一种用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机的制作方法

本发明涉及用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机，属于电机领域。

背景技术：

电动自行车用有齿轮毂电机，一般是在轮毂内安置高速驱动电机，采用行星齿轮减速机构带动轮毂转动，采用了一级减速的定轴行星齿轮减速机构，并在其行星齿轮架上组合了单向超越离合器，使用这种轮毂电机的自行车保留了自行车的滑行能力和蹬踏骑行功能，但自行车的续行里程并没有得到实质性的提高，这种有齿轮毂电机使用的驱动电机实际上就是直径减小了的低速轮毂电机，其转速一般不超过1500转/分钟，严格意义上讲还算不上是高速电机，减速比通常为1:4.3，轮毂电机对轮径的适应性较差，而且这种内置于轮毂内的驱动电机，其绕组、永磁体等在轮毂内是开放的，无法使用液体润滑油进行润滑，减速机构传动效率不高，机械磨损较大。

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，大量的热量被封闭在转子盘内，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，该节能轮毂电机的电动车只能安装无需充气的实心轮胎。

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心结构，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个管脚，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，本发明提供一种采用高效高转速的盘式无铁芯直流电机为驱动电机的，用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机，在保持通轴结构前提下，采用两级减速的行星齿轮减速机构，保证了轮毂电机结构的可靠性；并且由于减速机构减速比的可选择性较强，提高了本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机对电动自行车轮圈规格的适应性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机，包括左端盖、右端盖、主轴和轮毂，所述左端盖通过第一轴承和第一油封套在主轴上，左端盖或右端盖或轮毂上设有注油口，右端盖通过第二轴承和第二油封套在主轴上，左 端盖和右端盖通过密封圈与轮毂连接，所述左端盖通过减速机构与太阳轮齿圈连接，太阳轮齿圈固定在电机上，通过电机带动太阳轮齿圈转动，从而通过减速机构带动左端盖转动，从而带动轮毂转动，左端盖、右端盖和轮毂通过第一油封、第二油封和密封圈将减速机构和电机密封；所述减速机构包含行星架、若干个第一行星轮、若干个第二行星轮和中心轮，所述第一行星轮与太阳轮齿圈啮合，第一行星轮与第二行星轮通过转动轴同轴连接，转动轴通过第三轴承安装在行星架上，行星架套在主轴上，第二行星轮与固定在左端盖上的中心轮啮合。

作为优选，所述行星架套装在主轴上，在其中心孔开有键槽，由主轴上的凸档作靠山定位，通过卡簧、轴销与主轴锁定。

作为优选，所述电机包含定子盘，所述主轴上依次套有第一甩油环、第四轴承、定子盘、第二甩油环和第五轴承，第一甩油环和第四轴承上套有第一转子盘，第二甩油环和第五轴承上套有第二转子盘，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，所述定子盘上安装有若干个周向均布的线圈，第一转子盘外侧与太阳轮齿圈固定连接，通过太阳轮齿圈输出扭矩，所述太阳轮齿圈设有第一排油孔，第二转子盘上设有第二排油孔。

作为优选，所述定子盘中心嵌有导热环，导热环套在主轴上。

作为优选，所述第一转子盘的端部设有圆环凸台，第二转子盘的端部设有圆环凹槽，圆环凸台插入到圆环凹槽内，圆环凸台上设有密封胶条将第一转子盘和第二转子盘密封。

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，所述永磁体包含若干个永磁体单元，相邻两个永磁体单元之间留有间隙，间隙的大小与电气性能参数适配。

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；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。

作为优选，所述第一甩油环和第二甩油环的内圆有内螺纹，内螺纹的内直径与其所在位置的主轴的直径一致，第一甩油环和第二甩油环的内螺纹方向相反。

本发明的有齿轮毂电机的驱动电机，采用了轴向磁场无铁芯结构，电机气隙磁通密度较小，电机转速高，其高效率区间与电动自行车正常骑行所需的动力区间匹配好，可大幅度提高电动自行车的续行里程；这种盘式永磁直流电机，在定子两侧各有一个平底碗状的转子盘，两个转子盘在永磁体磁场的作用下紧密地咬合在一起，电机的内部结构 封闭在两转子盘内；这种具有高速特性的封闭结构的盘式永磁直流电机，非常适合作为有齿轮毂电机的驱动电机，并且能使用液体润滑油进行润滑；这种用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机，需要通过上述技术方案，有效地阻止润滑油向轮毂外以及向驱动电机内部的渗漏，改善驱动电机的散热性能。

