专利名称：车轮驱动装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种使车轮驱动的装置，尤其是指一种中心轴不转动而以导电元件通过一环状导电板传导电流来驱动车轮的轮毂旋转的装置。
使车轮旋转的方法大致有两种，最常见的是车轮的轮毂与车轮的中心轴锁固，并将中心轴由轴承枢设在车架上，当以动力驱使中心轴旋转时，则可带动车轮随之旋转。另一种是以轮毂内部的感应电场驱动车轮的方法，这种方法极为少见，截至目前为止似乎未有很理想的产品出现。该方法如本说明书附
图10、11和12所示，是使中心轴固定于车架而不会旋转，然后在中心轴上设绕组线圈并通以电流成为定子，另外在轮毂内部排列能与轮毂一齐旋转的多数永久磁铁共同构成为转子，由定子与转子间产生的电场，来驱使转子旋转而带动轮毂随之旋转。图10的前有技术，曾在美国专利第5，207，288号说明书的发明背景中被引述，图11的前有技术，则是由美国专利第4，913，258号所揭示，图12的前有技术，则是由飞雅特公司所发展的产品。
前面第一种方法，是一般传统车轮的轮轴所习以为用的。
第二种以轮毂内的感应电场来驱动轮毂的方法，如图12所示的飞雅特公司亦曾发展的一种电动车轮，该方法由于在中心轴上的绕组线圈所产生的热不易散失，因此如果没有一个很良好的散热方式来配合，该种设计势必无法使车轮高速旋转，或供长时间的持续运转。因为高速旋转需供给大量电流，而长时间运转需持续供给电流，绕组线圈将产生高热而可能被烧毁短路。这种缺陷尤其会在车辆持续上坡的行驶中出现，中心轴上的定子的绕组线圈，虽然接受了特大量电流，但车轮转速仍然缓慢，对于由绕组线圈产生的高热，纵然在车轮侧面设有风扇及散热翼片，来协助车轮内部的空气流动，但仍无法适量地把热量散发。此结果乃使绕组线圈的温度持续上升，但由感应电场的输出力量却反而减少。该方法存在的另一个问题是，当不能供电予定子的绕组线圈时，绕组线圈内的矽钢片将与转子上的永久磁铁彼此吸引，此现象使车轮空转时受到很大的阻力，亦即应用传统方法的电动车一旦遇上不能供电至绕组线圈的意外状态时，要推使车轮移动将显得格外吃力。
上述以感应电场来驱动车轮的传统技术，所以无法将永久磁铁设在定子上，相对地将绕组线圈设在轮毂内的转子上，是由于绕组线圈如何在旋转中可以很理想地获得电流，而且使之实施时并无组合或装配上的困难，似乎一直无法获得很理想的解决方法，因此将绕组线圈设在转子上的想法并未被理想地实现。
本实用新型的目的，在于提供一种以感应电场技术驱使车轮旋转的车轮驱动装置，解决了现有技术中绕组线圈所产生的热量不易散失、无法使车轮高速运转或长时间持续运转等问题，同时可更适用于上坡行驶中的低速运动车轮，或自行车与轮椅等低速行驶的车辆。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的该装置是由不旋转的中心轴和绕着中心轴旋转的轮毂所组成，在中心轴的固定件上装设定子，该定子由多数不同极的永久磁铁平行于中心轴而径向间隔排列；导电元件平行于中心轴而轴向固定在中心轴的固定件上；一包括以绝缘材料为本体的环状印刷电路板，该电路板上有两组导电片群，其中在电路板侧面的内层区域分布有一组内层导电片群，电路板的外层区域分布有一组外层导电片群，且上述内层的每一导电片，与外层的任一导电片连接，且内层的导电片群可被上述导电元件接触；供作为轮毂的轮框枢设在中心轴上，轮框的内部设有多组径向分布且对应于永久磁铁的绕组线圈，来形成相对于上述定子的转子，且每一组绕组线圈分别与上述电路板外层的导电片群其中之一连接，该轮框与电路板固定，而能一齐在中心轴上同步旋转；在中心轴的固定件上有一供电元件，可将电力由导电元件传经电路板而至上述轮框内部的绕组线圈，使绕组线圈获得电流时能与定子上的永久磁铁产生电场，而驱使轮框绕着中心轴旋转。
