專利名稱：配備有人力驅(qū)動裝置和電力驅(qū)動裝置的自行車的制作方法
本申請案是同上發(fā)明名稱的專利申請案，申請?zhí)枮?4116205、申請日為1994年9月8日本發(fā)明涉及一種配備有一個直流電動機的自行車，一種直接驅(qū)動無電刷三相直流電動機及其驅(qū)動裝置，更為具體地說是一種配備有一個直流電動機的自行車，一種直接驅(qū)動無電刷三相直流電動機及其驅(qū)動裝置，該驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)很薄，操作安全，不帶齒輪，具有較好的制動力并能以低頻率和低速度轉(zhuǎn)動以便獲得高輸出力矩和高效率。
相應地，本發(fā)明的直接驅(qū)動無電刷三相直流電動機的能量消耗很小，噪音也低，對機械角度的調(diào)整也很容易，因此直流電動機的蓄電池一旦充電后，自行車就能行駛很長的距離(在平整的路面上可行駛45公里)。
為此目的，普通的自行車可以很容易地通過換以配備有直接驅(qū)動無電刷三相直流電動機的前輪或后輪的方式改裝成一輛直流電動機驅(qū)動的自行車，它不需要重新改型就能以低頻率和低速度轉(zhuǎn)動，能夠在低載荷時獲得高力矩，并能在平整的路面上以15km/h的速度行駛。
最近以來，有不少電動機驅(qū)動的自行車曾被提出，例如，參看日本專利說明書(未審查)，92-90982，92-100790，92-321479，92-321482，4-365590，92-358985，92-358986，92-358987，93-24574，93-58379，93-105146，93-238461，93-246377，93-246378等等。
在一般熟悉的電動機驅(qū)動自行車中，電動機的轉(zhuǎn)速由行星齒輪，斜齒輪等所減速再被傳送到車輪上，因而結(jié)構(gòu)極端復雜而每一次蓄電池充電后的行駛距離是有限制的。
此外，由于尋常的電動機驅(qū)動的自行車是由微型計算機(CPU)控制的，其生產(chǎn)成本必然是昂貴的。
尋常的電動機驅(qū)動自行車的電動機以很高的速度轉(zhuǎn)動，因而制動力往往不夠。即使它們被稱為自行車，實際上它們就是摩托車或機器腳踏車。因此，尋常的電動機驅(qū)動自行車對于無照駕駛員，特別是婦女和老人往往造成問題而不能安全駕駛。
人們期待著能發(fā)明一種配備有直流電動機的自行車，這種自行車即使無執(zhí)照的駕駛員也能容易和安全地駕駛。因此，本發(fā)明的目的是提供一種由一個人力驅(qū)動裝置和電力驅(qū)動裝置組成的自行車，該自行車帶有直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機。
本發(fā)明的主要特征就是提供一種帶有直流電動機的自行車，它包括一個手動驅(qū)動系統(tǒng)和一個電氣系統(tǒng)，從而使一輛普通的自行車通過將其現(xiàn)有的前輪或后輪換以配有目前的直接驅(qū)動無電刷直流電動機的前輪或后輪的方式就可以轉(zhuǎn)換成一輛電動機驅(qū)動自行車，直接驅(qū)動無電刷直流電動機可以裝在一個輪轂芯軸上而不需重新改型現(xiàn)有的自行車。
更為具體地說，本發(fā)明的第一主要特征是一個直接驅(qū)動無電刷三相直流電動機，其包括一個裝置，該裝置包括一個用于由左把手閘操動的后輪閘的鄰近傳感器，一個用于由右把手閘桿操動的前輪閘的鄰近傳感器，兩個閘桿都是用手來操動的，一個無觸點控制系統(tǒng)(無觸點繼電器)與這些鄰近傳感器相連，這些把手閘桿和這些鄰近傳感器當每個或兩個閘桿都像普通自行車那樣緊緊握住時才被操動以便使這些鄰近傳感器開啟使一個轉(zhuǎn)動控制電路關(guān)掉和使一個駕駛員邏輯電路也同時關(guān)掉，多個掣子以給定的角度和間隔設(shè)置在直接驅(qū)動無電刷三相直流