CN111630758B - 紧凑型齿轮马达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种齿轮马达，该齿轮马达包括无刷电动马达、行星减速齿轮(R)和旋转地连接到行星减速齿轮(R)的输出轴(A)，所述电动马达(M)包括定子(8)和布置在所述定子(8)内部的转子(10)。根据本发明，转子(10)可以通过转子(10)围绕纵向轴线(X)旋转。减速齿轮(R)至少部分地容纳在转子(10)内部，并且包括至少一个第一太阳齿轮(24)、与第一太阳齿轮(24)啮合的至少一个第一行星齿轮(27)，以及布置在转子(10)内部并与第一行星齿轮(27)啮合的外齿圈(34)，第一太阳齿轮(24)和第一行星齿轮(27)由转子(10)驱动旋转，此外，齿轮马达包括定心轴(38)，该定心轴沿纵向轴线(X)延伸并穿过定子(8)和转子(10)，并且引导转子(10)、第一太阳齿轮(24)和第一行星齿轮(27)以及输出轴(A)的旋转。

Description

紧凑型齿轮马达
技术领域
本发明涉及一种齿轮马达，该齿轮马达包括无刷马达和减速齿轮，该齿轮马达提供了紧凑的尺寸。
背景技术
在汽车工业中，使用以开/关模式控制或由电动马达按比例控制的阀。这些阀例如用于管理冷却液、燃料、机油等的供应。
寻求使用具有紧凑尺寸的电动马达以适合于集成在机动车辆中。
此外，寻求生产具有足够的输出转速和足够的转矩的电动马达。
可以使用在电动马达的输出处连接到减速齿轮的、具有高输出转速和低转矩的电动马达，该电动马达使得可以降低总输出速度并增大转矩。
然而，使用减速齿轮会大大增加尺寸。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种齿轮马达，该齿轮马达具有紧凑的尺寸，同时能够产生足够的输出转矩。
上述目的通过一种齿轮马达来实现，该齿轮马达包括无刷马达和集成在马达中的行星减速齿轮，使得齿轮马达的尺寸由电动马达的转子和定子的尺寸限定。
行星减速齿轮包括容纳在转子中的齿圈，该齿圈包含行星减速齿轮的一组元件。
齿轮马达提供高的集成度。
减速齿轮和电动马达的元件优选地布置成使得电动马达的轴与齿轮马达的输出轴对齐。
非常有利地，齿轮马达包括单个定心轴，该定心轴使减速齿轮的元件相对于转子居中，并且转子和减速齿轮元件围绕该定心轴旋转。它限制了减速齿轮的磨损。此外，它便于组装。在为塑料减速齿轮元件的情况下，它还使得可以在元件之间提供足够的游隙，以使它们正确啮合。
此外，由于减速齿轮的可旋转元件围绕该直径较小且长度较大的轴旋转，因此使用单个轴使得可以大大减少损耗，从而获得能确保令人满意的引导的直径/长度比等。
有利的是，减速齿轮的全部或某些部分由塑料制成。外齿圈可以有利地与齿轮马达壳体的一部分制成一体件。
电动马达优选是三相马达，并且定子包括至少三个线圈。
可以根据转子的周长来设置齿轮马达的机械输出功率及其效率，并且根据减速比来确定所获得的转矩。
然后，本发明的一个主题是一种齿轮马达，该齿轮马达包括无刷电动马达、行星减速齿轮和旋转地固定到该行星减速齿轮的输出轴，该电动马达包括定子、布置在定子中的转子，所述转子适合于由转子围绕纵向轴线旋转，所述减速齿轮至少部分地容纳在转子中，所述减速齿轮包括至少一个第一太阳齿轮、与所述第一太阳齿轮啮合的至少一个第一行星齿轮，以及布置在转子中并与第一行星齿轮啮合的外齿圈，第一太阳齿轮和第一行星齿轮通过转子旋转。齿轮马达包括定心轴，该定心轴沿纵向轴线延伸并横穿定子、转子，并引导转子、第一太阳齿轮和第一行星齿轮以及输出轴旋转。
