车用特别是自行车用电动轮毂驱动器

摘要

本发明涉及一种车用特别是自行车用电动轮毂驱动器。轮毂驱动器包括绕一轴枢轴式安装的轮毂外壳和同轴布置在所述轴上并包括转子和定子的无刷电动机，无刷电动机用于驱动轮毂外壳。电动机的转子包括至少一个永久磁体。根据本发明，定子包括无铁心定子绕组。

说明书

技术领域

本发明涉及根据独立权利要求1的前序部分所述的车用特别是自行车用 电动轮毂驱动器。

背景技术

轮毂驱动器包括绕一轴枢轴式安装的轮毂外壳。轮毂驱动器进一步包括 同轴布置在所述轴上并包括转子和定子的无刷电动机，其中电动机设置为驱 动轮毂外壳。在使用这种无刷电动机的情况下，利用定子线圈生成交变磁场。 与定子不同，转子没有任何绕组，但是具有一个或多个永久磁体，永久磁体 与定子的交变磁场相互作用，从而使转子开始旋转。

这种电动轮毂驱动器是现有技术中已知的，例如用作自行车的辅助驱动 器。对这种轮毂驱动器有很多不同的要求。通常，轮毂外壳和电动机彼此同 轴布置，电动机封装在轮毂外壳内，在适当情况下，插入式齿轮系也封装在 轮毂外壳内。由此，首先只有很少的空间可用于电动机和齿轮系，这意味着 轮毂驱动器必须以较小的结构尺寸传递相对较高的功率。除此之外，客户仍 然期望这种轮毂驱动器的转矩增加更多。只有电动机具有相对较大的径向尺 寸，才能实现直接高转矩驱动。为了利用径向尺寸较小的电动机或轮毂驱动 器获得高转矩，使用在电动机与轮毂外壳之间连接或布置的行星齿轮系。在 高性能驱动的情况下，通常会产生相对大量的废热。为了防止对电动机或轮 毂驱动器的内部特别是齿轮系造成损坏，这种废热必须向外消散。

上述种类的电动轮毂驱动器是已知的，例如EP1601083A1、EP1601 085A1和EP1640261A1中已经公开了这种电动轮毂驱动器。全部所述的三 个文档中都公开了轮毂驱动器，其中电动机和齿轮系都封装在轮毂外壳内。 电动机的转子已经设计为内部转子，并且在其外周包括环形布置的永久磁体， 所述永久磁体布置为一排并且极性交替相反。在电动机的定子中生成交变磁 场。为此，定子包括封装转子的中空筒状叠片。所述叠片的多个磁极分布在 周向上并缠绕有定子绕组，电力能够交替应用于所述定子绕组。在EP1601 083A1中提及了散热问题。根据所述文档，已知在电动机的外壳与轮毂外壳 之间提供冷却液，这有助于电动机的定子散热。然而，EP1601083A1说明 了这种冷却方式会导致增加工作量，因为一方面必须将冷却液引入轮毂外壳 中，而另一方面必须将冷却液安全地封入在轮毂外壳中。相应地，EP1601083 A1建议将定子布置在侧面，从而不必设置电动机外壳。因而，可以更容易地 使定子中产生的废热向外消散。与上述文档不同，EP1640261A1建议为轮 毂外壳设置气泵，用于将环境空气供给到轮毂外壳中以冷却电动机。

EP1736347A1和WO2007/083995A1进一步公开了上述种类的轮毂驱 动器。此外，在这两个说明书中描述的轮毂驱动器中，电动机和齿轮系封装 在轮毂外壳内。然而，所述电动机的转子已经设计为外部转子。这意味着定 子布置在中空筒状转子内。在具有外部转子的这种设计中，定子中产生的废 热消散到外部的效果更差。相应地，这种驱动器通常无法设计为像上述具有 内部转子的轮毂驱动器一样是有效率的。

US2008/0070736A1还公开了集成到车辆的轮圈中的轮毂驱动器。该驱 动器包括具有外部定子和内部转子的交流电动机，定子直径相当于轮圈直径。 由于外部定子圆周相对较长，因此有非常大的面积可用于散热。然而，该驱 动器由此径向尺寸非常大，因此不适于例如自行车辅助驱动器。

发明内容

本发明的目的是提供一种轮毂驱动器，所述轮毂驱动器已经相对于现有 技术进行改进，其中虽然尺寸较小，但是实现了高性能和高转矩并同时确保 了充分散热。此外，本发明的目的是提高轮毂驱动器的效率。除此之外，轮 毂驱动器应该尽可能重量轻。

