发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提出一种轮毂电机,能够减小电机重量,从而起到降低成本的目的。
本发明还提出一种具有上述轮毂电机的电动自行车。
根据本发明的第一方面实施例的轮毂电机,包括中轴、外壳、电机和减速机构,所述外壳通过第一轴承和第二轴承与所述中轴转动连接;所述电机设于所述外壳内,所述电机包括转子和定子,所述定子与所述中轴固定连接,所述转子通过第三轴承与所述中轴转动连接;所述减速机构包括一级行星减速系统和二级行星减速系统,所述一级行星减速系统包括第一太阳轮、第一齿圈、第一行星轮、第一行星架,所述第一太阳轮连接所述转子,所述第一齿圈固定于所述外壳,所述第一行星轮分别与所述第一太阳轮、所述第一齿圈啮合;所述二级行星减速系统包括第二太阳轮、第二齿圈、第二行星轮、第二行星架,所述第二太阳轮固定连接于所述第一行星架,所述第二齿圈固定于所述外壳,所述第二行星轮分别与所述第二太阳轮、所述第二齿圈啮合,所述第二行星架与所述中轴固定连接。
根据本发明实施例的轮毂电机,至少具有如下有益效果:使用包括一级行星减速系统和二级行星减速系统的减速机构的最大传动比可大于20,可以大大降低对电机功率和扭矩的需求,同时可以在不改变电机功率和扭矩的情况下,通过调整传动比来匹配不同功率和扭矩要求的电动自行车。进而能够减小电机重量,从而起到降低成本的目的。
根据本发明的一些实施例,所述转子包括永磁体,所述永磁体的材质为铁氧体。
根据本发明的一些实施例,所述第一齿圈和所述第二齿圈为一体结构,或所述第一齿圈和所述第二齿圈通过花键连接。
根据本发明的一些实施例,所述转子设有朝向所述外壳的第一挡圈,所述外壳设有朝向所述转子的第二挡圈,沿所述中轴的轴向,所述第一挡圈和所述第二挡圈至少部分交错,所述转子和所述外壳之间形成封脂腔,所述减速机构位于所述封脂腔内。
根据本发明的一些实施例,所述第二挡圈位于所述第一挡圈与所述中轴之间。
根据本发明的一些实施例,所述第一挡圈位于所述第二挡圈与所述中轴之间。
根据本发明的一些实施例,所述第一挡圈朝向所述外壳的端面设置有容纳槽,部分所述第二挡圈位于所述容纳槽中。
根据本发明的一些实施例,所述定子包括绕组,所述绕组采用截面为非圆形的铝导线。
根据本发明的一些实施例,所述铝导线的截面为方形。
根据本发明的第二方面实施例的电动自行车,包括本发明的第一方面实施例的轮毂电机。
根据本发明实施例的电动自行车,至少具有如下有益效果:使用包括一级行星减速系统和二级行星减速系统的减速机构的最大传动比可大于20,可以大大降低对电机功率和扭矩的需求,同时可以在不改变电机功率和扭矩的情况下,通过调整传动比来匹配不同功率和扭矩要求的电动自行车。进而能够减小电机重量,从而起到降低成本的目的。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,涉及到方位描述,例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,若干的含义是一个或者多个,多个的含义是两个以上,大于、小于、超过等理解为不包括本数,以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中,除非另有明确的限定,设置、安装、连接等词语应做广义理解,所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
助力电动自行车从第一台产品上市销售至今,发展了二十多年,现今已经形成一个巨大的产业。电动自行车不仅用作代步工具,而且也作为运动工具深受广大骑行爱好者的青睐。
