TWI830469B

TWI830469B - 中置馬達扭力及馬達位置感測系統化整合機構及其方法

Info

Publication number: TWI830469B
Application number: TW111141237A
Authority: TW
Inventors: 王智立; 廖忠義; 李岡樺
Original assignee: 財團法人自行車暨健康科技工業研究發展中心
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2024-01-21

Abstract

本發明係揭露一種中置馬達扭力及馬達位置感測系統化整合機構及其方法，包括機座、中置馬達、動力傳遞機構、馬達角度位置感測模組及扭力感測模組。中置馬達具有輸出轉軸。動力傳遞機構包括動力輸入軸及動力輸出軸。動力輸入軸與輸出轉軸連動。扭力感測模組組設於該動力輸出軸。馬達角度位置感測模組包括一磁鐵組件及一磁感應模組。磁鐵組件包括並置且固定於輸出轉軸之末端的二塊狀磁鐵，且使該二塊狀磁鐵並置的同一端為並置的一N磁極及一S磁極。磁感應模組的磁感應元件組設於該機座上的一感應位置，該感應位置位於輸出轉軸的末端之指向的位置上，使二塊狀磁鐵的同一端並置的N磁極及S磁極正對磁感應元件，當輸出轉軸旋轉而帶動二塊狀磁鐵隨之旋轉時，磁感應元件感應二塊狀磁鐵的同一端並置的N磁極及S磁極因旋轉角度不同所產生的磁場變化，進而測得中置馬達之該輸出轉軸的角度位置感測數據，藉以達到效果極為良好的中置馬達扭力及角度位置感測系統化整合之目的。

Description

中置馬達扭力及馬達位置感測系統化整合機構及其方法

本發明係有關一種中置馬達扭力及馬達位置感測系統化整合機構及其方法，尤指一種應用於電動自行車之中置馬達扭力及馬達位置感測系統化的整合技術。

一般而言，電動輔助自行車的馬達傳動機構係安裝於自行車的之車架的五通心軸處(即BB位置)所設置的馬達，即一般所謂的中置電機(即中置馬達)。當騎乘者騎乘至上坡路段時，中置馬達便可依據騎乘者所踩踏曲柄扭矩而適時輸出所需的輔助動力，於是即可讓騎乘者能輕鬆地騎乘電動輔助自行車。然而，一般中置電機都是使用霍爾感測器來感測中置電機轉子的運轉位置，由於是採用直接配置於馬達的方式組設，所以會有無法避免馬達動力線干擾、較無法精準馬達位置偵測以及無法避免馬達溫昇影響等缺失的情事產生。

再者，市售中置電機套件的扭力感測機制大多是採用整組配置的專用扭力感測裝置加以組設；亦即，市售之中置電機套件內設置有扭力感測器以及專屬的控制器，而且電路板外型會配合內部空間進行製作，所以市售之中置電機套件中的扭力感測器一旦發生鬆動；或是損壞情事，則必須送回原廠；或更換整組的中置電機套件，因而造成使用者於財物上負擔增加的情事產生。

為改善上述缺失，電動輔助自行車的相關業者已然開發出下列所示的專利前案：

1.中國大陸第CN216625523號『電機和電動自行車』所示的專利，電機包括轉子、磁環和磁角度感測器，轉子設有轉軸，磁環套設於轉軸，磁環的磁極沿周向分佈；磁角度感測器的位置固定且與磁環間隔設置；磁環的極數與轉子的極數相同，電機採用磁角度感測器替代霍爾感測器，磁角度感測器固定安裝，磁環能夠隨著轉軸一起轉動，通過磁角度感測器檢測磁環的磁場變化，通過檢測磁環的角度位置可以得到轉子的角度位置資料，無需對磁環的角度位置與轉子的角度位置進行換算處理，檢測準確度更高，能夠更精確回饋轉子位置資料，有利於提高對於電機輸出轉速的控制精確。該專利雖然採用與本案相同的磁感應sensor(IC)；惟，除了磁鐵與磁感應sensor(IC)組設位置不同之外，而且該專利的磁鐵是採用較大體積且做複數磁極間隔配置的磁環，相較於本案是一整塊磁鐵的配置方式，可見，二者技術上確實具有差異性以及所達成的機能效果不同。

