CN2220701Y - 多功能电动自行车 - Google Patents

Abstract

一种电动自行车，包括车体(含前后轮)、蓄电池、调速电路、电机，电机采用轮式无刷永磁电机，其定子铁芯通过内支承板与车体后轮轮轴联成一体固定不转，而转子则由钕铁硼磁体通过外支承板与车体后轮轮胎连成一体，调速电路采用555集成定时器结合场效应管来控制电机实现调速，并设有蓄电池过放电保护。从而解决了电动自行车效率低，蓄电池易损坏，使用不方便等问题。

Description

多功能电动自行车

本实用新型涉及一种使用无刷永磁电机和蓄电池过放电保护的电动自行车。

目前的电动自行车是以蓄电池为能源，通过直流电机将电能转化为机械能，使车子前进。据1989年104期《中学科技》中“淡谈电动自行车”以及1990年第6期《家用电器》中“荣获两项专利的电动自行车”介绍，其结构为车体(含前后轮)、蓄电池、电机、传动装置、调速控制电路等构成，电机通过链条传动或直接装在后轮轮轴上驱动车体后轮使车子前进。由于是采用电机通过链条传动来驱动后轮这种方式，因而它的效率低，蓄电池一次充电后行程不理想，这类电动自行车一般配置24V容量为864W/H的蓄电池，行程在40KM左右，每行驶两个小时即须充电，造成使用的不方便，同时配置的调速控制电路中又缺乏有效的蓄电池过放电保护，易引起蓄电池损坏，失效。

本实用新型其目的就在于提供一种使用无刷永磁电机和蓄电池过放电保护的电动自行车，以解决电动自行车效率低，蓄电池易损坏，使用不方便等问题。

实现上述目的而采用的技术方案包括，车体(含前后轮)、蓄电池、调速电路、电机，调速电路采用集成定时器NE555结合埸效应管来控制电机实现调速及保护，电机为轮式无刷永磁电机，用硅钢片叠成的电机铁蕊通过内支承板、压板与车体后轮轴联成一体构成电机定子，固定不转，电机转子由钕铁錋磁体通过外支承板与车体后轮轮胎连成一体并转动。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

图1为电机结构示意图：

图2为图1中A－A剖面图：

图3为调速电路原理图。

本实用新型其动力驱动采用轮式无刷永磁电机，其外形与结构见图1、2所示，电机整体外形为车轮状，可代替整个后轮。该电机分定子、转子等部分，定子由铁芯(6)、线圈绕组(7)、压板(5)和内支承板(4)组成，内支承板(4)套在车轮轮轴(1)上固定不转。转子由钕铁錋磁体(8)、外支承板(9)、车轮轮胎(10)和端盖(3)组成，车轮轮胎(10)通过外支承板(9)与端盖(3)连接，并通过轴承(2)连接在车轮轮轴(1)上，可转动。

由硅钢片叠成的电机铁芯(6)通过内支承板(4)与车轮轮轴(1)连成一体，固定不转，铁芯(6)磁槽中嵌放的多相绕组(7)和钕铁錋磁体(8)极数相等，见图2所示，线圈绕组(7)按一正一反接法。电机线圈(7)通电时铁芯(6)磁极产生的磁埸和钕铁錋磁体(8)一样，S极和N极相间，磁场电枢磁势与钕铁錋磁体(8)相互作用，并产生转矩，从而使电机按一定的方向转动。由于转子是通过端盖(3)和轴承(2)与轮轴(1)连接，转子转动时，整个车轮也就绕轮轴(1)转动，由此带动电动车前进。

轮式无刷永磁电机取消了电刷等机械换向装置，而代之以电子元件组成的控制电路，其工作原理如下。

在其中一个电机铁芯(6)磁极径向端面上，分别埋有彼此隔开的两个霍尔元件H₁和H₂，电机运转时，转子上沿径向均匀分布的S极和N极钕铁錋磁体(8)与其间隔一圈气隙的也均匀分布的铁芯磁极作相对运动。

利用通电的霍尔元件H₁和H₂在磁场中产生电位差这种霍尔效应，当霍尔元件H₁和S极相对时，a₁端输出为高电平，b₁端输出为低电平：和N极相对则相反，a₁端输出为低电平，b₁端输出为高电平。

