具有包含于车轮内的电动机和供电装置的电动车辆的制作方法

专利名称：具有包含于车轮内的电动机和供电装置的电动车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动车辆，特别是涉及驱动电动机元件、控制电路和供电装置容纳于一个或多个车轮中的车辆。
背景技术：
上述Pyntikov等人和Maslov等人的申请记载了高效电池驱动的电动机驱动器的发展，这些驱动器可以便利地用于车辆和其它环境。本申请力求在较宽的速度范围下实现平滑的运行，同时以最小的功率损耗维持较高的扭矩输出能力。通过精确地改变脉冲宽度、占空比以及电池电源的切换设置，作用于电动机绕组的脉冲激励的电子控制为电动机性能提供了较宽的功能多样性和灵活性管理。
尽管电子元件的复杂度可以是多种多样的，然而已经认识到，需要一种电动机结构构造，其中提供这种操作的控制元件是独立自给的。这种构造应并不以牺牲电动机给定组成部分内的电动机通量发生结构的性能为前提。上述Pyntikov等人和Maslov等人的申请提出了一些结构，其中定子由多个独立的供电模块和相应的芯段组成，每个模块都包括由一体地结合于定子内的电源所供给的电控制和驱动元件。这种并联结构为每个模块提供了相对独立的控制功能。每个模块的性能可以在正常运行过程中在工作位置独立地进行测量，或者通过运行更广泛的软件控制诊断程序来测量。基于测试结果，模块能够被自动重新校准、断开或标记以便修理或更换。通过组合这些独立的模块的性能而确定的整体电机性能能够与原有技术指标进行比较，以分析各种修理方案，从而做出最少的必要改动。
在便携性和尺寸是重要参数的环境下，例如自行车、三轮车、摩托车等，车辆电动机驱动器应当有利地使各种结构部件容易被接触到，以便于在最小的不便下更换部件。较小的车辆还力求要有另外的性能，即将可能会很复杂的电动机控制器、电动机结构和一个或多个供电装置一体地结合到有限的可用空间内。例如，电源必须设置得具有足够的容量以实现例如上述的车辆驱动器令人满意的操作，同时也满足小型车辆在空间和重量方面的严格需求。存在这样一种需求，即在车辆结构的限制内提供这种电源，而不对用户造成妨碍。

发明内容
通过提供一种电动车辆，例如具有容纳于轮室内的电动机、控制器、供电装置和充电器的自行车，本发明实现了上述需求，至少是部分地实现了上述需求。圆柱形定子框架固定于轮轴上，定子框架的内表面确定了容纳供电装置的空间。多个电磁铁定子段设置于定子框架的外表面上并围绕其分布。圆柱形转子框架通过轴承与转轴相连接。定子框架的内表面支撑多个绕该表面分布并环绕定子段的永磁体，以在永磁体间形成径向气隙。转子框架的外表面支撑通过例如自行车辐条框架的支撑结构或者直接地设置于其上的轮胎。电动机、供电装置和电动机控制电路可以全部容纳于可以容易地接触到的自行车前轮毂或者后轮毂内。对于转子和定子的结构构造和用于产生电动势的电动机控制布置的细节，请参考前面提到的专利申请。
供电装置的要求取决于例如尺寸和重量的车辆参数，以及特殊的电动机结构构造和所期望的操作性能。供电装置可以包括多个标准电池单元，例如能够根据需要而用备用电池单元容易地进行更换的D电池单元(D-cell)。这种电池单元的一个优点在于，它们可以用作可再充电电池组。通过简单的操作，这些电池能够容易地被其它可再充电电池更换，并储存起来以便以后再次使用。通过电池与车轮外部的适当连接，电池可以在工作位置进行再充电，而不必从车轮上取下。
