TW201637934A - 車輛之電動驅動輪轂系統及包含此系統之車輛 - Google Patents

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Abstract

一種車輛具有一電動驅動輪轂系統(30)，且併入於該車輛中之該輪轂系統具有由具有定子(40)及轉子(42)之一無刷DC馬達所形成之一電動馬達(31)驅動之一輪轂(18)。該電動馬達經配置以驅動一周轉齒輪系統(32)而提供一減速齒輪配置以驅動該輪轂(18)。該電動馬達之電源電路及控制電路完全定位於該定子之周邊內，該電路提供於環形印刷電路板(70、71)上。

Description

車輛之電動驅動輪轂系統及包含此系統之車輛
本發明係關於一種具有一電動驅動輪轂系統之車輛及併入於該車輛中之系統。本發明亦係關於一種用於此一車輛之電動驅動輪轂總成。
已知提供具有電池、混合動力或燃料電池電驅動系統之車輛，諸如汽車、機車、病人用車、小輪機踏車及輪椅，且亦已知提供具有電源以可提供完全或部分驅動輔助之腳踏自行車。大多數動力輔助自行車需要騎自行車者提供動力給踏板，且一電動馬達用以提供補充(top-up)動力輔助以驅動自行車。此等自行車一般稱為電動助力車(pedelec)。
已知其中一直接驅動電動馬達定位於一輪轂內之電動驅動輪轂系統，且一早期實例揭示於美國專利552271中。此等早期系統需要刷換向，但隨著受控於一變流器或脈衝寬度調變(PWM)之無刷DC馬達的出現，已達成較大效率。
WO2013/004409揭示一種具有裝配至一電動車輛之輪轂中的一變流器之一直接驅動電動馬達，其適用於一貨車、汽車或機車。通常藉由一微控制器提供電子換向。
輪轂馬達具有具永久磁體之一環狀轉子及安裝至一環形輪轂上之內定子相繞組。PWM用以控制馬達之相，藉此調變之標間比率 (mark-space ratio)控制馬達之速度，且自例如WO2011/013583已知此控制。
因此，為控制馬達之速度及動力，增加或減小各脈衝之寬度且相應地驅動馬達(其可為三相或五相)之各電相。此意謂包含饋電裝置(electrical feed)、繞組溫度及旋轉速度及位置感測器之一三相電動馬達需要控制單元、電池及變流器至馬達之間的至少十二個或十四個個別連接。此導致具大直徑之一龐大電纜，其必然必須通過輪轉軸及定位螺母而至馬達。
此一龐大電纜提供佈線損害或故障之可能性，且自電池或變流器延伸至馬達的電纜長度為一米或一米半並不罕見，且高頻PWM切換功率在此一長的長度內之傳輸可產生與其他組件之電干擾，誘發至導體中之高電壓且反射波可誘發高電流或電壓，而產生損害或干擾控制邏輯電路。
此外，在自行車中，例如前叉或後叉之間的空間限制限定其內定位一電動輪轂馬達之可用空間。標準大小自行車輪轂例如通常為100mm寬且摺疊車通常更小為74mm，此嚴重限制輪轂馬達之應用。在許多例項中，此意謂將輪轂馬達裝配至叉之非標準間距中，而需要經修改或經轉換替換叉。替換或經修改叉生產昂貴且限制將現有自行車轉換為電動驅動之可接受性。此外，直接驅動輪轂馬達往往係大的且重的，且雖然可接受將其等定位於一標準大小自行車之後輪中，但當直接驅動輪轂馬達定位於一自行車之前輪中時其等過分重且不雅觀。
直接驅動馬達(雖然強力)之旋轉速度受輪之大小及車輛之最大速度的限制。此意謂此等電動馬達通常針對動力及電能效率兩者在其等有效率速度之下運行。相較於一等效齒輪驅動馬達，一給定動力輸出之直接驅動馬達之直徑亦顯著更大。
本發明試圖至少部分減輕前述困難。
根據一第一態樣，提供一種用於一電動輔助車輛之電動驅動輪轂總成，其包括容置一電動馬達之一輪轂，該電動馬達包含一定子及可繞該定子旋轉之一轉子，其中該電動馬達之電源電路及控制電路定位於該定子之周邊內。
電動馬達可包括一無刷DC馬達，且輪轂總成可包含經配置以由該無刷DC馬達驅動以使該輪轂旋轉之一周轉減速齒輪總成。
周轉齒輪箱可包括固定至轉子之一太陽齒輪、一組行星齒輪及固定至輪轂藉此將扭矩自該轉子傳遞至該輪轂之一環齒輪。
電源電路可包含安裝於一安裝構件上之一變流器或一脈衝寬度調變器(PWM)電路，該安裝構件圍繞轉軸定位且完全在定子之界限內。
