TW201808718A - 輪轂式馬達減速機 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種輪轂式馬達減速機，包括在一機殼內配置一位於內層之馬達及一位於外圍之行星齒輪系，特別是該馬達轉子與該行星齒輪組結合而成一環形轉子，使該行星齒輪系包括有與馬達轉子同步公轉之至少一個行星齒輪組及分別環繞並嚙觸行星齒輪組的一固定內齒輪環及一作為輸出的另一活動內齒輪環；當環形轉子轉動時帶動該行星齒輪組公轉並能經由固定內齒輪環導持使行星齒輪組自轉，進而帶動活動內齒輪環減速輸出，藉以改善傳統輪轂馬達減速機僅能輸出有限的減速比，以及整體配置空間暨體積難以有效縮減的問題。

Description

輪轂式馬達減速機
本發明涉及馬達及齒輪減速機構的組合技術，特別有關一種輪轂式馬達減速機。
馬達減速機(geared motor)是一種結合電動馬達和齒輪減速機構，或非齒輪減速機而成的一體式動力驅動裝置。一般馬達在相同驅動電壓情況下，若要有低轉速高扭力輸出，體積通常都會相對比較大，而且製作成本也高，若是高轉速低扭力輸出，則體積通常都會相對比較小，而且製作成本也低，而馬達減速機允許馬達在生成高轉速低扭力情況下透過減速機轉換成低轉速高扭力，在相對較小體積下提供較大的扭力輸出，而組裝於載具輪子上的輪轂馬達也具有同樣特性。
傳統的輪轂式馬達設計有內轉式也有外轉式，因輪轂之使用係圍繞一固定軸而旋轉，若使用內轉式之馬達，不管是否有減速機，均須將馬達外圍定子固定於一基架上，再將轉子之動能透過曲折之機構先向側面延伸，再向輻射方向向外擴展，再與輪框固接，可見其機構安排非常複雜。所以輪轂馬達的使用方式以外轉式較佳，此種使用方式可見揭露於例如是美國專利公告第6286616、6580188號，以及歐洲專利公告第EP1137154號等專利文獻中，其共同教示應用輪轂馬達於自行車上充當動力輔助器，以便於減輕騎乘者踩踏時的體力負荷，但上述專利並不具備減速機，所以尺寸相對 較大，轉動慣量也大，並不利於騎乘者操控，馬達製作成本也高。
美國專利公告第3812928、7357743、7472770號以及中華民國專利公告第501330號專利文獻教示一種外轉式馬達並向側面串接減速機之輪轂馬達減速機(Hub geared motor)，此方式雖然可以縮小徑向尺寸，但軸向尺寸卻大幅增加，對於軸向長度有所限制的腳踏車或機車而言，並不合適。
另外，美國專利公告第8245804號專利文獻教示一種外轉式馬達，其在定子內緣一側配置一太陽齒輪，另一側配置內齒輪環，內齒輪環與輪轂機殼固設，而在定子基座連接板上組設惰輪，太陽齒輪與內齒輪環分別與惰輪嚙觸，而能將轉子動能藉由側板傳至定子內側之太陽齒輪，再藉由惰輪傳至內齒輪環而至輪轂機殼，其軸向尺寸雖然可以大幅縮小，但其轉子另一側卻須大尺寸之止推軸承護持，其加工精度非常高，而且製作成本非常昂貴，組裝非常困難。另外，內齒輪環齒數與太陽齒輪齒數差異不大，減速比很小。
有鑑於此，本發明之目的旨在提供一種輪轂式馬達減速機，特別是一種在馬達外圍設置減速機之一種設計，用以改善傳統輪轂馬達減速機，其整體配置空間暨體積難以有效縮減的問題，尤其是軸向長度縮減的問題，以及加工精度太高，成本太貴，減速比不足的問題。
