本發(fā)明涉及電機驅動裝置，尤其涉及一種帶軸向位移檢測式力矩傳感器并內(nèi)置控制器的電動助力自行車用中置電機驅動系統(tǒng)及電動助力自行車。

背景技術：

傳統(tǒng)的中置電機驅動系統(tǒng)采用應變片式力矩傳感器或者磁感應式力矩傳感器，力矩傳感器的穩(wěn)定性較差且成本高昂，另外力矩傳感器的體積較大最終導致電機體積大、重量重。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種電動助力自行車及其中置電機驅動系統(tǒng)和控制方法。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種中置電機驅動系統(tǒng)，包括中軸組件107，還包括力矩傳感器組件109和/或離合器組件108；

中軸組件107包括中軸22；

力矩傳感器組件109包括斜齒輪套17；

中軸22具有斜齒結構，斜齒輪套17具有斜齒花鍵結構；通過相匹配的斜齒花鍵結構、斜齒結構，斜齒輪套17與中軸22連接；離合器組件108連接中軸22。

優(yōu)選地，力矩傳感器組件109還包括速度檢測組件和/或位移檢測組件；

-速度檢測組件包括速度磁環(huán)18、速度檢測元件28；速度磁環(huán)18安裝在斜齒輪套17上以隨斜齒輪套17旋轉，速度檢測元件28與速度磁環(huán)18匹配，以檢測速度磁環(huán)18的旋轉速度；

-位移檢測組件包括止推軸承19、蝶形彈簧20、位移檢測元件26、磁性元件27；止推軸承19的一端連接斜齒輪套17，止推軸承19的另一端連接蝶形彈簧20，止推軸承19能夠帶動位移檢測元件26相對于磁性元件27發(fā)生軸向移動。

優(yōu)選地，離合器組件108包括棘輪離合器、楔塊式單向離合器；其中，以輸出軸14作為棘輪離合器外圈，并作為楔塊式單向離合器內(nèi)圈，輸出軸14具有棘齒結構；

棘輪離合器內(nèi)圈16隨中軸22旋轉；中軸22通過軸承連接輸出軸14；

當楔塊式單向離合器外圈15的旋轉速度大于輸出軸14的旋轉速度時，楔塊式單向離合器外圈15與輸出軸14嚙合以帶動輸出軸14旋轉，棘輪離合器內(nèi)圈16與輸出軸14脫離；

當棘輪離合器內(nèi)圈16的旋轉速度大于輸出軸14的旋轉速度時，棘輪離合器內(nèi)圈16與輸出軸14嚙合以帶動輸出軸14旋轉，楔塊式單向離合器外圈15與輸出軸14脫離。

優(yōu)選地，還包括電機組件102、減速機構組件104、行星減速機構106；

電機組件102通過減速機構組件104連接中軸組件107；

中軸組件107通過離合器組件108連接行星減速機構106。

優(yōu)選地，還包括減速機構組件104；

減速機構組件包括輸入齒輪6、一級雙聯(lián)齒輪7、二級雙聯(lián)齒輪8、輸出齒輪29；

電機組件102驅動輸入齒輪6，輸入齒輪6依次通過一級雙聯(lián)齒輪7、二級雙聯(lián)齒輪8驅動輸出齒輪29，輸出齒輪29安裝在離合器組件108中的楔塊式單向離合器外圈15。

優(yōu)選地，還包括后端蓋組件101、前端蓋組件105、隔板組件103；

后端蓋組件101、隔板組件103、前端蓋組件105依次連接形成殼體；

力矩傳感器組件109和/或離合器組件108安裝于殼體。

優(yōu)選地，還包括電極組件102；

電機組件102包括電機定子組件1021以及電機轉子組件1022；電機定子組件1021連接于后端蓋組件101，電機轉子組件1022連接于前端蓋組件105和隔板組件103。

