專利名稱：電動摩托車的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種使用低速無刷力矩電機驅動的電動摩托車。
以電能為動力的電動助力車被人們譽為“綠色交通工具”，在城市尾氣及噪聲污染日趨嚴重的今天，已越來越受到各級政府的關注，電動助力車的研制呈現(xiàn)方興未艾之勢，其研制的側重點則集中在電源和電機及其控制裝置部份，近幾年來除不少廠家仍采用有刷直流電機作為電動助力車的動力外，清華大學電機系、中科院成海分院等一些科研單位已分別研制出功率為180瓦的無刷直流電機，其中最具當代科技水平的是由上海永久股份有限公司引進德國技術生產的低速無刷力矩電機功率達180瓦。低速無刷電機使用時由于省卻了傳動減速裝置及碳刷、整流子等部件，因而比一般無刷力矩電機結構更加簡單、性能穩(wěn)定可靠、轉換效率高，同時該類型電機與其電子控制裝置互為一體，也為電動助力車設置智能化、多功能創(chuàng)造了有利條件。本實用新型的前有技術，專利9539280.1“多功能電動自行車”涉及的低速無刷力矩電機及其控制裝置已于97年5月初研制成功第一臺外徑18公分，寬度6公分，重3公斤的樣機，隨后安裝在一輛普通自行車上進行了多次測試，在總載重105公斤時，使用24V/AH的電源，以28.4KM/H的速度，每充電一次能連續(xù)行駛34KM以上，爬坡能力≤7°，取得了較好的效果，但前有技術存在啟動有死區(qū)，該缺陷作用于電動自行車，由于避免了電機過大的啟動電源，反而成了優(yōu)點，但若在電動摩托車，電動汽車及家電或工業(yè)應用時，就不能采用有死區(qū)的電機，另外從現(xiàn)有技術看，低速無刷力矩電機及其控制裝置的研究目前尚停留在對功率要求較小的電動助力車上，一般不超過200瓦，這對于驅動電動摩托車、電動汽車顯然遠遠不夠，要想啟動這一“綠色工程”項目，擴大低速無刷力矩電機的應用遠景，就必須大大增加它的功率。
本實用新型其目的就在于，提供一種由啟動無死區(qū)、且功率大的低速無刷力矩電機及其控制裝置組裝而成的具有無級調速、過載保護等多項功能的電動摩托車。
實現(xiàn)上述目的而采取的技術方案為，電動摩托車由電機及其控制裝置、車體(含前后輪)、蓄電池部件成，控制裝置包括電源、橋式驅動電路、過載保護電路、檢測電路和驅動控制電路，作為動力源的電機為低速無刷力矩電機，電機定子中心軸為車后輪中心軸并通過支承架與矽鋼片組成的鐵芯連成一個整體，在鐵芯的園周上分布有多相對稱的磁極，電機的轉子就是電機的外殼，外殼通過中心軸上的軸承繞中心軸上的鐵芯運轉，外殼轉子內徑面釹硼磁鋼成瓦形，它的塊數(shù)等于定子磁極加2，沿著電機內徑面S極N極S極N極順序依次排列，轉子的外徑面串幅條與電動摩托車的后鋼圈相聯(lián)接，上述所說的控制裝置還包括電子開關電路、主電源電壓電路、自動恒速的無觸點無級調速電路。
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳述


圖1為本實用新型電機控制裝置電原理框圖；圖2為
圖1中電子開關電路原理圖；圖3為
圖1中主電源電壓電路原理圖；圖4為
圖1中自動恒速的無觸點無級調速電路原理圖；圖5為
圖1中橋式驅動電路原理圖；圖6為
圖1中過載保護電路原理圖。
本實用新型其中心是圍繞其電機及其控制裝置展開的，通過采取以下各項技術措施使其電機工作無死區(qū)，且功率達到幾千瓦，該電機即稱低速無刷力矩電機。
首先講述該電機的結構和原理該電機由定子、轉子二大部份組成，定子由中心軸通過支承架和矽鋼片組成的鐵芯連成一個整體，在鐵芯的園周上分布有多相對稱的磁極，每極的弧長均相等，磁極的總數(shù)成偶數(shù)、電機的轉子就是電機的外殼，外殼通過中心軸上的軸承環(huán)繞中心軸上的鐵芯運轉，電機的外殼也可以用軟磁材料制作，這時它就同時和內徑面的釹鐵硼磁鋼起了磁路作用。外殼轉子內徑面釹鐵硼磁鋼成瓦形，它的塊數(shù)等于定子磁極數(shù)加2，沿著電機內徑面S極N極S極N極依次排列，轉子外徑可直接串幅條和摩托車的后鋼圈相聯(lián)。電機轉子和車輪車圈也可以用壓鑄鋁坯一次壓鑄而成，但這時要在電機轉子也就是電機外殼的內徑面加一軟磁材料的導磁環(huán)，釹鐵硼磁鋼就安裝在導磁環(huán)的內徑面上依次排列一周。在電機定子的鐵芯上繞有繞組，根據(jù)需要繞組有二相繞組和三相繞組，引線通過中心軸上的中心通孔引出，并和控制系統(tǒng)中的驅動電路相連接，同時電動摩托車車把的調速手柄的引線也可和控制系統(tǒng)相連接。