霍尔元件H₁的输入端a₁接与门IC₁-2的输入端，其输出端b₁接与门IC₁-1的输入端，而霍尔元件H₂的输入端a2接与门IC₁-1的输入端，输出端b₂接与门IC₁-2的输入端。

当装有霍尔元件的定子磁极H₁、H₂和钕铁錋磁体的S或N极正好相对时，与门IC₁-1、2输出为低电平，通过与门IC₁-3、4的逻辑组合，不管其它的控制电路的情况如何，输出皆为低电平，通过电阻R₄、R₅接三极管BG₂、BG₁基极，三极管BG₂、BG₁截止，二极管D₁、D₂串联，中点接埸效应管BG₅源极、埸效应管BG₃漏极和电机线圈L₁一端，电阻R₉、R₇串联，中点接三极管BG₁集电极，同时该极经电阻R₇接蓄电池，电阻R₃另一端接二极管D₁阴极后接埸效应管BG₅栅极，该管漏极接蓄电池，电阻R₉另一端接二极管D₂阳极后接埸效应管BG₃栅极，该管源极接地，电机线圈L₁另一端的接线与上所述对称相同(略)，其中二极管D₁～D₄为稳压二极管。由于上述接法，场效应管BG₃、BG₄此时截止，而埸效应管BG₅、BG₆导通，致使电机定子线圈L₁两端同时接蓄电池的一端，其两端电位差为零。

当霍尔元件H₁和S极相对，霍尔元件H₂和N极相对时，与门IC₁-1输出为低电平，与门IC₁-2输出为高电平，由于异或非门IC₂的二输入端分别接与门IC₁-1、2的输出端，因此异或非门IC2输出为低电平，异或非门IC₂输出端经电容C₁串联电阻R₁(R₁、C₁中点接集成定时器IC₃NE555第3脚)，这样通过电阻R₁、电容C₁微分电路后给集成定时器IC₃第3脚一个负脉冲，为此集成定时器IC₃Q端输出高电平(脉宽的长短和IC₃外围电路中的电阻R₂阻值成正比)由于集成定时器IC₃Q端分别接与门IC₁-3、4的输入端，因而使得与门IC₁-3、4分别输出为低电平和高电平，这时三极管BG₁、埸效应BG₃和BG₆导通，三极管BG₂、场效应管BG₄和BG₅截止，电机、定子线圈L₁上左端为负，右端为高电平，由于开关管导通电阻只有0.05欧，故可看作线圈L₁右端接蓄电池正电源24V端，左端接负电源，因此在磁埸力作用下，电机转子朝前进方向转动，实现整车前行。

当霍尔元件H₁和N极，霍尔元件H₂和S极相对时，与门IC₁-1输出高电平，与门IC₁-2输出低电平，异或非门IC₂输出为低电平，同时通过阻容R₁C₁微分电路给集成定时器IC₃第3脚一个负电脉冲，集成定时器IC₃因此置位输出(Q端)高电平，反馈给与门IC₁-3、4输入端，使与门IC₁-3、4分别输出高电平和低电平，这时三极管BG₂、场效应管BG₄和BG₅导通，三极管BG₁、场效应管BG₃和BG₆截止，这时电机定子线圈L₁上左端为正，右端为负，产生的磁场力使电机转子继续朝前进方向转动。

图3电路中还包含有声响发生器和电压识别以及信号显示等。蓄电池采用24V电源，当其电压在22.8V以上时，绿色发光管(二极管D₇)闪亮，此时黄、红发光管(二极管D₈、D₉)不亮。当电压降至22.8V时，绿色发光管灭，黄色发光管闪亮，同时压电晶体蜂鸣器B，鸣叫约5钞钟，以表示只能再行驶约20KM了。电压降至21.6V以下时，黄色发光管灭，红色发光管亮，同时电机自动停止工作，从而避免了蓄电池电压低于21.6V时过放电确保蓄电池的合理使用。

