CN113859415A - 电动机、包含该电动机的人电双混驱动自行车 - Google Patents

Abstract

公开了电动机、包含该电动机的人电双混驱动自行车，将人力与电动机的驱动以一种简单的方法叠加起来，实现人电双混驱动车辆行驶，甚至可以在耗电量极小的情况下，做远距离骑行，提高了车辆的续航能力。本发明的电动机结构简单，具有能够相对转动的外转子和内转子。本发明的人电双混驱动自行车至少具有以下三种行驶模式：纯电动驱动；电动驱动结合人力驱动；人力驱动结合扭矩电机驱动。

Description

电动机、包含该电动机的人电双混驱动自行车

技术领域

本发明涉及电动机、包含该电动机的人电双混驱动自行车。

背景技术

电动自行车是由电动机驱动的，车辆的行驶速度也完全由电动机控制。虽然很多电动自行车都附带有脚蹬机构，但是在电动驱动行驶中，想要通过人力蹬动脚蹬机构来提高车速是无法实现的，因为在一定的电能输入下电动机的转速是基本确定了的，人蹬动脚蹬机构的动力是无法叠加到电动机的输出动力上的。只有在不使用电动机驱动的情况下，才能蹬动脚蹬机构驱动车辆行驶。但是电动自行车重量大，行驶惯性和阻力大，导致脚蹬机构基本上没有实际用途。

发明内容

本发明提供的电动机、包含该电动机的人电双混驱动自行车，将人力与电动机的驱动以一种简单的方法叠加起来，实现人电双混驱动车辆行驶，甚至可以在耗电量极小的情况下，做远距离骑行，提高了车辆的续航能力。本发明的电动机结构简单，具有能够相对转动的外转子和内转子。本发明的人电双混驱动自行车至少具有以下三种行驶模式：纯电动驱动；电动驱动结合人力驱动；人力驱动结合扭矩电机驱动。

根据本发明实施例的第一方面，一种人电双混驱动自行车，包括：

脚蹬机构，其上具有第一链轮；和

电动机，所述电动机包括：

外壳；

外转子，所述外转子通过轴承组设置在所述外壳内，所述外转子上同轴安装有第二链轮，所述第一链轮通过第一链条与所述第二链轮连接；

内转子，所述内转子通过轴承组设置在所述外转子内，在所述轴承组支撑下所述外转子、所述内转子能够同轴分别转动，所述内转子上具有与其共轴的第三链轮，所述第三链轮通过第二链条连接与车轮共轴的第四链轮；和

可控止动方向的离合器，设置在所述外转子与所述外壳之间限制所述外转子转动方向以抵消所述内转子在电力驱动下转动时对所述外转子产生的反转力矩。

在上述第一方面，还包括：

单向啮合式离合器，其主动啮合轮同轴安装在所述外转子上，从动啮合轮与所述内转子共轴安装；和

扭矩电机，通过齿轮组联接所述外转子。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种电动机，包括：

外壳；

外转子，所述外转子通过轴承组设置在所述外壳内；

内转子，所述内转子通过轴承组设置在所述外转子内，在所述轴承组支撑下所述外转子、所述内转子能够同轴分别转动，所述内转子轴心部分具有空心的套筒轴，所述套管轴内具有芯轴，所述芯轴由所述套管轴两端的轴承支撑；以及

可控止动方向的离合器，设置在所述内转子与所述外壳之间限制所述内转子转动方向以抵消所述外转子在电力驱动下转动时对所述内转子产生的反转力矩。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种人电双混驱动自行车，包括第二方面所述的电动机，所述电动机的所述外转子与自行车车轮同轴安装，所述轴芯固定在自行车车架上，所述内转子上具有与其共轴的链轮，所述链轮通过链条与脚蹬机构的链轮连接。

根据本发明实施例的第四方面，提供一种人电双混驱动自行车，包括第二方面所述的电动机、可控三档啮合式离合器和扭矩电机，所述扭矩电机联接所述电动机的所述外转子，所述外转子与自行车车轮同轴安装，所述轴芯固定在自行车车架上，所述可控三档啮合式离合器的主动轮与所述电动机的所述内转子上的所述套管轴同轴安装，所述可控三档啮合式离合器的从动轮同轴安装在所述内转子上，所述可控三档啮合式离合器的另一个从动轮同轴安装在所述外转子上，脚蹬机构上的链轮通过链条连接与所述主动轮共轴安装的链轮。

