CN106385135B - 一种节能型电动自行车轮毂电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能型电动自行车轮毂电机，包括主轴、轮毂和端盖，所述轮毂通过第一轴承套在主轴上，端盖通过第二轴承套在主轴上，所述轮毂通过减速机构与太阳轮齿圈连接，太阳轮齿圈固定在电机上，通过电机带动太阳轮齿圈转动，从而通过减速机构带动轮毂转动。本发明在保持通轴结构前提下，采用粉末冶金齿轮与工程塑料齿轮相啮合的两级减速行星齿轮机构，保证了轮毂电机结构的可靠性，有效地降低了传动噪声，又能使盘式无铁芯直流电机的高速性能得到充分发挥，盘式无铁芯电机在低扭矩阶段的高效率特性，大幅提高了电动自行车的续行里程。

Description

一种节能型电动自行车轮毂电机

技术领域

本发明涉及一种节能型电动自行车轮毂电机，其驱动电机为盘式无铁芯直流电机，属于电动机领域。

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。这种轮毂电机的驱动电机实质上就是直径减小了的低速轮毂电机，在低扭矩时效率较低，一般只在功率要求不高的轻型助动型电动自行车上使用。

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，大量的热量被封闭在转子盘内，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无需充气的实心轮胎。

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，本发明提供一种节能型电动自行车轮毂电机，其驱动电机为盘式无铁芯直流电机，采用本发明的节能型电动自行车轮毂电机后，自行车仍具有良好的蹬踏骑行功能，在纯电力驱动状况下的续行里程，比目前市售的电动自行车有了大幅度的提高。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种节能型电动自行车轮毂电机，包括主轴、轮毂和端盖，所述轮毂通过第一轴承套在主轴上，端盖通过第二轴承套在主轴上，轮毂与端盖通过螺丝连接，所述轮毂通过减速机构与太阳轮齿圈连接，太阳轮齿圈固定在电机上，通过电机带动太阳轮齿圈转动，从而通过减速机构带动轮毂转动；所述减速机构包含行星架、中心轮和若干个行星轮，所述行星轮为双联齿轮，行星轮包含第一行星齿轮和第二行星齿轮，所述中心轮安装在轮毂的内侧，所述行星架套在主轴上，行星架上设有若干个环形分布的定轴，行星轮通过第三轴承套在定轴上，第一行星齿轮和第二行星齿轮的中心均设有安装第三轴承的轴承室，轴承室设有凸挡，作为两侧的第三轴承的定位靠山，第一行星齿轮与太阳能齿圈啮合，第二行星齿轮与中心轮啮合

作为优选，所述太阳轮齿圈包含轮齿和与轮齿同轴的安装圈，安装圈固定在电机上，所述行星架套装在主轴上，在其中心孔开有键槽，由第一轴承及主轴上的凸挡作定位靠山，通过轴销与主轴锁定。

作为优选，所述电机包含定子盘，所述主轴上依次套有第四轴承、定子盘和第五轴承，第四轴承和第五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，第一凹槽内安装有第一永磁体，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。

作为优选，所述电机为单元层叠结构形式的盘式无铁芯直流电机，包含若干个定子盘，所述主轴上依次套有第四轴承、至少两个定子盘和第五轴承，第四轴承和第五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间夹装有至少一个第三转子盘，并定位于两个定子盘中间，第一转子盘和第二转子盘的内侧分别设有第一凹槽，第一凹槽内安装有第一永磁体，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，在第三转子盘的两面上均设有第二凹槽，第二凹槽内均安装有第二永磁体，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，由定子盘、线圈、第一转子盘、第三转子盘、第一永磁体、第二永磁体组成第一动力单元，由定子盘、线圈、第二转子盘、第三转子盘、第一永磁体、第二永磁体组成第二动力单元，由定子盘、线圈、两个第三转子盘、第二永磁体组成至少一个第三动力单元，各动力单元的线圈与用于电力和信号传输的电缆线束连接。

作为优选，所述限位装置包含内圈挡边、外圈挡边、内压圈、外压圈和环形电路板，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外压圈、内压圈或环形电路板，通过内圈挡边、外圈挡边、外压圈、内压圈或环形电路板限制线圈的轴向位移。

作为优选，所述定子盘在安装环形电路板的一面顺序设有三个第三凹槽，第三凹槽排列在相邻两梨形孔之间位于定子盘的圆心一侧，第三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，即三角形内孔沿永磁体直径方向上的长度。

