一種基于電動(dòng)車的輪轂電動(dòng)裝置及其驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電動(dòng)車的電源動(dòng)力設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種電動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)、 制動(dòng)方法，包括周期性通斷電流、時(shí)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(dòng)車主要是兩輪車，我國電動(dòng)兩輪車的市場保有量已達(dá)到1. 5億 輛以上；除了兩輪車，近年電動(dòng)三輪車也迅速興起，據(jù)行業(yè)情報(bào)披露2013年已逾1000萬輛， 區(qū)域用的低速電動(dòng)四輪車市場也獲得了長足發(fā)展。
[0003] 電動(dòng)車所配用的電動(dòng)機(jī)目前正從通用型向?qū)I(yè)設(shè)計(jì)方向發(fā)展，其電源控制器也力 圖運(yùn)用脈沖調(diào)制技術(shù)降低電機(jī)工作過程的無功損耗。目前市場電動(dòng)車的動(dòng)力技術(shù)發(fā)展主要 有兩個(gè)方向，一是改進(jìn)電動(dòng)機(jī)專業(yè)制造技術(shù)，二是改善電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制，但這兩個(gè)方向在技 術(shù)發(fā)展思路上都受到了較大局限，例如；
[0004] 1)電機(jī)：電動(dòng)兩輪車市場主流配用的是輪轂式電機(jī)，行業(yè)通常使用的電機(jī)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(dòng)三輪車和區(qū)域用低 速電動(dòng)四輪車，市場主流配用的主要是軸輸出形式的單元電機(jī)。
[0005] 2)電機(jī)控制：近年市場己普遍應(yīng)用PWQ技術(shù)來控制電機(jī)，即占空比可變的脈沖波 形，通過其對半導(dǎo)體電力器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)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(gè)脈沖的 寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變電路輸出電壓或輸出頻率的大小，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。但 研發(fā)主流對電機(jī)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。
[0006] 在電動(dòng)兩輪車市場，近年國內(nèi)外同行均試圖開發(fā)在輪沿設(shè)置原動(dòng)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)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(dòng)力機(jī)，而是沿水車輪頁的切線方向在合適的時(shí)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(dòng)力。但是，當(dāng)這一水車模型被平移到電動(dòng)車領(lǐng)域時(shí)，并 未獲得預(yù)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(dòng)機(jī)的電動(dòng) 自行車，通過齒輪傳遞電動(dòng)機(jī)的軸輸出動(dòng)力，這類設(shè)計(jì)雖有新意，但由于采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的電 動(dòng)機(jī)和常規(guī)方式的動(dòng)力供電，其電能轉(zhuǎn)換效率與輪轂式電機(jī)類同，并且在車圈外緣設(shè)置電 動(dòng)機(jī)會(huì)受到功率的限制。
[0007] 在電動(dòng)四輪車市場上，目前開發(fā)的大功率輪轂式電動(dòng)機(jī)的主流思路，是在輪轂內(nèi) 部設(shè)置電動(dòng)機(jī)，因常規(guī)電動(dòng)機(jī)的重量/體積比功率低，導(dǎo)致輪轂重量大增，實(shí)用耗電指標(biāo)并 不低，且性價(jià)比不高，市場產(chǎn)品的種類也較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有電動(dòng)車的供電方式局限于相角位控制、所配用電動(dòng)機(jī) 結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式方面的設(shè)計(jì)缺陷，提供一種將直流電源改變?yōu)闀r(shí)序供電方式的設(shè)計(jì)方案， 同時(shí)電動(dòng)裝置不采用單元式電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩大，工藝容易實(shí)現(xiàn)，滿足電 動(dòng)車的技術(shù)設(shè)計(jì)需求。
