专利名称：电动车用机电无级调速电机的制作方法
技术领域：
本发明的专利产品主要配套应用于电动自行车和电动三轮车，安装于电动车中轴处并提供高效、个性化调速动力，是其关键部件。
背景技术：
电动自行车是在普通自行车上加装电池、电机及控制系统等而成的简易灵活的交通工具，随着各城市的扩大、城区禁止摩托车及人们生活水提高，绿色环保、便捷可靠的电动自行车越来越受到人们的喜爱。这也为此项产业的发展提供了广阔的空间。
电机及其调速控制系统是电动自行车的核心部件，目前生产和销售的各种电动自行车动所采用的电机绝大部分为轮毂电机，PWM电子调速控制，这类系统要求电机工作在低速大转矩下，对电机设计和生产制造要求极为苛刻，成本高并有时牺牲电机某些性能如效率等，同时采用电子调速控制时数百个电子元器件要消耗电能降低整体效率，并且有些电子元器件过载能力差，难于适应电动自行车在户外各种恶劣条件，可靠性大为下降。实践表明电动自行车故障绝大部分出在电机极其控制系统。另也有些厂家采用高速电机直接磨擦带动轮胎传动，但还只能局限于电子调速，效果仍不好。
这些调速控制动力系统动力经济性不好，成本高。动力传动过程中不能改变系统传动比，在低速行驶时是通过电子降压而降低电机转速、牺牲电机效率来实现，在重载如上坡行驶时是通过负载增大而增大电机电流、牺牲电机效率来实现或者重载不能正常行驶。而且，为适应恶劣环境，对电机零部件如磁铁和电子元件要求很高，这就难于降低产品成本。
另外，GB17761-1999明确规定电动自行车在电动骑行时最高时速不能超过20Km/h，但实际上市场及用户均不满足这一时速，而且市场上大多数电动自行车时速根据市场需要电动骑行时均大于20Km/h，出现安全隐患。
发明内容
本发明专利要解决电动自行车上述电机及控制系统效率、可靠性不高且构造复杂、成本高、电动骑行超速等问题，力求探索出一种全新的中轴式的电动自行车专用的机电无级调速电机，电动骑行时利用骑行者的脚动力无级改变电机传动速比来提高动力经济性并降低成本，开发个性化调速控制功能，并在人力参与骑行后满足用户时速需要。提供本发明的机电无级调速电机，简易夹装于自行车中轴处，重心合理，并应用自行车现有的链传动，安装方便，极易改进现有自行车，实用性强，体积小，脚动控制系统传动速比，动力经济性好，性能可靠。同时调速控制时充分利用骑车人脚动力的能动性，要快正踏，要慢反踏，正常行驶中轴自动制住不动，符合正常人骑行习惯。在脚动调速时，需要骑行者对外输出脚动力，双手需把牢车把手，精神集中，安全性好。
为实现上述功能，本发明研究的技术方案包括如下五大部件一是双速可调的直流电机及恒压长寿命碳刷结构；二是行星轮减速并差动调速系统；三是动力单向自动离合系统；四是动力输出超越离合系统；五是高低速串激电机可控和自动转换控制系统。这五部分同其它零部件一起相互关联地结合在一起，确保电机按要求在高或低速正常运转时，若不调速，电机动力只能经外圆柱直齿轮一级减速和行星轮二级减速并通过超越离合器由链轮输出，同时单向自动传动离合系统阻住动力不传至中轴，即中轴不动。调速时，单向自动传动离合系统在脚动力作用下正反均可转动，脚动力由中轴通过单向自动离合系统可顺时针或逆时针传至行星变速系统的调速内齿圈后并同电机动力一同输出，行星变速系统根据脚动力转速形差动调速。若电机不动，脚动力直接由中轴经输出超越离合系统由链轮输出。若自行车要倒退，中轴同现有自行车一样反转。
本发明产品的各零部件都经过较为详细计算后是能满足上述性能要求，同时设计各零部件特定结构及各自功能均是合适的，一级外圆柱直齿轮减速传动中心距是由齿轮箱座自身偏心距确定，并由配合的齿轮箱盖传递至支撑的从动轮轴承而实现。正因为一个零件被赋予多项功能，所以本发明零部件少，体积小，重量轻，大量采用新工艺、新材料、新方法，成本低，经样机试制及试运行，性能优越可靠，经济适用。
图1是本发明总装配简图；图2是本发明串激电机高低速控制原理图；图3是本发明电机恒压碳刷结构简图；图4是本发明单向自动离合系统结构简图；图5是本发明超越离合器结构简图；图6是本发明齿轮箱座侧视图。
