CN212627617U - 一种轴向磁场轮毂电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向磁场轮毂电机，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，电机转子组件通过包含有角接触球轴承的具有并列的滚动体的轴承单元与主轴转动连接，定子组件包括定子铁芯、线圈、定子轭盘和定子架，定子铁芯为不同宽度的硅钢材料的薄片沿径向方向叠合而成，定子铁芯与定子轭盘和定子架连接，或者定子铁芯通过定子轭盘与定子架连接，定子架与主轴固定连接，本发明轮毂电机能大幅提高电动自行车的续行里程，能在现有条件下实现轴向磁场轮毂电机高效低成本地批量生产。

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，特别涉及一种轴向磁场有齿轮毂电机定子。
背景技术
现有的电动自行车主要采用低速轮毂电机，也有采用行星齿轮减速机构的有齿轮毂电机，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，续行里程较短；有铁芯的轴向磁场电机，公开的技术是采用硅钢片卷带经连续冲片卷绕定子铁芯，定子的定子齿、绕线槽和定子轭为整体结构，制造过程中需不断地对槽距进行补偿修正，定子铁芯制造效率低成本高，线圈绕组目前还只能人工完成。
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，在现有的生产技术条件下将性能优异的轴向磁场电机低成本地应用于电动自行车领域，满足人们对行驶里程增加的要求。
其技术思路是：单气隙结构轴向磁场电机，定子组件与主轴固定连接，有齿轮毂电机为通轴结构，实现最优的空间利用和最低的制造成本，结合现有生产技术条件，以“独立模块的定子铁芯+定子轭盘+集中线圈绕组”的技术方案，实现定子组件的高效低成本批量生产，轮毂电机的初期成本与现有技术轮毂电机持平。
为此，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，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，所述电机为单气隙结构轴向磁场电机，包括一转子组件和一定子组件，所述转子组件通过包含有角接触球轴承的具有并列的滚动体的轴承单元与所述主轴转动连接，所述定子组件包括多个定子铁芯、多个线圈、一个定子轭盘和一个定子架，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，所述线圈的轴向高度小于所述定子铁芯的轴向长度，所述线圈套设在所述定子铁芯接近所述转子组件的一端，所述定子轭盘设有多个周向阵列的第一榫槽，所述定子架设有径向托盘，插入所述第一榫槽的未套接所述线圈的所述定子铁芯的一端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第一榫槽的所述定子铁芯连接并与所述径向托盘连接，所述定子架与所述主轴固定连接。
优选地，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，所述定子轭盘为高导磁率材料，由多个硅钢材料的圆盘薄片沿轴向方向叠合而成，或由SMC复合软磁材料经模压烧结制成。
优选地，所述定子铁芯通过叠压焊接工艺形成整体结构，其焊接面至少包括其远离所述转子组件一端的端面，所述定子铁芯与所述定子轭盘或者与所述定子轭盘和所述定子架以榫卯结构方式连接。
优选地，所述线圈的轴向高度小于所述定子铁芯的轴向长度，所述线圈和所述定子铁芯之间通过绝缘的线圈骨架或在所述定子铁芯上涂敷绝缘材料进行绝缘阻隔。
优选地，所述定子铁芯在远离所述转子组件的一侧与所述转子组件旋转面相垂直的两径向叠合面上至少设有一个第二榫槽，所述第二榫槽为“U”形槽，所述定子架的所述径向托盘设置在远离所述转子组件的一侧，所述径向托盘上设有与所述第一榫槽对应的第三榫槽，所述第一榫槽和所述第三榫槽为开口槽，所述定子铁芯位于所述第二榫槽区间的实体部分径向插入所述第一榫槽和第三榫槽，所述第二榫槽内夹持有所述第一榫槽和所述第三榫槽的槽边，从而使所述定子铁芯与所述定子轭盘和所述定子架形成榫卯结构连接。