在有利的示例中，齿轮马达包括外壳，在该外壳中容纳有电动马达和行星减速齿轮，所述外壳包括彼此接合的第一部分和第二部分，以限制电动马达和行星减速齿轮，第二部分包括由输出轴横穿的通道，并且第一部分包括接纳定心轴的纵向端部的容置部，定心轴的另一纵向端部被接纳在形成在输出轴中的容置部中。
例如，齿圈固定到第二部分。有利地，外齿圈与第二部分制成一体件。
例如，第一太阳齿轮旋转地固定到直接由转子驱动的轮毂上，并且第一行星齿轮由容纳在转子中的行星齿轮架板承载。
在特定示例中，减速齿轮包括第二太阳齿轮和至少一个第二行星齿轮，该第二太阳齿轮旋转地固定到第一行星齿轮架板，并且该至少一个第二行星齿轮机械地连接到输出轴。
减速齿轮可以包括第二行星轮架板，该第二行星齿轮架板承载第二行星齿轮，并且输出轴旋转地固定到该第二行星轮架板。
有利地，定心轴也横穿第一行星齿轮架板，所述行星齿轮架板相对于定心轴自由旋转。
减速齿轮可以包括三个第一行星齿轮和三个第二行星齿轮。
有利地，第一行星齿轮架板和/或第二行星齿轮架板、第一太阳齿轮和/或第二太阳齿轮和/或第一行星齿轮和/或第二行星齿轮和/或输出轴和/或外壳由塑料制成。
有利地，电动马达具有在4mm至7.3mm之间的比πD/Np，D是转子磁体的外直径，并且Np是转子的极数，且Np大于10。
齿轮马达有利地包括角度输出轴位置传感器，该角度输出轴位置传感器包括与输出轴旋转固定的至少一个磁体以及用于检测所述磁体的磁场的检测装置。
本发明的另一主题是一种系统，该系统包括至少一个比例阀或开/关阀和根据本发明的控制所述阀的齿轮马达。
本发明还涉及一种机动车辆，该机动车辆包括至少一个根据本发明的齿轮马达和/或至少一个根据本发明的系统。
附图说明
基于以下对附图的描述，将更清楚地理解本发明，在附图中：
-图1是根据本发明的实施例的示例的齿轮马达的侧视图，外壳被透明地表示，
-图2是图1中的齿轮马达的透视图，外壳被部分地表示并且被透明地表
-图3A是图1中的齿轮马达的分解图，
-图3B是图1中的齿轮马达的有利的替代性实施例的纵向截面图，
-图4A是图1中的驱动齿轮马达通过盖子的视图，
-图4B是安装在电子板上的定子和转子的俯视图。
具体实施方式
在图1和图2中，可以从外部看到根据本发明的齿轮马达的示例。
齿轮马达沿纵向轴线X延伸。它包括外壳2，在该外壳2中容纳有电动马达M和行星减速齿轮R。外壳2保护马达和减速齿轮免受外部环境的影响。齿轮马达在其纵向端部处包括输出轴A，该输出轴A经由开口3从外壳2突出。
在下文的描述中，包括输出轴A的齿轮马达的纵向端部将被称为“下游端部”，齿轮马达的另一纵向端部将被称为“上游端部”。可以使用术语“上游”或“下游”来标记齿轮马达的不同元件相对于这些端部的取向。
在图3A中，沿着轴线X可以看到齿轮马达的分解图，而在图3B中，可以看到图1中的齿轮马达的替代性实施例的纵向截面图，其与图1中的齿轮马达非常相似。
外壳2包括壳体4和封闭该壳体的盖子6。
电动马达是无刷马达，其包括定子8、布置在定子8中的转子10和电子板16。
定子8包括容纳在一叠片材14中的线圈12。定子具有本领域技术人员公知的结构。优选地，电动马达是三相电动马达，其包括多个线圈12，线圈数是围绕轴线X规则地成角度分布的三个的倍数。
在图4A中，可以看到定子8的俯视图。在图4B中，定子8安装在电子板16上，线圈的销12.1例如通过焊接或通过压配合连接到该电子板16上，并且该电子板16用于控制转子。
