TWI867442B - 電助力自行車中置外轉子馬達與驅動裝置 - Google Patents

Abstract

本發明為電助力自行車中置外轉子的驅動裝置，本發明的裝置包含一外殼體，一曲柄軸組，一外轉子馬達，一擺線齒減速機構，一輸出軸組，一霍爾傳感器組，及一鏈齒片座組所組成。曲柄軸、外轉子、中空偏心軸、環形內齒座圓心、減速輸出軸、單向輸出軸、和單向軸承，皆位於同一軸心，且曲柄軸外徑皆小於其他轉動軸。外轉子一端設有一中空偏心軸，中空偏心軸上設有一軸承，軸承外徑上設有一擺線齒盤，擺線齒盤外周圓設有一環形內齒座，此擺線齒盤外徑小於環形內齒座、故擺線齒盤以中空偏心軸為圓心作自轉、同時繞環形內齒座之圓心作公轉。本發明裝置經由擺線齒盤帶動輸出軸和鏈齒片座組，具有體積小、重量輕、高減速比、高扭矩、成本低等功效。

Description

電助力自行車中置外轉子馬達與驅動裝置

本發明係關於電助力自行車中置外轉子馬達的動力傳動裝置。

目前電助力自行車的動力傳動方式有前輪轂馬達、後輪轂馬達、中置馬達、和管式馬達，其中以中置馬達之傳動效率最佳，故電助力自行車趨向以中置馬達為主。習知的中置馬達裝置，需要由高轉速減速成低轉速，降速後的輸出扭矩會增加，有利於山地陡坡之騎乘，由於中置馬達裝置空間位置之限制，馬達輸出軸與腳踏曲柄軸無法於同一軸心線上，通常是二個平行軸心線，馬達動力傳動係經過減速齒輪組或行星齒輪組，經減速後再傳動到鏈齒片座組。習知的中置馬達體積大、重量重、複式齒輪系的傳動效率低、機構複雜、價格昂貴、轉動噪音大等缺失。本發明所設計的中置馬達，捨棄複式齒輪系傳動方式，改用體積小、重量輕的擺線齒減速機構，且所有傳動件皆設置於同一軸心線上，傳動效率高、結構緊湊、轉動噪音低等，可有效改善習知技術缺點。

本發明用以取代五通軸，本發明的裝置包含一外殼體，一曲 柄軸組，一外轉子馬達，一擺線齒減速機構，一輸出軸組，一霍爾傳感器組，及一鏈齒片座組所組成。外殼體用以固定支撐所含組件；曲柄軸組包含，一曲柄軸和二端曲柄接頭；外轉子馬達包含，一中空定子線圈，一外轉子含一中空偏心軸，外轉子的外徑要小於外殼體內徑，使得外轉子轉動時不會產生干涉；擺線減速機構包含，一擺線齒盤，一環形內齒座，和一軸承；輸出軸組包含，一減速輸出軸，一單向輸出軸，一單向軸承；霍爾傳感器組包含，一霍爾傳感器，一磁鐵環座，一複數圓形磁鐵；一鏈齒片座組。

曲柄軸、外轉子含中空偏心軸、環形內齒座圓心、減速輸出軸、單向輸出軸、單向軸承，皆位於同一軸心，但曲柄軸外徑皆小於外轉子內徑、減速輸出軸內徑、單向輸出軸內徑、和單向軸承內徑。

外轉子一端設有一中空偏心軸，中空偏心軸上設有一軸承，軸承外徑上設有一擺線齒盤，擺線齒盤外周圓設有一環形內齒座，環形內齒座固定於外殼體內側。依據擺線齒減速機構設計方程式，環形內齒座之齒數為N+1時，則與環形內齒座嚙合之擺線齒盤之齒數必為N，依據擺線齒設計方程式相互嚙合轉動時產生減速比必為N，故此擺線齒盤外徑小於環形內齒座，擺線齒盤以中空偏心軸為圓心作自轉，同時繞環形內齒座圓心作公轉。本發明之動力輸出方式有二：途徑一為無動力源時(例如電源耗盡或無電池電源時)，腳踏曲柄→曲柄軸→單向軸承→單向輸出軸→鏈齒片座組。途徑二為有動力源時，腳踏曲柄→曲柄軸→單向軸承→單向輸出軸→霍爾傳感器組→外轉子→中空偏心軸→擺線齒盤→減速輸出 軸→單向輸出軸→鏈齒片座組。本發明結構合理緊湊、體積小、重量輕、噪音低、無笨重又複雜的齒輪組、或行星齒輪組。

