，可在上述离合器固定部的内周部与支撑轴之间安装第二轴承。

在上述电动自行车用轮毂式驱动装置中，上述第一轴承及第二轴承可分别设置于在上述轮圈和盖的中心所形成的各个贯通孔的内侧，可在上述第一轴承及第二轴承与支撑轴之间分别设置密封用O环。

根据本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置，当上述电动自行车为助力系统式电动自行车时，上述电动马达还可包括：扭矩传感器，设置于曲柄轴，用于检测向脚踏板施加的踏板力；外罩检测磁铁，设置于上述外罩，用于电动自行车的行驶速度检测；霍尔传感器组装体，设置于上述电动马达的定子，设置有通过检测与上述外罩一同旋转的外罩检测磁铁的旋转来产生行驶速度检测信号的霍尔传感器；以及系统控制器，根据使用人员的选择来对上述电动自行车的系统进行控制，上述系统控制器能够以使得基于上述行驶速度检测信号计算的行驶速度不超过预设速度的方式控制上述电动马达。

上述电动马达可包括：转子，背轭和磁铁层叠于转子支架的外轮；以及定子，外周部以留有气隙的方式与上述转子的磁铁相向，中心部结合固定于支撑轴的外周，用于向上述转子施加旋转磁场，上述转子支架的内轮可与从上述中心齿轮延伸的延伸部相连接。

本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置还可包括第三轴承及第四轴承，在上述延伸部的内周部与支撑轴之间以能够围绕支撑轴旋转的方式支撑上述转子支架和中心齿轮。

上述定子可包括：定子芯，多个齿部以放射状在环形轭的外周延伸；绝缘膜，包围除了与上述转子的磁铁相向的外周面之外的多个齿部的四个侧面；第一定子绝缘体及第二定子绝缘体，分别以与多个齿部和环形轭相对应的方式设置有环形本体和以放射状从上述环形本体延伸的多个延伸部，组装于上述定子芯的一侧及另一侧；定子线圈，卷绕在被上述绝缘膜和第一定子绝缘体及第二定子绝缘体包围的齿部部分；以及定子组件支架，外轮与定子芯的内周部相结合，通过多个连接筋相连接的内轮与上述支撑轴相结合。在此情况下，上述定子芯和定子组件支架可形成一体型。

并且，上述定子可包括卷绕于多个齿部的三相(U、V、W)定子线圈，上述三相(U、V、W)定子线圈可分别包括连续卷绕在3个齿部的多个芯组，各个相的芯组可并联，可在每个相交替配置。

尤其，上述电动马达可由形成20极单转子和18狭槽(slot)结构的单定子构成，上述定子可包括卷绕于多个齿部的三相(U、V、W)定子线圈，上述三相(U、V、W)定子线圈可分别包括连续卷绕在3个齿部的多个芯组，上述芯组可分别按正向、逆向及正向的顺序连续卷绕于连续的3个齿部，相邻的2个以上的连续的6个齿部能够以使得相向配置的转子的磁铁朝向相同方向进行旋转的方式朝向相反方向产生磁束，当以6步进控制方式向上述定子线圈施加驱动信号时，2个以上的连续的6个齿部可被设定成激活状态，在被激活的上述6个齿部之间配置的剩余1个以上的连续的3个齿部可被设定成未激活状态。

并且，上述电动马达可由形成20极单转子和18狭槽结构的单定子构成，上述定子可包括卷绕于18个齿部的三相(U、V、W)定子线圈，上述三相(U、V、W)定子线圈分别包括连续卷绕在3个齿部的6个芯组，卷绕于上述18个齿部的三相(U、V、W)定子线圈通过单次连续卷绕来结束卷绕，能够以使得各相的芯组的输入共同连接且使得各相的芯组的输出与中性点(Neutral Point)相连接的方式卷绕。

根据本发明的一实施例，电动自行车可包括：车架；前轮，与上述车架的一端相连接；后轮，与上述车架的另一端相连接；以及轮毂式驱动装置，设置于上述前轮和后轮中的一个的轮毂，用于向车轮提供旋转驱动力。

本发明的轮毂式驱动装置可适用于调速转把式电动自行车、助力系统式电动自行车以及兼备调速转把式和助力系统式的电动自行车。

发明的效果

如上所述，在本发明中，使齿圈和外罩分离并通过由单向轴承构成的离合器连接齿圈支架与从外罩突出的离合器固定部之间，由此可仅在电动马达工作时向外罩传递齿圈输出，可在电动马达停止时，阻断向齿圈传递外罩的旋转力。

并且，根据本发明，当因使用人员蹬车而使得自行车在马达停止状态下朝向前进方向移动时，即，外罩朝向前进方向高速旋转时，也可阻断齿圈旋转，因而可使齿轮的破损或噪音的产生最小化。

尤其，本发明的驱动装置可支持调速转把式、助力系统式以及调速转把式和助力系统兼备式，可实现固定比例的变速。

根据本发明，当用三线接线方法来将三相线圈卷绕在一体型定子芯的齿部时，随着所有线圈均实现一次性连续卷绕，因而能够以没有线圈之间的连接部位的方式实现线圈卷绕。

根据本发明，当用三线接线方法来卷绕线圈时，通过各个芯组之间的并联来使得线圈的电阻最小化，由此通过减少电阻和线圈损耗来降低线圈温度、提高效率，可通过卷绕两条直径小的金属线的方式确保圈数，来呈现高转速(RPM)。

附图说明

图1为示出将本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置设置于后轮的电动自行车的简要主视图。

图2a及图2b分别为本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置的主视图及左侧面立体图。

图3a及图3b分别为本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置的轴向剖视图。

图4为沿着轴向剖切本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置的剖视立体图。

图5为本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置的部分分解立体图。

图6为本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置的完全分解立体图。

图7为本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置的驱动装置的分离外罩的分解立体图。

图8为用于说明图3a中的密封结构的部分放大图。

图9a至图9c为示出本发明的电动马达的左侧侧视图、图9a的A-A线剖视图以及直径方向剖视图。

图10为示出本发明的电动马达的分解立体图。

图11a至图11d分别为以下几种附图，用三线接线方法在本发明的定子芯卷绕三相线圈的方法的说明图，根据图11a中的卷绕方法卷绕的三相定子线圈的等效电路图，用于示出用三线接线方法在定子芯卷绕三相线圈的线圈接线图的说明图，以及一并示出的三相定子线圈的线圈接线图和马达驱动电路的电路图。

具体实施方式

以下，参照附图来对本发明的优选实施例进行说明。

在这过程中，为了明确说明本发明以及便于说明本发明，可夸大示出附图中所示的结构要素的大小或形状等。并且，在考虑本发明的结构及作用的情况下特别定义的多个术语可根据使用人员、运营人员的意图或惯例而不同。对于这种多个术语的定义应基于本说明书的全文内容。

参照图1，本发明的电动自行车200在后轮220的轮毂设置有轮毂式驱动装置100。

本发明的电动自行车200与普通自行车相似，前轮210和后轮220与基础性钻石型车架230相连接，当用作普通自行车时，设置有旋式飞轮260的后轮220通过连接在大齿盘250与旋式飞轮260之间的链条270来依靠向脚踏板240施加的踏板力被驱动。

本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置100可设置于电动自行车的后轮220或前轮210的轮毂。

上述驱动装置100的支撑轴1的两端部与从车架230分支的后叉232相连接，在后轮220的轮毂设置有本发明的轮毂式驱动装置100。上述旋式飞轮260可设置于形成将在后述的内容中进行说明的驱动装置100的外罩30的盖3或轮圈2的外侧面，可在旋式飞轮260设置齿轮比变更的多档链轮，以作为外装式变速装置。

