采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机论文和设计-温群峰

全文摘要

本实用新型公开了一种采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机，包括外壳、电机本体、离合器、齿轮减速机构、中轴及牙盘，电机本体包括定子、转子及其芯轴，中轴穿过外壳两端的轴孔并通过设于外壳内的中轴轴承支撑定位，芯轴与中轴平行布置；其特征在于外壳由电机前、后盖扣合固定而成，电机本体为外转子内定子结构，齿轮减速机构包括固定或一体设于芯轴上的小齿轮和与之啮合的大齿轮，大齿轮内圈与离合器外圈固定或一体成型，而离合器内圈通过离合器轴承安装在中轴上，且离合器内圈前端一体成型伸出外壳轴孔的牙盘定位套以固定牙盘。该电机结构更紧凑，体积更小，零部件更少，尤其适用于电机设计功率较小的电动自行车，能够大大节约生产成本。

主设计要求

1.一种采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机，包括外壳、电机本体、离合器（1）、齿轮减速机构、中轴（2）及牙盘（3），电机本体包括定子（4）、转子（5）及与转子（5）固定的芯轴（6），中轴（2）穿过外壳两端的轴孔并通过设于外壳内的中轴轴承（7）支撑定位，芯轴（6）与中轴（2）平行布置；其特征在于外壳由电机前盖（8）和电机后盖（9）扣合固定而成，电机本体采用外转子（5）内定子（4）结构，而齿轮减速机构为一级齿轮减速机构，包括固定或一体设于芯轴（6）上的小齿轮（10）和与小齿轮（10）啮合的大齿轮（11），大齿轮（11）的内圈与离合器（1）的外圈（1a）固定或一体成型，而离合器（1）的内圈（1b）通过离合器轴承（12）安装在中轴（2）上，且离合器内圈（1b）前端一体成型伸出外壳轴孔的牙盘定位套（13）以固定牙盘（3）。

设计方案

2.根据权利要求1所述的采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机，其特征在于所述外壳内部设有定位所述电机本体的机芯腔室（A）、位于机芯腔室（A）前方容纳齿轮减速机构的减速腔室（B）及位于减速腔室（B）下方用于穿设所述中轴（2）的中轴腔室（C）；所述电机前盖（8）和电机后盖（9）上分别设有所述轴孔；并且电机前盖（8）和电机后盖（9）上均成型有机芯腔室轴承座用于安装芯轴轴承（14）以支撑定位所述芯轴（6），同时电机后盖（9）上和牙盘定位套（13）内圈上均设有中轴腔室轴承座用于安装所述中轴轴承（7）以支撑定位中轴（2），并且牙盘定位套（13）的外圈与电机前盖（8）之间还安装有牙盘定位套轴承（15）。

3.根据权利要求2所述的采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机，其特征在于所述电机后盖（9）上的机芯腔室轴承座上固定有环形定子支架（16），所述定子（4）固定在环形定子支架（16）上，芯轴（6）从环形定子支架（16）中间穿过。

4.根据权利要求1或2或3所述的采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机，其特征在于所述转子（5）包括固定在芯轴（6）上的转子飞轮罩（5a）和固定在转子飞轮罩（5a）内圈并与定子（4）相对的磁钢（5b），转子飞轮罩（5a）在芯轴（6）上的固定位置位于定子（4）和小齿轮（10）之间，且转子飞轮罩（5a）的罩口背向小齿轮（10）设置。

5.根据权利要求1所述的采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机，其特征在于还包括固定在中轴（2）上的传感器套（17）和设于传感器套（17）上的扭力传感器（18），同时在离合器（1）内圈和中轴（2）之间设有单向棘轮机构，该机构包括内圈等分设有棘齿（19）的棘轮套（20）和固定在传感器套（17）上并位于棘轮套（20）内的棘爪定位环（21），棘爪定位环（21）上设有若干与棘齿（19）配合的棘爪（22），棘轮套（20）外围与离合器（1）内圈固定。

