TWI424938B - 電動輔助轉輪機構 - Google Patents

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    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
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Description

電動輔助轉輪機構
本案係關於一種電動輔助轉輪機構，尤指一種軸向磁通式的電動輔助轉輪機構。
一般常見的電動自行車，多係將輔助馬達裝設於前輪或後輪的輪轂軸，另外也有將輔助馬達裝設於車架中間，亦即裝設於踏板的曲柄軸。
將輔助馬達裝設車架中間者即通稱為中置馬達電動自行車，由於中置馬達的電動自行車可將輔助馬達的輸出動力傳遞到位在曲柄軸上的鏈輪，所以相較於將輔助馬達設置於前輪或後輪的電動自行車而言，更能直接、貼切地配合使用者的出力狀況。現有的中置馬達電動自行車，如美國第6296072號專利、台灣第I308892號專利、台灣第I265896號專利、台灣第I264399號專利、台灣第I296596號專利所示，皆係使用徑向磁通式的電機設計來製作輔助馬達，而徑向磁通式的電機設計即指輔助馬達產生的電磁場係垂直於轉軸的軸心。
前揭相關專利案的缺點在於體積與扭力無法同時兼顧，具體來說，當所需的扭力輸出較大時，以徑向磁通式的電機設計製作的輔助馬達會具有較寬的尺寸，而較寬的尺寸即意謂著自行車設計者需要預留較大的空間來安裝輔助馬達，進而不但對自行車的外型設計造成妨礙，也間接地影響到自行車的產品開發；但若為了配合外型設計而將 以徑向磁通式的電機設計製作的輔助馬達的寬度縮小時，輔助馬達的扭力輸出也會相應地變小，進而讓自行車設計者必須要再配備相關的減速齒輪組來放大其扭力輸出，而配備額外的減速齒輪組也就意味著自行車整體的成本會提高，且具有較複雜的裝配難度。
有鑑於現有技術的種種缺失，本案主要的目的之一係為提供一種能同時兼顧外型設計與扭力需求的中置馬達設計。
為了達到上述目的及其它目的，本案係提供一種電動輔助轉輪機構，係包括：架體；轉輪，係以轉動自如之方式軸接至該架體；轉軸，係軸設於架體，且分別設置具有受力件的二曲柄於兩端，以藉由該受力件接收的動力提供旋轉動力驅動該轉輪旋轉；以及輔助馬達，係設置於該轉軸兩端的該二曲柄間，且具有與該轉軸的軸心同軸的軸向電磁場，而該輔助馬達的輸出動力係與該轉軸提供的旋轉動力結合以同步驅動該轉輪旋轉。
其次，本案還提供一種電動輔助轉輪機構，係包括：架體；轉輪，係以轉動自如之方式軸接至該架體；轉軸，係軸設於架體，且分別設置具有受力件的二曲柄於兩端，以藉由該受力件接收的動力提供旋轉動力驅動該轉輪旋轉；以及輔助馬達，係設置於該轉軸兩端的該二曲柄間，且具有與該轉軸的軸心平行的軸向電磁場，而該輔助馬達的輸出動力係與該轉軸提供的旋轉動力結合以同步驅動該轉輪 旋轉。
相較於習知技術，由於本案設計的輔助馬達係能提供與轉軸的軸心同軸或是與轉軸的軸心平行的軸向電磁場，亦即以軸向磁通式的電機設計來製作輔助馬達，所以不但能以較薄的寬度裝配於曲柄軸而不會影響整體的外型設計，亦能提供足夠的扭力輸出來配合使用者的出力狀況，藉此同時顧及了中置馬達設計的體積與扭力。
以下係藉由特定的具體實施型態說明本案之實施方式，熟悉此技術之人士，係可藉由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本案之其他優點與功效。而本案亦可藉由其他不同的具體實施型態加以施行或應用。
請先一併參照第1圖及第2圖，其中，第1圖為本案提供的電動輔助轉輪機構的應用情境圖，第2圖為本案提供的電動輔助轉輪機構的結構剖面圖，而第2圖亦為沿著第1圖的切線AA所視者。
如圖所示，本案提供的電動輔助轉輪機構係包括轉輪10a、轉軸11、及輔助馬達2，其中，轉輪10a係例示為電動自行車1的後輪，但於本案的其它實施例中，轉輪10a亦可為電動自行車1的前輪，或是與轉軸11一體成型者。
轉軸11係可透過轉軸承座13旋轉設置於架體10，且分別設置具有受力件12R、12L的二曲柄11R、11L於兩端，以藉由受力件12R、12L接收的動力提供旋轉動力驅動轉輪10a旋轉。於本實施例中，轉軸11及曲柄11R、11L係構成曲柄軸，而受力件12R、12L即例示為可供踩踏的踏板，且轉軸11係可透過第一傳動裝置以及傳動裝置承座14來提供旋轉動力來驅動轉輪10a旋轉，而第一傳動裝置係例示為互相搭配的鏈輪15及鏈條15a，且藉由傳動裝置承座14旋轉設置於轉軸11上，當然第一傳動裝置亦可使用互相搭配的皮帶及皮帶輪。其次，第一傳動裝置的外側係可設置有擋板16，以防止使用者誤觸第一傳動裝置。
