盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机的制作方法

本发明涉及盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机，属于电机领域。

背景技术：

小轮径实心轮胎一体式电机，可广泛应用于电动滑板车、电动平衡车、轻便折叠自行车以及残疾电动轮椅等车辆，由于这些车辆的市场保有量较小，目前还没有针对性的开发出一款理想的轮胎电机与其匹配。市场上已有的小轮径实心轮胎一体式电机，较多采用的是外转子形式的低速轮毂直流电机，其优点是电机功率大，电机一般无需维护，传动效率高，但由于这种电机存在磁滞阻力，车辆的滑行能力低，推行较困难；另一种形式的小轮径实心轮胎一体式电机，采用了带有单向超越离合器的有齿轮毂电机，行星齿轮减速机构的减速比通常为1:4.3，虽然较好地解决了电机的磁滞阻力对车辆滑行和推行的影响，但电机的重量增加较多；这两种电机实质上都是由电动自行车轮毂电机衍变而来的，电机额定功率大，高效率区间狭窄，扭矩在中低段区间的效率低，不太适合上述车辆的实际需求。

中国专利号201010247971.8公开了一种超薄大功率直流永磁电机，提出了一种优选使用扁平漆包线绕制的外圈形状为扇形的线圈，加以叠加组合成线圈绕组，单层绕组绕制好后，在其表面涂上固定的胶水进行固定，绕组安装在定子架的槽内并由内压圈和外压圈固定。实际的状况是，要保证线圈的外圈形状为扇形，线圈的三角形内孔的面积需足够大，减少绕组的匝数，而如此绕制的线圈，定子盘空间利用率低，磁场集聚性差，为减少磁通损失，永磁体必须有足够的径向长度，因此内压圈、外压圈与扇形绕组的重叠区域很小，仅在表面涂上固定胶水的线圈绕组在振动、发热等状况下很容易像钟表发条一样散架损坏。而采用圆形导线绕制的线圈，则需选择线径较小的屈服强度低的圆导线才能保持外圈形状为扇形，也不可能生产出大功率的直流永磁电机。大电流的大功率电机必然会产生更多的热量，需要有可靠的散热方案，该发明采用了高强度、高硬度、耐热、耐冲抗击、抗老化的工程塑料精密注塑成型的定子架，其热导系数一般只有0.04W/mK，而且扁平线绕制的线圈绕组要求定子盘两侧的气隙磁密严格相等，靠扁薄定子架中心的两个轴承固定的转子盘是很难满足如此高的要求的，转子盘稍有偏置扁平漆包线线圈就会发热，而且转速越高产热越多，大量的热量密闭在转子盘内，也无法通过工程塑料制成的定子架消散，其技术方案本身就具有重大缺陷。

中国专利号201010289645.3公开了一种节能轮毂电机，同样采用了盘式无铁芯直流 电机，并以电动车轮毂作为转子盘，直接由轮毂电机驱动电动车，该发明还在轮毂内组合了结构形式相同的盘式无铁芯发电机，用于收集车辆制动所产生的电能回充给蓄电池，从而起到节能的效果。实质上，盘式无铁芯直流电机的电感量较小，属小功率电机的范畴，其最突出的优点是高转速低扭矩且无磁滞阻力，低转速时的效率非常低，而市场上对电机功率要求较小的72V电压的低速观光电动车，其电机额定功率也要求有5000W，电动车轮毂上轮毂螺栓孔的节圆到轮辋螺栓孔的节圆间的空间是有限的，在这有限的空间内设置大功率的盘式无铁芯直流电机及盘式无铁芯发电机是无法做到的，况且按该发明的描述，该节能轮毂电机的的电动车只能安装不能充气的实心轮胎。

申请号201310033295.8公开了一种盘式无铁芯永磁直流电机，是一个轴转动的电机，其采用的技术方案是：线圈绕组是由多段圆弧组成的轴对称锥形环环形绕组，锥形环的尖端靠近定子轴心，轴对称锥形环的中心轴线三等分后形成两个不同的内径尺寸，其中锥形环尖端的内径是另一内径的三分之二，这种环形绕组，定子盘的空间利用率很低，磁场集聚性更差，方案中提及的“定子电枢绕组采用无铁芯结构，直接有绕组注塑而成”，也无实现的可能，注塑过程中是无法理清无序的绕组出线的，产品合格率会非常低。该发明“环形绕组中间隔设置霍尔磁敏传感器”，更是有违常识的方案，三个霍尔传感器的九只管脚，需要在很小的气隙空间内通过导线串接，其工艺难度非常大，而且设置在环形绕组中间的霍尔传感器，其金属管脚在交变磁场作用下会迅速发热，烧毁霍尔传感器。