6.根据权利要求5所述的采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机，其特征在于所述棘爪定位环（21）上交错设有同样的两组棘爪，每组棘爪均由沿棘爪定位环（21）的圆周等角度间隔设置的两个以上棘爪（22）构成，其中一组的棘爪为主棘爪（22a），而另一组为副棘爪（22b），棘爪定位环（21）圆周上相邻的主棘爪（22a）和副棘爪（22b）的间隔角度为b，b不等于n×a，其中a为棘轮套（20）内圈等分的单个棘齿（19）角度度数，n为正整数。

7.根据权利要求1或2所述的采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机，其特征在于所述牙盘（3）中心设有圆形中心孔（3a），并通过该圆形中心孔（3a）套设在牙盘定位套（13）上，圆形中心孔（3a）内周均匀间隔凸设有若干半圆凸键（23），而牙盘定位套（13）外围与牙盘（3）的圆形中心孔（3a）匹配，并且其上相应设有供半圆凸键（23）嵌入的半圆凹槽，同时牙盘定位套（13）外围还设有螺纹用以配合锁紧螺母（24）以将牙盘（3）锁紧在所述外壳上。

8.根据权利要求1所述的采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机，其特征在于所述大齿轮（11）为尼龙齿轮，而小齿轮（10）为金属齿轮。

9.根据权利要求1所述的采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机，其特征在于所述离合器（1）为单向滚针离合器。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种齿轮减速的紧凑型中置电机。

背景技术

中置电机是电动自行车的动力核心部件，目前行业内对于中置电机的发展以结构紧凑、体积小、输出扭矩大为主流趋势。

已有的中置电机通常都是平行展开式的结构，其构成通常包括外壳、电机本体、齿轮减速机构、离合器、中轴和牙盘。电机本体的芯轴通过齿轮减速机构与套置在中轴上的牙盘或其定位构件相连。齿轮减速机构目前主要采用多级齿轮传动来取代原先结构相对繁复、零部件较多的行星齿轮减速机构。离合器通常被安装在齿轮减速机构的某一中间齿轮及其传动轴之间，当自行车滑行时，离合器能够切断牙盘与电机本体的芯轴之间的传动关联，消除干涉。此外，中轴上还设置扭力传感器，用于将人骑行时脚的蹬力转换成相应的电压信号输出给控制器以控制电机的运转功率。同时在中轴和齿轮减速机构的齿轮之间往往还设计单向棘轮机构，这种机构作用是在电机不运转或转速不高时确保人脚蹬力能够通过中轴传递给齿轮减速机构进而带动牙盘运转，而当电机转速增高后则切断中轴与齿轮减速机构的传动关联，防止人踩蹬造成干涉。

目前市面上采用的中置电机多为上述结构，虽然这类中置电机结构相比传统的中置电机具备多方面的优势了，但我们依旧发现其存在下列不足：

1）对于目前电机设计功率较小的一部分电动自行车而言，实际并不需要较高的减速比，但厂家目前无可选择的也只能采用上述多级齿轮传动的中置电机，而众所周知，多级齿轮传动的中置电机，除了包含中间齿轮及其传动轴等诸多传动零件之外，电机外壳部分往往要设计位于电机后盖和前盖之间的电机中盖作为中间齿轮的安装支架，生产成本往往较高，这无疑造成生产资源的浪费。

2）将已有的多级齿轮传动的中置电机应用于小功率电机的电动自行车上，因内部多级齿轮减速机构占据较大空间，无法进一步有效缩减优化电机的径向尺寸，造成电机整体的结构和体积依旧不够紧凑，也对电机在车架上的安装定位带来不便。

3）传统中置电机出于增大减速比的考虑往往将电机本体设置为内转子外定子的结构形式，缺点是电机输出扭矩小。而对于电机设计功率较小的电动自行车而言，实际上对于减速比没有较高要求，但依旧需要较大的电机输出扭矩，显然目前的中置电机无法满足这一要求。

