阅读说明：本技术 一种具有齿轮保护机构的电动自行车轮毂电机 (Electric bicycle hub motor with gear protection mechanism ) 是由 眭华兴 于 2020-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有齿轮保护机构的电动自行车轮毂电机,包括主轴、轮毂、左端盖和右端盖、电机和行星齿轮减速机构,电机为有定子铁芯的轴向磁场电机,包括一转子组件和一定子组件,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,定子组件与所述主轴固定连接,行星齿轮减速机构的外齿圈设传力齿,轮毂或左端盖上设受力齿,传力齿与受力齿之间设弹簧,电动自行车起动/刹车时,弹簧溃缩变形,从而保护齿轮免遭冲击损坏。本发明成本低效率高,能大幅提高电动自行车的续行里程。(The invention discloses an electric bicycle hub motor with a gear protection mechanism, which comprises a main shaft, a hub, a left end cover, a right end cover, a motor and a planetary gear reduction mechanism, wherein the motor is an axial magnetic field motor with a stator core, the motor comprises a rotor assembly and a stator assembly, the rotor assembly is rotationally connected with the main shaft through a bearing unit which comprises angular contact ball bearings and is provided with parallel rolling bodies, the stator assembly is fixedly connected with the main shaft, an outer gear ring of the planetary gear reduction mechanism is provided with force transmission teeth, the hub or the left end cover is provided with force transmission teeth, a spring is arranged between the force transmission teeth and the force transmission teeth, and the spring collapses and deforms when an electric bicycle is started or braked, so that the gear is protected from impact damage. The invention has low cost and high efficiency, and can greatly improve the continuous mileage of the electric bicycle.)

一种具有齿轮保护机构的电动自行车轮毂电机

技术领域

本发明涉及电动自行车的轮毂电机技术领域，特别是涉及一种具有齿轮保护机构的轴向磁场的电动自行车轮毂电机。

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，上述有齿轮毂电机的驱动电机均为径向磁场的直流永磁电机，这类的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，行驶里程较短；而效率平台区间宽泛、能大幅提高续行里程的无铁芯的轴向磁场有齿轮毂电机，则需消耗较多的稀土永磁体，其经济性明显不足，采用硅钢片连续冲片卷绕定子铁芯的轴向磁场电机，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，量产成本较高。上述有齿轮毂电机，均采用行星齿轮减速机构的结构形式，其行星齿轮采用耐磨性能好且具有自润滑性能的尼龙或聚甲醛等聚合物材料制成，在电动自行车启动/刹车时，减速机构的齿轮要承受较大的冲击力，而结构强度较低的行星齿轮会出现断齿，这一现象更易在寒冷的冬季发生，市场接受度不高。

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，具有齿轮保护机构的轮毂电机，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，确保轮毂电机的长效稳定运行，满足人们对行驶里程增加的要求。

其技术思路是：在现有生产技术条件下，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，实现定子铁芯组件的高效低成本批量生产；行星齿轮减速机构与轮毂或与端盖的连接为柔性连接，利用弹簧溃缩吸能的功能减小对齿轮的冲击，有齿轮毂电机在电动自行车寿命周期内免维护，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：

本发明公开了一种具有齿轮保护机构的电动自行车轮毂电机，包括主轴、轮毂、左端盖和右端盖、电机和行星齿轮减速机构，所述轮毂与所述左端盖可拆卸式固定连接，所述电机和所述行星齿轮减速机构位于所述轮毂、所述左端盖和所述右端盖围成的内部空间中，所述行星齿轮减速机构包括行星架、外齿圈、太阳轮齿圈和行星齿轮，所述电机通过安装在所述电机上的所述太阳轮齿圈，由所述行星齿轮减速机构带动所述轮毂转动；所述电机为有定子铁芯的轴向磁场电机，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，所述定子组件与所述主轴固定连接，还包括若干个传力齿、若干个受力齿和若干个弹簧，所述传力齿设置在所述外齿圈的外圆面或设置在所述外齿圈位于所述左端盖一侧的圆环面上，配合所述传力齿于所述轮毂的内圆面或所述左端盖的内侧面设有所述受力齿，具有所述传力齿的所述外齿圈与所述轮毂的内表面活动套接，所述弹簧安装在所述传力齿和所述受力齿之间，所述电机的动力由所述行星齿轮减速机构作用于所述弹簧，进而传递给所述轮毂，电动自行车起动/刹车时，所述弹簧产生溃缩变形，从而使行星齿轮减速机构的齿轮免遭冲击损坏。

