CN111224527A - 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，轮毂和端盖围成的内部空间内，还包括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，定子铁心通过其固定齿与支撑盘上的固定槽连接，并进行焊接或冲压铆固，支撑盘与主轴固定连接，或者支撑盘通过轴套与主轴固定连接。本发明轮毂电机成本低、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，特别是涉及一种单气隙结构的轴向磁场轮毂电机。

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“一种盘式无铁心直流电机”，但该无铁心结构的轴向磁场电机为双气隙结构，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；有铁心的轴向磁场电机，由于其磁漏小、电磁密度高，其电气性能体现在轮毂电机有明显的优势，尤其是单气隙结构的轴向磁场电机，只要能有效克服单边磁拉力的影响，其永磁体用量少的特性，决定了其具有较好的经济性。因此，单气隙结构的轴向磁场直流电机则是满足增加续行里程需求的最佳的技术路径。

由于轴向磁场电机具有轴向磁拉力的缘故，一般技术人员会规避同时还存在较大倾覆力矩的单气隙结构的轴向磁场电机，而现有技术的双气隙结构轴向磁场电机均为转轴结构，不可能使电动自行车轮毂电机具有定轴和通轴的结构形式。

发明内容

本发明的目的是提供一种通轴结构的有齿轮毂电机，其驱动电机为有定子铁心的轴向磁场电机，特别是一种单气隙结构的轴向磁场轮毂电机，低成本地实现轴向磁场电机在电动自行车领域的应用，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，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，所述轮毂和所述端盖围成的内部空间中，还包括电机和行星减速机构，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控制器相连，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、多个线圈绕组和多个永磁体；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，包括多个线槽、多个定子齿、定子轭和多个固定齿，所述定子齿的磁极面与所述主轴垂直，所述线圈绕组通过所述线槽绕设在所述定子齿上；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；所述支撑盘设有多个固定槽与所述定子铁心的所述固定齿套合连接，所述支撑盘与所述主轴固定连接，或者所述支撑盘通过轴套与所述主轴固定连接；所述行星减速机构包括固定套设在所述主轴上的具有单向离合器的行星架、转动安装在所述行星架上的多个行星轮、固定于所述轮毂的内表面的中心轮、固定于所述转子盘上的太阳轮齿圈，所述电机通过所述行星减速机构将转矩传递给所述轮毂。

优选地，所述一种轴向磁场轮毂电机为无刷电机，在所述定子齿间设有三个安装霍尔位置传感器的安装槽，所述霍尔位置传感器与安装在所述支撑盘上的PCB板连接，所述PCB板与所述引出线连接。

优选地，单气隙结构的所述一种轴向磁场轮毂电机，其转子盘所承受的磁拉力以及因不平衡的磁拉力而产生的倾覆力由所述轴承单元支持，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，所述支撑盘的所述固定槽位于所述定子铁心另一面的槽边为倒角边，所述固定齿***所述固定槽，并在有倒角边的连接处进行热融焊接，或者对所述固定齿进行冲压铆固，从而实现所述定子铁心与所述支撑盘的稳固连接。

优选地，所述轴套具有径向延伸边，所述延伸边上周向设有若干个第一螺纹孔，所述支撑盘设有与所述第一螺纹孔相对应的通孔，所述通孔和所述第一螺纹孔内旋装有第一调节螺丝，以连接所述支撑盘和所述轴套；所述支撑盘上相邻的所述通孔间还设有第二螺纹孔，并在其内旋装第二调节螺丝抵紧所述延伸边；调节所述第一调节螺丝和所述第二调节螺丝，以调整所述永磁体磁极面与所述定子齿磁极面的平行，以及调节两磁极面间的气隙长度。

优选地，所述定子铁心上的所述固定齿设置在所述定子轭的所述定子齿和所述线槽的另一面，所述固定齿在所述定子铁心的内圆处与所述线槽对应，并且相邻两个固定齿的相邻边互相平行。

优选地，所述转子盘和/或所述支撑盘上设有通风口，通过所述转子盘的旋转产生的空气压力差，冷空气从所述通风口导入所述电机内部，将热空气排出所述电机。

优选地，所述轴承单元为深沟球轴承与单列角接触球轴承的串联组合中，所述单列角接触球轴承位于所述定子铁心一侧，其外圈直径大于所述深沟球轴承的外圈直径。

优选地，所述轴承单元为深沟球轴承与单列角接触球轴承的串联组合中，所述深沟球轴承与所述单列角接触球轴承外圈直径相同，并在两个轴承的外圈间设置有垫圈。

优选地，所述轴承单元为两个单列角接触球轴承的串联组合中，两个所述单列角接触球轴承同向排列，并在该两个轴承的内圈间设置弹性垫圈，所述转子盘受到的磁拉力通过所述弹性垫圈由两个所述单列角接触球轴承共同分担。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

