TWI878895B

TWI878895B - 輪轂馬達

Info

Publication number: TWI878895B
Application number: TW112118700A
Authority: TW
Inventors: 陳峻偉; 高常鈞
Original assignee: 天心工業股份有限公司
Priority date: 2023-05-19
Filing date: 2023-05-19
Publication date: 2025-04-01
Also published as: US20240383568A1; TW202448086A; US12491965B2

Abstract

一種輪轂馬達，適於安裝於自行車，包括：心軸、定子、轉子、外殼、套筒以及扭矩感測器。輪轂馬達透過心軸固定於自行車的車架，定子固定於心軸上，並包括電磁鐵。轉子可轉動地套設於心軸上，適於繞著定子旋轉。外殼可轉動地套設於心軸上，適於繞著轉子及心軸旋轉，外殼形成有容置空間、第一穿孔、開口及側蓋，側蓋具有第二穿孔，心軸分別經由第一穿孔與第二穿孔穿設於外殼及側蓋。套筒套設於心軸並連接至側蓋。套筒具有設置部，設置部位於套筒遠離心軸的一側表面。扭矩感測器連接套筒，並具有感測單元，感測單元設置於設置部。

Description

輪轂馬達

本發明關於一種輪轂馬達，尤指一種安裝於自行車上的輪轂馬達。

自行車為一種具有百年以上的歷史的人力驅動載具。近來，為了輔助騎乘者，部分自行車上會裝有輪轂馬達以作為推進的輔助動力。輪轂馬達(Hub motor)為一種透過內部機構驅動外殼旋轉的馬達，能安裝於自行車的前輪或後輪上，以作為自行車的輔助動力帶動自行車的前輪或後輪轉動。

作為輔助動力，目前許多自行車的輪轂馬達會透過搭配連動於自行車的傳動組件的扭矩感測器使用，一旦扭矩感測器感測到騎乘者輸入的扭矩大於一定數值時，輪轂馬達就會啟動。其中，由於使用環境較為複雜，如何精確的感測到騎乘者輸入的扭矩，實為一種挑戰。

本發明提供一種輪轂馬達，具有良好的感測性能。

為達上述優點，本發明一實施例提供一種輪轂馬達，適於安裝於一自行車，包括：心軸、定子、轉子、外殼、套筒以及扭矩感測器。心軸固定於自行車的車架，並具有第一端及相對的第二端。定子固定於心軸上，並靠近第一端，定子包括電磁鐵。轉子，可轉動地套設於心軸上，適於繞著定子旋轉。外殼可轉動地套設於心軸上，適於繞著轉子及心軸旋轉，外殼形成有容置空間、第一穿孔、開口及側蓋，側蓋係用以封閉開口且設置有第二穿孔，容置空間容納定子及轉子，開口朝向第二端，心軸分別經由第一穿孔與第二穿孔穿設於外殼及側蓋。套筒套設於心軸的第二端並連接至側蓋，套筒具有設置部，設置部位於套筒遠離心軸的一側表面。扭矩感測器連接套筒，並具有感測單元，感測單元設置於設置部。

在一實施例中，上述之感測單元距離心軸的軸心具有間隔，間隔介於8.15mm~12.6mm之間。

在一實施例中，上述之輪轂馬達，更包括外筒，套設於套筒上並覆蓋設置部及扭矩感測器。

在一實施例中，上述之套筒與外筒共同形成內接棘輪機構。

在一實施例中，上述之外筒適於卡合自行車的變速齒輪組。

在一實施例中，上述之感測單元為應變規，應變規的感測方向沿著套筒的周方向設置。

在一實施例中，上述之輪轂馬達，更包含供電機構，電連接扭矩感測器，並包含第一線圈及第二線圈，第一線圈電連接電源並固定於心軸上，第二線圈固定於套筒上並平行於第一線圈，且適於相對於第一線圈轉動，扭矩感測器電連接第二線圈而透過第一線圈及第二線圈電連接電源。

