能够与车辆的底部支架同轴地安装的、用于具有两个或三个轮的车辆的齿轮马达系统以 ...的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于具有两个或三个轮的车辆的电动齿轮马达系统，其能够在外部安装在车辆自身的底部支架上。该系统应用于具有两个和三个轮的车辆，该车辆包括标准自行车框架(1、101)，具有杠杆(6)和踏板曲柄，以用于传递车辆的前进运动。所述齿轮马达单元是“外转式”类型的，即转子(24、50、14、124、150、114)处于定子(12、112)外侧，齿轮箱是行星式类型的，嵌入在定子腔体内；该系统的特征在于，该系统借助于轮毂19、119与框架(1、101)的底部支架同轴地安装，该轮毂适当地成形为插入到标准自行车框架上具有的底部支架的腔体中，使得马达、齿轮箱和踏板曲柄轴的旋转轴线重合；马达处于框架外侧。描述并要求保护两个优选实施例。
【专利说明】
能够与车辆的底部支架同轴地安装的、用于具有两个或Ξ个 轮的车辆的齿轮马达系统从及包括所述系统的车辆
技术领域
[0001] 本发明设及用于具有两个或Ξ个轮的车辆(尤其是自行车或Ξ轮车）的电动推进 系统的领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，用于电动自行车的电动马达通常安装在轮的轮穀中（称为"轮穀马达"或 "直接轮穀"或"驱动轮"），W便由于运些马达所要求的体积而利用否则不会用到的空间。
[0003] 多年来，运些马达已经开始显示出它们的限制。实际上，通常是具有外部转子的无 刷马达，其中磁体在没有减速级的情况下直接固定到轮的轮穀，马达吸收大量的电流，W便 产生必要的转矩。此外，转矩的缺乏阻碍电动自行车行驶于显著的上坡路(例如:大于20% 的倾斜度）。
[0004] 随后，为了克服运个问题，引入了无刷马达，其中与轮的轮穀的联接不再是直接 的，而且运动通过周转级而被减速(例如ΕΡ2 308 436 Α1)。运样的周转级W同轴的方式相 对于马达的主动部分侧向地安置。相对于没有减速级的马达而言，运种权宜之计能够减小 尺寸和体积(并由此降低成本），原因在于能够W较高速度(例如每分钟1000-2000转)旋转 的马达在传递相同功率的情况下需要的驱动转矩较小，并且因此在下部绕组中需要的电流 较小。
[0005] 安置在轮穀上的、具有一个或两个周转减速级的马达的运种构造通常定义为"行 星轮穀"并且具有若干缺陷。第一个缺陷在于，周转级的总体积减少了马达的主动部分（即 用来产生能量的部分(定子、转子、绕组））的宝贵空间。第二个缺陷在于，传动装置在减速时 可能依赖于单个固定的减速比，由此马达不得不在宽的旋转工况区间（例如:每分钟从0至 2000转）内操作，从而在大部分时间极大地背离了确保最大效率的工况。
[0006] 自行车的后轮穀的轴向尺寸是有限的（在大多数情况下小于150mm)。具有周转级 的马达的方案必须将运样有限的体积划分在环形齿轮的轮、周转级W及马达的主动部分 (定子、绕组、转子)之间。还需要考虑的是，该方案中采用的行星系统由于有限的体积而在 可获得的最大减速比上存在限制，对于每个减速级而言，该减速比的范围通常为从3:1至5: 1〇
[0007] 运些组合的因素确保了运样的系统即使在改进的情况下也不能够完全发挥出电 动马达的固有的潜能。实际上，电动马达的最佳重量/功率、体积/功率比常常在每分钟2000 至4000转的范围内，该系统并不能实现运样的最佳状况。考虑到在最大速度下电动自行车 的后轮通常每分钟完成60至300转，所需的减速比应当在6:1-66:1的范围内。考虑到自行车 的后轮穀的体积约束和要求传递的转矩，利用一个或多个周转减速级很难获得运样的比。 [000引为了克服运个障碍，最近出现了具有"底部支架"的系统，其中电动马达不再安装 在轮的轮穀上，而是安装在自行车自身的底部支架附近，从而借助于具有齿轮的传动装置 或者具有链条的传动装置而将传递的转矩传动到自行车链条所接合的环形齿轮。
[0009] 运种构造(称为"中间驱动"或"曲柄驱动"）提供的优点在于，能够使马达W接近最 佳数值(每分钟2000-4000转）的转速旋转并且依赖于后续减速级/链轮（自行车自身的，包 括一个或多个环形齿轮、传动链条W及与后轮的轮穀一体形成的一个或多个链轮，参考二 次传动装置302)，运允许将电动马达保持在最接近最大效率的旋转范围内。
[0010] 在相同的电池组的情况下，运些优点使得马达具有更加受限的尺寸、较小的电流 消耗，并且由此具有较大的自主性(例如:EP2615023(A1 )-2013-07-17，W02008120311(A1)， WO 00/43259)ο
[0011] 然而，"中间驱动"构造使其具有若干缺陷：相对于马达定位在轮穀上，复杂度增 大，并且一次传动系统(其将运动从电动马达传递到自行车的底部支架)所需的体积和重量 增大，运迫使寻求用于定位马达-传动装置单元的新方案。
[0012] 当前已有的最佳方案追求获得最小体积(与自行车的日常使用相容)和轮可W获 得的高转矩(运需要使用马达或较大尺寸的一次传动装置)的相反需求之间的折中，当然同 时追求最低的成本。
