小型电动车中置驱动器的制作方法

专利名称：小型电动车中置驱动器的制作方法
技术领域：
一种小体积、轻量化、结构紧凑精巧、动力强劲的机电一体化小型电动车中置驱动器， 由电机、控制器、传感器、齿轮减速器、单向离合器(飞轮)、链条张紧器及外壳等几部分 组成，用于安装在电动/助力自行车中轴位置附近，经链条、后轴飞轮与中轴、大链轮等共 同组成电动车的动力驱动装置，适用于各种电动/助力自行车/轻便电动摩托车、折叠式电动 自行车、轻型电动三轮车、电动滑板车等，属小型电动车驱动控制领域。
背景技术：
中国的小型电动车特别是电动自行车与轻便电动摩托车产业经过十余年己得到了巨大 发展，中国已成为全球最大的小型电动车市场与研发制造基地。近年来，由于能源危机、环 境污染，特别是受石油资源枯竭、油价飞涨、通货膨胀等环境与社会因素的推动，更使电动 车产业在世界范围内受到前所未有的广泛关注与高度重视，正开始形成新的、空前巨大的市 场与研发、设计及生产制造、使用热潮。
目前，中国的电动自行车电驱动系统仍主要以使用轮毂式外转子电机的后轮驱动类型为 主，前轮或前、后轮双驱动类型以及中置或中轴驱动系统均很少见，而成熟、先进、可产业 化的方案更少。
与使用轮毂式电机的前、后轮驱动方案相比，中置或中轴驱动方案的重大优点在于使电 动车整车的结构布局特别是其重心分布更为合理驱动单元部件的安装位置在整车中部，重 心最低、车体骑行稳定性好；与轮毂式电机相比，由于行驶中电机外壳不直接承受骑行人体 重及另载重物的大外力，没有由此引起轮毂电机外壳变形、继而使电机定转子间气隙不均匀 以及可能导致在大负荷冲击下因材料强度不足而导致外壳或轮辐断裂、噪声增大等严重隐 患、危险与缺陷；其前、后轴/轮仍可直接使用设计与制造久已成熟、使用可靠的普通自行 车前后轴与车轮，维修时车轮的拆卸、更换也更简单与方便；此外，将更易于直接安装使用 自行车用后轴内、外变速器，因中置或中轴驱动器内部有机械变速，外部机械变速又可更灵200810151406.4
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活的使用与调节，这将使电动车在爬坡、顶风、重载等恶劣工况下的骑行性能会更好。
中置或中轴驱动方案将使小型电动车的产品设计更灵活，更不受前后轮的轴向或径向尺 寸限制，整车造型简洁、美观；驱动器结构密封性更好，可靠性更高；由于使用的各种原材 料特别是金属材料较少，电机和整车重量也将进一步减轻，空载、轻载电流小，骑行能耗也 更少，车辆动力性能会更好，符合电动自行车轻型化、助力化、高端化、高效率化的发展新 潮流。
然而，目前中国国内的电动自行车使用中置或中轴的驱动系统很少，成熟、先进的设计 方案与产品更少。这主要是由于中置或中轴驱动装置结构通常较无机械减速器的低速轮毂电 机复杂，研制与设计的技术难度更高，对产品零部件的加工精度、表面光洁度、材质与热 处理及装配的工艺的要求更严格，继而对制造工装、加工设备的要求更精密，因而产品制造 成本通常远高于轮毂电机。此外，如设计或制造不良，产品不但噪声大，电动车的使用寿命 也难于保证。
就中国情况来看，较早出现的中置驱动装置例如专利文献ZL98242910.X， ZL00200425. 9
