輔助動力馬達的製作方法

2023-05-26 04:22:11 2

專利名稱：輔助動力馬達的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種輔助動力馬達的構造，尤指一種應用於車輪輔助動力結構，及兼具以一具三相繞組的定磁環配合以一轉軸結合於車輪蓋的定磁場轉子盤，且以若干個HALL IC結合於定磁環的電機角度位置上，回授及產生定磁環換向訊號，而形成一無刷換向且極具改良及創作性的車輪輔助動力馬達結構。
按，自行車(即腳踏車)廣泛使用於大眾的變通代步工具之一，尤以近年來人們普遍重視環保及空氣品質的趨勢下，實為未來理想的交通工具之一，然而，自行車長久以來所存在的動力問題，一直未能有效地得到良好的解決，諸如自行車在長途行駛時，由於一直需仰賴人力(腳踏)運動方式，使自行車獲得助力運轉行駛，於長時間行駛後，將使駕駛人身心疲憊，因而局限其長途行駛的行程力、續行力及速度，而無法有效率地發揮自行車代步的效率，因此，通常自行車則多作為短程或休閒代步的交通工具，而無法如汽車及機車般實用於長途行駛代步的場合中。
然，有些人雖已致力於開發一種加裝電動動力系統的電動自行車產品，但以一般業者所研製的電動自行車構造而言，則在控制系統、動力系統、引線設計及馬達換向四方面皆存在著實用上的問題，以下茲以其存在的問題予以列出(一)控制系統由於所設計的電動自行車構造，直接加裝以電動馬達於自行車的輪軸上，以直接由啟動開關控制啟斷接通電瓶與電動馬達間的線路，而使電動馬達供給自行車輔助的行駛動力前進，然而以此種單段式的開迴路(OPEN LOOP)的輔助動力控制系統，將由於啟動開關一旦接通，則電動馬達即以全轉矩及動力加諸於自行車的輪軸上，而導致駕駛者控速不易，稍有疏失或人為操作不當，則極易失速而造成有意外災害發生；此外，以此種定電流、定電壓、定轉速及定轉矩的輸出控制，不但使電動馬達無法自動依自行車行駛速度及狀態予以適當調配輸出動力，並使該電力系統(電瓶)長時間低效率地供應負載，而導致電力將很快耗盡，而影響其續行力與行程範圍。
(二)動力系統一般電動自行車，其電動馬達採用傳統圓筒型式，整流子亦與矽鋼片繞線組分離的結構，不但較為笨重，且體積過大及寬度太長，實難以適用於特別講究操作輕巧敏捷的自行車輪軸動力系統上，諸如於1975年8月5日所申請的美國發明專利第3897843號案，因上述動力系統設計的缺點，而一直無法見到其可實用的專利產品公開上市銷售。
(三)引線設計一般電動自行車，該電動馬達的電源及控制引線是直接自電動馬達外殼穿出，而分別接至電源或啟動開關上，但由於距中心軸過遠，而難以設計較大的供輪圈外殼使用的中心培林座，以避免該引線與其混絞，而不具實用效果。
(四)馬達換向一般電動自行車，是採用傳統圓筒狀的直流馬達居多，故一般而言，除了上述較佔空間不易裝設外，尚於馬達換向部分，亦是採用傳統的電刷及換向片接觸的換向方式，故於馬達換向結構於設計上則較為繁複，諸如換向片數及繞組匝數間有著密不可分的關係，需加以精密計算及配合，且以電刷及換向片接觸式的換向動作，使用某一段時間後，則存在有電刷磨損及換向片損壞，故其馬達的使用壽命甚短，而不實用。
由於上述的常用電動自行車構造所普遍存在的問題，可明顯得知，目前所研製出來的電動自行車，尚限於實驗改良階段，而無法達到盡善完美的實用境界。
本發明的主要目的是提供一種輔助動力馬達的新型構造，是以薄矽鋼片組成並具三相繞組的定磁環固設於馬達殼體內，並於該馬達殼體內再配合以一固定磁場的轉子盤，由該轉子盤樞合於車輪轉軸上，並由該轉子盤的轉軸結合以一行星齒輪組藉以傳動車輪蓋，以令車輪得以受轉子盤的傳動，且該定磁環的電源線則經由車輪轉軸一側的預留孔洞穿出，以形成一體積輕巧，且適於自行車車輪應用裝組，而不影響自行車的操作結構，並於結構組裝上，達到實用及改良的功效。
