一種電動(dòng)輪轂裝置和含有該裝置的電動(dòng)車的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電動(dòng)自行車及其電源動(dòng)力設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種電源調(diào)制產(chǎn)生的周期性時(shí)序電流、控制方案以及所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)裝置設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)自行車市場(chǎng)主流是配用電動(dòng)輪，這類電動(dòng)輪實(shí)際是將傳統(tǒng)設(shè)置在軸上的電動(dòng)機(jī)變形在輪轂內(nèi)，把轉(zhuǎn)子延伸設(shè)計(jì)為通過機(jī)械裝置把轉(zhuǎn)矩傳遞至車圈，使轉(zhuǎn)子繞軸的轉(zhuǎn)臂延長(zhǎng)，有利于同功耗增大轉(zhuǎn)矩。國(guó)內(nèi)電機(jī)業(yè)均試圖運(yùn)用在電動(dòng)自行車的技術(shù)成功經(jīng)驗(yàn)，推廣為電動(dòng)汽車使用的輪轂式電動(dòng)機(jī)。
[0003]嚴(yán)格而言，狹義輪轂是指與傳動(dòng)軸連接的法蘭、軸承座等部分，目前國(guó)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(jī)技術(shù)又稱車輪內(nèi)裝電機(jī)技術(shù)，其最大特點(diǎn)就是將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi)，因此將電動(dòng)車輛的機(jī)械部分大大簡(jiǎn)化。輪轂電機(jī)技術(shù)并非新生事物，早在1900年，保時(shí)捷就首先制造出了前輪裝備輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車，在20世紀(jì)70年代，這一技術(shù)在礦山運(yùn)輸車等領(lǐng)域得到應(yīng)用；對(duì)于乘用車所用的輪轂電機(jī)，目前多家國(guó)際汽車業(yè)巨頭都在開發(fā)，國(guó)內(nèi)廠商也開始涉足。
[0004]目前電動(dòng)汽車市場(chǎng)主流使用的電動(dòng)輪，其結(jié)構(gòu)除輪轂本體外，主要部件一般包括輪轂電機(jī)、剎車盤、剎車卡鉗、主動(dòng)懸掛電機(jī)、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(jì)，而電動(dòng)汽車對(duì)輪轂電機(jī)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(shí)省油率可達(dá)到5% -7%，因此電動(dòng)機(jī)如果不能呈倍數(shù)減鎊，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(jī)簡(jiǎn)單變形為輪轂電機(jī)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(xiàng)指標(biāo)衡量，現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到輪轂電動(dòng)機(jī)的一般設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)制造輪轂電動(dòng)機(jī)還有較長(zhǎng)的路要走。
[0005]目前電動(dòng)車市場(chǎng)技術(shù)發(fā)展主要有兩個(gè)方向，一是專用電動(dòng)機(jī)制造，二是電機(jī)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(dòng)機(jī):市場(chǎng)普遍認(rèn)為電動(dòng)機(jī)技術(shù)已發(fā)展成熟，為電動(dòng)車設(shè)計(jì)專用的電機(jī)微乎其微，競(jìng)爭(zhēng)主要集中在材料和人力成本的控制。又例如電機(jī)控制:近年市場(chǎng)己普遍應(yīng)用PWM技術(shù)來控制電機(jī)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(duì)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(yùn)動(dòng)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(jī)，主要由電機(jī)本體、位置檢測(cè)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(cè)器和逆變控制器一起構(gòu)成電子換向器取代機(jī)械接觸式換向裝置，繞組通電形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jì)的明顯問題是正弦波變形的近似度控制，其動(dòng)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(dòng)機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型的目的，在于克服現(xiàn)有電動(dòng)車所配用輪轂電動(dòng)機(jī)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(shí)序電流的供電方案，同時(shí)，電動(dòng)輪轂裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩大，工藝容易實(shí)現(xiàn)。
[0008]本實(shí)用新型提供的一種電動(dòng)輪轂裝置，所述電動(dòng)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(dòng)操控裝置9a和電動(dòng)裝置3 ;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以及若干轉(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)子單元包括至少一個(gè)永磁體轉(zhuǎn)子單元3bl和至少一個(gè)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(duì)氣隙3d不大于55mm ;所述同軸轉(zhuǎn)體與輪轂同軸設(shè)置，電動(dòng)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(dòng)裝置；
[0009]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，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，并于相應(yīng)時(shí)序?qū)Χㄗ訂卧膬?nèi)部繞組輸出電流，使電動(dòng)裝置通過減速/變矩裝置對(duì)輪轂實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)。
[0010]所述定子單元3a/轉(zhuǎn)子單元3b可在相對(duì)同軸轉(zhuǎn)體的部位互為置換設(shè)計(jì)，配合相關(guān)裝置設(shè)計(jì)也可取得電動(dòng)效果。