以下結合現(xiàn)有技術逐一詳述具體技術措施的實施例，一．電源電路電動摩托車主電源36V或48V由開關電源產生出多路穩(wěn)定的適用于控制系統(tǒng)和燈光、音響及微處理器使用的電壓，當主電源電壓在31.5～42V或39.3～52.V之間變化時，控制系統(tǒng)和其它負載仍能正常工作。
由開關電源IC10YDS112負責輸出兩路電壓，如要提供照明及音響使用，或采用微處理器，也可再增加一個IC10來增加兩路輸出電壓，使其輸出12V和5V電壓即可，當然也可采用開關電源變壓器抽頭的方式來獲取多路穩(wěn)定的電壓。
主電源接集成塊IC10YDS112第1腳，IC10第3腳輸出供控制系統(tǒng)使用，同時另一路由L3輸出，并且通過連接使此電壓迭加在主電源上，供二個(二相繞組)全橋的上橋兩臂使用。即L3一端接IC10第1腳，另一端經二極管VD21接集成塊IC11LM317第3腳，IC11第1腳經電阻R46接IC10第1腳，IC11第2腳一路接電容C11正極，另一路經電阻R45接電容C12正極，電容C13正極接IC11第3腳，電容C11、C12、C13負極接IC10第1腳，在IC11第2、3腳間跨接二極管VD19，在IC11第1、2腳間及C12、R45間接二極管VD18，當主電源大幅度地變化時，全橋驅動器仍能正常有效地工作。
該技術重點是使電壓迭加在主電源上，正是這個原因，才能使全橋驅動電路能全部采用N溝道場效應管，才使低電壓大電流的驅動器電路實現(xiàn)，同樣的原因才產生出大功率，其輸出功率可達幾千瓦。
二．采用多相鐵芯或串列鐵芯來消除低速無刷力矩電機的死區(qū)1．二相鐵芯在鐵芯的外園上分布有極數(shù)成偶數(shù)的對稱的A相和B相鐵芯磁極，每相鐵芯對稱地分布為二組，并和鐵芯中心處于同一連線上，每組極數(shù)相同且為偶數(shù)，二連線相交90°，每組之間間隔1/2極弧長，不管作為外轉子的電機外殼處于什么位置，總有一相鐵芯磁極處于有效工作位置上，并且由于每相分為二組對稱分布，使電機運轉時受力均衡，消除了電機死區(qū)。
2．三相鐵芯在矽鋼片迭成的鐵芯的外園上分布有極數(shù)成偶數(shù)的A、B、C三相鐵芯磁極，每相極數(shù)、極弧長均相同，每組之間間隔1/3極弧長，每相分為二組，在鐵芯外園上對稱分布，并和鐵芯中心處于同一連線上，三連線相交60°，這時不管作為外轉子的電機外殼處于什么位置，總有二相磁極處于有效工作位置，并且由于三相對稱分布，受力均衡，同時也消除了死區(qū)現(xiàn)象。
3．串列鐵芯在鐵芯的園周上均勻地分布有成偶數(shù)的磁極，每極形狀相同，將迭厚一樣的兩迭鐵芯安裝在同一電機軸上，兩迭鐵芯之間留有要繞制線圈的距離，并使兩列鐵芯在軸向位置上錯開1/2弧長，使其中一列鐵芯每極中心位置正好對準轉子上兩塊磁鋼之間，這樣使電機工作時總有一列電機定子鐵芯處于有效工作位置上，同樣起到消除死區(qū)的作用。
三．由N溝道組成的全橋驅動電路完成對低速無刷力矩電機的換向控制全橋驅動電路的四臂均采用N溝道場效應管，即場效應管V9～V12為N溝道型，上橋兩臂的漏極電壓由前述的開關電源產生，并迭加在主電源48V正極上，當主電源因負載變化電壓大幅度變動時，全橋驅動電路能可靠有效地工作，如圖5所示，圖中全橋中點的A組為二相鐵芯上的繞組A，另一繞組B其電路結構相同。
四．采用N溝道場效應管組成的電子開關來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械開關，具體由場效應管V1-V2，二極管VD1及電阻R1～R4和開關K組成，場效應管V1、V2漏極相連接電源負極，場效應管V1柵極串電阻R4，V2柵極串電阻R3后相連經電阻R1、開關K接電源正極，同時在電源負極與電阻R1、R3間分別并接二極管VD1、電阻R2。
