TW202415583A - 用於電動自行車之電動輔助驅動系統 - Google Patents

Abstract

一種用於自行車之電動輔助驅動系統，包括一踏板曲軸(7)、一周轉齒輪機構(30)、一助力馬達(M2)、以及一控制馬達(M1)，踏板曲軸(7)由一騎者操作，周轉齒輪機構(30)佈置以確定踏板曲軸與一輸出軸(25)之間的傳動比，輸出軸(25)用於將旋轉傳遞到自行車的一後輪。周轉齒輪機構包括一環形齒輪(13)、一太陽齒輪(10)、行星齒輪(9)、以及一行星架(6)，太陽齒輪(10)固定以與輸出軸(25)一起旋轉，行星齒輪(9)在太陽齒輪(10)與環形齒輪(13)之間，行星架(6)固定以與踏板曲軸(7)一起旋轉並支撐行星齒輪(9)。助力馬達(M2)具有一轉子(4)，驅動地連接到太陽齒輪(10)以驅動輸出軸(25)。控制馬達(M1)驅動地連接到環形齒輪(13)，以控制輸出軸(25)與踏板曲軸(7)之間的傳動比。

Description

用於電動自行車之電動輔助驅動系統

本發明是關於電動自行車(electrically powered bicycles, e-bikes)領域，具有一電動馬達，輔助騎者的踏板動力。更具體地，本發明涉及用於電動自行車的一混合動力傳動系統。

大多數已知設計的電動自行車傳動系統簡單地改造自習知的自行車傳動系統，特別是通常是變速器或輪轂齒輪系統的齒輪機構。這些系統的缺點是當受到電動助力馬達產生的額外扭矩時耐用性差或效率低下。此外，控制踏板與後輪之間的傳動比也具有好處。將對助力馬達與傳動比的控制整合在一起，可最大限度地降低對騎者的要求，從而減少他們的疲勞，同時也減少電力消耗。

動力分配混合動力概念在汽車工程中廣為人知，並且在學術研究中也被提議用於電動自行車。提案描述此概念的實際機械實現，有可能被裝備在自行車的踏板之間。

直到今天，電動自行車的傳動系統通常都使用標準的自行車部件。無論助力馬達裝配在框架中央或一輪轂內，將踏板連接到後輪的驅動以及齒輪機構通常由一驅動鍊或皮帶、以及一裝配在輪轂上的齒輪系統或撥鏈器系統(用以改變比例)組成。通常，齒輪的選擇是手動的，由騎者自行決定。

已經上市的一些系統試圖改進傳統的動力傳動系統概念-例如NuVinci無級變速行星變速器，這是一個裝配在輪轂上的系統，提供無級變速齒輪比，可以電子切換，也可為了電動助力馬達與控制器接合。參見WO 2005/019686 A2。

汽車動力總成的混合動力(藉由提供一或多個與一電能儲存器耦接的電機)的概念已在汽車行業進行了非常詳細的研究，其中藉由設計內燃機的大小成僅產生驅動車輛所需的平均動力以實現效率優勢，同時在需要峰值動力時(例如在加速或爬坡時)依靠儲存的能量來補充。值得注意的是，在汽車行業，混合動力驅動系統已經非常成功地採用行星齒輪系統將一內燃機與兩個電機耦接，從而提供靈活高效的混合動力傳動系統概念。揭露「動力分配」(power-split)佈局的示例性專利公報是JP H0946821 A、EP 0791495 A2、以及US 2004/00550597 A1。

為自行車提供電力輔助的目的是為了讓騎者僅提供移動車輛所需的平均動力，同時電機在加速或爬坡期間提供輔助，這與內燃機混合動力車輛的需求非常相似。Chen、Li、以及Pen在2014年在學術上確認將「動力分配」車輛傳動系統概念應用於自行車的潛力，並在美國機械工程師協會動力系統以及控制會議(ASME Dynamic Systems and Control Conference, DSCC2014)上介紹。他們展示關於在自行車上使用此種系統的好處的模擬以及研究，特別是在減輕騎者疲勞方面。

