CN212627614U - 一种轴向磁场有齿轮毂电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向磁场有齿轮毂电机，包括在轮毂空间内与主轴连接的电机和行星齿轮减速机构，电机为单气隙结构轴向磁场电机，电机的定子组件与主轴固定连接，转子组件包括一转子盘、一铁轭盘、多个永磁体，铁轭盘嵌装在转子盘位于定子组件的一面，永磁体吸合在铁轭盘上，转子组件通过包含有角接触轴承且具有并列滚动体的轴承单元与所述主轴转动连接，本发明有齿轮毂电机能大幅提高电动自行车的续行里程，轻量化的转子组件转动惯量小，减速机构的齿轮不易产生断齿现象。

Description

一种轴向磁场有齿轮毂电机
技术领域
本发明涉及电动自行车的轮毂电机技术领域，特别涉及一种轴向磁场有齿轮毂电机转子。
背景技术
现有的电动自行车有齿轮毂电机，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，上述轮毂电机均为径向磁场电机，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，续行里程较短，通轴结构的外转子电机，转子为杯形结构，几何尺寸大因而转动惯量大，定子封闭在杯形转子的中间，常会发生断齿和烧机现象，半轴结构的内转子电机，结构的稳定性差，减速机构的轮系关系极易发生改变，断齿现象经常发生，因此已被市场淘汰；有定子铁芯的轴向磁场电机，由于其磁漏小、电磁密度高，高效率区间宽，其电气性能体现在轮毂电机上有明显的优势，由于存在轴向磁拉力，现有技术的轴向磁场电机通常为双气隙转轴结构，转子封装在电机的机壳内，电机空间占有大，并不满足电动自行车轮毂电机“定轴”且能“安装在轮毂空间内”的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种符合GB 17761-2018《电动自行车安全技术规范》要求的、在现有的技术条件下低成本批量生产的轴向磁场有齿轮毂电机，应用于电动自行车领域，满足人们对行驶里程增加的要求，同时着力于降低有齿轮毂电机的断齿和烧机故障。
其技术思路是：轴向磁场电机为有定子铁芯的单气隙定轴结构，能满足轮毂内部的空间布局要求；采用行星齿轮减速机构减速，使轴向磁场电机具有高速低扭矩的特性，由此大幅减少永磁体用量，从而大幅减小磁拉力和大幅降低电机成本；缩短磁回路的铁轭盘嵌装在转子盘内，以轻量化的转子盘降低其转动惯量对齿轮的冲击；连接转子盘的轴承单元既能支持轴向磁拉力又能支持倾覆力。
为此，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种轴向磁场有齿轮毂电机，包括在轮毂空间内与主轴连接的电机和行星齿轮减速机构，所述电机通过所述行星齿轮减速机构带动轮毂转动；所述电机为有定子铁芯的单气隙结构轴向磁场电机，包括一定子组件和一转子组件，所述定子组件与所述主轴固定连接，所述转子组件包括一转子盘、一铁轭盘、多个永磁体，所述铁轭盘嵌装在所述转子盘位于所述定子组件的一面，所述永磁体周向阵列吸合在所述铁轭盘上，所述转子组件通过包含有角接触球轴承且具有并列的滚动体的轴承单元与所述主轴转动连接，所述行星齿轮减速机构的太阳轮齿圈活动套接在主轴并固定在所述转子盘上。
优选地，所述定子组件包括多个定子铁芯、多个线圈、一定子轭盘和一定子架，套设有所述线圈的所述定子铁芯的一端周向布置在所述定子轭盘上的安装槽内，所述定子轭盘通过所述定子架固定连接在所述主轴。
优选地，所述定子铁芯为多个不同宽度的硅钢材料的薄片沿径向方向叠合并连接为一整体，所述定子轭盘为多个硅钢材料的圆盘薄片沿轴向方向叠合而成，或者所述定子轭盘为SMC复合软磁材料模压烧结制成。
优选地，所述定子架设有径向托盘，插入所述安装槽的所述定子铁芯超出所述定子轭盘并与所述径向托盘连接，或者所述定子轭盘与插入所述安装槽的所述定子铁芯连接并且与所述径向托盘连接。