[0013] 上述专利化Ρ2615023)和其它专利（例如:DE102011089559)依赖于高的一次减速 比来获得可获取的高转矩，运对体积而言是不利的。因此，接受了大尺寸自行车具有显著增 大的体积的缺陷，电动推进系统具有确保高转矩和高效率的优点。运些系统中的一些引入 了其扩散的另一个限制:它们要求自行车具有用于接纳运些装置的框架(W0 00/43259)。虽 然任何人都可W在某人的常规自行车上安装马达，马达被安置在后轮的轮穀上，从而将自 行车转换为电动自行车，但是现在不再能够将已有的自行车转换为具有运些系统。
[0014] 其它系统（例如：EP2463189A1和EP1144242(A1 )-2001-10-17)通过将马达与底部 支架同轴地容纳在自行车的踏板之间而追求有限的体积。运防止了过大的尺寸，但是再次 引入了马达单元的轴向尺寸的约束，和在本部分开始处调查的马达-轮系统一样。实际上， 运些系统必须确保有限的轴向和径向体积(例如轴向小于10 0mm，径向小于2 0 0mm )，运由于 可能的周转级所要求的体积而阻止获得高的一次减速比（踏板马达-环形齿轮），并且由此 阻止高的转矩传递到轮。为此，某些制造商提出解决方案，其中利用周转减速级（一种称为 "周转中间驱动"的构造)进行补偿来限制马达的体积化S6296072)，并且某些制造商提出了 其它的解决方案，其目的在于使得马达的尺寸最大化，排除一次减速和/或使用缺少减速级 的轴向通量构造化P2562071 A1)，类似于本发明的目的。
[0015] 在将同轴马达与多个周转减速级的优点结合起来的尝试中（例如：EP2463189和 US6296072)，通过限制必须与周转级共同存在的马达的主动元件的尺寸(转子的直径，定子 组的轴向长度，绕组头部的体积），W及通过在有限的轴向体积下齿轮的最大可支持转矩， 来限制最大功率。
[0016] 在运个简要段中分析的大多数马达的最大功率被限制为250W。最大功率约束从来 不是大问题，原因在于在大多数欧洲法律中不允许电动自行车传递更大的功率。随着电动 自行车具有较高法定功率限制的国家(例如美国，其电动自行车能够交付使用的最大功率 限制为750W)对电动自动车越来越关注，并且欧洲法律授权销售相对于公路而言用途不同 的、具有较大功率的电动自行车，最大可获得功率的约束变得越来越不利。
[0017] 必须要考虑的是，上述系统中的一些可W用来短时间传递甚至大于250W(例如： 1000W)的功率，但是效率W及由此自主性将受到严重妨碍。
【发明内容】
[0018] 本发明的第一个目的在于提供一种推进系统，通过使用相对于车辆的中央系统 (通常称为"中间驱动"），其能够在多种不同的情形下(例如大于80%的情况为，在平地上中 等速度，在睹峭上坡路上中等速度，在平地上高速，在睹峭上坡路上高速)获得较高水平的 马达效率，W便获得车辆的较大的自主性。
[0019] 本发明的另一个目的在于提供一种推进系统，其能够借助于高的一次减速比为电 动车辆提供面对睹峭上坡路(例如:大于30%的倾斜度)所需的驱动转矩。
[0020] 本发明的另一个目的在于提供一种推进系统，其通过使得一次传动装置的体积最 小化而能够获得系统的最大转矩/体积比。
[0021] 本发明的另一个目的在于向还没有设置电动推进装置的全部现有车辆提供上述 优点。
[0022] 所述目的和优点均通过根据本发明的目的的电动齿轮马达系统来实现，该电动齿 轮马达系统用于具有两个或Ξ个轮的车辆(例如：电动自行车、电动踏板车、Ξ轮车），能够 与车辆自身的底部支架同轴地安装，W下的权利要求提供了该电动齿轮马达系统的特征。
【附图说明】
[0023] 从W下仅仅借助于附图中的非限制性例子给出的若干图示实施例，运些和其它特 征将会更加清楚。
[0024] 图1:示出了本发明的第一实施例，具有两个轮的车辆(在该实施例中为自行车）的 标准框架外侧的构造，
[0025] 图2、3、4和6:示出了图1的系统的若干部件的结构细节，
[00%]图5:示出了本发明应用于底部支架外侧的构造的第二示意图，
[0027] 图7:为用于底部支架外侧的构造的结构实施例(平面截面图），
[0028] 图8:示出了用于运动单向传动装置的装置的结构实施例(例如过限接头或自由轮 系统），
[0029] 图9:为用于底部支架外侧的构造的结构实施例巧由测截面图），
[0030] 图10:示出了假想体积，齿轮箱的至少一个齿轮完全地或部分地封闭在该假想体 积中，
[0031 ]图11:示出了根据本发明目的的系统的分解构造，
[0032] 图12:示出了根据本发明目的的系统处于底部支架外侧的安装构造中的示意图，
[0033] 图13:示出了现有技术相对于本发明的目的的性能比较曲线。
【具体实施方式】
[0034] 在详细描述本发明之前，有必要首先进行若干陈述。
[0035] 一般来讲，为了增大电动马达的功率(转矩*速度），必须增大其转矩和/或速度。转 矩是转子直径的指数级函数，指数为大约2.5，为最佳速度范围为2000至3000转:超过该工 况，已经证实由于板中的滞后而产生恒定的损失（与绕组的激励频率的平方成比例），运增 大了马达的溫度，因此增大了绕组的铜线的电阻，并由此使得马达的效率快速降低。
[0036] 为了从马达获得最大转矩，在定子组具有相同长度的情况下，必须是的转子具有 最大的尺寸。无刷马达产生的转矩实际上是转子直径的指数级函数，W增大产生的电磁力 的力臂，并且增大能够获取的用W接纳磁体的表面积。然而，转子尺寸的增加与具有有限体 积的需要是相对的。
[0037] 为了优化驱动转矩/体积比，本发明采用具有外部转子的无刷马达(也被称为"外 转式"）或者具有"轴向通量"的无刷马达。