依據擺線齒減速機構的設計方程式，環形內齒座的齒數為N+1時，則擺線齒數為N，當擺線齒自轉N圈時，同時繞環形內齒座公轉1圈，此時輸出軸旋轉1圈，故減速比為N：1。單一組擺線齒減速機構，可以很輕易的達到高減速比，雖然諧波減速機構(harmonic reduction gear)也可以達到高減速比，但是諧波減速機設計使用尖形齒，其扭矩傳遞值很低，且齒尖很容易毀損破裂，導致機構損毀問題。而擺線齒形為連續擺線，沒有尖銳齒形，可以傳遞很高的扭矩，且擺線齒和環形內齒座嚙合屬於連續接觸，比較沒有瞬間接觸撞擊情況，運轉噪音很低，相較於複式減速齒輪系，比較不會產生空間配置困難的問題。

本發明採用外轉子(無刷直流)馬達，與內轉子馬達比較，在相同尺寸、外殼體外徑、矽鋼片厚度、和繞線條件下，外轉子的外徑必大於內轉子，故外轉子馬達可以輸出更高的扭矩(扭矩值為力x半徑)，故考慮在有限空間配置，使用外轉子馬達可以達到提高輸出扭矩的效果。

本發明僅使用一個單向軸承(或稱單向棘輪)，而習知裝置大都使用二個單向軸承，分別安裝於腳踏曲柄軸、和馬達經減速機構到輸出軸上。本發明僅安裝一個單向軸承於腳踏曲柄軸上，而馬達經減速機構到輸出軸直接與單向輸出軸連結，故減少使用一個單向軸承，使結構緊湊、減輕結構重量。單向軸承顧名思義，只有正向旋轉時可以傳輸動力，反向旋轉時則會空轉，不會輸出動力，安裝方式以自行車前進方向設定為正向。此單向軸承的功能有二：第一項功能是，當外轉子馬達沒有輸出動力時， 雙腳踩踏曲柄並帶動曲柄軸正向旋轉，曲柄軸正向旋轉驅使單向軸承帶動單向輸出軸和鏈齒片座組；第二項功能是，當外轉子馬達有輸出動力時，依序輸出動力傳達到減速輸出軸、單向輸出軸、鏈齒片座組，且當單向輸出軸轉速大於腳踏曲柄軸轉速時，單向軸承使曲柄軸反向脫離。

本發明可安裝於自行車的五通軸位置，直接取代五通軸。

100:電助力自行車

101:中置外轉子無刷直流馬達與驅動裝置

102:自行車整車

103:原自行車五通軸位置

1:外殼體

2:曲柄軸組

21:曲柄軸

22:曲柄接頭

3:外轉子馬達

31:外轉子

32:中空定子線圈

33:中空偏心軸

4:擺線齒減速機構

41:擺線齒盤

42:環形內齒座

421:環形內齒座之內齒為液子

422:滾子

43:軸承

5:輸出軸組

51:減速輸出軸

52:單向輸出軸

53:單向軸承

6:霍爾傳感器組

61:霍爾傳感器

62:磁鐵環座

63:複數圓形磁鐵

7:鏈齒片座組

第1圖為本發明使用於電助力自行車上的安裝位置示意圖。

第2圖為本發明實施例之剖視圖。

第3圖為外轉子含中空偏心軸之示意圖。

第4圖為擺線齒盤和環形內齒座配置示意圖。

第5圖為減速輸出軸和單向輸出軸配置示意圖。

第6圖為霍爾傳感器組配置示意圖。

第7圖為環形內齒座之滾子直接機加工成型示意圖。

第8圖為單數擺線齒盤示意圖。

用以說明本發明的圖示，僅顯示本發明技術特徵和最佳實施型態，所繪製之圖示儘量依照真實比例，與精確配置位置加以繪製，雖然未臻完善，但不作為侷限或限縮本發明技術特徵與最佳實施型態。

