CN106300855B - 一种盘式无铁芯直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盘式无铁芯直流电机，包括中轴，所述中轴上依次套有第一轴承、定子盘和第二轴承，第一轴承和第二轴承上分别套有第一转子盘和第二转子盘，第一转子盘和第二转子盘的内侧分别设有第一凹槽，第一凹槽内安装有永磁体，第一转子盘外侧与太阳轮齿圈固定连接，通过太阳轮齿圈输出扭矩，所述定子盘上设有若干个环形分布的用于安装线圈的梨形孔，线圈通过限位装置固定在梨形孔内，线圈与用于电力和信号传输的电缆线束连接。本发明的盘式无铁芯直流电机，电气性能优越，还由于采用了无铁芯结构，空载电流很小且无磁滞阻力，将其安装在轮毂内，可不用安装超越离合器，有利于提高行星齿轮组的安装精度。

Description

一种盘式无铁芯直流电机

技术领域

本发明涉及盘式无铁芯直流电机，属于电动自行车的驱动电机领域。

背景技术

现有电动自行车，多采用低速轮毂电机，其优点在于：电机功率大，电机一般无需维护，传动效率高，但由于这种电机存在磁滞阻力，弱化了甚至失去了电动自行车的骑行功能，电动助力型自行车逐渐走上了摩托化舒式化的发展路线，其驱动电机功率及行驶速度远超现有国家标准。摩托化了的电动自行车，交通事故频发，已成为一种亟须解决的社会问题。

为克服驱动电机存在磁滞阻力，以八方电机为代表的电机厂商，推出了通轴式的高速有齿轮毂电机。这种电机的额定功率符合现行国家标准，且在其行星齿轮架上组合了单向超越离合器，有效地解决了电机的磁滞阻力对骑行的影响。这种有齿轮毂电机的驱动电机实质上就是低速轮毂电机的缩小版，采用的是一级减速的定轴行星轮系，减速比通常为1:4.3，电机对轮径的适应性较差，而且其驱动电机的转速一般不超过1500转/分钟，严格意义上讲还算不上是高速电机。

以上两种主流电机，均为钕铁硼永磁直流电机，具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、额定效率高、调速性能好等优点，但由于电动自行车的低转速特性，在实际骑行过程中电机往往运行在低效率区间，电动自行车的续行里程不高，难以满足大众对提高续行里程的消费需求。

中国专利号201010247971.8公开了一种超薄大功率直流永磁电机，提出了一种优选使用扁平漆包线绕制的外圈形状为扇形的线圈，加以叠加组合成线圈绕组，单层绕组绕制好后，在其表面涂上固定的胶水进行固定，绕组安装在定子架的槽内并由内压圈和外压圈固定。实际的状况是，要保证线圈的外圈形状为扇形，线圈的三角形内孔的面积需足够大，减少绕组的匝数，而如此绕制的线圈，定子盘空间利用率低，磁场集聚性差，为减少磁通损失，永磁体必须有足够的径向长度，因此内压圈、外压圈与扇形绕组的重叠区域很小，仅在表面涂上固定胶水的线圈绕组在振动、发热等状况下很容易像钟表发条一样散架损坏。而采用圆形导线绕制的线圈，则需选择线径较小的屈服强度低的圆导线才能保持外圈形状为扇形，也不可能生产出大功率的直流永磁电机。大电流的大功率电机必然会产生更多的热量，需要有可靠的散热方案，该发明采用了高强度、高硬度、耐热、耐冲抗击、抗老化的工程塑料精密注塑成型的定子架，其热导系数一般只有0.04W/mK，而且扁平线绕制的线圈绕组要求定子盘两侧的气隙磁密严格相等，靠扁薄定子架中心的两个轴承固定的转子盘是很难满足如此高的要求的，转子盘稍有偏置扁平漆包线线圈就会发热，而且转速越高产热越多，大量的热量密闭在转子盘内，也无法通过工程塑料制成的定子架消散，其技术方案本身就具有重大缺陷。