2.中國大陸第CN216185776號『電動自行車中置電機相位檢測裝置』所示的專利，包括與中置電機的電機軸連接固定的環形磁環和與所述中置電機連接固定的磁編碼器，所述磁編碼器位於所述環形磁環的外周側壁的外側，且所述磁編碼器的一側側面與所述環形磁環的一側側面齊平，所述環形磁環靠近所述磁編碼器的一側外表面形成有至少一對N極和S極。本申請具有通過將磁編碼器安裝固定在環形磁環外周側壁的外側，以使得磁編碼器對環形磁鋼的N極和S極進行有效的檢測，進而將顯著降低中置電機的運行振動和雜訊，延長中置電機的使用壽命。該專利雖然採用與本案相同的磁感應sensor(IC)；惟，除了磁鐵與磁編碼器組設位置不同之外，該專利係於電路板設置的磁編碼器需研發人員進行判斷，因而造成感測上的不便與困擾的情事產生，此外，相較於本案是一整塊磁鐵的配置方式，可見，二者技術上確實具有差異性以及所達成的機能效果不同。

有鑑於此，上述習知技術與該等專利前案於功能性上確實皆未臻完善，因而仍有再改善的必要性；緣是，本發明人等乃積極努力研發，終於研發出一套有別於上述習知技術與前揭專利的本發明。

本發明第一目的，在於提供一種透過特殊的馬達位置感測模組的組配設計來完成效果極為良好的系統化整合之中置馬達扭力及馬達位置感測系統化整合機構。達成第一目的之技術手段，係包括機座、中置馬達、動力傳遞機構、馬達角度位置感測模組及扭力感測模組。中置馬達具有輸出轉軸。動力傳遞機構包括動力輸入軸及動力輸出軸。動力輸入軸與輸出轉軸連動。扭力感測模組組設於該動力輸出軸。馬達角度位置感測模組包括一磁鐵組件及一磁感應模組。磁鐵組件包括並置且固定於輸出轉軸之末端的二塊狀磁鐵，且使該二塊狀磁鐵並置的同一端為並置的一N磁極及一S磁極。磁感應模組的磁感應元件組設於該機座上的一感應位置，該感應位置位於該輸出轉軸的該末端之指向的位置上，使該二塊狀磁鐵的同一端並置的該N磁極及該S磁極正對該磁感應元件，當該輸出轉軸旋轉而帶動該二塊狀磁鐵隨之旋轉時，該磁感應元件感應該二塊狀磁鐵的同一端並置的該N磁極及該S磁極因旋轉角度不同所產生的磁場變化，進而測得該中置馬達之該輸出轉軸的角度位置感測數據。

本發明第二目的，在於提供一種透過特殊的馬達位置感測模組的組配設計來完成效果極為良好的系統化整合之中置馬達扭力及馬達位置感測系統化整合方法。達成第二目的之技術手段，係包括提供機座、中置馬達、動力傳遞機構、馬達位置感測模組及扭力感測模組；該中置馬達具有一輸出轉軸；該動力傳遞機構包括一動力輸入軸及一動力輸出軸；扭力感測模組包括一扭力感測器；其特徵在於，該馬達位置感測模組包括一磁鐵組件及一磁感應模組，該磁鐵組件包括並置的二塊狀磁鐵，該磁感應模組包括一磁感應元件；將該磁鐵組件組設固定於該輸出轉軸的一末端，使該二塊狀磁鐵並置的同一端為並置的一N磁極及一S磁極；將該磁感應元件組設於該機座上的一感應位置；將該中置馬達組設於該機座上，使該感應位置位於該輸出轉軸的該末端之指向的位置上，而使該二塊狀磁鐵的同一端並置的該N磁極及該S磁極正對該磁感應元件；將該扭力感測器組設於該動力輸出軸；及將該動力傳遞機構組設於該機座內，使該動力輸入軸與該輸出轉軸連動，使該輸出轉軸得以驅動該動力輸入軸而連動該動力輸出軸旋轉；當該輸出轉軸旋轉而帶動該二塊狀磁鐵隨之旋轉時，該磁感應元件感應該二塊狀磁鐵的同一端並置的該N磁極及該S磁極因旋轉角度不同所產生的磁場變化，以測得該中置馬達之該輸出轉軸的角度位置感測數據。

