带力矩传感功能的轮毂电机和采用该电机的电动自行车的制作方法

本发明涉及电动自行车领域，具体涉及一种电动自行车及其轮毂电机。

背景技术：

电动自行车由于其轻快省力及无污染等特点，正日益在世界各国推广运用。传统的电动自行车都用转把来调速，也有用速度传感装置来控制电机的输出功率的所谓智能型电动自行车，这类智能型电动自行车的特点是平地骑行很轻松，但上坡却十分费力。采用力矩传感装置的电动自行车则正好与之相反，平地骑行时电机的输出功率很小，既能让人感觉到骑行轻松又很省电，而上坡时却可输出较大的电流使爬坡变得很省力，是一种真正能让人体验到人与机的自然融合的电动自行车。

现有电动自行车的力矩传感装置多用在自行车中轴部位，或者是牙盘上，或者是用在中置电机上，在国内早期也有把力矩传感用在轮毂电机上的先例，但因设计不合理，性能不稳定，使用效果差强人意而没有普及。

技术实现要素：

本发明目的是：针对上述问题，提供一种带力矩传感功能的轮毂电机，同时提供一种采用这种轮毂电机的电动自行车。

本发明的技术方案是：

一种带力矩传感功能的轮毂电机，包括：

轮毂，

收容于该轮毂内的电机机芯，以及

与所述轮毂同轴固定、以用于安装飞轮的驱动轴套；

所述驱动轴套包括：

同轴布置的外套和内套，以及

连接在所述外套和内套之间、且沿圆周方向间隔分布的若干条连接筋；

所述外套与所述轮毂紧固，所述内套上设置有用于紧固连接飞轮的飞轮连接结构，所述内套上固定设置力矩感应磁钢，所述外套上固定设置信号输出板，该信号输出板上设置有与所述力矩感应磁钢相对应的霍尔元件。

所述内套上一共设置有两个所述力矩感应磁钢，且这个两个力矩感应磁钢并列紧挨布置，同时这个两个力矩感应磁钢径向外表面的极性相反。

所述力矩感应磁钢和所述信号输出板均布置在相邻两条连接筋之间。

还包括与所述驱动轴套同轴布置的动座和静座，其中动座固定在驱动轴套上，动座上固定有副边绕组；静座活动连接在动座上而能够围绕动座的中轴线转动，静座上固定有原边绕组和信号接收板，所述原、副边绕组共同组成一隔离变压器，其中原边绕组与信号接收板上设有的交流电发生器电连接，且信号接收板上设有引出线，而副边绕组则与信号输出板电连接。所述副边绕组由设置在所述动座上的圆环形的动磁芯以及固定在该动磁芯中的动线圈构成，所述原边绕组由设置在所述静座上的圆环形的静磁芯以及固定在该静磁芯中的静线圈构成；所述动磁芯和静磁芯贴合接触且能够相对转动，并与所述动线圈和静线圈一同构成隔离变压器；所述静线圈相当于隔离变压器的原边线圈，其与所述信号接收板上设置的交流电发生器电连接；而动线圈相当于隔离变压器的副边线圈，其与所述信号输出板电连接。

所述动磁芯和静磁芯的轴向截面均呈c字型，二者相互贴合而构成一个具有口字型轴向截面的环形结构，所述动线圈和静线圈被收容在由所述动磁芯和静磁芯构成的具有口字型轴向截面的环形结构内。

在所述动磁芯和静磁芯的贴合接触面上粘贴有滑动膜。

所述动磁芯和所述静磁芯均为铁氧体磁芯。

所述静座上设置有用于相对固定在电机定子上，以阻止该静座作周向转动的3个卡扣。

一种电动自行车，包括结构的电动自行车轮毂电机。

本发明的优点是：

1、本发明提供的这种电动自行车轮毂电机，其借助专门设计的驱动轴套及设于其上的磁钢和霍尔元件来测量人脚蹬力施加于曲柄上的力矩，测量敏感度高；同时本发明又专门设计了一种原、副绕组分设于静座、动座上的隔离变压器来输出测得的力矩信号，利用该变压器原理，巧妙地解决了将旋转信号转换为静止信号的难题，且信号传输稳定性好，大大提高了本发明整体的工作性能和测量精度。

