一種時序供電的輪轂連體電動裝置及其驅(qū)動、制動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電動車的電源動力設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種電動裝置的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動、制動方法，包括周期性通斷電流、時序供電幅值變換的電源調(diào)制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前市場上的電動車主要是兩輪車，我國電動兩輪車的市場保有量已達到1.5億輛以上；除了兩輪車，近年電動三輪車也迅速興起，據(jù)行業(yè)情報披露2013年已逾1000萬輛，區(qū)域用的低速電動四輪車市場也獲得了長足發(fā)展。
[0003]電動車所配用的電動機目前正從通用型向?qū)I(yè)設(shè)計方向發(fā)展，其電源控制器也力圖運用脈沖調(diào)制技術(shù)降低電機工作過程的無功損耗。目前市場電動車的動力技術(shù)發(fā)展主要有兩個方向，一是改進電動機專業(yè)制造技術(shù)，二是改善電動機節(jié)能控制，但這兩個方向在技術(shù)發(fā)展思路上都受到了較大局限，例如電動機，電動兩輪車市場主流配用的是輪轂式電動機，行業(yè)通常使用的電機結(jié)構(gòu)原理大多屬于通用型，主要競爭集中在材料和人力成本的控制；對于電動三輪車和區(qū)域用低速電動四輪車，市場主流配用的主要是軸輸出形式的單元電機。
[0004]近年市場己普遍應用PWQ技術(shù)來控制電動機，即占空比可變的脈沖波形，通過其對半導體電力器件的導通和關(guān)斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相同而寬度不相同的脈沖，用于代替正弦波或其他所需的波形。根據(jù)其特性，按一定規(guī)則對個脈沖的寬度進行調(diào)制，即可改變電路輸出電壓或輸出頻率的大小，達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。但研發(fā)主流對電機控制的基本思路，通常集中在傳統(tǒng)“倒相”模型所伴隨的相角位控制思想范疇，技術(shù)開發(fā)收益不盡人意。
[0005]在電動兩輪車市場上，近年來國內(nèi)外同行均試圖開發(fā)在輪沿設(shè)置原動機構(gòu)的電動輪，這一思想方法古來有之，中國古代已普遍使用水車，其工作原理并非在水車的輪軸設(shè)置旋轉(zhuǎn)動力機，而是沿水車輪頁的切線方向在合適的時間給予一杯水(一份勢能)，該杯水的下落勢能轉(zhuǎn)變成水車環(huán)繞軸心旋轉(zhuǎn)的動力。但是，當這一水車模型被平移到電動車領(lǐng)域時，并未獲得預期的開發(fā)成功。例如市場上一種在車圈外緣設(shè)齒并安裝輸出軸帶齒電動機的電動自行車，通過齒輪傳遞電動機的軸輸出動力，這類設(shè)計雖有新意，但由于采用傳統(tǒng)設(shè)計的電動機和常規(guī)方式的動力供電，其電能轉(zhuǎn)換效率與輪轂式電機類同，并且在車圈外緣設(shè)置電動機會受到功率的限制。