10:機座

100:殼體

101:腔室

102:前開口

103:後開口

104:前壁板

105:後壁板

106:端蓋

20:中置馬達

21:輸出轉軸

211:第一齒部

210:固定孔

30:動力傳遞機構

301:動力輸入軸

302:動力輸出軸

31:間齒輪

310:第三齒部

32:主齒輪

320:第二齒部

33:副齒輪

331:主齒環

330:第四齒部

332:副齒環

34:齒盤

35:扭力感測模組

40:馬達角度位置感測模組

400:磁感應模組

401:磁感應元件

402:磁鐵組件

41:磁鐵

410:N磁極

411:S磁極

42:定位件

420:嵌座

421:嵌孔

422:固定桿

60:控制器

61:驅動模組

圖1係本發明的分解示意圖。

圖2係本發明的局部組合示意圖。

圖3係本發明局部構件拆離的第一個角度的祼視圖。

圖4係本發明局部構件拆離的第二個角度的祼視圖。

圖5係本發明已近完整組合的示意圖。

圖6係本發明完整組合並安裝有齒盤的示意圖。

圖7係本發明另一視角的局部構件分解示意圖。

圖8係本發明的功能架構方塊示意圖。

為讓貴審查委員能進一步瞭解本發明整體的技術特徵與達成本發明目的之技術手段，玆以具體實施例並配合圖式加以詳細說明：

請配合參看圖1~5及圖8所示，達成本發明目的之一種實施例，係包括一機座10、一中置馬達20、一動力傳遞機構30、一馬達角度位置感測模組40及一扭力感測模組35。馬達角度位置感測模組40包括一磁鐵組件402及一磁磁感應模組400。該中置馬達20組設於機座10上，該中置馬達20設有一輸出轉軸21。該動力傳遞機構30組設於機座10內，其包含一動力輸入軸301及一動力輸出軸302，該動力輸入軸301與輸出轉軸21連動，由該輸出轉軸21驅動該動力輸入軸301而連動該動力輸出軸302旋轉；該扭力感測模組組設於該動力輸出軸302。該磁鐵組件402組設於輸出轉軸21一末端。該磁鐵組件402包括並置的二塊狀磁鐵41。該二塊狀磁鐵41固定於該輸出轉軸21之該末端，且該二塊狀磁鐵41的同一端分別為N磁極410及S磁極411，使該二塊狀磁鐵41並置的同一端為並置的一N磁極410及一S磁極411。該磁感應模組400包括一磁感應元件401，該磁感應元件401組設於該機座10上的一感應位置，該感應位置位於該輸出轉軸21的該末端之指向的位置上，使該二塊狀磁鐵41的同一端並置的該N磁極410及該S磁極411正對該磁感應元件。該磁鐵組件402包括一定位件42。該定位件42一前段設一嵌座420及一後段設一固定桿422。該嵌座420一前端面凹設一嵌孔421，該嵌孔421供該二塊狀磁鐵 41並置地塞固於其內，且使該二塊狀磁鐵41的同一端並置的該N磁極410及該S磁極411顯露該嵌孔421的一開口。該輸出轉軸21的該末端的一端面凹設一固定孔210。該固定桿422插設於該固定孔210內固定，使該定位件42固定於該輸出轉軸21的該末端，並使該二塊狀磁鐵41並置地組設於該輸出轉軸21的該末端，且使該二塊狀磁鐵41的同一端並置的該N磁極410及該S磁極411正對該磁感應元件401。當該輸出轉軸21旋轉而帶動該二塊狀磁鐵41隨之旋轉時，該磁感應元件401感應該二塊狀磁鐵41的同一端並置的該N磁極410及該S磁極411因旋轉角度不同所產生的磁場變化，進而測得該中置馬達20之該輸出轉軸21的角度位置感測數據，使角度位置感測數據得以供作為中置馬達20換向位置或精準定位輸出的控制依據。更具體地，該機座10包括一筒狀殼體100、一前壁板104及一後壁板105；該筒狀殼體100具有一腔室101及位於該腔室101兩端的一前開口102與一後開口103；該前壁板104及該後壁板105分別封設於該前開口102及該後開口103；該中置馬達20固定於該後壁板105上，該動力傳遞機構30容納於該腔室101內，該磁感應元件401固定於該前壁板104上，前壁板104的右半部再覆設一端蓋106。更具體地，該磁感應元件401係為片狀式的磁感應積體電路(磁感應SENSOR IC)，而該磁感應積體電路可以是一種MT6825-IC；或是AK7451磁性角度感測器的其中一種，但不以此為限。