可在形成上述大齿盘250的曲柄的曲柄轴252设置用于对基于使用人员的蹬车而产生的踏板力进行测定的扭矩传感器。

在电动自行车为调速转把式的情况下，可在与上述车架230相连接的车把手280的一侧设置有加速器282，可在车把手280的另一侧设置刹车握把286，可在车把手280的中心部设置操作面板284。上述操作面板284可选择以触屏方式变更行驶模式的模式选择开关、车灯开启/关闭开关等的开关，包括显示行驶速度、所选模式等的显示部。

并且，通过电缆292来在车架230连接系统控制器290，以根据使用人员的操作、选择来通过上述操作面板284控制驱动装置100。

参照图2a至图10，本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置100大致包括外罩30、支撑轴1(shaft)、第一轴承6a、第二轴承6b、第三轴承6c、第四轴承6d、具备转子50和定子40的电动马达110、变速器120以及离合器5。

如图1所示，在本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置100中，支撑轴1并不旋转，而支撑轴1的两端部固定于从电动自行车200的车架230分支的后叉232，在外罩30内部设置起到产生旋转力的动力源作用的电动马达110。上述电动马达110的旋转力将向可由行星齿轮装置形成的变速器120传递来使得马达的高转速降低成低速，由此形成扭矩变换，之后使外罩30旋转，即通过向车轮传递来使外罩30旋转并由此形成前进驱动。上述变速器120为将电动马达110的高转速降低成低速的减速器，起到将低扭矩输出变换成高扭矩输出的作用。

以下，将详细说明本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置100的结构。

起到轮毂(Hub)作用的上述驱动装置100的外罩30包括：轮圈2，设置于后轮220的中心，形成一侧开放的杯子形状；以及圆形盖3，外周部与上述轮圈2的开口部密封结合。例如，轮圈2和盖3可由铝合金等重量轻、具备强度的金属材质形成，可在其中心形成有使支撑轴1贯通的贯通孔。

在上述盖3和轮圈2的贯通孔的内侧分别形成轴承外罩，所设置的第一轴承6a及第二轴承6b应使得外罩30能够围绕支撑轴1进行旋转的方式被支撑。

上述第一轴承6a以使得盖3的中心部形成刹车装置设置用支架35的方式向外车突出并在其内侧壁形成轴承外罩，从轮圈2的内侧壁突出的离合器固定部2a对在外周部由单向轴承构成的离合器5进行固定，而其内周部起到支撑第二轴承6b的第二轴承外罩作用。

上述轮圈2在杯子形状的外周部的两侧分别突出形成有一对凸缘部2a、2c，在一对凸缘部2a、2c之间连接有多个加强部30a来补强轮圈2的强度。如图1所示，在上述轮圈2的一对凸缘部2a、2c形成有对与安装轮胎222的车圈224相连接的多个辐条226进行固定的多个辐条结合孔31。

如图8所示，在盖3的外周部形成有凹槽，在上述凹槽插入有用于实现轮圈2的开口部与盖3的外周部之间的密封结合的O环23a，并且，以维持轮圈2和盖3的组装状态的方式紧固有多个固定螺栓22。

并且，在上述盖3和轮圈2的中心所设置的第一轴承6a及第二轴承6b与支撑轴1之间分别插入有密封用O环23b、23c，还在第一轴承6a及第二轴承6b与在上述盖3和轮圈2的内侧壁所形成的轴承外罩之间分别插入有密封用O环23d、23e。

尤其，如图8所示，在上述支撑轴1形成有供电缆292通过的电缆通道27，上述电缆292用于从设置于外罩30外部的系统控制器290的马达驱动电路向设置于内部的电动马达110传送驱动信号。

在上述盖3的中心外侧，用于对外罩30的旋转进行制动的刹车装置设置用支架35突出形成并与盖3形成为一体，例如，可在上述支架35设置碟刹。

在所示的实施例的说明中，例示了上述刹车装置设置用支架35以一体的方式形成于盖3的外侧面，但还可形成于轮圈2的外侧面。

本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置100包括起到在外罩30内部产生旋转力的动力源作用的电动马达110，例如，电动马达110可采用在单定子40的外侧配置单转子50的外转子型，可由径向气隙型(radial air gap type)无刷直流马达形成。

在上述实施例中例示了电动马达110形成径向气隙型的由单定子40和单转子50构成的结构的情况，但可形成单定子-双转子、双定子-双转子结构。

例如，能够以三相传播驱动方式来驱动电动马达110，可通过霍尔(Hall)器件等的电磁变换器件来实施转子的旋转位置检测。

上述定子40使其中心部以利用键25(key)的键合方式结合固定于支撑轴1的外周，基于上述转子的旋转位置检测并根据从马达驱动电路施加的马达驱动信号向转子50施加旋转磁场来使转子50旋转。

转子50使主磁铁12层叠于圆筒形背轭13，圆筒形背轭13在转子支架14的内侧得到支撑。

上述主磁铁12可由交替配置N极和S极的多个分割磁铁构成，或可使用分割安装的圆筒形磁铁。

上述转子支架14包括：外轮14a，用于支撑圆筒形背轭13；内轮14c，通过多个固定螺栓21来与从形成变速器120的中心齿轮10延伸而成的延伸部10a相连接；以及多个连接筋14b，用于连接上述外轮14a和内轮14c之间。

上述转子50使其外周部以与外罩30的轮圈2隔着规定间隔的方式配置，转子50的输出将通过转子支架14向变速器120的中心齿轮10传递。即，可通过在转子支架14的内轮14c与中心齿轮10的延伸部10a之间紧固多个固定螺栓21并由此相互连接来使得转子50和中心齿轮10围绕支撑轴1一同旋转。

即，如图3a所示，中心齿轮10的延伸部10a形成从中心齿轮10三层弯曲的结构，包围支撑轴1的第二层弯曲部10b的内侧起到轴承外罩作用，在内周部设置第三轴承6c及第四轴承6d，上述转子50和中心齿轮10以可围绕支撑轴1进行旋转的方式得到支撑。在上述第三轴承6c与第四轴承6d之间插入有起到使第三轴承6c及第四轴承6d分离的隔离件作用的隔离环28。但是，可省略掉隔离环28。

在上述中心齿轮10的延伸部10a中，与支撑轴1垂直的第三层弯曲部10c设置有环形的转子检测磁铁11，上述转子检测磁铁11以可检测上述转子50的旋转位置的方式形成有与主磁铁12相对应的多个磁极(磁铁)。因此，转子检测磁铁11可在转子50进行旋转时同时旋转。

并且，在与上述转子检测磁铁11相向的定子组件支架17设置有霍尔传感器组装体26，以可在转子50进行旋转时检测转子的旋转位置的方式在霍尔传感器组装体26隔着间隔安装有多个霍尔传感器。

以与上述转子50的主磁铁12相向的方式隔着气隙配置的定子40使其内周部固定设置于支撑轴1。

如图10所示，本发明一实例的定子40包括定子芯15、定子绝缘膜16、第一定子绝缘体16a及第二定子绝缘体16b、定子组件支架17以及定子线圈18。

如图9a至图9c所示，定子芯15和定子组件支架17能够以分离型构成，或能够以一体型构成。

如图9c所示，定子芯15形成多个齿部15b(teeth)(即，线圈卷绕部)从环状的轭15a(本体)朝向放射状方向延伸的结构。

为了进行绝缘，可利用热固化树脂来在定子芯15的齿部15b和轭15a(本体)进行嵌件注塑，由此通过形成线轴和定子支撑体来实现一体化，从而代替定子绝缘膜16和第一定子绝缘体16a及第二定子绝缘体16b，上述热固化树脂的例有聚酯等的团状模塑料(BMC，Bulk Molding Compound)或热塑性树脂。在此情况下，除了与转子的主磁铁12相向的部分之外，上述定子芯15的齿部15b能够以一体的方式形成定义卷绕定子线圈18的区域的线轴。