為了實現上述目的並解決問題，本發明提供一種較佳實施例，其技術手段包括：具有一作為動力輸出的輪轂機殼，配置於一作為固定端的支撐軸上，該輪轂機殼內配置包括：一馬達及一行星齒輪系；該馬達具有位於該機殼最內層並與支撐軸固接的一定子，及環繞定子並受定子驅動的馬達轉子，該定子上配置有多個漆包線繞組；該行星齒輪系環 繞於轉子外圍，包含：至少一行星齒輪組，及分別配置於行星齒輪組外緣的一固定內齒輪環與一活動內齒輪環，該活動內齒輪環能單向或雙向的與輪轂機殼連動；其中：該行星齒輪組與馬達轉子結合成一環形轉子，該行星齒輪組分別等間隔配置於該馬達轉子的外圍，該行星齒輪組分別具有同軸心樞接並且串列的一第一行星齒輪及一第二行星齒輪，該第一行星齒輪相嚙於固定內齒輪環，該第二行星齒輪相嚙於活動內齒輪環：該第一行星齒輪與第二行星齒輪的齒數相同，該固定內齒輪環與活動內齒輪環的齒數排除相同，且該固定內齒輪環與活動內齒輪環的齒數差為行星齒輪數量的整數倍。依此，該馬達轉子能驅使該第一行星齒輪與第二行星齒輪同步自轉並繞行支撐軸公轉，進而驅使活動內齒輪環連同輪轂機殼產生減速輸出。
上述實施例中，所述馬達特別是指一種外轉式直流無刷馬達(out runner brushless direct current motor)。所述定子係由多槽導磁鋼片堆與依序繞組於槽內的漆包線繞組組合而成，由控制器及電源供應單元依序對漆包線繞組通電；馬達轉子環繞於該定子外圍，係由永久磁鐵、磁鐵環座組合而成；永久磁鐵所產生之磁力線與漆包線繞組之電流依安培定律互相作用，即可推動馬達轉子旋轉，此為熟知馬達原理者所應理解的普通知識。
上述實施例中，更進一步的，還包括：該行星齒輪組與該馬達轉子經由兩個承載側板相互結合成一環形轉子。
該固定內齒輪環與活動內齒輪環的齒數排除相同。進一步的，該固定內齒輪環與活動內齒輪環的齒數差與行星齒輪數量相同。
該第一行星齒輪與第二行星齒輪的模數排除相同，該固定內齒輪環與第一行星齒輪模數相同，且該活動內齒輪環與第二行星齒輪模數相同。
該固定內齒輪環組與支撐軸之間分別交互形成多個齒狀部相互嵌接而固定。
該行星齒輪組配置於所述兩個承載側板之間，該承載側板定位該行星齒輪組中的各第一行星齒輪與各第二行星齒輪同步隨馬達轉子繞行支撐軸公轉。其中，該行星齒輪組中的第一行星齒輪與第二行星齒輪同軸樞接於一行星齒輪軸上，所述兩個承載側板的盤面提供所述多支行星齒輪軸的雙端等間隔固定。
所述兩個承載側板分別具有一中心孔，該環形轉子經由所述兩個中心孔中配置至少一軸承而與支撐軸樞接，該環形轉子並繞行支撐軸而旋轉。
該活動內齒輪環固接於輪轂機殼，該活動內齒輪環能順時針轉及逆時針轉的雙向連動輪轂機殼。
該活動內齒輪環經由棘輪與輪轂機殼連接，該活動內齒輪環能順時針轉或逆時針轉的單向連動輪轂機殼。
依本發明上述實施例，其技術上的創意暨效果在於：第一，藉由兩個承載側板將多個行星齒輪組與馬達轉子結合成一環形轉子；第二，本發明之行星齒輪系並不具備傳統行星齒輪系的太陽齒輪，但多了一個內齒輪環，所以具備兩個內齒輪環，而將其中一個內齒輪環作為輸出之用，並將兩個內齒輪環配置於環型轉子外圍；第三，因本發明之減速比來自活動內齒輪環齒數與兩個內齒輪環齒數差之比，在行星齒輪系中內齒輪環又為齒數最多的齒輪。在此相對配置下，可在有效空間內大幅增加減速比，進而縮減馬達減速機的整體配置空間暨體積，尤其軸向尺寸更是大幅縮短。
此外，有關本發明可供據以實施的相關技術細節，將在後續的實施方式及圖式中加以闡述。
10、100‧‧‧輪轂機殼
11‧‧‧第一殼蓋
11a‧‧‧通孔
11b‧‧‧鉚釘孔
12‧‧‧第二殼蓋
12a‧‧‧通孔
12b、12c‧‧‧鉚釘孔
13、130‧‧‧殼環
13a‧‧‧法蘭
13b‧‧‧鉚釘孔
14‧‧‧容置室
15‧‧‧軸承
20‧‧‧馬達
21‧‧‧環形轉子
22‧‧‧馬達轉子
22a‧‧‧永久磁鐵
22b‧‧‧磁鐵環座
22c‧‧‧螺孔
23‧‧‧定子