本实用新型以多组绕组线圈构成转子，以对应于在中心轴上以多数永久磁铁构成的定子，在绕组线圈获得电流时产生感应电场，而驱使转子旋转。如熟悉电机者所知，感应电场形成后，绕组线圈将产生高热，如果不将该热量散发，绕组线圈的磁场效应将降低，而且可能会将绝缘膜烧毁致线圈产生短路。本实用新型将绕组线圈设在转子上，可借旋转中的离心气流更有效地使绕组线圈的热量散失。
本装置将一可旋转的环状印刷电路式导电片固定在转子轮框的侧面绝缘面板上，该电路板上有内层与外层两组辐射状导电片群，外层的导电片群与内层彼此连通，其中内层的导电片群供与附着于中心轴固定件的导电元件譬如是碳刷接触，另外，外层的导电片群则与转子上的各绕组线圈一一连接，使电流能通过碳刷组与印刷电路板，供应给转子上的各绕组线圈，从而使转子上的绕组线圈以最佳的方法获得电流。
本实用新型设计合理，可以使车轮高速旋转，并有效地使绕组线圈的热量散失，使得以应用感应电场的技术来驱动车轮的效果更为显著。
下面结合各种实施例及其附图，对本实用新型的结构和使用情况作进一步描述。
图1是本实用新型实施例1的侧剖视图。
图2是本实用新型实施例2的侧剖视图。
图3是本实用新型实施例3的侧剖视图。
图4是沿图2的线A－A所截的视图，显示印刷电路板的构造。
图5是沿图4的线B－B所截的放大剖视图。
图6类似图4，但显示另一种印刷电路板的构造。
图7是沿图6的线C－C所截的放大剖视图。
图8是沿图2的线D－D所截的视图，显示减速机构的一种实施例。
图9是沿图2的线E－E所截的视图，显示鼓式刹车元件。
图10、图11和图12分别是背景技术的构造图。
图中，1－轮框11－内轮框12－外轮框121－第一侧面122－第二侧面123－螺丝孔124－凸缘13－轮子14－翼片2－定子21－刹车室22－永久磁铁3－转子4－绕组线圈41－供电元件42－导电元件(碳刷)43－印刷电路板44－本体45－孔46－内层导电片群47－外层导电片群471－外端5－中心轴51－固定件6－减速机构61－主动轮62－从动轮63－连杆64－惰轮组7、71－轴承元件8－鼓式刹车元件81－蝶式刹车元件本实用新型所以能使中心轴的供电元件，如连接着电池的电线，经导电元件可顺利的将电流传送给转子的各绕组线圈，是借助图1－6中所示的一环状印刷电路板(43)。该电路板(43)的组成包括一环状本体(44)，其具有在较小直径范围中的内层与在较大直径范围中的外层，该本体中央设有孔(45)，供与轮框固定后，与轮框一齐借轴承(71)枢设于中心轴(5)上；一在内层作为换相片的辐射状导电片群(46)，径向分布于本体(44)的侧面且裸露于该侧面。另有一在本体外层的辐射状导电片群(47)，径向分布于本体(44)上，且隐藏于本体(44)内，其中在外层的每一导电片群的外端(471)一小段，裸露于本体(44)外缘，分别与转子(3)上的各绕组线圈(4)焊接。另外，每一外层导电片个别与内层区域的任一导电片连接，较好的方式是将关连的外层导电片(47)与内层导电片(46)如图所示一体成型，使当电流经导电元件(42)(图中所示的导电元件为碳刷)，传导给旋转中与碳刷接触的印刷电路板时，可将电流由电路板内层的导电片传经外层的导电片，最后传至转子上的各绕组线圈，在此例中的内层辐射状导电片群(46)是用以作为换相用。
上述环状印刷电路板的实施例，在接受大电流时，碳刷与内层辐射状导电片群接触时会产生火花，下一个实施例则可消除该现象。
环状印刷电路板(43)的构成另外还有一个实施例的构造如图6与图7所示。环状本体(44)的内层导电片群(46)是两片以上(譬如是三片以构成X、Y、Z三相)的同心环状导电片，每一导电片与一碳刷(42)个别接触，且每一导电片如同前述是与外层的导电片其中之一连接。此例中的内层的环状导电片，只是单纯与功能类如滑环的碳刷(42)接触而成为导电介质，如果所提供的电流是来自交流电，则该电源可由变频器输出给碳刷；若供应的电流是来自直流电，则该电源可由电子换相器输出给碳刷。本说明书中的导电元件虽以碳刷(42)为例，但该碳刷(42)与环状印刷电路板(43)一样，将可能应用超导体材料来制造，使在传导电流时，能减少电流的损失。