優(yōu)選地，還包括控制器組件110；

力矩傳感器組件109將中軸22受到的踩踏力矩轉換為軸向位移變形，控制器組件110將軸向位移變形轉換為與電信號，并根據(jù)電信號控制電機組件102的輸出扭矩和轉速。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種電動助力自行車，包括上述的中置電機驅動系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種電機的控制方法，利用上述的中置電機驅動系統(tǒng)，通過力矩傳感器組件109將中軸22受到的踩踏力矩轉換為軸向位移變形，通過控制器組件110將軸向位移變形轉換為與電信號，并根據(jù)電信號控制電機組件102的輸出扭矩和轉速。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明采用力矩傳感器和控制器相結合的智能控制系統(tǒng)，人力踩踏腳踏曲柄對中軸造成的扭曲變形，力矩傳感器將踩踏力矩轉換為軸向位移變形，通過控制器將變形量轉換為與電信號線性相關的電壓信號。力矩傳感器檢測踩踏力大小，速度傳感器檢測踩踏速度大小，兩種信號經(jīng)過通訊接口傳給控制器，控制器對兩種信號進行分析處理后確定電機的輸出扭矩和轉速，最終實現(xiàn)電機助力和人力踩踏共同驅動的目的，使騎行過程省力且節(jié)能。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明提供的中置電機驅動系統(tǒng)的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明提供的中置電機驅動系統(tǒng)的爆炸圖。

圖3為本發(fā)明提供的中置電機驅動系統(tǒng)中力矩傳感器和雙向離合機構的示意圖。

圖4為本發(fā)明提供的中置電機驅動系統(tǒng)中減速機構的示意圖。

圖中：

101為后端蓋組件；

102為電機組件；

1021為電機定子組件；

1022為電機轉子組件

103為隔板組件；

104為減速機構組件；

105為前端蓋組件；

106為行星減速機構；

107為中軸組件；

108為離合器組件；

109為力矩傳感器組件；

110為控制器組件；

1為電機定子鐵芯；

2為電機轉子鐵芯；

3為電機前端蓋；

4為電機隔板；

5為電機后端蓋；

6為輸入齒輪；

7為一級雙聯(lián)齒輪；

8為二級雙聯(lián)齒輪；

9為牙盤；

10為牙盤支架；

11為輸出軸的端部；

12為第三軸承；

13為第二軸承；

14為輸出軸；

15為楔塊式單向離合器外圈；

16為棘輪離合器內(nèi)圈；

17為斜齒輪套；

18為速度磁環(huán)；

19為止推軸承；

20為蝶形彈簧；

21為第一軸承；

22為中軸；

23為第八軸承；

24為電機軸；

25為第九軸承；

26為位移檢測元件；

27為磁性元件；

28為速度檢測元件；

29為輸出齒輪；

30為第四軸承；

31為第五軸承；

32為第六軸承；

33為第七軸承。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明所述的中置電機驅動系統(tǒng)通過力矩傳感器組件109檢測人力踩踏產(chǎn)生的扭矩及踏頻，根據(jù)踩踏力大小及踩踏速度控制電機按比例輸出驅動扭矩，從而實現(xiàn)人力踩踏力矩越高，電機按照程序設定的比例輸出扭矩越大，實現(xiàn)電機助力驅動的功能，且人力與電機助力共同驅動可以保證電機一直在高效區(qū)運行，達到節(jié)能的目的。

下面結合具體附圖給出的實施例對本發(fā)明作出進一步描述：

所述中置電機驅動系統(tǒng)包括后端蓋組件101、電機組件102、隔板組件103、減速機構組件104、前端蓋組件105、行星減速機構106、中軸組件107、離合器組件108、力矩傳感器組件109以及控制器組件110；電機組件102的類型為內(nèi)轉子永磁無刷直流電機。

后端蓋組件101、前端蓋組件105、隔板組件103相互連接構成驅動系統(tǒng)殼體；電機組件102、減速機構組件104、中軸組件107、離合器組件108、力矩傳感器組件109以及控制器組件110安裝在所述驅動系統(tǒng)殼體內(nèi)。