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，所述转子组件包括一转子盘和安装在所述转子盘位于所述定子组件一面的周向阵列布置的多个永磁体，所述转子盘的另一面固定连接所述太阳轮齿圈。

优选地，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托盘，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而成，所述定子铁芯在远离所述转子组件一端的与所述转子组件旋转面相垂直的径向叠合面上至少设有一个宽度为0～5mm的第一榫槽，接近所述转子组件的一端具有极靴，所述第一榫槽为径向槽；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多个硅钢材料的圆盘薄片与非硅钢材料的补强圆盘片沿轴向方向叠合而成，所述补强圆盘片用以增强所述定子轭盘克服轴向磁拉力的能力，所述补强圆环片叠放在定子轭盘远离所述转子组件的一侧，所述定子轭盘套设在所述定子托盘上，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托盘以榫卯结构连接，所述定子托盘与所述主轴固定连接。

优选地，所述定子组件中的所述线圈套设在所述定子铁芯的所述极靴和所述第一榫槽之间，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，所述第一榫槽为“U”形槽，所述定子轭盘设有周向阵列布置的连接所述定子铁芯的第二榫槽，所述定子托盘远离所述转子盘的一端具有径向托盘，所述径向托盘上设有连接所述定子铁芯并与所述第二榫槽对应的第三榫槽，所述第二榫槽和所述第三榫槽的槽形与所述定子铁芯的所述第一榫槽区间的实体部分对应一致，所述第一榫槽的槽宽与所述定子轭盘和所述定子托盘的轴向长度之和一致，所述定子铁芯的所述第一榫槽区间的实体部分位于所述第二榫槽和所述第三榫槽内，所述第一榫槽内夹持有所述第二榫槽和所述第三榫槽的槽边。

优选地，所述第一榫槽为“U”形槽，所述定子轭盘设有周向阵列布置的连接所述定子铁芯的第二榫槽，其近轴侧还设有第一连接孔，所述定子托盘接近所述转子盘的一端具有径向托盘，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托盘通过所述第一连接孔和所述第二连接孔铆接或栓接；所述第二榫槽的槽形与所述定子铁芯的所述第一榫槽区间的实体部分对应一致，所述第一榫槽的槽宽与所述定子轭盘的轴向长度一致，所述定子铁芯的所述第一榫槽区间的实体部分位于所述第二榫槽内，所述第二榫槽的槽边夹持在所述第一榫槽内。

优选地，所述第二榫槽和所述第三榫槽均为开口槽，所述定子铁芯的所述第一榫槽区间的实体部分自开口处***所述第二榫槽或第二榫槽和第三榫槽，从而使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托盘形成榫卯结构连接。

优选地，所述第一榫槽为“L”形槽，所述定子轭盘设有周向阵列布置的连接所述定子铁芯的第二榫槽，其近轴侧还设有第一连接孔，所述定子托盘接近所述转子盘的一端具有径向托盘，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托盘通过所述第一连接孔和第二连接孔铆接或栓接；所述定子铁芯的所述第一榫槽区间的实体部分***所述第二榫槽内，所述定子铁芯再通过焊接方式与所述定子轭盘固定。

优选地，还包括挡圈或挡圈和挡环，所述挡圈设置在所述轮毂的内圆面，作为所述外齿圈或所述外齿圈和所述弹簧的轴向限位挡，所述挡环固定安装在所述左端盖上的所述受力齿位于所述定子组件的一面，作为所述弹簧的轴向限位挡。