安裝構件可為環形的且可包括一印刷電路板(PCB)。當然可提供其他形狀以裝配於可用空間中。
輪轂總成可包含馬達之換向電路，其包括可安裝於電源電路之該印刷電路板上或亦圍繞轉軸定位且完全在該轉子之界限內的另一環形印刷電路板上之一微控制器。該微控制器可形成電動輪轂馬達之控制電路之一部分。此另一印刷電路板亦可為環形的。
在使用兩個印刷電路板之情況下，該印刷電路板及另一印刷電路板實質上可以平行平面關係配置且電連接在一起。一印刷電路板可承載電源電路且另一印刷電路板承載控制電路。
馬達之轉子可包括支撐於定子之一外周邊表面之外部周圍的周向隔開位置處之複數個磁體，該等磁體與該定子之間界定一氣隙。
馬達之轉子可由固定至轉軸之一對軸向隔開的軸承總成支撐。該等軸承總成可定位於定子之周邊內。
軸承座圈可各自包括一內座圈、一外座圈及將該內座圈連接至 該外座圈之複數個軸承。軸承可包括球軸承或滾子(滾針)軸承。
可將內座圈及外座圈分別固定至轉軸及轉子，然而該等內座圈可沿總成之轉軸自由滑動且當由完整輪轂總成之相鄰零件使用時定位於適當位置中，以相對於轉軸軸向地定位轉子以及徑向地定位轉子。
轉子可包括：一徑向延伸主體，其具有轉軸通過之一中心開口；及一內支撐輪緣，其自位在或接近該主體之一最內圓周處的一位置延伸遠離，使得其沿轉軸軸向延伸通過電源及驅動電路與轉軸之間，兩個軸承總成固定至轉子之內周邊輪緣。
兩個軸承總成可經定位而朝向內周邊輪緣之各自端。
轉子之主體可包括一平面盤，該平面盤在某些地方可經切除以減輕重量。主體可界定用於周轉齒輪箱之太陽齒輪之複數個固定點。
太陽齒輪可接合由一齒輪載體支撐之齒輪箱之一組行星減速齒輪，用於此等行星齒輪之該齒輪載體在驅動方向上固定至轉軸以防止該載體繞轉軸旋轉。
可提供諸如一楔塊離合器之一選用離合器以當未供能給馬達時允許齒輪載體相對於轉軸在另一非驅動方向上移動以容許空轉。
替代地，用於行星齒輪之載體可相對於轉軸固定以防止在兩個方向上旋轉。此可使例如輪轂總成能夠用作一發電機且容許再生制動。
藉由驅動方向，吾人一般意謂輪轂總成之輪轂由馬達旋轉以在一前向方向上驅動車輛之方向。
齒輪載體可定位於行星齒輪至轉子主體之相對側上。該等行星齒輪繼而可與固定至輪轂之一內面或與該內面為一體的一環齒輪或連接至該輪轂且形成該輪轂之一部分的一蓋板接合。
行星齒輪可各自包括一階級減速行星齒輪，其中接合太陽齒輪之各行星齒輪之一部分具有比接合環齒輪之該行星齒輪之一部分更多 的齒。實際上，各行星齒輪可包括在一共同輪軸上剛性地連接在一起之兩個齒輪。
使用階級齒輪容許周轉齒輪箱之總直徑保持小型同時達成較佳介於約7：1與約13：1之間之相對較高的總齒輪比。一最佳範圍介於7.74：1與12.5：1之間。
轉子亦可包含一外周邊輪緣，其突出而遠離在主體之最外邊緣處或接近該最外邊緣的一區域使得其突出定子之一外周邊面，該外周邊輪緣承載與當馬達在操作中時由定子產生之一磁場互動之複數個轉子磁體。
外周邊輪緣可經定位而接近輪總成之輪轂之一內表面。
轉子主體及兩個輪緣可包括可以一扁平的胚件開始使用一深引伸程序產生之一單壓(single pressed)組件。
使用固定至轉軸之軸承將轉子定位於定子之周邊內及電源及控制電路之周邊內的位置處確保可使輪轂總成之總寬度保持低同時提供對轉子之一穩定支撐。
轉子主體可夾置於定子與齒輪箱之間，且該主體可沿輪轂總成之轉軸大約定位於中間。
定子可由經定位而朝向轉軸之一端的一載體固定至轉軸。該載體繼而可支撐一軸承總成，該軸承總成支撐輪轂而容許該輪轂繞該輪轂旋轉。定子可僅在與轉子主體所面向之側相對的一側上經支撐。
在一較佳配置中，除將定子支撐於轉子(在提供之情況下)之內周邊輪緣與外周邊輪緣之間之外，載體亦可相對於轉軸支撐電源及控制電路。
轉軸可包括一金屬組件(較佳鋁)，且可提供用於傳送積聚於電源電路及定子中之熱以傳遞至輪轂之外部的一路徑。
在提供兩個電路板之情況下，最靠近載體之板較佳承載電源電 路。承載控制電路之另一板可包含一角度位置感測器，其偵測轉子之主體之角度位置及因此旋轉移動。一磁體可固定至例如該轉子之主體，且感測器可為偵測磁體之通過之一霍爾效應(Hall Effect)感測器。可提供一個以上磁體以容許自感測器輸出一較高解析度位置信號，且類似地可提供一個以上霍爾效應感測器。
