一種基于電動車的輪轂電動裝置及其驅動和制動方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電動車的電源動力設計領域，具體涉及一種電動裝置的結構和驅動、 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制方法。
【背景技術】
[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，據行業情報披露2013年已逾1000萬輛， 區域用的低速電動四輪車市場也獲得了長足發展。
[0003] 電動車所配用的電動機目前正從通用型向專業設計方向發展，其電源控制器也力 圖運用脈沖調制技術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發展主要 有兩個方向，一是改進電動機專業制造技術，二是改善電動機節能控制，但這兩個方向在技 術發展思路上都受到了較大局限，例如；
[0004] 1)電機：電動兩輪車市場主流配用的是輪轂式電機，行業通常使用的電機結構原 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。
[0005] 2)電機控制：近年市場己普遍應用PWQ技術來控制電機，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。根據其特性，按一定規則對個脈沖的 寬度進行調制，即可改變電路輸出電壓或輸出頻率的大小，達到控制電機轉速的目的。但 研發主流對電機控制的基本思路，通常集中在傳統"倒相"模型所伴隨的相角位控制思想范 疇，技術開發收益不盡人意。
[0006] 在電動兩輪車市場，近年國內外同行均試圖開發在輪沿設置原動機構的電動輪， 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置旋 轉動力機，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 落勢能轉變成水車環繞軸心旋轉的動力。但是，當這一水車模型被平移到電動車領域時，并 未獲得預期的開發成功。例如市場上一種在車圈外緣設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，這類設計雖有新意，但由于采用傳統設計的電 動機和常規方式的動力供電，其電能轉換效率與輪轂式電機類同，并且在車圈外緣設置電 動機會受到功率的限制。
[0007] 在電動四輪車市場上，目前開發的大功率輪轂式電動機的主流思路，是在輪轂內 部設置電動機，因常規電動機的重量/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，市場產品的種類也較少。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的在于克服現有電動車的供電方式局限于相角位控制、所配用電動機 結構及傳動方式方面的設計缺陷，提供一種將直流電源改變為時序供電方式的設計方案， 同時電動裝置不采用單元式電動機的傳統設計，結構簡單，轉矩大，工藝容易實現，滿足電 動車的技術設計需求。
[0009] 本發明提供的一種輪轂電動裝置，所述輪轂電動裝置包括電源調制器1、減速/變 矩裝置2、輪轂6、驅動操控裝置9a和至少一套的電動裝置3 ;所述電源調制器包括電源輸 入端la、時序電流輸出端Ib和驅動信號輸入端ld，所述的電源輸入端電連接電池組8的正 負極；所述的電動裝置包括同軸轉體3e、至少一個定子單元3a以及至少一個轉子單元3b ; 所述同軸轉體為一個具有轉動軸的環形機械圈；所述轉子單元設置于同軸轉體上，其由導 磁介質固體或軟體成形材料制成，且伴隨同軸轉體旋轉；所述定子單元安裝在靠近同軸轉 體的內部或外部，兩者之間氣隙3d不大于70mm ;所述同軸轉體與輪轂同軸設置，并通過減 速/變矩裝置與輪轂機械傳動；
[0010] 所述電源調制器時序電流輸出端電連接定子單元的內部繞組，驅動信號輸入端電 連接驅動操控裝置；所述電源調制器通過驅動操控裝置獲取用戶的行車指令，并對定子單 元的內部繞組輸出電流，使電動裝置及其連體輪轂獲得驅動/制動。
[0011] 優選的，本發明所述輪轂電動裝置的額定功率不大于30KW。
[0012] 優選的，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 體3e固連，其機械傳動輸出端與輪轂6固連；
[0013] 優選的，所述減速/變矩裝置2單獨設置并與同軸轉體同軸安裝；
[0014] 優選的，所述減速/變矩裝置2或與同軸轉體或輪轂6 -體化設置。
[0015] 所述轉子單元設置于同軸轉體3e上包括設置于同軸轉體的內緣、外緣、內部或與 同軸轉體一體化設計制造；若干個轉子單元在同軸轉體安裝時相間設置，優選均勻排布； 所述轉子單元在不影響安裝于同軸轉體3e的前提下不限形狀。
[0016] 優選的，所述定子單元3a由至少一組良導線環繞磁介質材料的磁芯而成，其組合 排布得到的繞組之間通過串聯或并聯連接，或通過不同繞組之間引出中間抽頭組成多線外 接回路。
[0017] 優選的，所述定子單元安裝在同軸轉體內部與固定機械裝置固連；
[0018] 優選的，所述定子單元安裝靠近同軸轉體外部與車架固連的機械裝置上；
