CN110350749A - 一种轴向磁场轮毂电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向磁场轮毂电机，包括主轴、轮毂和端盖，轮毂和端盖的内部空间内，有电机和行星减速机构，电机为单气隙结构的轴向磁场电机，电机的转子盘通过包含有角接触轴承的具有两列滚动体的轴承单元套在主轴上，支撑盘与主轴固定连接且与定子铁心套接，通过贯穿定子铁心的插销连接到支撑盘，从而实现定子铁心的固定。本发明电机成本低、效率高、高效率区间宽，能大幅提高电动自行车的续行里程。

Description

一种轴向磁场轮毂电机

技术领域

本发明涉及电动自行车的轮毂电机技术领域，特别是涉及一种轴向磁场轮毂电机。

背景技术

现有的电动自行车电机主要有两类，一类是安装在自行车中轴部位的中置电机，另一类是安装在车轮上与轮毂一体的轮毂电机。其中，中置电机为内转子高速电机，经行星齿轮机构减速后，通过链条传递动力从而驱动自行车，该类电机结构复杂，适用范围小且价格昂贵，因此较少被采用。

市场上的电动自行车主要采用的是轮毂电机，传统的电动自行车有齿轮毂电机，一般是轮毂和端盖套设于主轴上，轮毂和端盖的内部空间装有驱动电机、行星减速机构及单向离合器，例如通轴结构外转子电机的中国专利CN03127256.8、CN201510104597.9，又如半轴结构内转子电机的美国专利US20050176542A1，上述有齿轮毂电机的驱动电机均为径向磁场的直流永磁电机，这类电机效率不高，高效区间偏向高功率段，车辆在正常行驶时驱动电机通常运行在低效率区间，行驶里程较短。

电动自行车的驱动电机，要求频繁的启动/停车、加速/减速，低速或爬坡时要求高转矩，正常平地行驶时要求低转矩，变速范围大，并且能在各种不同路况行驶时保持稳定的性能，相较于一般工业电机通常可以优化在额定的工作点的特性，电动自行车驱动电机的要求更高，普通的轮毂电机无法满足人们提高电动自行车续行里程的普遍要求，而轴向磁场直流电机本身就能满足这一要求。如ZL 201620995774.7公开的“一种盘式无铁芯直流电机”，但该无铁心结构的轴向磁场电机需消耗较多的稀土永磁体，面对稀土永磁体价格的大幅上涨，其经济性明显不足，因此，有铁心的轴向磁场直流电机则是满足这一需求的最佳的技术路径。

由于电动自行车轮毂电机采用的是定轴结构，需采用有别于一般轴向磁场电机的非转轴输出结构形式，现有技术中并没有将轴向磁场电机运用到电动自行车的轮毂电机中的相关技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴向磁场轮毂电机，用以将效率高、高效率区间宽的轴向磁场电机应用于电动自行车领域，满足人们对行驶里程增加的要求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种轴向磁场轮毂电机，包括主轴、轮毂和端盖，所述轮毂和端盖滚动套接在所述主轴上，所述轮毂与所述端盖可拆卸式固定连接，还包括电机和行星减速机构，所述电机和所述行星减速机构位于所述轮毂和所述端盖围成的内部空间中，所述主轴上设有线孔，所述电机的引出线用以穿过所述线孔并与外部电源相连，所述电机为单气隙结构的轴向磁场电机，包括一转子盘、一定子铁心、一支撑盘、多个永磁体和多个插销，所述定子铁心具有线槽、定子齿和定子轭，所述定子齿的磁极面与所述主轴垂直，所述定子轭上设有开口槽或通孔；所述转子盘通过包含有角接触轴承的具有两列滚动体的轴承单元与所述主轴转动连接，所述支撑盘与所述主轴固定连接；所述插销的一端穿过所述开口槽或通孔并与所述支撑盘相连，所述插销用以限定所述定子铁心的片间位移；所述行星减速机构包括太阳轮齿圈和中心轮，所述永磁体固定于所述转子盘的与所述定子铁心相对的一面，所述太阳轮齿圈固定于所述转子盘的另一面，所述中心轮固定于所述轮毂的内表面。

优选地，所述行星减速机构包括行星架、所述中心轮、所述太阳轮齿圈和行星轮，所述行星架固定套设在所述主轴上，所述行星轮转动安装在所述行星架上，所述行星架具有单向离合器。

