一種用于電動助力自行車的電機及其智能控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于電動助力自行車的電機，包括踩踏驅動部分，所述踩踏驅動部分的卡基座（1）通過棘輪棘爪機構（2）單向驅動端蓋（3）轉動；所述卡基座（1）的內腔中嵌置有固定環(huán)（5），且固定環(huán)（5）內嵌置有若干個呈環(huán)狀排列的磁鋼（6），在電機軸（7）上設置有正對磁鋼（6）設置的踩踏傳感器（8），踩踏傳感器（8）通過磁鋼（5）的磁場變化能夠實時感應到磁鋼（6）的轉動方向和轉動速度。智能控制系統(tǒng)包括控制器（15）、電池（20）和電機（21），控制器（15）對采集自電機（21）內部的信息進行處理。本發(fā)明的電機及其智能控制系統(tǒng)的信號密集、靈敏度高且起步時助力啟動角度小、檢測用戶停止踩踏的時間短。
【專利說明】
一種用于電動助力自行車的電機及其智能控制系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及電動助力自行車技術領域，具體地說是一種信號密集、靈敏度高、起步時助力啟動角度小且檢測用戶停止踩踏的時間短的用于電動助力自行車的電機及其智能控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]電動助力自行車兼具自行車運動休閑以及電動車輕松省力的特點，近年來越來越受市場歡迎。目前，市場上大部分助力控制方案，采用的助力傳感器和電動自行車的輪轂電機分別為獨立的兩個部件。助力傳感器一般安裝于自行車架中軸處，通過助力傳感器測量用戶騎行時的踩踏頻率，并將該信息轉換成數(shù)字信號傳遞給控制器，由控制器調節(jié)PWM占空比，最終實現(xiàn)助力。但是該方案缺點較多:(1)、中軸的助力傳感器，受限于用戶的踩踏頻率(一般最大為120轉每分鐘，一般在50-90轉每分鐘之間)，信號少，靈敏度有限；⑵、起步時要踩踏一定角度(最小24°)才可啟動助力；⑶、停止踩踏檢測時間長(100毫秒以上)；⑷、助力傳感器采集到的踩踏頻率信息單一且控制器的控制方式受限；(5)當前主要有兩種控制方式，一種控制方式是以踩踏信號作為助力開關，檢測到踩踏信號后調節(jié)電機達到額定檔位速度，另一種控制方式是將踩踏頻率換算成一定的PWM占空比值，高踏頻輸出高電機轉速，但其所輸出的電機轉速并不能很好適配用戶踩踏節(jié)奏，導致電機轉速超前(出現(xiàn)踏空，空踩)或落后于用戶的踩踏頻率(助力太弱)，以上兩種的體驗并不好;(6)、助力傳感器所需配件較多，安裝精度高，固定方式復雜，且裸露在外部環(huán)境中，可靠性及穩(wěn)定性差。
【發(fā)明內容】
[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術存在的問題，提供一種信號密集、靈敏度高、起步時助力啟動角度小且檢測用戶停止踩踏的時間短的用于電動助力自行車的電機及其智能控制系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案解決的:
一種用于電動助力自行車的電機，包括電機驅動部分和踩踏驅動部分，其特征在于:所述踩踏驅動部分的卡基座通過棘輪棘爪機構單向驅動端蓋轉動，端蓋固定在電機輪轂上且兩者聯(lián)動;所述卡基座的內腔中嵌置有固定環(huán)，且固定環(huán)內嵌置有若干個沿電機軸的周向呈環(huán)狀排列的磁鋼，在電機軸上設置有正對磁鋼設置的踩踏傳感器，踩踏傳感器通過磁鋼的磁場變化能夠實時感應到磁鋼的轉動方向和轉動速度。
[0005]所述磁鋼的N極統(tǒng)一朝向電機軸或者磁鋼的S極統(tǒng)一朝向電機軸設置;所述固定環(huán)中的磁鋼的個數(shù)N<Jir/W，其中r為磁鋼構成的環(huán)狀體的內徑，W為單個磁鋼的寬度。