藉以上說明，本發明輪轂馬達，因為將扭矩感測器的感測單元安裝在套筒的遠離心軸的一側表面上，因此能透過套筒遮擋進入心軸與套筒之間縫隙的水或髒汙，防止扭矩感測器的感測單元受到影響，因此具有良好的感測性能。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，詳細說明如下。

1:輪轂馬達

2:心軸

21:中軸件

22:連接件

221:中心柱

221a:溝道

222:定位盤

2A:第一端

2B:第二端

3:定子

31:電磁鐵

32:控制單元

4:轉子

5:外殼

501:孔洞

5A:本體

502:開口

503:第一穿孔

5B:側蓋

504:第二穿孔

505:第四穿孔

51a、51b、51c、51d:滾動軸承

6:棘輪座

61:套筒

61A:第一段

61B:第二段

61C:第三段

61D:第四段

61E:第五段

611:滑動蓋

611a:第一基板

611b:供電線

611c:第二基板

612a:第一盤體

612b:第二盤體

612c:第三盤體

613:第三穿孔

614:第一收納槽

615:設置部

616:第二收納槽

616a:開口

616b:套環

617:第三收納槽

617a:溝

618:撥片

618a:定位端

618b:推抵端

619:第四收納槽

62:外筒

621:肋條

622:內接棘輪

7:扭矩感測器

71:感測單元

72:第三基板

73:第四基板

8:電源線

9:行星齒輪組

91:中心齒輪

92:傳動組件

93:齒環

S1:容置空間

S2:腔體

D1:延伸方向

D2:徑向方向

D3:周方向

D4:重力方向

d:間隔

A:軸心

P:供電機構

圖1A為本發明一實施例的輪轂馬達的爆炸示意圖；圖1B為圖1A中輪轂馬達另一角度的爆炸示意圖；圖2為圖1A中輪轂馬達的剖面示意圖；圖3為圖2中套筒的立體示意圖；圖4為圖2中扭矩感測器的安裝處的剖面示意圖；圖5為圖2中套筒的內接棘輪機構所在處的剖面示意圖。

於以下文章中，對於依據本發明的實施例的描述中所使用的用語，例如：「上」、「下」等指示的方位或位置關係的描述，是依據所用的圖式中所示的方位或位置關係來進行描述，上述用語僅是為了方便描述本發明，並非是對本發明進行限制，即非指示或暗示提到的元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。

圖1A為本發明一實施例的輪轂馬達的爆炸示意圖。圖1B為圖1A中輪轂馬達另一角度的爆炸示意圖。圖2為圖1A中輪轂馬達的剖面示意圖。如圖1A至圖2所示，本實施例的輪轂馬達1，適於安裝於自行車(圖未示)。輪轂馬達1包括：心軸2、定子3、轉子4、外殼5、套筒61及扭矩感測器7。心軸2固定於自行車的車架(圖未示)，並於延伸方向D1上具有第一端2A及相對的第二端2B(見圖)。定子3固定於心軸2上，並靠近第一端2A，定子3包括電磁鐵31。轉子4可轉動地套設於心軸2上，適於繞著定子3旋轉。外殼5可轉動地套設於心軸2上，適於繞著轉子4及心軸2旋轉。外殼5形成有容置空間S1、開口502、第一穿孔503及側蓋5B。側蓋5B用以封閉開口502且設置有第二穿孔504。容置空間S1容納定子3及轉子4，開口502朝向第二端2B，心軸2分別經由第一穿孔503及第二穿孔504穿設於外殼5及側蓋5B。套筒61套設於心軸2的第二端2B並連接至側蓋5B，套筒61具有設置部615，設置部615位於套筒61遠離心軸2的一側表面。扭矩感測器7連接套筒61。扭矩感測器7具有感測單元71。感測單元71設置於設置部615。藉此，輪轂馬達1例如是在扭矩感測器7感應到的扭矩大於預設數值後才啟動，以作為自行車的輔助動力使用。