24‧‧‧承載環
24a‧‧‧通孔
24b‧‧‧軸孔
24c‧‧‧中心孔
25‧‧‧螺絲
26‧‧‧軸承
30‧‧‧行星齒輪系
31‧‧‧固定內齒輪環組
31a‧‧‧固定內齒輪環
31b‧‧‧圓盤
31c‧‧‧齒狀部
32、320‧‧‧活動內齒輪環
32a‧‧‧鉚釘孔
33‧‧‧行星齒輪組
33a‧‧‧第一行星齒輪
33b‧‧‧第二行星齒輪
34‧‧‧行星齒輪軸
35‧‧‧軸承
40‧‧‧支撐軸
40a‧‧‧齒狀部
50‧‧‧鉚釘
60‧‧‧棘輪組
61‧‧‧棘輪
61a‧‧‧棘齒
61b‧‧‧受力部
61c‧‧‧順導部
62‧‧‧棘爪座
63‧‧‧彈片座
64‧‧‧棘爪
64a‧‧‧頂持部
65‧‧‧彈性元件
圖1是本發明一種實施例的立體分解圖。
圖2是圖1組立後的正視圖。
圖3是圖3中A-A斷面的剖視圖。
圖4是本發明環形轉子斷面剖視圖。
圖5是本發明另一種實施例的部分立體分解圖。
圖6是圖5的斷面剖視圖。
圖7是圖6中棘輪組的正視圖。
圖8是圖7的逆時針動作視圖。
圖9是圖7的順時針動作視圖。
首先，請合併參閱圖1至圖3，揭露本發明第一種較佳實施例的配置細節，說明本發明所提供之輪轂式馬達減速機，其結構組成包括有一輪轂機殼10、一馬達20、一行星齒輪系30及一支撐軸40。
支撐軸40固定於外部載具之基架(圖未顯示)上，作為輪轂馬達減速機之固定端。由圖1及圖3可見悉該輪轂機殼10是由第一殼蓋11、第二殼蓋12及殼環13相對鉚接拼合而成，使輪轂機殼10內部形成一容置室14，用以包覆並容置馬達20及行星齒輪系30。第一殼蓋11及第二殼蓋12端面外緣各自形成多數個鉚釘孔11b、12b，殼環13兩側法蘭13a上相對也形成鉚釘孔13b，第一殼蓋11、第二殼蓋12與殼環13藉由鉚釘50鉚組成輪轂機殼10；第一殼蓋11、第二殼蓋12中心各自形成一通孔11a、12a，並藉由軸承15樞接於支撐軸40上，使輪轂機殼10得到穩固支撐。
上述馬達20實施上為一外轉式無刷馬達，為輪轂馬達減速機之動力源。馬達20的組成包括有內環的一定子23，及環繞定子23的一馬達轉子22；該定子23與支撐軸40固接，該馬達轉子22受兩側二承載側板24固持而與支撐軸40樞接，兩個承載側板24之其他功能容後詳述。該馬達轉子22內層配置有永久磁鐵22a，包含至少一N極與一S極所成的一極對，其N極與S極相鄰配置成一環狀並緊貼固定於磁鐵環座22b內徑表面。該定子23係由多槽之導磁鋼片堆與漆包線繞組組合而成(圖未顯示)，並接受控制器與電源供應器依特定邏輯依序對漆包線繞組供電。依安培定律，上述定子上的漆包線繞組經通電與永久磁鐵22a的磁力線作用而驅動馬達轉子22產生旋轉運動，以生成馬達20的動力源。
上述磁鐵環座22b兩側各自形成多數螺孔22c，位於兩側之承載側板24相對應處形成多數通孔24a，藉由螺絲25將磁鐵環座22b與兩側之承載側板24螺組在一起。
由圖1及圖3中還可見悉上述行星齒輪系30的配置細節，該行星齒輪系30包含有一固定內齒輪環31a、一活動內齒輪環32、及至少一行星齒輪組33(可為多個)。
上述活動內齒輪環32端面形成多數鉚釘孔32a，第二殼蓋12相對應處也形成多數鉚釘孔12c，藉由鉚釘50將活動內齒輪環32鉚接固定於第二殼蓋12上，因此，當活動內齒輪環32轉動時會同步帶動輪轂機殼10轉動。上述固定內齒輪環31a，藉由一圓盤31b固定於支撐軸40的外圍表面上；實施上，支撐軸40的外圍表面上形成有一齒狀部40a，圓盤31b中央也相對形成一齒狀部31c，兩者藉齒狀部40a與31c軸接固定而成一體。而固定內齒輪環31a、圓盤31b、齒狀部31c可一體加工成型而成固定內齒輪環組31。