专利号201310310431.3公开了一种盘式无铁芯永磁无刷直流电机，采用了与申请号201310033295.8公开的一种盘式无铁芯永磁直流电机相似的环状线圈绕组，其远离轴端的圆弧半径是靠近轴端的圆弧半径的1.5-2倍，两腰线部分的圆弧半径是远离轴端的圆弧半径的3-5倍，定子盘的空间利用率很低，磁场集聚性更差，而且线圈绕组缺少限位装置，难以限制线圈在轴向的位移；该发明电机采用了一种外转子壳体转动的盘式无铁芯直流电机，发明目的不明确，设置四个O形密封圈的针对性不强，电机缺少动力输出装置和固定装置，电机轴上采用两种规格迥异的轴承也似有不妥，电机采用无位置hall位置传感器，启动时电机会出现抖动迟滞现象。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机，由于采用了无铁芯结构，消除了电机的磁滞阻力和定子铁芯所产生的涡流损失，提高了车辆的滑行能力，而且电机的效率区间宽泛，高效率区间与正常行驶状况匹配好，车辆的续行里程长，还能与市场上的小功率电动自行车控制器进行匹配。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机，包括中轴，所述中轴上依次套有第一轴承、定子盘和第二轴承，第一轴承和第二轴承上分别套有第一转子盘和第二转子盘，第一转子盘和第二转子盘通过轮毂连接，轮毂上安装有实心轮胎，第一转子盘和第二转子盘的内侧分别设有第一凹槽，第一凹槽内安装有永磁体，所述定子盘上设有若干个环形分布的用于安装线圈的梨形孔，线圈通过限位装置固定在梨形孔内，线圈与用于电力和信号传输的电缆线束连接。

作为优选，所述限位装置包含内圈挡边、外圈挡边、环形电路板和压圈，所述定子盘的一面延伸有内圈挡边和外圈挡边，定子盘另一面安装有环形电路板和压圈，环形电路板固定在定子盘内侧，压圈位于定子盘外侧，通过内圈挡边、外圈挡边、环形电路板和压圈限制线圈的轴向位移。

作为优选，所述定子盘远离内圈挡边的一面顺序设有三个第二凹槽，第二凹槽排列在相邻两梨形孔之间位于定子盘的圆心一侧，第二凹槽内安装霍尔传感器，霍尔传感器的管脚与固定在定子盘上的环形电路板焊接，环形电路板与电缆线束连接。

作为优选，所述线圈为圆铜漆包线绕制的空心线圈，其内孔形状为三角形，绕制后的外圈形状为梨形并与梨形孔相匹配；所述线圈的三角形内孔位于定子盘内侧的内角小于60°，三角形内孔的径向长度小于线圈的径向直径即长直径的三分之一。梨形的线圈为左右对称结构，每个线圈的对称轴指向永磁体的圆心，线圈对称轴的长度即为长直径，三角形的内孔为等腰三角形，内孔底边的高即为三角形的径向长度。

作为优选，所述第一转子盘包含设有第一凹槽的第一铁质圆环和铝合金或工程塑料制成的第一边盖，第一铁质圆环嵌在第一边盖上，所述第二转子盘包含设有第一凹槽的第二铁质圆环和铝合金或工程塑料制成的第二边盖，第二铁质圆环嵌在第二边盖上，第一转子盘的轴承室在其内侧并设有轴承挡；第二转子盘的轴承室位置偏向其外侧并设有轴承挡。

作为优选，所述永磁体为扇形钕铁硼永磁材料，其径向长度即扇形永磁体的内外半径差是线圈的径向直径即长直径的0.5-0.8倍。

作为优选，所述第一轴承和第二轴承的外侧均套有密封圈。

有益效果：本发明的盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机，电气性能优越，具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高、调速性能好等优点外，还由于采用了无铁芯结构，空载电流很小且无磁滞阻力，不会影响车辆的滑行和推行性能。

附图说明

图1是本发明盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机的整体结构示 意图。

图2是本发明盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机的剖视图。

图3是本发明盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机的定子盘示意图。

图4是本发明盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机的线圈、霍尔传感器及环形电路板安装示意图。

图5是本发明盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机的线圈通电后的外部磁场分析图。

图6是本发明盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机的实施例扭矩－效率－功率－电流曲线图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明的一种盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机，包括中轴4，中轴4上依次套有第一轴承9、定子盘5和第二轴承91，第一轴承9和第二轴承91的外侧均套有密封圈13、131，第一轴承9和第二轴承91上分别套有第一转子盘3和第二转子盘31，第一转子盘3和第二转子盘31通过轮毂2连接，轮毂2上安装有实心轮胎1，第一转子盘3和第二转子盘31的内侧分别设有第一凹槽，第一凹槽内安装有永磁体8，定子盘5上设有六个环形分布的用于安装线圈6的梨形孔14，线圈6通过限位装置固定在梨形孔14内，线圈6为圆铜漆包线绕制的空心线圈6，其内孔形状为三角形，其外圈形状为与梨形孔14匹配的形状，线圈6与用于电力和信号传输的电缆线束12连接。