[0006]所述固定環(huán)上的磁鋼內壁和電機軸的外壁之間留有2mm?5mm的間隙，且固定環(huán)與棘輪棘爪機構的被驅動部件之間亦設有間隙。
[0007]所述的端蓋上設有能夠實時采集車輪轉動速度的車輪轉動傳感器。
[0008]所述的棘輪棘爪機構包括卡基座的內壁上設置的逆棘器以及塔基軸心件上設置的棘爪、或者包括卡基座的內壁上設置的棘爪、以及塔基軸心件上設置的逆棘器;所述的塔基軸心件和卡基座構成該電機的塔基且塔基軸心件和端蓋固定相連，卡基座在飛輪的帶動下轉動并通過棘輪棘爪機構將運動傳遞至塔基軸心件、端蓋和電機輪轂。
[0009]所述的棘輪棘爪機構包括卡基座的延伸部件上設置的逆棘器以及端蓋上對應該逆棘器的連接部位處設置的棘爪、或者包括卡基座的延伸部件上設置的棘爪以及端蓋上對應該棘爪的連接部位處設置的逆棘器;所述的卡基座的延伸部件和端蓋上對應該卡基座的延伸部件的連接部位構成該電機的塔基，卡基座在飛輪的帶動下轉動并通過棘輪棘爪機構將運動直接傳遞至端蓋和電機輪轂。
[0010]所述的電機驅動部分包括固定在電機軸上的電機定子、電機轉子和行星齒輪減速離合器機構，電機定子通電后會使得電機轉子轉動，電機轉子驅動行星齒輪減速離合器機構帶動與行星齒輪減速離合器機構嚙合的電機輪轂轉動。
[0011]—種用于電動助力自行車的電機智能控制系統(tǒng)，包括控制器、給控制器供電的電池和電機，其特征在于:所述的控制器包括單片機、踩踏信號采集電路和電機驅動電路，踩踏信號采集電路能夠通過電機內設置的踩踏傳感器得到用戶踩踏的轉動方向和轉動速度并傳遞給單片機，由單片機根據獲得的用戶踩踏的轉動速度和時間狀態(tài)得出用戶踩踏的加速度;單片機根據用戶踩踏的加速度來控制PWM占空比輸出并通過電機驅動電路來控制電機的電機驅動部分驅動電機輪轂的轉速。
[0012]所述的控制器內還設有車輪轉動信號采集電路，車輪轉動信號采集電路能夠通過電機內設置的車輪轉動傳感器獲得車輪的轉動速度并傳遞給單片機。
[0013]所述的踩踏傳感器采用能夠識別正反轉向的一個或多個霍爾元件制成，且車輪轉動傳感器亦采用霍爾元件制成;所述的霍爾元件為鎖存型霍爾或開關型霍爾。
[0014]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術有如下優(yōu)點:
本發(fā)明通過在卡基座的內腔中嵌置有固定環(huán)，且固定環(huán)內嵌置有若干個沿電機軸的周向呈環(huán)狀排列的磁鋼，在電機軸上設置有正對磁鋼設置的踩踏傳感器，踩踏傳感器通過磁鋼的磁場變化能夠實時感應到磁鋼的轉動方向和轉動速度;在電機內部設置的踩踏傳感器和磁鋼相配合使智能控制系統(tǒng)采集的助力傳感信號密集、靈敏度高，用戶踩踏最小角度5°即可啟動助力，檢測用戶停止踩踏并停止助力輸出的時間短至20毫秒，且通過車輪轉動傳感器的設置使得助力傳感信息更豐富。
[0015]本發(fā)明的智能控制系統(tǒng)能夠根據踩踏速度和加速度等信息智能識別用戶加速及減速的意圖，提供更加智能的助力體驗;控制器驅動電機的電機驅動部分的轉速跟隨用戶踩踏的速度，不會出現(xiàn)電機的電機驅動部分的轉速超前或落后于用戶踩踏速度的情況;且由于無需再在中軸處安裝助力傳感器，助力傳感信號來源于電機的內部，采集的信息更加穩(wěn)定可靠。
【附圖說明】
[0016]附圖1為本發(fā)明的用于電動助力自行車的電機結構示意圖；
附圖2為本發(fā)明的用于電動助力自行車的電機結構剖視圖；
附圖3為本發(fā)明的帶有磁鋼的固定環(huán)結構示意圖；
附圖4為本發(fā)明的用于電動助力自行車的電機智能控制系統(tǒng)原理框圖。