中国专利号201010289645.3公开了一种节能轮毂电机，同样采用了盘式无铁芯直流电机，并以电动车轮毂作为转子盘，直接由轮毂电机驱动电动车，该发明还在轮毂内组合了结构形式相同的盘式无铁芯发电机，用于收集车辆制动所产生的电能回充给蓄电池，从而起到节能的效果。实质上，盘式无铁芯直流电机的电感量较小，属小功率电机的范畴，其最突出的优点是高转速低扭矩且无磁滞阻力，低转速时的效率非常低，而市场上对电机功率要求较小的72V电压的低速观光电动车，其电机额定功率也要求有5000W，电动车轮毂上轮毂螺栓孔的节圆到轮辋螺栓孔的节圆间的空间是有限的，在这有限的空间内设置大功率的盘式无铁芯直流电机及盘式无铁芯发电机是无法做到的，况且按该发明的描述，该节能轮毂电机的电动车只能安装不能充气的实心轮胎。

申请号201310033295.8公开了一种盘式无铁芯永磁直流电机，是一个轴转动的电机，其采用的技术方案是：线圈绕组是由多段圆弧组成的轴对称锥形环环形绕组，锥形环的尖端靠近定子轴心，轴对称锥形环的中心轴线三等分后形成两个不同的内径尺寸，其中锥形环尖端的内径是另一内径的三分之二，这种环形绕组，定子盘的空间利用率很低，磁场集聚性更差，方案中提及的“定子电枢绕组采用无铁心结构，直接有绕组注塑而成”，也无实现的可能，注塑过程中是无法理清无序的绕组出线的，产品合格率会非常低。该发明“环形绕组中间隔设置霍尔磁敏传感器”，更是有违常识的方案，三个霍尔传感器的九只管脚，需要在很小的气隙空间内通过导线串接，其工艺难度非常大，而且设置在环形绕组中间的霍尔传感器，其金属管脚在交变磁场作用下会迅速发热，烧毁霍尔传感器。

专利号201310310431.3公开了一种盘式无铁芯永磁无刷直流电机，采用了与申请号201310033295.8公开的一种盘式无铁芯永磁直流电机相似的环状线圈绕组，其远离轴端的圆弧半径是靠近轴端的圆弧半径的1.5-2倍，两腰线部分的圆弧半径是远离轴端的圆弧半径的3-5倍，定子盘的空间利用率很低，磁场集聚性更差，而且线圈绕组缺少限位装置，难以限制线圈在轴向的位移；该发明电机采用了一种外转子壳体转动的盘式无铁芯直流电机，发明目的不明确，设置四个O形密封圈的针对性不强，电机缺少动力输出装置和固定装置，电机轴上采用两种规格迥异的轴承也似有不妥，电机采用无位置hall位置传感器，启动时电机会出现抖动迟滞现象。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种盘式无铁芯直流电机，电机结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高、调速性能好、电气性能优越，是电动自行车有齿轮毂电机的驱动电机，通过轮毂内的行星轮系减速后驱动自行车，能与市场上的电动自行车控制器进行匹配。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种盘式无铁芯直流电机，包括中轴，所述中轴上依次套有第一轴承、定子盘和第二轴承，第一轴承和第二轴承上分别套有第一转子盘和第二转子盘，第一转子盘和第二转子盘的内侧分别设有第一凹槽，第一凹槽内安装有永磁体，第一转子盘外侧与太阳轮齿圈固定连接，通过太阳轮齿圈输出扭矩，所述定子盘上设有若干个环形分布的用于安装线圈的梨形孔，线圈通过限位装置固定在梨形孔内，线圈与电缆线束连接。

作为优选，所述限位装置包含内圈挡边、外圈挡边、环形电路板和压圈，所述定子盘的一面延伸有内圈挡边和外圈挡边，定子盘另一侧安装有环形电路板和压圈，环形电路板固定在定子盘内侧，压圈位于定子盘外侧，通过内圈挡边、外圈挡边、环形电路板和压圈限制线圈的轴向位移。

作为优选，所述定子盘远离内圈挡边的一面顺序设有三个第二凹槽，第二凹槽排列在相邻两梨形孔之间位于定子盘的圆心一侧，第二凹槽内安装霍尔传感器，霍尔传感器的管脚与固定在定子盘上的环形电路板焊接，环形电路板与电缆线束连接。