請參閱第1圖和第2圖，第1圖為本發明使用於電助力自行車上的安裝位置示意圖，中置外轉子(無刷直流)馬達與驅動裝置101設計用來取代五通軸，並透過控制電路和電池組，可以直接驅動鏈齒片座組，或是騎乘者以雙腳踩踏方式，透過單向軸承驅動鏈齒片座組。第2圖為本 發明的剖視圖，本發明的裝置包含一外殼體1，一曲柄軸組2，一外轉子馬達3，一擺線齒減速機構4，一輸出軸組5，一霍爾傳感器組6，及一鏈齒片座組7所組成。外殼體1之中心與曲柄軸同心；曲柄軸組2包含一曲柄軸21和二端曲柄接頭22；外轉子馬達3包含，一中空定子線圈32，一外轉子31含一中空偏心軸33；擺線減速機構4包含，一擺線齒盤41，一環形內齒座42，和一軸承43；輸出軸組5包含，一減速輸出軸51，一單向輸出軸52，一單向軸承53；霍爾傳感器組6包含，一霍爾傳感器61，一磁鐵環座62，一複數圓形磁鐵63；一鏈齒片座組7。其中，外殼體之中心即為曲柄軸軸心，中空定子線圈、外轉子含中空偏心軸、擺線齒盤、環形內齒座、減速輸出軸、單向輸出軸、單向軸承、磁鐵環座、複數圓形磁鐵、鏈齒片座組等皆以曲柄軸軸心為旋轉中心。其中，外轉子馬達裝置於外殼體左側，由左向右安裝依次為，擺線齒輪減速機構，輸出軸組，霍爾傳感器組，鏈齒片座組，又曲柄軸貫穿本驅動裝置的軸心位置。

其中，必須雙腳踩踏曲柄軸，帶動單向輸出軸同時帶動磁鐵環座，使霍爾傳感器觸發ON/OFF訊號給外置控制器，外置控制器提供電源給外轉子馬達，才能輸出轉速和扭矩。當雙腳停止踩踏曲柄軸時，控制器立即關閉電源供應，外轉子馬達立即失去動力源。

請參閱第2圖，曲柄軸21、外轉子31、中空偏心軸33、環形內齒座42圓心、減速輸出軸51、單向輸出軸52、和單向軸承53，皆位於同一軸心，且曲柄軸21外徑皆小於外轉子內徑、減速輸出軸內徑、單向輸出軸內徑、和單向軸承內徑。

請參閱第3圖，本實施例中，外轉子的外徑要小於外殼體內徑1mm以上，以避免外轉子因轉動時碰觸到外殼體而產生干涉。本實施例外轉子31之一端設有一中空偏心軸33，中空偏心軸上設有一軸承43，軸承外徑上設有一擺線齒盤41(設計齒數為N)，依據擺線齒減速機構設計方程式，擺線齒盤41外周圓設有一環形內齒座42(設計齒數為N+1)，並固定於外殼體內側，故此擺線齒盤41外徑小於環形內齒座42、故擺線齒盤以中空偏心軸為圓心作自轉、同時繞環形內齒座圓心作公轉。當外轉子旋轉時，中空偏心軸同時旋轉；中空偏心軸上安裝軸承43和擺線齒盤41，此中空偏心軸和擺線齒盤的設計方式，使得外轉子旋轉一圈時，擺線齒盤僅以反方向旋轉並前進一齒。

請參閱第2圖中的21為曲柄軸，貫通於整個傳動機構，曲柄軸21二端有裝置曲柄接頭22，用來分別結合左曲柄和右曲柄，踩踏左右曲柄便可經由單向軸承53，將動力傳送到單向輸出軸52，再傳到鏈齒片座組7上。本發明之動力輸出方式有二：途徑一為無動力源時(例如電源耗盡或無電池電源時)，腳踏曲柄→曲柄軸21→單向軸承53→單向輸出軸52→鏈齒片座組7。途徑二為有動力源時(電池電源充足)，腳踏曲柄→曲柄軸21→單向軸承53→單向輸出軸52→霍爾傳感器61→外轉子31→中空偏心軸33→擺線齒盤41→減速輸出軸51→單向輸出軸52→鏈齒片座組7。本發明結構合理緊湊、體積小、重量輕、噪音低、無笨重且複雜的齒輪組、或行星齒輪組。

