專利名稱：電動(dòng)助動(dòng)車的制作方法
一、電動(dòng)助動(dòng)車的總體設(shè)計(jì)電動(dòng)助動(dòng)車是一種人力電動(dòng)兩用車，也是一種發(fā)電裝置。即下坡時(shí)電動(dòng)機(jī)成為發(fā)電機(jī)給蓄電池充電。根據(jù)設(shè)計(jì)，該電動(dòng)助動(dòng)車還可以安裝人力驅(qū)動(dòng)時(shí)變速裝置，供蓄電池缺電時(shí)使用。
該電動(dòng)助動(dòng)車的動(dòng)力采用后輪電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于采用全新的設(shè)計(jì)的多極直流電動(dòng)機(jī)(一種低速電動(dòng)機(jī))無(wú)需齒輪變速，其速度可以通過(guò)改變電壓來(lái)調(diào)整；而下坡時(shí)通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將電動(dòng)機(jī)成為發(fā)電機(jī)給蓄電池充電。
蓄電池分為短程和備用兩部分，當(dāng)只作上下班使用時(shí)，只用短程蓄電池，可供每天充電用。備用電池做成可卸部分，當(dāng)需遠(yuǎn)程行駛時(shí)用。電子裝置是供充電及控制用，它是一個(gè)帶放電及充電和電動(dòng)、發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)防止過(guò)充電及過(guò)放電和調(diào)節(jié)車速的自動(dòng)控制電子裝置。
該車安裝簡(jiǎn)易的指示電表，包括電源電壓，驅(qū)動(dòng)電流，充放電累計(jì)時(shí)間等，二、本助動(dòng)車電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)新工藝和安裝助動(dòng)車電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)更合理，并且轉(zhuǎn)子更易于散熱。
小型電動(dòng)機(jī)的效率都不算高，很少能達(dá)到85％，多數(shù)甚至不足50％。究其原因，一為鐵損，二為銅損。就鐵損而言，是其鐵芯采用沖壓而成的迭片結(jié)構(gòu)，鐵芯的漏磁通和磁路特性是造成這效率低下的原因。即使是盤式永磁電動(dòng)機(jī)或無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其效率也僅為65％～75％[1]

圖1為傳統(tǒng)的鐵芯迭片結(jié)構(gòu)。為了改善直流電動(dòng)機(jī)的漏磁通和磁路特性，本人提出采用“U”型鐵芯新工藝，如圖2，鐵芯應(yīng)采用有取向的冷軋硅鋼片，并且“U”型鐵芯的磁力線方向?yàn)閴貉臃较颉３尚秃筮M(jìn)行熱處理，對(duì)于改善磁路特性較為有利，其漏磁通為迭片結(jié)構(gòu)的幾十分之一，導(dǎo)磁率提高2.5倍[2]。
如圖所示，“U”型鐵芯分為兩部分，即分為“U”型部分和水波紋部分。其二端用較厚的硅鋼片沖壓成型或焊接固定，其效率將會(huì)有較大的提高，甚至可突破90％。
由于采用了特殊的連接方式和相應(yīng)的換向器結(jié)構(gòu)，這樣轉(zhuǎn)子繞組的繞制方法和交流電動(dòng)機(jī)繞組的方法相同，比傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)繞法工藝簡(jiǎn)單，利于批量生產(chǎn)。
轉(zhuǎn)子鐵芯的槽應(yīng)正對(duì)著換向片的中心位置，而電刷的安裝位置應(yīng)嚴(yán)格遵循一定的偏移量θ,θ=30°/極對(duì)數(shù)。偏移的方向與轉(zhuǎn)動(dòng)的方向正好相反。從原理上來(lái)說(shuō)，多極直流電動(dòng)機(jī)采用Y接法，三繞組中的電流跟三相交流電相類似。因此，電動(dòng)機(jī)相關(guān)的物理量的計(jì)算可以參照三相交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行。繞組線圈的連接還可以是并聯(lián)和混聯(lián)。
對(duì)于低電壓多極直流電動(dòng)機(jī)，其電流強(qiáng)度必定較大，通過(guò)電刷的電流也很大，為減小電流密度，可以采用多電刷來(lái)解決。電刷和換向器的接觸面，可以是柱面t可以是平面。對(duì)于柱面或平面，都可以增大其半徑達(dá)到增大電刷的接觸面積的目的平面接觸時(shí)，電刷和換向片應(yīng)是扇形。
電刷與換向片之間的電火花問(wèn)題，可能比預(yù)期的要小(與傳統(tǒng)繞法和結(jié)構(gòu)的直流電動(dòng)機(jī)相比較)。因?yàn)楫?dāng)一相線圈對(duì)應(yīng)的換向片離開(kāi)電刷時(shí)，其產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)和電流的方向在下一時(shí)間正好是該線圈中供電電流的方向，這種一致將對(duì)減少電火花的產(chǎn)生更為有利(需由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證)。