并且，上述绝缘性线轴和定子支撑体可与定子芯15形成为一体，可形成在单独形成线轴并组装后卷绕三相(U、V、W)定子线圈18的结构。上述定子绝缘膜16和第一定子绝缘体16a及第二定子绝缘体16b可起到和定子的绝缘性线轴、定子支撑体相同的作用。

上述定子绝缘膜16能够以在组装定子芯15时包围除了与转子的主磁铁11相向的外周面之外的四个侧面的方式由大致形成长方形筒形状的薄膜型的绝缘膜构成，在线圈18卷绕于齿部15b时维持绝缘状态。

第一定子绝缘体16a及第二定子绝缘体16b以在线圈18卷绕于齿部15b时从一侧及另一侧覆盖多个齿部15b和环形轭15a的方式组装在定子芯15的两侧并以扣合的方式固定。第一定子绝缘体16a及第二定子绝缘体16b在线圈18卷绕于齿部15b的情况下与定子绝缘膜16一同维持绝缘状态。

第一定子绝缘体16a及第二定子绝缘体16b分别以与多个齿部15b和环形轭15a相对应的方式包括环形本体和以放射状从上述环形本体延伸的多个延伸突起部。

并且，上述第一定子绝缘体16a朝向环形本体的内侧方向延伸形成有环形延伸部。尤其，在上述第一定子绝缘体16a嵌件注塑有用于在以星形(star)接线方式(即，Y-接线)对三相(U、V、W)线圈18进行接线时形成中性点(Neutral Point)的共同接头，从而可使3个共同接头端子朝向第一定子绝缘体16a的上部突出。

根据需要，可在上述第一定子绝缘体16a的环形本体设置有多个卷绕引导突起，上述多个卷绕引导突起为了在一个齿部15b进行卷绕后将线圈卷绕在其他齿部而维持弹力并在移动到其他齿部或转换卷绕方向时起到引导作用。

并且，可在上述第一定子绝缘体16a的环形本体隔着间隔配置与逆变器电路150(参照图11d)的三相(U、V、W)输出相连接的U相接头端子UT、W相接头端子以及V相接头端子VT。

上述U相接头端子UT、W相接头端子以及V相接头端子VT可分别与3个母线固定螺母中的一个实现第一定子绝缘体16a内部连接。在3个母线固定螺母分别紧固有母线(busbar)用螺栓。因此，逆变器电路150的三相(U、V、W)输出在通过电缆292从外罩30的外部向内部导入后与3个母线用螺栓相连接，从而可稳定地与U相接头端子UT、W相接头端子以及V相接头端子VT相连接。

例如，为了形成上述定子线圈18而卷绕于齿部的金属线可使用在外周涂敷聚氨酯的聚氨酯漆包线(UEW，Polyurethane Enameled Wire)或涂敷聚酯酰胺的聚酯酰胺漆包线(EIW，Polyesterimide Enameled Wire)。

上述定子40可通过使得用于从外罩30的外部传递马达驱动所需的三相(U、V、W)驱动信号的3金属线内置于一个电缆并向外罩30内部导入后分别与三相(U、V、W)定子线圈18相连接。

在此情况下，本发明的驱动装置100可由分割芯方式构成，即，在利用多个分割芯来代替一体型定子芯15来卷绕三相(U、V、W)定子线圈18后，利用注塑用树脂实现环形一体化并同时形成定子支撑体。

如图10所示的实施例，在形成定子芯15和定子组件支架17分离的结构的情况下，上述定子40可如下组装而成，即，在将定子绝缘膜16、第一定子绝缘体16a及第二定子绝缘体16b组装在定子芯15之后，在将三相(U、V、W)定子线圈18卷绕在齿部15b的状态下，扣合于定子组件支架17。即，如图9c所示，以与轴向平行的方式在上述定子组件支架17的外周形成有结合凹槽17g，以与轴向平行的方式在定子芯15的内周部形成有与结合凹槽17g相结合的结合突起15c。

在此情况下，定子组件支架17由金属材质形成，可形成外轮17c和内轮17a(轴套)通过多个连接筋17b相连接的结构。例如，定子组件支架17可通过利用铝合金的压铸方式制造或可利用钨材料来以粉末冶金法形成。

多个连接筋17b以在定子组件支架17内部形成凹槽17h的方式朝向一侧偏向并以连接外轮17c和内轮17a(轴套)的方式设置，通过使中心齿轮10的延伸部10a延伸来在上述凹槽的内侧收容上述第三轴承6c和第四轴承6d，在外侧配置转子检测磁铁11。

并且，内轮17a(轴套)以在与支撑轴1相结合时确保较宽的接触面积的方式朝向盖3突出。

上述定子组件支架17起到将定子40固定于支撑轴1的连接部的作用。为此，在位于上述定子组件支架17的中心的贯通孔17e形成有键合用凹槽17f，以通过利用键25键合方式与支撑轴1的外周相结合。

除了如图3a所示的利用键25来使得内轮17a(轴套)固定于支撑轴1的方式之外，上述定子组件支架17还可通过花键结合方式固定结合于支撑轴1。

并且，本发明的定子40可使用定子芯15和定子组件支架17形成一体化的一体型芯部框架，可通过层叠多个薄膜型硅钢板来形成。一体型芯部框架可形成如下的结构，即，多个齿部15b以放射状在环形轭15a的外周延伸而成，在环形轭15a的内侧，与支撑轴1相结合的内轮17a(轴套)通过多个连接筋17b相连接。

例如，本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置100可由如下的电动马达110构成，即，由20极单转子50和18狭槽结构的单定子40构成无刷直流结构。定子40使得三相(U、V、W)定子线圈18卷绕于定子芯15的齿部15b，通过电缆从设置于外罩30的外部或内部的马达驱动电路向三相(U、V、W)定子线圈18传递驱动信号，例如，以6步进(step)控制方式施加驱动信号。

例如，在上述无刷直流结构的电动马达110以三相(U、V、W)驱动方式驱动时，可通过将霍尔(Hall)传感器用作转子位置检测器件来检测转子50的旋转位置。为此，转子检测磁铁11设置于中心齿轮10的延伸部10a，当转子50旋转时，可通过与检测磁铁11相向的霍尔传感器组装体26检测转子50的旋转位置。

例如，转子检测磁铁11形成与转子50同时旋转并分割安装有极性与转子50的主磁铁12相同的20极的磁铁结构，在与主磁铁12相同的旋转角度上配置极性相同的磁铁。

例如，在采用三相驱动方式的情况下，检测转子的位置信号的转子位置检测器件可使用2个或3个霍尔器件。霍尔传感器组装体26可形成将3个霍尔传感器和周边电路器件安装于印刷电路板(PCB)的结构，可附着并固定于与转子检测磁铁11相向的位置，例如，可附着并固定于定子组件支架17。

上述霍尔传感器组装体26可通过由霍尔器件检测转子50旋转时与之同步旋转的转子检测磁铁11的磁极变化来向马达驱动电路传送。

若霍尔传感器组装体26的霍尔器件检测到转子检测磁铁19的磁极变化并进行传送，则上述马达驱动电路的控制部基于此并以后述内容中的表1中所记载的6步进控制方式的逻辑表作为基础来产生驱动信号。

并且，在盖3的中心内侧设置有外罩检测磁铁19，在上述霍尔传感器组装体26安装有用于检测外罩检测磁铁19是否旋转的霍尔器件，由此在盖旋转时，即在外罩30旋转时，对此进行检测来向电动自行车的系统控制器290传送。