助力电动自行车,是一种新型二轮车辆,属于自行车的一种,以电池作为辅助动力来源,安有电机,并具备动力辅助系统,能实现人力骑行和电机助动一体化的新型交通工具。
在助力电动自行车领域,电机安装位置主要分为两种,一种是中置,即电机安装在车身的中间位置,即五通位置的电机,称为中置电机。中置电机与车架连接,并通过链条与后轮进行连接而传递动力,同时电机的两侧安装有脚踏,在电机没有电源的情况下,骑行人员可以通过脚踏实现人力骑行,阻力和正常的自行车没有差别。
另外一种则是安装在自行车的轮毂中,称为轮毂电机。轮毂电机顾名思义就是将电机马达整合在花鼓内部,通电后电机将电能转化为机械能,从而带动车轮旋转,驱动车辆前进。通常都会将轮毂电机安装在后轮,尤其是运动车型,因为相比于前叉,后三角在结构强度上要更加稳定可靠。
轮毂电机的结构比较简单,通常由金属外壳,转轴,线圈,磁钢几部分组成,而中置电机就比较复杂,除了电机本身外,还有离合器,差速器(变速装置),飞轮,传动链条等结构。由于轮毂电机省去了传动结构,它在低速(60km/h)以下的电能转化效率和驱动性能要比中置电机强。同样的电池和电量,轮毂电机可以跑得更远一些。轮毂电机凭借成熟的设计方案和相对低廉的价格、占据了电助力自行车的大半壁江山。
轮毂电机有两种类型:有齿电机也称为齿轮电机(通常是行星齿轮设计)和无齿电机也称直驱式电机。行星齿轮在电机里起到类似杠杆作用,它能够降低转速,放大输出力矩,使小巧轻量的电机也能有强劲的动力输出。无齿轮毂电机的内部结构比较传统,没有复杂的行星减速装置,直接依靠电磁转化产生机械能来驱动车辆。无齿轮毂电机的内部可能没有离合装置(此类电机也被称为直接驱动式)。
参照图1所示,本发明实施例的电动自行车包括车架101、前轮102、后轮103和轮毂电机104,轮毂电机104设置在后轮103上。轮毂电机104可以直接驱动后轮103转动,从而带动整个电动自行车前进。即电动自行车为纯电动的车辆。
需要说明的是,在另外一些实施例中,轮毂电机104还设置在前轮102上。
需要说明的是,在另外一些实施例中,本发明实施例的电动自行车还包括脚踏板、脚踏曲轴和传动链等部件,脚踏曲柄连接脚踏板,并通过链条等传动连接件连接于车轮,以将助力作用传递至车轮。骑行人员在脚踩脚踏板时,将脚踏的动力传递至车轮,最终带动车轮转动。即骑行人员可以通过踏动脚踏板,达到骑行的目的,而轮毂电机104起到辅助驱动的作用。即电动自行车还可以作为自行车、助力自行车使用。
参照图2所示,可以理解的是,相关技术中,一些轮毂电机104由电机201、外壳202、中轴203、第一轴承204和第二轴承205组成。其中电机201由定子206和转子207组成,定子206与外壳202固定连接,转子207与中轴203固定连接。外壳202分别通过第一轴承204和第二轴承205与中轴203连接,使外壳202可绕中轴203自由旋转。
参照图2可以看出,相关技术中的电动车是由轮毂电机104的定子206、转子207直接驱动行驶的,在启动、大负载时电机201均需要提供很大的扭矩,对电机201而言扭矩大意味着体积大,也就意味着重量重用料多,进而导致成本很高。
参照图3和图4所示,可以理解的是,本发明实施例的轮毂电机104包括中轴203、外壳202、电机201、第一太阳轮301、第一齿圈302、第一行星轮303、第一行星架304、第二太阳轮305、第二齿圈306、第二行星轮307和第二行星架308,电机201包括定子206和转子207,定子206与中轴203固定连接,转子207通过第三轴承(图中未示出)与中轴203连接,转子207可绕中轴203自由旋转。其中,定子206与中轴203的固定方式可为花键连接,也可为键连接。