2、本发明提供的这种电动自行车轮毂电机，具体工作时，动座随着牙盘和驱动轴套的转动而转动，而静座则由于3个卡扣的作用不会跟转，因此使得同静座相固定的信号接收板上的引出线能够保持不动，解决了由转动的电信号转换为静止的电信号的难题。

3、本发明提供的这种电动自行车轮毂电机，其电机控制器能够根据脚踩踏板并通过曲柄、链轮、链条、飞轮传递到轮毂的力矩大小来控制电机的运行参数，从而完美的实现了人机协调的过程

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明实施例中轮毂电机的爆炸图；

图2是本发明实施例这种轮毂电机中力矩传感部分的立体图；

图3是本发明实施例这种轮毂电机中力矩传感部分的主视图；

其中：1-轮毂，1a-轮毂壳体，1b-轮毂右端盖，1c-轮毂左端盖，2-驱动轴套，2a-外套，2b-内套，2c-连接筋，3-力矩感应磁钢，4-信号输出板，5-动座，6-静座，7-信号接收板，8-引出线，9-霍尔元件，10-动磁芯，11-动线圈，12-静磁芯，13-静线圈，14-滑动膜。

具体实施方式

图1～图3示出了本发明这种带力矩传感功能的轮毂电机的一个优选实施例，其包括轮毂1、电机机芯和驱动轴套2，其中电机机芯设置于轮毂内部，驱动轴套2与轮毂1同轴固定。

实际应用时，轮毂1安装在自行车的后轮上，其旋转连接在自行车车架上，自行车的飞轮同轴固定在驱动轴套2上。轮毂1是由图1中的轮毂壳体1a和轮毂右端盖1b通过六颗螺钉锁紧固定在一起而形成的。电动模式下，电机机芯通电而带动轮毂1转动，进而带动车辆前行；人力骑行模式下，骑行者通过踩踏曲柄而通过链条带动牙盘转动，牙盘再通过驱动轴套2带动轮毂1转动，进而带动车辆前行。

本实施例的关键在于，所述驱动轴套2包括外套2a、内套2b和连接筋2c，其中，外套2a和内套2b同轴布置，外套2a通过三颗螺钉与轮毂1的轮毂右端盖1b紧固，所述内套2b上设置有用于紧固连接飞轮的飞轮连接结构(如螺纹)，连接筋2c至少有两条，本实施例一共设置了三条，而且均匀分布。其中，所述内套2b上固定设置有力矩感应磁钢3，而外套2a上固定设置有信号输出板4，并且该信号输出板4上设置有与所述力矩感应磁钢3相对应的霍尔元件9。信号输出板4通过信号传输装置与电机的控制相连。

在实际应用时，当人踩自行车脚踏而通过链条带飞轮转动，飞轮再带动与之紧固的内套2b转动，内套2b再通过连接筋2c带动外套2a转动。在内套2b向外套2a传递扭转力矩的过程中，连接筋2c会发生周向的扭转形变，而使得内套2b和外套2b发生周向错位，故而力矩感应磁钢3与霍尔元件9的相对位置发生改变，霍尔元件9感应到磁场发生变化。牙盘受到的扭转力矩越大，霍尔元件9感应的磁变信号越强，如此可通过霍尔元件9感应出骑行者对脚踏的踩踏力大小，进而通过电机控制器调节该电机的输出功率。

为了提高霍尔元件9对磁场的感应灵敏度，本实施例在所述内套2b上一共设置了两个力矩感应磁钢3，这个两个力矩感应磁钢3并列紧挨布置，而且这个两个力矩感应磁钢3径向外表面的极性相反，如此在这两颗两个力矩感应磁钢3之间形成一个磁场由负到正的线性变化区。而上述的霍尔元件9为线性霍尔元件(也称线性霍尔集成电路)，该线性霍尔元件的感应面正对着这两颗力矩感应磁钢3。