輔助馬達2係設置於轉軸11兩端的二曲柄11R、11L間，且能產生與轉軸11的軸心同軸的電磁場，而輔助馬達2的輸出動力係與轉軸11提供的旋轉動力結合以同步驅動轉輪10a旋轉。於本實施例中，輔助馬達2係可透過固定裝置17設置於架體10的側邊，且電性連接電池及控制器3俾受其驅動，而電池及控制器3可設置於架體10上或是整合於架體10內。
一併參照第3圖以瞭解輔助馬達2的細部結構，如第3圖所示，輔助馬達2a係具備旋轉配置於輔助馬達2a內部中央區域的轉子，即轉子座22與嵌設其中的永久磁鐵23L，且具備位於輔助馬達2a內部外側的定子，即矽鋼片20L及纏繞於矽鋼片20L外的繞線組21L，而繞線組21L可連結至外部的電池及控制器3。具體來說，轉子座22係可透過栓槽軸或其它的連結方式連接至傳動裝置承座14，當然，還可透過鍵連接或扣環筍接等方式讓轉子座22與傳動裝置承座14的作動力連結。另外，轉子座22亦可透過軸承27連接殼體24。
再者，由第3圖教示的實施型態可知，輔助馬達2a係為內轉子型態，且殼體24係作為定子座，而由於輔助馬達2a僅設置有固定於內部左側的矽鋼片20L及繞線組21L，所以係形成單一個磁通作用面。實際實施時，殼體24係可為如碳鋼的導磁材料所製成，轉子(轉子座22及永久磁鐵23L)與定子(矽鋼片20L及繞線組21L)的間隙還可小於0.5mm以避免過高的磁阻抗。定子及轉子上係可設置有彼此對應的位置感應器25，而於本實施例中，位置感應器25係為靠近定子側的霍爾效應感測器及裝設於轉子座22上之磁鐵片。在降低成本的考量下，也可不設置位置感應器25，而利用轉子間接被人力帶動後繞線組21L所產生之電動勢或電壓變化信號作為控制。
連同第3圖來參照第4圖，其中，第4圖係為沿著第3圖的切線BB所視的剖面示意圖。於本實施例中，轉軸11可透過單向棘輪18來連結鏈輪15，當然亦可透過單向棘輪18來連結皮帶輪。而由於單向棘輪18會與複數個滾珠相搭配，所以係能讓傳動裝置承座14與該轉軸11間只能正方向帶動旋轉。
內轉子型態亦可用其它方式來予以構成，如第5圖所示，轉子可為輔助馬達2b內部中央區域的轉子座22及嵌設於轉子座22右側的永久磁鐵23R，而定子可為固定設置於輔助馬達2b內部靠右側的矽鋼片20R及纏繞於矽鋼片20R上的繞線組21R。又如第6圖所示，轉子可為輔助馬達2c內部中央區域的轉子座22及設置於轉子座22右側及左側的永久磁鐵23R、23L，而定子可為輔助馬達2c內部靠右側的矽鋼片20R及纏繞於矽鋼片20R上的繞線組21R，以及輔助馬達2c內部靠右側的矽鋼片20L及纏繞於矽鋼片20L上的繞線組21L。
需說明的是，第5、6圖的設計型態雖同為內轉子型態，但第5圖的設計係具有單一個磁通作用面，而第6圖的設計卻具有兩個磁通作用面，而前述位置感應器等設計型態亦可於此實際應用。另外，當本案的輔助馬達具有兩個磁通作用面時，由於軸向之電磁場可為左向或右向，因此兩側邊相對照的繞線組21L、21R其產生之電磁場以同向為最佳。當然，假設繞線組21L、21R的電磁場為不同方向，則轉子座22上兩側邊相對面之永久磁鐵23L、23R的磁極則需為同磁極相對，此種磁極之佈置方式是考慮高磁通密度之永久磁鐵裝配於轉子座22上時，避免磁性吸力過大而造成脫落、失誤、相互衝擊等損壞而採用之配置方式。
本案的輔助馬達除了可依照前述的內轉子型態來予以設計外，亦可設成外轉子型態。首先，如第7圖所示，轉子可為輔助馬達2d內部中央區域且呈現為圓盤盒狀的轉子座22，及設置於輔助馬達2d內部靠右側並嵌設於轉子座22的永久磁鐵23R，而定子可為輔助馬達2d內部中央區域的矽鋼片20及纏繞於矽鋼片20上的繞線組21。於第7圖的教示中，輔助馬達2d係具有單一個磁通作用面，而轉子座22與供矽鋼片20及繞線組21設置的承載座間可透過單向棘輪來予以連接，當然，也可設置有相關的位置感應器。
再如第8圖所示，轉子可為輔助馬達2e內部呈現為圓盤盒狀的轉子座22，及設置於輔助馬達2e內部兩側並嵌設於轉子座22的永久磁鐵23R、23L，而定子可為輔助馬達2e內部中央區域的矽鋼片20及纏繞於矽鋼片20上的繞線組21。第8圖與第7圖的差別在於，第8圖的輔助馬達2e係具有兩個磁通作用面。