一是通过角接触轴承支持轴向磁拉力，通过设置双列滚动体的轴承单元支持转子盘的倾覆力矩的技术方案，将有铁心的单气隙结构的轴向磁场电机，成功地应用于小功率的电动自行车领域，实现了本发明提高电动自行车续行里程的目的：二是通过行星齿轮减速机构减速，驱动电动车的扭矩主要作用于行星架，高速低扭矩的轴向磁场电机，永磁体材料少从而使磁拉力减小，电机可靠性强，同时实现了低成本；三是定子铁心通过固定齿连接偏置于电机一侧的支撑盘，使得定轴结构轮毂电机空间布局紧凑、结构简单合理；四是本发明电机转子盘的转动惯量小，行星轮的制动断齿故障率低；五是轮毂电机空载电流小，高效率区间宽，低功率段的性能优势十分明显，特别适合轻型电动自行车的应用。

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为定子铁心的结构示意图；

图3为支撑盘的结构示意图；

图4为支撑盘与轴套组合结构示意图；

图5为轴承单元的一种结构示意图；

图6为轴承单元的另一种结构示意图；

图7为轴承单元的另一种结构示意图；

图8为定子铁心线槽与固定齿位置关系图；

图9为本实施例轴向磁场轮毂电机48V340W样机“功率—效率”曲线图；

图10为本实施例轴向磁场轮毂电机分解图；

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线圈绕组；10永磁体；11线槽；12定子齿；13定子轭；14固定齿；15固定槽；16轴套；17行星架；18行星轮；19中心轮；20太阳轮齿圈；21霍尔位置传感器；22安装槽；23PCB板；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气隙；28垫圈；29弹性垫圈；30延伸边；31第一螺纹孔；32通孔；33第一调节螺丝；34第二螺纹孔；35第二调节螺丝；36通风口。

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1-10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，轮毂2和端盖3围成的内部空间中，还包括电机和行星减速机构。主轴1上设有线孔4，电机的引出线5用以穿过线孔4并与外部控制器相连。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、多个线圈绕组9和多个永磁体10。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，包括多个线槽11、多个定子齿12、定子轭13和多个固定齿14，定子齿12的磁极面与主轴1垂直，从而形成轴向磁场；线圈绕组9通过线槽11绕设在定子齿12上；永磁体10固定于转子盘6的与定子铁心7相对的一面，转子盘6通过包含有角接触轴承的具有两列滚动体的轴承单元与主轴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设有多个固定槽15与定子铁心7的固定齿14连接，支撑盘8与主轴1固定连接，或者支撑盘8通过轴套16与主轴1固定连接。行星减速机构包括固定套设在主轴1上的具有单向离合器的行星架17、转动安装在行星架17上的多个行星轮18、固定于轮毂2的内表面的中心轮19、固定于转子盘6上的太阳轮齿圈20。

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20转动，太阳轮齿圈20带动行星轮18转动，行星轮18再带动中心轮19转动，从而将电机的转矩传递给轮毂2。行星架17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。

本实施例的轴向磁场轮毂电机为无刷电机，在定子齿12间设有三个安装霍尔位置传感器21的安装槽22，霍尔位置传感器21与安装在支撑盘8上的PCB板连接23，PCB板23与引出线5连接。

本实施例的轴向磁场轮毂电机为单气隙结构，需要克服永磁体10对定子铁心7所产生的磁拉力，还需克服不平衡的磁拉力而产生的倾覆力，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，例如，轴承单元可以为双列角接触球轴承24，如图6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5所示；或两个单列角接触球轴承26的串联组合，如图7所示。

轴承单元的形式，依据永磁体10的磁能积大小、永磁体10与定子齿12间的气隙27长度、转子盘6直径的大小确定。轴承单元为深沟球轴承25与单列角接触球轴承26的串联组合中，单列角接触球轴承26位于定子铁心12一侧，其外圈直径大于深沟球轴承25的外圈直径，磁拉力作用于单列角接触球轴承26的轴承挡上，如图5所示；深沟球轴承25与单列角接触球轴承26外圈直径相同，在其外圈间设置有垫圈28，磁拉力通过垫圈28传递作用于深沟球球轴承25的轴承挡上。磁拉力较大时，轴承单元选择两个单列角接触球轴承26的串联组合，两个单列角接触球轴承26同向排列，并在其内圈间设置弹性垫圈29，如图7所示，弹性垫圈29采用波形叠片，磁拉力使弹性垫圈29产生压缩变形由两个单列角接触球轴承26共同分担；两个单列角接触球轴承26外圈直径不相同时，磁拉力分别作用于两个单列角接触球轴承26的轴承挡上，两个单列角接触球轴承26外圈直径相同时，在其外圈间设置垫圈28。