优选地，所述铁轭盘为平面圆环，或为设有加强筋的平面圆环，所述加强筋设置在所述铁轭盘背离所述永磁体的一面，所述转子盘具有第一环形槽，所述第一环形槽的槽底面为所述铁轭盘的圆环面，所述永磁体吸合安装在所述第一环形槽内。
优选地，所述铁轭盘为具有第二环形槽的圆环盘，或为具有第二环形槽且在背离所述第二环形槽的一面具有加强筋的圆环盘，所述永磁体吸合安装在所述第二环形槽内。
优选地，所述铁轭盘为外周具有轭环的圆环盘，或为外周具有轭环且在背离所述轭环的一面具有加强筋的圆环盘，所述永磁体吸合安装在所述轭环内。
优选地，所述转子组件所承受的轴向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组件一侧，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。
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：
本发明的轴向磁场有齿轮毂电机，实现了有定子铁芯的单气隙结构轴向磁场电机的实际应用，特别是在电动自行车领域的具体应用，盘式的转子组件，使永磁体材料较现有技术电机下降20％，嵌装有铁轭盘的转子盘结构强度好，增强了转子盘克服磁拉力的能力，又使转子组件整体上实现了轻量化，大幅减小了电动自行车刹车时转子组件的转动惯量对减速机构齿轮的冲击，并且由于盘式的转子组件独有的“泵吸效应”，轮毂电机的温升小，不会出现“烧机”现象。
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为一种轴向磁场有齿轮毂电机轮毂空间布置图；
图2为一种轴向磁场有齿轮毂电机定子组件结构示意图；
图3为一种轴向磁场有齿轮毂电机转子组件3D分解图；
图4为定子铁芯、一种定子轭盘和一种定子架的连接示意图；
图5为定子铁芯、另一种定子轭盘和另一种定子架的连接示意图；
图6为一种铁轭盘结构示意图；
图7为另一种铁轭盘结构示意图；
图8为轴承单元的一种结构示意图；
图9为轴承单元的另一种结构示意图；
图10为轴承单元的另一种结构示意图。
附图标记说明：1主轴；2轮毂；3行星齿轮减速机构；4定子铁芯；5定子组件；6转子组件；7转子盘；8铁轭盘；9永磁体；10滚动体；11太阳轮齿圈；12线圈；13定子轭盘；14定子架；15安装槽；16径向托盘；17第二安装槽；18第三安装槽；19加强筋；20第一环形槽；21第二环形槽；22轭环；23双列角接触球轴承；24深沟球轴承；25单列角接触球轴承；26垫圈；27弹性垫圈。
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。
如图1-3所示，本实施例一种轴向磁场有齿轮毂电机，包括在轮毂空间内与主轴1连接的电机和行星齿轮减速机构3，所述电机通过行星齿轮减速机构3带动轮毂2转动，所述电机为有定子铁芯4的单气隙结构轴向磁场电机，包括一定子组件5和一转子组件6，定子组件5与主轴1固定连接，转子组件6包括一转子盘7、一铁轭盘8、多个永磁体9，铁轭盘8嵌装在转子盘7位于定子组件5的一面，永磁体9周向阵列吸合在铁轭盘8上，永磁体9的磁极面与主轴1垂直，转子组件6通过包含有角接触球轴承且具有并列的滚动体10的轴承单元与主轴1转动连接，行星齿轮减速机构3的太阳轮齿圈11活动套接在主轴1并固定在转子盘7上。
如图1所示，本实施例中，转子组件6位于连接在主轴1的行星齿轮减速机构3和定子组件5的中间，轮毂空间内的空间布置合理紧凑，轴向磁场有齿轮毂电机的轴向尺寸满足电动自行车的开档要求，转子组件6与主轴1转动连接，轮毂电机为结构稳定的“通轴”型式。