本發明的再一目的是提供一種輔助動力馬達新型構造，尤以其中，該定磁環上的繞組線圈是裡三相星形(Y接線)接線結構，並在於該內側特定電機角度的部位則分別設有至少三個HALL(霍爾)IC，以偵測及提供該定磁環的電源換向時序，且該HALL IC的信號線及定磁環的電源線則連結至一馬達控制電路，由該馬達控制電路依HALL IC所提供的換向時序信號，分別送出如同交流三相電源時序時的直流脈波電源，以使該定磁環中的線圈亦產生如同三相Y接磁場，而令該轉子盤中的定磁場受切割及磁通變化影響而作往復的旋轉轉動，並以由該轉子盤間接地傳動車輪，形成一直流無刷式換向的車輛動力輔助馬達結構，而無傳統馬達中的電刷及換向片磨損，且於換向結構設計上，亦無傳統直流馬達換向結構設計繁複的問題存在。
此外，本發明的另一目的是提供一種輔助動力馬達的新型構造，於該馬達殼蓋的外部及車輪輪蓋內側相對應位置處，分別設有一轉速感測器，以感測車輪的轉速，並將所測得的車輪轉速信號回授予一可程式計數的控制電路，由該控制電路於車輪轉速達到某一特定時速時，予以啟動馬達控制電路，並由馬達控制電路提供如三相時序的直流電源予該馬達殼蓋內的定磁環驅動轉子盤運轉，同時，於該馬達控制電路啟動時，並可由旋轉式把手依旋轉操作(如摩託車的油門操作)方式，而控制該馬達控制電路的輸出電流，使本發明的動力輔助馬達輸出轉速、轉矩及功率，得以由使用者或車輛駕駛者依使用或車輛行駛狀態予以調整控制，並使自行車行駛時的輔助動力控制更加精確及穩定，而益增本發明的安全性與效率。
本發明的其他目的與詳細構造，將由以下的說明而使之明確，同時，配合參閱所附各圖，更可使本發明的技術內容及實用功效揭示明了。
本發明包括定磁環、轉子盤、轉軸、軸承、培林座、行量齒輪組、齒輪帶動盤、輪軸、中空心軸、軸套件、單向離合器、兩相稱馬達殼蓋、車輪殼蓋、控制電路及一馬達控制電路所構成，其中，定磁環及轉子盤是包覆於馬達殼蓋內部，且轉子盤則由中空心軸、軸套件及軸承樞套於輪軸的一端，另中空心軸則與轉子盤相為固定結合，並透過行星齒輪、齒輪帶動、軸套件及單向離合器而連結至車輪殼蓋上，由轉子盤驅動車輪殼蓋，其特徵在於該轉子盤由硊鐵環於外緣固設若於磁鐵塊構成，並設置於定磁環的內側，而與定磁環保持一定的氣隙；另定磁環以薄矽鋼片堆疊並於邊緣具有三相星形的線圈繞組，且於該定磁環的特定三相平衡電機角度位置上，分別設有至少三個的HALLIC，以感測及產生轉子盤於轉動時相對的換向時序信號予該馬達控制電路；而該馬達控制電路，則為具有產生如同於三相時序的直流脈波電源的線路構成，並以提供定磁環相對的三相對序的直流脈波電源，而驅動定子盤轉動，形成一三相無刷換向的馬達結構。


圖1為本發明中輔助動力馬達的立體分解結構圖；圖2為本發明的側視圖；圖3為一部分視圖，顯示本發明輔助動力馬達中定磁環的詳細結構；圖4為本發明控制電路的詳細電路圖；圖5為圖4電路圖中的動作時序脈波圖；圖6為本發明的較佳應用例圖。
首先請參閱圖1～3所示，本發明中的輔助動力馬達，包含有一定磁環10，其中，該定磁環10是扁平矽鋼片材料堆疊如齒輪形狀所構成，又於該定磁環10邊緣則分別以線圈繞組方式繞結裡三相星形接線的定子結構(即一般所稱的Y形接線)，並由一側分別引接出電源線1A、1B及1C(如圖3所示)，另該定磁環10的線圈繞組所相對的三相平衡電機角度位置上分別結合以一HALL IC11、12及13，並分別引接出換向信號線2A、2B、2C及電源引線2D及2E，由HALL IC11～13依霍爾磁場效應的原理(因非本發明的申請重點故不予詳述)感測及輸出轉子結構於轉動相對機械角度時，定磁環10中電源線1A、1B及1C的相對繞組電源換向時序信號，以構成一無刷式的電子換向結構。該以HALL IC作為無刷換向的結構，亦可由該轉子盤或定磁環的反電動勢作為無刷換向的偵測時序。