随着在霍尔传感器组装体26检测外罩检测磁铁19的旋转数，将在上述系统控制器290计算外罩30的转速，在将电动自行车用驱动装置100用于助力系统式的电动自行车的情况下，能够以将电动自行车的最高速度维持在小于25km/h的方式控制电动马达110的驱动。

以下，参照图9a至图11d来说明本发明的电动马达的动作。

例如，本发明的电动马达110为18狭槽、20磁极方式的马达，包括定子40和在定子40的外部隔着间隔配置的转子50。在所示的实施例的说明中，以在定子40的外侧配置转子50的外转子型马达为例进行说明，但与之相反，本发明还可适用于转子配置于定子内侧的内转子型马达。

上述转子50可形成多个(20个)具有互不相同的极性(N极及S极)的磁铁211、212、213、214、215、216、217、218、219、220、221、222、223、224、225、226、227、228、229、230(即，磁极)依次按圆形附着于背轭13的结构。

如图9a及图9c，定子芯15形成前端部形成T字形形状的多个(18个)齿部T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24、T25、T26、T27、T28以放射状从环形的轭15a延伸的一体型定子芯结构，或可由以前端部形成T字形且后端部相互组装连接的方式形成环形的轭的多个(18个)分割芯构成。

如上所述，在本发明中，定子40中卷绕线圈并形成磁回路路径的定子芯15可使用一体型芯部或分割芯。

因此，除特殊情况之外，为了便于说明，齿部、分割芯或在齿部与齿部之间所形成的狭槽以相同的含义使用，将赋予相同的附图标记T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24、T25、T26、T27、T28。

除了18狭槽、20磁极之外，实现单转子式无刷直流电动马达所包括的转子50的磁铁(磁极)的数量和齿部(狭槽)的数量还可形成多种数量组合。

以下，对本发明的线圈按各个相交替卷绕在相邻的3个齿部的马达(以下称作“三线接线结构马达”)的设计方法进行说明。

首先，当设计本发明的三线接线结构马达时，可按18狭槽、20磁极的比例为例来设定定子的狭槽和转子的磁铁(磁极)。因此，在本发明中，狭槽数量和磁极数量的比例产生10％左右的差异，由此与单线接线方式相比，将大为减少转子的旋转时产生的齿槽，可将芯与芯(即，狭槽与狭槽之间)之间的间隔设定成很窄，最终，可通过增加磁铁与芯(即，齿部)之间的相向的有效面积来实现提高效率。

上述转子50在外周设置有环形的背轭13，以使得N极磁铁211、213、215、217、219、221、223、225、227、229和S极磁铁212、214、216、218、220、222、224、226、228、230交替配置并形成各个相邻的磁铁之间的磁回路通道。

当定子40形成18狭槽、20磁极结构时，如图11a至图11d所示，三相(U、V、W)定子线圈18在U相、V相、W相分别包括6个线圈U1-U6、W1-W6、V1-V6，U相、V相、W相各相的线圈U1-U6、W1-W6、V1-V6通过在相邻的3个齿部连续卷绕来形成一个芯组，总体上形成6个芯组，即，第一芯组G1、第二芯组G2、第三芯组G3、第四芯组G4、第五芯组G5以及第六芯组G6。

假设，在定子形成有9的倍数的27个狭槽的情况下，每个相包括9个线圈U1-U9、V1-V9、W1-W9，通过连续卷绕在相邻的3个齿部来形成9个芯组G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8、G9。

如图11a至图11d所示，各个上述芯组G1、G2、G3、G4、G5、G6以连续依次卷绕在18个齿部T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24、T25、T26、T27、T28中的3个齿部的方式以环形配置在定子芯15。最终，如图11c所示，U相的第一芯组G1和第四芯组G4、W相的第二芯组G2和第五芯组G5、V相的第三芯组G3和第六芯组G6配置于以定子芯15的中心为基准来互相相向的位置。

并且，本发明的定子40使得三相(U、V、W)定子线圈U1-U6、W1-W6、V1-V6以Y-接线方式接线，如图11d所示，U相、V相、W相各相的定子线圈U1-U6、W1-W6、V1-V6使得各个相的一侧(起始端子)与构成马达驱动电路的逆变器电路150的U相、V相、W相输出相连接，使得各个相的另一侧(结束端子)互相接线并形成中性点(NP；Neutral Point)。

在此情况下，当以Y-接线方式对三相(U、V、W)线圈U1-U6、W1-W6、V1-V6进行接线时，用于形成中性点NP的共同接头嵌件注塑于第一定子绝缘体16a，可通过从共同接头朝向第一定子绝缘体16a的上部突出3个共同接头端子来使得各个相的另一侧(结束端子)与3个共同接头端子相连接。

并且，在连续卷绕于相邻的3个齿部的6个芯组G1、G2、G3、G4、G5、G6中，例如U相芯组G1的线圈U1、U2、U3使得金属线按正向、逆向、正向卷绕于齿部T11、T12、T13，由此各个芯组内部的各个齿部将产生相反反向的磁束。

并且，在定子40中，以在总共达到18个的齿部T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24、T25、T26、T27、T28中的相邻的齿部之间产生方向相反的磁束的方式选择性地从马达驱动电路的控制部(未图示)产生驱动信号，并通过逆变器电路150向三相线圈U1-U6、W1-W6、V1-V6施加。

U相、V相、W相各相的线圈U1-U6、W1-W6、V1-V6通过使2个芯组并联来使得各个芯组的输入与逆变器电路150的U相、V相、W相输出共同连接，各个芯组的输出通过与3个共同接头端子C1、C2、C3共同连接来形成中性点NP。

即，U相的线圈U1、U2、U3、U4、U5、U6使得由3个线圈U1、U2、U3构成的第一芯组G1和由3个线圈U4、U5、U6构成的第四芯组G4的输入和输出分别共同连接，W相线圈W1、W2、W3、W4、W5、W6和V相线圈V1、V2、V3、V4、V5、V6也同样，使得由3个线圈W1、W2、W3构成的第二芯组G2和由3个线圈W4、W5、W6构成的第五芯组G5的输入和输出分别共同连接，使得由3个线圈V1、V2、V3构成的第三芯组G3和由3个线圈V4、V5、V6构成的第六芯组G6的输入和输出分别共同连接。

如图11c所示，本发明的通过三线接线方法卷绕的定子40可通过使U相、V相、W相各相的线圈U1-U6、W1-W6、V1-V6卷绕于18个齿部T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24、T25、T26、T27、T28，来使得第一芯组G1、第二芯组G2、第三芯组G3、第四芯组G4、第五芯组G5以及第六芯组G6依次排列。

如图11a所示，在本发明中，使用一个金属线来在齿部T11、T12、T13卷绕U相的第一芯组G1后，在齿部T16、T15、T14卷绕W相的第二芯组G2，接着在齿部T23、T24、T25卷绕W相的第五芯组G5之后，在齿部T28、T27、T26卷绕V相的第六芯组G6，接着，在齿部T17、T18、T19卷绕V相的第三芯组G3之后，在齿部T22、T21、T20卷绕U相的第四芯组G4，通过这种连续卷绕来结束线圈卷绕。

如上所述，在本发明中，通过用一个金属线来从在齿部T11卷绕U相第一芯组G1的开始到结束对U相第四芯组G4的齿部T20的卷绕为止连续进行卷绕，就能够结束线圈卷绕。

最终，在本发明中，在卷绕于相同相内的6个齿部的线圈与线圈之间以及不同相的线圈之间无需任何连接。

在此情况下，卷绕于各个芯组G1、G2、G3、G4、G5、G6所包括的3个齿部的线圈的卷绕方向为正向、逆向、正向。并且，在卷绕U相的第一芯组G1的线圈U1、U2、U3之后，当卷绕W相的第二芯组G2的线圈W3、W2、W1时，可沿着从位于后侧的齿部T16朝向前侧的齿部T14的方向进行卷绕。同样，W相的第五芯组G5和V相的第六芯组G6、V相的第三芯组G3和U相的第四芯组G4也以相同的方式卷绕线圈。