均为高速电机加多级齿轮减速结构，由于减速级数过多(通常为2-3级)，加之早期的高速电 机设计不完善，本身效率不高，从而导致中轴驱动器总体效率较低。 一些早期的产品例如 ZL00238826. X、 ZL200420015075. 9内部传动还使用了链轮链条传动机构，导致驱动装置总体 体积偏大，传动效率减低。新近出现的一种中置驱动装置市售产品(ZL200620003693.0)仍 使用了有刷电机，将难以克服通常高速有刷电机存在的电刷一换向器寿命低、效率较低的问 题，此外，该产品使用了稀油润滑，需要全密封的防漏结构，因而使用维修多有不便。还有 些产品为大五通管中轴结构一将电机或控制器、减速器也安装在管内，由于中接头五通管直 径很大，这样的车架结构、刚度与受力的应力状况均较普通自行车/电动车改变过多，制造、 使用与维修也不太方便。此外，中轴力矩助力式即1+1式的产品目前还极少，已有的市售产 品由于转矩传感器的检测范围过小，应用的非接触测量技术又不成熟，因而一直没有得到市 场的广泛认可与应用。
就世界情况来看，日本的电动自行车主流长期以来至今仍是中轴驱动结构助力式，产品
研究的最早,形式变化也最多。经过多年不断改进，早已产业化、技术成熟，这方面的实例很 多，如EP0818386A1, JP2003219603等。
然而，无论国内、国外，包括已公开的最新型中轴驱动单元专利文献，例如
JP2008017539，均未见有将中轴与电机及减速器彻底分离的模式。这种方式的电动自行车的 原中接头五通管部分大多被空置。而这种带中轴的电机驱动器不但结构复杂，制造难度与造 价也很高。加之因中轴部分外壳通常用压铸铝合金或注塑工程塑料制造，五通管的强度又较 通常使用的钢管或由高强度铝合金等材料经挤压、冷拔等工艺制造的金属管强度低。而外壳 通常又必须经常能直接承受骑行人上下车时的体重及其蹬踏力的重载负荷冲击，如使用中如 再遇意外撞击，易发生壳体破损，使电动车不能继续使用。新近出现的一种设计一如曰本专 利JP2007230410使用压铸外壳连体的金属薄板部分与中轴传感器连接在一起，将传感器装 入了中接头五通管内部，这虽已有了很大进步，但因改进不彻底一仍未将电机驱动部分与中 轴完全分离，故仍存在整体结构复杂、制造成本高，抗冲击能力较低、设计不尽合理等缺点。 本发明要解决的技术问题
本发明是为克服现有技术的缺点而提出的一种新型小型电动车用、机电一体化的中置电 机驱动器，主要是为克服现有技术使用与中轴部件连体的结构其轻合金外壳必须承受骑行人 体重及蹬踏力作用于中置驱动器外壳引起的材料与结构强度差、可靠性差、故障率高，体积 大、结构复杂、制造难度高、成本高以及多级减速带来的噪声大、传动效率低等缺点与不足。 发明内容与技术解决方案
本发明的技术方案是中置电机驱动器由电机、齿轮减速器、控制器、传感器、单向离 合器(飞轮)、链条张紧器及外壳等几部分组成，用于安装在电动/助力自行车中轴位置附近， 经链条与后轴飞轮/小链轮、中轴/中轴传感器、大链轮共同组成电动车的动力驱动装置，其 特征是中置电机驱动器与中轴或带传感器的中轴部件在结构与功能上完全分离，电机为直 流稀土永磁中速内转子无刷电机、电机轴与大齿轮轴、中轴平行；控制器为内置，安装于驱 动器外壳内或外壳上；内置传感器为加速度传感器，或匹配外置的中轴传感器为转矩与霍尔 转速传感器；齿轮减速器为经润滑脂或掺入少量稀润滑油的润滑脂润滑的单级减速器；外壳包括前、后盖，电机壳与端盖等，均由轻合金或由高抗冲、高尺寸稳定性工程塑料制成；外 壳带有导线线束引出用密封胶塞，外壳零件周边带凹槽并由硅橡胶密封形成全密封防水结 构。
