CN205675179U - 一种用于电动助力自行车的电机及其智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于电动助力自行车的电机，包括踩踏驱动部分，所述踩踏驱动部分的卡基座（1）通过棘轮棘爪机构（2）单向驱动端盖（3）转动；所述卡基座（1）的内腔中嵌置有固定环（5），且固定环（5）内嵌置有若干个呈环状排列的磁钢（6），在电机轴（7）上设置有正对磁钢（6）设置的踩踏传感器（8），踩踏传感器（8）通过磁钢（5）的磁场变化能够实时感应到磁钢（6）的转动方向和转动速度。智能控制系统包括控制器（15）、电池（20）和电机（21），控制器（15）对采集自电机（21）内部的信息进行处理。本实用新型的电机及其智能控制系统的信号密集、灵敏度高且起步时助力启动角度小、检测用户停止踩踏的时间短。

Description

一种用于电动助力自行车的电机及其智能控制系统

技术领域

本实用新型涉及电动助力自行车技术领域，具体地说是一种信号密集、灵敏度高、起步时助力启动角度小且检测用户停止踩踏的时间短的用于电动助力自行车的电机及其智能控制系统。

背景技术

电动助力自行车兼具自行车运动休闲以及电动车轻松省力的特点，近年来越来越受市场欢迎。目前，市场上大部分助力控制方案，采用的助力传感器和电动自行车的轮毂电机分别为独立的两个部件。助力传感器一般安装于自行车架中轴处，通过助力传感器测量用户骑行时的踩踏频率，并将该信息转换成数字信号传递给控制器，由控制器调节PWM占空比，最终实现助力。但是该方案缺点较多：⑴、中轴的助力传感器，受限于用户的踩踏频率（一般最大为120转每分钟，一般在50-90转每分钟之间），信号少，灵敏度有限；⑵、起步时要踩踏一定角度（最小24°）才可启动助力；⑶、停止踩踏检测时间长（100毫秒以上）；⑷、助力传感器采集到的踩踏频率信息单一且控制器的控制方式受限；⑸当前主要有两种控制方式，一种控制方式是以踩踏信号作为助力开关，检测到踩踏信号后调节电机达到额定档位速度，另一种控制方式是将踩踏频率换算成一定的PWM占空比值，高踏频输出高电机转速，但其所输出的电机转速并不能很好适配用户踩踏节奏，导致电机转速超前（出现踏空，空踩）或落后于用户的踩踏频率（助力太弱），以上两种的体验并不好；⑹、助力传感器所需配件较多，安装精度高，固定方式复杂，且裸露在外部环境中，可靠性及稳定性差。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种信号密集、灵敏度高、起步时助力启动角度小且检测用户停止踩踏的时间短的用于电动助力自行车的电机及其智能控制系统。

本实用新型的目的是通过以下技术方案解决的：

一种用于电动助力自行车的电机，包括电机驱动部分和踩踏驱动部分，其特征在于：所述踩踏驱动部分的卡基座通过棘轮棘爪机构单向驱动端盖转动，端盖固定在电机轮毂上且两者联动；所述卡基座的内腔中嵌置有固定环，且固定环内嵌置有若干个沿电机轴的周向呈环状排列的磁钢，在电机轴上设置有正对磁钢设置的踩踏传感器，踩踏传感器通过磁钢的磁场变化能够实时感应到磁钢的转动方向和转动速度。

所述磁钢的N极统一朝向电机轴或者磁钢的S极统一朝向电机轴设置；所述固定环中的磁钢的个数N＜πｒ/W ，其中ｒ为磁钢构成的环状体的内径，W为单个磁钢的宽度。

所述固定环上的磁钢内壁和电机轴的外壁之间留有2mm～5mm的间隙，且固定环与棘轮棘爪机构的被驱动部件之间亦设有间隙。

所述的端盖上设有能够实时采集车轮转动速度的车轮转动传感器。

所述的棘轮棘爪机构包括卡基座的内壁上设置的逆棘器以及塔基轴心件上设置的棘爪、或者包括卡基座的内壁上设置的棘爪、以及塔基轴心件上设置的逆棘器；所述的塔基轴心件和卡基座构成该电机的塔基且塔基轴心件和端盖固定相连，卡基座在飞轮的带动下转动并通过棘轮棘爪机构将运动传递至塔基轴心件、端盖和电机轮毂。