在一最佳配置中，電源及支撐電路可包括各自從載體突出於定子與轉子之內周邊輪緣之間的空間中之一或多個印刷電路板。一或多個螺栓可通過電路板或各電路板且在載體中之各自螺紋孔中接合。
載體可包括一輻(spider)，其具有使輻能夠例如藉由一壓合連接固定至轉軸之一中心孔，輻之各腿提供定子或電路之一定位點。載體可固定至轉軸而接近在支撐轉子之軸承外側的轉軸之一端。
載體可直接固定至繼而支撐電路之定子，或可直接固定至繼而支撐定子之電路。或載體可直接固定至定子及電路兩者。
輪轂可包括一兩件式殼，各部分具有一徑向延伸壁且由一軸承總成支撐。當在使用中時殼之兩個部分連接在一起以形成馬達定子、轉子、控制電路及齒輪箱之一保護蓋以免曝露於元件。另外，當然，當建立成一完整輪時，殼提供自輪轂至一輪之輪緣之連接。
輪轂總成之轉軸可具有介於60mm與150mm之間之一標稱軸向寬度。可提供74mm之一輪轂總成寬度。此容許輪轂總成裝配於一系列自行車上的一叉之臂之間而無需修改叉端之間的間距。即使本發明之轉軸不具有外部鎖定螺母，且代之具有由經形成朝向轉軸之各端且在使用中接觸叉端之內面或一自行車之勾爪(dropouts)或一車輛(諸如一輪椅或代步車)之等效支撐位置的徑向肩決定之一預設長度，此尺寸仍通常稱為輪轂之外鎖定螺母尺寸。
輪轂總成可包含用於將轉軸固定至一車輛之一支撐部分(諸如一自行車之一前叉)藉此限制轉軸相對於車輛之支撐部分旋轉之構件。
固定構件可包含一組固定螺母，轉軸之各端具有與螺母之螺紋互補的一螺紋延伸部分，螺紋部分之直徑經設計大小以通過定位於一自行車之一前叉之端處之標準叉端。此將容許將輪轂改裝至一系列不同的自行車而對叉具較少修改或不具修改。此螺紋部分通常可延伸超出輪轂總成之標稱寬度達10mm與20mm之間。
轉軸之螺紋端可各自具有介於7mm與20mm之間之一直徑，其中一8mm直徑或15mm直徑較佳用於輪轂總成與一自行車。
在待將電動驅動輪總成待裝配至一輪椅或代步車之情況下，轉軸可僅在一端處固定至車輛，在該情況中可僅需要一單一固定螺母且可僅在轉軸之一端上提供一螺紋延伸部。
輪轂可具有小於150mm且較佳小於或等於140mm之一外直徑。此小的直徑容許將輪轂裝配於一廣範圍的輪緣內，且藉由保持小型，可使輪轂總成之重量保持相對較低。
馬達之輸出可限於約250瓦特之一平均動力但馬達輸出可具有超過250瓦特之一峰值動力。
根據本發明之另一態樣，提供一種具有經配置以由一電動馬達驅動之一輪轂之車輛，該輪轂容置該電動馬達，該電動馬達包含一定子及可繞該定子旋轉之一轉子，其中該電動馬達之電源電路及控制電路經定位於該定子之周邊內。較佳地，該車輛具有至少一驅動輪，該輪包含支撐該輪轂之一轉軸及延伸至一周邊輪緣之支撐構件，該輪轂中定位有包括一無刷DC馬達之該電動馬達，及經配置以由該無刷DC馬達驅動以使該輪轂旋轉之一周轉減速齒輪總成。
有利地，無刷DC馬達具有由電源電路導出之動力，該電源電路包含安裝於圍繞該轉軸定位且完全在該定子之界限內的環形安裝構件上之一變流器或一脈衝寬度調變器(PWM)電路。
較佳地，該安裝構件係一印刷電路板(PCB)。
合宜地，藉由安裝於該印刷電路板上或亦圍繞該轉軸定位且完全在該轉子之界限內的另一環形印刷電路板上之一微控制器提供換向。
較佳地，在使用兩個印刷電路板之情況下，該印刷電路板及另一印刷電路板實質上以平行平面關係配置且電連接在一起。
有利地，印刷電路板及該另一印刷電路板各自雙側具有安裝於其等兩個主要平面表面上之組件。
輪轂可容置馬達之換向電路，其包括可安裝於電源電路之該印刷電路板上或亦圍繞該轉軸定位且完全在該轉子之界限內的另一環形印刷電路板上之一微控制器。該微控制器可形成電動輪轂馬達之控制電路之一部分。此另一印刷電路板亦可為環形的。
在使用兩個印刷電路板之情況下，該印刷電路板及另一印刷電路板實質上可以平行平面關係配置且電連接在一起。一印刷電路板可承載電源電路且另一印刷電路板承載控制電路。