電動機四周的一個側(cè)面部份上并且隨著人力驅(qū)動的曲柄踏板的向前轉(zhuǎn)動而操動以啟動鄰近傳感器，裝置在后叉處的裝置位于掣子的相應位置處并根據(jù)與人力驅(qū)動曲柄踏板連為一體的鏈輪的向前轉(zhuǎn)動探測至少兩個掣子的啟動和轉(zhuǎn)動的通過，探測把手傳感器和探測裝置啟動的裝置，一個與把手傳感器，探測裝置和一個直流電源相連的控制電路，一個與控制電路和另一個直流電源相連的三相變換器，它能被操動根據(jù)向前轉(zhuǎn)動和來自探測裝置的啟動信號來驅(qū)動直接驅(qū)動外轉(zhuǎn)子三相直流電動機，其特征在于直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機的轉(zhuǎn)動很容易被把手閘桿所停止，而一個高的輸出力矩可以在低頻率，高效率和低荷載情況下獲得。
在所描述的本發(fā)明的第一主要特征是一個直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機，它包括一個金屬外轉(zhuǎn)子，多個場永久磁鐵，每個磁鐵具有一個高矯頑磁力并設(shè)置在金屬外轉(zhuǎn)子的一個內(nèi)周邊上；多個電樞設(shè)置在場永久磁鐵的一個內(nèi)側(cè)以面對每個北極場永久磁鐵和南極場永久磁鐵，南極場永久磁鐵一個接一個地安排，這些永久磁鐵是用稀土金屬制成，電樞和繞在電樞上的繞組都是三相星(three-phasestar)，外轉(zhuǎn)子的電樞的場磁極數(shù)和齒數(shù)分別是12至36。
在所描述的本發(fā)明的第二主要特征是一個薄結(jié)構(gòu)的直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機，它包括多個霍樂元件，每個霍爾元件具有一個相角θ并設(shè)于場轉(zhuǎn)子和電樞之間的空間內(nèi)以便位于與場永久磁鐵一樣近，而場磁通量是可以由一個磁電轉(zhuǎn)換裝置在徑向和圓周方面上予以調(diào)整以調(diào)整其霍爾效應。
在所描述的本發(fā)明的第三主要特征是一個薄結(jié)構(gòu)的直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機，它包括為一個電樞繞組產(chǎn)生和驅(qū)動一個電流的裝置，這是一組低頻率，高速度和高電流切換功率的金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOS FET)元件，該些元件在三相的情況下安裝和接線。
在所描述的本發(fā)明主要特征是一個直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機，它包括一個具有高矯頑磁力和設(shè)置在金屬外轉(zhuǎn)子的一個內(nèi)周邊上的稀土金屬制成的場永久磁鐵，和低頻率高電流的切換功率金屬-氧化物-半導體場效應晶體管元件和一組二極管(HED)，每個二極管具有一個高速度和高效率比率并在一對芯片情況下安裝和接線。
下面將對一輛配備有本發(fā)明直流電動機的自行車10的例子參照附圖予以說明。附圖中

圖1是一輛配備有直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子直流電動機的自行車的透視圖；圖2是圖1中所示的直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子直流電動機的放大側(cè)視圖，這是從右面觀察的，特別顯示出一個金屬外轉(zhuǎn)子，多個場永久磁鐵和電樞，其右蓋和電樞繞組已被除去；圖3是圖2中所示的金屬外轉(zhuǎn)子的放大左側(cè)視圖，特別顯示出一些霍爾元件，其部分已被除去；圖4是圖3