4）针对已有的单向棘轮机构，有用户反应，在自行车实际骑行过程中，脚蹬中轴至获得力反馈（也即棘爪与棘齿咬合使中轴与齿轮减速机构的齿轮建立传动）的时间稍长，这主要归结于棘轮套内圈的棘齿等分数量太少，棘齿间隙角度太大。当然目前的解决方法是重新加工棘轮套以增加棘齿数量，但这样做一方面加工难度高，另一方面需要重新开模，且势必造成已有棘轮套的报废，对于企业来说浪费较高。

发明内容

本实用新型目的是：提供一种采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机，其结构更紧凑，体积更小，零部件更少，便于生产，尤其适用于电机设计功率较小的电动自行车，能够大大节约生产成本。

本实用新型的技术方案是：一种采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机，包括外壳、电机本体、离合器、齿轮减速机构、中轴及牙盘，电机本体包括定子、转子及与转子固定的芯轴，中轴穿过外壳两端的轴孔并通过设于外壳内的中轴轴承支撑定位，芯轴与中轴平行布置；其特征在于外壳由电机前盖和电机后盖扣合固定而成，电机本体采用外转子内定子结构，而齿轮减速机构为一级齿轮减速机构，包括固定或一体设于芯轴上的小齿轮和与小齿轮啮合的大齿轮，大齿轮的内圈与离合器的外圈固定或一体成型，而离合器的内圈通过离合器轴承安装在中轴上，且离合器内圈前端一体成型伸出外壳轴孔的牙盘定位套以固定牙盘。

进一步的，本实用新型中所述外壳内部设有定位所述电机本体的机芯腔室、位于机芯腔室前方容纳齿轮减速机构的减速腔室及位于减速腔室下方用于穿设所述中轴的中轴腔室；所述电机前盖和电机后盖上分别设有所述轴孔；并且电机前盖和电机后盖上均成型有机芯腔室轴承座用于安装芯轴轴承以支撑定位所述芯轴，同时电机后盖上和牙盘定位套内圈上均设有中轴腔室轴承座用于安装所述中轴轴承以支撑定位中轴，并且牙盘定位套的外圈与电机前盖之间还安装有牙盘定位套轴承。

更进一步的，本实用新型中所述电机后盖上的机芯腔室轴承座上固定有环形定子支架，所述定子固定在环形定子支架上，芯轴从环形定子支架中间穿过。

更进一步的，本实用新型中所述转子包括固定在芯轴上的转子飞轮罩和固定在转子飞轮罩内圈并与定子相对的磁钢，转子飞轮罩在芯轴上的固定位置位于定子和小齿轮之间，且转子飞轮罩的罩口背向小齿轮设置。采用上述设计后，本实用新型中的转子飞轮罩更加靠近芯轴的输出端（也即设置小齿轮的一端），相比转子飞轮罩朝向小齿轮方向并且远离芯轴输出端的传统设计，转子飞轮罩施加在芯轴输出端上的扭矩更集中，更直接，能量损失更小，有利于进一步增大扭矩。

进一步的，本实用新型中还包括固定在中轴上的传感器套和设于传感器套上的扭力传感器，同时在离合器内圈和中轴之间设有单向棘轮机构，该机构包括内圈等分设有棘齿的棘轮套和固定在传感器套上并位于棘轮套内的棘爪定位环，棘爪定位环上设有若干与棘齿配合的棘爪，棘轮套外围与离合器内圈固定。扭力传感器的工作原理参见常规技术，本实用新型对此未作改进。

更进一步的，本实用新型中所述棘爪定位环上交错设有同样的两组棘爪，每组棘爪均由沿棘爪定位环的圆周等角度间隔设置的两个以上棘爪构成，其中一组的棘爪为主棘爪，而另一组为副棘爪，棘爪定位环圆周上相邻的主棘爪和副棘爪的间隔角度为b，b不等于n×a，其中a为棘轮套内圈等分的单个棘齿角度度数，该角度也等于相邻的两个棘齿的间隔角度，n为正整数。该设计能够显著缩短自行车实际骑行过程中，脚蹬中轴至获得力反馈（也即棘爪与棘齿咬合使中轴与齿轮减速机构的齿轮建立传动）的时间，大大提高用户体验。并且增加一组棘爪相比重新加工棘轮套内圈棘齿更易操作，还不会造成原有棘轮套报废，能够有效节约企业生产资源，降低生产成本。