馬達之轉子可包括支撐於定子之一外周邊表面周圍的之周向隔開位置處之複數個磁體，且該等磁體與該定子之間界定一氣隙。
馬達之轉子可由固定至轉軸之一對軸向隔開的軸承總成支撐。該等軸承總成可定位於定子之周邊內。
軸承座圈可各自包括一內座圈、一外座圈及將該內座圈連接至該外座圈之複數個軸承。軸承可包括球軸承或滾子(滾針)軸承。
可將內座圈及外座圈分別固定至轉軸及轉子，然而該等內座圈可沿總成之轉軸自由滑動且當由完整輪轂總成之相鄰零件使用時定位於適當位置中，以相對於轉軸軸向地定位轉子以及徑向地定位轉子。
轉子可包括：一徑向延伸主體，其具有轉軸通過之一中心開口；及一內支撐輪緣，其自位在或接近該主體之一最內圓周處的一位置延伸遠離，使得其沿轉軸軸向延伸通過電源及驅動電路與轉軸之 間，兩個軸承總成固定至轉子之內周邊輪緣。
兩個軸承總成可經定位而朝向內周邊輪緣之各自端。
轉子之主體可包括一平面盤，該平面盤在某些地方可經切除以減輕重量。主體可界定用於齒輪箱之輸入零件之複數個固定點。
轉子亦可包含一外周邊輪緣，其突出而遠離在主體之最外邊緣處或接近該最外邊緣的一區域使得其突出定子之一外周邊面，該外周邊輪緣承載與當馬達在操作中時由定子產生之一磁場互動之複數個轉子磁體。
外周邊輪緣可經定位而接近輪總成之輪轂之一內表面。
轉子主體及兩個輪緣可包括可以一扁平的胚件開始使用一深引伸程序產生之一單壓組件。
使用固定至轉軸之軸承將轉子定位於定子之周邊內及電源及控制電路之周邊內的位置處確保可使輪轂總成之總寬度保持低同時提供對轉子之一穩定支撐。
轉子主體可夾置於定子與齒輪箱之間且主體可沿輪轂總成之轉軸大約定位於中間。
定子可藉由經定位而朝向轉軸之一端的一載體固定至轉軸。該載體繼而可支撐一軸承總成，該軸承總成支撐輪轂而容許輪轂繞轉軸旋轉。定子可僅在與轉子主體所面向之側相對的一側上經支撐。
在一較佳配置中，除將定子支撐於轉子(在提供之情況下)之內周邊輪緣與外周邊輪緣之間之外，載體亦可相對於轉軸支撐電源及控制電路。
轉軸可包括一金屬組件(較佳鋁)，且可提供用於傳送積聚於電源電路及定子中之熱以傳遞至輪轂總成之外部的一路徑。
在提供兩個電路板之情況下，最靠近載體之板較佳承載電源電路。承載控制電路之另一板可包含一角度位置感測器，其偵測轉子之 主體之角度位置及因此旋轉移動。一磁體可固定至例如轉子之主體，且感測器可為偵測磁體之通過之一霍爾效應感測器。可提供一個以上磁體以容許自感測器輸出一較高解析度位置信號，且類似地可提供一個以上霍爾效應感測器。
在一最佳配置中，電源及支撐電路可包括各自從載體突出於定子與轉子之內周邊輪緣之間的空間中之一或多個印刷電路板。一或多個螺栓可通過電路板或各電路板且在載體中之各自螺紋孔中接合。
載體可包括一輻，其具有使輻能夠例如藉由一壓合連接固定至轉軸之一中心孔，輻之各腿提供定子或電路之一定位點。載體可固定至轉軸而接近在支撐轉子之軸承外側的轉軸之一端。
載體可直接固定至繼而支撐電路之定子，或可直接固定至繼而支撐定子之電路。或載體可直接固定至定子及電路兩者。
較佳地，該車輛係一自行車，合宜地一摺疊自行車，且該驅動輪係其之前輪。車輛替代地可為一輪椅、小輪機踏車或一代步車。
有利地，在車輛係一自行車之情況下，車輛可包含安裝於前輪上方之一掛籃，該掛籃經配置以裝納一電池、一電池充電器及用於電池充電器之控制電子器件之至少一者。
合宜地，掛籃可從自行車卸離。其可例如固定至一固定裝置，該固定裝置固定至自行車之一頭管。
車輛可包含一增補控制器，其固定至車輛且包含用於電連接至電池之至少一輸入埠及用於連接至輪轂之至少一輸出埠。控制器可提供系統之不同零件之間(例如，輪轂及電池與電池控制器之間)之一些控制，且可包含能夠輸出適於經由一CAN匯流排傳輸之一多工信號之一處理器。
增補控制器可包含在使用中監測系統之一或多個零件(諸如輪轂馬達)之操作且將診斷資訊提供給使用者之一診斷電路。其可例如包 含照明以指示故障或維修系統之一需求的一或多個燈。供應一監督控制器容許至整體系統之一混合及匹配方法，其中如所需可換出且替換電池及輪轂。
控制器可包含用於連接至車輛之一前及/或後燈之另一埠，而容許電池供能給燈以及輪轂。