WO 2020/260772 A1揭露一種用於腳踏車的動力單元。動力單元包括一踏板曲軸、一輸出軸、一主周轉齒輪組、一助力馬達、以及一控制馬達，輸出軸佈置以將扭矩傳遞到一車輪，主周轉齒輪組佈置以控制踏板曲軸與輸出軸之間的傳動比，助力馬達連接到主周轉齒輪組的一助力齒輪，控制馬達連接到主周轉齒輪組的一控制齒輪。控制馬達與控制齒輪形成動力單元的一控制組件。動力單元包括一單向離合器，相關聯於動力單元的控制組件並且佈置以僅在一第一旋轉方向上傳遞旋轉。

DE 10 2017 003945 A1揭露一種用於自行車的電動輔助驅動系統，包括一助力馬達、一控制馬達、一踏板曲柄軸、以及一周轉齒輪機構，踏板曲柄軸供一騎者操作，周轉齒輪機構佈置以確定踏板曲柄軸與用於將旋轉傳遞到自行車的一後輪的一輸出軸之間的傳動比。助力馬達以及控制馬達被設計為空心軸驅動，內齒嵌合個別的周轉齒輪的行星組。由助力馬達嵌合的一第一組行星齒輪具有的行星架，第二組行星齒輪同樣具有一行星架，與太陽齒輪嵌合，太陽齒輪被固定以與一輸出軸以及環形齒輪一起旋轉。此環形齒輪剛性地連接到由控制馬達的內齒驅動的一第三組行星齒輪的行星架。控制馬達的速度確定環形齒輪的速度，從而確定踏板曲柄軸與輸出軸之間的傳動比。

針對前述背景，本發明提供一種用於自行車的電動輔助驅動系統，具有請求項1中定義的特徵。較佳實施例在附屬請求項中定義。

根據一方面，驅動系統包括一踏板曲軸、一周轉齒輪機構、一助力馬達、以及一控制馬達，踏板曲軸由一騎者操作。周轉齒輪機構佈置以確定踏板曲軸與一輸出軸之間的傳動比，輸出軸用於將旋轉傳遞到自行車的一後輪。在周轉齒輪機構中，一太陽齒輪固定以與輸出軸一起旋轉，一組行星齒輪佈置在太陽齒輪與一環形齒輪之間。一行星架固定以與踏板曲軸一起旋轉並支撐行星齒輪。助力馬達具有一轉子，驅動地固定到一齒輪或與太陽齒輪一體成形以驅動輸出軸。控制馬達驅動地連接到環形齒輪以控制輸出軸與踏板曲軸之間的傳動比。

首先參考第1圖，一電動自行車驅動系統包括一外殼1，在使用時外殼1可裝配在一自行車的框架的中央(在「底部支架」處)。外殼1包含兩個電動馬達M1、M2、以及一周轉齒輪機構30，具有一輸出軸25。一鏈環11被固定以與輸出軸25一起旋轉，鏈環11驅動自行車的後輪40。

外殼1提供裝配以及反作用點，滾動軸承19可旋轉地支撐踏板曲軸7，並且還可包含一電子控制器16，用於驅動系統。

電動馬達 M1被稱為「控制」馬達，因為它驅動周轉齒輪機構的一個齒輪，周轉齒輪機構控制輸出軸與踏板曲軸之間的傳動比。

電動馬達M2，在此稱為「助力」馬達，產生傳遞到輸出軸25的動力。

在本文中，周轉齒輪機構也稱為一周轉「動力分配」齒輪機構，因為它被佈置以通過兩條路線將動力從踏板傳遞到自行車的後輪，如下文所述：一機械路線以及一電子路線。具體地，周轉齒輪機構將動力從助力馬達M2傳遞到輸出軸。此外，周轉齒輪機構由於控制馬達M1的操作而調節踏板曲軸7的轉速。

