一種時(shí)序供電式電動(dòng)裝置及其驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電動(dòng)車的電源動(dòng)力設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種周期性產(chǎn)生時(shí)序電流的電 源調(diào)制器W及所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 國(guó)內(nèi)電動(dòng)自行車市場(chǎng)目前主流是配用安裝在輪軸上的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為外 轉(zhuǎn)子形式，外轉(zhuǎn)子通過(guò)福條與車輪的輪圈機(jī)械固連，通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩使車輪旋轉(zhuǎn)。具體制 造時(shí)，市場(chǎng)主流是將福條與車輪的輪圈實(shí)行一體化制造，外觀為電動(dòng)輪，福條變形為傳力筋 條，通過(guò)傳力筋條把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞至輪圈。國(guó)內(nèi)電機(jī)業(yè)還試圖運(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)汽車使用的輪穀式電動(dòng)機(jī)。
[0003] 電動(dòng)汽車使用的輪穀電機(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)裝置都整合到輪穀內(nèi)，輪穀電機(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穀電機(jī)的電動(dòng)汽車，在20世紀(jì)70年代，送一技術(shù)在礦山運(yùn)輸車等領(lǐng) 域得到應(yīng)用，目前電動(dòng)汽車業(yè)熱點(diǎn)是開(kāi)發(fā)乘用車輪穀電機(jī)。
[0004] 目前常規(guī)輪穀電機(jī)的結(jié)構(gòu)除輪穀本體外，部件重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出輪穀本體（一般包括 輪穀電機(jī)、剎車盤、剎車卡謝、主動(dòng)懸掛電機(jī)、懸架、減震彈黃等），而汽車對(duì)輪穀的自重要求 較高，常規(guī)轎車的鉛合金輪穀僅比傳統(tǒng)鋼輪穀平均輕2kg左右，當(dāng)車速為60km/h時(shí)省油率 可達(dá)到5% -7% ;因此行業(yè)專家普遍認(rèn)為，如果電動(dòng)機(jī)不能呈倍數(shù)減磅，輪穀內(nèi)裝電機(jī)的技 術(shù)意義很有限；僅W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)不到輪穀內(nèi)裝 電機(jī)的一般設(shè)計(jì)要求。
[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。
[0006] 圖1是一種傳統(tǒng)4極永磁有刷直流內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，永磁體13磁極沿定 體5的內(nèi)緣N/S交替對(duì)稱排布、相距一定間隙14,若干繞組設(shè)置在轉(zhuǎn)體6與永磁體相對(duì)的環(huán) 形區(qū)域內(nèi)，外供直流電通過(guò)機(jī)械接觸式換向裝置給繞組通電，即可在內(nèi)部形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而 使轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，通過(guò)轉(zhuǎn)軸輸出動(dòng)力。
[0007] 永磁無(wú)刷直流電機(jī)近年獲得了迅猛發(fā)展，其主要由電機(jī)本體、位置檢測(cè)器和電源 逆變控制器組成，永磁體一般設(shè)置在轉(zhuǎn)體上、N/S磁極交替相距一定間隙排布，若干繞組設(shè) 置在定體內(nèi)，位置檢測(cè)器和逆變器一起構(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)體旋轉(zhuǎn)?？刂品矫嫫毡椴捎昧?PWQ技術(shù)，送種永磁無(wú)刷直流電機(jī)的 主要問(wèn)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)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的，在于克服現(xiàn)有電動(dòng)車用直流電動(dòng)機(jī)的供電方式的缺陷，提供一種 通過(guò)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)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)。
[0009] 本發(fā)明提供的一種電動(dòng)裝置，所述電動(dòng)裝置包括電源調(diào)制器1、減速/變矩裝置2、 驅(qū)動(dòng)操控裝置9a、定體5和轉(zhuǎn)體6 ;所述轉(zhuǎn)體為一個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)軸的環(huán)形機(jī)械圈，其上至少設(shè) 置一個(gè)由導(dǎo)磁介質(zhì)固體或軟體成形材料制成的轉(zhuǎn)子單元3b ;所述定體為一個(gè)具有固定軸 的機(jī)械圓盤，內(nèi)部至少設(shè)置一個(gè)定子單元3a并安裝在靠近轉(zhuǎn)體的位置；所述定體與轉(zhuǎn)體同 軸必設(shè)置，兩者相對(duì)氣隙3d不大于50mm ;所述減速/變矩裝置與轉(zhuǎn)體同軸設(shè)置；
[0010] 所述電源調(diào)制器包括電源輸入端la、時(shí)序電流輸出端化和驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端Id,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(guò)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)裝置的轉(zhuǎn)體實(shí)現(xiàn)對(duì)減速/變矩裝置 的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)。
[0011] 優(yōu)選的，所述電源調(diào)制器的額定功率不超過(guò)20kW。
[0012] 所述轉(zhuǎn)子單元3b設(shè)置于轉(zhuǎn)體上包括嵌合在轉(zhuǎn)體外緣、內(nèi)緣或內(nèi)部W及與轉(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轉(zhuǎn)體的前提下不限形狀；若干個(gè)轉(zhuǎn)子單元在 轉(zhuǎn)體安裝時(shí)相間設(shè)置，優(yōu)選均勻排布。
[0013] 優(yōu)選的，所述定子單元3a/轉(zhuǎn)子單元3b可在定體5/轉(zhuǎn)體6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。
[0014] 優(yōu)選的，所述減速/變矩裝置2包括若干齒輪組合，其傳動(dòng)輸入端與轉(zhuǎn)體機(jī)械固 連，其傳動(dòng)輸出端與電動(dòng)裝置外部的旋轉(zhuǎn)裝置機(jī)械固連；減速/變矩裝置2獨(dú)立設(shè)置，或與 轉(zhuǎn)體6 -體化同軸設(shè)置于轉(zhuǎn)體的外部。
