一種電動裝置及其驅(qū)動、制動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電動車的電源動力設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及一種電動裝置的機械設(shè)計及其電源調(diào)制器所產(chǎn)生時序驅(qū)動電流和制動電流的設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電動自行車市場通常是配用安裝在輪軸上的電動機，電動機設(shè)計為外轉(zhuǎn)子形式，外轉(zhuǎn)子通過輻條與車輪的輪圈機械固連，通過電動機轉(zhuǎn)矩使車輪旋轉(zhuǎn)。具體制造時，市場主流是將輻條與車輪的輪圈實行一體化制造，外觀為電動輪，輻條變形為傳力筋條，通過傳力筋條把電動機轉(zhuǎn)矩傳遞至輪圈。國內(nèi)電機業(yè)還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]電動汽車使用的輪轂電機技術(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)，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70年代，這一技術(shù)在礦山運輸車等領(lǐng)域得到應(yīng)用，目前電動汽車業(yè)熱點是開發(fā)乘用車輪轂電機。
[0004]行業(yè)專家普遍認為，由于目前輪轂電機的結(jié)構(gòu)除輪轂本體外，部件重量遠遠超出輪轂本體(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)，而汽車對輪轂的自重要求較高，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，當車速為60km/h時省油率可達到5% -7%;因此，如果電動機不能呈倍數(shù)減磅，輪轂內(nèi)裝電機的技術(shù)意義很有限；僅以單位體積的功率密度一項指標衡量，現(xiàn)有電動機遠遠達不到輪轂內(nèi)裝電機的一般設(shè)計要求。
[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。
[0006]圖1a是一種傳統(tǒng)4極永磁有刷直流內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的結(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與永磁體相對的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，外供直流電通過機械接觸式換向裝置給繞組通電，即可在內(nèi)部形成旋轉(zhuǎn)磁場而使轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)軸輸出動力。
[0007]近年獲得迅猛發(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，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)，位置檢測器和逆變器一起構(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)體旋轉(zhuǎn)?？刂品矫嫫毡椴捎昧?PWQ技術(shù)，這種永磁無刷直流電機的主要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】

[0008]本發(fā)明的目的，在于克服現(xiàn)有電動車用直流電動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷，提供一種內(nèi)部有別于傳統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)，同時通過電源調(diào)制器將直流電改變?yōu)橐环N非通電方向交替變換的時序電流供電方案，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩大，工藝容易實現(xiàn)。
[0009]本發(fā)明提供的一種基于磁流控制的電動裝置，所述電動裝置包括電源調(diào)制器1、減速/變矩裝置2、驅(qū)動操控裝置9a、定體5和轉(zhuǎn)體6 ;所述轉(zhuǎn)體為一個具有轉(zhuǎn)動軸的環(huán)形機械圈，其上相間設(shè)置有若干轉(zhuǎn)子單元3b，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 ;所述永磁體轉(zhuǎn)子單元若干個在轉(zhuǎn)體上設(shè)置時的極向相同；所述定體為一個具有固定軸的機械圓盤，內(nèi)部至少設(shè)置一個定子單元3a并安裝在靠近轉(zhuǎn)體的位置；所述定體與轉(zhuǎn)體同軸心設(shè)置，兩者相對氣隙3d不大于40mm ;所述減速/變矩裝置與轉(zhuǎn)體同軸心設(shè)置；
[0010]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，電源輸入端電連接電池組8的正負極，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，使電動裝置實現(xiàn)驅(qū)動/制動。
[0011]優(yōu)選的，所述電源調(diào)制器的額定功率不超過12kW。
[0012]所述轉(zhuǎn)子單元3b(3bl/3b2)相間設(shè)置于轉(zhuǎn)體6上，其安裝位置包括嵌合于轉(zhuǎn)體的外緣、內(nèi)緣、轉(zhuǎn)體內(nèi)部或與轉(zhuǎn)體一體化設(shè)計制造，在不影響安裝于轉(zhuǎn)體的前提下不限形狀；若干個轉(zhuǎn)子單元3bl/3b2在轉(zhuǎn)體6安裝時優(yōu)選均勻排布。
[0013]優(yōu)選的，所述永磁體轉(zhuǎn)子單元3bI若干個在轉(zhuǎn)體6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20度。