前述的輔助馬達無論是單一個或兩個磁通作用面，以及無論是內轉子型態或是內定子型態，皆係設計成繞線組產生的電磁場會與轉軸11的軸心同軸，但為了因應不同的實施需求，輔助馬達也可設計成具有與轉軸11的軸心平行的電磁場的型態。當然，本案的輔助馬達亦可按照前述的實施概念設計成具有多個磁通作用面的型態。再連同前述實施例來參照第9圖，如第9圖所示，輔助馬達2f同樣係設置於轉軸11兩端的二曲柄11R、11L間，且具有與轉軸11的軸心平行的電磁場，而輔助馬達2f的輸出動力同樣係與轉軸11提供的旋轉動力結合以同步驅動轉輪1Oa旋轉。
不同於前述實施例的是，輔助馬達2f係選擇性地設置於架體10的內部，而輔助馬達2f係透過外露的轉子軸26及第二傳動裝置來提供輸出動力，且第一傳動裝置(即鏈輪15及鏈條15a)及第二傳動裝置係藉由傳動裝置承座14旋轉設置於轉軸11。於此實施例中，第二傳動裝置可為互相搭配的鏈條19a及鏈輪19，或是互相搭配的皮帶及皮帶輪。需注意的是，輔助馬達2f也可設計成類似前述實施例之內轉子型態、外轉子型態、具有單一個磁通作用面、具有多個磁通作用面、具有位置感應器、或搭配單向棘輪的實施型態，惟因實施細節相似於前述內容，故不再於此贅述。
相較於習知技術，由於本案設計的輔助馬達係能提供與轉軸的軸心同軸，或是提供與轉軸的軸心平行的電磁場，換言之，本案能以多種的實施型態來構成軸向磁通式的電機設計以製作輔助馬達，所以不但能以較薄的寬度裝配於電動自行車的曲柄軸而不會限制整體的設計，亦能提供足夠的扭力輸出以配合使用者的出力狀況而不需額外裝設減速馬達，藉此同時兼顧了體積與扭力的要求，避免現有徑向磁通式的中置馬達設計之種種缺點。
惟，上述實施型態僅例示性說明本案之原理及其功效，而非用於限制本案。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本案之精神及範疇下，對上述實施型態進行修飾與改變。因此，本案之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1．．．電動自行車
10．．．架體
10a．．．轉輪
11．．．轉軸
11L、11R．．．曲柄
12L、12R．．．受力件
13．．．轉軸承座
14．．．傳動裝置承座
15、19．．．鏈輪
15a、19a．．．鏈條
16．．．擋板
17．．．固定裝置
18．．．單向棘輪
2、2a、2b、2c、2d、2e、2f．．．輔助馬達
20、20L、20R．．．矽鋼片
21、21L、21R．．．繞線組
22．．．轉子座
23L、23R．．．永久磁鐵
24．．．殼體
25．．．位置感應器
26．．．轉子軸
27．．．軸承
3．．．電池及控制器
AA、BB．．．切線
第1圖係為本案提供的電動輔助轉輪機構的應用情境圖；第2圖係為沿著第1圖的切線AA所視的剖面示意圖；第3圖係為本案提供的輔助馬達形成為內轉子單一磁通作用面型態的一剖面示意圖；
第4圖係為沿著第3圖的切線BB所視的單向棘輪結構示意圖；
第5圖係為本案提供的輔助馬達形成為內轉子單一磁通作用面型態的另一剖面示意圖；
第6圖係為本案提供的輔助馬達形成為內轉子雙磁通作用面型態的剖面示意圖；
第7圖係為本案提供的輔助馬達形成為外轉子單一磁通作用面型態的剖面示意圖；
第8圖係為本案提供的輔助馬達形成為外轉子雙磁通作用面型態的剖面示意圖；以及
第9圖係為本案提供的輔助馬達形成為具有平行轉軸的軸心的電磁場的結構示意圖。
10．．．架體
11．．．轉軸
11L、11R．．．曲柄
12L、12R．．．受力件
13．．．轉軸承座
14．．．傳動裝置承座
15．．．鏈輪
15a．．．鏈條
16．．．擋板
17．．．固定裝置
2．．．輔助馬達

Claims (22)

  1. 一種電動輔助轉輪機構，係包括：架體；轉輪，係以轉動自如之方式軸接至該架體；轉軸，係軸設於該架體，其兩端分別連接具有受力件的二曲柄，以藉由該受力件受力而提供旋轉動力驅動該轉輪旋轉；以及輔助馬達，係設置於該轉軸兩端的該二曲柄間，且具有與該轉軸的軸心同軸的軸向電磁場，其中，該輔助馬達的輸出動力係與該轉軸提供的旋轉動力結合以同步驅動該轉輪旋轉。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該轉軸係透過第一傳動裝置及傳動裝置承座提供旋轉動力驅動該轉輪旋轉，而該第一傳動裝置係藉由傳動裝置承座旋轉設置於該轉軸。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該轉軸係透過單向棘輪連結鏈輪或皮帶輪。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該輔助馬達係具備轉子及定子，而該轉子係位於該輔助馬達的內部中央區域，且該定子係位於該輔助馬達的內部外側，以形成一個或多個磁通作用面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該輔助馬達係具備轉子及定子，而該定子係位於該輔助馬達的內部中央區域，且該轉子係位於該輔助馬達 的內部外側，以形成一個或多個磁通作用面。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該轉子係具備永久磁鐵及承載該永久磁鐵的轉子座，而該轉子座係透過軸承連接該輔助馬達之殼體。