轴向磁场电机，通常以双气隙结构平衡磁拉力，单气隙结构轴向磁场电机，现有技术中一般采用无铁芯结构，而低成本的有定子铁芯的单气隙结构轴向磁场电机，其独特空间布置特别适合有齿轮毂电机的空间布置，如何克服磁拉力和倾覆力，至今还没有成功的案例；本技术方案，电机与减速机构的组合，轴向磁场电机具有了高速低扭矩的特性，因而磁拉力和倾覆力被限定在较小可控的范围，由“角接触球轴承+并列的滚动体”的轴承单元支持磁拉力和倾覆力，具有足够的设计冗余，有齿轮毂电机完全满足新的《电动自行车安全技术规范》规定电机功率不大于400W，电动自行车时速小于25Km/h的要求，方案的有效性和稳定性已得到实验验证。
定子组件5包括多个定子铁芯4、多个线圈12、一定子轭盘13和一定子架14，定子铁芯4为多个不同宽度的硅钢材料的薄片沿径向方向叠合并连接为一整体，定子轭盘13为多个硅钢材料的圆盘薄片沿轴向方向叠合而成，或者定子轭盘13为SMC复合软磁材料模压烧结制成，未套接线圈12的定子铁芯4的一端周向布置在定子轭盘13上的安装槽15内，定子架14设有径向托盘16，定子轭盘13通过定子架14固定连接在主轴1上。
定子铁芯4的安装，可按以下实施例：
实施例一：
如图4所示，安装在定子轭盘13的安装槽15内的定子铁芯4超出定子轭盘13，与定子架14上的径向托盘16按榫卯结构方式连接或焊接方式连接或铆接方式连接，所述榫卯结构方式连接是，安装槽15为开口槽，定子架14上的径向托盘16设有与安装槽15对应的第二安装槽17，定子铁芯4设有配合于安装槽15和第二安装槽17且槽宽与安装槽15和第二安装槽17轴向长度之和一致的第三安装槽18，定子铁芯4位于第三安装槽18区间的实体部分位于安装槽15和第二安装槽17内，第三安装槽18夹持有安装槽15和第二安装槽17的槽边。
实施例二：
如图5所示，定子轭盘13与插入其安装槽15的定子铁芯4按榫卯结构方式连接或焊接方式连接或铆接方式连接，定子轭盘13再与定子架14的径向托盘16栓接或铆接，所述榫卯结构方式连接是，安装槽15为开口槽，定子铁芯4设有配合于安装槽15且槽宽与定子轭盘轴向长度一致的第三安装槽18，定子铁芯4位于第三安装槽18区间的实体部分位于安装槽15内，第三安装槽18夹持有安装槽15的槽边。
行星齿轮减速机构3中的行星齿轮，由尼龙或聚甲醛材料制成，抗冲击能力弱，所以要求电机的转子组件6尽可能地轻量化，减小车辆急刹车时转子的转动惯量对齿轮的冲击，基于此，本实施例永磁体9的背铁采用最轻量化的铁轭盘8，铁轭盘8作为嵌件与轻质的铝合金或添加增强纤维的聚合物材料的转子盘7一体成型，最大程度的降低了转子组件6的重量；铁轭盘8可由SMC材料模压烧结或铸造、铁件煅打或板材冲压等工艺制成，其结构形式有多种选择，铁轭盘8只要能吸合永磁体9，永磁体9在转子盘7的位置能固定即可，本领域技术人员可根据本实施方案的以下三个实施例但不仅限于该三个实施例进行选择。
实施例三：
铁轭盘8为平面圆环，或为设有加强筋19的平面圆环，如图6所示，加强筋19设置在铁轭盘8背离永磁体9的一面，转子盘7具有第一环形槽20，第一环形槽20的槽底面为铁轭盘8的圆环面，永磁体9吸合在铁轭盘8上并由第一环形槽20限定其位置。
实施例四：
铁轭盘8为具有第二环形槽21的圆环盘，或为具有第二环形槽21且在背离第二环形槽21的一面具有加强筋19的圆环盘，永磁体9吸合安装在第二环形槽21内，如图3所示，图中铁轭盘8为铁质板材经冲切、拉伸、折弯并焊接、车床切削等工艺后成型的。
实施例五：
如图7所示，铁轭盘8为外周具有轭环22的圆环盘，或为外周具有轭环22且在背离轭环22的一面具有加强筋19的圆环盘，永磁体9吸合安装在轭环22内。
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，只要轴承单元包含有能够承担轴向磁拉力的角接触球轴承，并且轴承单元具有承担倾覆力的并列的滚动体10即可。例如，轴承单元可以为双列角接触球轴承23，如图8所示；或深沟球轴承24与单列角接触球轴承25的串联组合，如图1、图9所示；或两个单列角接触球轴承25的串联组合，如图10所示。
