轮毂电机及助力电动自行车的制作方法

1.本实用新型涉及助力电动自行车技术领域，特别涉及轮毂电机及助力电动自行车。


背景技术：

2.相关技术中，助力电动自行车的轮毂电机是由电机、电机轴、外壳组成用于驱动电动自行车前进。轮毂电机常装设于电动自行车的前轮或后轮。轮毂电机大多由电机转子直接驱动车轮前进，在自行车启动、大负载时电机均需要提供很大的扭矩，对电机而言扭矩大意味着体积大、重量重、成本高。为了增大减速比，轮毂电机也有将减速机置于轮毂电机内部，例如外转子带齿轮毂电机和采用了主轴为断轴方案的内转子带齿轮毂电机。但相关技术中的外转子带齿轮毂电机提高减速比需要大幅加大减速机的体积，这与轮毂电机小型化背道而驰。而主轴为断轴方案的内转子带齿轮毂电机结构零件多，装配工艺复杂，产品总成本加上生产成本后并没有太多优势，且结构强度较弱。另外，自行车在滑行的时候，电机不工作，车轮在往前走，会使得车轮带动电机转动。由于电机有齿槽转矩，齿槽转矩经过减速机变速后扭力增加，车轮阻力加大。并且，电机的反电动势会影响控制器。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种轮毂电机，能够增大减速比，装配工艺简单，可靠性高，并且在助力电动自行车滑行的时候能够防止车轮带动电机转动。
4.本实用新型还提出一种具有上述轮毂电机的助力电动自行车。
5.根据本实用新型的第一方面实施例的轮毂电机，包括机壳、主轴、电机部、复合行星轮单元和单向离合器，所述主轴贯穿所述机壳，且能够与所述机壳相对转动；所述电机部安装于所述主轴，包括定子和转子，所述定子与所述主轴固定连接，所述转子与所述主轴同轴设置并能够相对转动；所述复合行星轮单元包括一级行星减速系统和二级行星减速系统，所述一级行星减速系统包括第一太阳轮、第一齿圈、第一行星轮、第一行星架，所述第一太阳轮连接所述转子，所述第一齿圈固定于所述机壳，所述第一行星轮分别与所述第一太阳轮、所述第一齿圈啮合；所述二级行星减速系统包括第二太阳轮、第二齿圈、第二行星轮、第二行星架，所述第二太阳轮固定连接于所述第一行星架，所述第二齿圈固定于所述机壳，所述第二行星轮分别与所述第二太阳轮、所述第二齿圈啮合；所述第二行星架与所述主轴通过所述单向离合器连接。
6.根据本实用新型实施例的轮毂电机，至少具有如下有益效果：复合行星轮单元因为采用了二级减速，减速比是第一级和第二级减速比的乘积，显著增大了减速比，并且装配工艺简单，可靠性高。另外，第二行星架与主轴通过单向离合器连接，使得在助力电动自行车滑行的时候，车轮能够与电机部脱离，防止车轮带动电机转动。
7.根据本实用新型的一些实施例，所述机壳包括外壳和端盖，所述外壳连接于所述
端盖，并形成空腔，所述电机部、所述复合行星轮单元和所述单向离合器位于所述空腔内。
8.根据本实用新型的一些实施例，所述外壳和所述端盖粘接、过盈连接或通过螺钉连接。
9.根据本实用新型的一些实施例，所述电机部为内转子电机、外转子电机或盘式电机结构。
10.根据本实用新型的一些实施例，所述单向离合器为楔块式、滚柱式或棘轮式结构。
11.根据本实用新型的一些实施例，所述单向离合器包括固定件和活动件，所述固定件固定连接于所述主轴，所述活动件与所述第二行星架为一体件，或所述活动件与所述第二行星架粘接、过盈连接或通过螺钉连接。
12.根据本实用新型的一些实施例，所述第一太阳轮与所述转子为一体件，或所述第一太阳轮与所述转子包塑成型、粘接、过盈连接或通过螺钉连接。
13.根据本实用新型的一些实施例，所述第二太阳轮与所述第一行星架为一体件，或所述第二太阳轮与所述第一行星架粘接、过盈连接或通过螺钉连接。
14.根据本实用新型的一些实施例，所述第一齿圈和所述第二齿圈为一体结构或通过花键连接。
15.根据本实用新型的一些实施例，所述第一齿圈和所述第二齿圈中的至少一个，与所述机壳粘接、过盈连接、通过花键连接或通过螺钉连接。
16.根据本实用新型的一些实施例，所述电机部包括支架，所述定子连接于所述支架，所述支架与所述主轴粘接、焊接、过盈连接、通过平键、花键或螺钉连接。
17.根据本实用新型的第二方面实施例的助力电动自行车，包括本实用新型的第一方面实施例的轮毂电机。