优选地，所述定子铁心为硅钢片卷带经连续冲片工艺后加预应拉力卷绕而成，所述定子齿上设有安装槽，所述安装槽用以安装霍尔位置传感器。

优选地，所述定子轭上的所述开口槽或所述通孔，在所述定子铁心的内圆处与所述定子齿对应，并与所述定子齿两侧的一个所述线槽平行，所述开口槽的槽口宽度小于槽底宽度。

优选地，所述轴承单元为双列角接触球轴承，或深沟球轴承与单列角接触球轴承的串联组合，或两个单列角接触球轴承的串联组合。

优选地，所述转子盘和/或所述支撑盘上设有通风口。

优选地，所述支撑盘的外侧面上设有与所述定子铁心的所述通孔位置正对且方向一致的开孔，所述开孔供所述插销***。

优选地，所述支撑盘具有定位边和圆柱状的外侧面，所述定子铁心的轭部与所述圆柱状的外侧面套接，所述定位边用以对所述定子铁心轴向定位。

优选地，所述支撑盘的定位边与所述插销和/或所述定子铁心通过焊接固定。

优选地，所述支撑盘上设有固定槽，所述固定槽与所述开口槽位置正对且方向一致，所述固定槽和所述定位边位于所述支撑盘的同侧，所述插销用以穿过所述定子铁心的所述通孔或所述开口槽并紧抵所述固定槽的槽底。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明将单气隙结构的轴向磁场电机应用于电动自行车的轮毂电机，永磁体用量比传统电机下降20％以上，铁心材料消耗减少超过50％，电机最高效率提升约10％，高效率区间提前且宽度大幅增加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例轴向磁场轮毂电机结构示意图；

图2为定子铁心的一种结构示意图；

图3为定子铁心的另一种结构示意图；

图4为定子铁心线槽与开口槽位置关系图；

图5为支撑盘的一种结构示意图；

图6为支撑盘的另一种结构示意图；

图7为轴承单元的一种结构示意图；

图8为轴承单元的另一种结构示意图；

图9为本实施例轴向磁场轮毂电机电机分解图；

图10为本实施例霍尔位置传感器安装示意图；

图11为本实施例轴向磁场轮毂电机48V340W样机“功率—效率”曲线图；

附图标记说明：1主轴；2轮毂；3端盖；4线孔；5引出线；6转子盘；7定子铁心；8支撑盘；9线槽；10定子齿；11定子轭；12开口槽；13通孔；14滚动体；15插销；16永磁体；17太阳轮齿圈；18行星架；19中心轮；20行星轮；21定轴；22霍尔位置传感器；23安装槽；24双列角接触球轴承；25深沟球轴承；26单列角接触球轴承；27定位边；28通风口；29气隙空间；30固定槽；31开孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种轴向磁场轮毂电机，用以将效率高、高效率区间宽的轴向磁场电机应用于电动自行车领域，满足人们对行驶里程增加的要求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-11所示，本实施例提供一种轴向磁场轮毂电机，包括主轴1、轮毂2和端盖3，轮毂2和端盖3滚动套接在主轴1上，轮毂2与端盖3可拆卸式固定连接并围成一个内部空间。该轴向磁场轮毂电机还包括电机和行星减速机构，电机和行星减速机构位于该内部空间中。主轴1上设有线孔4，电机的引出线5用以穿过线孔4并与外部电源相连。电机为单气隙结构的轴向磁场电机，包括一转子盘6、一定子铁心7、一支撑盘8、多个永磁体16和多个插销15。定子铁心7具有线槽9、定子齿10和定子轭11，定子齿10的磁极面与主轴1垂直，从而形成轴向磁场。转子盘6通过包含有角接触轴承的具有两列滚动体14的轴承单元与主轴1转动连接，转子盘6受到的轴向磁拉力作用于轴承单元的角接触轴承上，转子盘6因轴向磁拉力的不均匀性受到的倾覆力矩由轴承单元支持。支撑盘8与主轴1固定连接，定子轭11上设有开口槽12或通孔13，插销15的一端穿过开口槽12或通孔13并与支撑盘8相连，插销15用以限定定子铁心7的片间位移，定子铁心7受到的轴向磁拉力以及电磁转矩，通过插销15传递由支撑盘8支持，并且实现插销15与定子铁心7、插销15与支撑盘8的稳固连接。行星减速机构包括太阳轮齿圈17和中心轮19，永磁体16固定于转子盘6的与定子铁心7相对的一面，太阳轮齿圈17固定于转子盘6的另一面，中心轮19固定于轮毂2的内表面。