[0017]其中:I一卡基座;2—棘輪棘爪機構;3—端蓋;4一電機輪穀;5—固定環(huán);6—磁鋼；7 一電機軸;8—踩踏傳感器;9 一塔基軸心件；10—塔基；11 一電機定子;12—電機轉子;13—行星齒輪減速離合器機構；14 一車輪轉動傳感器；15—控制器；16—單片機；17—踩踏信號米集電路;18 一車輪轉動?目號米集電路;19 一電機驅動電路;20 一電池;21—電機。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0019]如圖1-3所示:一種用于電動助力自行車的電機，包括電機驅動部分和踩踏驅動部分，電機驅動部分包括固定在電機軸7上的電機定子11、電機轉子12和行星齒輪減速離合器機構13，電機定子11通電后會使得電機轉子12轉動，電機轉子12驅動行星齒輪減速離合器機構13帶動與行星齒輪減速離合器機構13嚙合的電機輪轂4轉動;踩踏驅動部分的卡基座I用于安裝卡式飛輪并在卡式飛輪的帶動下通過棘輪棘爪機構2單向驅動端蓋3轉動，端蓋3固定在電機輪轂4上且兩者聯(lián)動;卡基座I的內腔中嵌置有固定環(huán)5，由非磁性屏蔽材料組成的固定環(huán)5的外壁通過螺紋旋進、粘結或其它方式固定在卡基座I的內壁上，在固定環(huán)5內嵌置有若干個沿電機軸7的周向呈環(huán)狀排列的磁鋼6，固定環(huán)5上的磁鋼6內壁和電機軸7的外壁之間留有2mm?5mm的間隙，且固定環(huán)5與棘輪棘爪機構2的被驅動部件之間亦設有間隙；另外固定環(huán)5中的磁鋼6的個數(shù)N<Jir/W，其中r為磁鋼6構成的環(huán)狀體的內徑，W為單個磁鋼的寬度;且磁鋼6的N極統(tǒng)一朝向電機軸7或者磁鋼6的S極統(tǒng)一朝向電機軸7設置，在電機軸7上設置有正對磁鋼6設置的踩踏傳感器8，踩踏傳感器8通過磁鋼5的磁場變化能夠實時感應到磁鋼6的轉動方向和轉動速度。同時在端蓋3上設有能夠實時采集車輪轉動速度的車輪轉動傳感器14。具體到棘輪棘爪機構2和該電機的塔基10的結構，一種方案是:棘輪棘爪機構2包括卡基座I的內壁上設置的逆棘器以及塔基軸心件9上設置的棘爪、或者包括卡基座I的內壁上設置的棘爪、以及塔基軸心件9上設置的逆棘器；由棘爪結構、端蓋連接結構和軸承組件等組成的塔基軸心件9和卡基座I構成該電機的塔基10且塔基軸心件9和端蓋3固定相連，卡基座I在飛輪的帶動下轉動并通過棘輪棘爪機構2將運動傳遞至同步轉動的塔基軸心件9、端蓋3和電機輪轂4。另一種方案是:棘輪棘爪機構2包括卡基座I的延伸部件上設置的逆棘器以及端蓋3上對應該逆棘器的連接部位處設置的棘爪、或者包括卡基座I的延伸部件上設置的棘爪以及端蓋3上對應該棘爪的連接部位處設置的逆棘器;卡基座I的延伸部件和端蓋3上對應該卡基座I的延伸部件的連接部位構成該電機的塔基10，卡基座I在飛輪的帶動下轉動并通過棘輪棘爪機構2將運動直接傳遞至同步轉動的端蓋3和電機輪轂4。綜上所述，即所謂塔基10的結構:為帶有棘輪棘爪的單向超越離合結構并用于連接自行車變速飛輪的部件。
[0020]如圖4所示:一種用于電動助力自行車的電機智能控制系統(tǒng)，包括控制器15、給控制器15供電的電池20和電機21，該控制器15包括單片機16、踩踏信號采集電路17、車輪轉動信號采集電路18和電機驅動電路19，踩踏信號采集電路17能夠通過電機21內設置的踩踏傳感器8得到用戶踩踏的轉動方向和轉動速度并傳遞給單片機16，由單片機16根據獲得的用戶踩踏的轉動速度和時間狀態(tài)得出用戶踩踏的加速度;單片機16根據用戶踩踏的加速度來控制PWM占空比輸出并通過電機驅動電路19來控制電機21的電機驅動部分驅動電機輪轂4的轉速。車輪轉動傳感器14能夠將實時獲得車輪的轉動速度傳遞給控制器15中的車輪轉動信號采集電路18并由車輪轉動信號采集電路18傳遞給單片機16，單片機16能夠根據車輪的實時轉動速度來對電機驅動部分驅動電機輪轂4的轉速進行微調。在上述電機智能控制系統(tǒng)中，踩踏傳感器8采用能夠識別正反轉向的一個或多個霍爾元件制成，車輪轉動傳感器14亦采用霍爾元件制成;上述的霍爾元件為鎖存型霍爾或開關型霍爾，且上述霍爾元件分別通過引出線與電纜連接至控制器15的相應部件上。