18.根据本实用新型实施例的助力电动自行车，至少具有如下有益效果：通过采用本实用新型的第一方面实施例的轮毂电机，能够增大减速比，装配工艺简单，可靠性高，并且在助力电动自行车滑行的时候能够防止车轮带动电机转动。
19.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
20.下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，其中：
21.图1为本实用新型实施例的轮毂电机的剖视图；
22.图2为图1示出的轮毂电机的一个方向的爆炸图；
23.图3为图1示出的轮毂电机的另一个方向的爆炸图；
24.图4为图3示出的支架与主轴的示意图。
25.附图标记：
26.101、机壳；102、主轴；103、电机部；104、单向离合器；105、外壳；106、端盖；107、第一轴承；108、第二轴承；109、定子；110、转子；111、第三轴承；112、第一太阳轮；113、第一齿圈；114、第一行星轮；115、第一行星架；116、第二太阳轮；117、第二齿圈；118、第二行星轮；119、第二行星架；120、固定件；121、活动件；
27.201、支架；202、轴肩；
28.401、螺纹孔；402、连接孔；403、连接部。
具体实施方式
29.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
30.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
31.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
32.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
33.助力电动自行车从第一台产品上市销售至今，发展了二十多年，现今已经形成一个巨大的产业。电动自行车不仅用作代步工具，而且也作为运动工具深受广大骑行爱好者的青睐。
34.助力电动自行车，是一种新型二轮车辆，属于自行车的一种，以电池作为辅助动力来源，安有电机，并具备动力辅助系统，能实现人力骑行和电机助动一体化的新型交通工具。
35.在助力电动自行车领域，电机安装位置主要分为两种，一种是中置，即电机安装在车身的中间位置，即五通位置的电机，称为中置电机。中置电机与车架连接，并通过链条与后轮进行连接而传递动力，同时电机的两侧安装有脚踏，在电机没有电源的情况下，骑行人员可以通过脚踏实现人力骑行，阻力和正常的自行车没有差别。
36.另外一种则是安装在自行车的轮毂中，称为轮毂电机。轮毂电机顾名思义就是将电机马达整合在花鼓内部，通电后电机将电能转化为机械能，从而带动车轮旋转，驱动车辆前进。通常都会将轮毂电机安装在前轮或后轮。
37.助力电动自行车的轮毂电机驱动系统因价格优势及改装简便在电动自行车行业占有一定的市场。
38.因为结构简单，维护方便，噪音低等优势，最早的助力电动自行车轮毂电机采用的大多是直驱方案。
39.随着技术和材料的发展，采用塑料齿轮大幅降低了传动系统的噪音。虽然带减速装置的轮毂电机相比直驱轮毂电机噪音略大，但是有体积小、重量轻、轮毂电机扭力大等优势，特别是随着磁性材料的价格大幅上涨，带减速装置的轮毂电机因为磁性材料用量少，成本有了极大优势。提高减速比，将电机部及轮毂电机做到更小、更轻是助力电动自行车轮毂
电机发展的主要思路和方向。
40.有齿轮毂电机的电机部分有内转子和外转子两种，下面以轮毂电机的减速装置为行星齿轮减速系统为例进行说明。
41.市场上的外转子带齿轮毂电机的定子固定在主轴上，转子上安装太阳轮，行星架固定在主轴上，电机部分的动力经过行星齿轮减速系统减速，由齿圈输出到机壳。在该行星齿轮减速系统中，太阳轮输入，行星架固定，齿圈输出。因此，行星齿轮减速系统的减速比是齿圈与太阳轮齿数之比，太阳轮齿数作为分母对减速比值的影响较大。由于外转子带齿轮毂电机结构上主轴要穿过太阳轮中心，导致太阳轮直径较大，想要提高减速比需要大幅加大齿圈直径，这与轮毂电机小型化背道而驰。市场上现有的产品，250w电机的减速比通常是4.42。部分采用双联行星齿轮结构的产品，减速比也不超过8。