本实施例的轴向磁场轮毂电机在使用时，通过引出线5为单气隙结构的轴向磁场电机供电后，主轴1不转动，转子盘6转动带动太阳轮齿圈17转动，由于太阳轮齿圈17为行星减速机构的输入端，中心轮19为行星减速机构的输出端，由中心轮19带动轮毂2转动。定子铁心7受到的轴向磁拉力通过插销15与支撑盘8传递至主轴1，转子盘6受到的轴向磁拉力由轴承单元传递至主轴1。

行星减速机构为本领域常用结构，其具体形式本领域技术人员可根据实际需要进行调整。本实施例中的行星减速机构包括行星架18、中心轮19、太阳轮齿圈17和行星轮20，行星架18固定套设在主轴1上，行星轮20转动安装在行星架18的定轴21上，太阳轮齿圈17通过行星轮20将动力传输至中心轮19，从而带动轮毂2转动。行星架18具有单向离合器，使电动自行车在无动力输入时仍具有良好的滑行能力，无电骑行时，不受电机的磁滞阻力的影响。

如图10所示，本实施例的定子铁心7为硅钢片卷带经连续冲片工艺后加预应拉力卷绕而成，定子齿10上设有安装槽23，安装槽23用以安装霍尔位置传感器22。

如图2-4所示，本实施例的定子轭11上的开口槽12或通孔13，在定子铁心7的内圆处与定子齿10对应，并与定子齿10两侧的一个线槽9平行。开口槽12的槽口宽度小于槽底宽度，当插销15***开口槽12后，不会从槽口处脱离开口槽12，从而将定子铁心7受到的轴向磁拉力传递至支撑盘8。由于轴向磁拉力较大，其对应的最大静摩擦力也较大，使插销15与开口槽12或通孔13相互固定，插销15不会沿开口槽12或通孔13滑动。本领域技术人员也可通过焊接等其它方式实现插销15与定子铁心7的相对固定。

本领域技术人员可根据实际需要对轴承单元的具体形式进行选择，只要轴承单元具有能够承担轴向磁拉力的角接触球轴承即可。例如，轴承单元可以为双列角接触球轴承24，如图8所示；或深沟球轴承25与单列角接触球轴承26的串联组合，如图7所示；或两个单列角接触球轴承26的串联组合。

由于轮毂电机的密封性较好，在相对密封的环境下提高其散热能力，可以有效地提高轮毂电机性能的稳定性，消除永磁体因温度升高而产生的“失磁”现象。本实施例中转子盘6和/或支撑盘8上设有通风口28，由于转子盘6与支撑盘8相对转动，将带动气隙空间29中的空气随转子盘6流动，转子盘6边缘处空气的流速大于内侧空气的流速，因而外侧气压小于内侧气压，形成“泵吸效应”，冷空气从通风口28进入转子盘6和支撑盘8之间的气隙空间29，提高轮毂2内空气的流动性，从而提高散热能力。

如图5所示，为了便于定子铁心7与支撑盘8的轴向定位，本实施例的支撑盘8具有定位边27和圆柱状的外侧面，定子铁心7的轭部与圆柱状的外侧面套接，只需将定子铁心7与定位边27相贴合即可实现定子铁心7的轴向定位。

如图6所示，为了实现插销15与支撑盘8的连接，本领域技术人员也可以在支撑盘8的外侧面上设置与定子铁心7的通孔13位置正对且方向一致的开孔31，开孔31供插销15***。由于轴向磁拉力较大，其对应的最大静摩擦力也较大，使插销15与开孔31相互固定，插销15不会沿开孔31滑动。图6中，支撑盘8上同样具有定位边27，定位边27用以和定子铁心7相贴合，从而实现定子铁心7的轴向定位。本领域技术人员也可不设置定位边27，通过工装等其它方式实现定子铁心7的轴向定位。由于工装定位为常用定位方式，此处不再赘述。

本实施例中，插销15的一端穿过开口槽12或通孔13并与支撑盘8相连，用以限定定子铁心7的片间位移。插销15与支撑盘8的连接方式有多种，例如焊接的方式，只要能够使插销15与支撑盘8相对固定即可；也可以使支撑盘8的定位边27与定子铁心7直接焊接固定，此时插销15仅起阻止定子铁心7的片间位移的作用；还可以同时将插销15与支撑盘8、支撑盘8的定位边27与定子铁心7焊接相连。