优选地，所述行星齿轮减速机构为两级减速结构，其行星齿轮为双联齿轮。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明将轴向磁场电机，特别是将有定子铁芯的单定子单转子定轴结构的轴向磁场电机应用于电动自行车的轮毂电机，相较于市场上轮毂电机，电机的三大主材永磁体、硅钢片和铜漆包线的消耗均有不同程度的降低，本发明电机的效率平台宽，电动自行车续行里程大幅提高；本发明技术方案中的所有零部件均能利用现有设备和工艺进行批量化生产；本发明中，外齿圈上的传力齿、轮毂或左端盖上的受力齿，均为与其相连的本体一体模压成型，成本虽略有增加，但齿轮寿命和轮毂电机的扭矩承载力大幅提高，彻底解决了长期困扰业界的齿轮断齿难题。

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为本实施例一种具有齿轮保护机构的轴向磁场轮毂电机结构示意图；

图2为本实施例齿轮保护机构结构示意图；

图3为一种定子托盘结构示意图；

图4为定子铁芯、一种定子轭盘和一种定子托盘的连接示意图；

图5为定子铁芯、另一种定子轭盘和另一种定子托盘的连接示意图；

图6为电机定子总成结构左视图；

图7为受力齿在轮毂上的齿轮保护机构示意图；

图8为受力齿在左端盖上的齿轮保护机构示意图；

图9为传力齿在外齿圈的圆环面上的齿轮保护机构示意图；

图10为轴承单元的一种结构示意图；

图11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左端盖；4右端盖；5行星架；6外齿圈；7太阳轮齿圈；8行星齿轮；9定子铁芯；10滚动体；11传力齿；12受力齿；13弹簧；15双列角接触球轴承；16深沟球轴承；17单列角接触球轴承；18转子盘；19永磁体；20线圈；21定子轭盘；22定子托盘；23第一榫槽；24极靴；25补强圆盘片；26气隙；27线圈骨架；28第二榫槽；29径向托盘；30第三榫槽；31第一连接孔；32第二连接孔；33挡圈；34挡环。

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1-11所示，本实施例一种具有齿轮保护机构的电动自行车轮毂电机，包括主轴1、轮毂2、左端盖3和右端盖4、电机和行星齿轮减速机构，所述轮2毂与所述左端盖3可拆卸式固定连接，所述电机和所述行星齿轮减速机构位于轮毂2、左端盖3和右端盖4围成的内部空间中，所述行星齿轮减速机构包括行星架5、外齿圈6、太阳轮齿圈7和行星齿轮8，所述电机通过安装在所述电机上的太阳轮齿圈7，由所述行星齿轮减速机构带动轮毂2转动；所述电机为包含有定子铁芯9的轴向磁场电机，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10的轴承单元与主轴1转动连接，所述定子组件与主轴1固定连接，还包括若干个传力齿11、若干个受力齿12和若干个弹簧13，传力齿11设置在外齿圈6的外圆面或设置在外齿圈6位于左端盖3一侧的圆环面上，配合传力齿11于轮毂2的内圆面或左端盖3的内侧面设有受力齿12，传力齿11的外圆面与轮毂2的内表面活动套接，受力齿12的内圆面与外齿圈6的外表面活动套接，弹簧13安装在传力齿11和受力齿12之间，所述电机的动力由所述行星齿轮减速机构作用于弹簧13，进而传递给轮毂2，电动自行车起动/刹车时，弹簧13产生溃缩变形，从而使行星齿轮减速机构的齿轮免遭冲击损坏。

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10即可。例如，轴承单元可以为双列角接触球轴承15，如图10所示，或深沟球轴承16与单列角接触球轴承17的串联组合，如图1、图11所示，或两个单列角接触球轴承17的串联组合。

转子组件包括一转子盘18和安装在转子盘18位于所述定子组件一面的周向阵列布置的多个永磁体19，转子盘18的另一面固定连接太阳轮齿圈7，太阳轮齿圈7为所述有定子铁芯的轴向磁场电机的动力输出端。