所述的棘轮棘爪机构包括卡基座的延伸部件上设置的逆棘器以及端盖上对应该逆棘器的连接部位处设置的棘爪、或者包括卡基座的延伸部件上设置的棘爪以及端盖上对应该棘爪的连接部位处设置的逆棘器；所述的卡基座的延伸部件和端盖上对应该卡基座的延伸部件的连接部位构成该电机的塔基，卡基座在飞轮的带动下转动并通过棘轮棘爪机构将运动直接传递至端盖和电机轮毂。

所述的电机驱动部分包括固定在电机轴上的电机定子、电机转子和行星齿轮减速离合器机构，电机定子通电后会使得电机转子转动，电机转子驱动行星齿轮减速离合器机构带动与行星齿轮减速离合器机构啮合的电机轮毂转动。

一种用于电动助力自行车的电机智能控制系统，包括控制器、给控制器供电的电池和电机，其特征在于：所述的控制器包括单片机、踩踏信号采集电路和电机驱动电路，踩踏信号采集电路能够通过电机内设置的踩踏传感器得到用户踩踏的转动方向和转动速度并传递给单片机，由单片机根据获得的用户踩踏的转动速度和时间状态得出用户踩踏的加速度；单片机根据用户踩踏的加速度来控制PWM占空比输出并通过电机驱动电路来控制电机的电机驱动部分驱动电机轮毂的转速。

所述的控制器内还设有车轮转动信号采集电路，车轮转动信号采集电路能够通过电机内设置的车轮转动传感器获得车轮的转动速度并传递给单片机。

所述的踩踏传感器采用能够识别正反转向的一个或多个霍尔元件制成，且车轮转动传感器亦采用霍尔元件制成；所述的霍尔元件为锁存型霍尔或开关型霍尔。

本实用新型相比现有技术有如下优点：

本实用新型通过在卡基座的内腔中嵌置有固定环，且固定环内嵌置有若干个沿电机轴的周向呈环状排列的磁钢，在电机轴上设置有正对磁钢设置的踩踏传感器，踩踏传感器通过磁钢的磁场变化能够实时感应到磁钢的转动方向和转动速度；在电机内部设置的踩踏传感器和磁钢相配合使智能控制系统采集的助力传感信号密集、灵敏度高，用户踩踏最小角度5°即可启动助力，检测用户停止踩踏并停止助力输出的时间短至20毫秒，且通过车轮转动传感器的设置使得助力传感信息更丰富。

本实用新型的智能控制系统能够根据踩踏速度和加速度等信息智能识别用户加速及减速的意图，提供更加智能的助力体验；控制器驱动电机的电机驱动部分的转速跟随用户踩踏的速度，不会出现电机的电机驱动部分的转速超前或落后于用户踩踏速度的情况；且由于无需再在中轴处安装助力传感器，助力传感信号来源于电机的内部，采集的信息更加稳定可靠。