实施例1如图1所示的车轮驱动装置，是由绕着不旋转的中心轴(5)旋转的轮毂来驱动车轮，轮毂是用以支持车轮。本实施例装置包括一装设在中心轴(5)上的定子(2)，该定子(2)由多个不同极的永久磁铁(22)径向间隔排列；多个碳刷(42)轴向固定在中心轴(5)的固定件(51)上，中心轴最好是一实心轴，这样可使中心轴的直径尽量缩小，但仍然维持着必要的刚性，本实施例的装置另外还包括一固定于轮框上且于轮框一齐枢设在中心轴(5)上的环状印刷电路板(43)，电路板(43)上有两组径向分布的导电片群(46)与(47)(参考图4－7)，个别分布在电路板(43)侧面的内层区域与外层区域。且内层的每一导电片(46)，皆裸露于本体(44)的一侧，且个别与隐藏于绝缘性本体(44)内的任一外层导电片(47)连接，内层的导电片群可被碳刷(42)接触；前面已描述过印刷电路板(43)的两种实施例。本实施例另具有一以轴承(7)枢设在中心轴(5)上作为轮毂的轮框(1)，其内部设有多组径向分布且对应于永久磁铁(22)的绕组线圈(4)，来形成相对于上述定子(2)的转子(3)，且每一组绕组线圈(4)分别与电路板(43)外层的导电片群(47)其中之一连接，该轮框是与电路板(43)固定，而能一齐在中心轴(5)上同步旋转，借旋转中的气流使轮框内的绕组线圈(4)加速散热；一供电元件(41)，比如是一电线，在附着于中心轴(5)的固定件(51)上，可将电力由碳刷组(42)传经电路板(43)而至轮框内部的绕组线圈(4)，使绕组线圈(4)获得电流时，能与定子(2)上的永久磁铁(22)产生电场，而驱动轮框(1)绕着中心轴(5)旋转。
上述实施例是最基本而典型的装置，可顺利地将由中心轴区域供应的电流，借助碳刷(42)与环状印刷电路板(43)，传给旋转中的转子的绕组线圈，以后的实施例都是据此例的基本构造增删而成，且各例均同于此例，可任选两种印刷电路板中的其中一种。
实施例2如图2与3的实施例构造，定子(2)是借轴承元件(71)枢设在中心轴(5)的固定件(51)上。另外中心轴(5)上设有一刹车元件(8)，紧邻于定子(2)，刹车元件(8)在刹止状态时，可使定子(2)不旋转。另一方面，当刹车元件(8)在非刹止状态时，即不能阻止定子，所以定子(2)可随转子(3)旋转时而转动。定子(2)内可设一刹车室(21)，且如图9所示，刹车元件(8)是一容放在刹车室内的刹车鼓。此实施例可与实施例1组合，以单一本体的轮框(1)作为轮毂，也可与其它实施例组合，成为具有减速机构的轮毂。
实施例3如图2与3，此例与实施例1的最大不同在于实施例1是以单一本体的轮框直接作为支持车轮的轮毂，该轮框没有减速机构。但此例中的轮框，是由内轮框与外轮框组成。此例特别适用于轮椅或自行车等低速行驶的车辆。此例中的图虽然显示的减速机构是由单层或双层的行星式齿轮组所构成，但也可由齿轮式或皮带式的减速机构构成。此例中的轮框(1)包括个别枢设在中心轴(5)上的一外轮框(12)与一内轮框(11)，内轮框(11)内部设有多组绕组线圈(4)，且内轮框(11)是与电路板(43)固定而能同步旋转；外轮框(12)是支持车轮的轮毂。轮框(1)侧面设一具有主动轮(61)与从动轮(62)的减速机构(6)，内轮框(11)与减速机构(6)的主动轮(61)连接，外轮框(12)与减速机构的从动轮(62)连接，使内轮框(11)旋转时的动力，能经减速机构减速后传递给外轮框(12)。
实施例4本例与实施例3类似，但如图2所示，外轮框(12)有第一侧面(121)与第二侧面(122)，第一侧面(121)设有一螺丝孔(123)，供与一轮子(13)组合。轮子(13)可以是皮带变速机的皮带轮，也可以是如图2假想线所示的链轮，且该链轮是由多阶不同齿数共同组合成的链轮组元件，此例适用于多挡变速的自行车。
