CN204775795U - 一种电动自行车的力矩和速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动自行车的力矩和速度传感器，包括牙盘、曲柄和变形架，变形架由同轴布置的外圈和内圈、以及若干条呈辐射状分布的且连接在所述外圈和内圈之间的连接筋构成，其中内圈与曲柄固定，而外圈与牙盘固定，内圈和外圈上分别设置有力矩感应磁钢以及与该力矩感应磁钢对应的线性霍尔集成电路；还包括与变形架同轴布置的动座和静座，动座连接在变形架上，其上固定有副边绕组；而静座连接在动座上且能够围绕动座的中轴线转动，其上固定有原边绕组和信号接收板，所述原、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。本实用新型这种传感器结构简单、性能稳定且敏感度高。

Description

一种电动自行车的力矩和速度传感器

技术领域

本实用新型涉及电动自行车领域，具体涉及一种电动自行车的力矩和速度传感器。

背景技术

电动自行车由于其轻快省力及无污染等特点，正日益在世界各国推广运用。传统的电动自行车都用转把来调速，也有用速度传感器来控制电机的输出功率的所谓智能型电动自行车，这类智能型电动自行车的特点是平地骑行很轻松，但上坡却十分费力。采用力矩和速度传感器的电动自行车则正好与之相反，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，是一种真正能让人体验到人与机的自然融合的电动自行车。然而国内现在虽然也有力矩和速度传感器，但效果却是差强人意，主要是在低速时不能输出正常的力矩信号，造成起步时的力量要么过大，要么过小，无法做到人机协调，还存在用力骑行时传感器的输出信号又过早饱和，造成上坡无力，整体的工作稳定性和敏感度均较差。虽然国外(特别是日本)早就有这类产品，但结构复杂，制造难度和成本都很高，使得这类电动自行车不能很快普及。

实用新型内容

本实用新型目的是：针对上述问题，提供一种结构简单、性能稳定且敏感度高的电动自行车的力矩和速度传感器。

本实用新型的技术方案是：一种电动自行车的力矩和速度传感器，包括牙盘、曲柄和变形架，所述变形架由同轴布置的外圈和内圈、以及若干条呈辐射状分布的且连接在所述外圈和内圈之间的连接筋构成，其中内圈与曲柄固定，而外圈与牙盘固定；

所述内圈上固定有两个力矩感应磁钢，且这两个力矩感应磁钢外表面的极性相反，所述外圈上固定有信号输出板，该信号输出板上设置有线性霍尔集成电路，且该线性霍尔集成电路的磁感应面与所述两力矩感应磁钢的外面表相对布置；

还包括与所述变形架同轴布置的动座和静座，其中动座连接在变形架上，其上固定有副边绕组；而静座连接在动座上且能够围绕动座的中轴线转动，其上固定有原边绕组和信号接收板；所述副边绕组由设置在所述动座上的圆环形的动磁芯以及固定在该动磁芯中的动线圈构成，所述原边绕组由设置在所述静座上的圆环形的静磁芯以及固定在该静磁芯中的静线圈构成；所述动磁芯和静磁芯的轴向截面均呈U字型，二者相互贴合而构成一个具有口字型轴向截面的环形结构，所述动线圈和静线圈被收容在由动磁芯和静磁芯构成的具有口字型轴向截面的环形结构内；所述动磁芯和静磁芯贴合接触且能够相对转动，并与所述动线圈和静线圈一同构成隔离变压器；所述静线圈相当于隔离变压器的原边线圈，其与所述信号接收板上设置的交流电发生器电连接，所述信号接收板上设有引出线；而动线圈相当于隔离变压器的副边线圈，其与信号输出板电连接。