附图说明

附图1为本实用新型的用于电动助力自行车的电机结构示意图；

附图2为本实用新型的用于电动助力自行车的电机结构剖视图；

附图3为本实用新型的带有磁钢的固定环结构示意图；

附图4为本实用新型的用于电动助力自行车的电机智能控制系统原理框图。

其中：1—卡基座；2—棘轮棘爪机构；3—端盖；4—电机轮毂；5—固定环；6—磁钢；7—电机轴；8—踩踏传感器；9—塔基轴心件；10—塔基；11—电机定子；12—电机转子；13—行星齿轮减速离合器机构；14—车轮转动传感器；15—控制器；16—单片机；17—踩踏信号采集电路；18—车轮转动信号采集电路；19—电机驱动电路；20—电池；21—电机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1-3所示：一种用于电动助力自行车的电机，包括电机驱动部分和踩踏驱动部分，电机驱动部分包括固定在电机轴7上的电机定子11、电机转子12和行星齿轮减速离合器机构13，电机定子11通电后会使得电机转子12转动，电机转子12驱动行星齿轮减速离合器机构13带动与行星齿轮减速离合器机构13啮合的电机轮毂4转动；踩踏驱动部分的卡基座1用于安装卡式飞轮并在卡式飞轮的带动下通过棘轮棘爪机构2单向驱动端盖3转动，端盖3固定在电机轮毂4上且两者联动；卡基座1的内腔中嵌置有固定环5，由非磁性屏蔽材料组成的固定环5的外壁通过螺纹旋进、粘结或其它方式固定在卡基座1的内壁上，在固定环5内嵌置有若干个沿电机轴7的周向呈环状排列的磁钢6，固定环5上的磁钢6内壁和电机轴7的外壁之间留有2mm～5mm的间隙，且固定环5与棘轮棘爪机构2的被驱动部件之间亦设有间隙；另外固定环5中的磁钢6的个数N＜πｒ/W ，其中ｒ为磁钢6构成的环状体的内径，W为单个磁钢的宽度；且磁钢6的N极统一朝向电机轴7或者磁钢6的S极统一朝向电机轴7设置，在电机轴7上设置有正对磁钢6设置的踩踏传感器8，踩踏传感器8通过磁钢5的磁场变化能够实时感应到磁钢6的转动方向和转动速度。同时在端盖3上设有能够实时采集车轮转动速度的车轮转动传感器14。具体到棘轮棘爪机构2和该电机的塔基10的结构，一种方案是：棘轮棘爪机构2包括卡基座1的内壁上设置的逆棘器以及塔基轴心件9上设置的棘爪、或者包括卡基座1的内壁上设置的棘爪、以及塔基轴心件9上设置的逆棘器；由棘爪结构、端盖连接结构和轴承组件等组成的塔基轴心件9和卡基座1构成该电机的塔基10且塔基轴心件9和端盖3固定相连，卡基座1在飞轮的带动下转动并通过棘轮棘爪机构2将运动传递至同步转动的塔基轴心件9、端盖3和电机轮毂4。另一种方案是：棘轮棘爪机构2包括卡基座1的延伸部件上设置的逆棘器以及端盖3上对应该逆棘器的连接部位处设置的棘爪、或者包括卡基座1的延伸部件上设置的棘爪以及端盖3上对应该棘爪的连接部位处设置的逆棘器；卡基座1的延伸部件和端盖3上对应该卡基座1的延伸部件的连接部位构成该电机的塔基10，卡基座1在飞轮的带动下转动并通过棘轮棘爪机构2将运动直接传递至同步转动的端盖3和电机轮毂4。综上所述，即所谓塔基10的结构：为带有棘轮棘爪的单向超越离合结构并用于连接自行车变速飞轮的部件。

如图4所示：一种用于电动助力自行车的电机智能控制系统，包括控制器15、给控制器15供电的电池20和电机21，该控制器15包括单片机16、踩踏信号采集电路17、车轮转动信号采集电路18和电机驱动电路19，踩踏信号采集电路17能够通过电机21内设置的踩踏传感器8得到用户踩踏的转动方向和转动速度并传递给单片机16，由单片机16根据获得的用户踩踏的转动速度和时间状态得出用户踩踏的加速度；单片机16根据用户踩踏的加速度来控制PWM占空比输出并通过电机驱动电路19来控制电机21的电机驱动部分驱动电机轮毂4的转速。车轮转动传感器14能够将实时获得车轮的转动速度传递给控制器15中的车轮转动信号采集电路18并由车轮转动信号采集电路18传递给单片机16，单片机16能够根据车轮的实时转动速度来对电机驱动部分驱动电机轮毂4的转速进行微调。在上述电机智能控制系统中，踩踏传感器8采用能够识别正反转向的一个或多个霍尔元件制成，车轮转动传感器14亦采用霍尔元件制成；上述的霍尔元件为锁存型霍尔或开关型霍尔，且上述霍尔元件分别通过引出线与电缆连接至控制器15的相应部件上。