電動(dòng)機(jī)在助動(dòng)車中的安裝，可以是后輪，也可以是前輪。對(duì)于助動(dòng)自行車，后輪會(huì)更合適，對(duì)于汽車，也可裝在兩后輪或四輪上。見(jiàn)圖3三、多極直流電動(dòng)機(jī)的推廣使用根據(jù)多極直流電動(dòng)機(jī)的原理，當(dāng)將其定子、轉(zhuǎn)子以及換向片、電刷作直線展開(kāi)時(shí)，則成為直線電動(dòng)機(jī)，而電刷和換向片之間的位置關(guān)系與轉(zhuǎn)動(dòng)方式的直流電動(dòng)機(jī)完全相同，直線電動(dòng)機(jī)用于電動(dòng)機(jī)車或磁浮列車或許會(huì)有廣闊的前途，值得進(jìn)行試驗(yàn)。從原理上講，甚至可以用于電磁炮或小型火箭的發(fā)射等。四、電動(dòng)助動(dòng)自行車的蓄電池和外觀設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。
電動(dòng)助動(dòng)自行車既保持原有自行車的特點(diǎn)，又增加電動(dòng)助動(dòng)的功能，因此，初步確定的尺寸是前后輪軸距1240mm，車輪標(biāo)稱直徑22時(shí)(558.8mm)，比原有自行車增加部分的結(jié)構(gòu)是短程蓄電池(80×180×360mm)備用蓄電池(80×225×300mm)(兩者相接近)和電子裝置的安裝位置，以及必不可少的后輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)采用釹、鐵、硼永磁材料和U型鐵芯結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)重量估計(jì)可以減少至500W 3.8Kg以下，這是一種基本估計(jì)(歐洲已有助動(dòng)車電機(jī)僅0.95Kg的報(bào)道)[4][5]。
據(jù)相關(guān)雜志報(bào)道，NiFe NiH電池前景極為樂(lè)觀，其能量比都可達(dá)到53Kh/Kg(鉛酸蓄電池僅為40Kh/Kg)以上。壽命是鉛酸蓄電池的2-3倍，充電次數(shù)在千次以上[3]，當(dāng)其批量生產(chǎn)后價(jià)格可望有較大的下降，日本也開(kāi)發(fā)出一種特殊活性炭做電極的新型電池，其容量是普通電池的30倍，充一次由普通電池的3-5小時(shí)縮短到15分鐘，并可反復(fù)充電1萬(wàn)次[4]。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)上，盡可能與現(xiàn)行的自行車標(biāo)準(zhǔn)配套，但也考慮這種改動(dòng)可能引起某些小的變動(dòng)，這些變動(dòng)可能是1、由于后輪裝有電動(dòng)機(jī)，則后軸或許必須由原來(lái)直徑10mm增加到12mm，或者在不增加軸徑的條件下，采用強(qiáng)度較高的合金材料，以保持與自行車標(biāo)準(zhǔn)的一致性。2、由于增加蓄電池的位置，助動(dòng)車中軸附近的車身寬度略有增加，約由原來(lái)的130mm增加到150mm，以保證寬度為80mm的蓄電池能安裝在豎管前后處，因而中軸處附近的部件必須作相應(yīng)的變動(dòng)。3、由于整車的重量有所增加，如果以目標(biāo)設(shè)計(jì)500W電動(dòng)機(jī)重量為3.8Kg，蓄電池以3.5Kg計(jì)算，則短程時(shí)整車的重量增加約8Kg，(125W增加4.7Kg)其車身的堅(jiān)固性結(jié)構(gòu)應(yīng)有所加強(qiáng)，本設(shè)計(jì)壓低橫梁高度增加斜向撐桿應(yīng)是合適的。4、對(duì)于傳統(tǒng)的自行車加裝驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、則只要更換后輪，加裝蓄電池即可，蓄電池的加裝在原三角架的中間部分作單獨(dú)的特殊部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不必有其它的大的變動(dòng)。五、電動(dòng)助動(dòng)車放電、充電系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)、發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)電原理圖本原理圖分為放電、充電系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)、發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)兩部份，見(jiàn)圖4。1、充、放電系統(tǒng)充、放電系統(tǒng)由電源供給，充、放電自動(dòng)控制系統(tǒng)以及串、并聯(lián)轉(zhuǎn)換等部分組成。
電源供給由穩(wěn)壓集成塊三端IC及相關(guān)元件組成。