转子10安装在定子的内部。它具有套筒的形状，并且旨在在定子中围绕轴线X旋转。转子由永磁体形成，该永磁体包括多个极对，例如4至40个极对。转子10通过由流过定子8绕组的电流产生的磁场而围绕轴线X旋转。
减速齿轮R包括轮毂20，该轮毂20围绕轴线X旋转地固定到转子10。在所示的示例中，轮毂具有圆盘的形状，该圆盘设置有四个凸耳，该四个凸耳径向向外突出并与凹口接合，该凹口形成于转子的气缸头25中，该气缸头25紧固到转子10的上游轴向端部，从而确保转子10和轮毂20的刚性的旋转连接。转子和轮毂的刚性的旋转连接可以通过其他方式进行，例如通过将气缸头25与轮毂20进行机械压接，或直接通过围绕气缸头25包覆模制来将轮毂20刚性地连接。
轮毂20包括与朝向壳体取向的面相对的下游面，小齿轮形成减速齿轮R的第一太阳齿轮。因此，第一太阳齿轮24直接通过轮毂20旋转。
减速齿轮还包括第一行星齿轮架板26和三个第一行星齿轮27，该三个第一行星齿轮27围绕平行于轴线X的轴旋转地安装在第一行星齿轮架板26的上游面上。第一行星齿轮27与第一太阳齿轮24啮合。第二太阳齿轮28与第一行星齿轮架板26旋转地固定，并在轴线X上布置在第一行星齿轮架板26的下游面上，该下游面与承载第一行星齿轮27的上游面相对。
减速齿轮包括第二行星齿轮架板30和三个第二行星齿轮32，该三个第二行星齿轮32围绕平行于轴线X的轴32.1(图2)旋转地安装在第二行星齿轮架板30的上游面上。第二太阳齿轮28与第二行星齿轮32啮合。
有利地，第一行星齿轮27和第二行星齿轮32是相同的，这使得可以简化齿轮马达的制造。
齿轮马达的输出轴A与第二行星齿轮架板30旋转地固定，并从第二行星齿轮架板30的下游面突出，该下游面与承载第二行星齿轮32的上游面相对。在所示示例中，输出轴A在其下游端部处包括星形腔室，该腔室用于连接到要被驱动的外齿轮马达。根据所需的连接类型，输出轴的下游端部可以具有其他形状。输出轴A可由形成在盖子中的开口3的轮廓来引导旋转。
减速齿轮还包括轴线X的外齿圈34，该外齿圈34布置在转子10的内部并且在第一行星齿轮27和第二行星齿轮32的外部，使得第一行星齿轮27和第二行星齿轮32与外齿圈34啮合。因此，减速齿轮的所有元件都布置在外齿圈34的内部。外齿圈34相对于外壳固定。
非常有利地，外齿圈34例如通过模制与盖子制成一体件。替代性地，外齿圈34通过粘结、通过螺钉等紧固到盖子6。
非常有利地，单个定心轴38穿过减速齿轮R和马达M，并使减速齿轮的不同元件和转子10相对于定子8居中。气缸头25包括横穿第一太阳齿轮的中心通道25.1，该中心通道25.1能够使定心轴38通过。因此，无需使用轴承即可固定转子10与定子8之间的气隙。移除轴承有助于延长齿轮马达的使用寿命。此外，简化了齿轮马达的实施例，并且减小了其质量。
定心轴38在齿轮马达中轴向地和横向地保持。为此，壳体的内部底部包括接纳定心轴38的纵向端部38.1的容置部41，并且第二行星齿轮架板30也包括在第二行星齿轮之间位于第二行星齿轮的上游面上的、接纳定心轴38的另一端部的容置部41。第二行星齿轮架板30通过盖子6中的开口的轮廓由输出轴A引导。定心轴38的另一端部也轴向地和横向地保持。定心轴38固定地安装在壳体4中，例如端部38.1压配合在壳体4的容置部41中。
此外，第一太阳齿轮24和第二太阳齿轮28在其中心处分别包括轴向通道，用于使定心轴38通过。调节容置部40、41和容置部42、44的直径以适应定心轴38的直径，以便确保定心轴38的横向保持和对减速齿轮的不同元件的令人满意的引导。