將開關K安裝在電動摩托車把手之間的操作盒內，控制電源的通和斷，電子開關則和控制系統(tǒng)安裝在同一塊線路板上，并設法使電機、蓄電池、控制器三者之間的距離盡可能短，以減少線阻。
五．采用線性霍爾元件的無觸點無級調速電動車輛的調速電路基本上采用脈寬調制方式，在某一調定的速下，當負載變化時如上坡、風力等外來因素將直接影響車速，并且由于調速手柄由鋼絲和復位彈簧組成，長期頻繁地動作，很容易使牽引鋼絲和復位彈簧損壞，給用戶帶來不便。
采用線性霍爾元件的無觸點無級調速，則是由磁鋼位置檢測信號從與非門輸出端輸出后，一方面去控制左全橋，另一方面通過或非門輸出端輸出的和車速成正頻率的正脈沖作為測速電路的基準信號，通過微分電路取出該正脈沖的前沿，通過R57去積分電路，并將電位迭加在由R58、R59分壓的電位上，這時電容C17上的電位完全和車速成正比，車速快時電位就高，反之就下降，反應速度也可通過積分電路加以選擇。此電壓輸入電壓比較器IC6A后，和另一路來自線性霍爾元件H5CS3501的輸出相比較后，參加控制驅動電路，控制電機的轉動和停止。
線性霍爾元件H5通過引線安裝在空心車把內，具有徑向磁場的磁環(huán)固定在車把的調速手柄內，并使線性霍爾元件的磁敏感區(qū)和磁環(huán)處于同一中心位置，霍爾元件H5第3腳經電阻R60接電壓比較器IC6A“-”端，IC6A經電阻R62輸出驅動控制電路，檢測電路信號經電阻R57、二極管VD23、分壓電阻R58、R59串聯(lián)公共端輸入到電壓比較器IC6A“+”端，同時電容C17、C18串聯(lián)后C17接IC6A“+”端，電容C17兩端并聯(lián)電阻R61構成自動恒速的無觸點無級調速電路。這時，旋動調速手柄，磁環(huán)的磁場方向發(fā)生了變化，導致線性霍爾元件H5的輸出電壓隨之變化，經電壓比較器IC6A與來自檢測電路的基準信號比較后輸出，起到了調節(jié)車速的作用，并將車速鎖定在調節(jié)值上，這時如電機負載變化(如上坡)，車速可保持不變，除非電機功率不夠。
該調速手柄內有復位彈簧，在無外力作用下，靠彈簧旋轉力使調速手柄始終處于有復位彈簧，在用外力克服彈簧作用力而使車輛繞車把轉動時電機轉速也即車速可從零逐步上升至最高時速。
六．電機過載保護通過L1只列某一超過規(guī)定值的電機電流進行檢測，并對此電流進行時間上的累計，也就是講，要使電機停止工作要同時滿足兩個條件，一是電流超過某一規(guī)定值，二是此電流流經電機的時間要超過規(guī)定值，這時才由左右全橋關閉電機運轉。
在兩全橋下橋兩臂場效應管V10、V12的源極并聯(lián)后通過檢測元件L1接地，當電機啟動和過載時，此元件和場效應管連接處的電位將隨電機電流變化，通過電壓比較器IC6A對大于某一設定的電機電流作積分，積分后的電壓作為控制電機運轉或停止的控制信號的一部分，當電機啟動時，雖然電流很大，超過了設定的電機工作電流，但由于在單位時間里平均功率沒有超過設定值，所以積分后的電壓沒有達到能迫使電機停止運轉的規(guī)定值，這時電機繼續(xù)運轉，轉速逐漸上升，電流逐漸下降，如果這時摩托車行駛在超過規(guī)定的坡度或發(fā)生其它過載因素，一則由于電流超過了設定值，電壓比較器IC6A對此反應，并通過連接其輸出端的電容C21開始積分，當積分電路上C21的電位超過設定值后，通過時間電路IC5強行將電機關閉一段時間，通過這段時間的設定，達到了保護電機的目的。
與現(xiàn)有的技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點1．由于本實用新型的電源輸出分為多路輸出，電機與控制部分獨立電源，同時使電源電壓迭加在主電源上，正因如此，才能使全橋驅動電路能全部采用N溝道場效應管，才能使低電壓大電流的驅動電路得以實現(xiàn)，才能產生出大功率，其輸出功率可達幾千瓦。
2．由于采用了多相鐵芯或串列鐵芯的技術措施，因而消除了低速無刷力矩電機的死區(qū)，電機效率提高。
3．由于采用了N溝道型場效應管組成的電子開關代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械接觸開關，因而其壽命長，可靠性高，且性能穩(wěn)定。