定子组件包括多个定子铁芯9、多个线圈20、一个定子轭盘21和一个定子托盘22，定子铁芯9为多个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9在远离所述转子组件一端的与所述转子组件旋转方向相垂直的径向叠合面上至少设有一个第一榫槽23，接近所述转子组件的一端具有极靴24，第一榫槽23为径向槽，定子铁芯9通过焊接将多个硅钢材料的薄片连接为一整体，焊接面至少包括其第一榫槽23一端的端面；定子轭盘21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21为多个硅钢材料的圆盘薄片与非硅钢材料的补强圆盘片25沿轴向方向叠合而成，补强圆盘片25用以增强定子轭盘21克服轴向磁拉力的能力，补强圆环片25叠放在定子轭盘21远离所述转子组件的一侧，定子轭盘21套设在定子托盘22上，定子托盘22与主轴1固定连接，定子铁芯9与定子轭盘21或者与定子轭盘21和定子托盘22以榫卯结构连接，定子铁芯9的第一榫槽23区间的实体部分，为榫卯结构的榫舌，第一榫槽23的槽侧面为定子铁芯9的轴向定位的榫肩。

多个定子铁芯9同轴周向排列，形成由多个定子铁芯磁极组成的环形磁极平面，如图6所示，与多个永磁体18的磁极面相对应，电机的永磁体磁通经过“永磁体18的N极～气隙26～定子铁芯9～定子轭盘21～相邻定子铁芯9～气隙26～相邻永磁体18的S极”，形成闭合的磁回路。

如图6所示，线圈20为集中绕组形式，套设在定子铁芯9的极靴24和第一榫槽23之间，线圈20和定子铁芯9之间通过绝缘的线圈骨架27或在定子铁芯9上涂敷绝缘材料进行绝缘阻隔。

单定子单转子结构的轴向磁场电机存在有较大的单边磁拉力，磁拉力受永磁体19的磁能积、定子铁芯9的体积以及线圈20产生的磁通大小等相关，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电机定子结构的稳定性。定子铁芯9、定子轭盘21和定子托盘22的结构形式以及三者间的连接方式，本领域技术人员可根据本实施方案的以下四个基于定子铁芯9设有两个第一榫槽23的实施例但不仅限于该四个实施例进行具体应用。

实施例一：

设有两个第一榫槽23为“U”形槽的定子铁芯9，与套接有定子轭盘21的定子托盘22以榫卯结构连接：

如图3、图4所示，第一榫槽23为“U”形槽，多个硅钢材料的圆环片沿轴向方向叠合而成的定子轭盘21，设有周向阵列布置的与定子铁芯9连接配合的第二榫槽28，定子托盘22远离转子盘18的一端具有径向托盘29，径向托盘29上设有连接定子铁芯9并与第二榫槽28对应的第三榫槽30，第二榫槽28和第三榫槽30的槽形与两个第一榫槽23之间的实体部分对应一致，第一榫槽23的槽宽与定子轭盘21和定子托盘22的轴向长度之和一致，第二榫槽28和第三榫槽30均为开口槽，套装有线圈20的定子铁芯9，其两个第一榫槽23间的实体部分从第二榫槽28和第三榫槽30的开口处***，第二榫槽28和第三榫槽30的槽边夹持在第一榫槽23中，如此形成榫卯连接，实现了定子铁芯9与定子轭盘21和定子托盘22的固定连接。

本实施例中，电机的磁拉力和电磁转矩，由定子铁芯9直接作用于定子托盘22上，定子轭盘21可采用最经济的轴向叠厚。

实施例二：

设有两个第一榫槽23为“U”形槽的定子铁芯9与定子轭盘21以榫卯结构连接：

第一榫槽23为“U”形槽，定子轭盘21设有周向阵列布置的与定子铁芯9连接配合的第二榫槽28，第二榫槽28为开口槽，定子轭盘21的近主轴1侧还设有若干个与定子托盘22固定连接的第一连接孔31；定子托盘22接近转子盘的18一端具有径向托盘29，径向托盘29上设有与第一连接孔31对应的第二连接孔32，定子轭盘21套接在定子托盘22上，通过第一连接孔31和第二连接孔32，用铆接或栓接工艺固定连接；定子轭盘21的第二榫槽28的槽形与两个第一榫槽23之间的实体部分对应一致，第一榫槽23的槽宽与定子轭盘21的轴向长度一致，套装有线圈20的定子铁芯9，其两个第一榫槽23之间的实体部分从第二榫槽28的开口处***，第二榫槽28的槽边夹持在第一榫槽23内，如此形成榫卯连接，实现了定子铁芯9与定子轭盘21的固定连接。