定心轴38执行对所有可移动元件的引导、重新定心，并且还实现了用于可移动元件的滑动轴承的功能。
定心轴38有利地由金属制成，例如由钢制成，有利地由不锈钢制成，以具有足够的刚性。可以使用磨削操作来精确地设置轴的直径。有利地，定心轴38例如通过机加工以高精度生产。其直径有利地具有20μm的最大公差和5μm的圆柱度。
固定在外壳中的定心轴38与可移动元件之间的游隙有利地在20μm至60μm之间。
壳体和盖子布置成使得容置部40和41确保定心轴38与外齿圈34之间的同轴度。
固定的定心轴的使用和定位精度使得可以非常有利地在定心轴与可围绕该定心轴旋转的元件之间不使用滚珠轴承，定位精度在生产将外齿圈34集成在一起的盖子和壳体时以及在其组装期间可以获得。
该定心轴38的使用使得可以限制减速齿轮的磨损。此外，它便于组装。在为塑料减速齿轮元件的情况下，它还使得可以在元件之间提供足够的游隙，以使它们正确啮合。
有利地，行星齿轮架板上的行星齿轮的轴由钢制成，例如由不锈钢制成，以进一步增强引导并防止行星减速齿轮的齿轮齿磨损(图3B)。
此外，由于减速齿轮的可旋转元件围绕该小直径的轴旋转，因此使用单个轴使得可以大大减少损耗。
将理解的是，可以改变减速齿轮的元件的顺序。实际上，可以设想，轮毂形成行星齿轮架，该行星齿轮架与由行星齿轮架板承载的太阳齿轮接合，然后驱动第二行星齿轮，该第二行星齿轮与旋转地固定到输出轴的第二太阳齿轮接啮合。在该构造中，第一行星齿轮架板26可以被翻转，从而使上游面形成下游面。
有利地，盖子和外齿圈34由塑料材料制成。
盖子6例如通过螺钉37而紧固到壳体。可以设想任何其他的刚性连接方式，甚至是确定的方式。当形状合适时，可以将盖子和壳体拧紧到彼此上，然后提供密封来保护齿轮马达的内部不受外部损坏。
有利地，盖子和壳体通过焊接来固定，例如通过超声焊接来直接使板密封。
非常有利地，为了防止由于由齿轮马达的运行引起的过热而导致齿轮马达中的压力增加，设置用于释放过量压力的装置(未示出)。例如，该装置包括在盖子或壳体中的例如呈方格形式的开口，该开口用例如由制成的透气膜密封并且防止液体进入齿轮马达。该膜例如通过超声焊接。
有利地，定子8的外轮廓成形为与形成在壳体4的底部和盖子6中的螺纹通道39接合，该螺纹通道将定子8保持在壳体中的适当位置。定子8的外轮廓包括凹口，该凹口具有适合于容纳螺纹通道39的尺寸。可以设想其他的保持方式，例如定子可以被紧固到盖子或壳体。
非常有利地，减速齿轮的全部或某些部分由塑料通过模制和/或通过机械加工而制成。第一行星齿轮架板26和第二太阳齿轮28可以通过模制而制成一体件。第二行星齿轮架板30和轴A也可以通过模制而制成一体件。
优选地，第一太阳齿轮24、第二太阳齿轮28、第一行星齿轮27、第二行星齿轮32和外齿圈34由塑料制成。行星齿轮围绕其旋转地安装的轴也有利地通过模制与行星齿轮架板制成一体件。
如上所述，非常有利地，行星齿轮的轴可以由钢制成，例如由不锈钢或提供令人满意的刚度的任何材料制成，并且例如通过包覆模制或通过压入配合而与行星齿轮架组装在一起。
行星齿轮例如被锁定到其轴上。
由于本发明，减速齿轮的高度基本上等于电动马达的高度。因此，齿轮马达的轴向尺寸和横向尺寸都大大减小了。
将理解的是，减速齿轮可包括至少多于三个的第一行星齿轮27和至少多于三个的第二行星齿轮32，例如1、3、4、5……，级数根据所寻求的运动平衡和所涉及的速度来选择。
壳体4和盖子6可以倒置，此时，外齿圈34将被固定到壳体4的底部。