轴承单元为深沟球轴承24与单列角接触球轴承25的串联组合中，单列角接触球轴承25位于定子组件5一侧，其外圈直径大于深沟球轴承24的外圈直径，磁拉力作用于单列角接触球轴承25的轴承挡上；深沟球轴承24与单列角接触球轴承25外圈直径相同，在其外圈间设置有垫圈26，如图10所示，磁拉力通过垫圈26传递作用于深沟球球轴承24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25的串联组合，两个单列角接触球轴承25同向排列，并在其内圈间设置弹性垫圈27，如图10所示，弹性垫圈27采用波形叠片，磁拉力使弹性垫圈27产生压缩变形而由两个单列角接触球轴承25共同分担；两个单列角接触球轴承25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25的轴承挡上，两个单列角接触球轴承25外圈直径相同时，在其外圈间设置垫圈26。
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)

1.一种轴向磁场有齿轮毂电机，包括在轮毂空间内与主轴连接的电机和行星齿轮减速机构，所述电机通过所述行星齿轮减速机构带动轮毂转动，其特征是：所述电机为有定子铁芯的单气隙结构轴向磁场电机，包括一定子组件和一转子组件，所述定子组件与所述主轴固定连接，所述转子组件包括一转子盘、一铁轭盘、多个永磁体，所述铁轭盘嵌装在所述转子盘位于所述定子组件的一面，所述永磁体周向阵列吸合在所述铁轭盘上，所述永磁体的磁极面与所述主轴垂直，所述转子组件通过包含有角接触球轴承且具有并列的滚动体的轴承单元与所述主轴转动连接，所述行星齿轮减速机构的太阳轮齿圈活动套接在主轴并固定在所述转子盘上。
2.根据权利要求1所述的轴向磁场有齿轮毂电机，其特征在于，所述定子组件包括多个定子铁芯、多个线圈、一定子轭盘和一定子架，套设有所述线圈的所述定子铁芯的一端周向布置在所述定子轭盘上的安装槽内，所述定子轭盘通过所述定子架固定连接在所述主轴。
3.根据权利要求2所述的轴向磁场有齿轮毂电机，其特征在于，所述定子铁芯为多个不同宽度的硅钢材料的薄片沿径向方向叠合并连接为一整体，所述定子轭盘为多个硅钢材料的圆盘薄片沿轴向方向叠合而成。
4.根据权利要求2所述的轴向磁场有齿轮毂电机，其特征在于，所述定子架设有径向托盘，插入所述安装槽的所述定子铁芯超出所述定子轭盘并与所述径向托盘连接，或者所述定子轭盘与插入所述安装槽的所述定子铁芯连接并与所述径向托盘连接。
5.根据权利要求1所述的轴向磁场有齿轮毂电机，其特征在于，所述铁轭盘为平面圆环，或为设有加强筋的平面圆环，所述加强筋设置在所述铁轭盘背离所述永磁体的一面，所述转子盘具有第一环形槽，所述第一环形槽的槽底面为所述铁轭盘的圆环面，所述永磁体吸合安装在所述第一环形槽内。
6.根据权利要求1所述的轴向磁场有齿轮毂电机，其特征在于，所述铁轭盘为具有第二环形槽的圆环盘，或为具有第二环形槽且在背离所述第二环形槽的一面具有加强筋的圆环盘，所述永磁体吸合安装在所述第二环形槽内。
7.根据权利要求1所述的轴向磁场有齿轮毂电机，其特征在于，所述铁轭盘为外周具有轭环的圆环盘，或为外周具有轭环且在背离所述轭环的一面具有加强筋的圆环盘，所述永磁体吸合安装在所述轭环内。
8.根据权利要求1所述的轴向磁场有齿轮毂电机，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。
9.根据权利要求8所述的轴向磁场有齿轮毂电机，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组件一侧，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。
10.根据权利要求8所述的轴向磁场有齿轮毂电机，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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