充電自動(dòng)系統(tǒng)由運(yùn)放IC及相關(guān)元件組成。圖中A1為波形發(fā)生器，產(chǎn)生不對(duì)稱方波。A3和A4為驅(qū)動(dòng)放大器，驅(qū)動(dòng)V1和V2，使之工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以作輪流導(dǎo)流。A2接成施密特觸發(fā)器，作比較器之用。在正常充電狀態(tài)下，A2輸出高電平，綠色二極管D11發(fā)光，紅色二極管D10熄滅。當(dāng)電池電壓升高到某一值時(shí)，A2翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，綠色二極管D11熄滅，紅色二極管D10發(fā)光，D8、D9導(dǎo)通，A3、A4輸出低電平，V1、V2截止，充電停止。
A5和A6分別組成放電及放電檢測(cè)電路，應(yīng)用于鎳鎘或鎳氫電池充電前的線壓放電。A5及其輸出的達(dá)靈頓管V3、V4組成放電電路。當(dāng)放電到一定電壓時(shí)，A6翻轉(zhuǎn)，紅色二極管D13發(fā)光，同時(shí)蜂鳴器發(fā)聲，提醒已經(jīng)放電完畢，可以進(jìn)行充電。充放電狀態(tài)時(shí)，電池均處于并聯(lián)(12V)的位置。2、驅(qū)動(dòng)、發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，蓄電池脫離充電電路，只與電動(dòng)機(jī)連接，這時(shí)蓄電池處于串聯(lián)狀態(tài)的位置，接上K3時(shí)即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
當(dāng)下坡時(shí)，若坡度大于一定的角度，這時(shí)水銀開(kāi)關(guān)K5接通，J吸合使電池由原來(lái)的串聯(lián)狀態(tài)的位置轉(zhuǎn)換為并聯(lián)狀態(tài)的位置，當(dāng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)大于12V時(shí)，電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，即對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)坡度減小時(shí)，按下K4，即恢復(fù)為串聯(lián)狀態(tài)，蓄電池對(duì)電動(dòng)機(jī)供電，恢復(fù)驅(qū)動(dòng)行駛。3、雙速行駛在行駛狀態(tài)，蓄電池處于串聯(lián)位置，電壓為24V，處于高速運(yùn)行狀態(tài)。
若按下K2(強(qiáng)制低速開(kāi)關(guān))，繼電器吸合，雷電池處于并聯(lián)位置，電壓為12V，處于低速運(yùn)行狀態(tài)。
當(dāng)下坡時(shí)或速度較高，可強(qiáng)制按下K2，當(dāng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)超過(guò)12V時(shí)，電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，這時(shí)將對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。
若按下K4，繼電器電路斷電，蓄電池又恢復(fù)到串聯(lián)位置，又可恢復(fù)高速行駛。
橙色二極管D16是一個(gè)串聯(lián)指示的發(fā)光二極管，只有在高速(24V)狀態(tài)時(shí)發(fā)光。并聯(lián)時(shí)只有黃色二極管D15發(fā)光。
參考文獻(xiàn)[1]柴德壽吳斌，電動(dòng)自行車用線繞盤式永磁電動(dòng)機(jī)的使用和維護(hù)，微電機(jī)，1989(1)P56-59[2]陳瑞明．環(huán)形變壓器的魅力、無(wú)線電與電視，1993(3)P35-37[3]賴堅(jiān)．我國(guó)電動(dòng)車的發(fā)展近況及其展望．電機(jī)技術(shù)，1989(2)P50-52[4]陳宗明．個(gè)人交通工具的新趨勢(shì)--電動(dòng)助動(dòng)車、科學(xué)畫(huà)報(bào)，1997(8)P14-15[5]何崇熙．上海地區(qū)永磁微電機(jī)NdFeB開(kāi)發(fā)設(shè)想、電機(jī)技術(shù)，1994(2)
權(quán)利要求
本發(fā)明“電動(dòng)助動(dòng)車”是以全新設(shè)計(jì)的多極直流電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)部件的電動(dòng)助動(dòng)車，該多極直流電動(dòng)機(jī)是本發(fā)明的技術(shù)核心。經(jīng)查閱近十年的雜志微電機(jī)，微特電機(jī)，電機(jī)技術(shù)等，未見(jiàn)有相同或相近的文章報(bào)道的該種多極直流電動(dòng)機(jī)(直流電動(dòng)機(jī)的U型鐵芯結(jié)構(gòu)以及相同的電動(dòng)助動(dòng)車外觀設(shè)計(jì)。)傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)是根據(jù)左手定則的原理制成的。