[0038] 在第一种类型的马达中，转子位于定子外侧，从而在相同的径向和轴向体积的情 况下，其能够传递较高的转矩(高的因此为从2至4)。
[0039] 在第二种类型的马达中，转子由平盘构成，该平盘沿轴向位于定子旁边;在该盘 上，容纳有平的磁体，该磁体具有扇形的形式(参见EP 2562071 A1)。
[0040] 轴向通量类型的马达被运样命名是因为，与定子的连接通量垂直于轴马达流动的 第一种"外转式"类型相对，在轴向通量马达中，该流平行于轴马达流动。
[0041] 两种类型能够获得的是，转子的尺寸大于定子的内径，并且由此优化驱动转矩/体 积比。
[0042] 为了描述简化起见，将仅仅W具有径向通量的"外转式"马达来描述本发明，其代 表了较大的复杂度。
[0043] 然而，所要求的保护还延伸到具有轴向通量的形式。换言之，在下文中，将提及"外 转式"马达，两种马达类型（具有径向通量和具有轴向通量），也就是其特征在于，容纳永久 磁体的最大转子直径大于最大定子腔体的最大直径。
[0044] 对于给定的电动马达，转矩是吸收的电流的线性函数:本发明的传递较大转矩的 固有能力意味着电池的电流要求较低。较低的电流意味着较高的效率，原因在于在绕组中 的电阻损失较低(根据已知的焦耳定律，与电流的平方成比例）。
[0045] 在功率密度（即每单位体积的功率比）和转矩密度（即每单位体积的驱动转矩)方 面，本发明结合了"外转式"构造的电动马达和极为紧凑的一次减速系统下描述）的优 点。
[0046] 第一实施例
[0047] 图1、2、3、4示出了根据本发明的目的的用于具有两个和Ξ个轮的电动车辆的齿轮 马达系统的第一实施例。
[0048] 首先，应当声明的是，本文所述和要求保护的两个实施例均保持相同的概念:马达 安装在底部支架处，由此安装在踏板曲柄的轴上，并且安装在框架外侧。运表明，即使轮穀 19、119插入到适于容纳底部支架的标准自行车框架1、101上的圆柱形空间中，马达和齿轮 箱也能够定位在框架的侧部上。
[0049] 具体地，用于具有两个或Ξ个轮的车辆的电动齿轮马达系统包括：
[0050] -齿轮马达单元，其中马达是"外转式"类型的，也就是转子处于定子外侧，
[0051] -齿轮箱是行星式类型的；
[0052] -齿轮箱嵌入到定子腔体内；
[0053] 系统与底部支架同轴地安装在标准自行车框架上，使得马达、齿轮箱和踏板曲柄 的回转轴重合。
[0054] 已知的是，行星齿轮箱是机械构件，通过简单的机构，该机械构件能够改变输入轴 和输出轴之间的速比。
[0055] 太阳轮、行星齿轮壳和具有内部齿的环形齿轮由于行星齿轮而传递运动，该行星 齿轮关于相对于行星齿轮壳固定且一体的内部轴旋转。
[0056] 第一实施例的系统包括齿轮马达单元，其中马达是"外转式"类型的，也就是转子 (由元件124、150、114形成)位于定子(用附图标记112表示的元件)外侧，并且齿轮箱是行星 式类型的并嵌入在定子112的腔体内。
[0057] 定子112与车辆的框架101-体地形成，相对于该框架固定，并且包括多个适当地 成形的板，运些板用于容纳多个绕组121。
[005引中屯、轴109与框架101和齿轮马达成横向，并且在端部处支承车辆的踏板曲柄106， 该踏板曲柄继而支承踏板(未示出）。
[0059] 定子112与由磁体124形成的转子对应，磁体与转子环形齿轮150成一体，转子环形 齿轮继而借助于转子凸缘114与行星齿轮箱的行星齿轮118系连接。
[0060] 具体地，行星系统118的齿轮组与杯状物151的内部和带齿部分晒合，该杯状物从 而用作用于所有减速级的环形齿轮，并且行星系统的组齿轮与后续级的太阳轮晒合，该后 续级在末端将运动传递到最终级的行星齿轮壳，该行星齿轮壳用152表示，具有中空形状， 轴109在其内部滑动并自由旋转。
[0061] 在该实施例中，最终级152的行星齿轮壳与第二级相对应;然而，也可W具有不同 数量的级（即不是两个级）。
[0062] 杯状物151在一侧上借助于轮穀109与框架101成一体，而在另一侧上是开口的，W 用于安装各个减速级的行星齿轮和行星齿轮壳118。
[0063] 杯状物151具有用于允许轴109通过的孔，并且具有可能的轴承，在图中该轴承用 圆圈识别，W便简化表示。
[0064] 图3和4中详细示出了第二级行星齿轮壳152;其包括中空圆柱形本体155,轴109在 该本体内自由旋转。所述圆柱形本体155具有Ξ个凸缘156,每个凸缘具有孔154;行星齿轮 组的行星齿轮118安装在该孔上。
[0065] 因此，第二级行星齿轮壳152与轴109同轴，并且允许通过一系列前部连接件153将 齿轮箱的输出动力传递到钟形元件103。
[0066] 实际上可W观察到，在本体155的头部处，即在端部部分处，具有齿153,连接齿大 致具有银齿形状，W便允许仅仅沿一个旋转/致动方向致动或驱动对应的第一齿环107。
[0067] 环107继而具有：前齿107A，即轴向齿，其适于与对应的齿153晒合；W及径向齿 107B，其总是与元件103的凹槽轮廓晒合，该元件103为外部壳体，从而该外部壳体通过行星 齿轮壳152和环107进行旋转。
[0068] 在环107旁边具有类似但不同的环108;环108也设置有轴向齿108A和径向齿108B， 径向齿与元件103的同一凹槽轮廓103A晒合。
[0069] 所述第二环108继而可W由带齿元件160仅仅沿一个旋转/致动方向驱动，如图6所 /J、- 〇