2標示控制馬達M1的一轉子，具有固定繞組3。較佳地，控制馬達M1是一交流無刷同步馬達佈置，也稱為永磁同步馬達(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)。控制馬達可具有約150W的最大穩態動力、以及約300W的峰值動力。作為指示，馬達的最大速度可為大約1600rpm。

助力馬達M2，包括轉子4以及固定繞組5，也可為永磁同步馬達。

較佳地，助力馬達M2具有約250W的最大穩態動力、以及約500W的峰值動力。此馬達的最大速度可為大約3000rpm。

周轉齒輪機構30包括一行星架6，用於行星齒輪9。行星架6被固定以與踏板軸7一起旋轉。

一扭矩感測器23可結合在踏板軸7或行星架6內以偵測騎者施加到系統的踩踏扭矩。

踏板軸7從一側到另一側穿過整個組件並將左踏板曲柄組件8a以及右踏板曲柄組件8b連接在一起，踏板曲柄組件8a、8b各包括一曲臂、以及一踏板，藉由一旋轉接頭以習知方式裝配在臂上。

動力分配齒輪機構30的行星齒輪9使用允許齒輪9相對於齒輪架6自由旋轉的軸承裝配在齒輪架6上。

動力分配周轉齒輪機構30包括一太陽齒輪10，太陽齒輪10由助力馬達M2驅動旋轉並且由位於系統右側的鏈環11固定以旋轉。

太陽齒輪10通過輸出軸25固定到鏈環11或與鏈環11一體成形，輸出軸25可為軸向延伸的中央管狀部分的形式，同軸地圍繞踏板曲軸7的一長度。

此外，太陽齒輪10固定到齒輪15或與齒輪15一體成形，以便直接或通過一組減速齒輪14與助力馬達M2的轉子4驅動連接。

根據第1圖以及第2圖所示的實施例，接收源自助力馬達M2的驅動扭矩的齒輪15是一內齒環形齒輪15的形式。

太陽齒輪10、輸出軸25、以及接收助力馬達M2的驅動扭矩的齒輪15可固定在一起作為一個單元旋轉。 實施例可提供太陽齒輪、輸出軸25、以及齒輪15可形成單一件、或由穩固地固定在一起的分離零件組成。

根據一較佳實施例(例如第1圖以及第2圖所示)，太陽齒輪10由助力馬達M2的轉子4的輸出軸通過作用在輸出軸25與太陽齒輪10之間的一組減速齒輪14驅動。

在第1圖所示的示例性實施例中，太陽齒輪10可形成一徑向延伸部24、或固定到徑向延伸部24，徑向延伸部24提供齒輪15，形式為與減速齒輪14嚙合的內齒周邊環形齒輪15。方便地，減速齒輪14可裝配以圍繞與外殼一體成形的個別靜止軸向支撐銷自由旋轉。

鏈環11具有一周邊形狀，允許其藉由一可撓性傳動方式17(例如一滾鍊、或一帶齒聚合物帶環、以及鏈輪18)驅動裝配到自行車後輪轂41的鏈輪18。後輪由40標示。鏈輪18可為沒有任何自由輪或齒輪裝置的一固定鏈輪。

較佳地，鏈環/後鏈輪傳動比在數值上小於1。

控制馬達M1的轉子2將驅動傳遞至一環形齒輪13，環形齒輪13與行星齒輪9嚙合(行星齒輪9裝配在行星架6上，行星架6固定以與踏板曲軸一起旋轉)。此外，助力馬達M2的轉子4通過行星齒輪9將驅動傳遞至太陽齒輪10。

根據一較佳實施例，如第1圖所示，環形齒輪13配置有一雙組齒，佈置以嚙合行星齒輪9以及一組行星減速齒輪12，行星減速齒輪12嚙合控制馬達M1的轉子2的輸出軸2a，並由控制馬達M1的轉子2的輸出軸2a驅動。