[0019] 優選的，所述定子單元靠近同軸轉體3e安裝時，其內部繞組通電形成的兩極連線 方向與同軸轉體的法線10垂直或平行，包括偏轉不超過22度角；
[0020] 更優選的，若干所述定子單元在同軸轉體3e的法線平面兩側部位對稱安裝。
[0021] 優選的，所述同軸轉體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體3e及若干減速/變矩裝置2傳動，所述的若干為至少一 個。
[0022] 優選的，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體3e的內部或外部設置一傳感單元。
[0023] 優選的，所述傳感裝置包括定子單元3a的內部繞組，所述內部繞組包括環繞定子 單元磁芯的多線繞組或由若干定子單元繞組之間串聯而成的多線外接回路。
[0024] 本發明中，所述輪轂電動裝置還包括電磁制動裝置9b，所述電源調制器還包括制 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 相應時序對電動裝置3的定子單元3a的內部繞組輸出電流。
[0025] 本發明還公開了含有上述任一輪轂電動裝置的電動車，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 個輪的準單輪結構。
[0026] 本發明中，所述電源調制器1將直流電源轉換為時序電流，使電動裝置中的定子 單元3a被限定在電源調制器設定的時序周期性地通電和斷電。
[0027] 本發明還公開了一種前述電動裝置的驅動方法，該方法根據所述轉子單元和定子 單元的位置關系通過電源調制器輸出時序驅動電流控制電動裝置及輪轂轉動；
[0028] 所述時序根據車輪旋轉方向而定義，所述時序電流根據定子單元電磁場在同軸轉 體上的有效作用區間結合同軸轉體上的轉子單元個數而設置若干個通斷周期，每個通斷周 期包括供電時域和斷電時域；所述供電時域位于φτ/6夂φ<φτ相應的時間段，所述φ為轉子 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態夾角，所述ΦΤ為轉子 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所確定的中值；所述 斷電時域內電源調制器1不輸出電流。
[0029] 優選的，所述的電源調制器在供電時域內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系；或呈2 Κ 遞減關系，所述的指數K取值0· 25至0· 99 ;或為如下關系：It/A = (I。一 Ig) Sin φ*9:0/φτ， 其中Ic為起始通電強度，Ig為通電終止時刻的電流強度。
[0030] 優選的，通電時域/子時域內的電流波形、頻率以及占空比不限。
[0031] 優選的，所述通電時域由驅動操控裝置9a獲取外界的輸入，根據行車速度確定。
[0032] 優選的，所述通電時域內初始的電流、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合驅動操控裝置9a給出的指令而調整。
[0033] 優選的，所述方法還包括校正步驟；所述校正步驟為將定子單元3a與轉子單元3b 周期性隔氣隙3d相對、φ為0的狀態作為基準座標和基準時間，當轉子單元每次轉至基準 座標時，電源調制器進行一次時間歸〇校準并記錄本次周期時間，通過與上次的周期時間 比較，從而獲知對應輪轂的旋轉周期時間和轉速，并控制輸出電流。
[0034] 本發明還公開了所述電動裝置的制動方法，該方法通過所述在轉子單元趨近定子 單元、轉子單元和定子單元處同軸法線相對（Φ為0)以及轉子單元遠離定子單元狀態的至 少一個時域中，電源調制器1輸出時序電流控制電動裝置及輪轂制動；
[0035] 所述轉子單元趨近定子單元的時域為〇<φ<φτΖ3狀態的相應時間段，所述φ為轉 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態夾角，ζφτ為轉子 單元在同軸轉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所確定 的φ値。
[0036] 優選的，所述方法還包括校正步驟，所述校正步驟將Ζφ為0作為基準座標和基準 時間，通過傳感裝置獲知轉子單元趨近/相對/遠離定子單元的位置狀態。
[0037] 優選的，所述輸出電流控制步驟包括：
[0038] 1)驅動操控裝置9a對電源調制器1無輸入指令時，電源調制器休眠；
[0039] 2)驅動操控裝置9a給出加速指令時，電源調制器1相應輸出時序電流；
[0040] 3)當車速或通電頻率達到設定的閾值時，所述的電源調制器斷電。
[0041] 本發明針對電動車的應用特點對電源調制器植入數控編程技術，明確了供電時序 周期及其內部通電時域的子集強度特點和斷電時域等工作邏輯構成；伴隨車輪旋轉，轉子 單元與選擇性通電的定子單元會形成周期性的磁作用，由于傳感裝置總是被周期性感應， 電源調制器從其獲得的信號通過數據總線實時處理，可判知轉子單元與定子單元的相對位 置，從而相應發出具有規律性的時序電流。
[0042] 以上設計可帶來了兩項明顯的節電效益：一是電動裝置中的定子單元被限定在電 源調制器設定的時域周期性地通電