阅读说明：本技术 一种单元模块组合式定子轴向磁场有齿轮毂电机 (Unit module combined stator axial magnetic field geared hub motor ) 是由 眭华兴 于 2020-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种单元模块组合式定子轴向磁场有齿轮毂电机,包括主轴、轮毂、端盖、电机和行星齿轮减速机构,电机为单气隙定轴结构的轴向磁场电机,包括一转子组件和一定子组件,转子组件中的转子盘通过包含有角接触轴承的具有轴向并列的滚动体的轴承单元与主轴滚动连接,定子组件中包括多个绕设有线圈的单元定子和一个定子托盘,单元定子为不同宽度的“工”字形硅钢片沿径向方向叠合并连接为一整体,单元定子通过固定销连接在定子托盘上组成单元模块组合式定子结构,定子托盘与主轴固定连接。本发明电机成本低、效率高、高效率区间宽,能大幅提高电动自行车的续行里程。(The invention discloses a unit module combined stator axial magnetic field motor with a gear hub, which comprises a main shaft, a hub, an end cover, a motor and a planetary gear reduction mechanism, wherein the motor is an axial magnetic field motor with a single air gap fixed shaft structure and comprises a rotor assembly and a stator assembly, a rotor disc in the rotor assembly is in rolling connection with the main shaft through a bearing unit which comprises an angular contact bearing and is provided with axially parallel rolling bodies, the stator assembly comprises a plurality of unit stators wound with coils and a stator tray, the unit stators are I-shaped silicon steel sheets with different widths, are overlapped in the radial direction and connected into a whole, the unit stators are connected onto the stator tray through fixing pins to form a unit module combined stator structure, and the stator tray is fixedly connected with the main shaft. The motor has low cost, high efficiency and wide high-efficiency interval, and can greatly improve the continuous mileage of the electric bicycle.)

一种单元模块组合式定子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，特别是涉及一种轴向磁场有齿轮毂电机。

背景技术

现有的电动自行车电机主要有两类，一类是安装在自行车中轴部位的中置电机，另一类是与轮毂一体的轮毂电机，其中轮毂电机又分为低速轮毂电机和具有行星齿轮减速机构的有齿轮毂电机两种。由于低速轮毂电机的电动自行车存在磁滞阻力，自行车的骑行功能被严重弱化，有齿轮毂电机是在轮毂和端盖的内部空间装有驱动电机、行星齿轮减速机构及单向离合器，更适合具能良好骑行功能和滑行能力的轻型电动自行车，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。上述两种轮毂电机，其驱动电机均为径向磁场的直流永磁电机，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。

电动自行车的驱动电机，要求频繁的启动/停车、加速/减速，低速或爬坡时要求高转矩，正常平地行驶时要求低转矩，变速范围大，并且能在各种不同路况行驶时保持稳定的性能，相较于一般工业电机通常可以优化在额定的工作点的特性，电动自行车驱动电机的要求更高，普通的轮毂电机无法满足人们提高电动自行车续行里程的普遍要求，而轴向磁场直流电机本身就能满足这一要求。如ZL 201620995774.7公开的“一种盘式无铁心直流电机”，但该无铁芯结构的轴向磁场电机为双转子结构，需消耗较多的稀土永磁体，其经济性明显不足。

有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，一般技术人员会规避同时还存在倾覆力矩的单气隙结构的轴向磁场电机，所以现有技术的轴向磁场电机均为双气隙结构，定子组件均与机壳相连接，还没有出现定轴结构的、能安装在轮毂空间内的、满足轮毂电机通轴要求的有铁芯的轴向磁场电机技术，实现这一技术，是大幅提高电动自行车续行里程，实现该领域技术跨越式进步的最佳的技术路径。

发明内容

本发明的目的是提供一种单元模块组合式定子轴向磁场有齿轮毂电机，用以将效率高、高效率区间宽的轴向磁场电机在现有的生产技术条件下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：驱动电机采用单气隙结构有铁芯的轴向磁场电机，并且为定轴结构型式，减小轮毂内部的空间占有；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；电机转子通过包含有角接触轴承的具有轴向并列的滚动体的轴承单元，克服轴向磁拉力和转子盘的倾覆力；采用独立模块的单元定子，克服缺乏高效率冲卷设备和绕线设备的现有生产条件，利用成熟的高速连续模冲片工艺和激光焊接工艺制造定子铁芯，同时实现线圈绕线的自动化。