[0070] 运样的带齿元件160借助于利用方形座部161进行接合而与轴109成一体;所述元 件160允许108和踏板曲柄106之间的单向前部晒合。
[0071] 为此，设置有齿巧由向齿和径向齿)的齿环107和108可W沿着轴109滑动，并且通过 弹性元件而保持被压缩，也就是它们受到推力，该弹性元件为例如中间弹黃170,适于保持 齿环与元件152和160的对应齿抵靠接触。
[0072] 轴向齿107A和108A的布置是成镜像的，也就是彼此相反的，使得当马达旋转时，元 件107能够与第二级行星齿轮壳152晒合，考虑到元件107总是与附图标记为103的外部壳体 接合，元件107可W致动车辆的环形齿轮102。在运种情形下，通过壳体103进行的环108的设 定旋转不会引起踏板曲柄旋转，原因在于元件108的齿与齿轮160的晒合是自由的，就好像 运是自由轮。中间弹黃允许齿108A轴向脱离。
[0073] 在相反的情况下，也就是在非电动的人工踩踏的情况下，元件108借助于元件160 的前部连接件利用方形座部而接纳通过杠杆106的运动，该方形座部由此变得与轴109成一 体;在运种情形下，环108借助于齿108B而接合外部壳体103的凹槽轮廓，并且由此环形齿轮 102旋转。和前述情况一样，环107现在可W免于与行星齿轮壳152的齿53对应晒合。环107被 径向地驱动，然而前部连接件用作自由轮，由此马达不旋转一一弹黃在环的齿每次在相反 的齿上经过的情况下被压缩。
[0074] 第二实施例
[0075] 现在图示描述根据本发明的目的的用于具有两个和Ξ个轮的电动车辆的齿轮马 达系统的第二实施例。其实能够与车辆自身的底部支架同轴地安装的类型，并且包括齿轮 马达单元，该齿轮马达单元由W下部件形成：
[0076] a、固定的定子12,其与车辆的框架1 一体地形成，并且包括多个板，运些板适当地 成形W用于容纳多个绕组21，
[0077] b、轴9,转动副容纳在该轴上，该轴支撑W下部件，并且至少W下部件在该轴上同 轴地旋转：
[007引 C、环形齿轮22, W及
[0079] d、转子11，其上容纳磁体24的平均直径大于最大定子内径，也就是大于定子腔体 的最大尺寸(如果其不是圆形的），继而转子包括：
[0080] i、转子环形齿轮50,其上固定有W下部件：
[0081 ] ii、多个永久磁体24,其由W下部件支撑
[0082] iii、转子凸缘14,在本下文中也被称为行星齿轮壳或行星齿轮系壳;所述转子凸 缘14与轴9同轴地旋转并且用作行星齿轮壳，原因在于W下部件借助于转动副54而约束在 其上：
[0083] C、多个行星齿轮18,其包括齿轮10和29,运些齿轮接合在多个内部环形齿轮23和 22内，所述多个内部环形齿轮中的：
[0084] i、至少一个是固定的
[00化]ii、至少一个与轴9同轴地自由旋转；
[0086] 内部环形齿轮23和22中的至少一个部分地或全部容纳在圆筒的用401表示的空 间/体积部分中，该圆筒具有：圆柱形表面，其与定子的内部腔体成切向且同轴；W及两个基 部，其安置在根据轴9的方向的最大轴向尺寸处，该最大轴向尺寸由定子12、绕组21和转子 11的组合所形成的单元识别。在图10所示的结构实施例中清楚地示出了运样的空间部分 401。
[0087] 此外，系统包括具有固定齿轮或自由轮8和7的一个或多个装置，其允许用于两个 旋转元件的仅仅一个相互旋转方向的运动传递，运两个旋转元件中的至少一个将运动从可 动的环形齿轮运动装置22传递到二次传动装置302的环形齿轮2。
[0088] 行星齿轮组如下：
[0089] a、封端的 Zll(23)
[0090] b、转子11用作齿轮系壳，通过凸缘14
[0091] c、Z12(10)和Z2U29)成一体W形成行星齿轮18。
[0092] 系统总是定位在底部支架外侧。
[0093] 与车辆1的框架连接的固定壳体15支撑定子12。
[0094] 齿轮马达单元与车辆的底部支架同轴地定位，或者如果不具有底部支架，则与二 次传动装置的环形齿轮2同轴地定位。
[00M]根据运两个实施例：
[0096] -轴9支承踏板曲柄6和16,踏板4继而可W容纳在踏板曲柄上;运样的踏板用来收 集通过腿和/或手臂传递的人体肌肉力量;在运种情况下，具有固定齿轮或自由轮8的至少 一个装置将运动从轴9传递到二次传动装置302的环形齿轮，
[0097] -轴9不支承任何踏板曲柄;在运种情况下，轴9可W与固定壳体15-体地固定。
[0098] 做为环形齿轮2的替代形式，可W安装其它系统W用于将运动传递到轮，例如借助 于非限制性例子：用于齿形带的环形齿轮，用于梯形和/或平坦带的环形齿轮，万向接头传 动齿轮组，流体静力学传动齿轮组，W及任何其它类型的用于将运动从旋转轴传递到轮的 系统。
[0099] 快速输出轴(201)将运动传递到转子(11)，然后传递到齿轮系壳（14)，该齿轮系壳 使行星齿轮(18)旋转，该行星齿轮包括两个一体的齿轮:行星齿轮的第一齿轮Z12(10)和行 星齿轮Z2U29)的第二齿轮。
[0100] 在本发明中，内部环形齿轮Z1U23)是固定的，原因在于其与固定的壳体(15)成一 体。
[0101] 根据W下较佳地描述的模型，转子(11)直接通过电动马达进行旋转。
[0102] 轮Z12(l〇)由于被转子凸缘14和晒合的固定内部环形齿轮Z1U23巧区动而绕其轴 线旋转并绕轴(201)旋转，从而也使得与其成一体的轮Z21(29)W相同的角速度旋转。