在本发明中，限位装置包含内圈挡边15、外圈挡边16、环形电路板11和压圈18，定子盘5的一面延伸有内圈挡边15和外圈挡边16，定子盘5另一面安装有环形电路板11和压圈18，环形电路板11固定在定子盘5内侧，压圈18位于定子盘5外侧，通过内圈挡边15、外圈挡边16、环形电路板11和压圈18限制线圈6的轴向位移。定子盘5远离内圈挡边15的一面顺序设有三个第二凹槽17，第二凹槽17排列在相邻两梨形孔14之间位于定子盘5的圆心一侧，第二凹槽17内安装霍尔传感器10，霍尔传感器10的三个管脚与固定在定子盘5上的环形电路板11焊接，环形电路板与电缆线束连接。

在本发明中，第一转子盘3包含设有第一凹槽的第一铁质圆环7和铝合金或工程塑料制成的第一边盖，第一铁质圆环7嵌在第一边盖上，所述第二转子盘31包含设有第一凹槽的第二铁质圆环71和铝合金或工程塑料制成的第二边盖，第二铁质圆环71嵌在第二边盖上，第一转子盘3的轴承室在其内侧并设有轴承挡，第二转子盘31的轴承室位置偏向其外侧并设有轴承挡。该方案的优点是：在扁薄的电机内部留出了中轴4上的 出线孔位置，以及电缆线束12与绕组出线、环形电路板11连接的空间；采用比重小强度高成型性好的铝合金或者工程塑料材质的边盖嵌入设有凹槽的铁质圆环制造的第一转子盘3和第二转子盘31，边盖不会有锈蚀，并能根据永磁体8的轴向高度确定比重较大的铁质圆环的轴向厚度，消除因失磁而导致气隙密度降低的现象，使电机的重量更轻。

基于通电空心线圈外部磁场分析及实验，本发明提出了盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机的线圈6与永磁体8的最经济有效的组合。如图5，通过对单个通电空心线圈外部磁场的有限元分析和实验验证，通电空心线圈中心位置，磁感应强度随着线圈半径的增加先增大然后再逐渐减小，在空心的边缘附近出现一个峰值，空心面积越小，磁场集聚越明显；通电空心线圈表面的磁感应强度出现在线圈的轴线附近，距离线圈中心越远，特别是在线圈的外边缘，衰减很快；气隙部分线圈表面磁场强度最大，随着离线圈表面距离的增加，磁场强度迅速衰减，数值很小；通过对通电空心线圈磁感应强度规律的分析验证，得出了盘式无铁芯直流电机的技术路径是：适当减小扇形永磁体8的径向长度(扇形磁铁的内外半径差)、尽可能减小线圈6空心部分的面积。

在本发明中，永磁体8为扇形钕铁硼永磁材料，其径向长度即扇形永磁体8的内外半径差是线圈6的径向直径即长直径的0.5-0.8倍，永磁体8包含8个永磁体单元。减小扇形永磁体8的径向长度，会产生部分磁通损失，下表为永磁体8的径向长度变化对盘式无铁芯直流电机成本、效率影响的实验对比数据(空心线圈径向直径为D＝32mm，线圈高10.0mm，铜漆包线线径0.6mm，通电电流3.5A，空心径向长度9.6mm，扇形永磁体内、外直径平均值68mm)。从表1的对比数据可以看出，随着永磁体8的径向长度的减小，线圈6磁通损失随之增大并呈加速增大的趋势，电机最大效率也相应降低，效率降低的程度小于磁通损失程度，永磁体8材料成本的降幅更为明显。按价值工程理论，适度减小扇形永磁体8的径向长度，电机的效率和扭矩会有所降低，但能更多的降低稀土永磁的消耗，电机的经济性更好。

表1

永磁体8径向长度(扇形永磁体的内外半径差)小于线圈6的径向直径的技术方案，为固定线圈6而设置限位装置提供了必要的空间，两者的比例关系，决定了本发明限位装置内圈挡边15、外圈挡边16、环形电路板11和压圈18限制线圈6轴向位移的效果，如取永磁体径向长度为0.9D，限位装置与线圈6的叠压宽度小于0.05D，固定效果较差；而取永磁体8径向长度小于0.5D，则磁通损失较大，电机扭矩和效率也会相应地降低；实验表明，正确处理好永磁体8径向长度与线圈6的径向直径的比例关系，能使电机的先进性、可靠性、经济性得到较佳的平衡。