电机优先为分数槽集中绕组的中速稀土永磁直流无刷电机；电机的定子铁心优先为分割 式拼合、叠扣式叠片结构，铁心的硅钢片经各片上的切口凹槽相互扣铆叠合；定子绕组优先 为用多股并行或大螺距绞合漆包铜线绕制在塑料绝缘骨架上的绕组。
控制器优先为有位置或无位置传感器的无刷电机控制器，主电路板连同大功率管或功率 模块安装于驱动部分的外壳内、外壳上或电机端盖内，由硅橡胶、环氧树脂或其他防水密封 材料灌封。驱动器的外壳的特征是外壳材料为铝合金、镁合金或铝镁合金，也可为高强度工 程塑料；与控制器大功率管的安装部位对应的轻合金外壳或盖的外表面位置压铸有与电动车
车体行进方向的迎风气流一致的水平散热肋，可高效散热。
齿轮减速器中的齿轮为小模数齿轮，齿轮齿形经高变位或角变位修正，齿顶及齿根经修 缘，表面经热处理强化；其中的主动小齿轮为位于电机轴端部的少齿数轴齿轮；大、小齿轮 优先可由合金低碳钢或高强度合金钢制造，齿轮表面为硬齿面，可经渗碳、渗氮或碳氮共渗、 高频淬火等表面热处理强化工艺形成；大齿轮也可由聚甲醛、加纤尼龙等高强度工程塑料制 造；两齿轮的齿数优先为质数，齿形可为直齿或斜齿，但优先为斜齿。在斜齿时，运转平稳， 但在电机与齿轮轴的轴承端面处安装有用于平衡、缓冲在电机正向旋转方向产生的轴向分力 的轴承用波形弹簧垫片，以减小或消除轴向力造成的轴承位移，改善轴承的运行状况。
加速度传感器为微机械单芯片传感器，芯片被安装贴焊于印制电路板上，印制电路板安 装于塑料齿轮的端面凹槽内，其加速度传感器芯片在使用状态为为垂直安装，其XY轴与水 平面或重垂(力)线分别成±45°， XY轴平面中两轴的对称轴对重垂(力)线的位置偏差可 由与安装承载芯片的印制电路板的塑料齿轮啮合的小齿轮调整对准、固定。
中轴转矩传感器的中轴表面有经电沉积或电镀工艺制作的超磁致伸縮、磁致伸縮材料、 非晶磁性材料或巨磁阻材料制作的薄膜。
后轴飞轮也可为连体或同轴并行的带有固定小链轮、由第二链条与减速器输出轴上带有 单向离合器的固定小链轮连接实现与人力蹬踏完全分离的电机直接传动，进而可实现滑行能
量回馈利用——反充电。
电机的外壳与驱动器外壳的止口连接处加有隔热密封胶垫，密封胶垫的材料优先为硅橡 胶或聚四氟乙烯。
使用本发明的中置驱动器安装的车架优先为轻合金车架，特别是镁合金、铝镁合金或铝 合金车架，车架结构优先为折叠式，蓄电池优先为磷酸铁锂蓄电池或锰酸锂蓄电池。 实施本发明的优点与效果
由于本发明将电机驱动装置与中轴或带中轴传感器的驱动装置在结构与功能卜-完全分 离，驱动单元外壳则完全不再承受骑行人的体重及蹬踏作用力，不但几乎完全保留了普通中 置驱动单元的各种优点，而且没有以往技术存在的固有缺陷骑行人体重及蹬踏力完全不作 用于驱动单元，骑行人上下车或其他意外之力对中轴造成的冲击力完全可由高强度的、结构 设计工艺早已完全成熟的普通电动自行车五通/中接头部件承担，原五通管/中接头部件的功 能被恢复，又重新得到充分利用，因而整车结构更紧凑，更先进合理，也更符合人体工程学 原理，维修也方便。由于驱动单元外壳所承受的外力作用产生的应力及其出现几率都大幅度 减少，驱动单元的使用寿命也将大大延长。中轴人力助力部分与电驱动单元的完全分离，还 显著减小了中置驱动单元的体积、重量，因而可降低单元的制造成本，并大大减小了外壳模 具的制造难度与部件结构与加工的复杂性。由于本发明的中置驱动单元体积小巧，使整车及 其传动系统的设计更加灵活，更易于适应不同的款式与车型，车架的制造难度与成本也将进 一步降低，使车架的结构设计与普通自行车/电动自行车更相近。