独立权利要求1的特征实现了该目的。根据这些特征，当定子设置有无 铁心定子绕组时，能够实现本发明的目的。因而，能够提供一种生成相对较 少废热的高性能和高转矩轮毂驱动器。根据本发明的无铁心定子绕组具有多 个优点。一方面，不会发生磁心损耗，即无磁滞损耗、无涡流功率损耗及无 剩余损耗，因此废热更少且效率更高。此外，具有无铁心绕组的电动机抗过 载并且尤其在过载时效率高。由此，例如在陡坡上起动或行驶时，能够提供 特别高的转矩。增强过载容量要求高散热能力。根据本发明的轮毂驱动器能 够确保满足该要求。另一方面，轮毂驱动器的重量已经减轻，这对于配备根 据本发明的轮毂驱动器的自行车特别有利。最后，与采用叠片的比较轮毂驱 动器相比，根据本发明的轮毂驱动器噪声更小。优选地，电动机的转子具有 多个磁极。这意味着设置有沿周向布置并且极性交替相反的多个永久磁体。 优选地，定子绕组也具有多个磁极，并沿周向包括多个彼此重叠且通过电子 系统交替供电的绕组。定子以不可旋转的方式安装到轴上。

本发明的优选实施例是从属权利要求的主题。

在本发明的特别优选实施例中，行星齿轮系连接在电动机与轮毂外壳之 间，行星齿轮系在其驱动端联接至转子，而在其输出端联接至轮毂外壳。因 而，所述轮驱动器能够提供特别高的转矩，而且还是最紧凑的设计。

在本发明的另一个特别优选的实施例中，所述无铁心定子绕组为中空筒 状设计，其中所述转子在径向上布置在所述定子绕组内作为内部转子。由于 采用所述外部定子，因此废热能够非常容易地向外消散。因而，能够实现高 功耗而不会导致电动机损坏。优选地，所述定子绕组的各个绕组沿周向彼此 重叠并且使用环氧树脂彼此粘合。因而，所述定子绕组具有高凝聚性并且不 会变形，甚至在剧烈振动的情况下也不会变形。

在本发明的再一个优选的实施例中，所述定子绕组封装在所述电动机的 电动机外壳内，并且以导热方式连接到所述电动机外壳。优选地，所述定子 绕组与所述电动机外壳之间存在直接接触，因而允许废热尽快消散。这就是 所述电动机外壳优选由导热性特别高效的材料制成的原因。为此，通常使用 的是金属，如钢或铝。此外，磁性软轭架可以优选地设置在定子绕组与电动 机外壳之间。在这种情况下，所述轭架直接抵靠所述电动机外壳及所述定子 绕组，以确保最优的散热效果。所述轭架优选地由磁性软钢制成的多个环形 盘状片构成。

优选地，所述轮毂外壳由非磁性或顺磁性材料制成。因而，能够避免所 述外部外壳内产生任何磁心损耗。一方面，因而能够增加所述轮毂驱动器的 效率，而另一方面，能够进一步减少产生的废热。相应地，看起来使用铝制 造所述轮毂外壳更合适。

在本发明的又一个特别优选的实施例中，所述电动机和所述行星齿轮系 至少部分封装在所述轮毂外壳内。因而，保护所述电动机和所述齿轮系不会 受到污染和由外力影响受到损坏。优选地，电动机和行星齿轮系都完全封装 在所述轮毂外壳内。这将为齿轮系和电动机提供最佳保护。除此之外，所述 实施例的外观非常有吸引力，并能够确保例如无法从外部看到自行车辅助驱 动器。然而，也可以设置成这样：所述电动机仅部分地封装在所述轮毂外壳 内，或者所述轮毂外壳在所述电动机区域中设置有开口，从而使冷环境空气 能够到达所述定子或所述电动机外壳，以冷却所述电动机。

此外，为了进一步提高所述电动机的定子中产生的废热的消散或排出性 能，优选地，可以在所述电动机外壳与所述轮毂外壳之间的空隙中设置导热 流体。优选地，所述轮毂外壳和所述电动机外壳至少在设置所述导热流体的 空隙区域中由高导热性金属制成。为此，特别适合使用钢或铝。因而，能够 进一步促进散热。

在本发明的又一个特别优选的实施例中，所述行星齿轮系是单级齿轮系。 相应地，根据本发明的轮毂驱动器沿轴向也非常短，并且能够升级为用于具 有标准叉架宽度的现有自行车的辅助驱动器的形式。对于设置有根据本发明 的轮毂驱动器的新型自行车，也可以使用标准部件。根据本发明的单级行星 齿轮系轮毂驱动器适合标准长度的山地自行车轴，其中制动盘和链轮也能够 仍然位于同一轴上。所述单级行星齿轮系包括太阳齿轮、环形齿轮、与所述 太阳齿轮和所述环形齿轮啮合的至少一个行星齿轮以及用于支撑所述至少一 个行星齿轮的行星齿轮架。优选地，设置有已经均匀分布在所述行星齿轮架 的圆周上的多个行星齿轮。