在上述第四方面，所述扭矩电机通过齿轮组联接外转子，所述齿轮组中的一个齿轮安装在所述扭矩电机输出轴上，另一个齿轮与所述链轮、所述主动轮共轴。

根据本发明实施例的第五方面，提供一种人电双混驱动自行车，包括：

脚蹬机构，其上具有链轮；和

电动机，所述电动机包括：

外壳；

外转子，所述外转子通过轴承组设置在所述外壳内，所述外转子上的链轮通过链条与所述脚蹬机构的所述链轮连接；

两个内转子，所述两个内转子通过轴承组设置在所述外转子内，所述两个内转子分别连接两个车轮，所述两个内转子能够同轴分别转动，在所述轴承组支撑下所述外转子、所述两个内转子能够同轴分别转动；

两个线圈绕组，通电时产生的磁场分别作用于所述两个内转子上使其转动；以及

可控止动方向的离合器，设置在所述外转子与所述外壳之间限制所述外转子转动方向以抵消所述内转子转动时对所述外转子产生的反转动力矩。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明一实施例提供的内转子作为主输出轴的双转子电动机及包含该电动机的人电双混驱动自行车驱动机构示意图。

图2为本发明一实施例提供的外转子作为主输出轴的双转子电动机及包含该电动机的人电双混驱动自行车驱动机构示意图。

图3为本发明一实施例提供的具有两个内转子的双转子电动机及包含该电动机的人电双混驱动自行车驱动机构示意图。

图4为图1所示的人电双混驱动自行车附加了扭矩电机示意图。

图5为图2所示的人电双混驱动自行车附加了扭矩电机示意图。

具体实施方式

本发明术语“自行车”指两轮电动自行车、有人力蹬踏机构的三轮电动车、四轮电动车。

图1示出了一种双转子电动机及包含该电动机的人电双混驱动自行车驱动机构。如图1，所述电动机包括外转子4、内转子6、外壳13、可控止动方向的离合器14，外转子4通过轴承组设置在外壳13内，内转子6通过轴承组设置在外转子4内，在这些轴承组支撑下外转子4、内转子6能够同轴分别转动，可控止动方向的离合器14设置在外转子4与外壳13之间限制外转子4转动方向以抵消内转子6在电力驱动下转动时对外转子4产生的反转力矩。

可控止动方向的离合器(可控超越离合器)14工作方式是：当所述电动机的内转子6正向转动带动自行车前进时，可控止动方向的离合器14对外转子4的止转方向是使其不在内转子6转动时产生的反力作用下向相反方向转动，本发明称之为正向止动方向；当所述电动机的内转子6反向转动时，可控止动方向的离合器14的止动方向发生反转，本发明中称之为反向止动方向。

继续参考图1，自行车脚蹬机构1上具有第一链轮2，所述电动机的外转子4同轴安装有第二链轮5，内转子6的轴上安装有第三链轮9，第一链轮2通过第一链条3与外转子4上的第二链轮5连接，与内转子6共轴的第三链轮9通过第二链条10连接与车轮11共轴的第四链轮12。自行车脚蹬机构1上的第一链轮2通过第一链条3将人力传递到所述电动机外转子4上的第二链轮5上，驱动外转子4旋转。由于外转子4、内转子6能够同轴分别转动，当电力通过所述电机外壳13上的电刷7传递到安装于外转子4上的集电环8时，外转子4内与集电环8连接的线圈绕组在通电时所产生的磁场将作用于内转子6上使其转动。作为输出轴的内转子6的转动通过与其共轴的第三链轮9以及第二链条10传递到与车轮11共轴的第四链轮12，从而使车轮11转动车辆前进。而内转子6在电力驱动下转动时会对外转子4产生反转力矩，为了不使此反转力矩推动外转子4产生与内转子6反向的转动，此时安装于外壳13与外转子4之间的可控止动方向的离合器14调整到正向止动状态。需要说明的是外转子4可以正向与内转子6同向转动。

当电力驱动内转子6转动，人力带动外转子4与内转子6保持同向转动时，实现人力与电力的叠加，也就是双混驱动。

此外，所述驱动机构还包括车轮刹车盘15、刹车系统16。

包含图1所示驱动机构的自行车具有纯电驱动模式、增程或增速模式、人力驱动节能模式。

1、纯电驱动模式

不需要蹬动蹬踏机构1，与普通电动自行车一样由电驱动。

2、增程或增速模式

需要增加车辆行驶里程或速度时，先采用纯电驱动，通过所述电动机将车速提高到设定速度，如20km/h，达到设定速度后不再提高所述电动机的电能供给，此时人力脚蹬蹬动蹬踏机构1，通过人力提高车速。这种方式可以增加自行车行驶里程，或者加快车速。