4．由于采用了線性霍爾元件的無觸點無級調速方式，因而結構簡單，無觸點，且能無級調速，動力和操作系統(tǒng)的可靠性提高。
5．由于采用了先進的電機過載保護方式，既達到了保護的目的，又使電動車的爬坡能力得以充分發(fā)揮。
權利要求1．一種電動摩托車，由電機及控制裝置、車體(含前后輪)、蓄電池部件組成，控制裝置包括電源、橋式驅動電路、過載保護電路、檢測電路和驅動控制電路，其特征在于，作為動力源的電機為低速無刷力矩電機，電機定子中心軸為車后輪中心軸并通過支承架與矽鋼片組成的鐵芯連成一個整體，在鐵芯的園周上分布有多相對稱的磁極，電機的轉子就是電機的外殼，外殼通過中心軸上的軸承繞中心軸上的鐵芯運轉，外殼轉子內徑面釹鐵硼磁鋼成瓦形，它的塊數(shù)等于定子磁極加2，沿著電機內徑面S極N極S極N極順序依次排列，轉子的外徑面串幅條與電動摩托車的后鋼圈相聯(lián)接，上述所說的控制裝置還包括電子開關電路、主電源電壓電路、自動恒速的無觸點無級調速電路。
2．根據(jù)權利要求1所述的電動摩托車，其特征在于，控制裝置主電源電壓電路中，主電源接集成塊IC10YDS112第1腳，IC3第3腳輸出供控制系統(tǒng)使用，同時，另一路由L3輸出，并且通過連接，使此電壓迭加在主電源上，供二個全橋的上橋兩臂使用，即L3一端接IC10第1腳，另一端經二極管VD21接集成塊IC11LM317第3腳，IC11第1腳經電阻R46接IC10第1腳，IC11第2腳一路接電容C11正極，另一路接電容C12正極，電容C13正極接IC11第3腳，電容C11、C12C13負極接IC10第1腳，在IC11第2、3腳間跨接二極管VD19，在IC11第1、2腳間接二極管VD16，IC11第2腳輸出提供驅動控制電路電源。
3．根據(jù)權利要求1所述的電動摩托車，其特征在于，電機的橋式驅動電路中的四臂開關元件均采用N溝道場效應管，上橋兩臂的漏極電壓由主電源電壓產生，并迭加在主電源的正極上。
4．根據(jù)權利要求1所述的電動摩托車，其特征在于，采用N溝道場效應管組成電子開關電路，場效應管V1、V2漏極相連接電源負極，場效應管V1柵串極電阻R4、V2柵極串電阻R3后相連，經電阻R1、開關K接主電源正極，同時在主電源負極與電阻R1、R3間分別并接二極管VD1、電阻R2。
5．根據(jù)權利要求1所述的電動摩托車，其特征在于，線性霍爾元件H5CS3501通過引線安裝在空心車把內，具有徑向磁場的磁環(huán)固定在車把的調速手柄內，并使線性霍爾元件H5的磁敏感區(qū)和磁環(huán)處于同一中心位置，霍爾元件H5第3腳經電阻R60接電壓比較器IC6A“-”端，IC6A經電阻R62輸出接驅動控制電路，檢測電路信號經電阻R57，二極管VD23、分壓電阻R58、R59串聯(lián)公共端輸入到電壓比較器IC6A“+”端，同時電容C17、C18串聯(lián)后R17接IC6A“+”端，電容C17兩端并聯(lián)電阻R61，構成自動恒速的無觸點無級調速電路。
6．根據(jù)權利要求1所述的電動摩托車，其特征在于，過載保護電路為，在兩全橋下臂場效應管V10、V12的源極相連后通過檢測元件L1接地，同時分兩路經電壓比較器IC6B比較后，經電容C21積分輸出給時間電路IC5，當電容C21的電位超過設定值后，強行將電機關閉一段時間，達到保護電機的目的。
專利摘要一種電動摩托車,采用了功率可達幾千瓦的低速無刷力矩電機,電機定子為多相鐵芯或串列鐵芯,轉子外殼為車輪,控制裝置電源為迭加型,全橋驅動電路全部采用N溝道場效應管完成對電機的換向控制,線性霍爾元件的使用實現(xiàn)了對電機的無觸點無級調速,從而解決了電動摩托車對電機特性,功率體積比,能量轉換效率等方面的要求,具有功率大、效率高、性能穩(wěn)定、操作可靠等優(yōu)點,其低速無刷力矩還可廣泛應用于電動汽車、家電等領域。
文檔編號B62K11/00GK2310001SQ9722931
公開日1999年3月10日 申請日期1997年10月8日 優(yōu)先權日1997年10月8日
發(fā)明者林統(tǒng)強 申請人:林統(tǒng)強