本实用新型在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

所述动磁芯和静磁芯上分别粘贴有一块位于二者贴合接触面上的不干胶。

所述动座上固定有沿圆周方向均匀分布的若干颗速度感应磁钢，所述信号接收板上设置有与所述速度感应磁钢相对应的开关霍尔芯片。

所述速度感应磁钢共有20颗。

所述速度感应磁钢的表面粘贴有不干胶。

所述动座和静座的轴向通过动座上设置的卡扣固定。

所述静座上设置有能够固定在自行车车架上，以阻止该静座作周向转动的定位销。

所述曲柄上固定有罩在所述变形架外的防护盖。

所述动座和静座均为塑料件。

所述内圈的外圆周壁上开设有一个磁钢安装缺口，所述的两力矩感应磁钢并排固定在该磁钢安装缺口处；所述外圈上开设有两个信号输出板安装螺孔，通过穿设在这两个信号输出板安装螺孔中的螺丝将所述信号输出板用支架固定在外圈上。

本实用新型的优点是：

1、本实用新型提供的这种电动自行车的力矩和速度传感器，其借助专门设计的变形架及设于其上的力矩感应磁钢和信号输出板来测量人脚蹬力施加于曲柄上的力矩，测量敏感度高；同时本实用新型又专门设计了一种原、副绕组分设于静座、动座上的隔离变压器来输出测得的力矩信号，利用该变压器原理，巧妙地解决了将旋转信号转换为静止信号的难题，且信号传输稳定性好，大大提高了本实用新型整体的工作性能和测量精度。

2、本实用新型提供的这种电动自行车的力矩和速度传感器，具体工作时，动座随着牙盘和变形架的转动而转动，而静座则由于限位销的作用不会跟转，因此使得同静座相固定的信号接收板上的引出线能够保持不动，解决了由转动的电信号转换为静止的电信号的难题。

3、本实用新型这种传感器能够同时检测电动自行车中轴的力矩和速度，从而使电机控制器能够综合考虑中轴的转速大小和力矩大小后，来控制电机的运行参数。

4、本实用新型采用磁感式结构来感应并传输力矩信号，信号传输稳定，摩擦损耗也小。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1是本实用新型这种传感器的外形图之一；

图2是本实用新型这种传感器的外形图之二；

图3是本实用新型这种传感器的正面剖视图；

图4为本实用新型这种传感器中变形架的结构示意图；

图5为本实用新型这种传感器中动磁芯的立体结构示意图之一；

图6为本实用新型这种传感器中动磁芯的立体结构示意图之二；

图7为本实用新型这种传感器的反面剖视图；

图8为本实用新型这种传感器中动座的立体结构示意图之一；

图9为本实用新型这种传感器中动座的立体结构示意图之二；

其中：1-防护盖，2-牙盘，3-曲柄，4-变形架，4a-外圈，4b-内圈，4c-连接筋，4d-动座安装孔，4e-牙盘安装孔，4f-中心齿孔，4g-磁钢安装缺口，4h-信号输出板安装螺孔，5-力矩感应磁钢，6-信号输出板，7-动座，7a-卡块，7b-定位块，7c-弹簧定位座，8-静座，8a-定位销，9-信号接收板，10-引出线，11-速度感应磁钢，12-开关霍尔芯片，13-动磁芯，13a-动线圈引出线，13b-定位缺口，14-动线圈，15-静磁芯，16-静线圈，17-不干胶，18-线性霍尔集成电路，19-紧固件。

具体实施方式

图1～图9示出了本实用新型这种电动自行车的力矩和速度传感器的一个具体实施例，它包括牙盘2、曲柄3和变形架4，其中变形架4由同轴布置的外圈4a和内圈4b、以及5条呈辐射状分布的且连接在所述外圈4a和内圈4b之间的连接筋4c构成。

参照图3和图4所示，该变形架4采用金属材料冲压而成，其内圈4b带有一中心齿孔4g，曲柄3铆合固定在该中心齿孔4g中，从而使得曲柄3和内圈4b相固定。外圈4a上设置有5个呈圆环形分布的牙盘安装孔4e，牙盘2用专用紧固件19连接在这5个牙盘安装孔4e上，从而使得牙盘2和外圈4a相固定。