本实用新型的电机21使用时，当用户正向踩踏时，脚踏板依次带动牙盘、卡式飞轮、卡基座1、固定环5正向转动，此时电机轴7上的踩踏传感器8感应到磁钢6的转动方向和转动速度并将感应到的状况通过数字信号输出给控制器15的踩踏信号采集电路17并传递给单片机16，单片机16识别数字信号并得到磁钢6信号的脉冲频率或脉冲数，单片机16根据磁钢6信号脉冲之间的时间状态得出当前的加速度；单片机16根据用户踩踏的加速度来控制PWM占空比输出并通过电机驱动电路19来控制电机21的电机驱动部分驱动电机轮毂4的转速。另外由于卡基座1通过棘轮棘爪机构2单向驱动端盖3使得电机轮毂4同步转动，设置在端盖3上的车轮转动传感器14将车轮的实时转动速度通过车轮转动信号采集电路18传递给单片机16，单片机16能够根据车轮的实时转动速度来对电机驱动部分19驱动电机轮毂4的转速进行微调。在上述过程中，控制器15驱动电机21的电机驱动部分的转速跟随用户踩踏的速度，不会出现电机21的电机驱动部分的转速超前或落后于用户踩踏速度的情况。当用户在静止起步时，控制器15能够智能识别用户加速意图，并控制电机21的电机驱动部分提高扭力，配合用户舒适完成起步加速和爬坡；当用户在爬坡时，控制器15根据用户踩踏速度的线性下降幅度和加速度的波动区间，判别用户处于爬坡状态，并控制电机21的电机驱动部分提高扭力，帮助用户轻松爬坡；当用户停止踩踏或者反向踩踏时，控制器15可识别用户的动作并中止电机21的电机驱动部分的助力输出，其最快反应时间为20毫秒。

本实用新型通过在卡基座1的内腔中嵌置有固定环5，且固定环5内嵌置有若干个沿电机轴7的周向呈环状排列的磁钢6，在电机轴7上设置有正对磁钢6设置的踩踏传感器8，踩踏传感器8通过磁钢6的磁场变化能够实时感应到磁钢6的转动方向和转动速度；在电机21内部设置的踩踏传感器8和磁钢6相配合使智能控制系统采集的助力传感信号密集、灵敏度高，用户踩踏最小角度5°即可启动助力，检测用户停止踩踏并停止助力输出的时间短至20毫秒，且通过车轮转动传感器14的设置使得助力传感信息更丰富。本实用新型的智能控制系统能够根据踩踏速度和加速度等信息智能识别用户加速及减速的意图，提供更加智能的助力体验；控制器15驱动电机21的电机驱动部分的转速跟随用户踩踏的速度，不会出现电机21的电机驱动部分的转速超前或落后于用户踩踏速度的情况；且由于无需再在中轴处安装助力传感器，助力传感信号来源于电机21的内部，采集的信息更加稳定可靠。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内；本实用新型未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种用于电动助力自行车的电机，包括电机驱动部分和踩踏驱动部分，其特征在于：所述踩踏驱动部分的卡基座（1）通过棘轮棘爪机构（2）单向驱动端盖（3）转动，端盖（3）固定在电机轮毂（4）上且两者联动；所述卡基座（1）的内腔中嵌置有固定环（5），且固定环（5）内嵌置有若干个沿电机轴（7）的周向呈环状排列的磁钢（6），在电机轴（7）上设置有正对磁钢（6）设置的踩踏传感器（8），踩踏传感器（8）通过磁钢（6）的磁场变化能够实时感应到磁钢（6）的转动方向和转动速度。