  7. 如申請專利範圍第4或5項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該轉子係具備永久磁鐵及承載該永久磁鐵的轉子座，而該定子係具備矽鋼片及纏繞於該矽鋼片的繞線組。
  8. 如申請專利範圍第4或5項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該輔助馬達係具備設置於該定子及轉子的位置感應器。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該轉軸係透過第一傳動裝置及傳動裝置承座提供旋轉動力驅動該轉輪旋轉，而該轉子座係透過栓槽軸、鍵連接、或扣環筍接連結至該傳動裝置承座。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該輔助馬達係透過固定裝置設置於該架體側邊。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該轉軸係透過轉軸承座旋轉設置於該架體。
  12. 一種電動輔助轉輪機構，係包括：架體；轉輪，係以轉動自如之方式軸接至該架體；轉軸，係軸設於該架體，其兩端分別連接具有受力件的二曲柄，以藉由該受力件受力而提供旋轉動力驅動 該轉輪旋轉；以及輔助馬達，係設置於該轉軸兩端的該二曲柄間，且具有與該轉軸的軸心平行的軸向電磁場，其中，該輔助馬達的輸出動力係與該轉軸提供的旋轉動力結合以同步驅動該轉輪旋轉。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該轉軸係透過第一傳動裝置及傳動裝置承座提供旋轉動力驅動該轉輪旋轉，而該輔助馬達係透過外露的轉子軸及第二傳動裝置提供該輸出動力，且該第一及第二傳動裝置係藉由傳動裝置承座旋轉設置於該轉軸。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該轉軸係透過單向棘輪連結鏈輪或皮帶輪。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該輔助馬達係具備轉子及定子，而該轉子係位於該輔助馬達內部的中央區域，且該定子係位於該輔助馬達的內部外側，以形成一個或多個磁通作用面。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該輔助馬達係具備轉子及定子，而該定子係位於該輔助馬達的內部中央區域，且該轉子係位於該輔助馬達的內部外側，以形成一個或多個磁通作用面。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該轉子係具備永久磁鐵及承載該永久磁鐵的轉子座，而該轉子座係透過軸承連接該輔助馬達之殼體。
  18. 如申請專利範圍第15或16項所述之電動輔助轉輪機 構，其中，該轉子係具備永久磁鐵及承載該永久磁鐵的轉子座，而該定子係具備矽鋼片及纏繞於該矽鋼片的繞線組。
  19. 如申請專利範圍第15或16項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該輔助馬達係具備設置於該定子及轉子的位置感應器。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該轉軸係透過第一傳動裝置及傳動裝置承座提供旋轉動力驅動該轉輪旋轉，而該轉子座係透過栓槽軸、鍵連接、或扣環筍接連結至該傳動裝置承座。
  21. 如申請專利範圍第12項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該輔助馬達係設置於該架體內部。
  22. 如申請專利範圍第12項所述之電動輔助轉輪機構，其中，該轉軸係透過轉軸承座旋轉設置於該架體。
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