为此，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种单元模块组合式定子轴向磁场有齿轮毂电机，包括主轴、轮毂、端盖、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减速后驱动所述轮毂转动；所述电机为单气隙定轴结构的轴向磁场电机，包括一转子组件和一定子组件，所述转子组件包括一转子盘和安装在所述转子盘上的多个永磁体，所述转子盘通过包含有角接触轴承的具有轴向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单元定子、多个线圈和一个定子托盘，所述定子托盘固定连接在所述主轴上，所述单元定子为不同宽度的“工”字形硅钢片沿径向方向叠合并连接为一整体，所述线圈为集中绕组形式并绕设在所述单元定子上，所述单元定子同心排列并通过固定销连接在所述定子托盘上组成单元模块组合式定子。

优选地，所述单元定子和所述线圈之间通过绝缘的线圈骨架或绝缘涂敷层进行绝缘阻隔。

优选地，所述单元定子轭部叠片的轴向长度大于磁极面一侧叠片的轴向长度，相邻的所述单元定子轭部的周向叠合面间留有间隙因而具有第二气隙。

优选地，所述单元定子通过叠压焊接工艺或粘接工艺形成整体结构，其焊接面或粘接面至少包括其轭部的端面。

优选地，所述固定销为所述单元定子轭部且与所述单元定子一体的燕尾销，配合所述固定销于所述定子托盘上设有第一燕尾槽，所述固定销***所述第一燕尾槽，从而实现所述单元定子与所述定子托盘的固定连接。

优选地，所述固定销为两侧燕尾形或一侧为燕尾形另一侧为“T”形，所述单元定子轭部设有与所述固定销配合的第二燕尾槽，对应所述第二燕尾槽于所述定子托盘上设有第一燕尾槽或“T”形槽，所述第二燕尾槽和所述第一燕尾槽或“T”形槽内***所述固定销，从而实现所述单元定子与所述定子托盘的固定连接。

优选地，所述固定销为圆柱形，所述单元定子的轭部设有与所述固定销配合的第一安装孔，所述定子托盘设有外环圈和轴向圆柱，由所述外环圈和所述轴向圆柱于所述定子托盘上形成有套装所述单元定子的环槽，对应所述第一安装孔于所述外环圈和所述轴向圆柱上设有第二安装孔和第三安装孔，从所述第二安装孔、所述第一安装孔和所述第三安装孔***所述固定销，从而实现所述单元定子与所述定子托盘的固定连接。

优选地，单气隙结构的轴向磁场轮毂电机，其所述转子盘所承受的磁拉力和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单元定子一侧，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。

优选地，所述转子盘和/或所述定子托盘上设有通风口，通过所述转子盘的旋转产生的空气压力差，冷空气从所述通风口导入所述电机内部，将热空气排出所述电机。

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，特别是单气隙结构的轴向磁场电机应用于电动自行车的轮毂电机，永磁体用量比传统径向磁场电机下降20％，硅钢片材料消耗减少40％，高效率区间提前且宽度大幅增加，大幅提高了电动自行车的续行里程，并且可以在现有制备技术条件下进行低成本的批量生产。

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为本实施例单元模块组合式定子轴向磁场有齿轮毂电机结构示意图；

图2为本实施例单元模块组合式定子轴向磁场有齿轮毂电机3D分解图；

图3为一种单元定子和一种定子托盘的连接示意图；

图4为本实施例单元定子结构示意图；

图5为本实施例定子托盘结构示意图；

图6为轴承单元的一种结构示意图；

图7为轴承单元的另一种结构示意图；

图8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端盖；4转子盘；5永磁体；6滚动体；7单元定子；8线圈；9定子托盘；10线圈骨架；11固定销；12第一气隙；13第二气隙；14第一燕尾槽；15第二燕尾槽；16“T”形槽；17第一安装孔；18外环圈；19轴向圆柱；20环槽；21第二安装孔；22第三安装孔；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；28通风口。