力矩傳感器組件109連接于中軸組件107和離合器組件108，力矩傳感器組件109用于檢測人力產(chǎn)生的扭矩；電機組件102包括電機定子組件1021以及電機轉子組件1022；電機定子組件1021連接于后端蓋組件101，電機轉子組件1022連接于后端蓋組件101和隔板組件103；減速機構組件104，輸入端與電機轉子組件1022相連，輸出端與離合器組件108相連；離合器組件108連接于中軸組件107；力矩傳感器組件109連接于離合器組件108；控制器組件110連接于后端蓋組件101。

力矩傳感器組件109為軸向位移檢測式力矩傳感器，包括斜齒輪套17、速度磁環(huán)18、止推軸承19、蝶形彈簧20、位移檢測元件26、磁性元件27、速度檢測元件28；速度磁環(huán)18固定在斜齒輪套17上，中軸22帶有斜齒結構，斜齒輪套17通過斜齒花鍵結構與中軸22的斜齒結構相連接，人力踩踏中軸22時，斜齒輪套17隨著中軸22旋轉，同時產(chǎn)生軸向位移，通過止推軸承19帶動位移檢測元件26產(chǎn)生軸向位移，通過檢測位移檢測元件26和磁性元件27的相對位置關系來檢測踩踏力矩大??；速度檢測元件28通過檢測速度磁環(huán)18的旋轉速度來檢測人力的踩踏速度。速度磁環(huán)18套設在斜齒輪套17上。

中軸組件107包括中軸22、第一軸承21、第二軸承13。中軸組件107通過第一軸承21固定在后端蓋組件101上，通過第二軸承13與輸出軸14相連接。

離合器組件108為棘輪離合器和楔塊式單向離合器相結合的雙向離合機構，包括輸出軸14、楔塊式單向離合器外圈15、棘輪離合器內(nèi)圈16；輸出軸14上具有棘齒結構，作為棘輪離合器外圈使用，另外還作為楔塊式單向離合器內(nèi)圈使用；

當電機組件102通過減速機構組件104帶動楔塊式單向離合器外圈15的旋轉速度大于行星減速機構106轉速時，楔塊式單向離合器外圈15和輸出軸14嚙合，棘輪離合器內(nèi)圈16和輸出軸14脫離，楔塊式單向離合器外圈15帶動輸出軸14旋轉，進一步帶動壓裝在輸出軸14上的行星減速機構106旋轉，最終實現(xiàn)電機驅動；棘輪離合器內(nèi)圈16隨中軸22同步旋轉，當人力踩踏中軸22的轉速大于行星減速機構106轉速時，棘輪離合器內(nèi)圈16和輸出軸14嚙合，楔塊式單向離合器外圈15和輸出軸14脫離，棘輪離合器內(nèi)圈16帶動輸出軸14旋轉，進一步帶動壓裝在帶動輸出軸14上的行星減速機構106旋轉，最終實現(xiàn)人力驅動。

減速機構組件104為三級圓柱齒輪減速，包括輸入齒輪6、一級雙聯(lián)齒輪7、二級雙聯(lián)齒輪8、輸出齒輪29，第四軸承30、第五軸承31、第六軸承32和第七軸承33；輸入齒輪6安裝在電機軸24上，一級雙聯(lián)齒輪7通過第五軸承31和第六軸承32安裝在電機隔板4和電機前端蓋5上，二級雙聯(lián)齒輪8通過第四軸承30和第七軸承33安裝在電機隔板4和電機前端蓋5上，輸出齒輪29安裝在楔塊式單向離合器外圈15上；電機轉子鐵芯2在電磁力的作用下驅動電機軸24，電機軸24驅動輸入齒輪6，輸入齒輪6通過齒輪傳動帶動一級雙聯(lián)齒輪7形成第一級減速，一級雙聯(lián)齒輪7通過齒輪傳動帶動二級雙聯(lián)齒輪8形成第二級減速，二級雙聯(lián)齒輪8通過齒輪傳動帶動輸出齒輪29形成第三級減速。

