一種磁流控制的電動輪轂裝置及其驅(qū)動及制動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電動自行車的電源動力設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及一種電源調(diào)制產(chǎn)生的周期性時序電流、控制方案以及所驅(qū)動的電動裝置設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前國內(nèi)電動自行車市場主流是配用電動輪，這類電動輪實際是將傳統(tǒng)設(shè)置在軸上的電動機變形在輪轂內(nèi)，把轉(zhuǎn)子延伸設(shè)計為通過機械裝置把轉(zhuǎn)矩傳遞至車圈，使轉(zhuǎn)子繞軸的轉(zhuǎn)臂延長，有利于同功耗增大轉(zhuǎn)矩。國內(nèi)電機業(yè)均試圖運用在電動自行車的技術(shù)成功經(jīng)驗，推廣為電動汽車使用的輪轂式電動機。
[0003]嚴(yán)格而言，狹義輪轂是指與傳動軸連接的法蘭、軸承座等部分，目前國內(nèi)用戶更多指的是輪圈，本說明書所述的輪轂涵蓋狹義的輪轂和輪圈兩部分。輪轂電機技術(shù)又稱車輪內(nèi)裝電機技術(shù)，其最大特點就是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內(nèi)，因此將電動車輛的機械部分大大簡化。輪轂電機技術(shù)并非新生事物，早在1900年，保時捷就首先制造出了前輪裝備輪轂電機的電動汽車，在20世紀(jì)70年代，這一技術(shù)在礦山運輸車等領(lǐng)域得到應(yīng)用；對于乘用車所用的輪轂電機，目前多家國際汽車業(yè)巨頭都在開發(fā)，國內(nèi)廠商也開始涉足。
[0004]目前電動汽車市場主流使用的電動輪，其結(jié)構(gòu)除輪轂本體外，主要部件一般包括輪轂電機、剎車盤、剎車卡鉗、主動懸掛電機、懸架、減震彈簧等，重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的輪轂本體設(shè)計，而電動汽車對輪轂電機的自重要求較高，以汽車的數(shù)據(jù)為例，常規(guī)轎車的鋁合金輪轂僅比傳統(tǒng)鋼輪轂平均輕2kg左右，當(dāng)車速為60km/h時省油率可達(dá)到5% -7%，因此電動機如果不能呈倍數(shù)減磅，變形為輪轂的技術(shù)意義很有限，近年不少試圖將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機簡單變形為輪轂電機的技術(shù)嘗試，效果均不理想；僅以單位體積的功率密度一項指標(biāo)衡量，現(xiàn)有電動機遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到輪轂電動機的一般設(shè)計要求，運用傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)計制造輪轂電動機還有較長的路要走。
[0005]目前電動車市場技術(shù)發(fā)展主要有兩個方向，一是專用電動機制造，二是電機節(jié)能控制技術(shù)，但在技術(shù)發(fā)展思路上受到了思想方法的較大局限，例如電動機:市場普遍認(rèn)為電動機技術(shù)已發(fā)展成熟，為電動車設(shè)計專用的電機微乎其微，競爭主要集中在材料和人力成本的控制。又例如電機控制:近年市場己普遍應(yīng)用PWM技術(shù)來控制電機的轉(zhuǎn)速，行業(yè)通稱PWM為脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，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，但是這一先進(jìn)的電源控制思想，因建立在電磁力傳統(tǒng)運動模型的基礎(chǔ)上，技術(shù)開發(fā)收益不盡人意。
[0006]近年迅猛發(fā)展的永磁無刷直流電機，主要由電機本體、位置檢測器和電源逆變控制器組成，一般結(jié)構(gòu)為永磁體設(shè)置在轉(zhuǎn)子、磁極N/S交替相間排布，若干繞組設(shè)置在定子，位置檢測器和逆變控制器一起構(gòu)成電子換向器取代機械接觸式換向裝置，繞組通電形成旋轉(zhuǎn)磁場而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；控制方面普遍采用了 