在本實施例中，輪轂馬達1例如是安裝於自行車的後輪(圖未示)，心軸2例如是固定於自行車的車架。外殼5例如包括本體5A及側蓋5B，容置空間S1位於本體5A內，第一穿孔503及開口502分別位於本體5A靠近第一端2A的一側及靠近第二端2B的一側。本體5A的外表面上具有多個孔洞501，孔洞501適於連接多個輻條(Spoke)而間接連接於自行車的後輪的輪框(圖未示)上，以於本體5旋轉時帶動後輪旋轉。但輪轂馬達1的安裝位置不以後輪為限。

如圖1A至圖2所示，在本實施例中，定子3例如是包含電磁鐵組件31(多個電磁鐵的組合)。電磁鐵組件31固定於心軸2上，並藉由來自電源線8所提供的電流來產生磁場，使例如是包括有磁鐵的轉子4相對於定子3進行轉動，然後再透過轉子4及行星齒輪組9帶動整個外殼5進行旋轉。

輪轂馬達1例如是透過控制單元32控制經電源線8進入電磁鐵組件31的電流大小，以透過改變電磁鐵組件31產生的磁場大小控制外殼5的轉速。控制單元32的位置沒有限制，例如在本實施例中，如圖1A及圖2所示控制單元32設置於電磁鐵組件31的一側，在圖未示的另一實施例中控制單元32是設置於輪轂馬達1外。

如圖1A至圖2所示，在本實施例中，行星齒輪組9例如是包含中心齒輪91、傳動組件92以及齒環93。中心齒輪91例如是連接於轉子4，適於隨轉子 4轉動而繞著心軸2轉動。傳動組件92連接於中心齒輪91及齒環93之間。齒環93例如是緊密卡合於本體5A上，並位於容置空間S1的一側而靠近開口502(及側蓋5B)。藉此，當轉子4旋轉時能透過行星齒輪組9帶動外殼5旋轉。

如圖1A至圖2所示，在本實施例中，心軸2例如包含中軸件21及連接件22，連接件22靠近第一端2A。連接件22具有中心柱221(見圖1A及圖2)以及定位盤222(見圖2)，定位盤222位於中心柱221靠近心軸2的第二端2B的一端，適於與定子3連接，中心柱221適於固定於心軸2上，中心柱221遠離定位盤222的一端在組接時由第一穿孔503穿出本體5A而連接車架，並形成有供電源線8由第一穿孔503進入容置空間S1內的溝道221a。其中，中心柱221上套設有滾動軸承51a，滾動軸承51a適於與第一穿孔503的孔壁面接觸，使本體5A可轉動的套設於中心柱221(心軸2)上。心軸2的詳細構造不以此為限。

如圖1A至圖2所示，在本實施例中，輪轂馬達1例如更包含外筒62。外筒62及套筒61共同構成輪轂馬達1的棘輪座6。外筒62可轉動的套設於套筒61上並覆蓋套筒61的外徑面。外筒62的外徑面形成有多個肋條621，適於卡合自行車的變速齒輪組的齒盤(圖未示)。外筒62的內徑面具有內接棘輪622(見圖1A)。外筒62適於與裝設於套筒61及外筒62之間的撥片618以及套筒61三者共同構成內接棘輪機構(詳細後述)。

圖3為圖2中套筒的立體示意圖。圖4為圖2中扭矩感測器的安裝處的剖面示意圖。如圖4所示，套筒61例如沿著延伸方向D1由第一端2A到第二端2B依序包括第一段61A、第二段61B、第三段61C、第四段61D及第五段61E。

如圖1A、圖3及圖4所示，套筒61的第一段61A可轉動的組接有滑動蓋611。滑動蓋611固定於心軸2上，並可繞著套筒61的周方向D3相對於套筒61進行旋轉，換句話說，當外殼5旋轉時，滑動蓋611並不會隨套筒61一同旋轉。滑動蓋611與套筒61之間形成腔體S2。腔體S2內設有供電機構P。供電機構電連接扭矩感測器7，適於提供扭矩感測器7所需的電流。