有益效果：本发明的用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机，由于驱动电机采用了盘式无铁芯结构，电机重量轻，高速性能好，空载电流小且无磁滞阻力，从而使电动自行车具有良好的蹬踏骑行功能；在保持通轴结构前提下，采用两级减速的行星齿轮减速机构，保证了轮毂电机结构的可靠性；并且由于减速机构减速比的可选择性较强，提高了本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机对电动自行车轮圈规格的适应性；本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机，行星齿轮减速机构的传动效率高，周期寿命长；行星齿轮减速机构中，由于一级减速齿轮所承受的扭矩较小，因而采用了钢齿轮与工程塑料齿轮相啮合的形式，既保证了减速结构的可靠性，又能有效地降低传动噪声。

附图说明

图1是本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机的整体结构示意图。

图2是本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机的整体结构剖示图。

图3是本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机的驱动电机结构剖示图。

图4是本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机的挡油环示意图。

图5是本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机的第一排油孔位置示意图。

图6是本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机的第二排油孔位置示意图。

图7是本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机的行星减速机构安装示意图。

图8是本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机的线圈通电后的外部磁场分析图。

图9是本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机的相邻永磁体间隙调整测试的扭矩效率图。

图10是本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机与市售有铁芯有齿轮毂电机的扭矩－功率－效率－转速对比图。

具体实施方式

如图1至图7所示，本发明的一种用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机，包括左端盖3、右端盖4、主轴13和轮毂2，左端盖3通过第一轴承5和第一油封6套在主轴13上，左端盖3、右端盖4或轮毂2上设有注油口7，右端盖4通过第二轴承51和第二油封61套在主轴13上，左端盖3和右端盖4通过密封圈8、81与通过螺丝与轮毂2连接，密封圈为橡胶制成，左端盖3通过减速机构与太阳轮齿圈14连接，太阳轮齿圈14固定在电机1上，通过电机1带动太阳轮齿圈14转动，从而通过减速机构带动左端盖3转动， 从而带动轮毂2转动，左端盖3、右端盖4和轮毂2通过第一油封6、第二油封61和密封圈将减速机构和电机1密封；减速机构包含行星架9、若干个第一行星轮10、若干个第二行星轮11和中心轮12，第一行星轮10与太阳轮齿圈14啮合，第一行星轮10与第二行星轮11通过转动轴同轴连接，转动轴通过第三轴承15安装在行星架9上，行星架9套装在主轴13上，在其中心孔开有键槽，由主轴13上的凸档作靠山定位，通过卡簧26、轴销25与主轴13锁定，第二行星轮11与固定在左端盖3上的中心轮12啮合，构成了两级减速的定轴行星齿轮减速机构。

在本发明中，电机1包含定子盘21，主轴13上依次套有第一甩油环16、第四轴承20、定子盘21、第二甩油环161和第五轴承201，第一甩油环16和第四轴承20上套有第一转子盘18，第二甩油环161和第五轴承201上套有第二转子盘19，第一转子盘18和第二转子盘19的内侧分别设有第一凹槽，第一凹槽内安装有永磁体22，第一转子盘18外侧与太阳轮齿圈14固定连接，通过太阳轮齿圈14输出扭矩，太阳轮齿圈14设有第一排油孔24，第二转子盘19上设有第二排油孔25，定子盘21中心嵌有导热环17，导热环17套在主轴13上，以改善电机1的散热性能。第一转子盘18的端部设有圆环凸台，第二转子盘19的端部设有圆环凹槽，圆环凸台插入到圆环凹槽内，圆环凸台上设有密封胶条26将第一转子盘18和第二转子盘19密封，密封胶条26、第一甩油环16和第二甩油环161以防止润滑油向电机1内部渗漏。第一转子盘18和第二转子盘19在永磁体22磁场的作用下，紧压在密封胶条26上。第一甩油环16和第二甩油环161由聚四氟乙烯、尼龙等韧性好、耐腐蚀性强、摩擦系数小的工程塑料制成，其外圆直径与第四轴承20、第五轴承201直径相等，紧密安装在第一转子盘18和第二转子盘19的轴承室内，并与第一转子盘18和第二转子盘19作同步转动。第一甩油环16和第二甩油环161内圆有内螺纹29，内螺纹29的内直径与其所在位置的主轴13的直径一致，第一甩油环16和第二甩油环161的内螺纹29方向相反，具体方向的选择由电机1的转动方向决定；第一甩油环16和第二甩油环161随第一转子盘18和第二转子盘19转动时，通过内螺纹29的挤出效应，油液被甩出电机1外。