42.市场上的内转子带齿轮毂电机，为了提升减速比将太阳轮做小，同时因为结构上允许，主轴采用了断轴方案，即主轴分为左端轴和右端轴。内转子带齿轮毂电机总成的固定件依次为左端轴、电机部机壳、行星架、右端轴。电机的定子和转子都在电机部机壳内，动力由转子带动太阳轮，经过行星齿轮减速系统减速，由齿圈输出到机壳。相比于外转子带齿轮毂电机，由于内转子带齿轮毂电机的太阳轮直径较小，如果行星轮再采用双联结构，减速比相比有大幅提高，市场上250w内转子带齿轮毂电机的减速比通常可以做到12左右，理论最高能做到15。虽然内转子方案的材料成本低于外转子方案，但是内转子方案结构零件多，装配工艺复杂，产品总成本加上生产成本后并没有太多优势。同时内转子方案采用的是断轴结构，导致结构强度弱于外转子方案，总成的装配精度也难以保证，因此产品可靠性一直不如外转子方案，因此市场上内转子带齿轮毂电机的使用数量一直都低于外转子带齿轮毂电机。
43.下面参照图1至图4，说明本实用新型实施例的轮毂电机。
44.参照图1所示，本实用新型实施例的轮毂电机包括机壳101、主轴102、电机部103、复合行星轮单元和单向离合器104。其中，机壳101内形成有空腔，电机部103、复合行星轮单元和单向离合器104位于空腔内。
45.参照图1至图3所示，可以理解的是，机壳101包括外壳105和端盖106，外壳105和端盖106之间固定连接，形成一个空腔将电机部103、单向离合器104和复合行星轮单元包裹在内部。本实例外壳105和端盖106均通过轴承安装在主轴102上，外壳105和端盖106之间采用螺钉连接。可以理解的是，外壳105和端盖106之间也可使用粘接、过盈连接等其他固定方式进行固定。
46.主轴102作为固定件120，主轴102贯穿整个机壳101，且能够与机壳101相对转动。即机壳101与主轴102同轴安装，且可自由旋转。具体地，主轴102上安装有第一轴承107和第二轴承108，沿主轴102的轴线方向，第一轴承107和第二轴承108分别对应在机壳101的两端，机壳101安装在第一轴承107和第二轴承108上，也即端盖106安装在第一轴承107上，外壳105安装在第二轴承108上。换而言之，机壳101和主轴102之间通过第一轴承107和第二轴承108转动连接。
47.电机部103安装于主轴102，用于为助力电动自行车的轮毂电机提供动力。电机部103包括定子109和转子110，定子109与主轴102固定连接，不能进行相对转动，而转子110与主轴102转动连接。具体地，定子109可以与主轴102过盈连接，使得定子109的轴孔直径略小
于主轴102的外径。当然，定子109还可以与主轴102通过其他方式连接实现固定，例如粘接、焊接或通过螺钉连接、通过花键连接，也可以通过键连接。
48.参照图2至图4所示，可以理解的是，本实施例的电机部103还包括支架201，主轴102上设置有轴肩202，轴肩202上设有螺纹孔401，螺纹孔401的轴线方向与主轴102的轴线方向平行。支架201上设有连接部403，连接部403上设置有连接孔402，连接孔402的位置与螺纹孔401的位置相对应，并且连接孔402的直径略大于螺纹孔401的直径，或者连接孔402的直径与螺纹孔401的直径相等。定子109过盈配合压在支架201上，然后支架201再通过螺钉连接固定在主轴102上，即螺钉穿过连接孔402后螺纹连接于螺纹孔401处，将支架201固定于轴肩202，从而实现定子109与主轴102固定连接。
49.参照图1至图3所示，可以理解的是，主轴102上还安装有第三轴承111，第三轴承111位于第一轴承107和第二轴承108之间，转子110安装在第三轴承111上，即转子110和主轴102之间通过第三轴承111转动连接。可以理解的是，转子110还可以安装在机壳101的内壁上，同样可以实现转子110与主轴102同轴设置并且能够相对转动的功能。
50.参照图1所示，可以理解的是，本实例的电机部103采用的是外转子电机结构，即沿主轴102的径向，转子110位于定子109的外侧。需要说明的是，本实例的电机部103还可以采用内转子电机结构或盘式电机结构。其中，内转子电机结构指的是，沿主轴102的径向，转子110位于定子109的内侧。盘式电机结构，也称为轴向电机结构或碟式电机结构，一般定子109和转子110都呈盘型结构，定子109在平的基板上，转子110是盖在定子109上的，一般定子109是线圈，转子110是永磁体或粘有永磁体的圆盘。