作为优选，所述线圈为圆铜漆包线绕制的空心线圈，其内孔形状为三角形，绕制后的外圈形状为梨形并与梨形孔相匹配；所述线圈的三角形内孔位于定子盘内侧的内角小于60°，三角形内孔的径向长度小于线圈的径向直径即长直径的三分之一。梨形的线圈为左右对称结构，每个线圈的对称轴指向永磁体的圆心，线圈对称轴的长度即为长直径，三角形的内孔为等腰三角形，内孔底边的高即为三角形的径向长度。

作为优选，所述第一转子盘和第二转子盘由铁质材料制成，其外形为平底碗状，第一转子盘的轴承室在其内侧，由固定在其外侧的太阳轮齿圈作为轴承挡；第二转子盘的轴承室位置偏向其外侧并设有轴承挡。

作为优选，所述第一转子盘和第二转子盘由铁质圆环与铝合金或与工程塑料复合制成，其外形为平底碗状，第一转子盘的轴承室在其内侧，由固定在其外侧的太阳轮齿圈作为轴承挡；第二转子盘的轴承室位置偏向其外侧并设有轴承挡。

作为优选，所述永磁体为扇形钕铁硼永磁材料，其径向长度即扇形永磁体的内外半径差是线圈的径向直径即长直径的0.5－0.8倍。

作为优选，所述永磁体包含若干个永磁体单元，相邻两个永磁体单元之间留有间隙，间隙的大小与电气性能参数适配。

有益效果：本发明的盘式无铁芯直流电机，电气性能优越，具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高、调速性能好等优点外，还由于采用了无铁芯结构，空载电流很小且无磁滞阻力，将其安装在轮毂内，可不用安装超越离合器，有利于提高行星齿轮组的安装精度；另外平底碗状结构的电机转子盘，使得电机内部封闭在两转子盘内，将本发明的电机装入轮毂后，行星齿轮组可以用液体润滑油进行润滑。

附图说明

图1是本发明盘式无铁芯直流电机的整体结构示意图。

图2是本发明盘式无铁芯直流电机分解图。

图3是本发明盘式无铁芯直流电机的定子盘示意图。

图4是本发明盘式无铁芯直流电机的线圈、霍尔传感器及环形电路板安装示意图。

图5是本发明盘式无铁芯直流电机线圈与永磁体示意图。

图6是本发明盘式无铁芯直流电机复合材料第一转子盘示意图。

图7是本发明盘式无铁芯直流电机复合材料第二转子盘示意图。

图8是本发明盘式无铁芯直流电机的线圈通电后的外部磁场分析图。

图9是本发明盘式无铁芯直流电机相邻永磁体间隙调整测试的扭矩效率图。

具体实施方式

如图1至图7所示，本发明的一种盘式无铁芯直流电机，包括中轴1，所述中轴1上依次套有第一轴承4、定子盘2和第二轴承41，第一轴承4和第二轴承41上分别套有第一转子盘5和第二转子盘51，第一转子盘5和第二转子盘51的内侧分别设有第一凹槽，第一凹槽内安装有永磁体6，第一转子盘5外侧与太阳轮齿圈10固定连接，通过太阳轮齿圈10输出扭矩，所述定子盘2上设有六个环形分布的用于安装线圈3的梨形孔11，线圈3通过限位装置固定在梨形孔11内，所述线圈3为圆铜漆包线绕制的空心线圈3，其内孔形状为三角形，其外圈形状为与梨形孔11匹配的形状，线圈3组成的线圈绕组与用于电力和信号传输的电缆线束9连接。

在本发明中，所述限位装置包含内圈挡边12、外圈挡边13、环形电路板8和压圈15，所述定子盘2的一面延伸有内圈挡边12和外圈挡边13，定子盘2另一侧安装有环形电路板8和压圈15，环形电路板8固定在定子盘2内侧，压圈15位于定子盘2外侧，通过内圈挡边12、外圈挡边13、环形电路板8和压圈15限制线圈3的轴向位移。内圈挡边12的外直径小于永磁体6的内直径，外圈挡边13的内直径大于永磁体6的外直径；所述定子盘2远离内圈挡边12的一面顺序设有三个第二凹槽14，第二凹槽14排列在相邻两梨形孔11之间位于定子盘2的圆心一侧，第二凹槽14内安装霍尔传感器7，霍尔传感器7的三个管脚与固定在定子盘2上的环形电路板8焊接，环形电路板8与电缆线束9连接。