相对于有铁芯电机，盘式无铁芯电机的线圈绕组的电感量较小，较小的电感量使电机的电气性能表现为高转速低扭矩，增加线圈绕组的匝数和导线的长度可以提高其电感量，可采取加大线圈6的直径或减小导线的线径两种技术路径；减小导线的线径会使绕组电阻上升并降低电机功率，而增加线圈绕组的匝数和导线的长度又会增加电机的成本和体积，因此要求在定子盘5有限的空间里尽可能地增加设定线径的导线的匝数和长度，优选的绕线方法是：绕线夹具以经倒角处理后的三角形棒为芯棒，层叠绕制导线，由此绕制的线圈6，其内孔形状为三角形，外圈形状受三角形芯棒的形状大小、导线的线径、导线的屈服强度以及绕线张力等综合影响呈梨形。线圈的三角形内孔位于定子盘内侧的内角小于60°，三角形内孔的径向长度小于线圈的径向直径即长直径的三分之一。

基于空心线圈外部磁场分析及实验结果，应尽可能减小线圈空心部分的面积，而空心面积越小，线圈外圈形状越接近于圆形，并不能充分利用定子盘5的空间。线圈6的内孔和外圈形状应根据导线的线径、导线的屈服强度、定子盘5直径的大小、绕组的线圈数量决定，经反复绕制和测试，线圈的三角形内孔位于定子盘内侧的内角小于60°，三角形内孔的径向长度小于线圈的径向直径即长直径的三分之一的设计方案，能较好地满足定子盘5的空间利用及磁场向线圈6中心集聚的要求。

本发明的盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机，其突出的优点有：1)定子盘5、内圈挡边15、外圈挡边16可由高强度、高耐热性、成型性好的聚合物绝缘材料通过模压一次成型，能实现低成本高效率生产；2)采用内孔形状为三角形的空心线圈6，线圈6绕制后外圈形状为梨形，绕组在定子盘5上的空间利用率比圆形内孔的空心线圈6提高了20％，同时也提高了绕组的电感量；3)固定线圈6的压圈18，同样可由高强度、高耐热性、成型性好的聚合物绝缘材料通过模压成型，压圈18、环形电路板11与定子上的内圈挡边15、外圈挡边16，限制了线圈6的轴向位移；4)钕铁硼永磁材料的扇形永磁体8，其径向长度(扇形磁铁的内外半径差)是线圈6的径向直径的0.5-0.8倍，电机的效率和扭矩会虽有所降低，但较大幅度地节省了永磁材料的用 量，具有较好的经济性。

本发明盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机，电气性能优越，除了传统电机结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高、调速性能好等优点外，还由于采用了无铁芯结构，电机重量减轻，消除了电机的磁滞阻力和定子铁芯所产生的涡流损失，提高了车辆的滑行能力，电机的效率区间宽，高效率区间与正常行驶状况匹配好，车辆的续行里程长，并且能与市场上的小功率电动自行车控制器进行匹配。

实施例

盘式无铁芯直流电机，绕组由6个线圈6组成，线圈6的径向直径为D＝32mm，高10.0mm，铜漆包线线径0.60mm，三角形空心径向长度9.6mm，8个永磁体8单元的内、外直径平均值68mm，径向长度20mm，轴向高度6mm，永磁体8的径向长度是线圈6的径向直径的0.64倍，永磁体8的圆心角为45°，受制于测功仪器条件的限制，采用减速比为1:4.294的行星减速机构减速后进行测试，测试工作电压48V，测试结果如图6扭矩－转速－电流－功率－效率曲线图。测试结果表明：最大效率点的功率190W、效率85％、转速371rpm、扭矩4.2Nm，80％的高效率区间的作功区间为90W－286W，70％的效率区间的作功区间为60W－435W，测试准确地反映出了无铁芯电机效率高、效率区间宽泛的特性；高效率区间的转速和扭矩范围是395－344rpm、1.8－6.4Nm，效率区间的转速和扭矩范围是400－297rpm、1.2－9.8Nm，采用这种盘式无铁芯直流电机作驱动电机的自行车，在一般路况下均可以在效率区间纯电力行驶。该盘式无铁芯直流电机并非刻意为本发明盘式无铁芯直流电机驱动的小轮径实心轮胎一体式电机进行设计，该实施例的盘式无铁芯直流电机的转速过高，按轮径为6英寸和8英寸两种规格的实心轮胎行驶时速20公里测算，电机的转速分别只有740rpm和555rpm，采取降低电机的工作电压、适当减小绕组的线径或加大线圈的直径以提高绕组的电感量、增加永磁体的径向长度及轴向高度以提高电机的气隙密度等综合解决方案，可以设计出能满足实际需要的小轮径实心轮胎一体式电机。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。