进一步的，本实用新型中所述牙盘中心设有圆形中心孔，并通过该圆形中心孔套设在牙盘定位套上，圆形中心孔内周均匀间隔凸设有若干半圆凸键，而牙盘定位套外围与牙盘的圆形中心孔匹配，并且其上相应设有供半圆凸键嵌入的半圆凹槽，同时牙盘定位套外围还设有螺纹用以配合锁紧螺母以将牙盘锁紧在所述外壳上。原先牙盘与牙盘定位套都采用方健和方槽配合定位，牙盘受力不均。且牙盘定位套上设置方槽不利于外端螺纹的加工，对于牙盘的锁紧定位不可靠。本实用新型中采用半圆凸键和半圆凹槽的配合能够确保牙盘受力均衡，提高中轴和牙盘间的力传递效果。并且牙盘定位套外围沿圆周分布的多个等角度间隔设置的半圆凹槽的设计有利于外端螺纹的加工。

进一步的，本实用新型中所述大齿轮为尼龙齿轮，而小齿轮为金属齿轮。这样设计一方面能够确保传动强度，另一方面能够减小齿轮啮合振动，减小噪音。

进一步的，本实用新型中所述离合器为单向滚针离合器。

本实用新型的工作原理如下：骑行过程中，当人脚蹬中轴的转速高于电机本体输出的转速时，此时离合器内外圈脱开，而单向棘轮机构的棘爪与棘齿咬合，使得人脚的蹬力能够通过中轴传递给齿轮减速机构和离合器内圈，进而带动牙盘定位套和牙盘运转。由于离合器内外圈脱开的关系，中轴的旋转扭矩不会干涉电机本体，此工作过程既适用于电机本体减速的情况，也适用于电机本体停止工作的情况（也即滑行状态）；而当人脚蹬中轴的转速小于电机本体输出的转速时（此时电机本体高速运转），离合器的内外圈咬紧，而单向棘轮机构的棘爪和棘齿脱开，此时完全由电机本体的芯轴通过大小齿轮啮合的齿轮减速机构（一级齿轮减速传动）带动离合器绕中轴转动，进而使得牙盘定位套能够驱动牙盘转动输出动力，由于棘爪和棘齿脱开的关系，电机本体的运转不干涉中轴。

本实用新型的优点是：

1．本实用新型相比目前广泛采用的中置电机，其齿轮减速机构仅采用大、小齿轮啮合的一级齿轮减速传动，其中的大齿轮依靠中轴支撑定位，取消原先支撑定位中间齿轮的电机中盖和齿轮轴等诸多零件，使得外壳体积进一步缩减，电机更加紧凑，零部件更少，从而装配方便，便于生产，同时结合外转子内定子的电机本体构型来增大扭矩，故尤其适用于电机设计功率较小的电动自行车取代已有中置电机，能够大大节约生产成本。

2. 本实用新型的外壳内部结构设计中，牙盘定位套采用内侧的中轴轴承和外围的牙盘定位套轴承包夹定位支撑，同时因牙盘定位套一体成型于离合器内圈上，而离合器内圈又通过离合器轴承支撑，因此确保对于离合器及其上大齿轮的支撑定位稳固可靠，能够极大的提高齿轮减速机构的传动稳定性。其中的离合器轴承同时用于支撑定位中轴，而一侧的中轴轴承又同时用于支撑定位牙盘定位套，这样充分发挥零部件功能特性，既节约了零部件，又进一步优化缩减了外壳内部空间，使电机整体更加紧凑。