[0006]在電動四輪車市場上，目前開發(fā)的大功率輪轂式電動機的主流思路，是在輪轂內(nèi)部設(shè)置電動機，因常規(guī)電動機的重量/體積比功率低，導致輪轂重量大增，實用耗電指標并不低，且性價比不高，市場產(chǎn)品的種類也較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的，在于改變現(xiàn)有電動車開發(fā)在輪轂內(nèi)部設(shè)置電動機的習慣思路，提供一種在輪轂外部連體設(shè)置電動機的設(shè)計方案，同時針對常規(guī)電動機供電方式局限于相角位控制的設(shè)計缺陷，提供一種將直流電源改變?yōu)闀r序供電方式的設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩大，工藝容易實現(xiàn)，滿足電動車的技術(shù)設(shè)計需求。
[0008]本發(fā)明提供的輪轂連體電動裝置，所述輪轂連體電動裝置包括輪轂6、減速/變矩裝置2、電源調(diào)制器1、驅(qū)動操控裝置9a和至少一套的電動裝置3 ;所述的電動裝置包括同軸轉(zhuǎn)體3e、至少一個定子單元3a以及若干轉(zhuǎn)子單元3b ;所述同軸轉(zhuǎn)體為一個具有轉(zhuǎn)動軸的環(huán)形機械圈；所述若干轉(zhuǎn)子單元包括至少一個永磁體轉(zhuǎn)子單元(3bl)和至少一個導磁體轉(zhuǎn)子單元(3b2)，其相間設(shè)置于同軸轉(zhuǎn)體上；所述永磁體轉(zhuǎn)子單元在同軸轉(zhuǎn)體上多個設(shè)置時，其磁極方向相同；所述定子單元安裝在靠近同軸轉(zhuǎn)體的內(nèi)部或外部車架，兩者之間氣隙3d不大于70_ ;所述同軸轉(zhuǎn)體與輪轂同軸設(shè)置，并通過減速/變矩裝置與輪轂機械傳動；
[0009]所述電源調(diào)制器至少包括電源輸入端la、時序電流輸出端Ib和驅(qū)動信號輸入端ld，所述的電源輸入端電連接電池組8的正負極，時序電流輸出端電連接定子單元的內(nèi)部繞組，驅(qū)動信號輸入端電連接驅(qū)動操控裝置9a ;所述電源調(diào)制器通過驅(qū)動操控裝置獲取用戶的行車指令，并對定子單元的內(nèi)部繞組輸出電流，使電動裝置3及其連體輪轂6獲得驅(qū)動/制動。
[0010]優(yōu)選的，本發(fā)明所述輪轂連體電動裝置的額定功率不大于18KW。
[0011]優(yōu)選的，所述減速/變矩裝置2由若干齒輪組合而成，其機械傳動輸入端與同軸轉(zhuǎn)體3e固連，其機械傳動輸出端與輪轂6固連；減速/變矩裝置2單獨設(shè)置或與同軸轉(zhuǎn)體3e或輪轂6—體化設(shè)置。
[0012]所述轉(zhuǎn)子單元3b (包括永磁體轉(zhuǎn)子單元3bl和導磁體轉(zhuǎn)子單元3b2)相間設(shè)置于同軸轉(zhuǎn)體3e上包括設(shè)置于同軸轉(zhuǎn)體的內(nèi)緣、外緣、內(nèi)部或與同軸轉(zhuǎn)體一體化設(shè)計制造；多個轉(zhuǎn)子單元在同軸轉(zhuǎn)體上相間設(shè)置時，優(yōu)選均勻排布；所述轉(zhuǎn)子單元在不影響安裝于同軸轉(zhuǎn)體3e的前提下不限形狀。
[0013]優(yōu)選的，所述永磁體轉(zhuǎn)子單元3bl在同軸轉(zhuǎn)體3e上多個同極向設(shè)置，包括N/S兩極連線與轉(zhuǎn)體6同軸法線10重合/垂直的4種典型組合狀態(tài)，以及在4種典型組合狀態(tài)基礎(chǔ)上N/S兩極連線偏轉(zhuǎn)不超過17度角。
[0014]優(yōu)選的，所述定子單元3a安裝在同軸轉(zhuǎn)體3e內(nèi)部與固定機械裝置固連；
[0015]優(yōu)選的，所述定子單元3a安裝靠近同軸轉(zhuǎn)體3e外部與車架固連的機械裝置上；
[0016]優(yōu)選的，所述定子單元3a由至少一組良導線環(huán)繞磁介質(zhì)材料的磁芯而成，其在車架4任何固定部位組合排布得到的繞組之間通過串聯(lián)或并聯(lián)連接，或通過不同繞組之間引出中間抽頭組成多線外接回路；對外電連接的方式可以為兩線或多線構(gòu)成的回路；定子單元通電形成的電磁極對應永磁體轉(zhuǎn)子單元3bl的排布狀態(tài)設(shè)置為與其運動相向的極性相反。