[0015] 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(guò)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W為兩線或多線構(gòu)成的回路；
[0016] 優(yōu)選的，所述定子單元的繞芯排布或若干個(gè)組合，W其內(nèi)部繞組通電穿過(guò)氣隙3d 的磁通量獲得最大值為優(yōu)選。
[0017] 所述電動(dòng)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)裝置至少在轉(zhuǎn)體的內(nèi)部或外部設(shè)置一傳感單元；
[0018] 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。
[0019] 優(yōu)選的，所述電動(dòng)裝置還包括電磁制動(dòng)裝置％，所述電源調(diào)制器1還包括制動(dòng)信 號(hào)輸入端Ie,其電連接電磁制動(dòng)裝置，通過(guò)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。
[0020] 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。
[0021] 本發(fā)明中，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。
[0022] 本發(fā)明含有上述任一電動(dòng)裝置的電動(dòng)車，所述電動(dòng)車包括一個(gè)或多個(gè)車輪的電動(dòng) 車W及電動(dòng)、腳踏兩用車；所述電動(dòng)車的車輪至少設(shè)置一套電動(dòng)裝置，安裝電動(dòng)裝置的車輪 包括單輪W及同軸緊湊安裝兩個(gè)輪的準(zhǔn)單輪結(jié)構(gòu)。
[0023] 本發(fā)明還公開(kāi)了一種前述電動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)方法，該方法由電源調(diào)制器通過(guò)所述轉(zhuǎn) 子單元3a和定子單元3b的位置關(guān)系輸出時(shí)序電流控制電動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0024] 所述時(shí)序根據(jù)車輪旋轉(zhuǎn)方向而定義，所述時(shí)序電流根據(jù)定子單元電磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)體上 的有效作用區(qū)間結(jié)合轉(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，每個(gè)通斷周期包括供 電時(shí)域和斷電時(shí)域；所述供電時(shí)域位于q>T/6~<(ps?(PT相應(yīng)的時(shí)間段，所述CP為轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)夾角，所述傘T為轉(zhuǎn)子單元 繞軸切線方向與其所受定子單元電磁力作用方向重合狀態(tài)所確定的巧值；所述斷電時(shí)域內(nèi) 電源調(diào)制器1不輸出電流。
[00巧]優(yōu)選的，所述供電時(shí)域的電流不限波形、頻率及占空比。
[0026] 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. 35至0. 99 ;或?yàn)槿缦玛P(guān)系；lt/A= (Io…lg)Sin cp*90/q)-[，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。
[0027] 優(yōu)選的，所述通電時(shí)域Tl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。
[0028] 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)為0)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0校準(zhǔn)并記錄本次周期時(shí)間，通過(guò)與上次轉(zhuǎn) 子單元前轉(zhuǎn)至基準(zhǔn)座標(biāo)的周期時(shí)間比較，從而獲知轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)周期時(shí)間，并控制輸出電流。
[0029] 本發(fā)明還公開(kāi)了所述電動(dòng)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)（f為0) W及轉(zhuǎn)子單元和定子單元處于遠(yuǎn)離狀態(tài) 的至少一個(gè)時(shí)域中，通過(guò)操控電磁制動(dòng)裝置9b使電源調(diào)制器1輸出時(shí)序電流控制電動(dòng)裝置 制動(dòng)；
[0030] 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 狀態(tài)的相應(yīng)時(shí)間段，所述CP為轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)夾角，所述q>T為轉(zhuǎn)子單元在轉(zhuǎn)體繞軸切線方向與其所受定子單元電磁力作用 方向重合狀態(tài)所確定的巧值。
[0031] 優(yōu)選的，所述方法還包括校正步驟，所述校正步驟將W為0作為基準(zhǔn)座標(biāo)和基準(zhǔn)時(shí) 間，通過(guò)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)。
[0032] 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。
[0033] 優(yōu)選的，所述輸出電流控制步驟包括：
[0034] 1)驅(qū)動(dòng)操控裝置9對(duì)電源調(diào)制器1無(wú)輸入指令時(shí)，電源調(diào)制器休眠；
[0035] 2)驅(qū)動(dòng)操控裝置9給出加速指令時(shí)，電源調(diào)制器1輸出時(shí)序電流；
[0036] 3)當(dāng)電動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速或通電頻率達(dá)到設(shè)定的闊值時(shí)，所述的電源調(diào)制器斷電。
[0037] 本發(fā)明針對(duì)電動(dòng)裝置的應(yīng)用特點(diǎn)對(duì)電源調(diào)制器植入優(yōu)化的數(shù)控編程技術(shù)，明確了 驅(qū)動(dòng)供電時(shí)序周期的工作邏輯，使之實(shí)現(xiàn)高效節(jié)電。伴隨電動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子單元與選擇性 通電的定子單元會(huì)形成周期性的磁相互作用，由于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(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)總線實(shí)時(shí)處理，可判知轉(zhuǎn)子單元與定子單元的相對(duì)位置，從而 相應(yīng)發(fā)出具有規(guī)律性的時(shí)序電流。
[0038] W上設(shè)計(jì)可帶來(lái)了兩項(xiàng)明顯的節(jié)電效益；一是電動(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)域周期性地通電工