較佳地，助力馬達M2的減速齒輪14被裝配以圍繞與外殼一體的個別靜止軸向支撐銷自由旋轉。

根據第1圖所示實施例的示例性且特別緊湊的設計，雙組齒形成為環形齒輪13上的內齒。

如第1圖的示例所示，實施例可提供環形齒輪13上的雙組齒的齒設置在環形齒輪13的軸向交錯或軸向偏移部分上。替代實施例(未顯示)可提供將雙組齒之一組佈置在環形齒輪的徑向內表面上，另一個佈置在環形齒輪的徑向外表面上。儘管在第1圖所示的示例中，與減速齒輪12嚙合的環形齒輪13的齒設置在比與行星齒輪9嚙合的齒更大的直徑上，替代實施例(未顯示)可提供兩個齒相同的直徑，或提供與行星齒輪9嚙合的齒更寬的直徑。

複數滾動軸承元件，例如由19所標示，包括在機構內以支撐並允許馬達轉子、周轉齒輪元件、以及踏板曲軸之間的旋轉。

一第一旋轉感測器，較佳地為一角位置感測器21，測量控制馬達M1的轉子2相對於外殼1的角位置。一第二旋轉感測器，較佳地為一角位置感測器22，測量助力馬達M2的轉子4相對於外殼1的角位置。

一電子控制器16從角位置感測器21、22接收有關控制以及助力馬達的角度位置的訊息、以及從扭矩感測器23接收騎者施加到踏板的扭矩的訊息。使用此訊息，控制器16計算自行車以及踏板的實際速度以及騎者的所費的力，並使用一預定的控制策略計算所需的扭矩助力程度以及踏板與自行車車輪之間的期望速度比。因此，控制器根據測得的個別轉子(2以及4)的角位置對馬達M1以及M2的繞組3以及5內的電流換向，以實現控制馬達M1的一速度設置點以及助力馬達M2的一扭矩設置點。控制器16內的內部動力電路被佈置以使得馬達1以及馬達2既可用作馬達也可用作發電機，並且使得電力可在馬達與一電池20之間的任何方向上流動。電池20提供必要的電能以協助騎者為自行車提供動力。

在操作過程中，當來自踏板的扭矩被施加到行星架6時，扭矩藉由行星齒輪9分配到太陽齒輪10以及環形齒輪13兩者。這些扭矩之間的關係如第3圖所示。施加於太陽齒輪10的扭矩直接傳遞到鏈輪11，並因此傳遞到自行車車輪40(這是上文提到的「機械路徑」)。施加到環形齒輪13的扭矩被傳遞到控制馬達M1的轉子2，從而產生電能，供應到電子控制器16內的電力電路。然後電能供應到助力馬達M2，助力馬達M2的轉子4經由其減速齒輪14連接到太陽齒輪10，因此有助於為自行車提供動力。如果需要額外的協助，則從電池20向助力馬達M2提供額外的動力，並且增加協助程度。第4圖顯示在正常踩踏板期間通過系統的電力流。

第3圖示意性地顯示通過周轉齒輪機構的扭矩分配關係。在第3圖中： Tc=施加在行星架6上的扭矩 Zr=行星架6的半徑； Zs=行星齒輪9的半徑； Fr=施加在環形齒輪13上的切向力 Fs=施加在太陽齒輪10上的切向力，其中： Fr = Fs = Tr=施加在環形齒輪上的扭矩 Tr = Fr (Zr + Zs) Ts=施加在太陽齒輪10上的扭矩 Ts = Fs (Zr – Zs)

參考第4圖討論正常踩踏期間流經系統的電力。正常踩踏自行車時，電動馬達的控制策略如下。電子控制器16改變穿過馬達M1的繞組的電流以無論施加到控制馬達M1的轉矩為何，保持需求的速度。選擇此馬達的需求速度設置點，以便為騎者實現期望的踩踏速度，從而最大限度地提高騎者的舒適度並最大限度地減少疲勞。為了計算所需的踩踏速度(即行星架6的期望轉速)，首先需要測量太陽齒輪10的速度。這可使用助力馬達M2的角位置感測器22直接推斷出來。然後可實時計算環形齒輪13的期望速度，並因此計算控制馬達M1的速度。