51.参照图1至图3所示，可以理解的是，复合行星轮单元与主轴102同轴安装，动力由电机部103输入，经过复合行星轮单元减速后输出到机壳101。
52.具体地，复合行星轮单元包括一级行星减速系统和二级行星减速系统，一级行星减速系统包括第一太阳轮112、第一齿圈113、第一行星轮114、第一行星架115，第一太阳轮112连接转子110，第一齿圈113固定于机壳101，第一行星轮114分别与第一太阳轮112、第一齿圈113啮合。换而言之，第一太阳轮112与主轴102同轴设置，并固定安装在转子110上。第一行星架115与主轴102同轴设置并且能够自由旋转。第一行星轮114安装在第一行星架115的第一行星轮轴上，同时与第一太阳轮112及第一齿圈113啮合。第一齿圈113为内齿圈，并且与主轴102同轴，以及与机壳101固定连接。
53.二级行星减速系统包括第二太阳轮116、第二齿圈117、第二行星轮118、第二行星架119，第二太阳轮116固定连接于第一行星架115，第二齿圈117固定于机壳101，第二行星轮118分别与第二太阳轮116、第二齿圈117啮合；第二行星架119与主轴102通过单向离合器104连接。第二太阳轮116与主轴102同轴，固定安装在第一行星架115上，从而跟随第一行星架115转动。第二行星架119与主轴102同轴，第二行星轮118安装在第二行星架119的第二行星轮轴上，同时与第二太阳轮116及第二齿圈117啮合。第二齿圈117为内齿圈，并且与主轴102同轴，以及与机壳101固定连接。
54.其中，第一太阳轮112转动设置于主轴102，第一太阳轮112作为输入端，连接电机部103的输出端，即第一太阳轮112与转子110连接，以使得电机部103能够带动第一太阳轮112转动。转子110与第一太阳轮112固定连接，该连接的一种实施方式是螺钉连接，该连接的另一种实施方式是将第一太阳轮112与转子110包塑成型，包塑成型的结构方式可减少零
件的数量从而降低成本、减小轴向尺寸。当然，也可采用粘接、过盈、制作一体件等其他方案实现第一太阳轮112固定在转子110上。
55.第一太阳轮112与第一行星轮114啮合，第一行星轮114与第一齿圈113啮合，第一齿圈113与机壳101固定连接，第一行星架115与二级行星减速系统的输入端连接，进而能通过第一行星架115将动力传递至二级行星减速系统。第一行星轮114的数量可为3个或4个或5个，多个第一行星轮114以第一太阳轮112中心为轴线布置一圈。
56.可以理解的是，第二太阳轮116作为二级行星减速系统的输入端，固定连接于第一行星架115，以使得第一行星架115能够带动第二太阳轮116转动。例如第二太阳轮116与第一行星架115通过螺栓连接、花键连接、过盈连接、粘接等方式固定连接，甚至可以直接加工成一体。第二行星轮118的数量可为3个或4个或5个，多个第二行星轮118以第二太阳轮116中心为轴线布置一圈。
57.当电机部103运行时，则能通过第二太阳轮116依次带动第二行星轮118和第二齿圈117转动，进而通过第二齿圈117带动机壳101转动。第一齿圈113和第二齿圈117可以作为一个整体，也可通过花键固定连接，也即，第一齿圈113和第二齿圈117共同作为输出结构与机壳101连接，为机壳101传动动力。其中，第一齿圈113和第二齿圈117可不同，也可相同。
58.需要说明的是，第一齿圈113和第二齿圈117与机壳101连接，包括第一齿圈113和第二齿圈117与机壳101直接连接，也包括通过中间件与机壳101间接连接，只要能将动力传递至机壳101进行输出即可。例如，第一齿圈113和机壳101可以粘接、过盈连接或通过花键连接、螺钉连接。第二齿圈117和机壳101可以粘接、过盈连接或通过花键连接、螺钉连接。
59.需要说明的是，上面只是以复合行星轮单元为二级行星减速机构举例说明，复合行星轮单元也可以是三级或更多级的行星减速机构。