并且，在从U相的第一芯组G1的线圈U3向W相的第二芯组G2的线圈w3移动的过程中，通过绕接(wire wrapping)方法在共同接头的3个共同接头端子C1、C2、C3中的一个进行一侧卷绕，经过这种步骤来使得第一芯组G1和第二芯组G2的一段不自然地与中性点NP连接。

在此情况下，例如，为了形成线圈而卷绕于齿部的金属线使用在外周涂敷聚氨酯的聚氨酯漆包线、涂敷聚酯酰胺的聚酯酰胺漆包线或涂敷聚酯的聚酯漆包线(PEW，Polyester Enameled Wire)，若在共同接头端子(COM)进行绕接后实施焊接，则在金属线与共同接头端子(COM)之间轻松实现电连接。

如上所述，在本发明中，在通过三线接线方法在一体型定子芯的齿部卷绕三相线圈时，随着所有线圈均实现一次性连续卷绕，因而能够以没有接线部位的方式形成线圈卷绕。

但是，本发明的线圈卷绕方法并不限定于此，可分组分次进行卷绕。按相邻的两个芯组进行分组，例如，可通过对相邻的6个齿部进行连续卷绕的方法来每次对两个芯组(G1、G2；G3、G4；G5、G6)进行卷绕并分3次进行卷绕。

如上所述，如图11所示，本发明的电动马达110使得U相的第一芯组G1和第四芯组G4的输入和输出分别共同连接，使得W相的第二芯组G2和第五芯组G5的输入和输出分别共同连接，使得V相的第三芯组G3和第六芯组G6的输入和输出分别共同连接，由此使得各个相的线圈形成并联结构，从而还可使定子线圈18的电阻最小化。

并且，在本发明中，当在定子芯的齿部T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24、T25、T26、T27、T28卷绕三相线圈U1-U6、W1-W6、V1-V6时，可利用直径小的两条金属线来进行卷绕。在此情况下，各个芯组G1、G2、G3、G4、G5、G6的输入和输出共同连接于U相接头端子UT、W相接头端子WT及V相接头端子VT和共同接头端子C1、C2、C3，由此可通过构成并联回路来使得定子线圈18的电阻最小化。

通常，电阻(R)与长度(l)成正比，与截面积(S)成反比。因此，与串联连接结构相比，在各个芯组之间形成并联的定子线圈18的总电阻将减少约1/2。而且，由于线圈损耗(copper loss、coil loss)为因在电流(I)在电阻为RΩ的导体流动时(P＝I2R)的能量形成热量而产生的现象，因而能量损失将成为温度上升的原因。

最终，在本发明中，随着定子线圈18的电阻变小，电阻和线圈损耗也减少，从而可实现降低线圈温度并提高效率。并且，由于可降低定子线圈18的电阻，因而可在需要瞬时功率(Instantaneous power)的驱动装置中实现电力上升。

并且，在本发明中，可通过卷绕直径小的两条金属线的方式进行卷绕，由此可随着确保所需的线圈匝数(turn)来实现所需的高转速，从而可实现提高驱动装置的性能。

以下，参照上述的图11a至图11d并参照表1说明根据本发明的三线接线方法设计的电动马达110的动作进行说明。以下的表1为当通过6步进控制方法驱动无刷直流电动马达110时选择性地激活逆变器电路150的开关器件FET1、FET2、FET3、FET4、FET5、FET6时适用的设置于马达驱动电路的控制部(未图示)的逻辑表。

表1

图11c所示的无刷直流电动马达110示出当转子50的旋转位置为0°时的状态，通过6步进控制方式，在每个12°的机械角切换在定子线圈U1-U6、V1-V6、W1-W6流动的电流的方向并施加，从而通过选择性地激活相应定子线圈U1-U6、V1-V6、W1-W6来产生旋转磁场。

马达驱动电路包括控制部(未图示)和逆变器电路150，逆变器电路150以使得3对的电力开关器件FET1、FET2、FET3、FET4、FET5、FET6分别图腾柱连接，通过从上侧场效应晶体管(FET)FET1、FET3、FET5和下侧场效应晶体管FET4、FET6、FET2之间的连接点产生各个相的输出(U、V、W)来向无刷直流电动马达110的定子线圈U1-U6、V1-V6、W1-W6施加。

在无刷直流电动马达110采用三相驱动方式的情况下，如图11d所示，定子40包括在每个相并联的6个线圈U1-U3、U4-U6、V1-V3、V4-V6、W1-W3、W4-W6，例如，在形成星形接线结构的情况下，线圈的另一端互相连接并形成中性点NP。

上述无刷直流电动马达110基于转子50的位置信号来选择性地驱动图腾柱连接的3对开关器件中的2个开关器件，由此向U相、V相、W相线圈U1-U3、U4-U6、V1-V3、V4-V6、W1-W3、W4-W6中的两个相的线圈依次施加电流，从而随着使2个相的定子线圈磁化并产生旋转磁场来使得转子进行旋转。即，从逆变器电路150的输出向一个相的线圈施加驱动信号，通过中性点NP向另一个相的线圈施加。

若在各个角度通过霍尔器件H1、H2、H3检测到转子50的位置信号，则马达驱动电路的控制部(未图示)根据上述表1来使得逆变器电路150开启一对开关器件并设定电流流动路径。

例如，如图11d所示，若霍尔器件H1、H2、H3将转子50的极性检测成“N、N、S”，则控制部根据上述表1来判断成转子50的旋转位置为0°，并以开启上侧场效应晶体管FET3和下侧场效应晶体管FET2的方式施加驱动信号，从而使得电流经由FET3-并联V相线圈V1、V2、V3)/(V4、V5、V6)-中性点-并联W相线圈W3、W2、W1/W6、W5、W4-FET2来向接地流动。

由此，齿部T17产生内侧方向的磁束，齿部T18产生朝向外侧方向的磁束，齿部T19产生朝向内侧方向的磁束，由此设定如同箭头所示的磁回路，转子50将沿着顺时针方向旋转。

即，在图11c中的无刷直流电动马达110中，V相线圈V1、V2、V3三线接线的齿部T17、T18、T19起到磁铁作用，随着齿部的右侧部分以S-S、N-N、S-S的方式按相同的极性与转子50的相向的磁铁218、219、220相向配置，从而在齿部T17、T18、T19与转子50之间产生大排斥力。

并且，以面积相对小于齿部T17、T18、T19的右侧部分的方式使得齿部的左侧部分以S-N、N-S、S-N的方式按互相相反的极性与转子50的相向的磁铁217、218、219相向配置，从而在齿部T17、T18、T19与转子50之间产生较小吸力。

因此，由于在齿部T17、T18、T19与转子50之间同时产生较小的吸力和大排斥力，因而产生使转子50沿着顺时针方向旋转的作用。

并且，以与V相线圈V1、V2、V3三线接线的齿部T17-T19相邻的方式配置于后端并使W相线圈W1、W2、W3三线接线的齿部T14、T15、T16的各个齿部的左侧部分以N-S、S-N、N-S的方式按互相相反的极性与转子50的相向的磁铁214、215、216相向配置，齿部的右侧部分以N-N、S-S、N-N的方式按相同的极性与转子50的相向的磁铁215、216、217相向配置，从而在齿部T14、T15、T16与转子50之间产生吸力和排斥力来同时产生使转子50沿着顺时针方向旋转的作用。