3、人力驱动节能模式

为了节省蓄电池电量，理想情况下是采用纯人力驱动。但由于电动自行车的重量大大重于普通自行车，再加上人本身的重量，行车阻力将很大，因此纯用人力是十分费力的。实际情况中，可使蓄电池提供给所述电动机的电能维持在能使所述电动机刚好可以启动车辆的临界状态，再人力脚蹬蹬动蹬踏机构1驱动车辆行驶。相比于纯人力驱动，该方式下人力蹬踏骑行将变得比较轻松，而且耗电量很低，可以增加蓄电池续航能力。

图2示出了一种外转子作为主输出轴的双转子电动机及包含该电动机的人电双混驱动自行车驱动机构。图2所示的驱动机构与图1所示的驱动机构的不同之处在于，将电动机的外转子4与车轮11同轴安装，内转子6上具有与其共轴的链轮17，链轮17与蹬踏机构1上的链轮2通过链条3连接。

当电能通过电力输送线路输送到外转子4中的线圈绕组时，所述线圈绕组所产生的磁场将作用于外转子4上使其转动，转动的外转子4带动车轮11旋转，驱动车辆前进，此时内转子6在可控止动方向的离合器14的止动下不能向相反方向转动，以抵消外转子4的正向转动时作用在内转子6上的反推力。此时蹬动蹬踏机构1，人力经链轮2、链条3、链轮17传递到内转子6上，使内转子6与外转子4同向转动，这样驱动内转子6转动的动力将与驱动外转子4转动的动力叠加，实现了人电双混动力驱动。

继续参考图2，所述电动机的内转子6的轴心是一个套筒结构，本发明称其为套管轴18，套管轴18内具有芯轴19，芯轴19由套管轴18两端的轴承支撑，芯轴19从套管轴18伸出后固定安装在车架20上，内转子6、外转子4以及外转子4上同轴固定安装的车轮11都是绕芯轴19旋转的。

此外，所述驱动机构还包括车轮刹车盘15、刹车系统16，

包含图2所示驱动机构的自行车具有纯电驱动模式、增程或增速模式、人力驱动节能模式，各个模式的原理与图1所示的实施例一样，此处不再赘述。

图3示出了一种具有两个内转子的双转子电动机及包含该电动机的人电双混驱动自行车驱动机构。如图3，所述电动机包括外转子4、左右两个内转子6、外壳13、可控止动方向的离合器14。外转子4通过轴承组设置在外壳13内，内转子6通过轴承组设置在外转子4内，在这些轴承组支撑下外转子4、内转子6能够同轴分别转动。两个内转子6同轴都可各自转动。外转子4内装的左右两组线圈绕组18对应左右两个内转子6，左右两组线圈绕组18在通电时所产生的磁场将分别作用于左右内转子6上使其转动。外壳13是安装于车架上的。外壳13与外转子4之间装有可控止动方向的离合器14，其作用与图1、图2所示实施例是一样的。

自行车的蹬踏机构1上的链轮2通过链条3连接外转子4上的链轮17。包含图3所示驱动机构的自行车具有纯电驱动模式、增程或增速模式、人力驱动节能模式，各个模式的原理与图1所示的实施例一样，此处不再赘述。但是，本实施例的特点是自行车转弯时两车轮会产生差速现象，通过车载电控调整外转子4上左右两组线圈绕组18的电量，调节左右车轮的转速，从而不需要使用机械结构的差速器。相比于前述两个实施例，本实施例电动自行车在双混驱动时的载重量更大。

电动自行车的重量大，安装的车棚会进一步增加车重，再加上人的重量，使得行驶时的滚动阻力很大，为了实现轻松骑行，增加了一个扭矩电机26，参见图4。

图4所示的电动机及驱动机构结构与图1所示的实施例基本一样，仅是增加了安装于外壳13上能够克服行驶阻力的扭矩电机26。扭矩电机26输出轴装有齿轮19，齿轮19与装于电动机外转子4上的同轴齿轮20啮合，扭矩电机26所产生的扭矩通过这组啮合的齿轮组传递给外转子4。此外，在外转子4上同轴安装有一台电控或人工线控的单向啮合式离合器21。蹬踏机构1上的第一链轮2通过第一链条3连接与外转子4同轴安装的第二链轮5。单向啮合式离合器21的从动啮合轮与第三链轮9、内转子6共轴安装，主动啮合轮同轴安装在外转子4上。第三链轮9通过第二链条10连接与车轮11共轴的第四链轮12。单向啮合式离合器21不工作时将电动机外转子4与第三链轮9分离。本实施的工作模式有以下三种。