請配合參看圖8所示，本發明更具體實施例係更包含一控制器60及一驅動模組61，該控制器60用以解讀處理角度位置感測數據後輸出一相應的控制訊號至驅動模組61，用以使驅動模組61驅動中置馬達20做出相應的換向位置(即利用電流的切換而達到最大轉矩換相之目的)；或精準定位輸出的運轉；由於磁感應積體電路(磁感應SENSOR IC)與控制器60及驅動模組61之間的制動控制已為習知技術，所以不再贅述相關的技術內容。其中，第一種應用實施例，該中置馬達20係為一種無刷直流馬達(BLDC)，當控制器60輸出控制訊號至驅動模組61時，則驅動無刷直流馬達做出U、V、W等相之依序換向位置的運轉。其中，第二種應用實施例，該中置馬達20係為一種伺服馬達，當控制器60輸出控制訊號至驅動模組61時，則驅動伺服馬達做出A、B、Z等相之精準定位輸出的運轉。

請配合參看圖1、3所示，本發明較佳實施例中，該二塊狀磁鐵41的形狀相同且對稱於該輸出轉軸21的一中心軸線而並置，該二塊狀磁鐵41同一端並置的該N磁極410及該S磁極411隨同該輸出轉軸21旋轉時的旋轉半徑小於2.5cm(公分)，而且該二塊狀磁鐵41之間的間隔距離小於0.8cm(公分)。更佳的是，該N磁極410及該S磁極411所位於的同一平面係與輸出轉軸21末端的端面平行。更佳的是，該二塊狀磁鐵41的形狀相同且分別為半圓柱形而使一側為一平面另一側為一圓弧面，該二塊狀磁鐵41一側的平面相靠合。

請配合參看圖1~8所示，本發明應用於一動力傳遞機構30，係動力傳遞機構30更包含一間齒輪31、一主齒輪32及一副齒輪33。該主齒輪32與該間齒輪31同軸地固定於該動力輸入軸301上。該副齒輪33同軸地固定於該動力輸出軸302上。該輸出轉軸21、該主齒輪32、該間齒輪31及該副齒輪33周面上分別設有第一齒部211、第二齒部320、第三齒部310及第四齒部330。該第一齒部211與該二齒部320嚙合；該第三齒部310與該四齒部331嚙合。該動力輸出軸302的一端供固設一齒盤34。其中，本實施例中，該扭力感測模組35包含組設於該動力輸出軸302上的一BB型扭力感測器，用以檢測出得該動力輸出軸302的扭力資訊。

請配合參看圖4、7所示，動力輸出軸302中段環設有一主齒環331，而副齒輪33一內環部環設一副齒環332，副齒輪33套設於動力輸出軸302，主齒環331與副齒環332的齒部相嚙合，使動力輸出軸302得與副齒輪33同步轉動。BB型扭力感測器安裝於主齒環331處。

本發明能夠應用BB型扭力感測器之對應齒型結構，確實可以結合市售之BB型扭力感測器於中置馬達20上，並可結合大齒盤34，通用性大；本發明將磁感應SENSOR(IC)應用於電輔自行車之中置馬達20，主要目的在於感測中置馬達20位置，藉以取代傳統中置馬達20中之霍爾感測器。馬達位置感測主要是透過磁磁感應模組400應用磁鐵41的NS磁極410相吸及相斥原理而取得磁鐵41的磁極對應角度位置，並將中置馬達20激磁定位後，再將中置馬達20位置感測NS磁極410嵌入，以達到每顆中置馬達20磁極位置一致的目的，而本發明應用之磁磁感應模組400(即磁感IC)只要將中置馬達20達的參數、磁極數、運轉方向(cw、ccw)、偏移位置設定完成後，即可分割出中置馬達20之U、V、W等相的換向位置做依序的切換；或A、B、Z等相之訊號做精準的定位輸出。

因此，經由上述具體實施例的詳細說明之後，本發明確實具有下列所述的特點：

1.本發明是以磁感應模組來取代傳統中置馬達中使用的霍爾感測器，因而具有隔空與馬達本體分離、避免馬達動力線干擾、精準馬達位置偵測以及避免馬達溫昇影響等特點。

2.本發明確實是一種無需將整組中置馬達套件更換以節省成本的中置馬達扭力及馬達位置感測技術，主要是將市售整組BB型扭力感測器與中置電機之齒輪機構做整合的結構設置，由於與扭力感測器為獨立設置的緣故，所以當扭力感測器鬆動或故障時不需要更換整組中置馬達套件，因而具有可結合大齒盤、通用性大以及維護方便等諸多的特點。

以上所述，僅為本發明一種較為可行的實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。