另定磁環10則包覆兩扁平盤狀的馬達殼體20及30內，且於馬達殼體20及30的中央部位則分別設有一套孔21及31，另一輪軸40，則於中央部位設有一組合盤41，以令該輪軸40鎖固馬達殼蓋20的套孔21上，另並在於該輪軸40的一側鏤空成形有一出線孔42，以供上述定磁環10中的電源線1A～1C、換向信號線2A～2C、電源引線2D、2E等線路或其他信號感測檢出線路，則由馬達殼蓋的適當部位，經出線孔42穿出於輪軸40之外，而引接至其他控制線路上。
另一轉子盤50，是配合定磁環10的內環大小所構成，並於中央部位設有一軸孔51，及在該外部邊緣處則以一硊鐵環52構成，並於該硊鐵環52邊緣結合以若干個磁鐵塊53，如是而構成一永久磁場的轉子結構，且該轉子盤50的軸孔51則透過軸承60、70及培林座80與中空心軸90而套組於該輪軸40的一端上，且該轉子盤50是與中空心軸90為固設結合，而令該轉子盤50的外緣磁鐵塊53與定磁環10間保持有一定的氣隙，而形成一馬達的基本定子及轉子的結構。
此外，該中空心軸90是結合一行星齒輪100中的太陽齒輪110上，而形成一減速傳動結構，並以由該轉子盤50傳動太陽齒輪110，且該行星齒輪100的傳動齒輪120、130及140則分別樞合於一齒輪帶動盤150周邊的各相對樞軸151上，以令該行星齒輪100得以由傳動齒輪120、130及140分別以圓周運動帶動該齒輪帶動盤150旋轉，另該齒輪帶動盤150則於中央部位設有一組合孔152，以透過一軸套件160套合該輪軸40的末端而結合至一單向離合器170(如棘輪)上，而令該齒輪帶動盤150傳動該單向離合器170，且該單向離合器170則結合於車輪殼蓋180的內側上，以令該車輪殼蓋180得受該轉子盤50的間接傳動，且該車輪殼蓋180則由一車輪外蓋190透過一軸承195封閉蓋合，並得使該輪軸40的兩端分別穿套於車輪殼蓋180及車輪外蓋190外。
另在於車輪外蓋190內側及馬達殼體20外側相對應位置處，則分別結合設有一成對的轉速感測器200及210，且該轉速感測器200及210則可為成對磁簧開關組的結構所構成，亦即利用兩者於某一特定距離的近接時，由該轉速感測器210檢出一脈動感測信號，亦即可檢出車輪外蓋190與馬達殼體20間的相對轉速運動，另並在於該馬達殼蓋20上設有至少一個溫控開關215，以檢測馬達殼體20及30內部的定磁環10及轉子盤50的溫升狀態信號，構成本發明的動力輔助馬達整體結構。
請配合圖4～5所示，如圖1～3所述本發明的輔助動力馬達結構，是於實際應用上，尚需配合以一控制電路220及馬達控制電路230使用，其中，該控制電路220是主要包含有一可程式計數器MPU，該可程式計數器MPU由輸入端A檢入上述轉速感測器210所感測輸出的轉速偵檢信號，並依預設的轉速值，如以本發明為例，是在於轉速高於8公裡/每小時時，則由該可程式計數器MPU的輸出端B輸出高電位予由電晶體Q1、Q2及電阻器R1及R2所組成的驅動放大網路，並由該電晶體Q2的集電極輸出端C輸出一高電位啟動馬達控制電路230。
此馬達控制電路230則具有電子電源相位控制功能的線路所構成，並連結如上所述定磁環10中的電源線1A～1C、換向信號線2A～2C、電源引線2D、2E及溫控開關215，並以由該馬達控制電路230提供具有交流三相時序的直流脈波電源予該定磁環10啟動轉子盤50帶動車輪殼蓋180轉動，並由該換向信號線2A～2C隨時反饋提供換向時序信號予馬達控制電路230；但若於該轉速低於6公裡時，則該可程式計數器MPU的輸出端則為低電位，亦即此時該馬達控制電路230為關閉的狀態，轉子盤50則不動作；而另一種轉子盤50不動作的狀態，則為該溫控開關215檢出該定磁環10及轉子盤50於相對運轉時的溫升過高時，則會令該馬達控制電路230自動關閉。