可以理解的是,第一太阳轮301、第一齿圈302、第一行星轮303和第一行星架304组成一级行星减速系统,第二太阳轮305、第二齿圈306、第二行星轮307和第二行星架308组成二级行星减速系统,一级行星减速系统和二级行星减速系统组成了减速机构。
其中,第一太阳轮301转动连接于中轴203,第一太阳轮301作为输入端,连接电机201的输出端,即第一太阳轮301与转子207连接,以使得电机201能够带动第一太阳轮301转动。转子207与第一太阳轮301固定连接,该连接的一种实施方式是螺栓连接,该连接的另一种实施方式是将第一太阳轮301与转子207包塑成型,包塑成型的结构方式可减少零件的数量从而降低成本、减小轴向尺寸。
第一太阳轮301与第一行星轮303啮合,第一行星轮303与第一齿圈302啮合,第一齿圈302与外壳202固定连接,第一行星架304与二级行星减速系统的输入端连接,进而能通过第一行星架304将动力传递至二级行星减速系统。第一行星轮303的数量可为3个或4个或5个,多个第一行星轮303以第一太阳轮301中心为轴线均匀地布置一圈。
参照图5所示,可以理解的是,一级行星减速系统还包括第一行星轴501,第一行星轮303通过第一行星轴501转动连接于第一行星架304,即第一行星轴501固定连接于第一行星架304,第一行星轮303转动连接于第一行星轴501;或者,第一行星轴501转动连接于第一行星架304,第一行星轮303固定连接于第一行星轴501。当电机201运行时,则能通过第一太阳轮301依次带动第一行星轮303和第一行星架304转动,进而通过第一行星架304带动二级行星减速系统转动。
在本实施例中,第一太阳轮301、第一行星轮303均采用直齿轮设置。相对应的,第一齿圈302同样采用直齿设置。应当理解,在其他实施例中,第一太阳轮301、第一行星轮303采用斜齿轮设置,相对应的,第一齿圈302上同样采用斜齿设置。其中,通过斜齿设置能使得一级行星减速系统承受更大的载荷,能提高一级行星减速系统的过载能力,降低噪音以及使得运动更加的平稳。
可以理解的是,第二太阳轮305作为输入端,固定连接于第一行星架304,以使得第一行星架304能够带动第二太阳轮305转动。例如第二太阳轮305与第一行星架304通过螺栓连接、花键连接、过盈连接、焊接等方式固定连接,甚至可以直接加工成一体。
参照图5所示,可以理解的是,二级行星减速系统还包括第二行星轴502,第二行星轮307通过第二行星轴502转动连接于第二行星架308,即第二行星轴502固定连接于第二行星架308,第二行星轮307转动连接于第二行星轴502;或者,第二行星轴502转动连接于第二行星架308,第二行星轮307固定连接于第二行星轴502。第二太阳轮305转动连接于中轴203,第二行星轮307与第二太阳轮305啮合,同时与第二齿圈306啮合,第二齿圈306固定于外壳202,第二行星架308与中轴203固定连接,第二行星架308与中轴203的连接方式可为花键连接,也可通过键进行连接。第二行星轮307的数量可为3个或4个或5个,多个第二行星轮307以第二太阳轮305中心为轴线均匀地布置一圈。
当电机201运行时,则能通过第二太阳轮305依次带动第二行星轮307和第二齿圈306转动,进而通过第二齿圈306带动外壳202转动。第一齿圈302和第二齿圈306可以作为一个整体,也可通过花键固定连接,也即,第一齿圈302和第二齿圈306共同作为输出结构与外壳202连接,为外壳202传动动力。其中,第一齿圈302和第二齿圈306的内径可不同,也可相同。
需要说明的是,第一齿圈302和第二齿圈306与外壳202连接,包括第一齿圈302和第二齿圈306与外壳202直接连接,也包括通过中间件与外壳202间接连接,只要能将动力传递至外壳202进行输出即可。