在本发明中，永磁体22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23的径向直径即长直径的0.5-0.8倍。永磁体22包含若干个永磁体单元，相邻两个永磁体22单元之间留有间隙，间隙的大小与电气性能参数适配。

如图5和图6所示，电机1还设有排油孔，其中第一排油孔24的开孔方向为轴向，开设在太阳轮齿圈14上，使第一转子盘18的轴承室与电机1外界相连通，孔的数量视需要确定，孔直径为1～2mm，孔位位于第一甩油环16的外圆处；第二排油孔25的开孔方向可选择径向或斜向，本实施例开孔方向为径向，孔位位于第二转子盘19的轴承室 内的第二甩油环161处，使第二转子盘19的轴承室与电机1外界相连通，孔的数量视需要确定，孔直径为1～2mm。设置有排油孔的用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机，在半浸润状态下，即使有少量油液从第一甩油环16和第二甩油环161处渗入转子盘的轴承室内，也会在电机1的高速运转下，将该部分油液从排油孔中排出。

如图1、3所示，电机1中的定子盘21中心嵌装有导热环17，其轴向高度与定子盘21的轴向高度一致；导热环17的内孔开有键槽，通过轴销套接在主轴13上；导热环17由铜、高强度铝合金、铁质金属等导热性能良好的金属材料制成，在电机1定子盘21模压成型时将其作为嵌件，嵌合在定子盘21的中心。电机1工作时由线圈绕组所产生的热量，通过导热环17传导到电机1主轴13上，再通过轴承、润滑油、轮毂电机外壳向外消散；同时，由于电机1内的扇形永磁体22留有间隙，电机1运转时会在电机1内部产生旋转气流，将热量传导到铁质材料的第一转子盘18和第二转子盘19上并向外散热。

如图1、7所示，行星架9套装在主轴13上，在其中心孔开有键槽，由主轴13上的凸档作靠山定位，通过轴销27、卡簧28与主轴13锁定；第一行星轮10用强度高耐磨性好的尼龙或聚甲醛等工程塑料制成，第二行星轮11、中心轮12采用钢质材料制成，其中第二行星轮11为联轴式齿轮，第一行星轮10和第二行星轮11通过嵌装在行星架9上的第三轴承15组合安装。

如图1、2所示，左端盖3、右端盖4的轴承室内位于轮毂电机的内侧设有第一油封6、第二油封61与第一轴承5和第二轴承51并列套装在电机1的主轴13上；在轮毂2或左端盖3或右端盖4的适当位置设有一个液体润滑油的注油口7。作为优选，本实施例将注油口7布置在左端盖3的外圆处，并有螺栓及“O”形橡胶圈封堵，方便添加或更换润滑油。

在实际生产中，在铸造工艺中，可将轮毂2与左端盖3或右端盖4合并铸造为组合体形式。

基于通电空心线圈外部磁场分析及实验，本发明提出了用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机的线圈23与永磁体22的最经济有效的组合。如图8，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，得出了用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机的技术路径是：适当减小扇形永 磁体的径向长度(扇形磁铁的内外半径差)、尽可能减小线圈空心部分的面积。