中所示的金屬外轉(zhuǎn)子的放大右視圖，特別顯示出三個以120°度的同樣間隔設(shè)置在外轉(zhuǎn)子蓋的周邊邊緣部份附近的掣子；圖5是直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子直流電動機的放大直立截面圖，顯示出一條制動帶與一個制動鼓的外周面相接合；圖6是圖5中所示的直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子直流電動機的放大直立截面局部視圖，顯示出一條制動帶與一個制動鼓的外周邊面分開；圖7是本發(fā)明直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子直流電動機的驅(qū)動系統(tǒng)的流程圖；和圖8是一幅曲線圖顯示本發(fā)明直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子直流電動機的效率。
參看圖1，圖中顯示一輛自行車10，其中一個直流電動機F可以裝在前輪12的輪轂芯軸12a上，或者也可以裝在后輪14的輪轂芯軸14a上，因而形成一個用于機械驅(qū)動系統(tǒng)的機械驅(qū)動單元A的曲柄機構(gòu)20。
圖1顯示的例子中直流電動機F是裝在后輪14的輪轂芯軸14a上的。
具有一個曲柄踏板20c的曲柄20b設(shè)置在一根曲柄芯軸20a上，一條咬合在一個鏈輪20e上的鏈子20d也咬合在后輪14的輪轂芯軸14a的鏈輪30d上，因此曲柄踏板20c的轉(zhuǎn)動由曲柄芯軸20a和鏈子20d轉(zhuǎn)送給后輪14的輪轂芯軸14a上以便形成一個棘輪15。
在圖5，6中，自行車10的直接驅(qū)動無電刷直流電動機F的一個金屬外轉(zhuǎn)子30能轉(zhuǎn)動地被設(shè)置在一個成為主芯軸的輪轂芯軸14a上。
更為具體地說，輪轂芯軸14a的兩端連成一體地設(shè)置在后叉10a和10a的兩個端頭部份上，而金屬外轉(zhuǎn)子30由多個滾柱軸承32可轉(zhuǎn)動地設(shè)置在輪轂芯軸14a上。
一個圓周凸緣30e突出地和連成一體地形成在一個蓋30d的中央開口處，該蓋30d固定在金屬外轉(zhuǎn)子30的右側(cè)部分上。
棘輪15設(shè)置在輪轂芯軸14a處靠近凸緣30e，曲柄芯軸20a的鏈子20d咬合在棘輪15上將曲柄踏板20c的轉(zhuǎn)動傳送給棘輪15。
另一個蓋30d’連成一體地設(shè)置在金屬外轉(zhuǎn)子30的左圓周凸緣30e’上，而一條制動帶64a能滑動地安裝在一個制動鼓30f的外圓周表面上。
多個電樞42安裝在設(shè)置在輪轂芯軸14a處的內(nèi)環(huán)38內(nèi)，每個電樞具有一個包括一個線圈42的電樞繞組40。
如特別顯示在圖5中，一個線路開口14b被設(shè)置以容許引出電樞繞組40的線圈44的一個導線44a的內(nèi)部線路。
如圖5中所示，多個場永久磁鐵46連成一體地以一定的間隔安裝在金屬外轉(zhuǎn)子30的內(nèi)周邊30a內(nèi)，每個永久磁鐵由釹稀土金屬制成并具高度有效的矯頑磁力；場永久磁鐵45的場磁極數(shù)與電樞40的齒數(shù)的比率分別是12比36，多個霍爾元件48(每個霍爾元件具有一個給定的旋轉(zhuǎn)相角)安裝在場永久磁鐵46和電樞繞組40之間一個側(cè)面部分中所形成的空間內(nèi)以便位于與場永久磁鐵46和電樞繞組40一樣的近從而使旋轉(zhuǎn)相角θ可以在徑向和圓周方向上予以調(diào)整；在附圖中，標號70和72分別表示一根輻條和一個輪胎。
如圖3中所示，霍爾元件48是如此地相對于金屬外轉(zhuǎn)子30安置的，從而獲得最佳的霍爾效應，因而使空載電流最小，降低了消耗和產(chǎn)生了一個高效率和高輸出旋轉(zhuǎn)力矩。