1、纯电动驱动

采用纯电驱动时，扭矩电机26不工作，单向啮合式离合器21也处于非啮合状态，整个传动链的工作与图1所示的实施例一样。

2、人力电力双混驱动

采用人力电力双混驱动时，扭矩电机26启动，利用其提供的扭矩抵消或超过电动机内转子6转动所施加给外转子4的反向扭矩，使骑行变得轻松，此工况下单向啮合式离合器21仍处于非啮合状态。

3、人力驱动节能模式

需要进入以人力驱动为主的省电模式时，电动机关闭，将单向啮合式离合器21调整到啮合状态，使电动机外转子4与第三链轮9啮合在一起，启动扭矩电机26使其驱动外转子4转动，同时人力蹬脚蹬机构1，也带动外转子4转动，实现两种动力的叠加。转动的外转子4通过单向啮合式离合器21带动第三链轮9转动，第三链轮9通过第二链条10拖动与车轮11共轴的第四链轮12转动，驱动车辆行驶。扭矩电机26提供的扭矩大小可调节，只要使骑行者能轻松蹬动蹬踏机构1即可。扭矩电机是一种以提供持久扭矩力为主要工作形式的电机，在提供扭矩时可承受长时间的堵转，而且在提供扭矩时只要不发生转动，电力消耗极小。

图5示出了一种人电双混驱动自行车驱动机构，其是对图2所示实施例的改进，传动链与图2所示的实施例类似，但是加装了扭矩电机26和可控三档啮合式离合器22。可以采用人控或车载电脑控制的离合器22。离合器22的主动轮23与电动机内转子6上的套管轴18同轴安装，离合器22的从动轮24安装在内转子6上，离合器22的另一个从动轮25同轴安装在外转子4上。链轮17与离合器22的主动轮23共轴，链轮17通过链条与脚蹬机构1上的链轮连接。扭矩电机26通过齿轮组20，21联接外转子4。齿轮20安装在扭矩电机26输出轴上，与齿轮20啮合的齿轮21与链轮17、离合器22的主动轮23共轴。此外，所述驱动机构还包括刹车钳15、刹车盘16。下面对采用图5所示驱动机构的电动自行车的几种工作模式进行详细说明。

1、纯电驱动模式

采用纯电驱动时，可控三档啮合式离合器22的主动轮23处于空档档位；电动机的外转子4在电力的驱动下旋转，带动与其同轴安装的车轮11转动，驱动车辆行驶；外转子4转动时对内转子6产生的反向旋转推力，被安装于内转子6与外壳(车架)13之间的可控止动方向的离合器14抵消，内转子6不会反转。

2、人力电力双混驱动模式

采用人力电力双混驱动时，将可控三档啮合式离合器22的主动轮23调整到与从动轮24啮合的档位；电能通过电力输送线路输送到外转子4中的线圈绕组时，所述线圈绕组所产生的磁场将作用于外转子4上使其转动，转动的外转子4带动车轮11旋转，驱动车辆前进；同时人力蹬动脚蹬机构1带动内转子6旋转，内转子6、外转子4同向转动，车轮的转速是外转子4的转速与内转子6转速之和，实现双混动力驱动。外转子4在电力驱动下转动时对内转子6产生的反向旋转的推力通过扭矩电机26提供的正向旋转扭矩抵消，这样人力骑行变得更加轻松，可以实现更长的电力续航能力，或者更高的车速。

3、微电力叠加人力骑行模式

如果电池电量不足，或者想长距离骑行，将可控三档啮合式离合器22的主动轮23切换至与从动轮25啮合的挡位上；人力蹬动脚蹬机构1带动链轮17转动，转动的链轮17又通过啮合的主动轮23、从动轮25驱动外转子4旋转，从而带动车轮11转动，实现纯人力驱动行驶；但纯靠人力骑行，耗费体力，此时启动扭矩电机26，使其通过啮合的主动轮23、从动轮25驱动外转子4旋转，实现人力和扭矩电机26动力的叠加。扭矩电机26提供的动力使车辆能够克服行驶中的滚动阻力，根据相关文献提供的数据，一辆双轮电动车克服滚动阻力的功耗不超过50W，即扭矩电机26消耗的电能又是很少的，这样确保了人可以轻松且长时间地骑行。