[0103] 如果轮具有相同的模数，那么轮Z2U29)的齿数与Z12(l〇)的齿数不同，在运种情 况下向环形齿轮Z22(22)施加旋转运动，继而将运动传递到输出轴(202)。
[0104] 由此构成的齿轮组的传动比由W下的公式给出：
[0105]
[0106] 其中 zll、z21、zl2和z22分别为轮Zll(23)、Z21(29)、Z12α0)和Z22(22)的齿的数 量。
[0107] 实例 1
[0108] 仍然假定所有的轮具有相同的模数，并且具有：
[0109] 211=77
[0110] 212 = 21 [0111] 221 = 20
[0112] 222 = 76
[0113] 根据该公式，传动比为大约0.035。因此，通过使马达并由此使行星齿轮壳（14) W 每分钟4000转的速度旋转，输出轴(202)的速度为大约每分钟4000X 0.035 = 140转。
[0114] 由此获得的一次减速比大于4000/140 = 28.5比1。
[0115] 因此，一次轴(201)每转动28.5圈，输出轴(202)仅仅转动一圈。
[0116] 运样的构造将正常踩踏结构(每分钟70至140转）与马达的最大效率范围（2000至 400化pm)结合起来，从而优化了系统的效率。
[0117] 实例2
[0118] 仍然假定所有的轮具有相同的模数，并且具有：
[0119] 211 = 144
[0120] 212 = 42
[0121] 221=41
[0122] 222 = 143
[0123] 传动比为大约0.017。
[0124] 通过使马达并由此使行星齿轮壳（14) W每分钟4000转的速度旋转，输出轴（202) 的速度为大约每分钟4000X 0.017 = 68转，因此，运样的速度之间的比大于4000/68 = 58比 1〇
[0125] 因此，一次轴(201)每转动58圈，输出轴(202)仅仅转动一圈。
[01%] 比较本发明获得的减速比与专利US6296072(为大约8: 1)、EP20110187604和 EP2522567AU为大约1:4)中所述的借助具有一个或多个级的常规周转设计能够获得的减 速比，输出轴的转矩的增大超过3至14倍的因数。运样的转矩增大仅仅是由于所获得的较大 的减速比，从而还没有考虑使用特定马达构造的积极效果，如下较佳地描述的。
[0127] 图4中所示的方案能够获得与非同轴方案所能获得的减速比相当的减速比，而同 时传动装置自身还能够具有更加有限的体积和更高的效率。
[0128] 本发明的目的在于获得用于自行车和Ξ轮车的电动齿轮马达单元，其整合了 "外 转式"类型的电动马达的上述减速系统的效果，同时允许使用者在需要时能够进行踩踏的 可能性;上述全部处于极为紧凑的方案中，总是为了获得上述目的。
[0129] 图5仍然是"底部支架外侧的构造"，原因在于齿轮马达单元位于底部支架外侧，如 图12所示，W确保能够借助于非限制性例子应用本发明的优点，还能够应用于不形成为电 动车辆的自行车的框架，由此将其从肌肉推进的车辆转换为电动推进的车辆。
[0130] 参考图5,固定壳体15借助于中空轴也与车辆1的框架成一体，该中空轴的外部部 分封闭在车辆的底部支架中，而该轴的内部部分容纳轴承，该轴承允许相同的轴9旋转。
[0131] 相对于内部构造的一个不同之处在于，轮22现在借助于允许传递单向运动的装置 7(例如过限接头或自由轮系统，图8示出了其可能的结构模型)将运动传递到马达的活动壳 体3。
[0132] 在该实施例中，用于二次传动装置302的环形齿轮2与活动壳体3成一体地布置，该 活动壳体由于15和9上的转动或圆柱形副(53)(例如轴承或衬套)而与9同轴地自由旋转。
[0133] 活动壳体3现在借助于用7和8表示的能够传递单向运动的装置(例如过限接头或 自由轮系统，参见图8)而联接到轮穀17和轴9,使得当所述元件17的转速大于或等于活动壳 体3的转速时运动从轮穀17传递到元件3。
[0134] 类似地，当轴9的转速大于或等于活动壳体3的转速时，运动从轴9传递到壳体3。
[0135] 参考图8,示出了装置的操作，其能够进行用于底部支架外侧的构造的单向运动传 递。
[0136] 轮穀17与环形齿轮22成一体，并且能够与9同轴地旋转。
[0137] 覆盖件31具有内部齿，并且固定到壳体3。
[0138] 成形轮廓34与轮穀17成一体，并且形成为能够容纳多个齿33,运些齿借助于多个 弹黃32压靠内部齿31而确保仅仅当轮穀17W相对于31沿参考图8的第一视图的顺时针方向 的相对运动旋转时运动能够从轮穀17传递到内部齿31。在运种情况下，实际上齿接合在31 的腔体中，驱动31。
[0139] 相反，当17和34相对于齿31W逆时针相对运动旋转时，齿33在内部齿轮廓上滑动， 而没有接合在腔体中，由此阻止运动在两个元件17和31之间传递，从而由此阻止运动在马 达与二次传动装置302的环形齿轮2之间传递。
[0140] 操作
[0141 ]为了解释的目的，种情形方便地描述本发明的操作：
[0142] 1)驱动功率仅仅由电动马达传递，
[0143] 2)驱动功率仅仅由人借助于踩踏而经由踏板4W及踏板曲柄6和16传递，
[0144] 3)驱动功率由电动马达305W及由人借助于踏板4和踏板曲柄6和16两者传递。
[0145] 在第一种情况下，转子（11)通过由电动马达21、12、24的主动部分产生的磁场所产 生的磁动势而旋转。
[0146] 接合在固定内部环形齿轮Z11 (23)上的轮Z12( 10)同时绕其轴线旋转并绕轴9旋 转，从而也使得与其成一体的轮Z2U29)进行相同的运动。