一個用于探測在與踏板20c相關(guān)連的直流電動機F一側(cè)的掣子的動作的鄰近傳感器B是具有這樣的構(gòu)造的，即三個掣子24a，24b和24c是以120度的相同間隔突出地安裝在右蓋30d的圓周邊緣部份上，而一個傳感器26被設(shè)置在后叉10a的里面部份上以便位于三個掣子24a，24b和24c的相應部份上，因而鄰近傳感器B可以探測出自行車10的向前轉(zhuǎn)動和開始行駛，而掣子24a，24b和24c的通過可以為傳感器B所探測出來。
當曲柄踏板20c向前轉(zhuǎn)動時，鄰近傳感器26可以探測出至少兩組掣子，例如，掣子24a-24b，24b-24c或24c-24a中任一組的向前轉(zhuǎn)動和開始，以便發(fā)出一個向前轉(zhuǎn)動信號和一個開始信號給一個驅(qū)動電路D，這將在下文中說明。
當曲柄踏板20c以反方向轉(zhuǎn)動時，直接驅(qū)動直流電動機F就不會起動以維持安全。
連接到直流蓄電池C上的控制電路D位于內(nèi)環(huán)38的內(nèi)部空間38a內(nèi)，它具有控制直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子直流電動機F的起動/停止和向前/回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動的各種不同功能。
一個用于驅(qū)動直流電動機F的驅(qū)動電路E具有一個這樣的變換器構(gòu)造，即用于一個低頻率高電流的一個低頻率大電流(P通道MOS型和N通道MOS型)的三組功率MOS FET(金屬-氧化物-半導體場效應晶體管)單元件是三相交流電輸出(總共六個元件)，這是一個三相開關(guān)變換器。
控制電路D包括產(chǎn)生換向信號的裝置H，探測位置信號的裝置I，其是一種霍爾元件的位置探測雙極式線性集成電路，和探測旋轉(zhuǎn)控制信號的探測裝置J。
直流蓄電池12V-24VC安裝在自行車10的主架16上并連接到驅(qū)動電路E上，驅(qū)動電路E包括一組用于低頻率大電流開關(guān)變換器的功率MOSFET，直接驅(qū)動外轉(zhuǎn)子無電刷直流電動機F連接在驅(qū)動電路E上，而一個包括一個高速高效二極管(HED)的保護電路G連接在驅(qū)動電路E和無刷直流電動機F之間的中間部份上。
一個把手傳感器A將參照圖1，5和6中所示的例子予以說明。一條制動線64的一個端頭部份連接在把手60的閘桿62上，制動線64的另一端頭穿過一個制動蓋66的一個開孔(未顯示)進入制動蓋66內(nèi)，一個掣子64b設(shè)置在靠近一個端頭部份處，端頭部份由一個L形閘桿66a所支承，一條設(shè)置在制動線64的一個端頭部份上的制動帶64a由L形閘桿66a操動可以垂直地滑動，以便靠近面對著一個安裝在制動蓋66內(nèi)壁上的制動傳感器68。
制動傳動器68的一個導線68a被安置在一個非接觸的控制系統(tǒng)L中，它的一個輸出安置在一個旋轉(zhuǎn)控制電路J中。
當被強烈地拉動時(如圖5中所示)，制動帶62被導致與制動鼓30f的周邊相接觸(如圖6中所示)，而在此同時，制動傳感器68和掣子64b被導致相互面對著以便制動。
相應地，制動傳感器68被開著，非接觸控制系統(tǒng)L和旋轉(zhuǎn)控制電路J被關(guān)上，而驅(qū)動邏輯電路H的換向信號被關(guān)上以控制驅(qū)動電路E的功能并且還可使驅(qū)動電路E和無電刷直流電動機F停止轉(zhuǎn)動。
參看圖7，圖中顯示無電刷直流電動機F的一個驅(qū)動系統(tǒng)的流程圖，一組霍爾元件K(48)被安裝在其上位于與無電刷直流動機F的場永久磁鐵46和電樞42一櫬地近，而霍爾元件K(48)的導線連接在探測裝置上以便探測位置信號。