具體而言，如圖3及圖4所示，在本實施例中供電機構P例如包括：第一基板611a及第二基板611c。第一基板611a固定於滑動蓋611上，具有第一線圈(圖未示)及電連接第一線圈的供電線611b(見圖3)。供電線611b穿設於滑動蓋611上，適於與外部電源(圖未示)連接。第二基板611c固定於套筒61上而可相對於第一基板611a轉動，並與第一基板611a間隔。第二基板611c具有第二線圈(圖未示)。當外部電源供應電流時，供電機構P可以透過第一線圈及第二線圈產生感應電流以提供給扭矩感測器7。上述說明僅是舉例，供電機構P的具體設計並不以上述說明為限。

如圖2、圖3及圖4所示，第二段61B適於與側蓋5B連接，套筒61的第二段61B的外徑面上突出有第一盤體612a、第二盤體612b及第三盤體612c。具體而言，第一盤體612a、第二盤體612b及第三盤體612c皆由套筒61的外徑面沿著徑向方向ID2延伸，且第一盤體612a、第二盤體612b及第三盤體612c的外徑依序縮小。其中，第一盤體612a的外徑大於側蓋5B上的第二穿孔504的直徑。第二盤體612b的外徑對應第二穿孔504的直徑。第三盤體612c的外徑對應外筒62靠近第一端2A(見圖2)一側的內徑。

如圖2及圖3所示，第一盤體612a的盤面例如設有多個朝向延伸方向D1延伸的第三穿孔613，側蓋5B上例如是設有多個第四穿孔505，這些第四穿孔505圍繞第二穿孔504，且第四穿孔505的數量及位置對應第三穿孔613的數量及位置。組合時，第三穿孔613及第四穿孔505透過圖未示的多個螺絲彼此對位，並使套筒61固接於側蓋5B上。如圖2及圖4所示，當套筒61與側蓋5B連接時，第一盤體612a位於容置空間S1內。第二盤體612b在組合時覆蓋於第二穿孔504。外筒62套設於第三盤體612c上。在本實施例中，由於外筒62例如是受到滾動軸承 51c及滾動軸承51d支撐(詳細後述)，因此套筒62並不接觸第三盤體612c，但詳細連接關係不以此為限。

如圖2及圖4所示，套筒61於第二段61B的內徑面形成有第一收納槽614，第一收納槽614用於收納滾動軸承51b，滾動軸承51b例如為徑向軸承，但不以此為限。套筒61透過滾動軸承51b支撐於心軸2上。由圖2可知，此滾動軸承51b在延伸方向D1上的位置對應側蓋5B的位置。換句話說，此滾動軸承51b不只支撐套筒61於心軸2上，亦間接地支撐側蓋5B(或可說是外殼5)於心軸2上。

如圖3及圖4所示，在本實施例中，套筒61的設置部615例如是位於第三段61C的外徑面且沿著套筒61的徑向方向D2凹陷的環凹槽。設置部615適於容納扭矩感測器7的感測單元71及電連接感測單元71的第三基板72。如圖4所示，當套筒61與外筒62組合時，外筒62覆蓋設置部615，且第二段61B及第四段61D的外徑面與心軸2的距離大於第三段61C的外徑面與心軸2的距離。換句話說，感測單元71能受到套筒61及外筒62圍繞不容易受到外界環境干擾，提升扭矩感測器7的量測精度。

如圖3及圖4所示，在本實施例中，感測單元71例如是兩片矩形的應變規(由於視角關係，僅繪製一片應變規)，應變規連接於設置部615的表面，且在設置時，應變規的感測方向為感測套筒61沿著周方向D3的變化，其中，在套筒61的周方向D3上，兩應變規例如是對稱於套筒61的軸心A進行設置，且如圖3所示，兩應變規例如是相對於重力方向D4而傾斜地設於135度及315度的位置，但不以此為限。第三基板72例如對應設置部615的形狀，而呈現半環型，且沿著套筒61周方向D3上的兩端分別連接兩應變規(以感測單元71表示)，第三基板72的詳細形狀可以依據需求變更。如圖4所示，感測單元71距離心軸2的軸心A具有間隔d，間隔d例如是介於8.15mm~12.6mm之間，但不以此為限。