[0017]所述定子單元的繞芯排布或若干個組合，以其內(nèi)部繞組通電穿過氣隙3d的磁通量獲得最大值為優(yōu)選。
[0018]優(yōu)選的，所述定子單元3a靠近同軸轉(zhuǎn)體3e安裝時，其內(nèi)部繞組通電形成的兩極連線方向與同軸轉(zhuǎn)體3e的法線10垂直或平行，包括偏轉(zhuǎn)不超過17度角；
[0019]更優(yōu)選的，若干所述定子單元3a在同軸轉(zhuǎn)體3e的法線平面兩側(cè)部位對稱安裝。
[0020]優(yōu)選的，所述同軸轉(zhuǎn)體3e配置若干減速/變矩裝置2與若干輪轂6同軸傳動，或所述輪轂6同軸配置若干同軸轉(zhuǎn)體3e及若干減速/變矩裝置2傳動。
[0021]優(yōu)選的，所述電動裝置還包括傳感裝置，所述傳感裝置包括若干能感應所述轉(zhuǎn)子單元3b與定子單元3a相對位置的傳感單元3c ;所述傳感單元與所述電源調(diào)制器的傳感信號輸入端Ic電連接；所述電動裝置至少在同軸轉(zhuǎn)體3e的內(nèi)部或外部設(shè)置一傳感單元。
[0022]優(yōu)選的，所述傳感裝置包括定子單元3a的內(nèi)部繞組，所述內(nèi)部繞組包括環(huán)繞定子單元磁芯的多線繞組或由若干定子單元繞組之間串聯(lián)而成的多線外接回路。
[0023]本發(fā)明中，所述輪轂連體電動裝置還包括電磁制動裝置9b，所述電源調(diào)制器還包括制動信號輸入端le，其電連接電磁制動裝置％，通過電磁制動裝置獲取用戶的剎車指令并于相應時序?qū)﹄妱友b置3的定子單元3a的內(nèi)部繞組輸出電流。
[0024]本發(fā)明還公開了含有上述任一輪轂連體電動裝置的電動車，所述電動車包括一個或多個車輪的電動車以及電動、腳踏兩用車；所述電動車的車輪包括單輪以及同軸緊湊安裝兩個輪轂的準單輪結(jié)構(gòu)。
[0025]本發(fā)明中，所述電源調(diào)制器I將直流電源轉(zhuǎn)換為時序電流，使電動裝置中的定子單元3a被限定在電源調(diào)制器設(shè)定的時序周期性地通電和斷電。
[0026]本發(fā)明還公開了一種前述輪轂連體電動裝置的驅(qū)動方法，該方法根據(jù)所述轉(zhuǎn)子單元3b (包括永磁體轉(zhuǎn)子單元3bl和導磁體轉(zhuǎn)子單元3b2)和定子單元3a的位置關(guān)系通過電源調(diào)制器輸出時序驅(qū)動電流控制電動裝置及輪轂轉(zhuǎn)動；
[0027]所述時序根據(jù)車輪旋轉(zhuǎn)方向而定義，所述時序電流根據(jù)定子單元電磁場在同軸轉(zhuǎn)體3e上的有效作用區(qū)間結(jié)合同軸轉(zhuǎn)體上的轉(zhuǎn)子單元個數(shù)而設(shè)置若干個通斷周期T，每個通斷周期T包括供電時域和斷電時域；所述供電時域位于20度< Θ ( 90度相應的時間段，所述Θ為轉(zhuǎn)子單元在同軸轉(zhuǎn)體上繞軸所受到的電磁力與其法向分力的動態(tài)夾角；所述斷電時域內(nèi)電源調(diào)制器I不輸出電流。
[0028]優(yōu)選的，通電時域/子時域內(nèi)的電流波形、頻率以及占空比不限。
[0029]優(yōu)選的，所述的電源調(diào)制器在供電時域內(nèi)至少包括兩段電流幅值不同的子時域并順時序呈幅度依次變小；所述供電時域或其子時域的幅值隨時序呈線性遞減關(guān)系；或呈2K遞減關(guān)系，所述的指數(shù)K取值0.4至0.9 ;或為如下關(guān)系:It/A= (10-1g)Sine，其中I。為起始通電強度，、為通電終止時刻的電流強度。