[0011]優(yōu)選的，本實(shí)用新型所述電動(dòng)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3b I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(shí)行一體化設(shè)計(jì)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(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。
[0013]優(yōu)選的，所述永磁體轉(zhuǎn)子單元3bl若干個(gè)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(dòng)輸入端與同軸轉(zhuǎn)體3e機(jī)械固連，其傳動(dòng)輸出端與輪轂6機(jī)械固連；減速/變矩裝置可獨(dú)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(duì)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(duì)應(yīng)永磁體轉(zhuǎn)子單元3bl的排布狀態(tài)設(shè)置為與其運(yùn)動(dòng)相向的極性相反。
[0017]所述定子單元的繞芯排布或若干個(gè)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(dòng)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(duì)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)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(dòng)輪轂裝置還包括電磁制動(dòng)裝置％，所述電源調(diào)制器I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)裝置的定子單元的繞組輸出電流。
[0021]所述驅(qū)動(dòng)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(dòng)控制方式，包括外置為遙控。
[0022]本實(shí)用新型中，所述電源調(diào)制器將直流電源轉(zhuǎn)換為時(shí)序電流，使電動(dòng)裝置中的定子單元被限定在電源調(diào)制器設(shè)定的時(shí)域周期性地通電和斷電。
[0023]本實(shí)用新型中，所述任一電動(dòng)輪轂裝置的電動(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)車的車輪包括包括單輪以及同軸緊湊安裝兩個(gè)輪轂的準(zhǔn)單輪結(jié)構(gòu)。
[0024]本實(shí)用新型還公開了一種前述電動(dòng)輪轂裝置的驅(qū)動(dòng)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(shí)序電流控制同軸轉(zhuǎn)體以及輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0025]所述時(shí)序根據(jù)同軸轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)方向而定義，所述時(shí)序電流根據(jù)定子單元電磁場(chǎng)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T，每個(gè)通斷周期T包括供電時(shí)域和斷電時(shí)域；所述供電時(shí)域位于25度< Θ <90度相應(yīng)的時(shí)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(dòng)態(tài)夾角，所述斷電時(shí)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(shí)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(shí)域內(nèi)至少包括兩段不同電流幅值不同的子時(shí)域，且順時(shí)序呈幅度依次變小，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2K遞減關(guān)系，所述的指數(shù)K取值0.55至0.95 ;或?yàn)槿缦玛P(guān)系:It/A = (10-1g)Sine，其中I。為起始通電強(qiáng)度，Ig為通電終止時(shí)刻的電流強(qiáng)度。
[0028]優(yōu)選的，所述通電時(shí)域T1內(nèi)初始的電流、電壓或定子單元的磁通強(qiáng)度由傳感裝置獲取同軸轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速實(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。
[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(duì)、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(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O校準(zhǔn)并記錄本次周期時(shí)間，通過與上次轉(zhuǎn)子單元轉(zhuǎn)至基準(zhǔn)座標(biāo)的周期時(shí)間比較，從而獲知同軸轉(zhuǎn)體以及輪轂的旋轉(zhuǎn)周期時(shí)間，并控制輸出電流。
[0030]本實(shí)用新型還公開了所述電動(dòng)輪轂裝置的制動(dòng)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(duì)(Θ為O)以及處于遠(yuǎn)離狀態(tài)的至少一個(gè)時(shí)域中，通過操控電磁制動(dòng)裝置9b使電源調(diào)制器I輸出時(shí)序電流控制同軸轉(zhuǎn)體以及輪轂制動(dòng)；
[0031]所述時(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)間，通過傳感裝置獲知轉(zhuǎn)子單元趨近/相對(duì)/遠(yuǎn)離定子單元的位置狀態(tài)。
[0033]所述電源調(diào)制器對(duì)電動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)通電和制動(dòng)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(dòng)操控裝置9對(duì)電源調(diào)制器I無輸入指令時(shí)，電源調(diào)制器休眠；
[0036]2)驅(qū)動(dòng)操控裝置9給出加速指令時(shí)，電源調(diào)制器I輸出時(shí)序電流；
[0037]3)當(dāng)電動(dòng)裝置轉(zhuǎn)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。本實(shí)用新型針對(duì)電動(dòng)輪轂裝置的應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)動(dòng)力電源植入優(yōu)化的數(shù)控編程技術(shù)，明確了動(dòng)