請參考圖4所示，套筒61於第三段61C的內徑面形成有第二收納槽616。第二收納槽616由套筒61的內部連通腔體S2，第二收納槽616適於收納電連接第三基板72的第四基板73。具體而言，套筒61於第三段61C上開設有沿著徑向方向D2連通設置部615及第二收納槽616的通道(圖未示)。藉此，扭矩感測器7的第三基板72可以通過通道與第二收納槽616內的第四基板73連接，換句話說，增加了扭矩感測器7的基板的大小(在本實施例中為第三基板72及第四機板73的總和)。此外，在本實施例中，套筒61還具有套環616b，套環616b適於覆蓋於第二收納槽616靠近心軸2的一側開口616a上，套環616b的內徑對應第四段61D及第五段61E的內徑，套環616b用於保護第四基板73。

圖5為圖2中套筒的內接棘輪機構所在處的剖面示意圖。如圖3及圖5所示，套筒61的第四段61D例如具有沿著徑向方向D2圍繞著套筒61外徑面的三個第三收納槽617。每個第三收納槽617用於收納一個撥片618，撥片618具有定位端618a及推抵端618b，定位端618a可擺動的設置於第三收納槽617內，推抵端618b例如受到圖未示的彈性件作用而沿著套筒61的徑向方向D2而突出於第三收納槽617外，並可接觸到外筒62內徑面上的內接棘輪622，且套筒61的第四段61D還設有沿著套筒61的周方向D3延伸而通過這些第三收納槽617的溝617a，但第四段61D各元件的詳細構造並不以此為限。

套筒61、撥片618與外筒62共同結合成內接棘輪結構。套筒61透過撥片618及外筒62上的內接棘輪622之間作用，使得外筒62與套筒61之間可以沿著心軸2的周方向D3，於其中之一的方向上不能夠進行相對轉動，並於相反的方向上能夠相對轉動。藉此，自行車的使用者可以透過踩動自行車的踏板(圖未示)然後透過鏈條(圖未示)以及齒盤間接帶動套筒61於一方向上進行轉動，進而帶動輪轂馬達1的外殼5旋轉。且當輪轂馬達1內部的定子3通電且使得外殼5的旋轉速度超過使用者帶動外殼5旋轉的轉速時，套筒61可以透過內接棘輪622及撥片618的作用使外筒62及套筒61之間獨立旋轉。

由以上可知，設有感測單元71的第三段61C位於連接於外殼5的第二段61B以及連接於外筒62的第四段61D之間，因此當套筒61的沿著延伸方向D1的兩端分別受到來自第二段61B及第四段61D的外力影響時，感測單元71(應變規)可以沿著周方向D3改變形狀，以感測使用者輸入的扭矩。

請參考圖2至圖4所示，於第五段61E上，套筒61的外徑面設有第四收納槽619，第四收納槽619的開口方向朝向外筒62，第四收納槽619適於收納滾動軸承51c。組合時，此滾動軸承51c接觸外筒62的內壁面，換句話說，套筒61透過第五段61E間接支撐外筒62。

請參考圖4所示，在本實施例中，外筒62除了受到前述段落所述的滾動軸承51c支撐於套筒61上外，還受到安裝於外筒62及心軸2之間的滾動軸承51d支撐(詳細後述)，滾動軸承51c及滾動軸承51d例如為徑向軸承，但不以此為限。

請參考圖2及圖4所示，藉由以上設置，在本實施例中，由於感測單元71貼附於套筒61的外徑面且受到外筒62覆蓋，因此相較於將感測單元71設置在第二收納槽616內，本實施例的感測單元71距離心軸2的旋轉軸會具有較遠的半徑距離(詳見圖4中間隔d)，而具有較高的感測精度，且其周圍受到外筒62及套筒61的壁面保護，可以避免環境的影響。更詳細的說，若有細小灰塵在運作的過程中跑進心軸2與套筒61之間的縫隙，由於感測單元71是位於套筒61的外徑面上，因此受到套筒61的壁面保護能避免灰塵影響到感測單元71。此外，由圖4可知，由於設有滾動軸承51c及滾動軸承51d在延伸方向D1上覆蓋了在套筒61外徑面與外筒62內徑面之間的縫隙處，因此也能避免灰塵由此處進入而影響到感測單元71。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。