作为优选，所述第一转子盘和第二转子盘上均设有散热孔。

作为优选，所述第一永磁体或第二永磁体为扇形钕铁硼永磁材料，其径向长度即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，所述第一永磁体或第二永磁体均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：本发明的节能型电动自行车轮毂电机，在保持通轴结构前提下，采用行星轮为双联齿轮的两级减速行星齿轮机构，保证了轮毂电机结构的可靠性，行星减速机构的安装更加简便；其驱动电机采用的盘式无铁芯直流电机，具有低扭矩状况下的高效率特性，使本发明的轮毂电机更适应电动自行车的骑行特点，续行里程较目前的市售电机有大幅提高，并且在山区和丘陵区，可以采用单元层叠结构的盘式无铁芯直流电机为驱动电机，增强电动自行车的爬坡能力，其续行里程仍会有大幅的提高。

附图说明

图1是本发明节能型电动自行车轮毂电机结构示意图。

图2是本发明节能型电动自行车轮毂电机结构三维立体剖示图。

图3是本发明节能型电动自行车轮毂电机一个动力单元的电机结构示意图。

图4是本发明节能型电动自行车轮毂电机两个动力单元的电机结构示意图。

图5是本发明节能型电动自行车轮毂电机行星减速机构三维立体剖示图。

图6是本发明节能型电动自行车轮毂电机的驱动电机侧视图。

图7是本发明节能型电动自行车轮毂电机的定子盘示意图。

图8是本发明节能型电动自行车轮毂电机的线圈、霍尔传感器及环形电路板安装示意图。

图9是本发明节能型电动自行车轮毂电机行星架与单向超越离合器组合示意图。

图10是本发明节能型电动自行车轮毂电机的线圈通电后的外部磁场分析图。

图11是本发明节能型电动自行车轮毂电机的相邻永磁体间隙调整测试的扭矩效率图。

图12是本发明节能型电动自行车轮毂电机与市售有铁芯轮毂电机的扭矩－功率－效率－转速对比图。

图13是本发明节能型电动自行车轮毂电机两种动力模式下的扭矩效率曲线图。

具体实施方式

如图1至图8所示，本发明的一种节能型电动自行车轮毂电机，包括主轴2、轮毂3和端盖4，所述轮毂3通过第一轴承5套在主轴2上，端盖4通过第二轴承51套在主轴2上，轮毂3和端盖4通过螺丝连接，所述轮毂3通过减速机构与太阳轮齿圈6连接，太阳轮齿圈6固定在电机1上，通过电机1带动太阳轮齿圈6转动，从而通过减速机构带动轮毂3转动；所述减速机构包含行星架7、中心轮8和若干个行星轮9，所述中心轮8安装在轮毂3的内侧，所述行星架7套在主轴2上，行星架7上设有若干个环形分布的定轴10，行星轮9通过两个第三轴承11套在定轴10上，由卡簧12限位固定，行星轮9为双联齿轮，行星轮9包含第一行星齿轮和第二行星齿轮，第一行星齿轮与太阳能齿圈6啮合，第二行星齿轮与中心轮8啮合，构成了两级减速的定轴行星齿轮减速机构，其减速机构使用固体润滑油进行润滑。

在本发明中，所述太阳轮齿圈6包含轮齿和与轮齿同轴的安装圈，安装圈固定在电机1上，所述行星架7套装在主轴2上，在其中心孔开有键槽，由第一轴承5及主轴2上的凸挡作定位靠山，通过轴销13与主轴2锁定；所述太阳轮齿圈6和中心轮8为钢质或粉末冶金材质；所述行星轮9是由大齿盘即第一行星齿轮和小齿盘即第二行星齿轮组合成一体的双联齿轮，为强度高耐磨性好的尼龙或聚甲醛等工程塑料压铸制成，其内芯有金属材质衬套14，衬套14位于大齿盘和小齿盘的位置均设有安装第三轴承11的轴承室，轴承室间设有凸挡，作为两侧的第三轴承11的定位靠山。