在描述的直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子直流電動機F包括一個金屬外轉(zhuǎn)子30，多個場永久磁鐵46，每個由釹稀土金屬制成的并具有高效率矯頑磁力的永久磁鐵在金屬外轉(zhuǎn)子30的內(nèi)周邊30a內(nèi)以一定的間隔連成一體地安裝在內(nèi)，該直流電動機F還包括一個驅(qū)動電路E。它包括一組用于低頻率大電流開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)的功率MOS FET，因而用于一個低頻高電流的一個低頻率大電流(P通道MOS型和N通道MOS型的)三組功率MOS FET(金屬-氧化物-半導體場效應晶體管)的單個元件是三相交流電輸出(總共六個元件)，其是一個三相開關(guān)變換器。
電流，直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子直流電動機F和由直流電動機F所獲得的力矩之間的關(guān)系顯示在圖8中。
應當知道，橫坐標的軸線顯示電流而豎坐標的軸線顯示，由■表示的直流電動機的旋轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)和由□表示的力矩(kgf/cm)。
它的特征顯示出電流與力矩之間的關(guān)系和電流與旋轉(zhuǎn)數(shù)之間的關(guān)系。
一個輸入電壓被維持在24V(DC)的確定度數(shù)，一個稍大于5.7A的電流和大約稍大于130W的輸出功率，而其效率比為71％。
如前文所述，普通自行車可以很容易地通過替換一個配備有這種直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機F的前輪或后輪和其驅(qū)動裝置而無需對普通自行車的任何部份進行改型就可將其改變成一輛直流電動機驅(qū)動的自行車。
沒有變速齒輪的直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機F是薄結(jié)構(gòu)的，因而它可以被裝在前輪12的輪轂芯軸12a上或后輪14的輪轂芯軸14a上，控制電路D和驅(qū)動電路E可以由把手閘桿62所驅(qū)動，設(shè)置在直流電動機F一個側(cè)面部份上的至少兩組三個掣子24a，24b和24c的旋轉(zhuǎn)通過和起動可以根據(jù)與人力驅(qū)動的曲柄踏板20c連成一體的鏈輪20e的向前轉(zhuǎn)動被探側(cè)出來，以便驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機F。
把手60的閘桿62被強烈地抓握以便拉下在制動線64一個端頭部份處的掣子64b并使制動帶64a與制動鼓30f的外周邊面相咬合以便剎車，和于此同時探測朝對著制動傳感器68的掣子64b，因而起動制動傳感器68，然后關(guān)上控制電路D(剎車)，停止直接驅(qū)動直流電動機F的轉(zhuǎn)動和使自行車停止。
配備有這種無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機F并具有一個人力驅(qū)動系統(tǒng)和一個電動機驅(qū)動系統(tǒng)的自行車具有下列效果。
(1)無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機F是薄結(jié)構(gòu)的因而能直接裝到輪轂芯軸12a或14a上并具有較好的制動力以維護安全。
(2)無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機F是以低頻率的低速轉(zhuǎn)動來驅(qū)動的從而獲得一個高的輸出力矩和高效率。