[0030]優(yōu)選的，所述通電時域由驅(qū)動操控裝置9a獲取外界的輸入，根據(jù)行車速度確定。
[0031]優(yōu)選的，所述通電時域T1內(nèi)初始的電流、電壓或定子單元3a的磁通強度由傳感裝置獲取行車速度實時值結(jié)合驅(qū)動操控裝置9a給出的指令而調(diào)整。
[0032]優(yōu)選的，所述方法還包括校正步驟；所述校正步驟為將定子單元3a與轉(zhuǎn)子單元3b周期性隔氣隙3d相對、Θ為O的狀態(tài)作為基準座標和基準時間，當轉(zhuǎn)子單元每次轉(zhuǎn)至基準座標時，電源調(diào)制器進行一次時間歸O校準并記錄本次周期時間，通過與上次周期時間比較，從而獲知對應輪轂的旋轉(zhuǎn)周期時間和車速，并控制輸出電流。
[0033]本發(fā)明還公開了所述輪轂連體電動裝置的制動方法，該方法通過所述在轉(zhuǎn)子單元趨近定子單元、轉(zhuǎn)子單元和定子單元處同軸法線相對(Θ為O)以及處于遠離狀態(tài)的至少一個時域中，電源調(diào)制器I輸出時序電流控制車輪制動；
[0034]所述轉(zhuǎn)子單元趨近定子單元為O < Θ <35度相應的時間段，所述Θ為轉(zhuǎn)子單元在同軸轉(zhuǎn)體上繞軸所受到的電磁力與其法向分力的方向所形成的動態(tài)夾角。
[0035]優(yōu)選的，所述方法還包括校正步驟，所述校正步驟將Θ為O作為基準座標和基準時間，通過傳感裝置獲知轉(zhuǎn)子單元趨近/相對/遠離定子單元的位置狀態(tài)。
[0036]所述電源調(diào)制器對電動裝置的驅(qū)動通電和制動通電的邏輯關(guān)系設(shè)置為或。
[0037]優(yōu)選的，所述輸出電流控制步驟包括:
[0038]I)驅(qū)動操控裝置9a對電源調(diào)制器I無輸入指令時，電源調(diào)制器休眠；
[0039]2)驅(qū)動操控裝置9a給出加速指令時，電源調(diào)制器I相應輸出時序電流；
[0040]3)當車速或通電頻率達到設(shè)定的閾值時，所述的電源調(diào)制器斷電。
[0041]本發(fā)明針對電動車的應用特點，對動力電源植入優(yōu)化的數(shù)控編程技術(shù)，明確了動力電流的供電時序周期及其內(nèi)部通電時域的子集強度特點和斷電時域等工作邏輯構(gòu)成，使輪轂連體電動裝置可在設(shè)定的時序邏輯實現(xiàn)高效節(jié)電。所述供電時序，是電源調(diào)制器根據(jù)傳感裝置的周期性信號而相應發(fā)出具有規(guī)律性的時序電流，這種時序供電設(shè)計可帶來了兩項明顯的節(jié)電效益:一是電動裝置中的定子單元被限定在電源調(diào)制器設(shè)定的時域周期性地通電工作，在不需要工作的時域休眠，既節(jié)省了電能又減少了通電積熱；二是在電源調(diào)制器設(shè)定的工作周期內(nèi)，通電強度呈設(shè)定的規(guī)律性變化及中斷，使電能的使用效率進一步提高，通電積熱進一步減少。
[0042]本發(fā)明的優(yōu)點在于:具有時序供電控制帶來的明顯節(jié)能效果，以此方案進行匹配設(shè)計的輪轂連體電動裝置結(jié)構(gòu)簡單、可對應各種電動車的車輪多樣化組合、成本低，有效適應高端節(jié)能電動車的設(shè)計要求。
【附圖說明】
[0043]圖1a是一種輪轂連體電動裝置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖。
[0044]圖1b是一種輪轂連體電動裝置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)透視示意圖。