本发明的另一个优点在于，附加的电池单元可以容纳于第二轮中的储存空间内，并通过车架所承载的电缆与第一轮内的电动机驱动器相连接。在两个轮中都提供这种通用电池拓宽了有用工作环境的范围，以包括更多的重型车辆或多乘员车辆。根据电动机的特定设计性能，所有的电池都可以以适当地并联和/或串/并联结构进行连接。
作为附加的特性，在电缆电路中可以设置有开关，以使第二轮中的电池选择地与电动机及其控制器相连接。较小的车辆可能并不需要所有电池在所有时刻都同时接入电路。在载荷较轻时，或者在第一轮包括新的或新充电的电池时，可以用开关断开与第二轮电池之间的连接，从而节约电源。在较高扭矩需求下，例如在很陡的上坡上行驶或者载有额外的乘员和/或重载时，可以将这些电池接通到电路中。这样，在第二轮中的电池包括备用的供电装置，也能在第一轮中的电池使用一段时间后显示电源损失时切换到电路中。
备用供电装置能够容纳在自行车前轮中，在不干扰后轮的情况下，能够容易地从车辆中卸下自行车前轮。由于电动机元件的增加的重量及其与自行车链条的连接，卸下后轮较为费力。能够容易地将前轮电池携带到能够对电池进行再充电或更换的较远位置。更换带有新的或新充电的供电装置的前轮可以延长车辆的使用，以使对于后轮的保养能够推迟到更方便的时间进行。
本发明的另一方面在于，所述车辆的多个车轮的每一个中设置电动机、控制器、充电器和供电装置。这种“全轮驱动”从功能上使车辆对于更好的拖动和扭矩分布的控制范围更大，并为驱动系统增加了冗余度(提高可靠性)。
通过阅读下面的详细说明书，本领域技术人员将清楚地了解本发明的其它优点，在说明书中，仅仅以实施本发明的最佳模式的方式示出和描述了本发明的优选实施例。应当认识到，本发明也能够有其它的、不同的实施例，能够出于各种不同考虑改变其多个细节而不背离本发明。因此，附图和说明书被认为是说明性而非限定性的。


本发明是以示例的方式而非限定的方式描述的，在附图中，类似的部件具有类似的附图标号，其中图1是根据本发明的自行车的示意图。
图2是图1中所示自行车车轮轮毂部分内的结构部件的分解视图。
图3是根据本发明的车轮轮毂内的电动机结构和供电电池的三维透视图。
图4是根据本发明的车轮轮毂内的电动机结构和控制器元件的三维透视图。
图5是图1和图2所示自行车的轮毂部分和其它车轮部件之间的结构关系视图。
图6是图1所示自行车的变化的示意图。
图7是图1所示自行车的另一变化的示意图。
图8是例如图7所示的自行车的示意图，其具有根据本发明的其它特性。
具体实施例方式
图1是本发明的一个示意性的例子。自行车10包括前轮12和后轮14，它们通过未示出的车轴与车架16相连接。车把18和车座20也与车架相连接，图中仅示出了一个车把。车辆的推进力可以由标准的脚踏板和与后轮相连接的链齿轮以及容纳于后轮轮毂区域22内的电动机驱动器来提供。如在下面更具体地说明的是，轮毂容纳电动机、控制器元件和供电装置。设置于车架16上的电缆24连接于轮毂与车把处的开关和节流阀(未示)之间。操作员可以通过接通开关启动电动机驱动器以通过电缆24闭合电动机、电动机控制器和电源的电路。
图2是轮毂22及其内部构件的分解视图。以括弧30示出的部件组装后与车架16成为一体，轴32直接地与车架相连接。圆柱形定子框架34与盘状件36一起确定了容纳电池38的空间，图中仅示出了一个所述盘状件。电池可以是常见的类型，例如D-cell，所述电池可以是可再充电的。盘状件40也形成了圆柱形定子框架结构的一部分，并且代表用于各种电动机相位绕组和电池的充电的电动机控制器操作的各种电路元件和电路连接、以及与电池和电缆24的连接。为更详细地解释适当的电动机控制器操作，再次参考已在前面提到的同时待审申请，这些申请通过参考结合在此。应当认为，一个或多个基板、集成电路元件、印刷电路等的提供是在现有技术范畴内的。盘状件40的示意仅是用于说明根据本发明的元件的结构关系。