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1-8所示，本实施例提供一种单元模块组合式定子轴向磁场有齿轮毂电机，包括主轴1、轮毂2、端盖3、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减速后驱动所述轮毂转动；所述电机为单气隙定轴结构的轴向磁场电机，包括一转子组件和一定子组件，所述转子组件包括一转子4盘和安装在转子盘4上的多个永磁体5，转子盘4通过包含有角接触轴承的具有轴向并列的滚动体6的轴承单元与主轴1转动连接；所述定子组件包括多个单元定子7、多个线圈8和一个定子托盘9，定子托盘9固定连接在主轴1上，单元定子7为不同宽度的“工”字形硅钢片沿径向方向叠合，通过叠压焊接工艺或粘接工艺形成整体结构，其焊接面或粘接面至少包括其轭部的端面，如图4所示，线圈8为集中绕组形式并绕设在单元定子7上，单元定子7和线圈8之间通过绝缘的线圈骨架10或绝缘涂敷层进行绝缘阻隔，单元定子7同心排列并通过固定销11连接在定子托盘9上组成单元模块组合式定子，单元定子7轭部叠片的轴向长度大于磁极面一侧叠片的轴向长度，相邻的所述单元定子7轭部的周向叠合面间留有间隙因而具有第二气隙13。

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，圆盘式的转子盘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。

轴向磁场电机，需要克服转子组件和定子组件间的轴向磁拉力，又由于该轴向磁拉力在周向上不会呈理论上的均匀性，还需克服由此产生的倾覆力，公开的技术是以双气隙结构平衡轴向磁拉力。本实施例轮毂电机，额定功率小，由于有行星齿轮减速机构减速，轴向磁场电机具有高速低扭矩的特性，单气隙结构的磁拉力有限可控，“角接触球轴承+两并列滚动体6”的轴承单元将转子盘4转动连接在主轴1的技术方案，其有效性和稳定性已得到实验验证；多个单元定子7同轴周向排列，形成由多个单元定子磁极组成的环形磁极平面，与多个永磁体5的磁极面相对应，其永磁体磁通经过“永磁体5的N极～第一气隙12～单元定子7～第二气隙13～相邻的单元定子7～第一气隙12～相邻的永磁体5的S极”，形成闭合的磁回路，单元定子7轭部设置第二气隙13的目的是避免相邻的单元定子7接触从而消除组合式定子在该处因片间导通产生的涡流损耗。

本领域技术人员需根据轴向磁场电机的磁拉力和电磁转矩的大小，采取适当的结构形式确保单元模块组合式定子安装组合的可靠性，单元定子7、定子托盘9的结构形式和连接方式，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。

实施例一：

固定销11为单元定子7轭部且与单元定子7一体的燕尾销，如图4所示，配合固定销11于定子托盘9上设有第一燕尾槽14，固定销11***第一燕尾槽14，从而实现单元定子7与定子托盘9的固定连接。

实施例二：

固定销11为两侧燕尾形或一侧为燕尾形另一侧为“T”形，单元定子7轭部设有与固定销11配合的第二燕尾槽15，对应第二燕尾槽15于定子托盘9上设有第一燕尾槽14或“T”形槽16，第二燕尾槽15和第一燕尾槽14或“T”形槽16内***固定销11，从而实现单元定子7与定子托盘9的固定连接。

实施例三：

固定销11为圆柱形，单元定子7的轭部设有与固定销11配合的第一安装孔17，定子托盘9设有外环圈18和轴向圆柱19，由外环圈18和轴向圆柱19于定子托盘9上形成有套装单元定子7的环槽20，对应第一安装孔17于外环圈18和轴向圆柱19上设有第二安装孔21和第三安装孔22，如图4、图5所示，从第二安装孔21、第一安装孔17和第三安装孔22***固定销11，从而实现单元定子7与定子托盘9的固定连接。

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轴向并列的滚动体6即可。例如，轴承单元可以为双列角接触球轴承23，如图7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6所示；或两个单列角接触球轴承25的串联组合，如图8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位于所述单元模块组合式定子一侧，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，如图6所示；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，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，如图8所示。

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8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。

本实施例转子盘4和/或定子托盘9上设有通风口28，由于转子盘4与所述单元模块组合式定子相对转动，将带动第一气隙12中的空气随转子盘4流动，转子盘4边缘处空气的流速大于内侧空气的流速，因而外侧气压小于内侧气压，形成“泵吸效应”，冷空气从通风口28进入第一气隙12，热空气从电机中排出，从而提高散热能力。

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，同样可以实现本发明的单元模块组合式定子轴向磁场有齿轮毂电机。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。