本发明的另一优点是采用了发明人先前己申请的另一项发明专利200510015875. X基 于路况测定技术、使用新型微加速度传感器等组成的全电子转矩1+1助力技术，由于加速度 传感器可直接安装于中置驱动器外壳上，内部又可直接与密封的控制器电路连接，从而使之 在结构上紧密组合为一体，可构成一种体积小巧、成本低的全新型纯电子真力矩助力的中置 驱动电动自行车或其他小型电动车。在这种新型车中将不必再使用高价的中轴转矩传感器， 中接头五通管内可直接装入普通自行车中轴。
本发明的优点也在于如采用中轴转矩传感器实现1+1助力技术,传感器将不受本发明
所述的中置电机驱动器的结构与尺寸的限制,使整车设计更灵活。按本发明使用的转矩传感 器采用磁致伸縮、超磁致伸缩、非晶磁性材料或巨磁阻材料经电沉积或电镀工艺制成，其体 积小巧，制造成本低，其外径很小，包括激励与检测线圈及骨架在内全部可装入普通自行车 或电动自行车中接头五通管内，由于后者机械强度高，设计与制造技术完全成熟，完全消除 了绝大多数现有连体式中置电机驱动器存在的强度缺陷与隐患，使整车结构更坚固，刚性好， 具有更长的使用寿命。
本发明的优点还在于使用的电机采用了发明人先前已申请的另一项发明专利 200610130640. X所述的小型三相方波永磁直流低速无刷电机，由于电机为分数槽集中绕组、 分割式铁心,加之选择了中速内转子式无刷电机，故可直接使用小减速比的一级减速传动， 从而显著降低了机械齿轮传动部分的能量损失，噪声也较多级减速方式大大减少。加之，由 于新型电机还具有高效率、低转矩脉动、低磁阻转矩、低成本又可大批量自动化生产等突出 优点，可使按本发明制造的新型中置驱动电动车具有高的综合机电能量转换效率与良好的动 力性能又节能省电，因而可大大延长一次充电续驶里程与蓄电池使用寿命。


图1为本发明所述的机电一体化小型电动车中置电机驱动器的主剖面视图 图2为本发明所述的电动车中置电机驱动器的前视图 图3为本发明所述的电动车中置电机驱动器的后视图
图4为本发明所述的电动车中置电机驱动器的电助力加速度传感器部分剖视图 图5为本发明所述的电动车中置电机驱动器的传动系统示意图
图6为本发明所述的使用本电动车中置电机驱动器的电动自行车取下去链罩的侧视图
图中所示为1.密封，2.减速大齿轮，3.驱动器壳体后盖，4.电机外壳，5.稀土永磁 磁瓦，6.电机端盖，7.转子支架，8.定子绕组，9.定子铁心，10.传感器盖，11.传感器 位置调节小齿轮，12.壳体紧固螺钉，13.驱动器壳体前盖，14.控制器电路板，15.电机固 定螺钉，16.电机转子齿轴，17.轴承，18.大齿轮输出轴，19.驱动器输出轴小飞轮，20.张 紧轮轴螺钉，21.张紧轮支架，22.链条张紧轮，23.传感器大齿轮，24.传感器大齿轮盖轴，25.传感器电路板，26.后轴，27.后轴飞轮，28.链条，29.中置电机驱动器固定架，30.大 链轮，31.车架，32.曲柄脚蹬组件，33.中轴。
具体实施方式
与实施发明的效果