在本发明中，所述第一转子盘5和第二转子盘51由铁质材料制成，其外形为平底碗状，第一转子盘5的轴承室16在其内侧，由固定在其外侧的太阳轮齿圈10作为轴承挡；第二转子盘51的轴承室161位置偏向其外侧并设有轴承挡17。所述第一转子盘5和第二转子盘51也可以由铁质圆环18与铝合金或与工程塑料复合制成，其外形为平底碗状，第一转子盘5的轴承室16在其内侧，由固定在其外侧的太阳轮齿圈10作为轴承挡；第二转子盘51的轴承室位置偏向其外侧并设有轴承挡17。该方案的优点是：在扁薄的电机内部留出了中轴1上的出线孔位置，以及线束9与绕组出线、环形电路板8连接的空间，采用复合材料制造第一转子盘5和第二转子盘51，电机的重量会更轻。

基于通电空心线圈外部磁场分析及实验，本发明提出了盘式无铁芯直流电机的线圈3与永磁体6的最经济有效的组合。如图8，通过对单个通电空心线圈外部磁场的有限元分析和实验验证，通电空心线圈中心位置，磁感应强度随着线圈半径的增加先增大然后再逐渐减小，在空心的边缘附近出现一个峰值，空心面积越小，磁场集聚越明显；通电空心线圈表面的磁感应强度出现在线圈的轴线附近，距离线圈中心越远，特别是在线圈的外边缘，衰减很快；气隙部分线圈表面磁场强度最大，随着离线圈表面距离的增加，磁场强度迅速衰减，数值很小；通过对通电空心线圈磁感应强度规律的分析验证，得出了盘式无铁芯直流电机的技术路径是：适当减小扇形永磁体6的径向长度(扇形磁铁的内外半径差)、尽可能减小线圈3空心部分的面积。

减小扇形永磁体6的径向长度，会产生部分磁通损失，下表为永磁体6的径向长度变化对盘式无铁芯直流电机成本、效率影响的实验对比数据(空心线圈径向直径为D＝32mm，线圈高10.0mm，铜漆包线线径0.6mm，通电电流3.5A，空心径向长度9.6mm，扇形永磁体内、外直径平均值68mm)。从表1对比数据可以看出，随着永磁体6的径向长度的减小，线圈3磁通损失随之增大并呈加速增大的趋势，电机最大效率也相应降低，效率降低的程度小于磁通损失程度，永磁体6材料成本的降幅更为明显。按价值工程理论，适度减小扇形永磁体6的径向长度，电机的效率和扭矩会有所降低，但能更多的降低稀土永磁的消耗，电机的经济性更好，竞争力更强。

表1

永磁体6径向长度(扇形永磁体的内外半径差)小于线圈3的径向直径的技术方案，为固定线圈3而设置限位装置提供了必要的空间，两者的比例关系，决定了本发明限位装置内圈挡边12、外圈挡边13、环形电路板8和压圈15限制线圈3轴向位移的效果，如取永磁体径向长度为0.9D，限位装置与线圈3的叠压宽度小于0.05D，固定效果较差；而取永磁体6径向长度小于0.5D，则磁通损失较大，电机扭矩和效率也会相应地降低；实验表明，正确处理好永磁体6的径向长度与线圈3的径向直径的比例关系，能使电机的先进性、可靠性、经济性得到较佳的平衡。

在本发明中，所述永磁体6为扇形钕铁硼永磁材料，其径向长度即扇形永磁体6的内外半径差是线圈3的径向直径即长直径的0.5-0.8倍。所述永磁体6包含8个永磁体6单元，相邻两个永磁体6单元之间留有间隙，间隙的大小与电气性能参数适配。