PWQ技術(shù)，這種常規(guī)設(shè)計的明顯問題是正弦波變形的近似度控制，其動力供電雖然采用PWQ技術(shù)調(diào)制，但在控制思想方法上仍受限于電動機內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場的傳統(tǒng)設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的，在于克服現(xiàn)有電動車所配用輪轂電動機的供電方式的缺陷，提供一種通過電源調(diào)制器將直流電改變?yōu)闀r序電流的供電方案，同時，電動輪轂裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)電動機設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩大，工藝容易實現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明提供的一種電動輪轂裝置，所述電動輪轂裝置包括輪轂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(dǎo)磁體轉(zhuǎn)子單元3b2，其相間設(shè)置于同軸轉(zhuǎn)體上，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)體內(nèi)緣的固定部位，且定子單元與同軸轉(zhuǎn)體形成的相對氣隙3d不大于55mm ;所述同軸轉(zhuǎn)體與輪轂同軸設(shè)置，電動裝置和減速/變矩裝置均設(shè)置在輪轂內(nèi)，輪轂內(nèi)至少設(shè)置一套電動裝置；
[0009]所述電源調(diào)制器包括電源輸入端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(fù)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；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，并于相應(yīng)時序?qū)Χㄗ訂卧膬?nèi)部繞組輸出電流，使電動裝置通過減速/變矩裝置對輪轂實現(xiàn)驅(qū)動/制動。
[0010]所述定子單元3a/轉(zhuǎn)子單元3b可在相對同軸轉(zhuǎn)體的部位互為置換設(shè)計，配合相關(guān)裝置設(shè)計也可取得電動效果。
[0011]優(yōu)選的，本發(fā)明所述電動輪轂裝置的額定功率不超過20KW。
[0012]所述轉(zhuǎn)子單元3b (包括永磁體轉(zhuǎn)子單元3bl和導(dǎo)磁體轉(zhuǎn)子單元3b2)相間設(shè)置于同軸轉(zhuǎn)體上包括嵌合在其外緣、內(nèi)緣或內(nèi)部以及與同軸轉(zhuǎn)體實行一體化設(shè)計制造；轉(zhuǎn)子單元在不影響安裝于同軸轉(zhuǎn)體的前提下不限形狀；若干個轉(zhuǎn)子單元在同軸轉(zhuǎn)體安裝時相間設(shè)置，優(yōu)選均勻排布。
[0013]優(yōu)選的，所述永磁體轉(zhuǎn)子單元3bl若干個在同軸轉(zhuǎn)體3e上同極向設(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15度角。
[0014]優(yōu)選的，所述減速/變矩裝置2為若干齒輪組合而成，其傳動輸入端與同軸轉(zhuǎn)體3e機械固連，其傳動輸出端與輪轂6機械固連；減速/變矩裝置可獨立設(shè)置，或與同軸轉(zhuǎn)體或輪轂一體化設(shè)置。
[0015]優(yōu)選的，所述減速/變矩裝置2設(shè)置于同軸轉(zhuǎn)體3e與輪轂6之間，并與同軸轉(zhuǎn)體與輪轂同軸設(shè)置。
[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，其內(nèi)部線圈繞組可任意串聯(lián)、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(yīng)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，所述電動輪轂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)制器的傳感信號輸入端Ic電連接；所述電動輪轂裝置至少在同軸轉(zhuǎn)體的內(nèi)部或外部設(shè)置一傳感單元;
[0019]優(yōu)選的，所述傳感裝置包括定子單元的內(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。
[0020]優(yōu)選的，所述電動輪轂裝置還包括電磁制動裝置9b，所述電源調(diào)制器I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(yīng)時序?qū)﹄妱友b置的定子單元的繞組輸出電流。
[0021]所述驅(qū)動操控裝置9a可設(shè)置為常規(guī)旋轉(zhuǎn)把手式、推拉式操縱桿或其他任意手動控制方式，包括外置為遙控。
[0022]本發(fā)明中，所述電源調(diào)制器將直流電源轉(zhuǎn)換為時序電流，使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和斷電。