在本发明中，所述电机1包含定子盘15，所述主轴2上依次套有第四轴承16、定子盘15和第五轴承17，第四轴承16和第五轴承17上分别套有第一转子盘18和第二转子盘19，所述第一转子盘18和第二转子盘19上均设有散热孔20，有利于消散电机1工作时所产生的热量，第一转子盘18和第二转子盘19的内侧分别设有第一凹槽，第一凹槽内安装有第一永磁体21，第一转子盘18外侧与太阳轮齿圈6固定连接，通过太阳轮齿圈6输出扭矩，所述定子盘15上设有若干个环形分布的用于安装线圈22的梨形孔23，线圈22通过限位装置固定在梨形孔23内，所述线圈22为圆铜漆包线绕制的空心线圈，其内孔形状为三角形，其外圈形状为与梨形孔23匹配的形状，线圈22与用于电力和信号传输的电缆线束24连接。

在本发明中，所述电机1还可以为单元层叠结构形式盘式无铁芯直流电机，包含若干个定子盘15，所述主轴2上依次套有第四轴承16、至少两个定子盘15和第五轴承17，第四轴承16和第五轴承17上分别套有第一转子盘18和第二转子盘19，第一转子盘18和第二转子盘19之间夹装有至少一个第三转子盘25，并定位于两个定子盘15中间，第一转子盘18和第二转子盘19的内侧分别设有第一凹槽，第一凹槽内安装有第一永磁体21，第一转子盘18的外侧与太阳轮齿圈6固定连接，通过太阳轮齿圈6输出扭矩，在第三转子盘25的两面上均设有第二凹槽，第二凹槽内均安装有第二永磁体26，所述定子盘15上设有若干个环形分布的用于安装线圈22的梨形孔23，线圈22通过限位装置固定在梨形孔23内，由定子盘15、线圈22、第一转子盘18、第三转子盘25、第一永磁体21、第二永磁体26组成第一动力单元，由定子盘15、线圈22、第二转子盘19、第三转子盘25、第一永磁体21、第二永磁体26组成第二动力单元，由定子盘15、线圈22、两个第三转子盘25、第二永磁体26组成至少一个第三动力单元，各动力单元的线圈22与用于电力和信号传输的电缆线束24连接。

在本发明中，所述限位装置包含内圈挡边27、外圈挡边28、内压圈29、外压圈30和环形电路板31，所述定子盘15的一面延伸有内圈挡边27和外圈挡边28，定子盘15另一侧安装有外压圈30、内压圈29或环形电路板31，通过内圈挡边27、外圈挡边28、外压圈30、内压圈29或环形电路板31限制线圈22的轴向位移。

在本发明中，所述定子盘15在安装环形电路板31的一面顺序设有三个第三凹槽32，第三凹槽32排列在相邻两梨形孔23之间位于定子盘15的圆心一侧，第三凹槽32内安装霍尔传感器33，霍尔传感器33的管脚与固定在定子盘15上的环形电路板31焊接，环形电路板31与电缆线束24连接。

在本发明中，所述第一永磁体21和第二永磁体26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22的径向直径即长直径的0.5-0.8倍。所述第一永磁体21和第二永磁体26均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。

在本发明中，所述第一转子盘18和第二转子盘19由铁质材料制成，其外形为平底碗状，第一转子盘18的轴承室由固定在其外侧的太阳轮齿圈6作为轴承挡；第二转子盘19的轴承室设有轴承挡。

在本发明中，第三转子盘25为套装在圆形套圈34中间的铁质环形盘，夹装在第一转子盘18和第二转子盘19之间，并定位于两个定子盘15的中间，圆形套圈34与第一转子盘18和第二转子盘19套合连接；第三转子盘25的两圆环面均设有第四凹槽，第四凹槽为环形槽，第二永磁体26相互吸合安装在第三转子盘25的两圆环面的环形槽内。

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22与永磁体的最经济有效的组合。如图10，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的径向长度(扇形磁铁的内外半径差)、尽可能减小线圈22空心部分的面积。

减小扇形永磁体的径向长度，会产生部分磁通损失，下表为永磁体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，三角形空心的径向长度9.6mm，扇形永磁体内、外直径平均值68mm)。从表1的对比数据可以看出，随着永磁体的径向长度的减小，线圈22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

永磁体径向长度(扇形永磁体的内外半径差)小于线圈22的径向直径的技术方案，为固定线圈22而设置限位装置提供了必要的空间，两者的比例关系，如取永磁体径向长度为0.9D，限位装置与线圈22的叠压宽度小于0.05D，固定效果较差；而取永磁体径向长度小于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，正确处理好永磁体径向长度与线圈22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。