替代性地，外壳包括两个基本对称的部分，这两个部分包括底部和侧壁，其高度基本上等于外壳的总高度的一半。在所示示例中，马达轴和输出轴A对准。
替代性地，对于根据所选择的减速比的第一行星齿轮27和第二行星齿轮32，外齿圈34可包括不同的内直径，和/或外齿圈34可包括沿轴线X的多个重叠部分。
同样替代性地，第一行星齿轮27和/或第二行星齿轮32可具有双齿轮齿，即与太阳齿轮啮合的齿轮齿和与齿圈啮合的齿轮齿。
此外，根据所寻求的输出转矩，减速齿轮可以仅包括单级或两个以上的级。
有利地，齿轮马达包括输出轴A的角度位置传感器，例如有助于建立车载诊断(OBC)，从而可以使马达控制反馈回路由马达控制单元执行，该马达控制单元有利地集成到齿轮马达中。例如，传感器包括例如具有1至4个极的磁体，该磁体有利地在轴的模制期间被集成到输出轴中。磁体的通过由例如安装在盖子上或安装在电动马达控制板上的、对磁体的磁场敏感的元件来检测。在所示示例中，磁体由行星齿轮架承载。
可以根据转子的周长来设置齿轮马达的机械输出功率及其效率，并且根据减速比来确定所获得的转矩。
非常有利地，马达具有极弧，其被定义为在4mm至7.3mm之间的πD/Np比，其中D是磁体的外直径，并且Np是磁体的极数，Np大于10。
本发明使得可以生产紧凑的齿轮马达，例如由于图1至图3A中的减速齿轮，使得该齿轮马达可以被容纳在高度为60mm且横截面为54mm×54mm的壳体中，54mm×54mm是定子的尺寸，考虑到游隙，外壳具有60mm×60mm或62mm×62mm的横截面，并提供0N至0.5N的输出转矩，或者根据供应条件，根据减速比达到4N.m以及在0rpm至30rpm之间的输出轴转速。
此外，根据本发明的齿轮马达一方面由于使用无刷马达并且另一方面由于定心轴能限制减速齿轮元件的磨损而具有较长的使用寿命。
根据本发明的齿轮马达还具有能提供简化的组装以及简化的拆卸的优点。
例如，将定子8围绕外齿圈34安装。然后，通过将例如定心轴的一个端部安装在行星齿轮架中，并然后通过组装承载第一行星齿轮27的行星齿轮架来组装减速齿轮；然后组装转子。最后，将壳体定位并通过螺钉37和/或通过超声焊接将其固定到盖子6上。端部38.1通过力插入到壳体4的容置部40中。
由于根据本发明的齿轮马达的非常紧凑的尺寸，使得根据本发明的齿轮马达可用于驱动任何类型的设备，特别是车载设备。它特别适用于控制用于管理机动车中的流体的流量的阀，这些流体例如水、废气、冷却液、油、燃料、制动液、挡风玻璃清洗液。此外，它还能够对阀进行开/关或按比例控制。
根据本发明的齿轮马达可以用在需要旋转驱动的系统中，例如车窗升降马达，用在泵中，例如油泵、水泵等，或任何其他电动泵中。

Claims (14)

1.一种齿轮马达，所述齿轮马达包括无刷电动马达、行星减速齿轮(R)和旋转地固定到所述行星减速齿轮(R)的输出轴(A)，所述无刷电动马达(M)包括定子(8)、布置在所述定子(8)中的转子(10)，所述转子(10)适合于围绕纵向轴线(X)旋转，所述行星减速齿轮(R)至少部分地容纳在所述转子(10)中，所述行星减速齿轮(R)包括至少一个第一太阳齿轮(24)、与所述第一太阳齿轮(24)啮合的至少一个第一行星齿轮(27)，以及布置在所述转子(10)中并与所述第一行星齿轮(27)啮合的外齿圈(34)，所述第一太阳齿轮(24)和所述第一行星齿轮(27)通过所述转子(10)旋转，其中所述齿轮马达包括定心轴(38)，所述定心轴沿所述纵向轴线(X)延伸并横穿所述定子(8)、所述转子(10)，所述定心轴(38)