3. 本实用新型中的转子飞轮罩更加靠近芯轴的输出端（也即设置小齿轮的一端），相比转子飞轮罩朝向小齿轮方向并且远离芯轴输出端的传统设计，转子飞轮罩施加在芯轴输出端上的扭矩更集中，更直接，能量损失更小，有利于进一步增大扭矩。

4. 本实用新型中所述棘爪定位环上交错设有同样的主、副两组棘爪，每组棘爪均由沿圆周等角度间隔设置的两个以上棘爪构成，且圆周上相邻的主棘爪和副棘爪的间隔角度为b，b不等于n×a，其中a为棘轮套内圈等分的单个棘齿角度度数，n为正整数。该设计能够显著缩短自行车实际骑行过程中，脚蹬中轴至获得力反馈（也即棘爪与棘齿咬合使中轴与齿轮减速机构的齿轮建立传动）的时间，大大提高用户体验。并且增加一组棘爪相比重新加工棘轮套内圈棘齿更易操作，还不会造成原有棘轮套报废，能够有效节约企业生产资源，降低生产成本。

5. 本实用新型中牙盘和牙盘定位套采用半圆凸键和半圆凹槽的配合能够确保牙盘受力均衡，提高中轴和牙盘间的力传递效果。并且牙盘定位套外围沿圆周分布的多个等角度间隔设置的半圆凹槽的设计有利于外端螺纹的加工。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型一种具体实施例的主剖面图；

图2为图1实施例中的单向棘轮机构的正面视图；

图3为图1实施例中的牙盘正面视图。

其中：1、离合器；1a、外圈；1b、内圈；2、中轴；3、牙盘；3a、圆形中心孔；4、定子；5、转子；5a、转子飞轮罩；5b、磁钢；6、芯轴；7、中轴轴承；8、电机前盖；9、电机后盖；10、小齿轮；11、大齿轮；12、离合器轴承；13、牙盘定位套；14、芯轴轴承；15、牙盘定位套轴承；16、环形定子支架；17、传感器套；18、扭力传感器；19、棘齿；20、棘轮套；21、棘爪定位环；22、棘爪；22a、主棘爪；22b、副棘爪；23、半圆凸键；24、锁紧螺母；A、机芯腔室；B、减速腔室；C、中轴腔室。

具体实施方式

实施例：下面结合图1~图3所示对本实用新型提供的这种采用一级齿轮减速传动的紧凑型中置电机的具体实施方式进行说明如下：

如图1所示，其同常规技术一样具有外壳、电机本体、离合器1、齿轮减速机构、中轴2、牙盘3、传感器套17、扭力传感器18和单向棘轮机构。电机本体包括定子4、转子5及与转子5固定的芯轴6，中轴2穿过外壳两端的轴孔并通过设于外壳内的中轴轴承7支撑定位，芯轴6与中轴2平行布置。本实用新型的核心改进在于：

本实用新型的外壳取消了电机中盖的设计，直接由电机前盖8和电机后盖9扣合固定而成，外壳内部设有定位所述电机本体的机芯腔室A、位于机芯腔室A前方容纳齿轮减速机构的减速腔室B及位于减速腔室B下方用于穿设所述中轴2的中轴腔室C；电机本体采用外转子5内定子4结构，并且电机前盖8和电机后盖9上均成型有机芯腔室轴承座用于安装芯轴轴承14以支撑定位所述芯轴6。

依旧如图1所示，本实用新型中的齿轮减速机构为一级齿轮减速机构，由一体设于芯轴6上的小齿轮10和与小齿轮10啮合的大齿轮11及离合器1共同构成，离合器1为单向滚针离合器。本实施例中大齿轮11的内圈与离合器1的外圈1a一体成型，而离合器1的内圈1b通过离合器轴承12安装在中轴2上，且离合器内圈1b前端一体成型伸出外壳轴孔的牙盘定位套13以固定牙盘3。所述电机前盖8和电机后盖9上分别设有所述轴孔，具体见图1所示，电机后盖9上和牙盘定位套13内圈上均设有中轴腔室轴承座用于安装所述中轴轴承7以支撑定位中轴2，并且牙盘定位套13的外圈与电机前盖8之间还安装有牙盘定位套轴承15。