此外，为了方便对上述信号输出板4和力矩感应磁钢3的布置，并尽量减小该轮毂电机的外形，本实施例将所述力矩感应磁钢3和信号输出板4均布置在相邻两条连接筋2c之间的空间。

上述信号传输装置采用这种结构形式：它包括与所述驱动轴套2同轴布置的动座5和静座6，动座5和静座6均为塑料件。其中动座5固定在驱动轴套2上，其上固定有副边绕组。静座6活动连接在动座5上而能够围绕动座5的中轴线转动，静座6上固定有原边绕组和信号接收板7。所述原、副边绕组共同组成一隔离变压器，其中原边绕组与信号接收板7上设有的交流电发生器电连接，且信号接收板7上设有三根引出线8(分别为电源+、电源-、信号出)，这3个引出线与控制器相连，而副边绕组则与信号输出板4电连接。

所谓“静座”，是指其在实际应用时并不随轮毂一起转动，而是与自行车车架保持相对静止的。具体为通过如下结构形式实现：在静座6上设置有3个卡扣，该卡扣6a同轴卡在电机的定子铁芯上，从而起到了阻止静座6转动的目的。

本例中，所述副边绕组由设置在所述动座5上的圆环形的动磁芯10以及固定在该动磁芯10中的动线圈11构成。所述原边绕组由设置在所述静座6上的圆环形的静磁芯12以及固定在该静磁芯12中的静线圈13构成。所述动磁芯10和静磁芯12贴合接触且能够相对转动，并与所述动线圈11和静线圈13一同构成隔离变压器。静线圈13相当于隔离变压器的原边线圈，其与信号接收板7上设置的交流电发生器电连接。动线圈11相当于隔离变压器的副边线圈，其与信号输出板4电连接。所述动磁芯10和静磁芯12均为铁氧体磁芯。

所述动磁芯10和静磁芯12的轴向截面均呈c字型(具有一开口面)，二者相互贴合而构成一个具有口字型轴向截面的环形结构，所述动线圈11和静线圈13被收容在由动磁芯10和静磁芯12构成的具有口字型轴向截面的环形结构内。

由于在实际应用中所述动磁芯10和静磁芯12会因为作相对转动而产生滑动摩擦，为了避免动磁芯10和静磁芯12因直接接触摩擦而降低二者的使用寿命，本例在动磁芯10和静磁芯12的贴合接触面上粘贴有滑动膜14，该滑动膜14共有两片，一片贴在动磁芯10上，另一片贴在静磁芯12上，从而使得静磁芯12不直接接触，滑动膜14具有很好的耐磨性。

由上可见，动磁芯10和静磁芯12的开口面贴合在一起而构成一闭合结构，因此静线圈13和动线圈11都处在了一个闭合的磁路内，这样就等效成了一个隔离变压器，静线圈13相当于是变压器原边线圈，而动线圈11则相当于是变压器副边线圈。在实际应用时，信号接收板7上安装的交流电发生器给变压器的原边线圈(静线圈13)供电，从而使得静线圈13获得一定大小的交流电，由于隔离变压器的副边线圈(动线圈11)连接的是可变负载，所以其原边侧的电流会随着副边侧可变负载的变化而变化，将这一电流的变化通过信号接收板7进行处理转换成电压输出即完成了对驱动轴套所受力矩大小的检测。

由于本实施例在具体工作时，动座随着牙盘和驱动轴套的转动而转动，而静座则在3个卡扣的定位下不会跟转，因此使得同静座相固定的信号接收板7上的引出线能够保持不动，解决了由转动的电信号转换为静止的电信号的难题。

本例中，所述动磁芯与动座之间是由胶水或者双面胶粘接的。静磁芯上成型有定位缺口，静座上成型有与之对应的定位块，定位缺口与定位块相配合，从而确保安装定位和阻止静磁芯相对于静座作周向转动，在静座和电机定子间设置有弹性体，如压簧或波形弹簧片，其作用是保证静磁芯与动磁芯始终紧贴在一起。

上述的动座5和静座6均为塑料件，信号输出板4和信号接收板7均为pcb板。

当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。