优选地，所述定子铁芯在远离所述转子组件的一侧与所述转子组件旋转面相垂直的两径向叠合面上至少设有一个第二榫槽，所述第二榫槽为“U”形槽，所述定子轭盘的所述第一榫槽为开口槽，其近轴侧还设有若干个第一连接孔，所述定子架的所述径向托盘设置在接近所述转子组件的一侧，所述径向托盘上设有与所述第一连接孔对应的第二连接孔，所述定子轭盘和所述定子架通过所述第一连接孔和所述第二连接孔铆接或栓接，所述定子铁芯位于所述第二榫槽区间的实体部分径向插入所述第一榫槽，所述第二榫槽内夹持有所述第一榫槽的槽边，从而使所述定子铁芯与所述定子轭盘形成榫卯结构连接。
优选地，所述定子铁芯在远离所述转子组件的一侧与所述转子组件旋转面相垂直的两径向叠合面上至少设有一个第二榫槽，所述第二榫槽为“L”形槽，所述定子轭盘的近轴侧还设有若干个第一连接孔，所述定子架的所述径向托盘设置在接近所述转子组件的一侧，所述径向托盘上设有与所述第一连接孔对应的第二连接孔，所述定子轭盘和所述定子架通过所述第一连接孔和所述第二连接孔铆接或栓接，所述定子铁芯位于所述第二榫槽区间的实体部分插入所述第一榫槽，从而使所述定子铁芯与所述定子轭盘形成榫卯结构连接，再通过焊接或铆接方式实现所述定子铁芯与所述定子轭盘的固定连接。
优选地，所述定子轭盘的近轴侧设有若干个第一连接孔，所述定子架的所述径向托盘设置在接近所述转子组件的一侧，所述径向托盘上设有与所述第一连接孔对应的第二连接孔，所述定子轭盘和所述定子架通过所述第一连接孔和所述第二连接孔铆接或栓接，所述定子铁芯未套接所述线圈的一端插入所述第一榫槽，从而使所述定子铁芯与所述定子轭盘形成榫卯结构连接，再通过焊接或铆接方式实现所述定子铁芯与所述定子轭盘的固定连接。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
采用本发明轴向磁场轮毂电机，在轮径、轮胎宽、车型车重、实心轮胎、充气轮胎等不同类型的电动自行车上进行对比测试，续行里程较现有技术电动自行车提高25～50％；其定子铁芯可通过高速连续模冲片工艺加工，其制造成本仅为连续冲槽卷绕工艺制造的整体结构的定子铁芯的35％，得益于定子铁芯冲片的分拣叠压焊接工艺的自动化设备的同步研发，集中式线圈绕组采用现有自动化绕线工艺生产，电机的三大主材“永磁体、硅钢片、漆包铜线”的消耗均有不同程度的减少，初期成本已接近现有技术轮毂电机的成本；本发明有铁芯的单气隙结构轴向磁场电机，与行星齿轮减速机构和自行车轮毂的组合，创造性地实现了轴向磁场电机在轮毂电机领域的实际应用。
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为本实施例一种轴向磁场轮毂电机在轮毂空间内的轴向布置图；
图2为本实施例一种轴向磁场轮毂电机定子组件结构示意图；
图3为一种轴承单元的结构示意图；
图4为另一种轴承单元的结构示意图；
图5为定子铁芯结构示意图；
图6为定子铁芯、一种定子轭盘和一种定子架的连接示意图；
图7定子铁芯、另一种定子轭盘和另一种定子架的连接示意图为。
附图标记说明：1主轴；2轮毂；3行星齿轮减速机构；4转子组件；5定子组件；6滚动体；7定子铁芯；8线圈；9定子轭盘；10定子架；11焊接面；12第一榫槽；13径向托盘；14双列角接触球轴承；15深沟球轴承；16单列角接触球轴承；17极靴；18线圈骨架；19第二榫槽；20第三榫槽；21第一连接孔；22第二连接孔。
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，并且结合本发明在电动自行车有齿轮毂电机的连接与安装方案进行适当描述，以帮助对本发明技术方案的理解。
如图1～7所示，本实施例一种轴向磁场轮毂电机，包括在轮毂2的空间内与主轴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，所述电机为单气隙结构轴向磁场电机，包括一转子组件4和一定子组件5，转子组件4通过包含有角接触球轴承的具有并列的滚动体6的轴承单元与主轴1转动连接，定子组件5包括多个定子铁芯7、多个线圈8、一个定子轭盘9和一个定子架10，定子铁芯7为多个不同宽度的硅钢材料的薄片沿径向方向叠合并焊接为一整体，其焊接面11至少包括其远离转子组件4一端的端面，线圈8的轴向高度小于定子铁芯7的轴向长度，线圈8套设在定子铁芯7接近转子组件4的一端，定子轭盘9为高导磁率材料，由多个硅钢材料的圆盘薄片沿轴向方向叠合而成，或由SMC复合软磁材料经模压烧结制成，定子轭盘9设有多个周向阵列的第一榫槽12，定子架10设有径向托盘13，插入第一榫槽12的未套接线圈8的定子铁芯7的一端超出定子轭盘9并与径向托盘13连接，或者定子轭盘9与插入第一榫槽12的定子铁芯7连接并与径向托盘13连接，定子架10与主轴1固定连接。