中置电机驱动器借助于安装与车架下部的固定架29与紧固件被正确定位与固定，可以 保证电机经减速的输出轴上的小飞轮19与大链轮30、后轴飞轮27及链条张紧轮22均在同 一平面内，使电机驱动力矩或骑行人脚踏力矩可分别或同时经链条28传递至后轴飞轮27， 借助于各飞轮的单向离合传动作用，即可实现电力或人力单独驱动行驶，或同时共同作用实 现电动车的1+1助力骑行。这种结构还可保证输出轴上的小飞轮19与大链轮30间保持正确 的相互位置，保证能正常骑行，链条28也不易脱落。
控制器电路板14全部被密封在中置电机驱动器外壳内，既能可靠防水、防尘，又能可 靠散热，可大大提高驱动控制系统的可靠性并有效延长其使用寿命。其与中轴部件完全分离 及机电一体化的结构不仅小巧、紧凑，还可显著节约原材料并降低制造成本。控制器的输出 导线以最短长度直接与电机相连，大大降低了导线大电流的欧姆损失，使系统的综合效率得 以有效提高。本发明较现有中置驱动器的安装位置由于与五通管及管内的中轴转矩传感器的 分离以及现有车架五通管的再被利用可有一定的提高，整车结构与重心的分布将更为合理， 脚蹬离地面高度将更易符合标准规定，骑行使用也更稳定、更舒适。
采用中速电机不但减少了减速齿轮级数，同时也相应减少了机械部件特别是齿轮、轴与 轴承的使用数量，因而显著降低了制造成本，还大大提高了系统的综合效率。根据本发明制 造的中置电机最高效率已达到86%以上，中置驱动器的综合效率已达到82%以上。使用本发 明制造的中置驱动电动车使用36V10AH蓄电池一次充电续驶里程已可达到60公里。与轮毂 式低速电机比较，由于输出扭矩被减速机构放大，因而驱动机构体积小、重量轻，爬坡能力 强。按本发明的中置驱动器总重量仅为3.2公斤，较目前市场流行的205普通辐条轮低速无 刷轮毂电动机减轻了重量约3公斤左右，减少已约50%;较全铝轮205轮毂电机减少了近4 公斤，降低了近56%，；因而实施本发明在节省金属材料、节约资源方面也效果显著，是完全 符合节能要求的新时代绿色产品。尽管参照附图，通过实施实例对本发明已进行了详细描述，但应注意，对本领域的技术 人员而言，各种各样的变化及改进是显而易见的。因此，只要这种变化及改进不脱离本发明 权力要求书所限定的范围，它们都应被认为包括在本发明之中。
权利要求
1、一种机电一体化的小型电动车中置电机驱动器，由电机、控制器、传感器、齿轮减速器、单向离合器(飞轮)、链轮张紧器及外壳等几部分组成，用于安装在电动/助力自行车中轴位置附近，经链条、张紧轮与后轴飞轮、中轴/中轴传感器与中轴、大链轮等共同组成电动车的动力驱动装置，其特征是中置电机驱动器与中轴或带传感器的中轴部件在结构与功能上完全分离，电机为直流稀土永磁中速内转子电机、电机轴与大齿轮轴、中轴平行；控制器为内置，安装于驱动器外壳内或外壳上；内置传感器为加速度传感器，或可匹配外置中轴传感器为转矩与霍尔转速传感器；齿轮减速器为经润滑脂或掺入少量稀润滑油的润滑的单级减速器；外壳包括前盖、后盖，控制器盖，电机壳与端盖等，均由轻合金或高抗冲、高尺寸稳定性的工程塑料制成；外壳带有导线线束引出用密封胶塞，外壳零件周边带凹槽并由硅橡胶密封形成全密封防水结构。
2、 根据权利要求l所述的电机，其特征是电机优先为内转子无刷电机，分 数槽集中绕组；电机的定子铁心优先为分割式拼合叠片结构，铁心的硅钢片经 各片上的切口凹槽相互扣铆叠合；定子绕组优先为用多股并行或大螺距绞合漆 包铜线绕制在带塑料绝缘骨架上的绕组。