60.参照图1至图3所示，可以理解的是，单向离合器104安装在第二行星架119与主轴102之间，单向离合器104与主轴102同轴安装并且使得电机部103相对主轴102只能进行单向传动。例如，当电机部103正向传动时，单向离合器104处于结合状态，为第二行星架119提供支撑，使得电机部103带动机壳101转动，进而让助力电动自行车实现前进的动作。当电机部103反向传动时，单向离合器104处于脱开状态，电机部103的动力无法通过第二行星架119传递到机壳101，避免电机部103对机壳101的干扰。
61.更具体地，单向离合器104包括固定件120和活动件121，固定件120和活动件121之间设置有离合结构，使活动件121正转时与固定件120分离转动，活动件121有反转趋势时与固定件120结合固定。固定件120作为单向离合器104的内环，固定连接于主轴102，活动件121作为单向离合器104的外环，与第二行星架119为一体件，或活动件121与第二行星架119粘接、过盈连接或通过螺钉连接。
62.本实例单向离合器104采用的是滚柱离合器结构，单向离合器104的固定件120通过花键固定在主轴102上，离合器的活动件121与固定件120仅能实现单向转动，以此实现活动件121相对主轴102只能单向转动。可以理解的是，单向离合器104也可采用棘齿单向离合器104、楔块单向离合器104结构。
63.本实用新型实施例的轮毂电机工作时，电机部103正转带动第一太阳轮112旋转。此时单向离合器104为结合状态，复合行星轮单元动力传递状态为第一太阳轮112输入，第二行星架119固定，第一齿圈113和第二齿圈117组成的一体件输出，第二齿圈117带动机壳
101转动，将动力输出。
64.机壳101正转转速大于电机部103经过复合行星轮单元减速后的转速时，例如自行车滑行、无电骑行、人力骑行速度超过电机部103的输出速度等情况时，机壳101带动第一齿圈113和第二齿圈117同步旋转，相当于电机部103反转的情况，单向离合器104脱开。
65.转子110和定子109间存在齿槽转矩，当复合行星轮单元内阻小于齿槽转矩时，可视作第一太阳轮112固定，复合行星轮单元仅克服单向离合器104脱开后的旋转阻力空载转动。当复合行星轮单元内阻大于齿槽转矩时，复合行星轮单元带动太阳轮整体同步旋转，可视作第二齿圈117直接克服齿槽转矩和单向离合器104脱开后的旋转阻力运转。机壳101到转子110的动力不会有变速变扭矩的过程。
66.自行车在滑行的时候，电机部103不运转，车轮在往前走。如果没有单向离合器104，车轮会带动转子110转动，这样会有两个结果，一个是由于电机部103有齿槽转矩，没有单向离合器104的话，齿槽转矩经过复合行星轮单元变速后扭力增加，车轮阻力加大。另一个是如果没有单向离合器104，自行车滑行的时候会带动转子110转动，电机部103本身的反电动势会影响控制器。
67.复合行星轮单元因为采用了二级减速，减速比是第一级和第二级减速比的乘积，总成体积与市场上现有的250w相同时，理论减速比最高可达25，大大提高了减速比。
68.在电机部103做成外转子结构时，相比于市场上现有的外转子带齿轮毂电机，减速比有大幅提高，电机部103体积、材料成本大幅下降，组装工艺仅为重复了一次行星架的组装，复杂度并未提升。
69.在电机部103做成内转子结构时，相比市场上现有的内转子带齿轮毂电机，装配工艺简单，因为主轴102为整轴，结构强度和装配精度也得到提高。
70.本实用新型实施例的助力电动自行车包括车架、前轮、后轮和本实用新型实施例的轮毂电机，轮毂电机设置在后轮上。轮毂电机可以直接驱动后轮转动，从而带动整个电动自行车前进。即电动自行车为纯电动的车辆。
71.需要说明的是，在另外一些实施例中，轮毂电机还可以设置在前轮上。
72.需要说明的是，在另外一些实施例中，本实用新型实施例的助力电动自行车还包括脚踏板、脚踏曲轴和传动链等部件，脚踏曲柄连接脚踏板，并通过链条等传动连接件连接于车轮，以将助力作用传递至车轮。骑行人员在脚踩脚踏板时，将脚踏的动力传递至车轮，最终带动车轮转动。即骑行人员可以通过踏动脚踏板，达到骑行的目的，而轮毂电机起到辅助驱动的作用。即助力电动自行车还可以作为自行车、助力电动车使用。
73.上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。