控制器可方便地固定至自行車之車架，例如至自行車之頭管。
控制器可包含用於連接至一使用者可操作開關之另一埠，藉此使用者可控制輪轂及/或一電池之操作之至少一部分。
在提供一扭矩感測器或力感測器之情況下，控制器可包含用於自扭矩感測器接收信號之一輸入端。
控制器可藉由一單一多芯電纜連接至輪轂，該電纜之各芯攜載以下信號之一者：
-車輛速度
-使用者(例如，騎乘者)施加之扭矩或力
-腳踏速度
-自電池至輪轂電路之電力
-自輪轂至電池或至一接地點之返回連接
最佳地，電纜具有四個芯；兩個芯攜載電力，一芯攜載自監督控制器至輪轂之控制電路之多工控制信號，其等指示車輛速度、腳踏速度及使用者施加之扭矩或力之至少一者，且另一芯接收自輪轂之控制電路傳輸之控制信號。
增補控制器可包含用於產生傳輸至輪轂之多工信號且用於自輪轂接收多工信號之一處理器。
合宜地，可提供一速度感測器以判定自行車之腳踏速度，且一速度控制電纜自其延伸至該電動馬達以控制馬達速度。代替此電纜，信號可由增補控制器多工且跨多芯電纜之一導體傳輸。
在偵測到一非零速度或速度超過某一預定義非零值或如自經量測速度判定之加速度超過一預定義位準之事件中，馬達可施加一輔助扭矩。當未滿足此等條件時，可未提供輔助。馬達因此未施加完全輔助，而是幫助使用者(可能一輪椅使用者或一自行車騎乘者)供能給輪椅或自行車。
系統可包含一力感測器或扭矩感測構件，其用於感測車輛之使用者(例如，一自行車之騎乘者)已將一驅動力或扭矩施加至車輛。增補控制器(在提供之情況下)之處理器可執行接收力信號或扭矩信號且將信號傳輸至輪轂(可能與其他信號多工)之功能。
例如，可提供用於感測由一騎乘者施加至踏板的作用力之一扭矩感測器。扭矩感測器可與車輛之一底部托架總成相關聯且可包含一或多個應變計。
輪轂馬達可經組態以在由騎乘者施加之扭矩滿足一或多個預定義準則之事件中提供一輔助扭矩，且否則可不施加任何輔助扭矩。馬達因此將輔助騎乘者而非向車輛提供唯一動力源。
輪轂馬達可為可組態的，以提供對一輸入扭矩之一使用者定義之回應，而容許使用者選擇更多或更少量的輔助且每當偵測到對扭矩之一增加的需求時更漸進地或積極地增加輔助。
在另一態樣中，本發明提供一種包含本發明之第一態樣之一輪轂總成之一輪，該輪包括一輪緣、該輪轂總成及將該輪緣連接至該輪轂總成之複數個輪輻。輪中可存在介於16個與40個之間之輪輻。
輪可具有介於20英寸(51cm)與28英寸(71cm)之間之一外輪緣直徑，且可適用於一自行車或一輪椅。輪緣直徑之較佳直徑係20英寸、24英寸、26英寸、27英寸及650cc及700cc。此等大小對應於自行車及輪椅之標準輪大小。
根據本發明之又一態樣，提供一種用於定位於一車輛之一從動 輪之一輪轂中的電動驅動輪轂系統，其包含包括一馬達之一電動驅動輪轂總成，該馬達具有一定子及一轉子，該轉子可繞該定子旋轉，其中該馬達之電源電路及控制電路定位於該定子之周邊內，該系統進一步包含一電池及一監督控制器及將該監督控制器連接至該電動驅動輪轂總成之一多芯電纜。
根據又一態樣，提供一種用於將一無動力自行車、小輪機踏車或輪椅轉換為電動輔助之零件套組，該套組包括以下之至少兩者：根據第一態樣之一電動驅動輪轂總成、包含至少一電池之一電池組及用於將輪轂連接至電池之至少一電纜。
套組進一步可包含一速度感測器及一扭矩感測器之至少一者。可提供用於一或多個電纜以將感測器或各感測器直接或間接連接至輪轂。
電動驅動輪轂總成可形成一自行車之一前輪之一部分。
套組可包含一監督控制器，其形成一接線盒以將套組之零件連接在一起。
藉由將本發明之套組添加至一正常無輔助自行車，提供可輔助一騎乘者以一更舒適且較不勞累方式旅行之一全電動輔助自行車。
較佳地，該輪轂中定位有包括一無刷DC馬達之該電動馬達及經配置以由該無刷DC馬達驅動以使該輪轂旋轉之一周轉減速齒輪總成。
在圖中，相似元件符號表示相似零件。