請參閱第4圖，擺線齒盤41與環形內齒座42配置圖， 擺線齒減速機構的擺線齒外形是依據擺線齒設計方程式，設計原理是，擺線齒盤齒數為N時，環形內齒座的齒數為N+1，環形內齒座固定於外殼體內側不動，當擺線齒盤自轉1圈時，擺線齒盤在環形內齒座僅以反方向旋轉並前進1齒，故當擺線齒盤旋轉N圈時，則同時也繞環形內齒座反向公轉1圈，並前進N齒，此時輸出軸以反方向旋轉1圈，故減速比為N：1。

請參考第5圖，減速輸出軸51可將擺線齒盤41的圓周自轉和公轉運動，轉換成單純的旋轉運動，減速輸出軸的轉速為設計值的1/N倍，本實施例中之設計值N=20齒，則減速輸出軸的轉速將降為1/20倍，當馬達輸出轉速為2000rpm時，則減速輸出軸轉速降為100rpm(2000/20=100)，單組擺線減速機可以輕易地達到減速比1/20或更高減速比。經過降速後的減速輸出軸51，直接與單向輸出軸52連結，而鏈齒片座組7直接和單向輸出軸嚙合連結，中間沒有經過任何齒輪系。

本發明採用外轉子(無刷直流)馬達，由於轉速較高無法用來直接傳動，所以需要裝置減速機構將轉速降低，使用單一組擺線齒減速機構，可以很輕易的達到高減速比，擺線齒外形為連續擺線，沒有尖銳齒形，可以傳遞高扭矩，擺線齒盤和環形內齒座屬於連續接觸，比較沒有瞬間接觸撞擊問題，運轉噪音很低，相較於複式減速齒輪系，比較不會產生空間配置困難的問題。請參考圖7，本實施例設計使用的單組擺線減速機構，其環形內齒座之內齒直接製造成形為滾子外形，見環形內齒座42，一般係以環形配置方式將數量為N+1個滾子422置入於凹孔內並加以固定，最終組成環形內齒座421。本發明為了減少使用之零件數量，將所有滾子位 置直接以機加工方式切削成形為滾子外形如42，因此除了可以降低成本外，也可以節省維修時間和費用。本發明不採用針狀輪、針狀滾子、針狀軸承等零件，以簡化設計、降低成本、和節省維修費用。請參考圖8，本實施例使用一個單數擺線齒盤41。

請參考第6圖和第2圖，本發明在單向輸出軸上裝置一霍爾傳感器組，其中包含霍爾傳感器61、磁鐵環座62、複數圓形磁鐵63，霍爾傳感器為ON/OFF型式，主要功用為偵測是否有雙腳踩踏，和踩踏頻率，並將ON/OFF訊息傳訊給外置控制器，當以雙腳踩踏曲柄並轉動曲柄軸21時，曲柄軸21與單向軸承53嚙合，單向軸承53與單向輸出軸52嚙合，單向輸出軸52同時與磁鐵環座62和鏈齒片座組7嚙合，進而帶動傳動鏈條。磁鐵環座62安裝於單向輸出軸52上，並隨著單向輸出軸一起旋轉，磁鐵環座上安裝複數個圓形磁鐵63，當圓形磁鐵接近霍爾傳感器61，並觸發一ON的狀態輸出時，控制器將直流電源導通到馬達，使馬達轉動，產生電助力傳動。當曲柄軸21繼續轉動，使圓形磁鐵遠離霍爾傳感器，則霍爾傳感器輸出為OFF狀態，控制器將關閉輸往馬達的電源，此時馬達停止傳動。如此雙腳交互踩踏曲柄，磁鐵環座持續旋轉，霍爾傳感器也持續的ON/OFF，馬達即可接續的提供助力，協助踩踏者能夠以較為省力的方式來進行騎乘。