上述的行星齒輪組33實施上可為5組，並且分別以等間隔方式配置於該活動內齒輪環32與固定內齒輪環 31a的內緣；所述等間隔方式，實施上是利用兩個承載側板24配置於所述多個行星齒輪組33的雙側，憑藉所述的兩個承載側板24來定位所述多個行星齒輪組33以等圓周之相同弧距的方式間隔配置於活動內齒輪環32與固定內齒輪環31a的內緣。
上述每一行星齒輪組33都包含一第一行星齒輪33a及一第二行星齒輪33b且串列成一體；一行星齒輪軸34穿設於行星齒輪組33中心，一軸承35套設於該行星齒輪軸34與行星齒輪組33之間而相互樞接，且所述兩個承載側板24的盤面上等間隔的開設有相等於行星齒輪組33數量的軸孔24b，用以提供所述行星齒輪軸34的雙端等間隔固定在軸孔24b內而成一組件。
如前所述，再請配合圖4，說明當螺絲25將磁鐵環座22b與兩側之承載側板24螺組在一起時，憑藉所述的兩個承載側板24來定位所述多個行星齒輪組33，並藉由磁鐵環座22b以適當的距離隔開兩個承載側板24，使行星齒輪組33不被夾緊的定位在兩個承載側板24之間，而可在行星齒輪軸34支撐下自由旋轉。如此而將馬達轉子22、多個行星齒輪組33、行星齒輪軸34、軸承35等接受兩個承載側板24支撐及定位而組成一環形轉子21。此外，承載側板24中心形成一中心孔24c，並藉由軸承26樞接於支撐軸40，而可使環形轉子21在支撐軸40上穩定旋轉。依此，多個行星齒輪組33便能隨環形轉子同步繞行支撐軸40公轉。
更進一步的，如圖3所示，該第一行星齒輪33a係與固定內齒輪環31a相嚙觸，且第二行星齒輪33b並與活動內齒輪環32相嚙觸，使得當環形轉子21轉動時，第一行星齒輪33a能夠受固定內齒輪環31a之導引而自轉，並跟隨環形轉子21同步公轉，使得跟隨第一行星齒輪33a轉動之第二行星齒輪33b驅動活內齒輪環32以特定減速比減速旋轉。
依此設計，本發明行星齒輪系30省略了傳統行星齒輪減速機具有一太陽齒輪、一行星齒輪組、及一內齒輪環三者中的太陽齒輪，而增加了一內齒輪環。況且傳統行星齒輪減速機在空間安排上只能往馬達一側延伸，而本發明的兩個內齒輪環卻可安排於馬達外圍，使得輪轂馬達減速機之空間能夠有效地得到縮減。
此外，本發明可進一步的將固定內齒輪環31a與活動內齒輪環32配置上不同的齒數；換句話說，固定內齒輪環31a具有A齒數，活動內齒輪環32具有B齒數，且A齒數≠B齒數。再者，本發明還可以更進一步的將上述同步轉動(包含自轉及繞行支撐軸40公轉)的第一行星齒輪33a與第二行星齒輪33b配置上不同的模數；換句話說，第一行星齒輪33a具有X模數，第二行星齒輪33b具有Y模數，且X模數≠Y模數；但第一行星齒輪33a與第二行星齒輪33b齒數相同。因固定內齒輪環31a與第一行星齒輪33a嚙觸，所以固定內齒輪環31a也具有X模數，活動內齒輪環32與第二行星齒輪33b嚙觸，所以活動內齒輪環32也具有Y模數。
根據上述配置細節，當馬達20的定子23上的漆包線繞組依序通以電流驅動馬達轉子22旋轉時將同步帶動環形轉子21旋轉，位於環形轉子21外圍的行星齒輪組33也同步繞行支撐軸40公轉，所述具有X模數的多個第一行星齒輪33a因與固定內齒輪環31a嚙觸而被導引帶動自轉，由於第一行星齒輪33a與第二行星齒輪33b是同軸一體串列配置，因此當第一行星齒輪33a被驅動時，第二行星齒輪33b便能和第一行星齒輪33a同步轉動(包含自轉及繞行支撐軸40公轉)。在傳遞減速輸出的過程中，憑藉具有X模數的多個第一行星齒輪33a嚙觸具有A齒數的固定內齒輪環31a，並且憑藉具有Y模數的多個第二行星齒輪33b嚙觸傳動具有B齒數的活動內齒輪環32；其中，由於固定內齒輪環31a已被固定於 支撐軸40上而不會轉動，因此具有B齒數的活動內齒輪環32因齒數與固定內齒輪環31a齒數A不同，驅使活動內齒輪環32以特定減速比轉動而帶動輪轂機殼10減速輸出，以供應有降低轉速需求的設備使用，例如載具之輪子等。而且，本發明還能依下式取得最終減速比的輸出：