直接安装在所述转子、所述输出轴和至少所述第一太阳齿轮中，以引导所述转子(10)、所述第一太阳齿轮(24)和所述第一行星齿轮(27)以及所述输出轴(A)的旋转，所述转子相对于所述定心轴(38)自由旋转，所述齿轮马达还包括外壳，在所述外壳中容纳有所述无刷电动马达(M)和所述行星减速齿轮(R)，所述外壳包括彼此接合的第一部分(4)和第二部分(6)，以限制所述无刷电动马达(M)和所述行星减速齿轮(R)，所述第二部分(6)包括由所述输出轴横穿的通道，所述通道的轮廓引导所述输出轴，并且所述第一部分(4)包括接纳所述定心轴(38)的纵向端部(38.1)的容置部(41)，其中，所述容置部(41)是盲孔，所述定心轴(38)的另一纵向端部被接纳在形成在所述输出轴中的容置部(40)中，其中，形成在所述输出轴中的容置部(40)是盲孔。
2.根据权利要求1所述的齿轮马达，其中，所述定心轴(38)被固定地安装在所述外壳的所述第一部分(4)的所述容置部中。
3.根据权利要求2所述的齿轮马达，其中，所述外齿圈(34)被固定到所述第二部分(6)。
4.根据权利要求3所述的齿轮马达，其中，所述外齿圈(34)与所述第二部分(6)制成为一体件。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的齿轮马达，其中，所述第一太阳齿轮(24)旋转地固定到直接由所述转子(10)驱动的轮毂(20)上，并且所述第一行星齿轮(27)由容纳在所述转子(10)中的第一行星齿轮架板(26)承载。
6.根据权利要求5所述的齿轮马达，其中，所述行星减速齿轮包括第二太阳齿轮(28)和至少一个第二行星齿轮(32)，所述第二太阳齿轮旋转地固定到所述第一行星齿轮架板(26)，并且所述至少一个第二行星齿轮机械地连接到所述输出轴(A)。
7.根据权利要求6所述的齿轮马达，其中，所述行星减速齿轮包括第二行星齿轮架板(30)，所述第二行星齿轮架板(30)承载所述第二行星齿轮(32)，并且所述输出轴(A)旋转地固定到所述第二行星齿轮架板。
8.根据权利要求7所述的齿轮马达，其中，所述定心轴(38)也横穿所述第一行星齿轮架板(26)，所述第一行星齿轮架板(26)相对于所述定心轴(38)自由旋转。
9.根据权利要求7所述的齿轮马达，其中，所述行星减速齿轮包括三个第一行星齿轮(27)和三个第二行星齿轮(32)。
10.根据权利要求7所述的齿轮马达，其中，所述第一行星齿轮架板(26)、所述第二行星齿轮架板(30)、所述第一太阳齿轮(24)、所述第二太阳齿轮(28)、所述第一行星齿轮(27)、所述第二行星齿轮(32)、所述输出轴(A)和/或所述外壳由塑料制成。
11.根据权利要求1所述的齿轮马达，其中，所述无刷电动马达具有在4mm至7.3mm之间的比πD/Np，D是转子磁体的外直径，并且Np是所述转子的极数，并且其中，Np大于10。
12.根据权利要求1至4中的一项所述的齿轮马达，所述齿轮马达包括角度输出轴位置传感器，所述角度输出轴位置传感器包括与所述输出轴旋转固定的至少一个磁体以及用于检测所述磁体的磁场的检测装置。
13.包括至少一个比例阀或开/关阀以及根据权利要求1至12中的一项所述的齿轮马达的系统，所述齿轮马达控制所述比例阀或开/关阀。
14.一种机动车辆，所述机动车辆包括至少一个根据权利要求1至12中的一项所述的齿轮马达和/或至少一个根据权利要求13所述的系统。
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