实施例一

盘式无铁芯直流电机，绕组由6个线圈20组成，线圈20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个第一永磁体21单元的内、外直径平均值68mm，轴向高度6mm，径向长度20mm，轮毂采用减速比为1:8.74的行星减速机构两级减速，第一永磁体21的圆心角分别取45°、41°、38°进行对比测试；图11为扭矩与效率曲线图，a为永磁体圆心角为45°时扭矩与效率的曲线图，b为永磁体圆心角为41°时扭矩与效率的曲线图，c为永磁体圆心角为38°时扭矩与效率的曲线图，从图11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22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15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22，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15的空间。线圈22的三角形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15直径的大小、绕组的线圈22数量等因素决定，经反复绕制和测试，线圈22的三角形内孔位于定子盘15内侧的内角小于60°，三角形内孔的径向长度小于线圈22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15的空间利用及磁场向线圈22中心集聚的要求。

实施例二

盘式单元层叠无铁芯直流电机，每个定子盘上的绕组由6个线圈22组成，线圈22的径向直径为D＝32mm，高10.0mm，铜漆包线线径0.60mm，三角形空心径向长度9.6mm，每个转子盘上的8个永磁体单元的内、外直径平均值68mm，轴向高度6mm，径向长度20mm，扇形永磁体的圆心角为41°，轮毂采用减速比为1:8.74的行星减速机构两级减速，进行对比测试；图13中d为第一动力单元单独工作时扭矩与效率的曲线图，e为第一动力单元和第二动力单元同时工作时扭矩与效率的曲线图，图13示出了本发明盘式单元层叠无铁芯直流电机在本实施例中第一动力单元工作和第一第二单元同时工作时的扭矩效率曲线图，从扭矩效率曲线上看，一个动力单元驱动轮毂时，在扭矩较小时就能达到高效率，第一、第二动力单元同时工作驱动轮毂时，在很宽泛的扭矩区间里效率保持在80％以上。另外从图13中还可以发现，两个动力单元同时工作，即使在低扭矩阶段，电机也能保持高效率，因此采用多单元层叠的盘式层叠无铁芯直流电机，具有更高的额定功率、更大的扭矩输出和更宽泛的高效区间。

实施例三

一款安装在前轮开档为100mm的自行车上的节能型电动自行车轮毂电机，其辐条安装孔的节圆直径143mm，行星齿轮机构减速比为1:7.9，其中太阳轮齿圈6和中心轮8为粉末冶金材质，双联结构行星轮9为尼龙材料压铸成型；驱动电机采用图3所示的盘式无铁芯直流电机，电机输入电压48V，盘式电机空载转速2780rpm，轮毂电机空载转速348rpm，最佳效率点功率240W。轮毂电机的轮毂3的侧面设置有蝶刹安装孔及坚固螺丝35，在主轴2上于第一轴承5及第二轴承51的外侧套装有防水密封圈36，提高了轮毂电机的防水性能。如图9所示，行星架的中心嵌装有单向超越离合装置，基本消除了在人力骑行自行车时的减速机构的齿轮摩擦阻力，行驶途中无电状态时滑行距离更长。该轮毂电机配置在轮径为20英寸的自行车前轮上，电源电压48V时纯电力骑行，平坦城市道路满电工况时最大时速25Km/h，仪表显示平均工作电流约为3.8A，与市售同类型电动自行车5A-6A工作电流相比，节能效果明显。

本发明节能型电动自行车轮毂电机，电气性能优越，除了传统电机结构简单、运行可靠、体积小、效率高、调速性能好等优点外，由于驱动电机采用了盘式无铁芯结构，电机重量轻，高速性能好，空载电流小且无磁滞阻力，从而使电动自行车具有良好的蹬踏骑行功能；在保持通轴结构前提下，采用两级减速行星齿轮机构，既保证了轮毂电机结构的可靠性，又能使盘式无铁芯直流电机的高速性能得到充分发挥；并且行星齿轮减速机构中，可采用了粉末冶金齿轮与工程塑料齿轮相啮合的形式，还能有效地降低传动噪声。

本发明的轮毂电机更适应电动自行车的骑行特点，续行里程较目前的市售电机有大幅提高，并且在山区和丘陵区，可以采用单元层叠结构的盘式无铁芯直流电机为驱动电机，增强电动自行车的爬坡能力，其续行里程仍会有大幅的提高。