[0021]本發(fā)明的電機21使用時，當用戶正向踩踏時，腳踏板依次帶動牙盤、卡式飛輪、卡基座1、固定環(huán)5正向轉動，此時電機軸7上的踩踏傳感器8感應到磁鋼6的轉動方向和轉動速度并將感應到的狀況通過數(shù)字信號輸出給控制器15的踩踏信號采集電路17并傳遞給單片機16，單片機16識別數(shù)字信號并得到磁鋼6信號的脈沖頻率或脈沖數(shù)，單片機16根據磁鋼6信號脈沖之間的時間狀態(tài)得出當前的加速度;單片機16根據用戶踩踏的加速度來控制PWM占空比輸出并通過電機驅動電路19來控制電機21的電機驅動部分驅動電機輪轂4的轉速。另外由于卡基座I通過棘輪棘爪機構2單向驅動端蓋3使得電機輪轂4同步轉動，設置在端蓋3上的車輪轉動傳感器14將車輪的實時轉動速度通過車輪轉動信號采集電路18傳遞給單片機16，單片機16能夠根據車輪的實時轉動速度來對電機驅動部分19驅動電機輪轂4的轉速進行微調。在上述過程中，控制器15驅動電機21的電機驅動部分的轉速跟隨用戶踩踏的速度，不會出現(xiàn)電機21的電機驅動部分的轉速超前或落后于用戶踩踏速度的情況。當用戶在靜止起步時，控制器15能夠智能識別用戶加速意圖，并控制電機21的電機驅動部分提高扭力，配合用戶舒適完成起步加速和爬坡;當用戶在爬坡時，控制器15根據用戶踩踏速度的線性下降幅度和加速度的波動區(qū)間，判別用戶處于爬坡狀態(tài)，并控制電機21的電機驅動部分提高扭力，幫助用戶輕松爬坡；當用戶停止踩踏或者反向踩踏時，控制器15可識別用戶的動作并中止電機21的電機驅動部分的助力輸出，其最快反應時間為20毫秒。
[0022]本發(fā)明通過在卡基座I的內腔中嵌置有固定環(huán)5，且固定環(huán)5內嵌置有若干個沿電機軸7的周向呈環(huán)狀排列的磁鋼6，在電機軸7上設置有正對磁鋼6設置的踩踏傳感器8，踩踏傳感器8通過磁鋼6的磁場變化能夠實時感應到磁鋼6的轉動方向和轉動速度;在電機21內部設置的踩踏傳感器8和磁鋼6相配合使智能控制系統(tǒng)采集的助力傳感信號密集、靈敏度高，用戶踩踏最小角度5°即可啟動助力，檢測用戶停止踩踏并停止助力輸出的時間短至20毫秒，且通過車輪轉動傳感器14的設置使得助力傳感信息更豐富。本發(fā)明的智能控制系統(tǒng)能夠根據踩踏速度和加速度等信息智能識別用戶加速及減速的意圖，提供更加智能的助力體驗;控制器15驅動電機21的電機驅動部分的轉速跟隨用戶踩踏的速度，不會出現(xiàn)電機21的電機驅動部分的轉速超前或落后于用戶踩踏速度的情況;且由于無需再在中軸處安裝助力傳感器，助力傳感信號來源于電機21的內部，采集的信息更加穩(wěn)定可靠。
[0023]以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內；本發(fā)明未涉及的技術均可通過現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。
【主權項】
1.一種用于電動助力自行車的電機，包括電機驅動部分和踩踏驅動部分，其特征在于:所述踩踏驅動部分的卡基座(I)通過棘輪棘爪機構(2)單向驅動端蓋(3)轉動，端蓋(3)固定在電機輪轂(4)上且兩者聯(lián)動;所述卡基座(I)的內腔中嵌置有固定環(huán)(5)，且固定環(huán)(5)內嵌置有若干個沿電機軸(7)的周向呈環(huán)狀排列的磁鋼(6)，在電機軸(7)上設置有正對磁鋼(6)設置的踩踏傳感器(8)，踩踏傳感器(8)通過磁鋼(5)的磁場變化能夠實時感應到磁鋼(6 )的轉動方向和轉動速度。2.