[0147] 在轮具有相同模数的情况下，轮Z2U29)具有与Z12(l〇)不同的齿数，并且向环形 齿轮22施加绕轴9的旋转运动。
[0148] 环形齿轮22借助于具有上述模型的装置7将运动传递到环形齿轮壳单元41(或者 在外部构造的情况下传递到壳体3)，然后传递到环形齿轮2,继而借助于链条308将运动施 加到轮306。
[0149] 在刚刚描述的情形下，人不借助于系统的踏板4W及踏板曲柄16和6提供动力；因 此为了简化起见假定踏板不使轴9旋转，将停止，装置8将自由旋转地操作，类似轴承，使得 环形齿轮壳单元41 (或者在外部构造的情况下壳体3)的运动与轴的运动脱开。
[0150] 在第二种情形下，功率仅仅由人传递，转子（11)停止，因此行星齿轮18、环形齿轮 22和环形齿轮壳轮穀17停止。踏板曲柄6和16将沿图1的透视图所示的逆时针方向旋转，W 驱动轴9。装置8允许旋转运动传递到环形齿轮壳单元41(或者在外部构造的情况下传递到 壳体3)，由此传递到环形齿轮2,继而借助于链条30則尋运动施加到轮306。装置7将自由旋转 地操作，类似轴承，使得环形齿轮壳单元41(或者在外部构造的情况下壳体3)的运动与环形 齿轮壳轮穀17的运动脱开。
[0151] 在第Ξ种操作情形下，功率由人和齿轮马达单元两者传递，驱动转矩同时通过马 达和踏板借助于装置7和8传递到环形齿轮壳单元41(或者在外部构造的情况下传递到壳体 3)，装置7和8现在阻止它们所联接的部分的相互运动。
[0152] 踏板6和16、环形齿轮壳单元41(或者在外部构造的情况下壳体3) W及环形齿轮壳 轮穀17将绕着轴9的轴线W相同的转速旋转。
[0153] 最后的考虑
[0154] 因此，本发明结合了"外转式"马达的构造的优点与上述一体化减速系统的优点， 采用极为紧凑和有效的方案，在环形齿轮2上产生的驱动转矩为当前市面上的系统的驱动 转矩的4至40倍。
[0155] 因此，"中间驱动"的方案允许借助于二次传动装置(302)根据需要利用该转矩，该 二次传动装置可W进一步降低或增加传动比，W允许马达在最佳效率的旋转工况下操作 (例如:在每分钟2000至4000转之间效率高于80% )。
[0156] 在图7中，能够理解该系统的应用例子的有限体积。表示的方案允许传递1800W，马 达传递的驱动转矩为大约12Nm的连续水平和30Nm的峰值水平，其与减速比为10:1的一次传 动装置一起，使得能够传递到环形齿轮2的转矩为大约340Nm的连续水平和855Nm的峰值水 平，全部具有最小的体积。
[0157] 外径可W例如小于二次传动装置的具有52个齿的标准环形齿轮的直径（为大约 218mm)，轴向尺寸可W为例如大约70mm，W便容纳在正常框架的形状内。在运样的例子中， 根据本发明目的的齿轮马达单元的总体积由此为大约2.6立方分米，由此提供的连续转矩 密度(或"转矩密度为大约340/2.6 = 130咖/血~3，峰值为大约328咖/血~3。为了表现结果 的重要性，W下将列出现有技术的典型的值。
[0158] 考虑到相同的电源电压和电流，缺少行星减速齿轮的"直接轮穀"马达需要大得多 的体积(3.8立方分米），来获得小于一半的转矩（130Nm)，由此产生的连续转矩密度为30- 35佩/血~3。
[0159] 在一次传动装置具有行星减速齿轮的"行星轮穀"式马达，由于轴向尺寸的约束 (受齿轮箱限制），W及电动马达的直径/长度比的约束，而具有的特征在于小尺寸(体积为 大约1.6立方分米），并且其特征在于连续转矩密度大于缺少减速的形式的连续转矩密度： 运些马达的典型的值为大约40-45Nm/dm~3。然而，体积约束限制了可获得的最大转矩，该最 大转矩小于80Nm。非同轴"中间驱动"系统，类似W02008120311，必须限制总体尺寸，由此具 有有限的体积(在具体情况下，小于1立方分米），并且由于其构造而能够获得高的转矩密度 (在当前的情况下，为50Nm/dm~3)，但是不会超过适度的连续转矩值:对于一次传动装置的 环形齿轮而言，大约44Nm。转矩值减小是由于运些系统的电动马达所需的尺寸有限。
[0160] 框架内的同轴的"周转中间驱动"系统具有周转级，并且传递与本发明最为接近的 性能。专利US6296072中所述的系统提供的峰值功率为850W和120Nm(制造商数据），运是由 于两个常规周转级给出的总体一次减速比为大约32:1。因为对于无刷马达而言峰值数据和 标称数据之间的比为0.5至0.3,并且假定在当前情况下为0.5,所W专利US6296072中描述 的系统的功率和转矩值分别为425W和60Nm。运些值与有限的体积(大约1立方分米)一起将 该系统定位在现有方案的顶部处，连续转矩密度为56 N m/dnT3，峰值转矩密度为11 INm/dnf 3。
[0161] 将现有技术和上述专利的转矩和转矩密度值（由制造商自己提供，和由独立研究 机构提供)与根据本发明的目的用于传递340Nm的连续转矩(连续服务S1)所能获得的值(连 续值为130Nm/dm~3,峰值为328Nm/dm~3)相比，本发明的优点将变得非常清楚，如图13的曲 线图所示。实际上，通过使用小部分的可获得的转矩，将吸收较低的电流，并由此具有较高 的效率，在相同的电池组容量的情况下，较高的效率转换为较大的自主性。能获得的高转矩 能够面对非常睹峭的上坡路(例如30%倾斜度），通过采用高的一次减速比，可W在行驶的 同时保持马达处于最大效率的旋转范围内。由于二次传动装置，能够将该比"扩展"，W将可 获得的功率转换为速度，从而总是保持马达处于最佳操作工况下。