2.根据权利要求1所述的用于电动助力自行车的电机，其特征在于：所述磁钢（6）的N极统一朝向电机轴（7）或者磁钢（6）的S极统一朝向电机轴（7）设置；所述固定环（5）中的磁钢（6）的个数N＜πｒ/W，其中ｒ为磁钢（6）构成的环状体的内径，W为单个磁钢（6）的宽度。

3.根据权利要求1所述的用于电动助力自行车的电机，其特征在于：所述固定环（5）上的磁钢（6）内壁和电机轴（7）的外壁之间留有2mm～5mm的间隙，且固定环（5）与棘轮棘爪机构（2）的被驱动部件之间亦设有间隙。

4.根据权利要求1所述的用于电动助力自行车的电机，其特征在于：所述的端盖（3）上设有能够实时采集车轮转动速度的车轮转动传感器（14）。

5.根据权利要求1所述的用于电动助力自行车的电机，其特征在于：所述的棘轮棘爪机构（2）包括卡基座（1）的内壁上设置的逆棘器以及塔基轴心件（9）上设置的棘爪、或者包括卡基座（1）的内壁上设置的棘爪、以及塔基轴心件（9）上设置的逆棘器；所述的塔基轴心件（9）和卡基座（1）构成该电机的塔基（10）且塔基轴心件（9）和端盖（3）固定相连，卡基座（1）在飞轮的带动下转动并通过棘轮棘爪机构（2）将运动传递至塔基轴心件（9）、端盖（3）和电机轮毂（4）。

6.根据权利要求1所述的用于电动助力自行车的电机，其特征在于：所述的棘轮棘爪机构（2）包括卡基座（1）的延伸部件上设置的逆棘器以及端盖（3）上对应该逆棘器的连接部位处设置的棘爪、或者包括卡基座（1）的延伸部件上设置的棘爪以及端盖（3）上对应该棘爪的连接部位处设置的逆棘器；所述的卡基座（1）的延伸部件和端盖（3）上对应该卡基座（1）的延伸部件的连接部位构成该电机的塔基（10），卡基座（1）在飞轮的带动下转动并通过棘轮棘爪机构（2）将运动直接传递至端盖（3）和电机轮毂（4）。

7.根据权利要求1所述的用于电动助力自行车的电机，其特征在于：所述的电机驱动部分包括固定在电机轴（7）上的电机定子（11）、电机转子（12）和行星齿轮减速离合器机构（13），电机定子（11）通电后会使得电机转子（12）转动，电机转子（12）驱动行星齿轮减速离合器机构（13）带动与行星齿轮减速离合器机构（13）啮合的电机轮毂（4）转动。

8.一种根据权利要求1所述的用于电动助力自行车的电机智能控制系统，包括控制器（15）、给控制器（15）供电的电池（20）和电机（21），其特征在于：所述的控制器（15）包括单片机（16）、踩踏信号采集电路（17）和电机驱动电路（19），踩踏信号采集电路（17）能够通过电机（21）内设置的踩踏传感器（8）得到用户踩踏的转动方向和转动速度并传递给单片机（16），由单片机（16）根据获得的用户踩踏的转动速度和时间状态得出用户踩踏的加速度；单片机（16）根据用户踩踏的加速度来控制PWM占空比输出并通过电机驱动电路（19）来控制电机（21）的电机驱动部分驱动电机轮毂（4）的转速。

9.根据权利要求8所述的用于电动助力自行车的电机智能控制系统，其特征在于：所述的控制器（15）内还设有车轮转动信号采集电路（18），车轮转动信号采集电路（18）能够通过电机（21）内设置的车轮转动传感器（14）获得车轮的转动速度并传递给单片机（16）。

10.根据权利要求8所述的用于电动助力自行车的电机智能控制系统，其特征在于：所述的踩踏传感器（8）采用能够识别正反转向的一个或多个霍尔元件制成，且车轮转动传感器（14）亦采用霍尔元件制成；所述的霍尔元件为锁存型霍尔或开关型霍尔。