根據(jù)本發(fā)明提供的電動助力自行車，其采用所述中置電機驅動系統(tǒng)，因此可以在三種不同模式下驅動：電機驅動模式、人力騎行模式和助力騎行模式。

電機驅動模式：當電機組件102通電后，電機轉子組件1022在電磁感應產(chǎn)生的電磁力的作用下帶動輸入齒輪6旋轉，輸入齒輪6通過齒輪傳動帶動一級雙聯(lián)齒輪7，一級雙聯(lián)齒輪7通過齒輪傳動帶動二級雙聯(lián)齒輪8，二級雙聯(lián)齒輪通過齒輪傳動帶動輸出齒輪29，此時楔塊式單向離合器外圈15與輸出軸14處于嚙合狀態(tài)，棘輪離合器內(nèi)圈16與輸出軸14處于脫離狀態(tài)，中軸22不會跟著輸出軸14旋轉，輸出軸14帶動前端蓋組件105旋轉，達到電動驅動的作用，實現(xiàn)電動自行車在電機驅動下正常行駛。

人力騎行模式：電機組件102不通電，電機組件102不工作，人力踩踏踏板帶動中軸22，中軸22帶動斜齒輪套17，斜齒輪套17帶動棘輪離合器內(nèi)圈16，棘輪離合器內(nèi)圈16與輸出軸14處于嚙合狀態(tài)，棘輪離合器內(nèi)圈帶動輸出軸14旋轉，楔塊式單向離合器外圈15與輸出軸14處于脫離狀態(tài)，楔塊式單向離合器外圈15不會跟著輸出軸14旋轉，輸出軸14帶動前端蓋組件105旋轉，最終實現(xiàn)牙盤鏈輪組件109的運轉而不會帶動輸出齒輪29旋轉，達到人力輕松騎行目的，實現(xiàn)人力驅動下正常行駛。

助力騎行模式：此模式為前述兩種模式共同作用，電機組件102通電運行的同時，騎行者也人力踩踏驅動電機。人力踩踏中軸22，中軸22在踩踏力的作用下通過斜齒輪套結構產(chǎn)生軸向位移，通過止推軸承19帶動位移檢測元件26產(chǎn)生軸向位移，通過檢測位移檢測元件26和磁性元件27的相對位置關系來檢測踩踏力矩大?。凰俣葯z測元件28通過檢測速度磁環(huán)18的旋轉速度來檢測人力的踩踏速度；控制器通過檢測到的踩踏力矩和踩踏速度控制電機出力大小。當電機組件102通過減速機構組件104帶動楔塊式單向離合器外圈15的轉速大于行星減速結構106轉速時，楔塊式單向離合器外圈15和輸出軸14嚙合，實現(xiàn)電機驅動；當人力踩踏中軸22的轉速大于行星減速結構106轉速時，棘輪離合器內(nèi)圈16和輸出軸14嚙合，實現(xiàn)人力驅動。在助力騎行模式下電機驅動和人力驅動交替進行，最終實現(xiàn)電機驅動和人力驅動的效果疊加，騎行者在長途騎行或者爬坡時不會感覺非常吃力。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種電動助力自行車，包括上述的中置電機驅動系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種電機的控制方法，利用上述的中置電機驅動系統(tǒng)，通過力矩傳感器組件109將中軸22受到的踩踏力矩轉換為軸向位移變形，通過控制器組件110將軸向位移變形轉換為與電信號，并根據(jù)電信號控制電機組件102的輸出扭矩和轉速。

本發(fā)明符合人們一般騎乘方式的軸向位移檢測式力矩傳感器并內(nèi)置控制器的的電動助力自行車用的中置電機驅動系統(tǒng)，另外采用棘輪棘爪式和楔塊式相結合的雙向離合機構，且將楔塊式單向離合器與輸出齒輪相結合，具有體積緊湊、爬坡能力強勁、效率高、帶力矩/速度傳感器智能調節(jié)動力等優(yōu)點。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實質內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。