(3)能源消耗量小而經(jīng)濟，直流蓄電池一次充電后，自行車能行駛很長的距離。
(4)當曲柄踏板20c在起動時旋轉(zhuǎn)120度時，一個起動和起動方向就確定了。換句話說，當曲柄踏板20c旋轉(zhuǎn)120度以打開鄰近傳感器時，就能維持安全，而騎者就能以舒適安逸的位置駕駛自行車。
(5)在平整的道路上，這種自行車的行駛速度是15km/h，當與人力驅(qū)動相結(jié)合時，甚至在上下坡時也能舒適地行駛。
(6)這種自行車無噪音也不會引起污染，而且非常經(jīng)濟。
(7)用于一個低頻率大電流開關(guān)變換器的多個功率MOS FET元件包括兩組安裝成一套，每一組包括三個功率MOS FET單獨元件，該元件用于一個低頻率大電流轉(zhuǎn)換(三P通道MOS型和三N通道MOS型)(總共六個元件)以轉(zhuǎn)換一個低頻率大電流，它是一個三相開關(guān)變換器，和以一對芯片的情況安裝和接線。因此，連接步驟可以大大地減少。
權(quán)利要求
1.一種配備有人力驅(qū)動裝置和電力驅(qū)動裝置的自行車，它包括一個裝在前輪或后輪的輪轂芯軸上的直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機；一個金屬外轉(zhuǎn)子；多個場永久磁鐵，每一個磁鐵具有高的矯頑磁力并被設(shè)置在所述金屬外轉(zhuǎn)子的內(nèi)周邊上；多個設(shè)置在所述場永久磁鐵內(nèi)側(cè)的電樞朝對著每一個N極永久磁鐵和每一個S極永久磁鐵，而所述每一個永久磁鐵具有一個繞在所述每一個電樞上的繞組；多個霍爾元件設(shè)置在一個場轉(zhuǎn)子的所述電樞之間的空間內(nèi)以便位于與所述場永久磁鐵一樣近，它的旋轉(zhuǎn)場磁通量可以在徑向和圓周方向上予以調(diào)整，并且具有一個給定的旋轉(zhuǎn)相角；一個驅(qū)動電路，其產(chǎn)生一個用于所述電樞繞組的電流，所述電流從一組功率MOS FET元件被轉(zhuǎn)換為一個低頻、高電流；一個產(chǎn)生傳送信號裝置用以控制一個在所述驅(qū)動電路的柵源極間的電壓產(chǎn)生一個用于所述電樞繞組的電流；和一個產(chǎn)生磁電轉(zhuǎn)換信號的裝置；其特征在于所述外轉(zhuǎn)子的電樞的場極數(shù)和齒數(shù)分別是12比36，而直流電動機是薄結(jié)構(gòu)的以便裝在自行車前輪或后輪的輪轂芯軸上和在低頻，高效率和低荷載情況下獲得一個大的力矩。
2.如權(quán)利要求1中所述的自行車，其特征在于所述直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機的所述具有高矯頑磁力并設(shè)置在所述金屬外轉(zhuǎn)子的內(nèi)周邊上的場永久磁鐵是由稀土金屬制成，而所述用于低頻率高電流的功率MOS FET元件和一組每一個都具有一個高速度和高效率比率的二極管(HED)是在一對芯片情況下安裝和接線的。
全文摘要
一種配備有人力和電力驅(qū)動裝置的自行車,自行車包括一裝在前或后輪的輪轂芯軸上的直接驅(qū)動無電刷外轉(zhuǎn)子三相直流電動機;一裝在制動蓋上并由傳感器操動的制動裝置;多個間隔設(shè)置在電動機側(cè)面的探測掣子;一設(shè)置在后叉上的探測裝置探測至少兩個掣子的起動和轉(zhuǎn)動;一根據(jù)掣子旋轉(zhuǎn)通過和起動信號驅(qū)動電動機的裝置;電動機可以容易地停止,并可以低頻率、高效率和低荷載獲得高輸出力矩。
文檔編號B62J6/00GK1327929SQ01120839
公開日2001年12月26日 申請日期2001年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月20日
發(fā)明者大西義弘 申請人:大西義弘, 有限會社香耀能源開發(fā)