减小扇形永磁体的径向长度，会产生部分磁通损失，下表为永磁体的径向长度变化对用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机成本、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，随着永磁体的径向长度的减小，线圈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，竞争力更强。

表1

永磁体22径向长度(扇形永磁体的内外半径差)小于线圈23的径向直径的技术方案，为固定线圈23而设置限位装置提供了必要的空间，两者的比例关系，决定了限制线圈轴向位移的效果，如取永磁体22径向长度为0.9D，限位装置与线圈的叠压宽度小于0.05D，固定效果较差；而取永磁体22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22径向长度与线圈23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。

实施例

用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机，绕组由6个线圈23组成，线圈23的径向直径为D＝32mm，高10.0mm，铜漆包线线径0.67mm，三角形空心径向长度9.6mm，8个永磁体22单元的内、外直径平均值68mm，轴向高度6mm，径向长度20mm，轮毂采用减速比为1:8.74的行星减速机构减速，扇形永磁体的圆心角分别取45°、41°、38°进行对比测试；图9中a表示永磁体圆心角为45°扭矩与效率的曲线，b表示永磁体圆心角为41°扭矩与效率的曲线，c表示永磁体圆心角为38°扭矩与效率的曲线，从图9所示的扭矩效率 曲线图上看，三种电机的最高效率分别为83.8％、83.1％、80.6％，相邻两个永磁体22单元之间留出间隙后，对电机效率影响不明显，在高扭矩段的影响更小，这种结果也与通电空心线圈外部磁场分析及实验结果相吻合；永磁体22之间的间隙变化对电机的速度影响较大，三种电机的空载转速分别为281转/分钟、330转/分钟、361转/分钟，由此可以有针对性地调整相邻永磁体22之间的间隙，改善电机的电气性能以适应轮毂电机减速机构减速比以及电动自行车轮圈尺寸的变化。

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21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23，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。

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的空间。线圈23的内孔和外圈形状应根据导线的线径、导线的屈服强度、定子盘直径的大小、绕组的线圈数量决定，经反复绕制和测试，线圈23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23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21的空间利用及磁场向线圈23中心集聚的要求。

本发明的用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机，电气性能优越，除了传统电机结构简单、运行可靠、体积小、效率高、调速性能好等优点外，由于驱动电机采用了盘式无铁芯结构，电机重量轻，高速性能好，空载电流小且无磁滞阻力，从而使电动自行车具有良好的蹬踏骑行功能；在保持通轴结构前提下，采用两级减速的行星齿轮减速机构，既保证了轮毂电机结构的可靠性，又能使盘式无铁芯直流电机的高速性能得到充分发挥；并且由于减速机构减速比的可选择性较强，提高了本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机对电动自行车轮圈规格的适应性；本发明用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机，行星齿轮减速机构的传动效率高，周期寿命长；行星齿轮减速机构中，由于一级减速齿轮所承受的扭矩较小，因而采用了钢齿轮与工程塑料齿轮相啮合的形式，既保证了减速结构的可靠性，又能有效地降低传动噪声。

本发明的用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机，空载电流仅有0.3A，低扭矩状况下就能达到高效率，如图10，图10中P1、N1、η1分别表示本发明电机的功率、转速和效 率，P2、N2、η2分别表示对比电机的功率、转速和效率，功率在75W时效率就能达到75％，在电动自行车正常骑行所需的80－150W的功率区间，本发明的有齿轮毂电机均能在80％左右的高效率运行，与市售的有齿轮毂电机相比，优势非常明显，在相同的骑行条件、相同的电能消耗、纯电力行驶的状况下，其续行里程比目前市场上普遍采用的有齿轮毂电机的电动车的续行里程提高了35％以上，比采用低速轮毂电机的电动车的续行里程提高了45％以上。另外本申请的发明人对采用本发明的用液体润滑油润滑的有齿轮毂电机的电动自行车样机进行了验证，可按批量生产的要求进行，个别重要方案的模具制作也进行了有效的尝试，电动自行车样车已无故障骑行了六千多公里，并在某次具体实验中采用48V18AH锂电池组，成功地进行了单次充电从南京到常州全长119公里的纯电动超远距离骑行测试。

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。