另外，在使V相线圈V1、V2、V3三线接线的齿部T17、T18、T19及在与使W相线圈W3、W2、W1三线接线的齿部T14、T15、T16相向的位置所配置的使V相线圈V4、V5、V6三线接线的齿部T26、T2、T28以及使W相线圈W6、W5、W4三线接线的齿部T23、T24、T25与转子50之间也以如上所述的方式产生排斥力及吸力，从而借助推动及拉动转子50的作用来使得转子50沿着顺时针方向旋转。

之后，随着转子50旋转12°的机械角来由霍尔器件H1、H2、H3将转子50的极性检测成“S、N、S”，由此控制部将根据上述表1判断成转子50的旋转位置为机械角12°。由此，若控制部以开启上侧场效应晶体管FET3和下侧场效应晶体管FET4的方式施加驱动信号，则电流经由FET3-并联V相线圈V1、V2、V3/V4、V5、V6)-中性点-并联U相线圈U3、U2、U1/U6、U5、U4-FET4来向接地流动。

如上所述，在本发明的电动马达110中，各个芯组G1、G2、G3、G4、G5、G6在各相的连续的3个齿部中的位于中间的齿部形成逆向线圈卷绕，在每个驱动步骤使得以旋转轴为中心对称配置于两侧的相邻的2个芯组被激活，即，使得一对的连续的6个齿部被激活，使得在一对的连续的6个齿部之间配置的连续的3个齿部未被激活。

例如，如图11c所示，在转子50的旋转位置为0°的情况下，使V相线圈V1、V2、V3三线接线的齿部T17、T18、T19(即，G3)和使W相线圈W1、W2、W3三线接线的齿部T14、T15、T16(即，G2)和使V相线圈V4、V5、V6三线结合的齿部T26、T27、T28(即，G6)以及使W相线圈W4、W5、W6三线结合的齿部T23、T24、T25(即，G5)被激活，使U相线圈U1、U2、U3三线接线的齿部T11、T12、T13(即，G1)和使线圈U4、U5、U6三线接线的齿部T20、T21、T22(即，G4)未被激活。

在此情况下，当每向上述相邻的2个芯组施加驱动信号来激活时，2个芯组所包括的6个齿部沿着相反方向产生磁束。并且，将从该线圈的起始(start)端子向被激活的上述相邻的2个芯组中的一个芯组施加驱动信号，将从该线圈的结束(end)端子向另一个芯组施加驱动信号。

并且，在被激活的连续的6个齿部中，齿部的左侧被设定成极性与转子50相反，由此产生通过吸力来沿着旋转方向拉动转子50的作用，齿部的右侧被设定成极性与转子50相同，由此产生通过排斥力来沿着旋转方向推动转子50的作用。

即，4个芯组各自的连续的3个齿部均产生使得相向的转子50的磁铁朝向相同方向旋转的磁束，从而可对转子实现有效的力传递。

并且，在本发明中，由于连续的6个齿部同时被激活且被激活的6个齿部朝向互相相反的方向产生磁束，因而即使在与定子的齿部相向的转子50中配置相邻的S极与N极磁铁之间的分界面时，也能够以无磁束损失的方式有效设定磁回路路径并旋转驱动转子50，由此可使用以未对相邻的S极及N极磁铁的边角进行圆弧处理的方式分割安装的磁铁，使得与齿部T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24、T25、T26、T27、T28相向的磁铁211、212、213、214、215、216、217、218、219、220、221、222、223、224、225、226、227、228、229、230的有效面积变大，从而可提高效率。

并且，在本发明中，以在一对的连续的6个分割芯中的相邻的分割芯之间产生方向相反的磁束的方式形成线圈卷绕，随着施加驱动信号，即使齿部与齿部之间的狭槽间隔被设定成很小，也会不产生因因齿槽引起的漏磁，可通过增加磁铁与芯(即，齿部)之间的有效面积来减少漏磁，从而可提高效率。

以往，需使狭槽与狭槽之间的开口(opening)宽度变宽且对外周面进行圆弧(R)处理，但在本发明中，即使未对各个齿部进行圆弧处理且以与全部18个齿部所形成的一个外侧圆一致的方式设定曲率，也不大会产生齿槽。最终，可通过最大限度增加磁铁与芯(齿部)之间的有效面积来减少漏磁，从而可提高效率。

本发明的电动马达110可在用三线接线方法来在一体型定子芯的齿部卷绕三相线圈时一次性地连续进行所有线圈卷绕，因而能够以没有接线部位的方式形成线圈卷绕。在此情况下，在图11c所示的实施例中，各个芯组G1、G2、G3、G4、G5、G6以按G1至G6的顺序沿着顺时针方向配置于定子芯的齿部T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24、T25、T26、T27、T28的方式进行卷绕，但还可按G1-G3-G5-G4-G6-G2的顺序沿着逆时针方向配置芯组。

在如图11a所示的实施例的说明中，当在定子芯的齿部T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24、T25、T26、T27、T28卷绕线圈时，按G1-G2-G5-G6-G3-G4的顺序进行卷绕，以此作为例示，但还可按G1-G3-G5-G4-G6-G2的顺序配置芯组并按G1-G2-G5-G3-G6-G4的顺序卷绕线圈。

如图11c所示，在本发明中，按U相芯组、W相芯组、V相芯组的顺序配置3卷绕线圈，但还可按U相芯组、V相芯组、W相芯组的顺序配置3卷绕线圈。

以下，将对本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置100的变速器120的结构进行详细说明。

上述变速器120为使电动马达110的高转速降低成低速的减速器，可由形成固定比例变速的单一行星齿轮装置或多档变速装置形成。

适用于本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置100的变速器120的固定比例变速行星齿轮装置包括中心齿轮10、多个行星齿轮8、齿圈7及行星架9。在行星齿轮装置形成中心齿轮输入、齿圈输出、行星架固定的结构的情况下，将得到通过齿圈齿数/中心齿轮齿数确定减速比(-)的逆向减速输出。

本发明的变速器120将向通过转子支架14相连接的中心齿轮10传递电动马达110的转子50输出。即，通过在转子支架14的内轮14c与从中心齿轮10延伸的延伸部10a之间紧固多个固定螺栓21来实现互相连接。

在上述延伸部10a与支撑轴1之间设置形成一对的第三轴承6c及第四轴承6d，中心齿轮10的中心部以可围绕支撑轴1进行旋转的方式相结合，当转子50借助定子40的旋转磁场旋转时，中心齿轮10将朝向与转子50相同的方向旋转。

在上述中心齿轮10的外周结合有3个行星齿轮8，3个行星齿轮8分别通过轴承20来以可旋转的方式被单独的旋转轴9a支撑，3个旋转轴9a的一端固定于行星架9(即，行星齿轮支架)。因此，如图5所示，上述3个行星齿轮8和行星架9(即，行星齿轮支架)形成一体化，从而形成行星齿轮组件60。

并且，行星架9(即，行星齿轮支架)使其中心部以利用键25的键合方式结合固定于支撑轴1的外周，以防止产生旋转。

因此，3个行星齿轮8将形成虽可随着中心齿轮10的旋转来围绕旋转轴9a进行自转但无法空转的结构，在上述中心齿轮10沿着一方向(例如，顺时针(CW)方向)旋转时，3个行星齿轮8将沿着相反方向(即，逆时针(CCW)方向)旋转。

上述3个行星齿轮8与齿圈7内接并齿轮结合，齿圈7的外周与齿圈支架4相结合。上述齿圈支架4包括：外轮4a，收容并支撑齿圈7；内轮4c，形成比外轮4a小的圆形；以及多个连接筋4b，用于连接上述外轮4a与内轮4c之间。上述齿圈7和齿圈支架4实现一体化，从而形成齿圈组件70。

在上述齿圈支架4的内轮4c与外罩30之间，即在上述齿圈支架4的内轮4c与从轮圈2的内部空间延伸的环形的离合器固定部2a之间设置有由单向轴承构成的离合器5。即，单向轴承的外轮与齿圈支架4的内轮4c相连接，单向轴承的内轮与离合器固定部2a相连接。