另外，本發明還可改變活動內齒輪環與輪轂機殼的連接方式，改為以棘輪組60單向連動方式，請合併參閱圖5至圖7所示，可見悉其配置細節包含：一棘輪61，一體成型於活動內齒輪環320外緣，棘輪61上形成有複數個棘齒61a，棘齒61a一面為受力部61b，另一面為順導部61c；一棘爪座62，形成於輪轂機殼100組成元件之一的殼環130內緣；一彈片座63，形成於棘爪座62近側；一棘爪64，坐落在棘爪座62上；一彈性元件65，坐落在彈片座63上，該棘爪64受該彈性元件65頂持而有往受力方向旋擺之趨勢。依此配置，活動內齒輪環320可單向連動輪轂機殼100。例如當活動內齒輪環320逆時針旋轉時，請參閱圖8，棘爪64受彈性元件65頂持而旋擺，使頂持部64a頂緊活動內齒輪環320上之受力部61b，棘爪64嚙合棘輪61，使輪轂機殼100受活動內齒輪環320連動而同步逆時針旋轉；而當活動內齒輪環320順時針旋轉時，請參閱圖9，棘爪64雖受彈性元件65頂持而有旋擺之趨勢，但棘爪64受順導部61c之壓抑而被壓制回棘爪座62，使頂持部64a無法頂緊活動內齒輪環320，棘爪64無法嚙合棘輪61，因此輪轂機殼100即無法受活動內齒輪環320連動而同步順時針旋轉。
根據上述另一種實施例的配置細節，當馬達轉子22被驅動旋轉時將同步帶動環形轉子21旋轉，位於環形轉子 21外圍的行星齒輪組33也將同步繞行支撐軸40公轉，所述具有X模數的多個第一行星齒輪33a因與固定內齒輪環31a嚙觸而被導引帶動自轉，由於第一行星齒輪33a與第二行星齒輪33b是同軸一體串列配置，因此當第一行星齒輪33a被驅動時，第二行星齒輪33b便能和第一行星齒輪33a同步轉動(包含自轉及繞行支撐軸40公轉)。在傳遞減速輸出的過程中，憑藉具有X模數的多個第一行星齒輪33a嚙觸具有A齒數的固定內齒輪環31a，並且憑藉具有Y模數的多個第二行星齒輪33b嚙觸傳動具有B齒數的活動內齒輪環320；其中，由於固定內齒輪環31a已被固定於支撐軸40上而不會轉動，因此具有B齒數的活動內齒輪環320因齒數與固定內齒輪環31a齒數A不同，驅使活動內齒輪環320以特定減速比轉動減速輸出。若當活動內齒輪環320逆時針旋轉時，棘爪64嚙合棘輪61，所以活動內齒輪環320連動輪轂機殼100同步旋轉，減速輸出。其減速比計算公式與前述實施例相同。若當活動內齒輪環320順時針旋轉時，棘爪64無法嚙合棘輪61，所以活動內齒輪環320無法連動輪轂機殼100同步旋轉。
綜上所述，應不難瞭解本發明行星齒輪系省略了傳統行星齒輪減速機之太陽齒輪而增加了一內齒輪環，使具有兩個內齒輪環，並將兩個內齒輪環安排於馬達減速機外圍，而將外轉式馬達安排於內層，並利用活動內齒輪環齒數與兩個內齒輪環齒數差之比可得更高減速比輸出，使得輪轂馬達減速機的空間能夠有效地得到縮減是具體可行的；依此所實施的結構配置，不但可以在有效空間內大幅增加減速比之外，而且也能對機構之簡化作出貢獻，使得輪轂式馬達減速機的整體配置空間暨體積更為精簡。
然而，以上實施例僅為表達了本發明的較佳實施方式，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。因此，本發明應以申請專利範圍中限定的請求項內容為準。