在本实施例中,第二太阳轮305、第二行星轮307均采用直齿轮设置。相对应的,第二齿圈306同样采用直齿设置。应当理解,在其他实施例中,第二太阳轮305、第二行星轮307采用斜齿轮设置,相对应的,第二齿圈306上同样采用斜齿设置。其中,通过斜齿设置能使得一级行星减速系统承受更大的载荷,能提高一级行星减速系统的过载能力,降低噪音以及使得运动更加的平稳。
可以理解的是,第一太阳轮301和第二太阳轮305通过滚针轴承或球轴承与中轴203连接,使得第一太阳轮301和第二太阳轮305可以绕中轴203自由旋转。
本发明实施例的轮毂电机104的传动比为i=K1*K2+K1+K2,其中,K1为第一齿圈302齿数与第一太阳轮301齿数的比值,K2第二齿圈306齿数与第二太阳轮305齿数的比值。减速机构的最大传动比可大于20,可以大大降低对电机201功率和扭矩的需求,同时可以在不改变电机201功率和扭矩的情况下,通过调整传动比来匹配不同功率和扭矩要求的电动自行车。进而能够减小电机201重量,从而起到降低成本的目的。
相关技术中,带有齿轮减速器的轮毂电机104在电动车上未被大批量使用的原因之一,就是齿轮减速器因润滑不良造成齿轮磨损、失效的风险大,而润滑不良的主要影响因素是润滑脂不足或失效,从而导致带有齿轮减速器的轮毂电机104可靠性差。
参照图6至图8所示,可以理解的是,转子207和外壳202之间形成封脂腔601,减速机构位于封脂腔601内。考虑到第一太阳轮301、第一行星轮303、第一齿圈302、第二太阳轮305、第二齿圈306和第二行星轮307高速旋转时,由于离心力的作用,会将润滑脂甩离,导致润滑不足,因此在转子207上设置第一挡圈602,外壳202上设置第二挡圈603,第一挡圈602朝向外壳202,第二挡圈603朝向转子207,第一挡圈602和第二挡圈603组成封脂腔601的侧壁,起到防止润滑脂外漏的作用,在中轴203的轴向上,第一挡圈602和第二挡圈603为交错布置,能够阻挡被甩离的润滑脂,促使润滑脂留在封脂腔601内,保证减速机构具有充足的润滑,在中轴203的径向上,第一挡圈602和第二挡圈603相互靠近而且不接触,不影响转子207和外壳202各自的独立旋转。
在本实施例中,轮毂电机104运行时,轮毂电机104的定子206通过电磁力作用推动转子207旋转,转子207通过减速机构驱动外壳202旋转,外壳202通过轮辋带动电动车的车轮转动,实现电动车的行驶。减速机构位于转子207与外壳202之间的封脂腔601内,封脂腔601中储存润滑脂,润滑脂涂覆在减速机构的表面以提供润滑,转子207的第一挡圈602与外壳202的第二挡圈603在轴向上交错,形成阻挡结构,能够防止润滑脂被甩出封脂腔601,使得润滑脂留在封脂腔601中以润滑减速机构,提升润滑效果,避免减速机构因润滑不足而发生磨损、失效等可靠性问题,提高轮毂电机104的运行可靠性,提高电动车的使用可靠性。
参照图6所示,可以理解的是,在中轴203的轴向上,第一挡圈602和第二挡圈603为交错布置,而且交错的长度尺寸定义为L,L即为第一挡圈602和第二挡圈603重叠的长度,设定L≥0.1mm,考虑到第一挡圈602与第二挡圈603是不接触的,交错的长度尺寸L设定在0.1mm或以上,形成有效的阻挡,防止润滑脂从第一挡圈602与第二挡圈603之间的缝隙漏走。
参照图6所示,可以理解的是,在中轴203的径向上,第一挡圈602位于第二挡圈603的外侧,第二挡圈603更加靠近中轴203。润滑脂被甩离后,先接触第二挡圈603,再接触第一挡圈602,而且第一挡圈602与第二挡圈603是交错的,能够限制被甩离的润滑脂,使得润滑脂留在封脂腔601内。
