一种电动自行车有齿轮毂电机的制作方法

本发明涉及一种电动自行车轮毂电机，特别是电动自行车有齿轮毂电机，其驱动电机为盘式无铁芯直流电机。

背景技术：

现有电动自行车，多采用低速轮毂电机，其优点在于：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，弱化了甚至失去了电动自行车的骑行功能，电动助力型自行车逐渐走上了摩托化舒式化的发展路线，其驱动电机功率及行驶速度远超新颁布的《电动自行车安全技术规范》。

为克服驱动电机存在磁滞阻力，以八方电机为代表的电机厂商，对早期引进国内的日本雅马哈电动自行车内转子半轴式有齿轮毂电机进行改进，推出了通轴式的高速轮毂电机。这种电机的额定功率符合新的国家规范，且在其行星齿轮架上组合了单向超越离合器，有效地解决了电机的磁滞阻力对骑行的影响。这种轮毂电机的驱动电机实质上就是直径减小了的外转子形式的低速轮毂电机，在低扭矩时效率较低，一般只在功率要求不高的轻型助动型电动自行车上使用。

以上两种主流电机，均为钕铁硼永磁直流电机，具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、额定效率高、调速性能好等优点，但由于电动自行车的低转速特性，在实际骑行过程中电机往往运行在远小于额定效率的低效率区间，电动自行车的续行里程不高，难以满足大众对提高续行里程的消费需求。

中国专利号201010289645.3公开了一种节能轮毂电机，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。这种轮毂电机，其驱动车辆行驶的扭矩全部直接作用于空心线圈的铜线上，采用直接驱动电动车轮毂的结构形式一定是不可取的，该结构形式的而且大功率电机产热多，且缺乏有效的散热技术方案，因此从理论上即可判断，该技术方案无任何意义的实用性，不可能实现其发明目的的。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。

中国专利号zl201620995774.7公开了一种盘式无铁芯直流电机，采用双转子单定子的技术方案，提出了一种优选使用圆铜漆包线绕制的外周形状为梨形的空心线圈，安装在由绝缘材料制成的定子盘上，并通过限位装置固定线圈，转子盘由铁质材料制成的平底碗状圆盘，永磁体吸合于转子盘的内侧，利用永磁体的相互吸引力实现两转子盘上磁极的精确对应，通过在第一转子盘上安装太阳轮齿圈输出电机扭矩。中国专利号zl201621115521.2公开了一种节能型电动自行车轮毂电机，采用了zl201620995774.7的盘式无铁芯直流电机作为轮毂电机的驱动电机，通过两级减速行星齿轮机构将驱动电机的动力传递给轮毂，这两种技术方案，将盘式无铁芯直流电机成功地应用于电动自行车领域，电动自行车的续行里程提高了40％以上，并且在失电状态下能无阻力骑行。盘式无铁芯电机的结构特性表明，车辆运行时的全部扭矩被平均分配到处于作功状态下的空心线圈的每根铜导线上，尤其是车辆在重载或持续爬坡时，电机发热使空心线圈的自粘溱强度降低时，空心线圈容易变形；新的电动自行车安全技术规范对电动自行车涉水性能的要求有了较大的提高，因此在技术方案上也应采取措施满足规范的要求。

盘式无铁芯直流电机被普遍应用于计算机领域的磁盘驱动器，这种高速低扭矩的小功率电机，一般以薄形印制电路单转子盘式电机的形式出现，无需过多考虑扭矩对线圈变形及电机散热等因素的影响，在特殊场合应用的盘式无铁芯风力发电机，定子盘尺寸较大，且无需考虑电机的换相及散热性，通常是将成型后的线圈模压在聚合物材料的定子盘上，线圈绕组完全被聚合物材料包裹，因而线圈绕组能承受较大的扭矩。提升作为驱动电机的盘式无铁芯直流电机的输出功率，必须克服热力因素对电机线圈绕组的影响，该技术至今只能成功应用于以印制电路电机形式的单转子结构的小功率电机的原因所在。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明在反复实验探索的基础上，提供一种电动自行车有齿轮毂电机，其驱动电机为盘式无铁芯直流电机，有效克服了热力因素对盘式无铁芯直流电机线圈绕组的影响，实现了盘式无铁芯直流电机在电动自行车领域的成功应用，其技术可靠性和合规性得到了保证，电动自行车仍具有良好的蹬踏骑行功能，在纯电力驱动状况下的续行里程，比目前市售的电动自行车有了大幅度的提高。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种电动自行车有齿轮毂电机，包括主轴、可转动安装在主轴上的轮毂和端盖、驱动电机和减速机构；所述驱动电机为盘式无铁芯直流电机，包括可转动安装在主轴上的第一转子盘和第二转子盘、固定安装在主轴上的定子盘，第一转子盘和第二转子盘的内侧安装有永磁体；所述定子盘上安装有若干个线圈和三个霍尔传感器，线圈通过内圈挡边、外圈挡边、外压条、环形线路板等限位装置固定，线圈和霍尔传感器与电缆线束连接。所述第一转子盘和第二转子盘在永磁体磁场的作用下可在任意周向位置紧密地咬合连接，所述线圈由自粘圆漆包线绕制在非金属材料的三角形内芯上，所述环形线路板外周有按导通电角度设置的霍尔传感器的焊装定位凹槽，所述霍尔传感器焊接在环形电路板的外周并由定位凹槽定位，所述定子盘由绝缘材料模压成型后再安装线圈，在其线圈间近主轴侧的隔档上交替设有三个霍尔传感器安装槽和环形线路板的安装孔，定子盘的线圈间远离主轴侧的隔档设有安装限位装置的安装孔，所述第一转子盘和第二转子盘均设有若干个风口，第一转子盘和第二转子盘中至少有一个设有招风装置。