根據權利要求1所述的用于電動助力自行車的電機，其特征在于:所述磁鋼(6)的N極統(tǒng)一朝向電機軸(7)或者磁鋼(6)的S極統(tǒng)一朝向電機軸(7)設置;所述固定環(huán)(5)中的磁鋼(6)的個數(shù)N<Jir/W，其中r為磁鋼(6)構成的環(huán)狀體的內徑，W為單個磁鋼(6)的寬度。3.根據權利要求1所述的用于電動助力自行車的電機，其特征在于:所述固定環(huán)(5)上的磁鋼(6)內壁和電機軸(7)的外壁之間留有2mm?5mm的間隙，且固定環(huán)(5)與棘輪棘爪機構(2)的被驅動部件之間亦設有間隙。4.根據權利要求1所述的用于電動助力自行車的電機，其特征在于:所述的端蓋(3)上設有能夠實時采集車輪轉動速度的車輪轉動傳感器(14)。5.根據權利要求1所述的用于電動助力自行車的電機，其特征在于:所述的棘輪棘爪機構(2)包括卡基座(I)的內壁上設置的逆棘器以及塔基軸心件(9)上設置的棘爪、或者包括卡基座(I)的內壁上設置的棘爪、以及塔基軸心件(9)上設置的逆棘器;所述的塔基軸心件(9)和卡基座(I)構成該電機的塔基(10)且塔基軸心件(9)和端蓋(3)固定相連，卡基座(I)在飛輪的帶動下轉動并通過棘輪棘爪機構(2)將運動傳遞至塔基軸心件(9)、端蓋(3)和電機輪轂(4)。6.根據權利要求1所述的用于電動助力自行車的電機，其特征在于:所述的棘輪棘爪機構(2)包括卡基座(I)的延伸部件上設置的逆棘器以及端蓋(3)上對應該逆棘器的連接部位處設置的棘爪、或者包括卡基座(I)的延伸部件上設置的棘爪以及端蓋(3)上對應該棘爪的連接部位處設置的逆棘器;所述的卡基座(I)的延伸部件和端蓋(3)上對應該卡基座(I)的延伸部件的連接部位構成該電機的塔基(10)，卡基座(I)在飛輪的帶動下轉動并通過棘輪棘爪機構(2 )將運動直接傳遞至端蓋(3 )和電機輪轂(4 )。7.根據權利要求1所述的用于電動助力自行車的電機，其特征在于:所述的電機驅動部分包括固定在電機軸(7)上的電機定子(11)、電機轉子(12)和行星齒輪減速離合器機構(13)，電機定子(11)通電后會使得電機轉子(12)轉動，電機轉子(12)驅動行星齒輪減速離合器機構(13)帶動與行星齒輪減速離合器機構(13 )嗤合的電機輪轂(4 )轉動。8.—種根據權利要求1所述的用于電動助力自行車的電機智能控制系統(tǒng)，包括控制器(15)、給控制器(15)供電的電池(20)和電機(21)，其特征在于:所述的控制器(15)包括單片機(16)、踩踏彳目號米集電路(17)和電機驅動電路(19)，踩踏彳目號米集電路(17)能夠通過電機(21)內設置的踩踏傳感器(8)得到用戶踩踏的轉動方向和轉動速度并傳遞給單片機(16)，由單片機(16)根據獲得的用戶踩踏的轉動速度和時間狀態(tài)得出用戶踩踏的加速度；單片機(16)根據用戶踩踏的加速度來控制PffM占空比輸出并通過電機驅動電路(19)來控制電機(21)的電機驅動部分驅動電機輪轂(4)的轉速。9.根據權利要求8所述的用于電動助力自行車的電機智能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的控制器(15)內還設有車輪轉動信號采集電路(18)，車輪轉動信號采集電路(18)能夠通過電機(21)內設置的車輪轉動傳感器(14)獲得車輪的轉動速度并傳遞給單片機(16)。10.根據權利要求8所述的用于電動助力自行車的電機智能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的踩踏傳感器(8)采用能夠識別正反轉向的一個或多個霍爾元件制成，且車輪轉動傳感器(14)亦采用霍爾元件制成;所述的霍爾元件為鎖存型霍爾或開關型霍爾。
【文檔編號】H02K7/116GK105846596SQ201610406442
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】吳森泉
【申請人】南京壹佰克智能科技有限公司