本发明的盘式无铁芯直流电机驱动的轮毂电机，电源电压为48V的单动力状态时的空载电流仅有0.4A，低扭矩状况下就能达到高效率，图12中P₁、N₁、η₁分别为本发明的装置扭矩与功率、扭矩与转速和扭矩与效率的曲线图，P₂、N₂、η₂分别为市面上采购的电机的扭矩与功率、扭矩与转速和扭矩与效率的曲线图，如图12所示，功率在75W时效率就能达到75％，在电动自行车正常骑行所需的80－150W的功率区间，本发明的轮毂电机均能以80％左右的高效率运行，与市售的轮毂电机相比，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，在城市拥堵路段骑行时优势更加明显；采用单元层叠结构的盘式无铁芯直流电机为驱动电机的电动自行车，爬坡能力强，更适合在山区和丘陵区骑行，续行里程的优势也很突出。另外本申请的发明人对采用本发明的盘式无铁芯直流电机驱动的轮毂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 (8)

1.一种节能型电动自行车轮毂电机，其特征在于：采用盘式无铁芯直流电机作为驱动电机，包括主轴、轮毂和端盖，所述轮毂通过第一轴承套在主轴上，端盖通过第二轴承套在主轴上，轮毂与端盖通过螺丝连接，所述轮毂通过减速机构与太阳轮齿圈连接，太阳轮齿圈固定在电机上，通过电机带动太阳轮齿圈转动，从而通过减速机构带动轮毂转动；所述减速机构包含行星架、中心轮和若干个行星轮，所述行星轮为双联齿轮，行星轮包含第一行星齿轮和第二行星齿轮，所述中心轮安装在轮毂的内侧，所述行星架套在主轴上，行星架上设有若干个环形分布的定轴，行星轮通过第三轴承套在定轴上，第一行星齿轮和第二行星齿轮的中心均设有安装第三轴承的轴承室，轴承室设有凸挡，作为两侧的第三轴承的定位靠山，第一行星齿轮与太阳轮齿圈啮合，第二行星齿轮与中心轮啮合；所述主轴上套有第四轴承和第五轴承，第四轴承和第五轴承上分别套有第一转子盘和第二转子盘，电机内部结构包围在第一转子盘和第二转子盘所形成的内部空间内；所述电机包含定子盘，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；所述限位装置包含内圈挡边、外圈挡边、内压圈、外压圈和环形电路板，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外压圈、内压圈或环形电路板，通过内圈挡边、外圈挡边、外压圈、环形电路板限制线圈的轴向位移。

2.根据权利要求1所述的节能型电动自行车轮毂电机，其特征在于：所述太阳轮齿圈包含轮齿和与轮齿同轴的安装圈，安装圈固定在电机上；所述行星架套装在主轴上，在其中心孔开有键槽，由第一轴承及主轴上的凸挡作定位靠山，通过轴销与主轴锁定。

3.根据权利要求1所述的节能型电动自行车轮毂电机，其特征在于：所述主轴上依次套有第四轴承、定子盘和第五轴承，第四轴承和第五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，第一凹槽内安装有第一永磁体，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，所述线圈与用于电力和信号传输的电缆线束连接。

4.根据权利要求1所述的节能型电动自行车轮毂电机，其特征在于：所述电机为单元层叠结构形式的盘式无铁芯直流电机，包含若干个定子盘，所述主轴上依次套有第四轴承、至少两个定子盘和第五轴承，第四轴承和第五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间夹装有至少一个第三转子盘，并定位于两个定子盘中间，第一转子盘和第二转子盘的内侧分别设有第一凹槽，第一凹槽内安装有第一永磁体，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，在第三转子盘的两面均设有第二凹槽，第二凹槽内均安装有第二永磁体，由定子盘、线圈、第一转子盘、第三转子盘、第一永磁体、第二永磁体组成第一动力单元，由定子盘、线圈、第二转子盘、第三转子盘、第一永磁体、第二永磁体组成第二动力单元，由定子盘、线圈、两个第三转子盘、第二永磁体组成至少一个第三动力单元，各动力单元的线圈与电缆线束连接。

5.根据权利要求3或4所述的节能型电动自行车轮毂电机，其特征在于：所述定子盘在安装环形电路板的一面顺序设有三个第三凹槽，第三凹槽排列在相邻两梨形孔之间位于定子盘的圆心一侧，第三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。

6.根据权利要求3或4所述的节能型电动自行车轮毂电机，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。

7.根据权利要求3或4所述的节能型电动自行车轮毂电机，其特征在于：所述第一永磁体或第二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。

8.根据权利要求3或4所述的节能型电动自行车轮毂电机，其特征在于：所述第一永磁体或第二永磁体均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。