動力分配周轉齒輪機構內元件之間的速度關係由以下等式得出： Ws * Zs + Wr * Zr = Wc * (Zr + Zs) 其中： Ws=太陽齒輪的轉速 Wc=行星架轉速 Wr=環形齒輪的轉速，以及 Zr以及Zs是機構的半徑，它們定義周轉齒輪機構中的槓桿比，如第3圖中的圖形所示。

因此，為了達到期望的踩踏速度Wc，馬達M1的速度應為 Wm1 = M1n * Wr = M1n * [Wc *(Zr + Zs) – Ws * Zs] / Zr 其中： Wm1=控制馬達M1的速度 M1n=控制馬達M1的減速比。

行星架6、太陽齒輪10、以及環形齒輪13之間的速度關係在第5A圖以及第5B圖中以高度簡化的圖形形式顯示。用於控制馬達的減速器14未在這些圖中表示。

第5A圖描繪自行車緩慢移動時的情況。為了保持騎者舒適的踩踏速度，期望踏板比鏈輪18轉動得更快。控制馬達M1應以比踏板更高的速度轉動環形齒輪13，以保持所需的踩踏速度。

第5B圖描繪自行車行駛時的情況，即快速移動。為了保持騎車者的舒適度，踏板應該比前鏈輪18轉動得更慢。因此控制馬達M1需要比踏板更慢地轉動環形齒輪13以保持所需的踩踏速度。

可採用各種策略或操作模式以確定助力馬達M2的扭矩設置點。例如，可選擇一「助力模式」，控制系統從而測量騎者提供給系統的扭矩或動力。可藉由使用扭矩感測器23測量騎者施加的扭矩，以及使用角位置感測器21以及22測量兩個馬達轉子2以及4的速度來實時計算扭矩。然後可確定成比例的助力動力，基於騎者指定的期望助力程度。或者，可選擇一「充電維持」模式，其中一負扭矩設置點在某些騎行條件下應用於助力馬達M2的控制算法，例如當以一穩定速度騎行在水平或略微下坡的道路坡度時。藉由施加一負轉矩設置點，助力馬達M2在這些路況下用作一發電機，並且產生的動力可由電池20儲存，然後可在加速或爬坡期間重新使用。可擴展電動助力系統的可用範圍，而不會使騎者過度疲勞。

使用已提出的電動馬達M1以及電動馬達M2的最大速度以及動力特性，馬達減速比、行星齒輪比、以及鏈環/後鏈輪比的典型值如下。假設電動自行車配備習知的旅行車輪以及輪胎，並且助力限制為25公里/小時(某些司法管轄區內電動自行車輔助的最大法定速度)： -控制馬達M1的減速比(即控制馬達M1的速度)/(動力分配行星環形齒輪速度)應為15的量級(in the order of 15)； -助力馬達M2的減速比(即助力馬達M2的速度)/(動力分配行星太陽輪速度)應為10的量級； -行星齒輪比(即Zr/Zs)應為3.5的量級； -鏈或皮帶系統的比，即(鏈環上的齒數)/(鏈輪上的齒數)應為0.8的量級。

第6圖繪示電子電力流動通過系統，同時以靜止踏板制動。當使自行車減速時，可採用一組不同的控制策略。預期當自行車減速時，騎者會希望停止踩踏自行車或「空轉」。此功能可在不使用特定空轉裝置的情況下藉由控制相對於行星機構內太陽齒輪10的速度的控制馬達M1的速度實現。藉由將一期望行星架速度Wc=0代入前面的等式，控制馬達M1的速度設置點如下： Wm1=M1n*Wr=-M1n*Ws*Zs/Zr

即，如果控制馬達M1以適當的速度反向旋轉，踏板速度可被控制為0。預期在這種情況下騎者不會向踏板施加任何顯著的扭矩，因此不會向控制馬達M1提供任何顯著的扭矩。只需向控制馬達M1提供最小的能量，使其以所需的速度旋轉。