稳压集成器IC₄、IC₅(78M12)作电压识别电路的基准电压，其输出通过串联电阻R₁₅、R₁₆、R₁₇并分别在每二个电阻的中点接电压比较器IC₆-1、2的反相输入端，电阻R₁₃、R₁₄串联后与蓄电池电源并联，电阻R₁₃、R₁₄中点接电压比较器IC₆-1、2的同相输入端，电压比较器IC₆-2输出经电阻R₆接集成定时器IC₃的复位MR端，集成定时器IC₃的输出Q端分别接与门IC₁-3、4的输入端，与门IC₁-3、4的输出端分别经电阻R₄、R₅接三极管BG₂、BG₁基极，三极管BG₂、BG₁集电极经电阻R₁₁、R₁₀、R₉、R₈接场效应管BG₆、BG₄、BG₅、BG₃的栅极，场效应管BG₆源极与BG₄漏极串联其中点接电机定子线圈L₁一端，场效应管BG₅源极与BG₃漏极串联其中点接电机定子线圈L₁的另一端，场效应管BG₅、BG₆漏极接蓄电池场效应管BG₃、BG₄源极接地。

当蓄电池电源电压在22.8V以上时，电压比较器IC₆-1输出高电平，通过其输出端串联电阻R₁₈和绿色发光二极管D₇，使得绿色发光二极管D₇亮。

当蓄电池电源电压降至22.8V以下时，绿色发光二极管D₇灭，由于电压比较器IC₆-1输出端另一路接与非门IC₆-1、2、3串联并串接电阻R₁₉、黄色发光二极管D₆，电压比较器IC₆-1输出低电平，经与非门IC₈-1、2、3反相后黄色发光管D₈点亮。由铅酸蓄电池放电特性曲线可知，这时蓄电池的容量(指到21.6V端电压)只有总容量的1/7，此时，电压比较器IC₆-1输出低电平，通过与非门IC₈－1反相为高电平，由于电压比较器IC₆-2这时输出高电平，故与非门IC₈-2输出也由高电平转变为低电平，因与非门IC₈-2的输出端另一路经电容C₈，电阻R₂₃后接集成定时器IG₇(NE555)的第3脚，这就触发了集成定时器IC₇的置位端了，使集成定时器IC₇输出(Q端)高电平，由于该输出端(Q端)一路经电阻R₂₁接地，另一路经与非门振荡电路IC₉、R₂₂、C₁₀按压电晶体B₁，这样就迫使与非门振荡电路起振，并通过压电晶体B₁发声报警，发声时间长短由集成定时器IC₇外围电路中阻容R₂₄、C₉决定，这里定为5秒钟，供轮式无刷永磁电机尚可工作约1小时，行驶约20KM行程。

当蓄电池电源电压降至21.6V时，电压比较器IC₆-1、2输出均为低电平，由于电压比较器IC₆-2输出端分三路，一路接与非门IC₈-2输入端，一路串与非门IC₈-4、电阻R₂₀、红色发光二极管D₉，一路串联电阻R₆后接集成定时器IC₃的MR端。这样，一方面经与非门IC₆-4后使得红色发光二极管D₉亮，另一方面电压比较器IC₆-2通过电阻R₆向集成定时器IC₃MR强复端施加低电平，迫使集成定时器IC₃Q端输出低电平，使得与门IC₁-3、4也输出低电平，这时三极管BG₁、BG₂和埸效应管BG₃、BG₄截止，而埸效应管BG₅、BG₆导通，使电机定子线圈L₁的两端电位差为零，这样就达到了当电压降至21.6V时强迫电机停止运转，保护蓄电池因过放电而损坏的目的。

为了提高充电效率和缩小充电器的体积与重量，在电路中采用了开关电源，并在其中装了防过充电装置，以防用户充电后忘记拔掉充电器电源，造成不必要的损失。

图3中开关K₃为电源指示开关，合上开关K₃，由三只发光管中被点亮的一只颜色，即可知当时电源电压情况。开关K₁为电机启动开关，但当电源电压低于21.6V时，合上开关K₁，电机也不会运转。