图中标记为1电子控制系统；2恒压碳刷系统；21碳刷架；22电机螺钉；23碳刷拉杆；24碳刷拉弹簧；25碳刷；26换向器；3电机定子；31定子激磁线圈；32复合转换继电器；4电机转子；41转子线圈；5单向自动离合系统；51拔动轮；52制动扭弹簧；53调速内齿圈；54调速主动轮；6超越离合器系统；61动力行星架；62螺钉；63离合销；64离合压弹簧；65行星架板；7行星变速系统；8链轮；9齿轮箱座；91齿轮箱座内制动孔；92齿轮箱座中轴安装孔；93齿轮箱座安装螺孔；10密封垫圈；11齿轮箱盖；12减速从动轮；13链轮轴套；14从动轮轴承；15中轴；16键；17离合星轮；18电机主动轮；19电机轴承。
具体实施例方式
本发明的电动车用机电无级调速电机，如图1所示，直流串激双速电机在齿轮箱座9的一侧，在齿轮箱座9的另一侧设置变速齿轮箱并在其下部安置电子控制系统1，密封垫圈10和齿轮箱盖11将传动系统、调速系统、超越系统、单向离合系统密封于齿轮箱内并限制链轮8轴向移动。脚动力经中轴15、键16、通过超越离合系统6、行星变速系统7、动力行星架61传至链轮8，从而带动自行车飞轮，实现自行车的正常脚骑行。电机动力经电机轴承19、电机主动轮18、减速从动轮12、行星变速系统7、动力行星架61传至链轮8，从而带动自行车飞轮，实现自行车的电动骑行。减速从动轮12由从动轮轴承14和齿轮箱盖11的支撑，链轮8与链轮轴套13构成滚针轴承并由齿轮箱座9支撑。在电动骑行时，如图5所示，电机动力经行星轮系统7减速并通过离合销63、离合星轮17对中轴实现正常超越，同时单向自动离合系统5动作，如图4示，行星轮系统7对调速内齿圈53的反作用力经制动扭弹簧52和齿轮箱座内制动孔91制住不动。
如图2所示，电机定子激磁线圈31可以通过电子控制系统1和复合换向继电器32作用，实现定子两分开的线圈的串联和并联的控制。在激磁线圈串联时，两激磁线圈电流等于工作电流，电机激磁通量大，转速低；在激磁线圈并联时，两激磁线圈电流各等于工作电流的一半，电机激磁通量小，转速高。这样就实现电机两档工作转速并能输出不同转矩，而且，电子控制系统1能测知电机转速，在转速未建立前，不允许复合换向继电器32直接换至高速，从而起到限制电机重载和起动的工作电流，同时，在电压过低时，不允许复合换向继电器32工作，从而起到欠电压保护功能。
如图3所示的恒电机碳刷结构，碳刷25对换向器26的压力是通过碳刷拉弹簧24以电机螺钉22为转动中心拉动碳刷拉杆23而产生，当碳刷磨损后碳刷拉弹簧24拉动碳刷拉杆23的角度将变大，从而作用力臂变大，即使碳刷拉弹簧24的拉力减小，但总力矩却基本不变，从而实现碳刷基本恒定压力，解决直流有刷电机碳刷初始压力大，磨损后压力不够问题，同时也增加碳刷有效工作高度，延长碳刷寿命。
如图4所示的单向自动离合结构，拔动轮51、制动扭弹簧52、调速内齿圈53、调速主动轮54设置在齿轮箱座内制动孔91内，拔动轮51顺时针转动可收缩制动扭弹簧52直径并可转动、逆时针转动可拔动调速内齿圈53收缩制动扭弹簧52直径并可转动，调速内齿圈53只能逆时针转动收缩制动扭弹簧52直径并可转动，电机动力经行星轮减速后顺时针作用于调速内齿圈53，此时在制动扭弹簧52和齿轮箱座内制动孔91作用下顺时针制住不动，电动力正常输出。此时若脚动力进行调速，顺时针转动时，脚动力经中轴15、键16、调速主动轮54转动并作用于拔动轮51，从而拔动制动扭弹簧52顺时针转动，通过拔动轮51收缩其直径，从而解开对调速内齿圈53的制动，并带动调速内齿圈53顺时针转动，行星轮减速系统开始变成差动减速，减速比增大，实现电机无级减速；若脚动力逆时针转动，脚动力经中轴15、键16、调速主动轮54转动并直接作用于调速内齿圈53逆时针转动，此时制动扭弹簧52逆时针转动，通过调速内齿圈53收缩其直径，行星轮减速系统开始变成差动减速，减速比减小，实现电机无级加速。
本发明的专利产品设计电机高速档在额定负载时的速度不超过20Km/h，在脚动力进行加速调速时，因有脚动力的输入，自行车时速将根据骑行者需要和其脚动速度大小会超过20Km/h，但在脚动调速时，骑行者因需输出脚动力，其双手须紧握车把手，精神集中，所以本专利产品的骑行安全性较好。