[0023]本發(fā)明中，所述任一電動輪轂裝置的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包括單輪以及同軸緊湊安裝兩個輪轂的準(zhǔn)單輪結(jié)構(gòu)。
[0024]本發(fā)明還公開了一種前述電動輪轂裝置的驅(qū)動方法，該方法根據(jù)所述轉(zhuǎn)子單元3a和所述定子單元3b的位置關(guān)系，通過電源調(diào)制器輸出時序電流控制同軸轉(zhuǎn)體以及輪轂轉(zhuǎn)動；
[0025]所述時序根據(jù)同軸轉(zhuǎn)體旋轉(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25度< Θ ^ 90度相應(yīng)的時間段，所述Z Θ為轉(zhuǎn)子單元繞軸所受定子單元電磁力與其法向分力的方向所形成的動態(tài)夾角，所述斷電時域內(nèi)電源調(diào)制器I不輸出電流。
[0026]優(yōu)選的，所述供電時域的電流不限波形、頻率及占空比。
[0027]優(yōu)選的，所述電源調(diào)制器在供電時域內(nèi)至少包括兩段不同電流幅值不同的子時域，且順時序呈幅度依次變小，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0.55至0.95 ;或為如下關(guān)系:It/A= (I。一 Ig) Sin Θ，其中1為起始通電強度，、為通電終止時刻的電流強度。
[0028]優(yōu)選的，所述通電時域T1內(nèi)初始的電流、電壓或定子單元的磁通強度由傳感裝置獲取同軸轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速實時值結(jié)合驅(qū)動操控裝置9a給出的指令而調(diào)整。
[0029]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與轉(zhuǎn)子單元周期性隔氣隙相對、處于同一法線的狀態(tài)(Θ為O)作為基準(zhǔn)座標(biāo)和基準(zhǔn)時間，當(dāng)轉(zhuǎn)子單元每次轉(zhuǎn)至基準(zhǔn)座標(biāo)時，電源調(diào)制器進(jìn)行一次時間歸O校準(zhǔn)并記錄本次周期時間，通過與上次轉(zhuǎn)子單元轉(zhuǎn)至基準(zhǔn)座標(biāo)的周期時間比較，從而獲知同軸轉(zhuǎn)體以及輪轂的旋轉(zhuǎn)周期時間，并控制輸出電流。
[0030]本發(fā)明還公開了所述電動輪轂裝置的制動方法，該方法根據(jù)所述轉(zhuǎn)子單元趨近定子單元、轉(zhuǎn)子單元和定子單元處同一法線相對(θ為O)以及處于遠(yuǎn)離狀態(tài)的至少一個時域中，通過操控電磁制動裝置9b使電源調(diào)制器I輸出時序電流控制同軸轉(zhuǎn)體以及輪轂制動；
[0031]所述時序根據(jù)車輪旋轉(zhuǎn)方向而定義；所述轉(zhuǎn)子單元趨近定子單元為O < Θ < 35度相應(yīng)的時間段，所述Θ為轉(zhuǎn)子單元在同軸轉(zhuǎn)體上繞軸所受定子單元電磁力與其法向分力的方向所形成的動態(tài)夾角。
[0032]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(zhǔn)座標(biāo)和基準(zhǔn)時間，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)。
[0033]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。
[0034]優(yōu)選的，所述輸出電流控制步驟包括:
[0035]I)驅(qū)動操控裝置9對電源調(diào)制器I無輸入指令時，電源調(diào)制器休眠；
[0036]2)驅(qū)動操控裝置9給出加速指令時，電源調(diào)制器I輸出時序電流；
[0037]3)當(dāng)電動裝置轉(zhuǎn)速或通電頻率達(dá)到設(shè)定的閾值時，所述的電源調(diào)制器斷電。
[0038]本發(fā)明針對電動輪轂裝置的應(yīng)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T及其通電時域的子集強度特點和斷電時域等工作邏輯構(gòu)成。由于電動輪轂裝置內(nèi)部的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通過數(shù)據(jù)總線實時處理，可判知轉(zhuǎn)子單元與定子單元的相對位置，從而對定子單元繞組選擇性地發(fā)出具有規(guī)律性的時序電流。
[0039]上述設(shè)計可帶來兩項明顯的節(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