上述方案的本发明，轮毂内的空间利用紧凑合理，轮毂电机具有“通轴”特征的稳定的结构，圆盘式的转子组件4特有的“泵吸效应”，能在轮毂空间内的产生循环气流，有利于电机的降温。
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矩的并列的滚动体6即可。例如，轴承单元可以为双列角接触球轴承14，如图3所示，或深沟球轴承15与单列角接触球轴承16的串联组合，如图1、图4所示，或两个单列角接触球轴承16的同向排列的串联组合。
如图2、图5所示，为削弱单气隙结构轴向磁场电机的齿槽效应，定子铁芯7接近转子组件4的一端具有极靴17，线圈8为集中绕组形式，其轴向高度小于定子铁芯7的轴向长度，套设在极靴17和定子轭盘9之间，线圈8和定子铁芯7之间通过绝缘的线圈骨架18或在定子铁芯7上涂敷绝缘材料进行绝缘阻隔，多个定子铁芯7同轴周向排列，形成由多个定子铁芯磁极组成的环形电枢磁极平面。
影响轴向磁场电机磁拉力的因素较多，为此，需根据磁拉力和电磁转矩的大小，采取适当的结构形式保证定子结构的稳定性，定子铁芯7、定子轭盘8和定子架9三者的连接方式，本领域技术人员可根据本实施方案的以下四个基于榫卯结构连接的实施例，但不仅限于该四个实施例进行具体地应用。
实施例一：
定子铁芯7在远离转子组件4的一侧与转子组件4旋转面相垂直的两径向叠合面上至少设有一个第二榫槽19，如图5所示，第二榫槽19为“U”形槽；如图6所示，定子架10上的径向托盘13设置在远离转子组件4的一侧，径向托盘13上设有与第一榫槽12对应的第三榫槽20，第一榫槽12和第三榫槽20为开口槽，第一榫槽12和第三榫槽20的槽形与定子铁芯7的第二榫槽19区间的实体部分对应一致，第二榫槽19的槽宽与定子轭盘9和定子架10的轴向长度之和一致，套装有线圈8的定子铁芯7，其位于第二榫槽19区间的实体部分径向插入第一榫槽12和第三榫槽20，第二榫槽19内夹持有第一榫槽12和第三榫槽20的槽边，从而使定子铁芯7与定子轭盘9和定子架10形成榫卯结构连接。
本实施例中，电机的磁拉力和电磁转矩，由定子铁芯7直接作用于定子架10上，定子轭盘9可采用最经济的轴向叠厚。
实施例二：
定子铁芯7在远离转子组件4的一侧与转子组件4旋转面相垂直的两径向叠合面上至少设有一个第二榫槽19，第二榫槽19为“U”形槽，定子轭盘9的第一榫槽12为开口槽，定子轭盘9的近轴侧还设有若干个第一连接孔21，定子架10的径向托盘13设置在接近转子组件4的一侧，径向托盘13上设有与第一连接孔21对应的第二连接孔22，定子轭盘9和定子架10通过第一连接孔21和第二连接孔22铆接或栓接，第二榫槽19的槽宽与定子轭盘9的轴向长度一致，定子铁芯7位于第二榫槽19区间的实体部分径向插入第一榫槽12内，第二榫槽19内夹持有第一榫槽12的槽边，从而使定子铁芯7与定子轭盘9形成榫卯结构连接。
本实施例中，电机的磁拉力和电磁转矩由定子轭盘9传递给定子架10，为此可适当增加定子轭盘9叠片的数量以增加其强度。
实施例三：
定子铁芯7在远离转子组件4的一侧与转子组件4旋转面相垂直的两径向叠合面上至少设有一个第二榫槽19，第二榫槽19为“L”形槽，如图5所示；定子轭盘9的近轴侧还设有若干个第一连接孔21，定子架10的径向托盘13设置在接近转子组件4的一侧，径向托盘13上设有与第一连接21孔对应的第二连接孔22，定子轭盘9和定子架10通过第一连接孔21和第二连接孔22铆接或栓接，定子铁芯7位于第二榫槽19区间的实体部分插入第一榫槽12，从而使定子铁芯7与定子轭盘9形成榫卯结构连接，再通过焊接或铆接方式实现定子铁芯7与定子轭盘9的固定连接，本实施例的定子铁芯7的轴向长度小，硅钢片材料消耗少。
实施例四：
定子轭盘9的近轴侧设有若干个第一连接孔21，定子架10的径向托盘13设置在接近转子组件4的一侧，径向托盘13上设有与第一连接孔21对应的第二连接孔22，定子轭盘9和定子架10通过第一连接孔21和第二连接孔22铆接或栓接，定子铁芯7未套接线圈8的一端不设榫槽，定子铁芯7与定子轭盘9的榫卯结构采用最简单的形式，定子铁芯7直接插入第一榫槽12，再通过焊接或铆接方式实现两者间的固定连接，本实施例的定子铁芯7的轴向长度小，硅钢片材料消耗少。