由于設(shè)計(jì)極限，該種電動(dòng)機(jī)的板數(shù)受到限制，所見(jiàn)的設(shè)計(jì)最多不超過(guò)8極，且電刷數(shù)等于極數(shù)。近十多年出現(xiàn)的盤式電動(dòng)機(jī)雖然改變傳統(tǒng)徑向磁場(chǎng)方向?yàn)檩S向磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)多極的愿望，但由于線繞電樞占有空間位置使其磁隙達(dá)到3mm以上，其效率也不算高。無(wú)刷電動(dòng)機(jī)則需通過(guò)電子線路和霍爾元件檢測(cè)磁場(chǎng)將直流電變成方波或正弦波電流，其效率也只有最高為75％。本多極直流電動(dòng)機(jī)的原理是根據(jù)線圈通電后產(chǎn)生磁性，其磁極與恒磁(或勵(lì)磁)磁極間的相互作用(吸引或排斥)而轉(zhuǎn)動(dòng)的。本設(shè)計(jì)使用電刷和轉(zhuǎn)向器改變通入線圈中電流的方向。分析表明三繞組中的電流變化規(guī)律類似于三相交流電。這種結(jié)構(gòu)是一種全新的設(shè)計(jì)，換同器也與傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)不同。電刷只有一對(duì)，即可使電樞作持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如何提高直流電動(dòng)機(jī)的效率，減少電動(dòng)機(jī)的重量是電機(jī)工程師們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。電動(dòng)機(jī)鐵芯的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍未突破迭片方式。本人提出U型鐵芯結(jié)構(gòu)形式未見(jiàn)雜志報(bào)道。采用本設(shè)計(jì)后，導(dǎo)磁率可提高2倍以上，漏磁可減少到原來(lái)傳統(tǒng)迭片的幾分之一到十幾分之一。因而可望在同功率的條件下電動(dòng)機(jī)的重量可減少到原來(lái)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的1/2到1/2.5。電動(dòng)助動(dòng)車始于70年代的我國(guó)，80年代歐美也逐漸興起。鑒于一些技術(shù)問(wèn)題和蓄電池的壽命容量的限制，未能普及。但隨著燃油助動(dòng)車對(duì)空氣污染的問(wèn)題日益嚴(yán)重和人們對(duì)環(huán)保因素強(qiáng)烈的要求，發(fā)展新型綠色助動(dòng)車已成為新的需求。助動(dòng)車的標(biāo)準(zhǔn)即將是議事日程上的事了。本人設(shè)計(jì)的電動(dòng)助動(dòng)車的結(jié)構(gòu)及外觀是一種嘗試，即保證了自行車的輕便靈活，又兼顧了電力驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，進(jìn)行了精心考究的構(gòu)思。鑒于上述，本專利權(quán)利要求是1．多極直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
2．鐵芯U型新工藝；
3．電動(dòng)助動(dòng)車的外觀設(shè)計(jì)；
4．電動(dòng)助動(dòng)車充電系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)…發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)的電子裝置。
全文摘要
本發(fā)明的核心部件是多極直流電動(dòng)機(jī)。本發(fā)明的多極直流電動(dòng)機(jī),是一種全新的設(shè)計(jì)。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,本發(fā)明是直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的新發(fā)現(xiàn),是一種三相直流電動(dòng)機(jī)。根據(jù)研究及掌握的資料表明,采用所提出的結(jié)構(gòu),導(dǎo)磁率可望提高2－2.5倍,同功率的電動(dòng)機(jī)的重量可以減少到原來(lái)的一半,效率可望突破90%。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是500w電動(dòng)機(jī)重量不超過(guò)3.8kg,是一種極有前途的可望成為主流的助動(dòng)車電動(dòng)機(jī),極具開(kāi)發(fā)價(jià)值。
文檔編號(hào)H02J7/10GK1312607SQ9910191
公開(kāi)日2001年9月12日 申請(qǐng)日期1999年1月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月28日
發(fā)明者陳達(dá)容 申請(qǐng)人:陳達(dá)容