例如，上述离合器5为内置有单向离合器(One-Way Clutch)和球轴承的结构，外轮和内轮分别以压入或键固定的方式设置于齿圈支架4的内轮4c和离合器固定部2a。并且，单向离合器可采用凸轮离合器(Cam Clutch)。

当上述3个行星齿轮8产生自转(例如，顺时针(CW)方向)时，齿圈7和齿圈支架4将形成方向与行星齿轮8相同的(顺时针(CW)方向)的旋转。

以下，将对本发明的电动自行车用轮毂式驱动装置100的动作进行说明。

首先，调速转把式电动自行车为安装有可由驾驶人任意控制电机输出的加速器等的调速转把的电动自行车。

在将本发明的驱动装置100应用于调速转把式电动自行车的情况下，在使用人员在电动自行车200的操作面板284中操作电源(Power)开关来开启(turn-on)电动马达110之后，若通过操作设置于车把手的加速器282来进行加速，则随着电动马达110的驱动来使得转子50和转子支架14同时沿着顺时针(CW)方向旋转，与之同步，变速器120的中心齿轮10也围绕支撑轴1沿着顺时针(CW)方向旋转。

因此，与中心齿轮10齿轮结合的3个行星齿轮8将产生逆时针(CCW)方向的自转，与之齿轮结合的齿圈7和齿圈支架4将形成与行星齿轮8相同的逆时针(CCW)方向的旋转。

上述齿圈支架4的逆时针(CCW)方向的旋转将通过由单向轴承构成的离合器5来使轮圈2沿着逆时针(CCW)方向旋转，即，使外罩30沿着逆时针(CCW)方向旋转。

如上所述，由于变速器120由形成中心齿轮10输入、齿圈7输出、行星架9固定的结构的单一行星齿轮装置构成，因而通过齿圈齿数/中心齿轮齿数确定减速比(-)，相对于电动马达110的顺时针(CW)方向输出，将产生逆向减速的逆时针(CCW)方向输出。

最终，通过多个辐条226与外罩30相连接的车圈224和轮胎222也沿着逆时针(CCW)方向旋转，从而电动自行车200将形成前进方向的行驶。

在调速转把式的电动自行车200中，若以与对加速器282的操作成比例的方式增加电动马达110的转速，则将以与之成比例的方式来使得经由变速器120向外罩30传递的转速也成比例，从而将增加电动自行车的行驶速度。

另一方面，当使用人员从电动自行车200下车后将电动自行车放到停车场所时，可在关闭(turn-off)电动马达110的状态下，利用人力来使电动自行车前进。

在此情况下，若在关闭电动马达110的状态下使电动自行车前进，则外罩30将形成逆时针(CCW)方向旋转，沿着与外罩30相同的方向旋转的由单向轴承构成的离合器5将阻断外罩30的旋转力向齿圈支架4传递。

最终，若在电动马达110处于关闭状态时使电动自行车前进，则离合器5将阻断齿圈支架4和齿圈7的旋转，变速器120的行星齿轮装置和电动马达110将维持停止状态。

并且，若在使用人员关闭电动马达110的状态下从电动自行车下车后用人力使电动自行车后退，则外罩30将形成顺时针(CW)方向旋转。在此情况下，离合器5将向齿圈支架4传递外罩30的顺时针(CW)方向旋转力，随着齿圈支架4和齿圈7的顺时针方向(CW)旋转，行星齿轮8也形成顺时针(CW)方向的自转。借助行星齿轮8的顺时针(CW)方向的自转，中心齿轮10将围绕支撑轴1进行逆时针(CCW)方向旋转。

上述中心齿轮10的逆时针(CCW)方向旋转使得电动马达110的转子支架14和转子50同时沿着逆时针(CCW)方向旋转，将使转子50起到负荷的作用。但是，这种低速后退不会对驱动装置造成损伤或引起噪音。

如上所述，在本发明中，齿圈7和齿圈支架4从外罩30分离，在齿圈支架4与从外罩30突出的离合器固定部2a之间连接有由单向轴承构成的离合器5，由此可仅在电动马达110工作(开启)时向外罩30传递齿圈7的输出，在电动马达110停止(关闭)时，即使外罩30沿着前进方向旋转，也可阻断向齿圈7传递外罩30的旋转力。

最终，在本发明中，当在马达停止状态下使用人员从电动自行车下车后将电动自行车放置于停车场所或电池耗尽或根据使用人员的需要来由使用人员蹬车并使自行车朝向前进方向移动时，即外罩30沿着前进方向旋转时，可阻断齿圈7的旋转，从而可防止行星齿轮装置的齿轮破损或产生噪音。

尤其，除了调速转把式电动自行车之外，本发明的驱动装置100可适用于助力系统式电动自行车以及兼备调速转把式和助力系统式的电动自行车。

例如，在将本发明的驱动装置100用于助力系统式电动自行车的情况下，若在通过在操作面板284操作电源开关后选择基于道路行驶环境的模式并由使用人员蹬脚踏板240，则将通过设置于曲柄轴252的扭矩传感器来测定向脚踏板240施加的踏板力并向系统控制器290传送。

上述系统控制器290将在通过扭矩传感器检测到脚踏板240的踏板力时开启电动马达110。在助力系统式的电动自行车200中，通过测定向脚踏板240施加的踏板力来在向脚踏板施加的踏板力越大的情况下，系统控制器290将增加电动马达110的输出，最终，以与电动马达110的输出增加成比例的方式来使得经由变速器120向外罩30传递的转速也成比例，从而电动自行车200的行驶速度也会增加。

因此，助力系统式的电动自行车200可通过驾驶人员调节向脚踏板240施加的踏板力来能动性地控制电动自行车的电动马达110的输出。

并且，在行驶在上坡的情况下，也可随着通过由扭矩传感器测定向脚踏板240施加的踏板力来增加电动自行车的电动马达110的输出而将行驶速度维持在与在平地行驶时相同的水平。

并且，设置于霍尔传感器组装体26的霍尔传感器将在通过检测外罩检测磁铁19的旋转来向系统控制器290传送时基于此计算电动马达110的转速，即，电动自行车200的行驶速度，并将结果值显示在操作面板284。

制度中规定的助力系统式电动自行车的最高行驶速度应小于25km/h，这样才能在自行车道行驶。因此，在助力系统式电动自行车200中，为了满足自行车道行驶条件，在基于通过设置在霍尔传感器组装体26的霍尔传感器检测到的外罩检测磁铁19的旋转检测来计算的电动马达110的转速超过25km/h的情况下，即，在电动自行车的行驶速度超过25km/h的情况下，系统控制器290能够以使电动马达110停止工作或使得电动自行车的行驶速度不超过25km/h的方式进行控制。

并且，在助力系统式电动自行车中，当在关闭电源开关的状态下(完全阻断电动马达支持的关闭模式)使用人员从电动自行车下车后将电动自行车放置于停车场所或电池耗尽或根据使用人员的需要来由使用人员蹬车并使自行车朝向前进方向移动时，外罩30的旋转力将被离合器5阻断，不会传递到齿圈支架4和齿圈7。最终，变速器120的行星齿轮装置和电动马达110可维持停止状态，可防止齿轮破损或产生噪音。

尤其，若在使用人员关闭电动马达110的状态下从电动自行车下车后使电动自行车后退，则外罩30将形成顺时针(CW)方向旋转。在此情况下，离合器5将向齿圈支架4传递外罩30的顺时针(CW)方向旋转力，随着齿圈支架4和齿圈7的顺时针方向(CW)旋转，行星齿轮8也形成顺时针(CW)方向的自转。借助行星齿轮8的顺时针(CW)方向的自转，中心齿轮10将围绕支撑轴1进行逆时针(CCW)方向旋转。