圖1中所示之一腳踏自行車具有一車架1，該車架1包含一前豎管2，一軸桿自一對手把3延伸穿過該前豎管2而至其間定位一前輪5之一對前叉4，該前輪5具有包括一輪轂18之一電動驅動輪轂系統30，該輪轂18容置一輪轂馬達31及周轉減速齒輪總成32(參見圖2及圖3)。朝向車架之後方，一對後叉6及翼桿(limb)7接合在一起以形成一後輪9之一輪軸8之一位置。後輪具有由安裝於一鏈輪12上之一鏈條11驅動之一後鏈齒10，該鏈輪12由各自由曲柄14與鏈輪互連之踏板13驅動。自行車具有用於一騎乘者之一車座15。經配置以可從自行車卸離之一掛籃16安裝於豎管2上。雖然掛籃16為穩定性較佳定位於豎管2上，但掛籃替代地可連接至手把及/或前叉4。掛籃經配置以容置由一多芯電纜75(圖1中未展示)連接至輪轂馬達31之一電源，包含一電池、一電池充電器及充電器控制電子器件(未單獨展示)。一通-斷開關及一速度控制節流閥及腳踏速度感測器(未單獨展示)可提供於自行車上或掛籃中。自行車亦可具有用於感測由一騎乘者施加至踏板13的作用力之一扭矩感測器，該扭矩感測器與判定踏板之旋轉速度之腳踏速度感測器結合可用以將輸入信號供應至控制邏輯以判定何時需要或無需來自輪轂馬達之原動力。
前輪5具有一轉軸17，其充當用於將輪支撐於前叉4之間之一輪 軸，且提供支撐構件之一徑向內端位置的輪轂18可繞轉軸17旋轉，該等支撐構件可為例如在其等徑向外端處連接至輪5之一輪緣20之輪輻19，輪緣定位一輪胎21。類似地，後輪9之輪軸8支撐定位後輪輻23之一徑向內端之一輪轂22及定位一輪胎25之一後輪緣24。
參考圖2，展示定位於前叉4之間之電動馬達31之部分橫截面視圖，且輪(圖2中未展示)由轉軸17安裝於叉之間且由固定螺母27固持於適當位置中。
如圖3中所示，包含電動馬達(即輪轂馬達31)及周轉減速齒輪總成32之電動驅動輪轂系統30容置於在前叉4之空間內的輪轂18中。
滾球軸承座圈34及35圍繞轉軸17定位，座圈34可旋轉地支撐形成輪轂18之一可移除端蓋之周轉減速齒輪總成32之一碟形蓋36。軸承總成35支撐主輪轂部分18。輪轂馬達31定位於輪轂18內。輪轂18具有周邊隔開之臂37，其等各者內之孔隙用於定位輪輻19之一徑向內端。
輪轂馬達31具有軟鐵定子40及可為三相或五相類型之一系列定子繞組41，但若為三相，則其等由繞定子周向隔開之三組六個線圈對構成以提供一個十八極機器。定子繞組可纏繞成星形或三角形組態，如本身已知。
一永久磁體轉子具有圍繞固定至周轉減速齒輪總成32之一太陽齒輪51的一轉子本體43之周邊配置之十六個交替南北永久磁體42。定子40定位於一定子外殼44或載體內。
更詳細言之，磁體42由自轉子之一主體43突出之轉子之一最外周邊輪緣43a支撐。主體43包括在中心具有轉軸自由通過之一孔之一盤。一內周邊輪緣43b自盤突出且沿轉軸延伸以佔用電路板與轉軸17之間的一空間。兩個隔開的軸承總成45相對於轉軸支撐轉子，經定位而朝向內周邊輪緣之相對端。主體及內周邊輪緣在一起形成轉子之一輪轂。
周轉減速齒輪總成包括太陽齒輪51及可旋轉地承載行星減速齒輪53之一行星齒輪載體52，齒輪53之較小直徑部分與一環狀行星齒輪54之內齒接合。行星減速齒輪53之較大直徑齒與太陽齒輪51接合。行星齒輪53之各者安裝於一輪軸55上且行星齒輪載體52保持靜止，使得隨著輪轂馬達31之輪轂18旋轉其因此使與行星減速齒輪53嚙合之太陽齒輪51旋轉，該等行星減速齒輪53繼而使環狀行星齒輪54及因此輪轉輪轂18、22旋轉。
因此，將瞭解，由定子40產生之EMF將電磁推斥動力換向地提供至轉子磁體42以使輪轂之主體43旋轉。此使太陽齒輪51旋轉，繼而使行星齒輪53及環齒輪旋轉。相較於藉由輪轂馬達直接驅動，行星減速齒輪53之齒輪傳動可增加馬達速度達3：1、4：1或5：1之一比率。此齒輪傳動顯著改良一給定馬達大小之輪轂馬達的效率及動力輸出兩者。因此，克服針對動力及電能效率兩者在其等有效率速度之下運行之直接驅動馬達之缺點，且歸因於齒輪傳動可採用一較小輪轂馬達。
為驅動無刷DC輪轂馬達，藉由一變流器(諸如藉由脈衝寬度調變(PWM)電路)將來自定位於掛籃16中的一電池之電流自DC轉換成AC，藉此PWM波形之標間比率之脈衝寬度控制輪轂馬達之速度。
迄今，已知將PWM組件及控制電子器件提供於車架上或定位於一自行車之後輪上方的行李架上或裝配於手把之間的一掛籃中。然而，歸因於由電纜在1米至1.5米之一距離內傳導至輪轂馬達定子繞組之高電流及高切換頻率，此一已知配置產生問題且引入不良的效率。