如图5所示，动力行星加61、行星架板65、离合销63由螺钉62连接在一起，形成行星轮框架组件和超越离合系统相结合。
如图6所示的齿轮箱座，应用齿轮箱座中轴安装孔92同自行车中轴钢碗配合安装，并用齿轮箱座安装螺孔93固定，完成本发明与自行车的中轴式安装，重心合理。
本发明的串激电机的电磁理论计算和齿轮传动减速系统均反复经计算机程序计算和对比试验后得出，各部件均安装于齿轮箱内，并由齿轮箱盖11和密封垫圈10完成密封，防止齿轮箱内油流出和外部灰尘进入齿轮箱。各零部件结构合理，充分采用铝压铸、注塑料、冲压件、粉末冶金等适合批量生产工艺技术，本发明产品样机已初步完成并通过测试，各类模具制作也基本完成，现已进入小批量试产。
权利要求
1 本发明的机电无级调速电机，它包括电机定子(3)、转子(4)、电子控制系统(1)、恒压碳刷系统(2)；单向自动离合系统(5)、超越离合器系统(6)、行星轮变速系统(7)、链轮(8)、齿轮箱座(9)、密封垫圈(10)、齿轮箱盖(11)、减速从动轮(12)、链轮轴套(13)、从动轮轴承(14)、中轴(15)、键(16)、离合星轮(17)、电机主动轮(18)，其特征是电机与齿轮箱座连接，在齿轮箱座一侧为双速电子控制的恒压碳刷电机，另一侧齿轮箱座内设置有齿轮减速系统、行星轮变速系统、超越离合系统、单向自动离合系统和链轮并在下部安置电子控制系统。
2 如权利要求1所述的机电无级调速电机，其特征是电机定子激磁线圈(31)可以通过电子控制系统(1)和复合换向继电器(32)作用进行串联和并联转换及欠电压保护，，实现电机高低两档转速。
3 如权利要求1所述的机电无级调速电机，其特征是电机碳刷(25)对换向器(26)的压力是通过碳刷拉弹簧(24)以电机螺钉(22)为转动中心拉动碳刷拉杆(23)而产生，实现碳刷磨损后对换向器(26)的压力恒定。
4 如权利要求1所述的机电无级调速电机，其特征是拔动轮(51)、制动扭弹簧(52)、调速内齿圈(53)、调速主动轮(54)设置在齿轮箱座内制动孔(91)内，拔动轮(51)顺时针转动可收缩制动扭弹簧(52)直径并可转动、逆时针转动可拔动调速内齿圈(53)收缩制动扭弹簧(52)直径并可转动，调速内齿圈(53)只能逆时针转动收缩制动扭弹簧(52)直径并可转动，实现脚动力可带动调速内齿圈(53)转动而无级加速或减速，电机动力可输出。
5 如权利要求1所述的机电无级调速电机，其特征是动力行星加(61)、行星架板(65)、离合销(63)由螺钉(62)连接在一起，形成行星轮框架组件和超越离合系统相结合。
6 如权利要求1所述的机电无级调速电机，其特征是齿轮箱座中轴安装孔(92)同自行车中轴钢碗配合安装，并用齿轮箱座安装螺孔(93)固定于自行车中轴处。
7 如权利要求1所述的机电无级调速电机，其特征是减速从动轮(12)的位置由配合齿轮箱座(9)的齿轮箱盖(11)固定从动轮轴承(14)而确定。
8 如权利要求1所述的机电无级调速电机，其特征是链轮(8)与链轮轴套(13)构成滚针轴承并由齿轮箱座(9)支撑。
9 如权利要求1所述的机电无级调速电机，其特征是密封垫圈(10)和齿轮箱盖(11)将传动系统、调速系统、超越系统、单向离合系统密封于齿轮箱内并限制链轮轴向移动。
全文摘要
本发明机电无级调速电机，主要用于电动自行车和电动三轮车。如图1示，采用如下五大系统一是双速可调的直流电机(3，4)及恒压长寿命碳刷结构(2)；二是行星轮变速系统(7)；三是动力单向自动离合系统(5)；四是动力输出超越离合系统(6)；五是高低速串激电机可控和自动转换控制系统(1)。实现脚动力和电机动力正常骑行。在电动骑行时，脚动力可通过单向自动离合系统带动调速内齿圈(53)正反转动，使行星变速系统处于差动变速，系统减速比可变化，实现正转无级加速，反转无级减速。产品由齿轮箱盖(11)和密封垫圈(10)完成密封并安装于自行车中轴处。零部件采用铝压铸、注塑料、冲压件、粉末冶金等工艺技术，模具制作基本完成，样机通过测试。
文档编号H02K7/116GK1713487SQ200510050109
公开日2005年12月28日 申请日期2005年6月16日 优先权日2005年6月16日
发明者刘硕毅, 章伟德, 章伟艳 申请人:刘硕毅