3、 根据权利要求1所述的控制器，其特征是控制器优先为有位置或无位置 传感器的无刷电机控制器，安装于驱动部分外壳内、外壳上或电机端盖内，由 硅橡胶、环氧树脂或其他防水密封材料灌封。
4、 根据权利要求1所述的驱动器的外壳，其特征是外壳材料为铝合金、镁 合金或铝镁合金；控制器安装在外壳内，优先地可安装在单独的、便于取放控 制器的盖上；与控制器大功率管的安装部位对应的部分外壳或盖的外表面压铸 有与电动车车体行进方向一致的散热肋，其主电路板连同大功率管安装在控制器盖内。
5、 根据权利要求1所述的齿轮减速器，其特征是减速器中的齿轮为小模数 齿轮，齿轮齿形经高变位或角变位修正，齿顶及齿根经修缘，表面经热处理强 化；其中的主动小齿轮为位于电机轴端部的少齿数轴齿轮；大、小齿轮优先可 由合金低碳钢或高强度合金钢制造，齿轮表面为硬齿面，可经渗碳、渗氮或碳 氮共渗与表面热处理强化形成；大齿轮也可由聚甲醛、加玻纤尼龙等高强度工 程塑料制造；两齿轮的齿数优先为质数，齿形可为直齿或斜齿，但优先为斜齿； 在斜齿时，电机与齿轮轴的轴承端面处安装有用于平衡、缓冲在电机正向旋转 方向产生的轴向分力的轴承用波形弹簧垫片。
6、 根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征是传感器为微机械单芯片 传感器，芯片被安装贴焊接于印制电路板上，印制电路板安装于塑料齿轮的端 面凹槽内，其加速度传感器芯片为垂直安装，其XY轴与水平面分别成士45。， XY轴平面中两轴的对称轴对重力垂线的位置偏差可由与承载芯片的印制电路 板的塑料齿轮啮合的小齿轮调整对准。
7、 根据权利要求l所述的中轴转矩传感器，其特征是转矩传感器安装于车 架中接头五通管内，中轴表面有经电沉积或电镀工艺制作的超磁致伸縮、磁致 伸縮材料或非晶磁性材料、巨磁阻材料制作的薄膜。
8、 根据权利要求1所述的后轮轴飞轮也可为连体或同轴并行带有固定小链 轮，由第二链条与减速器输出轴上带有单向离合器的固定小链轮连接实现与人 力蹬踏完全分离的电机直接传动:。
9、 根据权利要求1所述的电机其外壳与驱动器外壳的止口连接处加有隔热 密封胶垫，密封垫的材料优先为硅橡胶或聚四氟乙烯。
10、 使用本发明的中置驱动器安装的车架优先为轻合金车架，特别是镁合 金、铝镁合金或铝合金车架，车架结构优先为折叠式；蓄电池优先为磷酸铁锂蓄电池或锰酸锂蓄电池。
全文摘要
一种结构精巧紧凑、动力强劲、高性能、高可靠的小型电动车中置驱动器，用于安装在电动/助力自行车中轴/中轴传感器附近，经链条、张紧轮与后轴飞轮、大链轮共同组成电动车的动力驱动装置，其特征是驱动器本体与中轴部件在结构与功能上完全分离，中置驱动器体积小、重量轻，外壳可完全不承受骑行人体重与蹬踏力的冲击，可靠性高，使用寿命长；中轴与五通管的功能被恢复与充分利用，车架设计更为合理；使用了高效率、低转矩脉动、中速的永磁无刷电机，单级齿轮减速，控制器内置，轻合金全密封防水外壳，加速度传感器或外置中轴磁致伸缩转矩传感器实现助力。适用于各种电动/助力自行车/轻便电动摩托车、电动三轮车等小型电动车。
文档编号B62M6/70GK101353076SQ20081015140
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月18日 优先权日2008年9月18日
发明者平 李, 涂翘甲 申请人:平 李