实施例

盘式无铁芯直流电机，绕组由6个线圈3组成，线圈3的径向直径为D＝32mm，高10.0mm，铜漆包线线径0.67mm，三角形空心径向长度9.6mm，8个永磁体6单元的内、外直径平均值68mm，径向长度20mm，轴向高度6mm，轮毂采用减速比为1:8.74的行星减速机构减速，扇形永磁体6的圆心角分别取45°、41°、38°进行对比测试；从图9所示的扭矩效率曲线图上看，三种电机的最高效率分别为83.8％、83.1％、80.6％，相邻两个永磁体6单元之间留出间隙后，对电机效率影响不明显，在高扭矩段的影响更小，这种结果也与通电空心线圈外部磁场分析及实验结果相吻合；永磁体6之间的间隙变化对电机的速度影响较大，三种电机的空载转速分别为281转/分钟、330转/分钟、361转/分钟，由此可以有针对性地调整相邻永磁体6之间的间隙，改善电机的电气性能以适应轮毂电机减速机构减速比以及电动自行车轮圈尺寸的变化。

相对于有铁芯电机，盘式无铁芯电机的线圈绕组的电感量较小，较小的电感量使电机的电气性能表现为高转速低扭矩，增加线圈绕组的匝数和导线的长度可以提高其电感量，可采取加大线圈3的直径或减小导线的线径两种技术路径；减小导线的线径会使绕组电阻上升并降低电机功率，而增加线圈绕组的匝数和导线的长度又会增加电机的成本和体积，因此要求在定子盘2有限的空间里尽可能地增加设定线径的导线的匝数和长度，优选的绕线方法是：绕线夹具以经倒角处理后的三角形棒为芯棒，层叠绕制导线，由此绕制的线圈3，其内孔形状为三角形，外圈形状受三角形芯棒的形状大小、导线的线径、导线的屈服强度以及绕线张力等综合影响呈梨形。

基于空心线圈外部磁场分析及实验结果，应尽可能减小线圈空心部分的面积，而空心面积越小，线圈外圈形状越接近于圆形，并不能充分利用定子盘2的空间。线圈3的内孔和外圈形状应根据导线的线径、导线的屈服强度、定子盘2直径的大小、绕组的线圈数量决定，经反复绕制和测试，线圈的三角形内孔位于定子盘内侧的内角小于60°，三角形内孔的径向长度小于线圈的径向直径即长直径的三分之一的设计方案，能较好地满足定子盘2的空间利用及磁场向线圈3中心集聚的要求。

本发明盘式无铁芯直流电机，其突出的优点有：1)定子盘2、内圈挡边12、外圈挡边13可由高强度、高耐热性、成型性好的聚合物绝缘材料通过模压一次成型，能实现低成本高效率生产；2)采用内孔形状为三角形的空心线圈3，线圈3绕制后外圈形状为梨形，绕组在定子盘2上的空间利用率比圆形内孔的空心线圈3提高了20％，同时也提高了绕组的电感量；3)固定线圈3的压圈15，同样可由高强度、高耐热性、成型性好的聚合物绝缘材料通过模压成型，压圈15、环形电路板8与定子上的内圈挡边12、外圈挡边13，限制了线圈3的轴向位移；4)钕铁硼永磁材料的扇形永磁体6，其径向长度(扇形磁铁的内外半径差)是线圈3的径向直径的0.5-0.8倍，并且相邻两片永磁体6之间还留有间隙，不但减少了永磁材料的用量，还提高了电机的高速性能，根据测试和实际骑行验证，电机的电气性能并没有因永磁体6材料的减少而降低；5)转子盘在两组永磁体6磁场的作用下紧密地咬合在一起，安装后无须再采取其他紧固措施，因此可以在有限的轮毂空间内将本发明盘式无铁芯直流电机的径向尺寸做得更大，而且由于两转子盘是由两个对称的轴承套装在中轴1上的，与目前市售的有齿轮毂电机使用单边轴承固定转子的结构相比，电机的径向跳动更小。