上述中心齿轮10的逆时针(CCW)方向旋转使得电动马达110的转子支架14和转子50同时沿着逆时针(CCW)方向旋转，将使转子50起到负荷的作用。但是，这种低速后退不会对驱动装置造成损伤或引起噪音。

产业上的可利用性

本发明的驱动装置可适用于调速转把式电动自行车、助力系统式电动自行车以及兼备调速转把式和助力系统式的电动自行车。

Claims (13)

1.一种电动自行车用轮毂式驱动装置，其特征在于，

包括：

外罩，在内部形成有收容空间；

支撑轴，贯通并通过上述外罩，两端部固定设置于从电动自行车的车架分支的后叉；

第一轴承及第二轴承，设置于上述支撑轴所贯通的外罩的两侧面与支撑轴之间，以能够围绕支撑轴旋转的方式支撑外罩；

电动马达，内置于上述外罩的内部，用于产生围绕支撑轴进行旋转的旋转力；

变速器，用于对上述电动马达的旋转力进行减速；以及

离合器，用于选择性地向外罩传递上述变速器的输出，

上述变速器由中心齿轮输入、行星架固定、齿圈输出方式的行星齿轮装置形成，上述齿圈通过一端与齿圈相连接的齿圈支架的另一端来与离合器相连接，

上述离合器由单向轴承形成，在上述单向轴承中，外轮被齿圈支架的另一端支撑，内轮被从上述外罩突出的离合器固定部支撑，

上述电动马达包括：

转子，背轭和磁铁层叠于转子支架的外轮；以及

定子，外周部以留有气隙的方式与上述转子的磁铁相向，中心部结合固定于支撑轴的外周，用于向上述转子施加旋转磁场，

上述转子支架的内轮与从上述中心齿轮延伸的延伸部相连接，

上述定子包括：

定子芯，多个齿部以放射状在环形轭的外周延伸；

绝缘膜，包围除了与上述转子的磁铁相向的外周面之外的多个齿部的四个侧面；

第一定子绝缘体及第二定子绝缘体，分别以与多个齿部和环形轭相对应的方式设置有环形本体和以放射状从上述环形本体延伸的多个延伸部，组装于上述定子芯的一侧及另一侧；

定子线圈，卷绕在被上述绝缘膜和第一定子绝缘体及第二定子绝缘体包围的齿部部分；以及

定子组件支架，外轮与定子芯的内周部相结合，通过多个连接筋相连接的内轮与上述支撑轴相结合。

2.根据权利要求1所述的电动自行车用轮毂式驱动装置，其特征在于，

上述齿圈和齿圈支架与外罩分离，

当上述电动马达工作时，上述离合器向外罩传递齿圈支架的输出，当上述电动马达停止时，阻断向齿圈支架传递外罩的前进方向旋转力。

3.根据权利要求1所述的电动自行车用轮毂式驱动装置，其特征在于，

上述电动马达由外转子型无刷直流马达构成，通过转子支架向行星齿轮装置的中心齿轮传递上述转子的输出，

上述中心齿轮以能够旋转的方式被支撑轴支撑，上述行星架固定于支撑轴。

4.根据权利要求1所述的电动自行车用轮毂式驱动装置，其特征在于，

上述行星齿轮装置包括：

中心齿轮，与上述电动马达的转子相连接；

多个行星齿轮，与上述中心齿轮的外周齿轮结合，进行自转；

行星架，以使上述多个行星齿轮分别旋转的方式进行支撑；

齿圈，上述多个行星齿轮内接；以及

齿圈支架，一端与上述齿圈的外周相连接，另一端与上述离合器相连接，

上述中心齿轮以能够旋转的方式被支撑轴支撑，上述行星架固定于支撑轴。

5.根据权利要求1所述的电动自行车用轮毂式驱动装置，其特征在于，

上述外罩包括：

轮圈，以在内部形成有收容空间的方式形成杯子形状；以及

盖，外周部与上述轮圈的开口部相结合，

上述离合器固定部由向上述轮圈的收容空间内部突出而成的圆筒部形成，单向轴承的内轮被上述离合器固定部的外周部支撑，在上述离合器固定部的内周部与支撑轴之间安装第二轴承。

6.根据权利要求5所述的电动自行车用轮毂式驱动装置，其特征在于，

上述第一轴承及第二轴承分别设置于在上述轮圈和盖的中心所形成的各个贯通孔的内侧，

在上述第一轴承及第二轴承与支撑轴之间分别设置密封用O型环。

7.根据权利要求1所述的电动自行车用轮毂式驱动装置，其特征在于，

当上述电动自行车为助力系统式电动自行车时，

上述电动马达还包括：

扭矩传感器，设置于曲柄轴，用于检测向脚踏板施加的踏板力；

外罩检测磁铁，设置于上述外罩，用于电动自行车的行驶速度检测；

霍尔传感器组装体，设置于上述电动马达的定子，设置有通过检测与上述外罩一同旋转的外罩检测磁铁的旋转来产生行驶速度检测信号的霍尔传感器；以及

系统控制器，根据使用人员的选择来对上述电动自行车的系统进行控制，

上述系统控制器以使得基于上述行驶速度检测信号计算的行驶速度不超过预设速度的方式控制上述电动马达。

8.根据权利要求1所述的电动自行车用轮毂式驱动装置，其特征在于，还包括第三轴承及第四轴承，上述第三轴承及第四轴承在上述延伸部的内周部与支撑轴之间以能够围绕支撑轴旋转的方式支撑上述转子支架和中心齿轮。

9.根据权利要求1所述的电动自行车用轮毂式驱动装置，其特征在于，上述定子芯和定子组件支架为一体型。

10.根据权利要求1所述的电动自行车用轮毂式驱动装置，其特征在于，

上述定子包括卷绕于多个齿部的三相定子线圈，

上述三相定子线圈分别包括连续卷绕在3个齿部的多个芯组，

各个相的芯组并联，在每个相交替配置。

11.根据权利要求1所述的电动自行车用轮毂式驱动装置，其特征在于，

上述电动马达由形成20极单转子和18狭槽结构的单定子构成，

上述定子包括卷绕于多个齿部的三相定子线圈，上述三相定子线圈分别包括连续卷绕在3个齿部的多个芯组，

上述芯组分别按正向、逆向及正向的顺序连续卷绕于连续的3个齿部，相邻的2个以上的连续的6个齿部以使得相向配置的转子的磁铁朝向相同方向进行旋转的方式朝向相反方向产生磁束，

当以6步进控制方式向上述定子线圈施加驱动信号时，2个以上的连续的6个齿部被设定成激活状态，在被激活的上述6个齿部之间配置的剩余1个以上的连续的3个齿部被设定成未激活状态。

12.根据权利要求1所述的电动自行车用轮毂式驱动装置，其特征在于，

上述电动马达由形成20极单转子和18狭槽结构的单定子构成，

上述定子包括卷绕于18个齿部的三相定子线圈，上述三相定子线圈分别包括连续卷绕在3个齿部的6个芯组，

卷绕于上述18个齿部的三相定子线圈通过单次连续卷绕来结束卷绕，以使得各相的芯组的输入与各相的接头端子共同连接且使得各相的芯组的输出与用于形成中性点的共同接头相连接的方式卷绕。

13.一种电动自行车，其特征在于，

包括：

车架；

前轮，与上述车架的一端相连接；

后轮，与上述车架的另一端相连接；以及

轮毂式驱动装置，设置于上述前轮和后轮中的一个的轮毂，用于向车轮提供旋转驱动力，

上述驱动装置为根据权利要求1至12中任一项所述的驱动装置。

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