在优选实施例中，所述行星齿轮系的所述太阳齿轮以不可旋转的方式与 所述转子安装在一起，或者与所述转子的转子轴整体形成，所述行星齿轮架 形成了联接至所述轮毂外壳的行星齿轮系的输出部。因而，能够获得紧凑的 结构设计，并且实现了大传动比。此外，在该实施例中，根据本发明的轮毂 驱动器的安装非常容易。

在本发明的又一个优选实施例中，所述环形齿轮以不可旋转的方式与所 述定子安装在一起。此处，当所述环形齿轮由所述电动机外壳形成时，能够 减少根据本发明的轮毂驱动器的部件数量。因此，能够以非常低廉的成本制 造根据本发明的轮毂驱动器。此外，由于省略了组装所述环形齿轮的更多步 骤，还能够简化组装。

在本发明的又一个优选实施例中，所述行星齿轮在其两个端面处沿径向 支撑在所述行星齿轮架中。因而，所述行星齿轮系中产生非常少的摩擦损耗。 相应地，所述行星齿轮系能够更加平滑地运行，并且能够增强根据本发明的 轮毂驱动器的效率。

在本发明的又一个特别优选的实施例中，所述行星齿轮呈阶梯式并包括 第一齿圈和第二齿圈，其中所述第一齿圈的直径大于所述第二齿圈的直径， 并且其中所述第一齿圈与所述太阳齿轮啮合而所述第二齿圈与所述环形齿轮 啮合。由此，通过所述单级行星齿轮系也能够获得大传动比。最优选地，所 述行星齿轮的所述第二齿圈比所述第一齿圈在轴向上更靠近所述电动机的转 子。因而，能够获得更加紧凑的根据本发明的轮毂驱动器的设计。对于所述 电动机外壳和所述轮毂外壳，都需要更少的材料。结果，所述电动机外壳在 轴向上极短。

在本发明的又一个特别优选的实施例中，所述行星齿轮系的驱动器通过 飞轮离合器联接至所述轮毂外壳。如果所述轮毂驱动器被用作自行车的辅助 驱动器，则所述飞轮离合器允许通过所述辅助驱动器在无任何支撑的情况下 驱动，其中在这种情况下，所述电动机和所述行星齿轮系都不会产生摩擦损 耗。由于所述飞轮离合器的作用，能够避免在踏板驱动行驶期间辅助驱动器 产生的任何不利的制动效果。

在本发明的又一个优选的实施例中，所述轮毂外壳由多个部件组成并且 通过可拆卸的紧固件特别是螺钉接合在一起。因而，所述轮毂外壳能够很容 易打开，以进行维护、保养和轮毂驱动器控制及更换磨损部件。

在本发明的又一个特别优选的实施例中，设置有用于监控所述电动机的 运行温度的温度传感器。这允许以受控方式加载所述电动机，直到电动机达 到其发热极限，如果需要，甚至在过载范围内短时间驱动电动机。因而，能 够临时提供高转矩或高功率，而不会有导致所述轮毂驱动器或所述电动机永 久损坏的风险。

根据本发明的轮毂驱动器特别适合作为另一个驱动器的支持驱动器，尤 其适用于混合动力车辆或踏板电动自行车。根据本发明的轮毂驱动器还能够 用作自行车后轮驱动器。此外，还可以构思进一步可能的应用。

附图说明

在下文中，将参照附图详细地说明本发明的实施例的一个示例。

图1为根据本发明的电动轮毂驱动器1的纵向剖视图。

具体实施方式

在本示例中，轮毂驱动器1是自行车辅助驱动器。根据本发明的轮毂驱 动器基本上包括：枢轴式安装的轮毂外壳3、用于驱动所述轮毂外壳的无刷 电动机以及在所述电动机与所述轮毂外壳之间连接的行星齿轮系。

枢轴式安装的轮毂外壳3由铝制成，并由三个部件即中空筒状轮毂外壳 中心件22、左侧轮毂外壳盖21和右侧轮毂外壳盖20组成。所述右侧轮毂外 壳盖20和所述左侧轮毂外壳盖21通过螺钉18与所述轮毂外壳中心件22螺 接在一起。由于轮毂外壳3采用多部件设计，因此根据本发明的轮毂驱动器 能够容易地拆卸，以进行保养、维护或修理。轮毂外壳中心件22通常包括两 个轮毂侧翼23，后轮的轮辐24应用于两个轮毂侧翼23。轮毂外壳3的枢轴 式安装是通过两个球轴承实现的，即位于所述右侧轮毂外壳盖20与固定轴2 之间的右侧球轴承25和位于所述左侧轮毂外壳盖21与所述固定轴2之间的 左侧轴承26。轴2是常用的中空筒状后轮轴，其连接至自行车后叉架5，仅 示出了自行车后叉架5的左侧分支。快速释放装置或将轴2联接至后轮叉5 的紧固装置也未示出。在轮毂驱动器与右侧叉架分支之间，可以在该同一轴 上设置链条传动机构的传动链轮，如果需要，还可以在该同一轴上设置制动 盘。