实际应用时，该传感器安装在电动自行车车体中部，其中，曲柄3固定连接在电动自行车中轴的端部，自行车的传动链条传动连接在所述牙盘2与自行车后轮上的飞轮之间。

本实施例的关键改进在于：

所述内圈4b上固定有两个力矩感应磁钢5，这两个力矩感应磁钢5并排布置，且二者外表面的极性相反，所述外圈4a上固定有信号输出板6，该信号输出板6上设置有线性霍尔集成电路18，且该线性霍尔集成电路18的磁感应面与这两力矩感应磁钢5的外面表相对布置。

还包括与所述变形架4同轴布置的动座7和静座8。动座7连接在变形架4上(变形架4上设置有5个动座安装孔4d，动座7通过5个自攻螺钉连接在这5个动座安装孔4d上)，其上固定有副边绕组。静座8连接在动座7上且能够围绕动座7的中轴线转动，静座8上固定有原边绕组和信号接收板9。所述原、副边绕组共同组成一隔离变压器。副边绕组由设置在动座7上的圆环形的动磁芯13以及固定在该动磁芯13中的动线圈14构成。原边绕组由设置在静座8上的圆环形的静磁芯15以及固定在该静磁芯15中的静线圈16构成。动磁芯13和静磁芯15的轴向截面均呈U字型(具有一开口面)，二者相互贴合而构成一个具有口字型轴向截面的环形结构，所述动线圈14和静线圈16被收容在由动磁芯13和静磁芯15构成的具有口字型轴向截面的环形结构内。动磁芯13和静磁芯15贴合接触且能够相对转动，并与所述动线圈14和静线圈16一同构成上述的隔离变压器。静线圈16相当于该隔离变压器的原边线圈，其与所述信号接收板9上设置的交流电发生器电连接。动线圈14相当于隔离变压器的副边线圈，其与信号输出板6电连接。所述信号接收板9上设有引出线10，实际应用时，该引出线10一般与电动自行车的电机控制器相连。

所谓“静座”，是指其在实际应用时并不随曲柄一起转动，而是与自行车车架保持相对静止的。具体为通过如下结构形式实现：在静座8上设置有定位销8a，实施时，该定位销8a穿套在与车架相对固定的孔或槽内，从而起到了阻止静座8转动的目的。

由于在实际应用中所述动磁芯13和静磁芯15会因为作相对转动而产生滑动摩擦，为了避免动磁芯13和静磁芯15因直接接触摩擦而降低二者的使用寿命，如图5所示，本例在所述动磁芯13和静磁芯15上分别粘贴有一块位于二者贴合接触面上的圆环形的不干胶17，即该不干胶17共有两片，一片贴在动磁芯13上与静磁芯15贴合接触的那一面(即动磁芯的开口面)，另一片贴在静磁芯15上与动磁芯13贴合接触的那一面(即静磁芯的开口面)，从而使得动磁芯13和静磁芯15不直接接触，不干胶17具有很好的耐磨性。同时该不干胶17还具有隔离动线圈14和静线圈16位置的作用，以防止动线圈14串入静磁芯15内、以及防止静线圈16串入动磁芯13内。

由上可见，动磁芯13和静磁芯15的开口面贴合在一起而构成一闭合结构，因此静线圈16和动线圈14都处在了一个闭合的磁路内，这样就等效成了一个隔离变压器，静线圈16相当于是变压器原边线圈，而动线圈14则相当于是变压器副边线圈。在实际应用时，信号接收板9上安装的交流电发生器给变压器的原边线圈(静线圈16)供电，从而使得静线圈16获得一定大小的交流电，由于隔离变压器的副边线圈(动线圈14)连接的是可变负载，所以其原边侧的电流会随着副边侧可变负载的变化而变化，将这一电流的变化通过信号接收板9进行处理转换成电压输出即完成了对中轴所受力矩大小的检测。