作为优选，所述第一转子盘是将铁质圆盘和太阳轮齿圈作为嵌件，由铝合金材料压铸成型，第二转子盘将铁质圆盘作为嵌件由铝合金材料压铸成型。铁质圆盘作为转子盘永磁体的背铁，永磁体紧密吸合在第一转子盘和第二转子盘的铁质圆盘上，永磁体磁路被限制在两个铁质圆盘所形成的封闭空间内，消除了永磁体磁漏；太阳轮齿圈与转子盘整体压铸，结构简单可靠，径向排列紧凑，为密封圈的安装留出了空间。

作为优选，所述线圈由自粘漆包圆铜线绕制在非金属材料的三角形内芯上，三角形内芯由陶瓷、玻璃、带玻璃纤维的复合材料等制成，三角形内芯设有电机内部空气流通的通孔，其位于定子盘内侧的角度小于60°。

作为优选，所述环形线路板还有圆周排列的若干个安装孔，安装孔与其外周的按导通电角度设置的三个霍尔传感器的焊装定位凹槽，在周向上交替设置，环形线路板由空心金属铆钉与定子盘固定连接，空心金属铆钉的内孔可通过电缆线束的相线或线圈出线。

作为优选，所述风口设在第一转子盘和第二转子盘外周，第一转子盘的风口为排风口，招风装置设在其内侧的风口处，第二转子盘为进风口，招风装置设在其外侧的风口处，招风装置为斜面或半喇叭形，其开口方向与电机旋转方向一致。

作为优选，所述主轴位于定子盘的两侧分别设有凸挡和卡簧，或在定子盘两侧均设有卡簧，作为定子盘的安装定位靠山，限制定子盘在主轴上的径向位移。

作为优选，所述招风装置为凸台，凸台从风口的侧壁延伸，凸台的端部与风口的另一侧壁设有间隙。

作为优选，所述轮毂和端盖的外侧与主轴连接处设有密封圈，所述主轴位于电缆线束孔一端设有密封胶注胶口。

作为优选，所述内圈挡边和外圈挡边与定子盘一体模塑成型，所述外压条为扇形，由聚合物材料模塑成型，其一端有开口销，外压条设有开口销的同一端同一面的径向边有倒角，外压条无开口销一端在远离开口销的一面的径向边设有倒角。

作为优选，所述定子盘的线圈间远离主轴的隔档上设有限位装置安装孔，安装孔为外压条的开口销的锁孔，锁孔由两个不同内径的圆孔组成，安装外压条一面的圆孔内径小于外圈挡边一面的圆孔内径，定子盘位于安装外压条的锁孔处设有弧形凹槽。

有益效果：本发明的通轴结构电动自行车有齿轮毂电机，在保持通轴结构前提下，采用行星齿轮减速机构减速，充分利用了盘式无铁芯直流电机的高转速特性，使有齿轮毂电机具有更高的扭矩，直接作用于线圈的扭矩减小，第一转子盘和第二转子盘在永磁体磁场的作用下紧密地咬合在一起，两转子盘永磁体磁极自动精确对应，不采用螺栓等常规方法连接，提高了轮毂电机的径向空间利用率，又由于线圈绕制在有通孔的如陶瓷等的三角形内芯上，线圈的整体性大幅度提高，在高温下不易变形，再加上在转子盘上设置风口及招风装置，有效解决了对称结构形式的盘式双转子结构内部盘式直流电机中转子盘两侧气压对称热量不能消散的特性，将线圈绕组产生的热量即时排出电机，并在轮毂内部形成循环气流，热量迅速扩散至轮毂内部并通过铝质轮毂消散，电机内部温升得到控制，线圈绕组的粘结强度不会降低，轮毂电机在极端使用条件下也不会出现永磁体退磁或烧机现象。另外，在轮毂及端盖外侧内圆处设有密封圈，主轴设有密封胶注胶口，加上安装端盖时采用常规涂胶封装工艺，轮毂电机的密闭性能得到保证，完全能满足新规范对电动自行车涉水性能的要求，实现了本发明的目的。