本实施例中所述电机后盖9上的机芯腔室轴承座上固定有环形定子支架16，所述定子4固定在环形定子支架16上，芯轴6从环形定子支架16中间穿过。所述转子5由固定在芯轴6上的转子飞轮罩5a和固定在转子飞轮罩5a内圈并与定子4相对的磁钢5b共同构成，转子飞轮罩5a在芯轴6上的固定位置位于定子4和小齿轮10之间，且转子飞轮罩5a的罩口背向小齿轮10设置，如图1所示。本实施例中的转子飞轮罩5a更加靠近芯轴6的输出端（也即设置小齿轮10的一端），相比转子飞轮罩5a朝向小齿轮10方向并且远离芯轴6输出端的传统设计，转子飞轮罩5a施加在芯轴6输出端上的扭矩更集中，更直接，能量损失更小，有利于进一步增大扭矩。

还是如图1所示，中轴2上固定有传感器套17和设于传感器套17上的扭力传感器18，同时在离合器1内圈和中轴2之间设有单向棘轮机构，该机构包括内圈等分设有棘齿19的棘轮套20和固定在传感器套17上并位于棘轮套20内的棘爪定位环21，棘爪定位环21上设有若干与棘齿19配合的棘爪22，棘轮套20外围与离合器1内圈固定。

进一步结合图2所示，所述棘爪定位环21上交错设有同样的两组棘爪，每组棘爪均由沿棘爪定位环21的圆周等角度间隔设置的三个棘爪22构成，其中一组的棘爪为主棘爪22a，而另一组为副棘爪22b。棘爪定位环21圆周上相邻的主棘爪22a和副棘爪22b的间隔角度为b，b不等于n×a，其中a为棘轮套20内圈等分的单个棘齿19角度度数（该角度也即相邻的两个棘齿19的间隔角度），而n为正整数。

本实施例中棘齿总共为30个，等分后每个棘齿19的角度a为12°，而图2中b的度数为68°，不等于a的正整数倍。当然实际上由于两组棘爪交错并且错位设置，圆周上相邻主棘爪22a和副棘爪22b的间隔角度有两个，且度数不同，图2中仅示意了其中一个，但这两个间隔角度都不为棘齿角度的正整数倍。这样设计确保当主棘爪22a和副棘爪22b中的一个与棘齿19咬合时，另一个依旧与棘齿19脱开一定距离，以此增加棘爪22与棘齿19的咬合频率，最终是为了显著缩短自行车实际骑行过程中，脚蹬中轴至获得力反馈（也即棘爪22与棘齿19咬合使中轴2与大齿轮11建立传动）的时间，大大提高用户体验。并且增加一组棘爪22相比重新加工棘轮套20内圈棘齿19更易操作，还不会造成原有棘轮套20报废，能够有效节约企业生产资源，降低生产成本。

结合图3所示，本实施例中所述牙盘3中心设有圆形中心孔3a，并通过该圆形中心孔3a套设在牙盘定位套13上，圆形中心孔3a内周均匀间隔凸设有8个半圆凸键23，而牙盘定位套13外围与牙盘3的圆形中心孔3a匹配，并且其上相应设有供半圆凸键23嵌入的半圆凹槽，同时牙盘定位套13外围还设有螺纹用以配合锁紧螺母24以将牙盘3锁紧在所述外壳上，结合图1所示。本实用新型中采用半圆凸键23和半圆凹槽的配合能够确保牙盘3受力均衡，提高中轴2和牙盘3间的力传递效果。并且牙盘定位套13外围沿圆周分布的多个等角度间隔设置的半圆凹槽的设计有利于外端螺纹的加工。

本实施例中所述大齿轮11为尼龙齿轮，而小齿轮10为金属齿轮。这样设计一方面能够确保传动强度，另一方面能够减小齿轮10啮合振动，减小噪音。

当然上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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