为了实现插销15与支撑盘8的连接，本领域技术人员还可以在支撑盘8上设置固定槽30，固定槽30与开口槽12位置正对且方向一致，固定槽30和定位边27位于支撑盘8的同侧，插销15用以穿过定子铁心7的通孔13或开口槽12并紧抵固定槽30的槽底。由于轴向磁拉力较大，其对应的最大静摩擦力也较大，使插销15与固定槽30相互固定，插销15不会沿固定槽30滑动。

如图11所示，采用本实施例上述结构的有齿轮毂电机样机，设计额定电压48V，额定功率340W，驱动电机空载转速2190rpm/min，轮毂2空载转速308rpm/min，轴向磁场直流电机采用18槽20极分数槽同步直流电机型式，定子铁心7内外径分别为和电枢绕组采用并绕方式，并联支路数为1，磁极位置传感器为霍尔元件。

样机测试结果见图11，最大效率达89％，输入功率118W～582W的功率范围内的效率均在80％以上，与市场上主流的48V350W低速轮毂电机作对比，本发明电机具有明显的优势。20寸1.75宽轮胎的样车，用48V14Ah锂电池作动力源，在风力三～四级的平坦路面上，按平均时速24Km/h纯电动骑行测试，续行里程达100Km，实现了本发明的目的。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种轴向磁场轮毂电机，包括主轴、轮毂和端盖，所述轮毂和端盖滚动套接在所述主轴上，所述轮毂与所述端盖可拆卸式固定连接，其特征在于：

还包括电机和行星减速机构，所述电机和所述行星减速机构位于所述轮毂和所述端盖围成的内部空间中，所述主轴上设有线孔，所述电机的引出线用以穿过所述线孔并与外部电源相连，所述电机为单气隙结构的轴向磁场电机，包括一转子盘、一定子铁心、一支撑盘、多个永磁体和多个插销，所述定子铁心具有线槽、定子齿和定子轭，所述定子齿的磁极面与所述主轴垂直，所述定子轭上设有开口槽或通孔；所述转子盘通过包含有角接触轴承的具有两列滚动体的轴承单元与所述主轴转动连接，所述支撑盘与所述主轴固定连接；所述插销的一端穿过所述开口槽或通孔并与所述支撑盘相连，所述插销用以限定所述定子铁心的片间位移；所述行星减速机构包括太阳轮齿圈和中心轮，所述永磁体固定于所述转子盘的与所述定子铁心相对的一面，所述太阳轮齿圈固定于所述转子盘的另一面，所述中心轮固定于所述轮毂的内表面。

2.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述行星减速机构包括行星架、所述中心轮、所述太阳轮齿圈和行星轮，所述行星架固定套设在所述主轴上，所述行星轮转动安装在所述行星架上，所述行星架具有单向离合器。

3.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述定子铁心为硅钢片卷带经连续冲片工艺后加预应拉力卷绕而成，所述定子齿上设有安装槽，所述安装槽用以安装霍尔位置传感器。

4.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述定子轭上的所述开口槽或所述通孔，在所述定子铁心的内圆处与所述定子齿对应，并与所述定子齿两侧的一个所述线槽平行，所述开口槽的槽口宽度小于槽底宽度。

5.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述轴承单元为双列角接触球轴承，或深沟球轴承与单列角接触球轴承的串联组合，或两个单列角接触球轴承的串联组合。

6.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述转子盘和/或所述支撑盘上设有通风口。

7.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述支撑盘的外侧面上设有与所述定子铁心的所述通孔位置正对且方向一致的开孔，所述开孔供所述插销***。

8.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述支撑盘具有定位边和圆柱状的外侧面，所述定子铁心的轭部与所述圆柱状的外侧面套接，所述定位边用以对所述定子铁心轴向定位。

9.根据权利要求8所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述支撑盘的定位边与所述插销和/或所述定子铁心通过焊接固定。

10.根据权利要求8所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述支撑盘上设有固定槽，所述固定槽与所述开口槽位置正对且方向一致，所述固定槽和所述定位边位于所述支撑盘的同侧，所述插销用以穿过所述定子铁心的所述通孔或所述开口槽并紧抵所述固定槽的槽底。