附图说明

图1是本发明一种电动自行车有齿轮毂电机结构示意图。

图2是本发明一种电动自行车有齿轮毂电机三维示意图。

图3是本发明一种电动自行车有齿轮毂电机定子盘示意图。

图4是本发明一种电动自行车有齿轮毂电机环形线路板结构示意图。

图5是本发明一种电动自行车有齿轮毂电机第一转子盘结构示意图。

图6是本发明一种电动自行车有齿轮毂电机风口及招风装置结构剖切示意图。

图7是本发明一种电动自行车有齿轮毂电机外压条示意图。

图8是本发明驱动电机盘式无铁芯直流电机三维示意图。

图9是本发明一种电动自行车有齿轮毂电机200w样机“功率—效率—扭矩”曲线图。

图10是本发明一种电动自行车有齿轮毂电机200w样机与市售250w有齿轮毂电机的“功率－效率－扭矩－转速”对比图

图11是市售300w电动自行车低速轮毂电机“功率—效率—扭矩”曲线图。

具体实施方式

如图1至图8所示，本发明的一种电动自行车有齿轮毂电机，包括主轴1、可转动安装在主轴上的轮毂2和端盖3、驱动电机4和减速机构5；所述驱动电机为盘式无铁芯直流电机，包括可转动安装在主轴上的第一转子盘6和第二转子盘7、固定安装在主轴上的定子盘8，第一转子盘6和第二转子盘7的内侧安装有永磁体9；所述定子盘8上安装有若干个线圈10和三个霍尔传感器11，线圈10通过内圈挡边31、外圈挡边32、外压条33、环形线路板14等限位装置固定，限位装置固定在定子盘8上，线圈10和霍尔传感器11与电缆线束12连接。所述第一转子盘6和第二转子盘7在永磁体9磁场的作用下可在任意周向位置紧密地咬合在一起，安装后无其他紧固措施，所述线圈10由自粘圆漆包线绕制在非金属材料的三角形内芯13上，所述环形线路板14外周有按导通电角度设置的霍尔传感器11的焊装定位凹槽25，所述霍尔传感器11焊接在环形电路板14的外周并由定位凹槽25定位，所述定子盘8由绝缘材料模压成型后再安装线圈10，在其线圈10间近主轴1侧的隔档上交替设有三个霍尔传感器安装槽15和环形线路板14的安装孔16，定子盘8的线圈间远离主轴1的隔档上设有限位装置安装孔，所述第一转子盘6和第二转子盘7均设有若干个风口17，第一转子盘6和第二转子盘7中至少有一个设有招风装置18。

在本发明中，所述第一转子盘6是将铁质圆盘19和太阳轮齿圈20作为嵌件，由铝合金材料压铸成型，第二转子盘7将铁质圆盘19作为嵌件由铝合金材料压铸成型；第一转子盘6和第二转子盘7的外侧设有径向加强筋21；铁质圆盘19作为永磁体9的背铁，永磁体9紧密吸合在第一转子盘6和第二转子盘7的铁质圆盘19上，永磁体磁路被限制在两个铁质圆盘19所形成的封闭空间内，缩短了磁路长度，消除了永磁体磁漏；太阳轮齿圈20与第一转子盘6整体压铸，电机的动力输出结构简单可靠，径向排列紧凑，为密封圈22的安装留出了空间。太阳轮齿圈20随驱动电机4转动，从而通过减速机构5将驱动电机4的扭矩传递给中心齿轮23从而带动轮毂2转动。

在本发明中，所述线圈10由自粘漆包圆铜线绕制在非金属材料的三角形内芯13上，三角形内芯13由陶瓷制成，并设有电机内部空气流通的通孔24，其位于定子盘内侧的角度小于60°。

在本发明中，所述所述环形线路板14还有圆周排列的若干个安装孔26，安装孔26与其外周的按导通电角度设置的三个霍尔传感器11的焊装定位凹槽25，在周向上交替设置，定位凹槽25的宽度与霍尔传感器11的宽度一致，环形线路板14由空心金属铆钉27与定子盘8固定连接，根据接线需要，电缆线束12的相线或线圈10的出线可从空心金属铆钉27的内孔通过。

在本发明中，所述风口17设在第一转子盘6和第二转子盘7外周，第一转子盘6的风口17为排风口，招风装置18设在其内侧的风口处，第二转子盘7的风口17为进风口，招风装置18设在其外侧的风口处，招风装置18可选择斜面、半喇叭形等形式，其开口方向与驱动电机4的旋转方向一致。