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：所述电机为单气隙结构轴向磁场电机，包括一转子组件和一定子组件，所述转子组件通过包含有角接触球轴承的具有并列的滚动体的轴承单元与所述主轴转动连接，所述定子组件包括多个定子铁芯、多个线圈、一个定子轭盘和一个定子架，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，所述线圈套设在所述定子铁芯接近所述转子组件的一端，所述定子轭盘设有多个周向阵列的第一榫槽，所述定子架设有径向托盘，插入所述第一榫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第一榫槽的所述定子铁芯连接并与所述径向托盘连接，所述定子架与所述主轴固定连接。
2.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。
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，或者定子轭盘为SMC复合软磁材料模压烧结制成。
4.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述定子铁芯通过叠压焊接工艺形成整体结构，其焊接面至少包括其远离所述转子组件一端的端面，所述定子铁芯与所述定子轭盘或者与所述定子轭盘和所述定子架以榫卯结构方式连接。
5.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述线圈的轴向高度小于所述定子铁芯的轴向长度，所述线圈和所述定子铁芯之间通过绝缘的线圈骨架或在所述定子铁芯上涂敷绝缘材料进行绝缘阻隔。
6.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述定子铁芯在远离所述转子组件的一侧与所述转子组件旋转面相垂直的两径向叠合面上至少设有一个第二榫槽，所述第二榫槽为“U”形槽，所述定子架的所述径向托盘设置在远离所述转子组件的一侧，所述径向托盘上设有与所述第一榫槽对应的第三榫槽，所述第一榫槽和所述第三榫槽为开口槽，所述定子铁芯位于所述第二榫槽区间的实体部分径向插入所述第一榫槽和第三榫槽，所述第二榫槽内夹持有所述第一榫槽和所述第三榫槽的槽边，从而使所述定子铁芯与所述定子轭盘和所述定子架形成榫卯结构连接。
7.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述定子铁芯在远离所述转子组件的一侧与所述转子组件旋转面相垂直的两径向叠合面上至少设有一个第二榫槽，所述第二榫槽为“U”形槽，所述定子轭盘的所述第一榫槽为开口槽，其近轴侧还设有若干个第一连接孔，所述定子架的所述径向托盘设置在接近所述转子组件的一侧，所述径向托盘上设有与所述第一连接孔对应的第二连接孔，所述定子轭盘和所述定子架通过所述第一连接孔和所述第二连接孔铆接或栓接，所述定子铁芯位于所述第二榫槽区间的实体部分径向插入所述第一榫槽，所述第二榫槽内夹持有所述第一榫槽的槽边，从而使所述定子铁芯与所述定子轭盘形成榫卯结构连接。
8.根据权利要求1所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述定子铁芯在远离所述转子组件的一侧与所述转子组件旋转面相垂直的两径向叠合面上至少设有一个第二榫槽，所述第二榫槽为“L”形槽，所述定子轭盘的近轴侧还设有若干个第一连接孔，所述定子架的所述径向托盘设置在接近所述转子组件的一侧，所述径向托盘上设有与所述第一连接孔对应的第二连接孔，所述定子轭盘和所述定子架通过所述第一连接孔和所述第二连接孔铆接或栓接，所述定子铁芯位于所述第二榫槽区间的实体部分插入所述第一榫槽，从而使所述定子铁芯与所述定子轭盘形成榫卯结构连接，再通过焊接或铆接方式实现所述定子铁芯与所述定子轭盘的固定连接。
9.根据权利要求7或8所述的轴向磁场轮毂电机，其特征在于，所述第二榫槽的槽深为0即不设所述第二榫槽，所述定子铁芯未套接所述线圈的一端插入所述第一榫槽，从而使所述定子铁芯与所述定子轭盘形成榫卯结构连接，再通过焊接或铆接方式实现所述定子铁芯与所述定子轭盘的固定连接。
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