[0009] 本發(fā)明提供的一種輪轂電動(dòng)裝置，所述輪轂電動(dòng)裝置包括電源調(diào)制器1、減速/變 矩裝置2、輪轂6、驅(qū)動(dòng)操控裝置9a和至少一套的電動(dòng)裝置3 ;所述電源調(diào)制器包括電源輸 入端la、時(shí)序電流輸出端Ib和驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端ld，所述的電源輸入端電連接電池組8的正 負(fù)極；所述的電動(dòng)裝置包括同軸轉(zhuǎn)體3e、至少一個(gè)定子單元3a以及至少一個(gè)轉(zhuǎn)子單元3b ; 所述同軸轉(zhuǎn)體為一個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)軸的環(huán)形機(jī)械圈；所述轉(zhuǎn)子單元設(shè)置于同軸轉(zhuǎn)體上，其由導(dǎo) 磁介質(zhì)固體或軟體成形材料制成，且伴隨同軸轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)；所述定子單元安裝在靠近同軸轉(zhuǎn) 體的內(nèi)部或外部，兩者之間氣隙3d不大于70mm ;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(jī)械傳動(dòng)；
[0010] 所述電源調(diào)制器時(shí)序電流輸出端電連接定子單元的內(nèi)部繞組，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端電 連接驅(qū)動(dòng)操控裝置；所述電源調(diào)制器通過驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置及其連體輪轂獲得驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)。
[0011] 優(yōu)選的，本發(fā)明所述輪轂電動(dòng)裝置的額定功率不大于30KW。
[0012] 優(yōu)選的，所述減速/變矩裝置2由若干齒輪組合而成，其機(jī)械傳動(dòng)輸入端與同軸轉(zhuǎn) 體3e固連，其機(jī)械傳動(dòng)輸出端與輪轂6固連；
[0013] 優(yōu)選的，所述減速/變矩裝置2單獨(dú)設(shè)置并與同軸轉(zhuǎn)體同軸安裝；
[0014] 優(yōu)選的，所述減速/變矩裝置2或與同軸轉(zhuǎn)體或輪轂6 -體化設(shè)置。
[0015] 所述轉(zhuǎn)子單元設(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(jì)制造；若干個(gè)轉(zhuǎn)子單元在同軸轉(zhuǎn)體安裝時(shí)相間設(shè)置，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。
[0016] 優(yōu)選的，所述定子單元3a由至少一組良導(dǎo)線環(huán)繞磁介質(zhì)材料的磁芯而成，其組合 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。
[0017] 優(yōu)選的，所述定子單元安裝在同軸轉(zhuǎn)體內(nèi)部與固定機(jī)械裝置固連；
[0018] 優(yōu)選的，所述定子單元安裝靠近同軸轉(zhuǎn)體外部與車架固連的機(jī)械裝置上；
[0019] 優(yōu)選的，所述定子單元靠近同軸轉(zhuǎn)體3e安裝時(shí)，其內(nèi)部繞組通電形成的兩極連線 方向與同軸轉(zhuǎn)體的法線10垂直或平行，包括偏轉(zhuǎn)不超過22度角；
[0020] 更優(yōu)選的，若干所述定子單元在同軸轉(zhuǎn)體3e的法線平面兩側(cè)部位對稱安裝。
[0021] 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(dòng)，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(dòng)，所述的若干為至少一 個(gè)。
[0022] 優(yōu)選的，所述電動(dòng)裝置還包括傳感裝置，所述傳感裝置包括若干能感應(yīng)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(hào)輸入端Ic電連接；所述電動(dòng)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。
[0023] 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。
[0024] 本發(fā)明中，所述輪轂電動(dòng)裝置還包括電磁制動(dòng)裝置9b，所述電源調(diào)制器還包括制 動(dòng)信號(hào)輸入端le，其電連接電磁制動(dòng)裝置％，通過電磁制動(dòng)裝置獲取用戶的剎車指令并于 相應(yīng)時(shí)序?qū)﹄妱?dòng)裝置3的定子單元3a的內(nèi)部繞組輸出電流。
[0025] 本發(fā)明還公開了含有上述任一輪轂電動(dòng)裝置的電動(dòng)車，所述電動(dòng)車包括一個(gè)或多 個(gè)車輪的電動(dòng)車以及電動(dòng)、腳踏兩用車；所述電動(dòng)車的車輪包括單輪以及同軸緊湊安裝兩 個(gè)輪的準(zhǔn)單輪結(jié)構(gòu)。
[0026] 本發(fā)明中，所述電源調(diào)制器1將直流電源轉(zhuǎn)換為時(shí)序電流，使電動(dòng)裝置中的定子 單元3a被限定在電源調(diào)制器設(shè)定的時(shí)序周期性地通電和斷電。