在本发明中，所述主轴1位于定子盘8的两侧分别设有凸挡28和卡簧29，或在定子盘8两侧均设有卡簧29，作为定子盘8安装的定位靠山，限制定子盘8在主轴1上的径向位移。

在本发明中，所述轮毂2和端盖3的外侧与主轴1的连接处设有密封圈22，所述主轴1位于电缆线束12出线孔一端设有密封胶注胶口30，定子组件组装并完成电路串接后，从注胶口30注入密封胶封堵主轴上的穿线孔。

在本发明中，所述内圈挡边31和外圈挡边32与定子盘8一体模塑成型，所述外压条33为扇形，由聚合物材料注塑成型，其一端有开口销34，外压条33设有开口销34的同一端同一面的径向边有倒角，外压条33无开口销34一端在远离开口销的一面的径向边设有倒角。

在本发明中，所述定子盘8的线圈10间远离主轴1的隔档上设有限位装置安装孔，安装孔16为外压条33的开口销34的锁孔35，锁孔35由两个不同内径的圆孔组成，安装外压条33一面的圆孔内径小于外圈挡边32一面的圆孔内径，定子盘8位于安装外压条33的锁孔35处设有弧形凹槽36，方便外压条33的安装固定。若干个外压条33组成一个咬合的的外压圈，通过开口销34和锁孔35与定子盘8固定连接，从而限制线圈10在径向上的位移。

实施例一

电动自行车有齿轮轮毂电机，额定电压48v，额定功率200w，包括幅条式后驱轮毂2、端盖3，中轴1，驱动电机4为双转子单定子盘式无铁芯直流电机，采用两级减速行星齿轮减速机构5减速，行星齿轮减速机构包括行星支架37、双联尼龙行星齿轮38、中心齿轮23及与电机固定连接的太阳轮齿圈20，双联行星齿轮内侧有凸挡，凸挡两侧安装有轴承，套接在行星架的固定轴上，并由卡簧锁止；行星齿轮减速结构的减速比设定为1:8.12；盘式无铁芯直流电机的采用八个磁级共16片扇形永磁体，永磁体内直径47mm、外直径91mm，轴向高度6mm，定子盘8的绕组由六个线圈10组成，定子盘直径108mm，线圈10的径向直径为d＝34mm，高7.6mm，铜漆包线线径0.71mm，陶瓷三角形内芯径向长度11.6mm；在第一转子盘6的电机内侧外圆处设置八个斜面形式的招风风页，第二转子盘7的外圆设置8个进风口。该样机的电气性能明显优于市场上任何形式的有齿轮毂电机，图9示出了样机与某知名企业额定电压48v额定功率250w电机在电动自行车正常骑行状况下的功率—扭矩—效率—曲线对比图(图中1为本实施例样机)，从图9中可以看出，样机在扭矩较小时就能达到高效率，节能效果非常明显，本实施例样机的骑行感觉甚至与电压为48v额定功率为350w的普通低速轮毂电机(见图10)相媲美；样车雨中行驶一小时后，轮毂内未见有渗水现象，在南京中山陵园区进行的爬坡测试，用电阻法对盘式无铁芯直流电机内绕组温度进行测试，线圈最高温升至72℃，完全符合设计预期。从电机测试的效率曲线图8看，样机的效率区间宽，高效率段在2～18n.m区间。样车(20英寸)在平坦城市道路满电工况时最大时速25km/h，仪表显示平均工作电流约为3.9a，与市售同类型电动自行车5a-6a工作电流相比，节能效果明显，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，在城市拥堵路段骑行时优势更加明显。

实施例二

电动自行车有齿轮轮毂电机，额定电压48v，额定功率300w，16英寸一体式轮毂，其驱动电机采用12极双转子单定子盘式无铁芯直流电机，永磁体内直径64mm、径向长度22mm，绕组支路数为3，定子盘8直径125mm，线圈10的径向直径为d＝34mm，高7.0mm，铜漆包线线径0.60mm，陶瓷三角形内芯13径向长度11.6mm，采用一级减速行星齿轮机构，减速比1:5倍，表1为样机的测功仪测试数据，表中可以看出，样机最高效率为83.9％，输入功率从58w～542w均处于大于70％的效率区间内，输入功率从85w～300w均处于大于80％的高效率区间内，效率区间非常宽，高效率区间与实际正常骑行工况所需的功率区间非常吻合，而反观图10示出的350w电动自行车低速轮毂电机，大于80％的高效率区间为230w～515w，样机的优势是显而易见的。

表1

本发明电动自行车有齿轮毂电机，颠覆了电机领域普遍认为的盘式无铁芯电机只能应用于印制电路式的小功率高速低扭矩直流电机的传统认知，其电气性能优越，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，采用两级减速行星齿轮机构，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；并且行星齿轮减速机构中，可采用了粉末冶金齿轮与工程塑料齿轮相啮合的形式，还能有效地降低传动噪声。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。