轮毂外壳3完全封装电动机和行星齿轮系。在附图中，电动机示出在右 侧，行星齿轮系在轴向上接着电动机示出在附图左侧。轮毂外壳3、电动机 和行星齿轮系同心布置在轴2上。

电动机包括不可旋转地安装到固定轴2的电动机外壳8。中空筒状外壳8 封装也是中空筒状的定子绕组7，定子绕组7已经设计为无铁心定子绕组。 轭架32布置在所述电子绕组和所述电动机外壳之间，轭架32由多个环状片 构成，环状片由磁性软钢材制成。轭架32在径向上紧密抵靠电动机外壳8 和定子绕组7，因而能够使电动机运行期间所述定子绕组中产生的废热经由 电动机外壳8快速向外消散。下文中将会描述改善热传输的另一措施。由于 定子绕组是无铁心设计，因此，根据本发明的轮毂驱动器只有很少的磁心损 耗。定子绕组为多个磁极设计，并沿周向包括多个彼此重叠且通过电子系统 （未示出）交替供电的绕组。定子绕组7的重叠绕组通过环氧树脂彼此粘合。 用于为定子绕组供电的电子系统（未示出）能够容纳在电动机的外部或内部， 例如，容纳在电动机外壳8内的右侧区域中的空腔31中。电连接器经由设置 在所述固定轴2中的端口（未示出）穿过所述轴向外引导。

电动机的转子4已经设计为内部转子，因而封装在所述固定的定子绕组 7内。转子通过两个球轴承30枢轴式安装到固定轴2上。多个永久磁体6设 置在转子4的外周上，而且在外周上均匀分布且极性交替相反。在永久磁体 6和固定的定子绕组7之间，设有转子4能够旋转所必需的小气隙。电动机 外壳8朝向左侧开放，转子4的小轴颈突出于左侧，转子4的小轴颈的左端 形成单级行星齿轮系的太阳齿轮10。轴颈或太阳齿轮可以与转子4整体形成， 或者以不可旋转的方式与转子安装在一起。

太阳齿轮10与全部三个行星齿轮12啮合，剖视图中示出了其上部。三 个行星齿轮均匀地分布在行星齿轮系的圆周上。行星齿轮呈阶梯式，并且每 个行星齿轮都包括较大直径的第一齿圈15和较小直径的第二齿圈16。具有 较大直径的第一齿圈15与转子轴的太阳齿轮10啮合，具有较小直径的第二 齿圈16与作为电动机外壳8的一部分的环形齿轮11啮合。为了获得紧凑的 结构设计，与较大直径的第一齿圈15相比，较小直径的第二齿圈16更接近 电动机，即更朝向附图中的右侧。所有行星齿轮都各自经由行星轴27枢轴式 安装到行星齿轮架中，所述齿轮架由两个行星齿轮架盘13和14形成。行星 齿轮12在两侧由两个行星齿轮架盘13和14支撑或承载，因而能够减少行星 齿轮系中的摩擦。在附图中，第一行星齿轮架盘13设置在左侧，位于行星齿 轮12和左侧轮毂外壳盖21之间。第一行星齿轮架盘13经由外部球轴承29 枢轴式安装到轮毂外壳上。设置在电动机的转子4与行星齿轮12之间的右侧 行星齿轮架盘14也是枢轴式安装的，即经由布置在内部转子轴与封装所述转 子轴的行星齿轮架盘14之间的轴承28进行安装。相应地，原则上，行星齿 轮架自由旋转，并且相对于电动机的定子和转子及轮毂外壳3自由旋转。而 且，行星齿轮架构成行星齿轮系的输出部。为此，左侧行星齿轮架盘13通过 飞轮离合器17联接至左侧轮毂外壳盖21。飞轮离合器17确保行星齿轮架与 轮毂外壳仅在一个旋转方向上啮合。在相反的旋转方向上，轮毂外壳能够相 对于行星齿轮架自由旋转。

为了改善电动机废热的热传输，在电动机外壳8与封装用的轮毂外壳3 之间的空隙9中设置有导热流体。因而，定子绕组7中产生的热经由轭架32、 电动机外壳8、导热流体和轮毂外壳3最优地向外消散。此外，电动机包括 直接定位于定子绕组7处的温度传感器19。温度传感器19连接至电动机的 电子系统（未示出）。因此，电动机能够以受控方式在最大运行温度下运行。 此外，由于存在这种永久温度监控，如果需要，电动机能够在过载区域中运 行短时间段。由此，根据本发明的轮毂驱动器能够在短时间段内提供非常高 的转矩或非常高的功率，而不会导致电动机损坏。