因此，在本發明中，將PWM組件及控制電子器件定位於位在定子之周邊界限內的一或多個印刷電路板上。控制邏輯及通信電路連同溫度感測器及速度及位置感測器一起全部定位於前述(若干)印刷電路板上。
因此，參考圖7(a)至圖7(c)，一電源印刷電路板70含有PWM積體 電路且印刷電路板71含有控制及邏輯電路。控制邏輯印刷電路板71安裝控制邏輯積體電路72，且輸出動力電晶體73圍繞印刷電路板70之周邊定位以最小化至定子繞組之導體長度。印刷電路板70及71由一對多接腳連接器74互連。印刷電路板71具有經部分切除以有利於多芯電纜75自掛籃16之饋送至印刷電路板70之其之一外邊緣。四個導線中含有用於輪轂馬達之電源及控制之多芯電纜，即正及負電源以及一控制區域網路BUS(高及低)。
雖然在例示性實施例中展示兩個印刷電路板，但應瞭解，在可能之情況下組件可安裝於一單一印刷電路板上。
因此，將可見，在本發明中，電源變流器(或PWM)、電源驅動電路及邏輯控制電路安裝於定位在輪轂內的一或多個印刷電路板上，藉此最大化電效率及空間利用率。
藉由將變流器/PWM及邏輯電路放置於輪轂內，達成變流器/PWM與定子繞組之間的電纜長度之一顯著縮減。在本發明中，輸出相電晶體開關之引線直接連接至圍繞電源印刷電路板73之邊緣定位的定子繞組。
將控制邏輯程式化為安裝於具有位置感測器、電流及電壓感測器之邏輯印刷電路板71上之積體電路72。藉由用一電腦區域網路邏輯BUS控制積體電路72，將至輪轂中之導線的數目自十二個或十四個減低至四個。藉由將電池及充電器定位於掛籃內，使能夠卸下掛籃而進行妥善保管或在一方便的位置(諸如在家中或在一辦公室中)對電池充電。至或來自輪轂之信號沿在其自由端處連接至固定至車輛的一增補控制器80之多芯電纜引線75流動。在此實例中，增補控制器固定至掛籃16下方之自行車之頭管2。增補控制器形成一接線盒而將輪轂、電池及電池控制器與扭矩/腳踏速度感測器互連。
電池可為24伏特、36伏特、42伏特或48伏特之任一者。
輪轂馬達31可為約200瓦特至500瓦特之相對較低動力，但如所需可更大，例如，800瓦特。
在上述實施例中，輪轂馬達定位於一自行車之前輪中且取代習知輪轂，藉此容許輪輻安裝至輪轂之外邊緣上且支撐自行車之前輪輪緣。然而，輪轂馬達可定位於後輪之輪轂中或配置以驅動至後輪之一鏈條。控制電路可經配置以藉由監測一騎乘者之腳踏力輸入而將一扭矩升高提供給騎乘者，且如所需供應升高扭矩。
藉由減少電纜連接之數目，本發明具有減少電纜所需之空間量且減少電干擾之優點。
本發明針對小型或摺疊自行車具有特定效用，但熟習此項技術者將瞭解，本發明有利地可於其中空間及/或接達有限且其中應最小化電氣高頻干擾之情境中使用。
1‧‧‧車架
2‧‧‧前豎管/頭管
3‧‧‧手把
4‧‧‧前叉
5‧‧‧前輪
6‧‧‧後叉
7‧‧‧翼桿
8‧‧‧輪軸
9‧‧‧後輪
10‧‧‧後鏈齒
11‧‧‧鏈條
12‧‧‧鏈輪
13‧‧‧踏板
14‧‧‧曲柄
15‧‧‧車座
16‧‧‧掛籃
17‧‧‧轉軸
18‧‧‧輪轂/主輪轂部分
19‧‧‧輪輻
20‧‧‧輪緣
21‧‧‧輪胎
22‧‧‧輪轂
23‧‧‧後輪輻
24‧‧‧後輪緣
25‧‧‧輪胎
27‧‧‧固定螺母
30‧‧‧電動驅動輪轂系統
31‧‧‧輪轂馬達/電動馬達
32‧‧‧周轉減速齒輪總成/周轉齒輪系統
34‧‧‧滾球軸承座圈
35‧‧‧滾球軸承座圈/軸承總成
36‧‧‧蓋
37‧‧‧臂
40‧‧‧定子
41‧‧‧定子繞組
42‧‧‧轉子/轉子磁體
43‧‧‧轉子本體/轉子之主體
43a‧‧‧最外周邊輪緣
43b‧‧‧內周邊輪緣
44‧‧‧定子外殼
45‧‧‧軸承總成
51‧‧‧太陽齒輪
52‧‧‧行星齒輪載體
53‧‧‧行星減速齒輪
54‧‧‧環狀行星齒輪
55‧‧‧輪軸
70‧‧‧電源印刷電路板
71‧‧‧控制邏輯印刷電路板
72‧‧‧控制邏輯積體電路
73‧‧‧輸出動力電晶體
74‧‧‧連接器
75‧‧‧多芯電纜/多芯電纜引線
80‧‧‧增補控制器