本發明僅安裝一個單向軸承53(又稱單向棘輪)於腳踏曲柄軸21上，而馬達經減速機構到輸出軸51，直接與單向輸出軸52連結，從而減少使用一個單向軸承，使結構緊湊、減輕結構重量。

1:外殼體

2:曲柄軸組

21:曲柄軸

22:曲柄接頭

3:外轉子馬達

31:外轉子

32:中空定子線圈

33:中空偏心軸

4:擺線齒減速機構

41:擺線齒盤

42:環型內齒座

43:軸承

5:輸出軸組

51:減速輸出軸

52:單向輸出軸

53:單向軸承

6:霍爾傳感器組

61:霍爾傳感器

62:磁鐵環座

63:複數圓形磁鐵

7:鏈齒片座組

Claims (8)

1. 一種電助力自行車中置外轉子馬達與驅動裝置，包含：一外殼體；一曲柄軸組包含，一曲柄軸和二端曲柄接頭；一外轉子馬達包含，一中空定子線圈，一外轉子含一中空偏心軸，此外轉子馬達裝置於外殼體左側，並與曲柄軸同軸心；一擺線減速機構包含，一擺線齒盤，一環形內齒座，和一軸承，此擺線減速機構裝置於外轉子馬達右側，並與曲柄軸同軸心；一輸出軸組包含，一減速輸出軸，一單向輸出軸，一單向軸承，此輸出軸組裝置於擺線減速機構右側，並與曲柄軸同軸心；一霍爾傳感器組包含，一霍爾傳感器，一磁鐵環座，一複數圓形磁鐵，其中磁鐵環座和複數圓形磁鐵裝置於單向輸出軸外圓周，並與曲柄軸同軸心；一鏈齒片座組，裝置於外殼體外右側，並與曲柄軸同軸心。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電助力自行車中置外轉子馬達與驅動裝置，其中，外轉子馬達為外轉子無刷直流馬達，外轉子外徑略小於外殼體內徑，且外轉子馬達安置於外殼體左側。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電助力自行車中置外轉子馬達與驅動裝置，其中，曲柄軸、外轉子、中空偏心軸、環形內齒座圓心、減速輸出軸和單向輸出軸，皆位於同一軸心，且曲柄軸外徑皆小於外轉子和中空偏心軸內徑、減速輸出軸內徑、單向輸出軸內徑、和單向軸承內徑。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電助力自行車中置外轉子馬達與驅動裝置，其中，外轉子一端設有一中空偏心軸，中空偏心軸上設有一軸承，軸承外徑上設有一擺線齒盤，依據擺線齒減速機構設計方程式，環形內齒座之齒數為N+1時，則與環形內齒座嚙合之擺線齒盤之齒數必為N，依據擺線齒設計方程式相互嚙合轉動時產生減速比必為N，由於擺線齒盤齒數N小於環形內齒座齒數N+1，故此擺線齒盤外徑小於環形內齒座，此擺線齒盤以中空偏心軸為圓心作自轉、同時繞環形內齒座圓心作公轉。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電助力自行車中置外轉子馬達與驅動裝置，其中，擺線齒盤是一個單數擺線齒盤。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電助力自行車中置外轉子馬達與驅動裝置，其中，係在環形內齒座上直接製造成滾子外形，以減少零件數量，並固定於外殼體內側。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電助力自行車中置外轉子馬達與驅動裝置，其中，減速輸出軸由擺線齒盤帶動旋轉，減速輸出軸直接和單向輸出軸嚙合一起旋轉、又單向輸出軸直接和鏈齒片座組嚙合一起旋轉。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電助力自行車中置外轉子馬達與驅動裝置，其中，在單向輸出軸上裝置一霍爾傳感器組，其中包含霍爾傳感器、磁鐵環座、複數圓形磁鐵，此霍爾傳感器功能用為偵測是否有雙腳踩踏，和踩踏頻率，並將ON/OFF訊息傳訊給外置控制器。