实施例5本例类似于实施例4，但如图3假想线所示，外轮框(12)的第二侧面(122)设有一蝶式刹车元件(81)，供必要时刹止外轮框(12)。
如图2与图3所示，外轮框(12)的右侧第一侧面延伸一凸缘(124)，在该凸缘内设的螺丝孔直径在20－25mm，且使中心轴的直径小于10mm，这样由该凸缘形成的介面，可以直接衔接现有的岛野(Shimano)变速齿轮轴。此例中所提及的螺丝孔直径与中心轴直径的尺寸，只是在说明此例应用于自行车时，可于岛野变速齿轮轴连接，而并不是用来限定本实用新型的中心轴直径与螺丝孔的直径。本实用新型若是被应用于摩托车或汽车或轮椅，或与其它现有或将来可能出现的变速齿轮轴连接时，当然就不一定是上述的尺寸范围。本实施例与以往各种电动车轮轴的设计不同，本实用新型将中心轴尽量缩小且以实心杆制成，但供电元件(41)，仍可由外轮框(12)的第二侧面(122)进入外轮框内，且通过刹车元件(8)而连接至碳刷组。传统的电动车轮轴不能象本实用新型一样，直接与岛野变速齿轮轴套接。
如图2、3所示，在外轮框(12)的第二侧面(122)可加设通风翼片(14)，来加强轮框的空气流动以协助散热，甚至于在通风翼片的内部加设滤网。如图2与8所示，前述减速机构(6)可以是行星式的齿轮减速机构，且可将外轮框(12)的内缘设为内齿轮，而直接成为减速机构(6)的从动轮(62)，主动轮(61)是借助连杆(63)上的惰轮组(64)而驱动从动轮(62)。
根据本实用新型的技术方案，可在必要时使中心轴上的定子能随着轮毂内的转子旋转。因为该装置以永久磁铁构成定子，以绕组线圈构成转子，转子可以直接或经减速机构的间接方式驱动轮毂。定子以轴承枢设在固定不旋转的中心轴上，且在该定子的内部或侧面设有不旋转的刹车元件，该刹车元件较佳的方式是利用鼓式刹车器，但利用蝶式刹车器、电磁式刹车器或其他型式的刹车器并无不可。在一般状态，以感应电场驱动转子旋转时，该刹车元件是保持在第一位置将定子刹住而不会旋转，而相对地使转子被感应电场驱动。但在特殊状态下，譬如是不供电给转子时，即可使刹车元件改变至第二位置而释开定子，那么定子借永久磁铁的吸力将与转子上的绕线用的矽钢片互相吸引，可使定子能随着转子旋转，即达到当不通电流给转子时仍可轻松地推动车毂的目的。
本实用新型还可达到使车毂适时停止的目的。在由转子驱动的车毂外缘固定一蝶式刹车器的刹车片，也就是当车毂如欲不旋转、或欲减缓转速时，可借蝶式刹车器来控制。
车辆在下坡路面滑行时，可以不供应电流给转子的绕组线圈，那么如果继续使控制定子旋转的刹车元件保持在刹车位置，即使定子不能旋转，那么绕组线圈因持续绕着定子旋转，反而可以成为发电状态产生电流，经印刷电路板与碳刷，回馈给电源装置，譬如是电池。
若使控制定子旋转的刹车元件的释放状态能随着上述蝶式刹车器的刹车状态同步相对动作，亦即蝶式刹车器刹车时，刹车元件则相对释放，将使定子在转子欲停止前，借惯性力反而产生旋转，此作用是本实用新型的连锁功效。
权利要求1.一种车轮驱动装置，是由不旋转的中心轴(5)和绕着中心轴旋转的轮毂所组成，其特征在于a)在中心轴(5)的固定件(51)上装设定子(2)，该定子(2)由多数不同极的永久磁铁(22)平行于中心轴(5)而径向间隔排列；b)导电元件(42)平行于中心轴(5)而轴向固定在中心轴(5)的固定件(51)上；c)一以绝缘材料为本体(44)的环状印刷电路板(43)，该电路板(43)上有两组导电片群，其中在电路板侧面的内层区域分布有一组内层导电片群(46)，电路板的外层区域分布有一组外层导电片群(47)，上述内层的每一导电片，与外层的任一导电片连接，且内层的导电片群(46)可被上述导电元件(42)接触；d)供作为轮毂的轮框(1)枢设在中心轴(5)上，轮框(1)的内部设有多组径向分布且对应于永久磁铁(22)的绕组线圈(4)，来形成相对于上述定子(2)的转子(3)，且每一组绕组线圈(4)分别与上述电路板(43)外层的导电片群(47)其中之一连接，该轮框(1)与电路板(43)固定，而能一齐在中心轴(5)上同步旋转；e)在中心轴(5)的固定件(51)上有一供电元件(41)。