电动自行车行驶中遇紧急情况刹车时，在后刹车上有一个联动开关K₂，一旦刹车，电机电源即被切断。

图3集成定时器IC₃外设元件中的可变电阻R₂为调速电阻，改变其阻值大小，可实现不同的车速达到调速的目的。

一般蓄电池充足电之后，只能行驶约40KM，如以每小时行驶20KM计，则每充电一次只能使用约2小时。电动自行车配置的蓄电池总容量为864W/H，电机功率一般在100～200W之间，根据牛顿定律，由自行车的摩擦阻力为1～1.5％计算出时速20KM时所需功率为50～75W(未计空气阻力)，显然其效率很低。

经验证，用12V30W直流永磁电机经24∶1减速，装在一部旧车试验，时速20KM时输入功率为108～120W，采用18V电源，电流6A，升电压目的是为了短时间内提高电机效率，以取得电机在提高效率后的电能损。试验结果比较接近理论计算出的数据。

与现有技术相比本实用新型具有以下优点。

1.本电机选用磁能积达28～30GH的钕铁錋磁性材料代替以往的只有2GH的普通磁钢，即使体积相同，由于气隙磁密增加，可输出更大功率。同时，采用轮式无刷永磁电机，车轮、电机合二为一，省去了减速机构等，使得整车结构紧凑，重量减轻。因而具有调速范围大，启动迅速，工作可靠，故障率低，效率高等优点。

2.由于本实用新型中设有蓄电池过放电保护，并设置了三级电压分隔指示，以提醒用户随时了解蓄电池的使用情况。在电压一旦降至21.6V时，即可自动停止电机的工作，确保了蓄电池的安全使用。

Claims (4)

1、一种电动自行车，包括车体(含前后轮)、蓄电池、调速控制电路、电机，调速控制电路采用集成定时器NE555结合场效应管来控制电机并实现调速及保护，其特征在于：电机为轮式无刷永磁电机，用硅钢片叠成的电机铁芯(6)通过内承板(4)、压板(5)与车体后轮轮轴(1)联成一体构成电机定子，固定不转，电机转子由钕铁錋磁体(8)通过外支承板(9)与车体后轮轮胎(10)连成一体并转动。

2、根据权利要求1所述的电动自行车，其特征在于：在其中一个电机铁芯(6)磁极径向端面上分别埋有彼此隔开的两个霍尔元件H₁和H₂。

3、根据权利要求1或2所述的电动自行车，其特征在于：霍尔元件H₁的输入端a接与门IC₁-2的输入端。其输出端b₁接与门IC1-1的输入端，而霍尔元件H₂的输入端a₂接与门IC₁-1的输入端，输出端b₂接与门IC₁-2的输入端。

4、根据权利要求1所述的电动自行车，其特征在于：调速电路中的蓄电池过放电保护，由电压比较器IC₆-1、2(LM324)来控制集成定时器IC₃(NE555)，迫使其Q输出低电平，使电机定子线圈L₁两端的电位差为零，电机停转；稳压集成器IC₄、IC₅(78M12)作电压识别电路的基准电压，其输出通过串联电阻R₁₅、R₁₆、R₁₇，并分别在每二个电阻的中点接电压比较器IC₆-1、2的反相输入端，电阻R₁₃、R₁₄串联后与蓄电池电源并联，电阻R₁₃、R₁₄中点接电压比较器IC₆-1、2的同相输入端，电压比较器IC₆-2输出端径电阻R₆接集成定时器I₃的复位MR端，集成定时器IC₃的输出Q端分别接与门IC₁-3、4的输入端，与门IC₁-3、4的输出端分别径电阻R₄、R₅接三极管BG₂、BG₁基极，三极管BG₂、BG₁集电极经电阻R₁₁、R₁₀、R₉、R_a接场效应管BG₆、BG₄、BG₅、BG₃的栅极，场效应管BG₆源极与BG₄漏极串联其中点接电机定子线圈L₁-端，场效应管BG₅源极与BG₃漏极串联其中点接电机定子线圈L₁的另一端，场效应管BG₅、BG₆漏极接蓄电池电源，场效应管BG₃、BG₄源极接地，同时二极管D₁、D₂串联，D₃、D₄串联，其中点分别接电机定子线圈L₁的二端，其中二极管D₁、D₃阴极接场效应管BG5、BG₆栅极，二极管D₂、D₄阳极接场效应管BG₃、BG₄栅极。

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