在定子铁心7的定子齿12和线槽11的另一面的定子轭13上设置固定齿14，支撑盘8上设置与固定齿14相配合的固定槽15，固定槽15位于定子铁心7另一面的槽边作倒角边处理；固定齿14***固定槽15后，在其连接处进行热融焊接固定，或者对固定齿14进行冲压铆固，从而实现定子铁心7与支撑盘8的稳固连接。支撑盘8偏置于定子铁心7的一侧，留出轴承单元在主轴1上的轴向空间，转子盘6的轴承室部分位于定子铁心7的内圈，也使得本实施例方案中的电机和行星齿轮减速机构在轮毂空间内的布置更为紧凑合理。

气隙磁密对轴向磁场电机转速的影响显著，为实现批产中电机转速的一致性，本实施方案通过在支撑盘8与主轴1间设置轴套16，用于调整定/转子磁极面的平行和气隙长度，其轴套16具有径向延伸边30，延伸边30上周向设有若干个第一螺纹孔31，支撑盘8设有与第一螺纹孔31相对应的通孔32，通孔32和第一螺纹孔31内旋装有第一调节螺丝33，以连接支撑盘8和轴套16；支撑盘8上相邻的通孔32间还设有第二螺纹孔34，并在其内旋装第二调节螺丝35抵紧所述延伸边30；调节第一调节螺丝33和第二调节螺丝35，以调节永磁体10磁极面与定子齿12磁极面的平行，以及调节两磁极面间的气隙27的长度。

如图2、图8所示，固定齿14是硅钢片卷带经连续冲片后并加预应拉力卷绕时与线槽11、定子齿12和定子轭13同时成型的，固定齿14在定子铁心7的内圆处与线槽11对应，并且相邻两个固定齿14的相邻边互相平行。

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36，由于转子盘6与支撑盘8相对转动，将带动气隙27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36进入气隙27，提高轮毂2内空气的流动性，从而提高散热能力。

如图1、图10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，轴向磁场驱动电机空载转速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9，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。配置实施例轴向磁场轮毂电机的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，骑行平均电流约为3.5A，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 (9)

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：

所述轮毂和所述端盖围成的内部空间中，还包括电机和行星减速机构，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控制器相连，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、多个线圈绕组和多个永磁体；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，包括多个线槽、多个定子齿、定子轭和多个固定齿，所述定子齿的磁极面与所述主轴垂直，所述线圈绕组通过所述线槽绕设在所述定子齿上；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；所述支撑盘设有多个固定槽与所述定子铁心的所述固定齿连接，所述支撑盘与所述主轴固定连接，或者所述支撑盘通过轴套与所述主轴固定连接；所述行星减速机构包括固定套设在所述主轴上的具有单向离合器的行星架、转动安装在所述行星架上的多个行星轮、固定于所述轮毂的内表面的中心轮、固定于所述转子盘上的太阳轮齿圈，所述电机通过所述行星减速机构将转矩传递给所述轮毂。

2.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，在所述定子齿间设有三个安装霍尔位置传感器的安装槽，所述霍尔位置传感器与安装在所述支撑盘上的PCB板连接，所述PCB板与所述引出线连接。

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。

4.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述固定槽的位于所述定子铁心另一面的槽边为倒角边，所述固定齿***所述支撑盘上的所述固定槽，并在连接处进行热融焊接，或者对所述固定齿进行冲压铆固，实现所述定子铁心与所述支撑盘的稳固连接。

5.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述轴套具有径向延伸边，所述延伸边上周向设有若干个第一螺纹孔，所述支撑盘设有与所述第一螺纹孔相对应的通孔，所述通孔和所述第一螺纹孔内旋装有第一调节螺丝，以连接所述支撑盘和所述轴套；所述支撑盘相邻的所述通孔间还设有第二螺纹孔，并在其内旋装第二调节螺丝抵紧所述延伸边；调节所述第一调节螺丝和所述第二调节螺丝，以调整所述永磁体磁极面与所述定子齿磁极面的平行，以及调节两磁极面间的气隙长度。

6.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述固定齿在所述定子铁心的内圆处与所述线槽对应，并且相邻两个固定齿的相邻边互相平行。

7.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述转子盘和/或所述支撑盘上设有通风口，通过所述转子盘的旋转产生的空气压力差，冷空气从所述通风口导入所述电机内部，将热空气排出所述电机。

8.根据权利要求3所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述轴承单元为深沟球轴承与单列角接触球轴承的串联组合中，所述单列角接触球轴承位于所述定子铁心一侧，其外圈直径大于所述深沟球轴承的外圈直径，或所述深沟球轴承与所述单列角接触球轴承的外圈直径相同并在两个轴承的外圈间设置垫圈。

9.根据权利要求3所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述轴承单元为两个单列角接触球轴承的串联组合中，两个所述单列角接触球轴承同向排列，并在两具轴承的内圈间设置弹性垫圈，所述转子盘受到的磁拉力通过弹性垫圈由两个所述单列角接触球轴承共同分担。

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