[0162] 附图标记列表
[0163] 1、101-框架自行车
[0164] 2、102-用于链条传动装置的环形齿轮 [01化]3、103-活动壳体
[016W 4-踏板
[0167] 6、106-右踏板曲柄
[0168] 7、107-用于单向运动传递的构件(例如:过限接头或具有夹子的自由轮），W用于 将运动从马达传递到壳体
[0169] 8、108-用于单向运动传递的构件(例如:过限接头或具有夹子的自由轮），W用于 将运动从底部支架的轴传递到壳体
[0170] 9、109-轴底部支架
[0171] 10-行星齿轮Z12
[0172] 11-转子
[0173] 12、112-定子组
[0174] 14、114-转子凸缘或行星齿轮壳或系壳 [01巧]15-固定壳体
[0176] 16、116-左踏板曲柄
[0177] 17-环形齿轮的轮穀，具有内部齿Z22
[0178] 18、118-行星齿轮，包括齿轮212(10)和221(29)
[01巧]19、119-底部支架的固定管
[0180] 20-用于马达电源的线材输出
[0181] 2U121-定子绕组头部
[0182] 22-Z22-最终减速级的具有内部齿的环形齿轮
[0183] 23-Z11-第一减速级的具有内部齿的环形齿轮
[0184] 24、124-转子磁体
[0185] 29-行星齿轮Z21
[0186] 31-用于齿轮马达系统的覆盖件
[0187] 32-多个弹黃，用于单向运动传递构件的齿的压缩
[0188] 33-用于单向运动传递构件的多个齿
[0189] 34-单向运动传递构件的成形轮廓
[0190] 41-环形齿轮壳单元
[0191] 50-磁体-载体转子环形齿轮
[0192] 51-用于支撑转子11的转动副
[0193] 52-用于支撑齿轮箱的最终级17的转动副
[0194] 53-用于支撑二次传动装置的初始级的转动副
[01M] 5t4-用于支撑行星齿轮18的转动副
[0196] 201-齿轮箱的快速运动输入轴
[0197] 202-用于齿轮箱的运动输出的慢轴
[0198] 302-二次传动装置
[0199] 305-电动马达
[0200] 306-车辆的后轮
[0201 ] 308-二次传动装置的链条
[0202] 309-环形齿轮，其安置在车辆的轮处
[0203] 401-假想圆筒的体积，一次传动装置的一个或多个内部齿轮嵌入在该体积内
[0204] 123-行星齿轮箱的内部齿轮 [02化]150-转子环形齿轮
[0206] 151-用于所有减速级的杯状物、环形齿轮
[0207] 152-最终级的行星齿轮壳
[0208] 155-最终级的行星齿轮壳的圆柱形本体
[0209] 156-凸缘，其具有孔154
[0210] 153-前部连接件
[0211] 107A、108A-前齿
[0212] 107B、108B-径向齿
[0213] 103A-元件103的凹槽轮廓 脚4] 160-带齿元件
[0215] 170-方形座部 161 脚6] 170-弹黃
【主权项】
1. 一种用于具有两个或三个轮的车辆的电动齿轮马达系统，所述车辆包括标准自行车 框架（1、1〇1)，该标准自行车框架具有踏板曲柄(6、16、106、116)以用于传递车辆的前进运 动;所述齿轮马达单元是"外转式"类型的，即转子(24、50、14、124、150、114)处于定子（12、 112)外侧，其与框架（1、101)的底部支架同轴地安装，齿轮箱是行星式类型的，嵌入在定子 腔体内，该系统的特征在于，该系统借助于轮毂(19、119)与标准自行车框架（1、101)的底部 支架同轴地安装，该轮毂适当地成形为插入到底部支架的腔体中，使得马达、齿轮箱和踏板 曲柄轴的旋转轴线重合;并且其中马达和齿轮箱处于框架外侧。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，齿轮箱的输出运动被传递到旋转钟形元件 (3、103 )，齿轮马达完全容纳在该旋转钟形元件内。3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在旋转钟形元件（3、103)上固定有用于运 动的二次传动的环形齿轮(或带轮）。4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，杯状物15、151在一侧上与框架101成一体， 而在另一侧上在外部用作定子（12、112)的支撑件且在内部用作行星齿轮箱的内部齿23、 123〇5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，运动借助于最终级的中空的行星齿轮壳 152从齿轮马达离开，该行星齿轮壳在前面级的太阳轮内旋转，踏板轴109在所述行星齿轮 壳152内旋转。6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述行星齿轮壳152具有前齿153，该前齿 借助于与齿环107的适当联接而实现运动的单向传递的机构功能。7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，靠近所述环107具有类似的环108;齿环107 和108两者均设置有轴向齿和径向齿，能够沿着轴109滑动，并且通过弹性元件而保持被压 缩，也就是它们受到推力，该弹性元件为例如中间弹簧，适于保持齿环与元件152和160的对 应齿抵靠接触。