[0027] 本發(fā)明還公開了一種前述電動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，該方法根據(jù)所述轉(zhuǎn)子單元和定子 單元的位置關(guān)系通過電源調(diào)制器輸出時(shí)序驅(qū)動(dòng)電流控制電動(dòng)裝置及輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0028] 所述時(shí)序根據(jù)車輪旋轉(zhuǎn)方向而定義，所述時(shí)序電流根據(jù)定子單元電磁場在同軸轉(zhuǎn) 體上的有效作用區(qū)間結(jié)合同軸轉(zhuǎn)體上的轉(zhuǎn)子單元個(gè)數(shù)而設(shè)置若干個(gè)通斷周期，每個(gè)通斷周 期包括供電時(shí)域和斷電時(shí)域；所述供電時(shí)域位于φτ/6夂φ<φτ相應(yīng)的時(shí)間段，所述φ為轉(zhuǎn)子 單元繞軸并與軸確定的法線與定子單元和軸所確定法線所形成的動(dòng)態(tài)夾角，所述ΦΤ為轉(zhuǎn)子 單元繞軸切線方向與其隔氣隙所受定子單元電磁力作用方向重合狀態(tài)所確定的中值；所述 斷電時(shí)域內(nèi)電源調(diào)制器1不輸出電流。
[0029] 優(yōu)選的，所述的電源調(diào)制器在供電時(shí)域內(nèi)至少包括兩段電流幅值不同的子時(shí)域并 順時(shí)序呈幅度依次變小；所述供電時(shí)域或其子時(shí)域的幅值隨時(shí)序呈線性遞減關(guān)系；或呈2 Κ 遞減關(guān)系，所述的指數(shù)K取值0· 25至0· 99 ;或?yàn)槿缦玛P(guān)系：It/A = (I。一 Ig) Sin φ*9:0/φτ， 其中Ic為起始通電強(qiáng)度，Ig為通電終止時(shí)刻的電流強(qiáng)度。
[0030] 優(yōu)選的，通電時(shí)域/子時(shí)域內(nèi)的電流波形、頻率以及占空比不限。
[0031] 優(yōu)選的，所述通電時(shí)域由驅(qū)動(dòng)操控裝置9a獲取外界的輸入，根據(jù)行車速度確定。
[0032] 優(yōu)選的，所述通電時(shí)域內(nèi)初始的電流、電壓或定子單元3a的磁通強(qiáng)度由傳感裝置 獲取行車速度實(shí)時(shí)值結(jié)合驅(qū)動(dòng)操控裝置9a給出的指令而調(diào)整。
[0033] 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、φ為0的狀態(tài)作為基準(zhǔn)座標(biāo)和基準(zhǔn)時(shí)間，當(dāng)轉(zhuǎn)子單元每次轉(zhuǎn)至基準(zhǔn) 座標(biāo)時(shí)，電源調(diào)制器進(jìn)行一次時(shí)間歸〇校準(zhǔn)并記錄本次周期時(shí)間，通過與上次的周期時(shí)間 比較，從而獲知對應(yīng)輪轂的旋轉(zhuǎn)周期時(shí)間和轉(zhuǎn)速，并控制輸出電流。
[0034] 本發(fā)明還公開了所述電動(dòng)裝置的制動(dòng)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（Φ為0)以及轉(zhuǎn)子單元遠(yuǎn)離定子單元狀態(tài)的至 少一個(gè)時(shí)域中，電源調(diào)制器1輸出時(shí)序電流控制電動(dòng)裝置及輪轂制動(dòng)；
[0035] 所述轉(zhuǎn)子單元趨近定子單元的時(shí)域?yàn)椹?lt;φ<φτΖ3狀態(tài)的相應(yīng)時(shí)間段，所述φ為轉(zhuǎn) 子單元繞軸并與軸確定的法線與定子單元和軸所確定法線所形成的動(dòng)態(tài)夾角，ζφτ為轉(zhuǎn)子 單元在同軸轉(zhuǎn)體繞軸切線方向與其隔氣隙所受定子單元電磁力作用方向重合狀態(tài)所確定 的φ値。
[0036] 優(yōu)選的，所述方法還包括校正步驟，所述校正步驟將Ζφ為0作為基準(zhǔn)座標(biāo)和基準(zhǔn) 時(shí)間，通過傳感裝置獲知轉(zhuǎn)子單元趨近/相對/遠(yuǎn)離定子單元的位置狀態(tài)。
[0037] 優(yōu)選的，所述輸出電流控制步驟包括：
[0038] 1)驅(qū)動(dòng)操控裝置9a對電源調(diào)制器1無輸入指令時(shí)，電源調(diào)制器休眠；
[0039] 2)驅(qū)動(dòng)操控裝置9a給出加速指令時(shí)，電源調(diào)制器1相應(yīng)輸出時(shí)序電流；
[0040] 3)當(dāng)車速或通電頻率達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，所述的電源調(diào)制器斷電。
[0041] 本發(fā)明針對電動(dòng)車的應(yīng)用特點(diǎn)對電源調(diào)制器植入數(shù)控編程技術(shù)，明確了供電時(shí)序 周期及其內(nèi)部通電時(shí)域的子集強(qiáng)度特點(diǎn)和斷電時(shí)域等工作邏輯構(gòu)成；伴隨車輪旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 單元與選擇性通電的定子單元會(huì)形成周期性的磁作用，由于傳感裝置總是被周期性感應(yīng)， 電源調(diào)制器從其獲得的信號(hào)通過數(shù)據(jù)總線實(shí)時(shí)處理，可判知轉(zhuǎn)子單元與定子單元的相對位 置，從而相應(yīng)發(fā)出具有規(guī)律性的時(shí)序電流。
[0042] 以上設(shè)計(jì)可帶來了兩項(xiàng)明顯的節(jié)電效益：一是電動(dòng)裝置中的定子單元被限定在電 源調(diào)制器設(shè)定的時(shí)域周期性地通電