多个电磁铁定子段42定位使得围绕定子框架34的外圆柱形表面分布并设置于其上。电磁铁段彼此铁磁地绝缘，并且，能够在运行中被分别地控制。定子框架34由非磁性材料形成，例如铝。定子框架44具有内圆柱表面，其上设置有永磁体转子46。衬铁环支撑多个分布的不必彼此相邻接的永磁体。盘状件48和轴承50是转子组件的一部分。
图3和图4是外盘状件48内的轮毂结构的三维示意图。组装时，定子部件形成具有相对较窄宽度的圆柱体，其外圆周由电磁铁界定。转子环绕定子，以形成定子电磁铁和转子永磁体之间的径向气隙。外盘状件48设置于圆柱形框架44上以封闭轮毂部分，并由穿过轴承50的车轴支撑。如图5所示，轮胎54可以由辐条56以现有方式安装于转子框架44上。从而，电动机转子的转动为轮胎54提供推动力。
在图1的实施例中，电池、电动机和控制元件都安装于后轮轮毂中。在图6所示的变化中，轮毂设置于前轮轮胎中。这种设置可以使用较短长度的电缆。由于同车辆的前部限定在一起，因而电缆更不容易与骑车的人或自行车的齿轮和链条装置绞在一起。另外，这样做的另一个方便之处在于，在更换电池、再充电或者电动机和/或控制器需要保养时，更易于从车辆上卸下前轮(或将其组装到车辆上)。
图7中描述了本发明的另一变化例。图7的车辆与图1的不同之处在于，在前轮中也设置有另外的轮毂室。前轮内的部件可以与在上面参考图3所说明的后轮轮毂中的部件类似。由车辆框架支撑的电缆24具有在两轮毂之间的电连接和车把18处的一个或多个开关。开关60位于轮毂之间的导线上。操作者可以通过选择开关位置来起动前后轮内的电动机推进(全轮驱动)，或者起动用于前轮或后轮驱动的电动机推进。这一功能能够通过开关60与车把处的开关和节流阀之间的协同工作而实现。本领域技术人员能够提供适当的开关和导线连接。仅以示例的方式来说，车把开关可以为多路开关而开关60可以为单极开关。人力踏板推进可以作为备用手段。链条可以在电动机运行时从后轮毂脱开。
作为图7的上述设置的可选变化例，前轮毂或轮毂中的一个容纳备用电池和再充电电路，而不包括电动机和电动机控制器元件。在备用供电电池之间的电连接布置得使闭合开关60时电动机轮毂中的电池可以形成并联连接。因而在电动机轮毂内的电池具有降低了的负荷或在加有较高的载荷条件时可以有较高的供电能力。其它的能源与高效电机运行结合使得车辆在电池更换或再充电之间的间隔可以运行较长距离。
作为本发明的另一特性，适当的导线能够设置于车轮轮毂中，以用于将电池与轮毂外侧用于连接充电器的接线端子相连接。这一特性有利于避免在更换电池时拆卸车轮和轮毂。图8示意性地说明了外接线盒62a和62b，它们分别地固定于邻近于后轮和前轮的自行车架上。接线盒包括适当的接线端子结构，以与任何通用电池充电装置相配合。在轮毂内的电池和外接线盒之间设置有导线。尽管图8是一个在两个轮中都有电池组的实施例，然而应当理解，一些应用可以仅需要在一个车轮中设置电池，并且可以仅需要一个电池充电端子。
在此处的公开中，仅仅说明了本发明的优选实施例以及这些实施例的一些改进。应当理解，本发明能够用于各种其它组合和环境下，并能够在此处所说明的本发明的概念范围内改动和修改。例如，在本发明的构思下，电动机转子框架可以通过轴承连接到定子框架的外表面而不是通过轴。