8. 根据权利要求5、6、7所述的系统，其特征在于，轴向齿107A和108A的布置是成镜像 的，也就是彼此相反的，使得当马达旋转时，元件107能够与第二级行星齿轮壳152啮合，考 虑到元件107总是与附图标记为103的外部壳体接合，元件107能够驱动车辆的环形齿轮 102,并且元件108自由地旋转。9. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，到旋转钟形元件（3、103)的运动从踏板曲 柄106、116传递到轴109,并且从该轴借助于元件160的前部连接件利用方形座部传递到元 件108,并最终传递到旋转钟形元件(3、103)。10. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，用于具有两个或三个轮的车辆的所述电 动齿轮马达包括具有至少一个定子(12)的齿轮马达单元;所述定子（12)容纳由多个导电线 材构成的绕组（21)，所述电动齿轮马达包括轴（9)，该轴支撑转动副，至少一个环形齿轮 (22)和一个转子(11)在该轴上同轴地旋转，转子(11)继而包括： a、 环形齿轮(50)，其具有的平均直径大于最大定子内径，也就是在不是圆形的情况下 大于定子腔体的最大尺寸;所述环形齿轮(50)容纳多个永久磁体(24) b、 转子凸缘（14) 所述转子凸缘（14)与轴（9)同轴地旋转，并且用作用于多个行星齿轮（18)的行星齿轮 壳，这些行星齿轮包括齿轮（10)和(29)，这些齿轮接合在多个内部环形齿轮(22、23)内，所 述多个内部环形齿轮中的至少一个内部环形齿轮(23)是固定的，而另一个内部环形齿轮 (22)至少与轴(9)同轴地自由旋转;并且其特征在于内部环形齿轮(23、22)中的至少一个内 部环形齿轮部分地或全部地容纳在圆筒(401)的假想体积内，该圆筒具有：圆柱形表面，其 与定子的内部腔体成切向且同轴；以及两个基部，其安置在根据轴(9)的方向的最大轴向尺 寸处，该最大轴向尺寸由定子（12)、绕组(21)和转子凸缘（14)的组合所形成的单元识别;并 且其特征在于其包括行星齿轮组，其中： c、 环形齿轮(23)是封端的； d、 转子（11)用作齿轮系壳，通过凸缘（14); e、 齿轮（10)和(29)是一体的。11. 根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述转子（11)从快速输入轴（201)接收 运动并且随后将该运动发送到齿轮系壳（14)，该齿轮系壳使行星齿轮（18)旋转，该行星齿 轮包括两个一体的齿轮:行星齿轮的第一齿轮Z12( 10)和行星齿轮Z21(29)的第二齿轮；内 部环形齿轮Zll(23)是固定的，原因在于其与固定的壳体(15)成一体;转子（11)通过电动马 达和轮（10)直接进行旋转，该轮由于被转子凸缘（14)和固定的内部环形齿轮(23)驱动而绕 其轴线旋转并绕轴(201)旋转，从而也使得与其成一体的轮(29)以相同的角速度旋转，这样 的轮向环形齿轮(22)施加旋转运动，继而将运动传递到输出轴(202)。12. 根据权利要求10所述的系统，其特征在于，： a、 快速输入轴（201)形成具有转子（11)的单个本体，并且是中空的以用于轴(9)通过； 所述轴(201)借助于由转动副或圆柱形副(51)构成的支撑件而与轴(9)同轴地自由旋转； b、 内部齿轮Zll(23)同轴地固定且容纳在定子(12)内； c、 环形齿轮Z22(22)也是中空的，借助于由转动副或圆柱形副（52)构成的支撑件而与 轴(9)同轴地旋转，并且借助于诸如过限接头或自由轮系统的允许传递单向运动的装置(7) 而将运动传递到环形齿轮壳单元(41)。13. 根据权利要求10所述的系统，其特征在于，轮22借助于允许传递单向运动的装置7 将运动传递到马达的活动壳体3。14. 根据权利要求10所述的系统，其特征在于，在轴9上能够容纳有踏板曲柄，继而踏板 能够容纳在踏板曲柄上，用来接纳通过腿和/或手臂传递的人体肌肉力量;如果踏板曲柄不 固定在轴9上，那么轴9能够与固定壳体15-体地固定；如果踏板曲柄固定在轴9上，那么在 这种情况下，至少一个固定的齿轮或自由轮装置8和7将运动从轴9传递到二次传送装置302 的环形齿轮。15. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，做为环形齿轮2、102的替代形式，可以安 装其它系统以用于将运动传递到轮，例如做为非限制性例子：用于齿形带的环形齿轮，用于 梯形和/或平坦带的环形齿轮，万向接头传动齿轮组，流体静力学传动齿轮组，以及任何其 它类型的用于将运动从旋转轴传递到轮的系统。16. 具有两个和/或三个轮的车辆，其特征在于，其包括根据权利要求1所述的齿轮马达 系统;所述齿轮马达系统定位在车辆的底部支架外侧。17. 具有两个和/或三个轮的车辆，其特征在于，其包括根据权利要求1和5所述的齿轮 马达系统;所述齿轮马达系统定位在车辆的底部支架外侧。
【文档编号】B62M11/14GK105939924SQ201480074191
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2014年12月18日
【发明人】M·斯帕吉亚里
【申请人】雷伊小姐有限责任公司