Claims (11)

  1. 一種輪轂式馬達減速機，具有一作為動力輸出的輪轂機殼，配置於一作為固定端的支撐軸上，該輪轂機殼內配置包括：一馬達，具有位於該機殼最內層並與支撐軸固接的一定子，及環繞定子並受定子驅動的馬達轉子，該定子上配置有多個漆包線繞組；一行星齒輪系，環繞於轉子外圍，包含：至少一行星齒輪組，及分別配置於行星齒輪組外緣的一固定內齒輪環與一活動內齒輪環，該活動內齒輪環能單向或雙向的與輪轂機殼連動；其中：該行星齒輪組與馬達轉子結合成一環形轉子，該行星齒輪組分別等間隔配置於該馬達轉子的外圍，該行星齒輪組分別具有同軸心樞接並且串列的一第一行星齒輪及一第二行星齒輪，該第一行星齒輪相嚙於固定內齒輪環，該第二行星齒輪相嚙於活動內齒輪環；該第一行星齒輪與第二行星齒輪的齒數相同，該固定內齒輪環與活動內齒輪環的齒數排除相同，且該固定內齒輪環與活動內齒輪環的齒數差為行星齒輪數量的整數倍。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的輪轂式馬達減速機，其中該行星齒輪組與該馬達轉子經由兩個承載側板相互結合成一環形轉子。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的輪轂式馬達減速機，其中該固定內齒輪環與活動內齒輪環的齒數差與行星齒輪數量相同。
  4. 如申請專利範圍第1或3項所述的輪轂式馬達減速機，其中該第一行星齒輪與第二行星齒輪的模數排除相同，該固定內齒輪環與第一行星齒輪模數相同，且該活動內齒輪環 與第二行星齒輪模數相同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的輪轂式馬達減速機，其中該固定內齒輪環組與支撐軸之間分別交互形成多個齒狀部相互嵌接而固定。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的輪轂式馬達減速機，其中該行星齒輪組配置於所述兩個承載側板之間，該承載側板定位該行星齒輪組中的各第一行星齒輪與各第二行星齒輪同步隨馬達轉子繞行支撐軸公轉。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的輪轂式馬達減速機，其中該行星齒輪組中的第一行星齒輪與第二行星齒輪同軸樞接於一行星齒輪軸上，所述兩個承載側板的盤面提供所述多支行星齒輪軸的雙端等間隔固定。
  8. 如申請專利範圍第2項所述的輪轂式馬達減速機，其中所述兩個承載側板分別具有一中心孔，該環形轉子經由所述兩個中心孔中配置至少一軸承而與支撐軸樞接，該環形轉子並繞行支撐軸而旋轉。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的輪轂式馬達減速機，其中該活動內齒輪環固接於輪轂機殼，該活動內齒輪環能順時針轉及逆時針轉的雙向連動輪轂機殼。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的輪轂式馬達減速機，其中該活動內齒輪環經由棘輪與輪轂機殼連接，該活動內齒輪環能順時針轉或逆時針轉的單向連動輪轂機殼。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的輪轂式馬達減速機，其中該馬達為一外轉式直流無刷馬達。
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