請再參閱圖6所示，如上述圖1～5所述本發明的動力輔助馬達及其相關控制線路結構，於應用上，則可如圖5所示應用於自行車D上，其中，由該車輪輪蓋180外部結合以鋼絲或鋼片於自行車輪胎內側，並由該輪軸40兩端樞合於該自行車的前輪支軸1D上，而該控制電路200及馬達控制電路230則可裝設於自行車D車體的適當位置上，並可由電瓶或直流電池組等作為其電源供應，另值得一提的是，在於自行車D的方向操作把2D末端，則裝設有一可旋轉的握把3D，以於自行車D車速達到8公裡/小時啟動上述的動力輔助馬達中的轉子盤50輔助帶動自行車D輪胎轉動時，由該握把3D的旋轉操作，而改變其動力輔助馬達的轉子盤50的輸出轉速、轉矩及功率，以使駕駛者得依行駛路況及狀態，予以適度調配該動力輔助馬達的輸出，而使駕駛者於駕駛自行車3D時更能得心應手，進而增益本發明的實用功效，誠為一前所未見的新型設計，並得以改善常用電動自行車於輔助動力馬達的結構及其實用上所易於產生的缺點與困擾。
此外，本發明中以HALL IC11～13作為換向時序偵測的方式，亦可以馬達本身的反電動勢配合馬達控制電路230，來偵測轉子盤50於轉動時的機械角度，而提供相同的換向時序，而也可達到與本發明相同的動作及實用功效。
綜上所述，本發明實乃一極具新穎性的新型設計，尤以其整體的自行輔助動力系統組合及提升自行車輔助動力系統的運轉轉效率及實用功效。其體積小，操作簡單，性能穩定，實用性強，馬達輸出的轉速、轉矩及功率，可根據使用者當時的車輛行駛狀態進行調整控制，提高了自行車行駛的安全性與效率和馬達的使用壽命。
權利要求
1.一種輔助動力馬達，包括定磁環、轉子盤、轉軸、軸承、培林座、行量齒輪組、齒輪帶動盤、輪軸、中空心軸、軸套件、單向離合器、兩相稱馬達殼蓋、車輪殼蓋、控制電路及一馬達控制電路所構成，其中，定磁環及轉子盤是包覆於馬達殼蓋內部，且轉子盤則由中空心軸、軸套件及軸承樞套於輪軸的一端，另中空心軸則與轉子盤相為固定結合，並透過行星齒輪、齒輪帶動、軸套件及單向離合器而連結至車輪殼蓋上，由轉子盤驅動車輪殼蓋，其特徵在於該轉子盤(50)由硊鐵環(52)於外緣固設若干磁鐵塊(53)構成，並設置於定磁環(10)的內側，而與定磁環(10)保持一定的氣隙；另定磁環(10)以薄矽鋼片堆疊並於邊緣具有三相星形的線圈繞組，且子該定磁環(10)的特定三相平衡電機角度位置上，分別設有至少三個的HALL IC，以感測及產生轉子盤(50)於轉動時相對的換向時序信號予該馬達控制電路；而該馬達控制電路(230)，則為具有產生如同於三相時序的直流脈波電源的線路構成，並以提供定磁環(10)相對的三相時序的直流脈波電源，而驅動定子盤轉動，形成一三相無刷換向的馬達結構。
2.如權利要求1所述的輔助動力馬達，其特徵在於該馬達殼蓋(20)外側及車輪殼蓋(180)內側相對應部位，則分別設有一轉速感測器，以檢測輸出車輪殼蓋(180)及馬達殼蓋(20)間的相對轉速予控制電路，以令該控制電路於特定轉速時，啟動該馬達控制電路(23)。
3.如權利要求2所述的輔助動力馬達，其特徵在於轉速感測器(200、210)指以成對的磁簧開關組所構成。
4.如權利要求2所述的輔助動力馬達，其特徵在於控制電路(220)指以一可程式計數器MPU所構成。
5.如權利要求1所述的輔助動力馬達，其中該以HALL IC作為無刷換向的結構，亦可由該轉子盤(50)或定磁環(10)的反電動勢作為無刷換向的偵測時序。
全文摘要
一種輔助動力馬達，固設於馬達殼蓋內的定磁環適當電機角度位置上則至少有三個由HALL IC所組成的感測器，感測及產生該定磁環的無刷換向時序信號，另在馬達殼蓋外部及車輪蓋間設以一對應的轉速感測器，以回授車輪轉速予一可程式計數的控制電路，並由控制電路依車輪轉速到達某一預設轉速時，啟動一馬達控制電路，令該轉子盤旋動，以構成輔助動力結構。本發明實乃一具新型設計，尤以其整體的自行輔助動力系統組合及提升自行車輔助動力系統的運轉效率及實用功效。
文檔編號H02K29/06GK1117217SQ9411244
公開日1996年2月21日 申請日期1994年8月15日 優先權日1994年8月15日
發明者李宜和 申請人:李宜和