本实施例中，电机的磁拉力和电磁转矩由定子轭盘21传递给定子托盘22，为此可适当增加定子轭盘21叠片的数量以增加其强度。

实施例三：

第一榫槽23为“U”形槽的定子铁芯9与具有补强圆盘片25的定子轭盘21以榫卯结构连接：

如图5所示，第一榫槽23为“U”形槽，定子轭盘21为多个硅钢材料的圆环片和非硅钢材料的补强圆盘片25沿轴向方向叠合而成，如图5所示，补强圆环片25叠放在定子轭盘21远离转子盘18的一侧，用以增强定子轭盘21克服轴向磁拉力和电磁转矩的能力，定子轭盘21设有周向阵列布置的与定子铁芯9连接配合的第二榫槽28，第二榫槽28为开口槽，定子轭盘21的近主轴1侧还设有若干个与定子托盘22固定连接的第一连接孔31。

定子托盘22采用与实施例二相同的结构，其接近转子盘18的一端具有径向托盘29，径向托盘29上设有与第一连接孔31对应的第二连接孔32，定子轭盘21套接在定子托盘22上，通过第一连接孔31和第二连接孔32，用铆接或栓接工艺固定连接；套装有线圈20的定子铁芯9，其两个第一榫槽23之间的实体部分从第二榫槽28的开口处***，具有补强圆环片25的定子轭盘21的槽边夹持在第一榫槽23中，如此形成榫卯连接，实现了定子铁芯9与定子轭盘23的固定连接。

实施例四：

第一榫槽23为“L”形槽的定子铁芯9与定子轭盘21以榫卯结构连接：

第一榫槽23为“L”形槽，定子轭盘21设有周向阵列布置的连接定子铁芯9的第二榫槽28，其近轴侧还设有第一连接孔31，定子托盘22接近转子盘18的一端具有径向托盘29，径向托盘29上设有与第一连接孔31对应的第二连接孔32，定子轭盘21和定子托盘22通过第一连接孔31和第二连接孔32铆接或栓接；定子铁芯9的第一榫槽23区间的实体部分***第二榫槽28内，通过焊接方式与定子轭盘21固定。

本实施例中，SMC材质的传力齿11与外齿圈6为一体模压成型，铝合金材质的受力齿12与轮毂2或与左端盖3为一体模压成型，左端盖3、外齿圈6和轮毂2组合安装后形成有若干个容置腔，容置腔内安装具有溃缩吸能功能的弹簧13，通过设置挡圈33或设置挡圈33和挡环34限定外齿圈6和弹簧13的轴向定位，具体方案如下述实施例：

实施例五：

受力齿12设置在轮毂2的内表面，如图7所示，挡圈33设置在受力齿12的右侧面并与受力齿12为一体结构，如图1所示，由挡圈33限定外齿圈6和弹簧13，挡圈33的圈边宽度能有效限制弹簧13在所述的容置腔内。

实施例六：

受力齿12设置在左端盖3的内表面，如图8所示，为方便弹簧13的安装，在受力齿12的轴向表面固定安装有挡环34，挡圈33为外齿圈6的限位挡，可先择采用较小的圈边宽度。

本实施例中，行星齿轮减速机构为两级减速，外齿圈6的分度圆直径不大，为使两级减速的行星齿轮机构获得更大的减速比，还可以将传力齿11设置在外齿圈6位于左端盖3一侧的圆环面上，如图9所示，并与设置在左端盖上的受力齿12适配。

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。