本发明盘式无铁芯直流电机，电气性能优越，除了传统电机结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高、调速性能好等优点外，还由于采用了无铁芯结构，电机重量减轻，过载能力强，空载电流小且无磁滞阻力，将其安装在轮毂内，可不用安装超越离合器，有利于提高行星齿轮系的安装精度；另外平底碗状结构的电机转子盘，使得电机内部封闭在两转子盘内，将本发明的电机装入轮毂后，行星轮系可以使用液体润滑油进行润滑。

本发明的盘式永磁直流电机，用于电动自行车，空载电流仅有0.3A，优势非常明显，在相同的骑行条件、相同的电能消耗、纯电力行驶的状况下，其续行里程比目前市场上普遍采用的有齿轮毂电机的电动车的续行里程提高了35％以上，比采用低速轮毂电机的电动车的续行里程提高了45％以上。另外本申请的发明人对采用本发明的盘式永磁直流电机的电动自行车样机进行了验证，可按批量生产的要求进行，个别重要方案的模具制作也进行了有效的尝试，电动自行车样车已无故障骑行了六千多公里，并在某次具体实验中采用48V18AH锂电池组，成功地进行了单次充电从南京到常州全长119公里的纯电动超远距离骑行测试。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种盘式无铁芯直流电机，其特征在于：采用电动自行车有齿轮毂电机的驱动电机，包括中轴，所述中轴上依次套有第一轴承、定子盘和第二轴承，第一轴承和第二轴承上分别套有第一转子盘和第二转子盘，第一转子盘和第二转子盘的内侧分别设有第一凹槽，第一凹槽内安装有永磁体，第一转子盘外侧与太阳轮齿圈固定连接，通过太阳轮齿圈输出扭矩，所述定子盘上设有若干个环形分布的用于安装线圈的梨形孔和安装霍尔传感器的三个第二凹槽，线圈通过限位装置固定在梨形孔内，线圈和环形电路板分别与电缆线束连接；

所述限位装置包括内圈挡边、外圈挡边、环形电路板和压圈，所述定子盘的一面延伸有内圈挡边和外圈挡边，定子盘另一侧安装有环形电路板和压圈，环形电路板固定在定子盘内侧，压圈位于定子盘外侧，通过内圈挡边、外圈挡边、环形电路板和压圈限制线圈的轴向位移；

所述第一转子盘的轴承室在其内侧，由固定在其外侧的太阳轮齿圈作为轴承挡；第二转子盘的轴承室位置偏向其外侧并设有轴承挡。

2.根据权利要求1所述的盘式无铁芯直流电机，其特征在于：所述三个第二凹槽顺序设在定子盘远离内圈挡边的一面，第二凹槽排列在相邻两梨形孔之间位于定子盘的圆心一侧，第二凹槽内安装霍尔传感器，霍尔传感器的管脚与固定在定子盘上的环形电路板焊接。

3.根据权利要求1所述的盘式无铁芯直流电机，其特征在于：所述线圈为圆铜漆包线绕制的空心线圈，其内孔形状为三角形，绕制后的外圈自然形状为梨形并与梨形孔相匹配；所述线圈的三角形内孔位于定子盘内侧的内角小于60°，三角形内孔的径向长度小于线圈的径向直径即长直径的三分之一。

4.根据权利要求1所述的盘式无铁芯直流电机，其特征在于：所述第一转子盘和第二转子盘由铁质材料制成，其外形为平底碗状。

5.根据权利要求1所述的盘式无铁芯直流电机，其特征在于：所述第一转子盘和第二转子盘由铁质圆环与铝合金或与工程塑料复合制成，其外形为平底碗状，第一转子盘的轴承室在其内侧，由固定在其外侧的太阳轮齿圈作为轴承挡；第二转子盘的轴承室位置偏向其外侧并设有轴承挡。

6.根据权利要求1所述的盘式无铁芯直流电机，其特征在于：所述永磁体为扇形钕铁硼永磁材料，其径向长度即扇形永磁体的内外半径差是线圈的径向直径即长直径的0.5－0.8倍。

7.根据权利要求1所述的盘式无铁芯直流电机，其特征在于：所述永磁体包含若干个永磁体单元，相邻两个永磁体单元之间留有间隙，间隙的大小与电机电气性能参数适配。