現將參考隨附圖式以實例之方式描述本發明，其中：圖1展示根據本發明之一應用之一自行車之一側視圖，圖2展示本發明中所使用之容置於一輪轂中且定位於一自行車之前叉之間的一電動馬達之一橫截面視圖，圖3展示本發明中所採用之包含一馬達及周轉減速齒輪總成之一 電動驅動輪轂系統之一部分橫截面視圖，圖4展示減速齒輪總成之一透視圖，圖5展示容置於一輪轂中之電動馬達、轉子及定子之一透視圖，圖6展示根據本發明之一電動驅動輪轂總成之一分解圖，圖7(a)展示本發明中所使用之一對印刷電路板之一透視圖，圖7(b)展示圖7(a)中所示之印刷電路板之各者之一正視圖，及圖7(c)展示圖7(a)中所示之印刷電路板之一後視圖。
4‧‧‧前叉
17‧‧‧轉軸
27‧‧‧固定螺母
31‧‧‧輪轂馬達/電動馬達
32‧‧‧周轉減速齒輪總成/周轉齒輪系統
75‧‧‧多芯電纜/多芯電纜引線

Claims (15)

  1. 一種用於一電動輔助車輛之電動驅動輪轂總成，其包括容置一電動馬達之一輪轂，該電動馬達包含一定子及可繞該定子旋轉之一轉子，其中該電動馬達之電源電路及控制電路定位於該定子之周邊內。
  2. 如請求項1之電動驅動輪轂總成，其中該車輛具有至少一驅動輪，該輪包含支撐該輪轂之一轉軸及延伸至一周邊輪緣之支撐構件，該輪轂中定位有包括一無刷DC馬達之該電動馬達及經配置以由該無刷DC馬達驅動以使該輪轂旋轉之一周轉減速齒輪總成。
  3. 如請求項2之車輛之電動驅動輪轂總成，其中該無刷DC馬達具有由該電源電路導出之動力，該電源電路包含經安裝於圍繞該轉軸定位且完全在該定子之界限內的環形安裝構件上之一變流器或一脈衝寬度調變器(PWM)電路。
  4. 如請求項3之車輛之電動驅動輪轂總成，其中該安裝構件係一印刷電路板(PCB)。
  5. 如請求項4之車輛之電動驅動輪轂總成，其中藉由一微控制器提供換向，該微控制器安裝於該印刷電路板上或亦圍繞該轉軸定位且完全在該轉子之該界限內的另一環形印刷電路板上。
  6. 如請求項4之車輛之電動驅動輪轂總成，其中使用兩個印刷電路板，且該印刷電路板及另一印刷電路板實質上以平行平面關係配置且電連接在一起。
  7. 如請求項6之車輛之電動驅動輪轂總成，其中該印刷電路板及該另一印刷電路板各自雙側具有安裝於其等兩個主要平面表面上之組件。
  8. 如請求項1之車輛之電動驅動輪轂總成，其中該馬達之該轉子包括支撐於該定子之一外周邊表面周圍的周向隔開位置處之複數個磁體，該等磁體與該定子之間界定一氣隙。
  9. 如請求項1之車輛之電動驅動輪轂總成，其中該馬達之該轉子由固定至該轉軸且定位於該定子之該周邊內的一對軸向隔開之軸承總成支撐。
  10. 如請求項9之車輛之電動驅動輪轂總成，其中該轉子包括：一徑向延伸主體，其具有該轉軸通過之一中心開口；及一內支撐輪緣，其自位在或接近該主體之一最內圓周處的一位置延伸遠離，使得其沿該轉軸軸向延伸通過該電源及驅動電路與該轉軸之間，該兩個軸承總成固定至該轉子之該內支撐輪緣。
  11. 如請求項1之車輛之電動驅動輪轂總成，其中該定子由經定位而朝向該轉軸之一端的一載體固定至該轉軸，且其中該載體支撐一軸承總成，該軸承總成支撐該輪轂而容許該輪轂繞該轉軸旋轉。
  12. 如請求項11之車輛之電動驅動輪轂總成，其中該定子僅在與該轉子主體所面向之側相對的一側上經支撐。
  13. 一種具有經配置以由一電動馬達驅動之一輪轂之車輛，該輪轂容置該電動馬達，該電動馬達包含一定子及可繞該定子旋轉之一轉子，其中該電動馬達之電源電路及控制電路定位於該定子之周邊內。
  14. 如請求項13之車輛，其中該車輛具有至少一驅動輪，該輪包含支撐該輪轂之一轉軸及延伸至一周邊輪緣之支撐構件，該輪轂中定位有包括一無刷DC馬達之該電動馬達及經配置以由該無刷DC馬達驅動以使該輪轂旋轉之一周轉減速齒輪總成。
  15. 如請求項14之車輛，其中該無刷DC馬達具有由該電源電路導 出之動力，該電源電路包含安裝於圍繞該轉軸定位且完全在該定子之界限內的環形安裝構件上之一變流器或一脈衝寬度調變器(PWM)電路。
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