可以看出，图5所示实施例相对于图4所示实施例，用可控三档啮合式离合器22替代了单向啮合式离合器21，图5所示实施例可以实现人力和扭矩电机26动力的叠加，而不必像图4所示实施例那样要带动电动机内外转子一起转动，这样骑行更加轻便。

本发明提供的电动自行车的驱动机构，它将人力与电动机的驱动以一种简单的方法叠加起来，使车辆更省电、更环保。

Claims (7)

1.一种人电双混驱动自行车，其特征在于，包括：

脚蹬机构(1)，其上具有第一链轮(2)；和

电动机，所述电动机包括：

外壳(13)；

外转子(4)，外转子(4)通过轴承组设置在外壳(13)内，外转子(4)上同轴安装有第二链轮(5)，第一链轮(2)通过第一链条(3)与第二链轮(5)连接；

内转子(6)，内转子(6)通过轴承组设置在外转子(4)内，在所述轴承组支撑下外转子(4)、内转子(6)能够同轴分别转动，内转子(6)上具有与其共轴的第三链轮(9)，第三链轮(9)通过第二链条(10)连接与车轮(11)共轴的第四链轮(12)；和

可控止动方向的离合器(14)，设置在外转子(4)与外壳(13)之间限制外转子(4)转动方向以抵消内转子(6)在电力驱动下转动时对外转子(4)产生的反转力矩。

2.根据权利要求1所述的人电双混驱动自行车，其特征在于，还包括：

单向啮合式离合器(21)，其主动啮合轮同轴安装在外转子(4)上，从动啮合轮与内转子(6)共轴安装；和

扭矩电机(26)，通过齿轮组联接外转子(4)。

3.一种电动机，其特征在于，包括：

外壳(13)；

外转子(4)，外转子(4)通过轴承组设置在外壳(13)内；

内转子(6)，内转子(6)通过轴承组设置在外转子(4)内，在所述轴承组支撑下外转子(4)、内转子(6)能够同轴分别转动，内转子(6)轴心部分具有空心的套筒轴(18)，套管轴(18)内具有芯轴(19)，芯轴(19)由套管轴(18)两端的轴承支撑；以及

可控止动方向的离合器(14)，设置在内转子(6)与外壳(13)之间限制内转子(6)转动方向以抵消外转子(4)在电力驱动下转动时对内转子(6)产生的反转力矩。

4.一种人电双混驱动自行车，其特征在于，包括权利要求3所述的电动机，所述电动机的外转子(4)与自行车车轮(11)同轴安装，轴芯(19)固定在自行车车架(20)上，内转子(6)上具有与其共轴的链轮(17)，链轮(17)通过链条(3)与脚蹬机构(1)的链轮(2)连接。

5.一种人电双混驱动自行车，其特征在于，包括权利要求3所述的电动机、可控三档啮合式离合器(22)和扭矩电机(26)，扭矩电机(26)联接所述电动机的外转子(4)，外转子(4)与自行车车轮(11)同轴安装，轴芯(19)固定在自行车车架上，可控三档啮合式离合器(22)的主动轮(23)与所述电动机的内转子(6)上的套管轴(18)同轴安装，可控三档啮合式离合器(22)的从动轮(24)同轴安装在内转子(6)上，可控三档啮合式离合器(22)的另一个从动轮(25)同轴安装在外转子(4)上，脚蹬机构上的链轮通过链条连接与主动轮(23)共轴安装的链轮(17)。

6.根据权利要求5所述的人电双混驱动自行车，其特征在于，扭矩电机(26)通过齿轮组(20，21)联接外转子(4)，齿轮(20)安装在扭矩电机(26)输出轴上，与齿轮(20)啮合的齿轮(21)与链轮(17)、主动轮(23)共轴。

7.一种人电双混驱动自行车，其特征在于，包括：

脚蹬机构(1)，其上具有链轮(2)；和

电动机，所述电动机包括：

外壳(13)；

外转子(4)，外转子(4)通过轴承组设置在外壳(13)内，外转子(4)上的链轮(17)通过链条(3)与脚蹬机构(1)的链轮(2)连接；

两个内转子(6)，两个内转子(6)通过轴承组设置在外转子(4)内，两个内转子(6)分别连接两个车轮，两个内转子(6)能够同轴分别转动，在所述轴承组支撑下外转子(4)、内转子(6)能够同轴分别转动；

两个线圈绕组(18)，通电时产生的磁场分别作用于两个内转子(6)上使其转动；以及

可控止动方向的离合器(14)，设置在外转子(4)与外壳(13)之间限制外转子(4)转动方向以抵消内转子(6)转动时对外转子(4)产生的反转动力矩。

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