此外，如果自行車制動系統(例如安裝在後制動桿上的開關)可向控制器16提供電訊號，則可向助力馬達M2的控制器施加一負扭矩設置點，將用作發電機，同時通過傳動系施加制動力矩並且因此允許回收一些電能並儲存在電池20內。

根據一特別緊湊的實施例，如第1圖所示，電動馬達M1以及M2圍繞踏板曲軸7軸向對齊並同心佈置。

也針對第1圖中概述的系統提出替代實施例。第7圖以及第8圖中顯示電動馬達以及動力分配周轉機構的一種替代機械佈局，其中電動馬達M1以及M2裝配在周轉齒輪機構的側邊(而不是同心)，並且馬達減速齒輪是使用正齒輪而不是周轉佈置實現的。此佈置可能不如第1圖中提出的同心佈置緊湊，然而好處是零件數量減少，馬達技術可能更簡單，可能會導致系統成本更低。

在第8圖的實施例中，由助力馬達M2的轉子4驅動的齒輪15是一外齒周邊齒輪，固定以旋轉或與太陽齒輪10以及輸出軸25一體成形。

第9圖、第9A圖、第9B圖、以及第10圖示意性地顯示進一步的實施例，揭露可在第1圖、以及第2圖中描述的實施例或第7圖、以及第8圖中描述的替代實施例中實現的任何附加特徵。

為了在電池沒電時允許騎自行車，可能需要設置一緊急機構，允許繞過動力分配周轉齒輪機構。

第9圖顯示可選的一耦接裝置42的一示例性佈置，耦接裝置42被耦接以與輸出軸25一起旋轉並且可選擇性地耦接以與行星架6一起旋轉，從而固定輸出軸25以及踏板軸7的旋轉。在第9圖所示的示例性實施例中，耦接裝置42包括一外部軸向栓槽管42，在周轉太陽齒輪10的管狀延伸部(或輸出軸)25內的配合栓槽內同心地滑動。管42包含一外部軸環43，可在鏈環11的一側上從組件的外部進接。管42也包含軸向齒44，當有栓槽的管42滑入組件時，軸向齒44嵌合配合的軸向特徵，例如軸向座或形成在行星齒輪架6中的凹槽45。這些軸向嵌合特徵滿足一「咬接離合器」的功能。當脫離時(第9A圖)，動力分配裝置能夠自由作用；當嵌合時(第9B圖)，運動經由行星架6以及管42直接從踏板軸7傳遞到管狀輸出軸(或太陽齒輪延伸部分)25以及鏈環11中。因此，雖然沒有可變速度比或空轉功能可用，騎自行車時可獲得與一習知固定齒輪自行車相同的功能。

可選擇地，機械「空轉」裝置46可引入結構中，在踏板曲軸7與行星架6之間的連接處，如第10圖所示。此裝置可為一「棘爪以及棘輪」類型的機構 (第11圖)其中彈簧加載的棘爪47與圍繞內(或外)直徑佈置的傾斜形式48嵌合。替代地，可使用「楔塊離合器」類型的裝置(第12圖)，採用滾動元件49，圍繞一傾斜圓柱形裝置48佈置，並由彈簧50偏置。當組件在一方向上相對旋轉時，滾動元件49摩擦地鎖定裝置，並在相反方向上提供自由相對運動。添加一機械空轉裝置可提高騎者的安全性，否則如果空轉馬達控制策略發生故障，騎者可能會訝於踏板的意外旋轉。

可理解本驅動系統的以下優點和益處： -電動自行車助力馬達以及改變踏板與車輪之間的速度比的裝置可整合到裝配在自行車中央的單一單元中； -自行車的後輪可完全簡化； -所有切換齒輪所需的裝置(例如，撥鏈器或裝配在輪轂上的變速箱)、變速機構、以及空轉裝置都可移除；車輪重量的移除以及自行車中心的重量集中最佳化穩定性； -驅動系統給予在自行車的正常運行速度範圍內提供踏板與車輪間非常大的變速比範圍的機會； -不需要選擇速度比所需的機械切換齒輪機構； -驅動系統只有一持續嚙合的傳動系統，包括傳動齒輪機構以及鏈條或皮帶驅動；因此，本驅動系統可針對效率以及耐用性進行最佳化； -速度比選擇以及扭矩助力可根據綜合整體策略同時進行電子控制：這有可能最大限度地減少電能使用以及騎者疲勞，並最佳化範圍以及騎者舒適度。