2.根据权利要求1所述的车轮驱动装置，其特征在于定子(2)是借轴承元件(71)枢设与中心轴(5)上。
3.根据权利要求2所述的车轮驱动装置，其特征在于中心轴(5)上设一刹车元件(8)，紧邻于定子(2)。
4.根据权利要求3所述的车轮驱动装置，其特征在于定子(2)内设有一刹车室(21)，刹车元件(8)是一容放在上述刹车室(21)内的刹车鼓。
5.根据权利要求1所述的车轮驱动装置，其特征在于轮框(1)包括个别枢设在上述中心轴(5)上的一外轮框(12)与一内轮框(11)，内轮框(11)内部设置多组绕组线圈(4)，且内轮框(11)系与电路板(43)固定而能同步旋转；轮框(1)侧面设置有具有主动轮(61)与从动轮(62)的减速机构(6)，内轮框(11)与减速机构(6)的主动轮(61)连接，外轮框(12)与减速机构(6)的从动轮(62)连接。
6.根据权利要求5所述的车轮驱动装置，其特征在于减速机构(6)是一行星式齿轮减速机构。
7.根据权利要求5所述的车轮驱动装置，其特征在于外轮框(12)有第一侧面(121)与第二侧面(122)，其中第一侧面(121)设有一供与轮子(13)的轴组合的螺丝孔(123)。
8.根据权利要求7所述的车轮驱动装置，其特征在于外轮框(12)的第一侧面(121)设有一凸缘(124)，且在该凸缘内设螺丝孔(123)，该螺丝孔的直径在20－25mm。
9.根据权利要求7所述的车轮驱动装置，其特征在于轮子(13)是链轮，且该链轮是有多阶不同齿数共同组合成的链轮组元件。
10.根据权利要求5所述的车轮驱动装置，其特征在于外轮框(12)有第一侧面(121)与第二侧面(122)，其中第二侧面(122)设有一供刹止外轮框(12)的蝶式刹车元件(81)。
11.根据权利要求5所述的车轮驱动装置，其特征在于外轮框(12)的内缘设有内齿轮，成为行星式齿轮减速机构的从动齿轮。
12.根据权利要求1所述的车轮驱动装置，其特征在于中心轴(5)为实心轴。
13.根据权利要求12所述的车轮驱动装置，其特征在于中心轴(5)小于10mm。
14.根据权利要求8或13所述的车轮驱动装置，其特征在于螺丝孔(123)是与岛野(Shimano)变速齿轮轴衔接。
15.根据权利要求1所述的车轮驱动装置，其特征在于环状印刷电路板(43)的外层导电片群(47)，是径向辐射状分布且隐藏于电路板(43)外层的本体(44)中。
16.根据权利要求15所述的车轮驱动装置，其特征在于环状印刷电路板(43)的内层导电片群(46)是对称于外层导电片群(47)而径向辐射状分布，但裸露于本体(44)的一侧面，与上述导电元件(42)接触。
17.根据权利要求15所述的车轮驱动装置，其特征在于环状印刷电路板(43)的内层导电片群(46)，是由多个同心的圆环形导电片群构成，且裸露于本体(44)的一侧面个别与导电元件(42)接触。
专利摘要一种车轮驱动装置，是在固定的中心轴上，平行着中心轴设置多数径向分布的永久磁铁作为定子。有一由多组感应磁场绕组线圈构成的转子，枢设在定子外围，并与定子相对形成对应的磁场而使转子旋转，当转子旋转时，可直接或经一减速机构将动力传至驱动车轮的轮毂；电流是经固定于中心轴上的导电元件，与一环状电路板接触而传至转子的感应绕组线圈。
文档编号H02K7/14GK2198710SQ9421968
公开日1995年5月24日 申请日期1994年8月17日 优先权日1994年8月17日
发明者杨臣机 申请人:杨臣机