[0014]優(yōu)選的，所述減速/變矩裝置2包括若干齒輪組合，其傳動輸入端與轉(zhuǎn)體機械固連，其傳動輸出端與電動裝置外部的旋轉(zhuǎn)裝置機械固連；減速/變矩裝置2獨立設(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
[0016]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。
[0017]優(yōu)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(yīng)所述轉(zhuǎn)子單元與定子單元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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]本發(fā)明含有上述任一電動裝置的電動車,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；所述電動車的車輪至少設(shè)置一套電動裝置，安裝電動裝置的車輪包括單輪以及同軸緊湊安裝兩個輪的準單輪結(jié)構(gòu)。
[0023]本發(fā)明還公開了一種前述電動裝置的驅(qū)動方法，該方法由電源調(diào)制器通過所述轉(zhuǎn)子單元3a和定子單元3b的位置關(guān)系輸出時序電流控制電動裝置轉(zhuǎn)動；
[0024]所述時序根據(jù)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30度< Θ <90度相應(yīng)的時間段，所述Θ為轉(zhuǎn)子單元繞軸所受電磁場吸引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。
[0025]優(yōu)選的，所述供電時域的電流不限波形、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0.5至0.99 ;或為如下關(guān)系:It/A= (10-1g)Sine，其中I。為起始通電強度，、為通電終止時刻的電流強度。
[0027]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。
[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、處于同一法線的狀態(tài)(Z Θ為O)作為基準座標和基準時間，當轉(zhuǎn)子單元每次前轉(zhuǎn)至基準座標時，電源調(diào)制器進行一次時間歸O校準并記錄本次周期時間，通過與上次轉(zhuǎn)子單元前轉(zhuǎn)至基準座標的周期時間比較，從而獲知轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)周期時間，并控制輸出電流。
[0029]本發(fā)明還公開了所述電動裝置的制動方法，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)以及處于遠離狀態(tài)的至少一個時域中，通過電磁制動裝置9b使電源調(diào)制器I輸出時序電流控制電動裝置制動；
[0030]所述時序根據(jù)轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)方向而定義；所述轉(zhuǎn)子單元趨近定子單元為O < Θ < 30度相應(yīng)的時間段，所述Θ為轉(zhuǎn)子單元在轉(zhuǎn)體上繞軸所受電磁場吸引力與其法向分力的方向所形成的動態(tài)夾角。
[0031]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作為基準座標和基準時間，通過傳感裝置獲知轉(zhuǎn)子單元趨近/相對/遠離定子單元的位置狀態(tài)。
[0032]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。
[0033]優(yōu)選的，所述輸出電流控制步驟包括:
[0034]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I休眠；
[0035]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；
[0036]3)當電動裝置轉(zhuǎn)速或通電頻率達到設(shè)定的閾值時，所述的電源調(diào)制器斷電。本發(fā)明針對電動裝置內(nèi)部的磁流特點，對電源植調(diào)制器入優(yōu)化的數(shù)控編程邏輯，使之可運用設(shè)定的時序邏輯電流實現(xiàn)高效節(jié)電。定子單元與轉(zhuǎn)子單元的磁相互作用，被控制在周期性對應(yīng)的選擇性通電時域，電源調(diào)制器從傳感裝置獲得的信號通過數(shù)據(jù)總線實時處理，從而相應(yīng)發(fā)出具有規(guī)律性的時序電流。該設(shè)計方案可帶了兩項明顯的節(jié)電效益:一是電動裝置中的在電源調(diào)制器在不需要工作的時域休眠，既節(jié)省電能又減少了通電積熱；二是在電源調(diào)制器設(shè)定的工作周期內(nèi)，通電強度呈設(shè)定的規(guī)律性變化及中斷，使電能的使用效率進一步提聞，通電積熱進一步減少。
[0037]本發(fā)明的優(yōu)點在于:具有周期性磁流控制帶來的時序供電節(jié)能效果，以此方案進行設(shè)計的電動裝置結(jié)構(gòu)簡單、可對應(yīng)各種電動車的車輪多樣化組合、成本低，有效適應(yīng)高端節(jié)能電動車的設(shè)計要求。
【附圖說明】
[0038]圖1a是一種傳統(tǒng)4極永磁有刷直流內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖1b是本發(fā)明電動裝置電機本體的一種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖1c是本發(fā)明應(yīng)用于電動兩輪車的一種局部結(jié)構(gòu)TJK意圖。
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