具体来说，当骑车时，人脚踩曲柄3通过变形架4带动牙盘2转动，同常规技术一样，所述牙盘2上要安装链条来驱动自行车，而链条会通过牙盘2对变形架4施加一反作用力矩来达到平衡，由于牙盘2和曲柄3分别固定在变形架4的外圈4a和内圈4b上，因此两个相反方向的力矩分别施加在变形架4的外圈4a和内圈4b，使变形架4的外圈4a和内圈4b因受力而周向变形错位(连接筋4c产生弯曲变形)，进而使得内圈4b上固定的力矩感应磁钢5与外圈4a上固定的线性霍尔集成电路18产生相对位移。由于两个力矩感应磁钢5在线性霍尔集成电路18的磁感应面小范围内产生一从N极到S极的接近线性的磁场分布，故当线性霍尔集成电路18和两个力矩感应磁钢5的相对位置发生变化后线性霍尔集成电路18的磁感应面也因为其通过的磁场发生变化而影响到它输出电压的变化。所述信号输出板6的作用是通过其上的电子电路将线性霍尔集成电路18的输出电压转换为一个与之相对应的可变负载，也即上述隔离变压器的负载发生变化，因此可以通过变压器的原边(静线圈)来读到这个负载的大小，以此获知力矩传感组件所感应到的力矩大小。具体为：信号接收板9上安装的交流电发生器给静线圈16供电，即是对隔离变压器的原边线圈提供交流电，由于隔离变压器的副边线圈(即动线圈14)连接的是可变负载，所以其原边侧的电流会随着副边侧可变负载的变化而变化，将这一电流的变化通过信号接收板9进行处理转换成电压输出即完成了力矩的检测。

本例中，所述的两个力矩感应磁钢5是布置在变形架内圈4b的外圆周壁上的，而所述的信号输出板时布置在变形架外圈4a的内圆周壁上的。具体为：内圈4b的外圆周壁上开设有一个磁钢安装缺口4g，两力矩感应磁钢5并排固定在该磁钢安装缺口4g处；外圈4a上开设有两个信号输出板安装螺孔4h，通过穿设在这两个信号输出板安装螺孔中的螺丝将信号输出板用支架固定住。

由于本实施例在具体工作时，动座随着牙盘2和变形架4的转动而转动，而静座则由于定位销18不会跟转，因此使得同静座相固定的信号接收板9上的引出线10能够保持不动，解决了由转动的电信号转换为静止的电信号的难题。

本例中，所述动磁芯13与动座7之间的具体装配方式如下：动磁芯13的外周缘成型有定位缺口13b，动座7上成型有与之对应的定位块7b，定位缺口13b与定位块7b相配合，从而阻止动磁芯13相对于动座7作周向转动，并且动座7上设置有弹簧定位座7c，并在该弹簧定位座7c中布置有夹在动磁芯13与动座7之间的弹簧，以保证动磁芯13与静磁芯15始终紧贴在一起。

本例中，所述动座7上设有3个卡扣7a扣住静座8，从而使得动座7和静座8轴向固定。而且曲柄3上通过螺钉固定有一个防护盖1，该防护盖1罩住变形架4，对其进行保护。为了降低制造成本，减轻该传感器的自重，本例中所述动座7和静座8均采用塑料件，信号输出板6和信号接收板9均为PCB板。

此外，本例在所述动座7上还固定有沿圆周方向均匀分布的的20颗速度感应磁钢11，同时在所述信号接收板9上焊有与所述速度感应磁钢11相对应的两个开关霍尔芯片12。实际应用时，当曲柄带动自行车中轴、变形架4和动座7转动时，所述速度感应磁钢11随动座7一起转动，而信号接收板9上的开关霍尔芯片12保持静止，从而使开关霍尔芯片12感应出中轴和曲柄的转速，达到检测脚踩速度信号的目的。

为了防止该传感器在使用过程中，上述速度感应磁钢11发生掉落，同时减小摩擦，本例在速度感应磁钢11的表面也粘贴有不干胶作为磁钢贴膜。

当然，上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动自行车的力矩和速度传感器，包括牙盘(2)、曲柄(3)和变形架(4)，所述变形架(4)由同轴布置的外圈(4a)和内圈(4b)、以及若干条呈辐射状分布的且连接在所述外圈(4a)和内圈(4b)之间的连接筋(4c)构成，其中内圈(4b)与曲柄(3)固定，而外圈(4a)与牙盘(2)固定；