作为另一可选实施例，轮胎可以直接设置于转子框架上。随着轮毂直径增大到轮胎内径尺寸，可以省去辐条。这种改进，提供了其中可以容纳更大功率的电动机和更多的电池的更大空间。
权利要求
1.一种电动车辆，车轮包括车轴；圆柱形定子框架，其固定在车轴上，定子框架的内表面确定了容纳供电装置的空间；多个电磁铁定子段，其安装于定子框架的外表面上并环绕其分布；圆柱形转子框架，其通过轴承与车轴相连接，转子框架的内表面支撑多个永磁铁，所述永磁铁环绕定子段分布以在它们之间形成径向气隙；和轮胎，其安装到转子框架的外表面上。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中供电装置包括多个电池。
3.根据权利要求2所述的车辆，其中多个电池为D电池。
4.根据权利要求1所述的车辆，其中圆柱形定子框架空间包括用于驱动电磁铁定子段的控制元件。
5.根据权利要求4所述的车辆，其中圆柱形定子框架空间还包括电池再充电电路。
6.根据权利要求1所述的车辆，其中该车辆为自行车并且该车轮为后轮。
7.根据权利要求1所述的车辆，其中该车辆为自行车并且该车轮为前轮。
8.根据权利要求1所述的车辆，其中多个电磁铁定子段在空间上彼此分开。
9.根据权利要求1所述的车辆，其中多个永磁铁在空间上彼此分开。
10.根据权利要求2所述的车辆，还包括第二轮，其包括用以容纳附加的电池的存储空间；和电缆，其由框架支撑，用于将定子段与第二轮内的附加的电池相连接。
11.根据权利要求10所述的车辆，还包括与电缆相连的开关，所述开关用于选择性地接通第二轮内的附加的电池。
12.一种电动车辆，包括第一轮，其具有其中安装有旋转电动机的轮毂部分；第二轮，其具有其中安装有供电装置的轮毂部分；和框架，其在结构上将第一轮和第二轮的轮毂部分相连接。
13.根据权利要求12所述的车辆，其中供电装置包括多个电池。
14.根据权利要求12所述的车辆，其中第一轮的轮毂部分包括车轴，旋转电动机包括定子，其固定地安装于车轴上；和转子，其环绕定子并通过气隙而与其分开，该转子通过轴承与车轴相连接。
15.根据权利要求14所述的车辆，其中定子包括多个电磁铁芯段，它们在空间上彼此分开。
16.根据权利要求14所述的车辆，其中转子包括多个永磁铁，它们在空间上彼此分开。
17.根据权利要求13所述的车辆，还包括电缆，其由框架支撑，用于将电动机和供电装置相连接，所述电缆固定于框架上。
18.在电动车辆中，多个车轮，其中每个车轮包括车轴；圆柱形定子框架，其固定在车轴上，定子框架的内表面确定了用以容纳供电装置和电动机控制器的空间；多个电磁铁定子段，其安装于定子框架的外表面上并环绕其分布；圆柱形转子框架，其通过轴承与车轴相连接，转子框架的内表面支撑多个永磁铁，所述多个永磁铁环绕定子段分布以在它们之间形成径向气隙；和轮胎，其安装到转子框架的外表面上。
全文摘要
一种电动车辆，例如自行车，具有容纳在轮室内的电动机、控制器和供电装置。圆柱形定子框架固定于轮轴上，定子框架内表面确定了用以容纳供电装置和控制器电路的空间。多个电磁铁定子段安装于定子框架外表面上。圆柱形转子框架通过轴承与轮轴相连接。转子框架的内表面通过轴承与轮轴相连接。转子框架内表面支撑多个永磁体，所述多个永磁体围绕定子段以在它们之间形成径向气隙。车胎通过适当的支撑结构安装在转子框架的外表面上。
文档编号B62J11/00GK1652969SQ03811152
公开日2005年8月10日 申请日期2003年3月28日 优先权日2002年5月16日
发明者亚历山大·V·潘季科夫, 马克·A·本松 申请人:波峰实验室责任有限公司