1:外殼 2:轉子 2a:輸出軸 3:繞組 4:轉子 5:繞組 6:行星架 7:踏板曲軸 8a:左踏板曲柄組件 8b:右踏板曲柄組件 9:行星齒輪 10:太陽齒輪 11:鏈環 12:行星減速齒輪 13:環形齒輪 14:減速齒輪 15:齒輪 16:電子控制器 17:可撓性傳動方式 18:鏈輪 19:滾動軸承 20:電池單元 21,22:感測器 23:扭矩感測器 24:徑向延伸部 25:輸出軸 30:周轉齒輪機構 40:後輪/車輪 41:後輪轂 42:耦接裝置 43:外部軸環 44:軸向齒 45:凹槽 46:空轉裝置 47:棘爪 48:傾斜形式/傾斜圓柱形裝置 49:滾動元件 50:彈簧 M1:控制馬達 M2:助力馬達 Tc:施加在行星架6上的扭矩 Zr:行星架6的半徑 Zs:行星齒輪9的半徑 Fr:施加在環形齒輪13上的切向力 Fs:施加在太陽輪10上的切向力 Tr:施加在環形齒輪上的扭矩 Ts:施加在太陽輪10上的扭矩

為了更好地理解本發明，現在將由示例的方式參考附圖描述幾個較佳實施例，其中： 第1圖為根據本發明之一實施例，一電動自行車驅動系統的主要部件的圖解剖視圖； 第2圖顯示第1圖的電動馬達以及一周轉齒輪機構的機械佈局的特寫視圖； 第3圖示意性地顯示通過周轉齒輪機構的扭矩分解關係； 第4圖為顯示在正常踩踏板期間通過系統的電力流的示意圖； 第5A圖以及第5B圖個別為自行車起步時以及行駛時周轉動力分配齒輪機構各元件之間速度關係的簡化示意圖。 第6圖為顯示在再生制動期間通過系統的電力流的示意圖； 第7圖為根據本發明的一替代實施例，一電動自行車驅動系統的主要部件的圖解剖視圖，其中電動馬達裝配在周轉齒輪機構的側邊； 第8圖為顯示根據第7圖的替代佈局的驅動單元的放大剖視圖； 第9圖為電動自行車驅動系統之一實施例的剖視圖，系統包括一裝置，提供一固定齒輪比以允許騎行沒有電力的自行車； 第9A圖以及第9B圖為第9圖的細節的在兩種不同的操作條件下的放大圖； 第10圖為包括一機械空轉裝置的電動自行車驅動系統的一實施例的剖視圖；以及 第11圖以及第12圖為可結合到電動自行車驅動系統中的兩種不同空轉裝置的圖解圖。

無

1:外殼

2:轉子

3:繞組

4:轉子

5:繞組

6:行星架

7:踏板曲軸

8a:左踏板曲柄組件

8b:右踏板曲柄組件

9:行星齒輪

10:太陽齒輪

11:鏈環

12:行星減速齒輪

13:環形齒輪

14:減速齒輪

15:齒輪

22:感測器

23:扭矩感測器

25:輸出軸

30:周轉齒輪機構

M2:助力馬達

Claims (12)