可以理解的是,第一挡圈602的内壁直径定义为D1,第二挡圈603的外壁直径定义为D2,考虑到轮毂电机104运行时,转子207和外壳202均是高速旋转的,而且转子207和外壳202转速不同,因而D1和D2满足(D1-D2)/≥0.5mm,才能保证第一挡圈602与第二挡圈603在旋转时不会发生摩擦碰撞,此外D1和D2满足(D1-D2)/≤2.0mm,才能提供有效的阻挡,有利于减少润滑脂从封脂腔601中漏走,经过推算设定为1mm≤D1-D2≤4mm,第一挡圈602与第二挡圈603之间的缝隙既能防止润滑脂漏走,又不会产生干涉摩擦。
参照图7所示,可以理解的是,在中轴203的径向上,也可以是第二挡圈603位于第一挡圈602的外侧,第一挡圈602更加靠近中轴203。润滑脂被甩离后,先接触第一挡圈602,再接触第二挡圈603,而且第一挡圈602与第二挡圈603是交错的,能够限制被甩离的润滑脂,使得润滑脂留在封脂腔601中。
参照图8所示,可以理解的是,第一挡圈602具有两个边板,在两个边板之间形成容纳槽801,容纳槽801位于第一挡圈602朝向外壳202的端面,由于第一挡圈602和第二挡圈603为交错布置,部分第二挡圈603伸入容纳槽801中,第一挡圈602和第二挡圈603配合组成双层阻挡,能够更加有效的阻挡被甩离的润滑脂。此外,第二挡圈603部分伸进容纳槽801中,第一挡圈602和第二挡圈603之间形成连续弯曲的缝隙,类似于迷宫密封结构,有助于降低润滑脂漏走的概率。
相关技术中,转子207包括永磁体,永磁体的材质为铁氧体。目前市场上的轮毂电机为直驱电机,为了输出较大的扭矩和保证电机效率,绕组均采用铜材导体,永磁体均为稀土永磁材料,铜材和稀土永磁的原材料成本高,尤其是稀土永磁为稀有金属,原材料成本更是昂贵,因此轮毂电机采用铜材绕组和稀土材料永磁体会造成电机成本过高,且浪费稀有金属资源。而本发明实施例的永磁体材料为铁氧体,替代了稀土永磁材料,可以有效降低成本,节约稀有金属资源。
相关技术中,在轮毂电机104中,定子206的绕线通常采用圆线绕组,圆线绕组的绕线槽满率较低,在定子206体积不变的条件下,轮毂电机104的功率密度和效率均较低,此类轮毂电机104应用在电动自行车中,加快消耗电池的续航能力,因而对电机201能效的提升有极大的需求。
可以理解的是,定子206包括绕组和定子铁芯,定子铁芯一般采用硅钢片裁切而成,将裁切出的硅钢片加工成卷绕式的定子铁芯,为了提高硅钢片的利用率,在裁切时需要提前设计拼料裁切方式,如果定子铁芯的齿部设置有齿靴,在切割定子铁芯时,必须要根据齿靴去设计拼料裁切方式,但是无论如何优化,在有齿靴的情况下,硅钢片的材料利用率最多也只能达70%,很难进一步提升。本发明实施例的定子铁芯采用无齿靴的齿部,优化拼料裁切方式,进而提高硅钢片的材料利用率。
可以理解的是,齿部设置为直齿状,绕组无须在齿部上绕线,可以在外部利用工装完成绕线,操作空间大,能够有效提高绕线槽满率。此外,绕组采用非圆形截面的铝导线,比如正方形截面的铝导线,而齿部采用直齿形结构,比如齿部的截面同样为正方形,绕组的铝导线匹配齿部的形状,铝导线紧密贴合在齿部的外壁,使得铝导线的排布更为紧密,因而提高了定子206的绕线槽满率,在定子206的体积不变的情况下,提升了轮毂电机104的功率密度和效率,轮毂电机104应用于电动车,有助于提升电动车的续航能力。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明,但是本发明不限于上述实施例,在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。