其特征在于：所述内圈(4b)上固定有两个力矩感应磁钢(5)，且这两个力矩感应磁钢(5)外表面的极性相反，所述外圈(4a)上固定有信号输出板(6)，该信号输出板(6)包括固定PCB板的支架和焊在PCB板上的线性霍尔集成电路(18)及其他电子元件，且该线性霍尔集成电路(18)的磁感应面与所述两力矩感应磁钢(5)的外面表相对布置；

还包括与所述变形架(4)同轴布置的动座(7)和静座(8)，其中动座(7)连接在变形架(4)上，其上固定有副边绕组；而静座(8)连接在动座(7)上且能够围绕动座(7)的中轴线转动，其上固定有原边绕组和信号接收板(9)；所述副边绕组由设置在所述动座(7)上的圆环形的动磁芯(13)以及固定在该动磁芯(13)中的动线圈(14)构成，所述原边绕组由设置在所述静座(8)上的圆环形的静磁芯(15)以及固定在该静磁芯(15)中的静线圈(16)构成；所述动磁芯(13)和静磁芯(15)的轴向截面均呈U字型，二者相互贴合而构成一个具有口字型轴向截面的环形结构，所述动线圈(14)和静线圈(16)被收容在由动磁芯(13)和静磁芯(15)构成的具有口字型轴向截面的环形结构内；所述动磁芯(13)和静磁芯(15)贴合接触且能够相对转动，并与所述动线圈(14)和静线圈(16)一同构成隔离变压器；所述静线圈(16)相当于隔离变压器的原边线圈，其与所述信号接收板(9)上设置的交流电发生器电连接，所述信号接收板(9)上设有引出线(10)；而动线圈(14)相当于隔离变压器的副边线圈，其与信号输出板(6)电连接。

2.根据权利要求1所述的电动自行车的力矩和速度传感器，其特征在于：所述动磁芯(13)和静磁芯(15)上分别粘贴有一块位于二者贴合接触面上的不干胶(17)。

3.根据权利要求1或2所述的电动自行车的力矩和速度传感器，其特征在于：所述动座(7)上固定有沿圆周方向均匀分布的若干颗速度感应磁钢(11)，所述信号接收板(9)上设置有与所述速度感应磁钢(11)相对应的开关霍尔芯片(12)。

4.根据权利要求3所述的电动自行车的力矩和速度传感器，其特征在于：所述速度感应磁钢(11)共有20颗。

5.根据权利要求3所述的电动自行车的力矩和速度传感器，其特征在于：所述速度感应磁钢(11)的表面粘贴有不干胶。

6.根据权利要求1或2所述的电动自行车的力矩和速度传感器，其特征在于：所述动座(7)和静座(8)的轴向通过动座上设置的卡扣(7a)固定。

7.根据权利要求1或2所述的电动自行车的力矩和速度传感器，其特征在于：所述静座(8)上设置有能够固定在自行车车架上，以阻止该静座(8)作周向转动的定位销(8a)。

8.根据权利要求1或2所述的电动自行车的力矩和速度传感器，其特征在于：所述曲柄(3)上固定有罩在所述变形架(4)外的防护盖(1)。

9.根据权利要求1或2所述的电动自行车的力矩和速度传感器，其特征在于：所述动座(7)和静座(8)均为塑料件。

10.根据权利要求1或2所述的电动自行车的力矩和速度传感器，其特征在于：所述内圈(4b)的外圆周壁上开设有一个磁钢安装缺口(4g)，所述的两力矩感应磁钢(5)并排固定在该磁钢安装缺口(4g)处；所述外圈(4a)上开设有两个信号输出板安装螺孔(4h)，通过穿设在这两个信号输出板安装螺孔中的螺丝将所述信号输出板(6)用支架固定在外圈上。