1. 一種用於電動自行車之電動輔助驅動系統，包括： 一踏板曲軸(7)，由一騎者操作； 一周轉齒輪機構(30)，佈置以確定該踏板曲軸與一輸出軸(25)之間的傳動比，該輸出軸(25)用於將旋轉傳遞到該自行車的一後輪，周轉齒輪包括： 一太陽齒輪(10)，固定以與該輸出軸(25)一起旋轉； 一環形齒輪(13)； 一組行星齒輪(9)，在該太陽齒輪(10)與該環形齒輪(13)之間；以及 一行星架(6)，固定以與該踏板曲軸(7)一起旋轉並支撐該等行星齒輪(9)； 一助力馬達(M2)，具有一轉子(4)，驅動地連接到一齒輪(15)，該齒輪(15)固定至該太陽齒輪(10)或與該太陽齒輪(10)一體成形，以驅動該輸出軸(25)； 一控制馬達(M1)，驅動地連接到該環形齒輪(13)，以控制該輸出軸(25)與該踏板曲軸(7)之間的傳動比。
2. 如請求項1之驅動系統，其中 由該助力馬達(M2)的該轉子(4)驅動的該齒輪(15)為一內齒外圍環形齒輪(15)，固定以旋轉或與該太陽齒輪(10)以及該輸出軸(25)一體成形，並且 該周轉齒輪機構(30)包括一組減速齒輪(14)，在該助力馬達(M2)的該轉子(4)與該內齒外圍環形齒輪(15)之間作用。
3. 如請求項1或2之驅動系統，其中該輸出軸(25)包括一軸向延伸的中央管狀部分，同軸地圍繞該踏板曲軸(7)的一段長度。
4. 如請求項1至3中任一項之驅動系統，其中該環形齒輪(13)提供一雙組齒，其中 第一組齒佈置以嚙合該等行星齒輪(9)，並且 第二組齒佈置以嚙合在該環形齒輪(13)與該控制馬達(M1)的一轉子(2)之間作用的一另一組行星減速齒輪(12)。
5. 如請求項4之驅動系統，其中該環形齒輪(13)上的該第一組齒以及該第二組齒設置在該環形齒輪(13)的軸向交錯或軸向偏移部分上。
6. 如以上請求項任一項之驅動系統，包括一鏈環(11)，與該輸出軸(25)一體成形，並具有允許其驅動一鏈輪(18)的一周邊形狀，該鏈輪(18)裝配到該自行車的一後輪轂(41)，藉此該鏈環(11)以及後輪的該鏈輪(18)限定一傳動比，數值上小於1。
7. 如以上請求項任一項之驅動系統，其中該等電動馬達(M1、M2)圍繞該踏板曲軸(7)軸向對齊、並且同心地佈置。
8. 如請求項1至6中任一項之驅動系統，其中該等電動馬達(M1、M2)都徑向偏移地佈置或佈置在該踏板曲軸(7)外，各該等電動馬達(M1、M2)具有個別的一轉子(2、4)，驅動地連接一個別單級正齒輪佈置以減速。
9. 如以上請求項任一項之驅動系統，更包括： 一第一旋轉感測器(21)，用於感測該控制馬達(M1)的該轉子(2)的旋轉； 一第二旋轉感測器(22)，用於感測該助力馬達(M2)的該轉子(4)的旋轉； 一扭矩感測器(23)，可操作地連接到該踏板曲軸(7)或該行星齒輪架(6)，以檢測該騎者施加到該系統的踩踏扭矩； 一電子控制器(16)，電連接到該等感測器(21、22、23)； 一可充電的電池單元(20)，電連接到該電子控制器(16)。
10. 如請求項9之驅動系統，其中該電子控制器(16)被配置以在一正向的旋轉方向旋轉該助力電機(M2)，同時在相反的旋轉方向旋轉該控制馬達(M1)，以將該環形齒輪(13)與該太陽齒輪(10)反向轉動，以達到一空轉狀態。
11. 如以上請求項任一項之驅動系統，更包括一耦接裝置(42)，用於選擇性地鎖定該太陽齒輪(10)與該行星齒輪架(6)一起旋轉。
12. 如以上請求項任一項之驅動系統，更包括一空轉裝置(46)，與該踏板曲柄軸(7)以及該行星齒輪架(6)可操作地連接。