一种基于电动车的轮毂电动装置及其驱动和制动方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电动车的电源动力设计领域，具体涉及一种电动装置的结构和驱动、 制动方法，包括周期性通断电流、时序供电幅值变换的电源调制方法。
【背景技术】
[0002] 目前市场上的电动车主要是两轮车，我国电动两轮车的市场保有量已达到1. 5亿 辆以上；除了两轮车，近年电动三轮车也迅速兴起，据行业情报披露2013年已逾1000万辆， 区域用的低速电动四轮车市场也获得了长足发展。
[0003] 电动车所配用的电动机目前正从通用型向专业设计方向发展，其电源控制器也力 图运用脉冲调制技术降低电机工作过程的无功损耗。目前市场电动车的动力技术发展主要 有两个方向，一是改进电动机专业制造技术，二是改善电动机节能控制，但这两个方向在技 术发展思路上都受到了较大局限，例如；
[0004] 1)电机：电动两轮车市场主流配用的是轮毂式电机，行业通常使用的电机结构原 理大多属于通用型，主要竞争集中在材料和人力成本的控制；对于电动三轮车和区域用低 速电动四轮车，市场主流配用的主要是轴输出形式的单元电机。
[0005] 2)电机控制：近年市场己普遍应用PWQ技术来控制电机，即占空比可变的脉冲波 形，通过其对半导体电力器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相同而宽 度不相同的脉冲，用于代替正弦波或其他所需的波形。根据其特性，按一定规则对个脉冲的 宽度进行调制，即可改变电路输出电压或输出频率的大小，达到控制电机转速的目的。但 研发主流对电机控制的基本思路，通常集中在传统"倒相"模型所伴随的相角位控制思想范 畴，技术开发收益不尽人意。
[0006] 在电动两轮车市场，近年国内外同行均试图开发在轮沿设置原动机构的电动轮， 这一思想方法古来有之，中国古代已普遍使用水车，其工作原理并非在水车的轮轴设置旋 转动力机，而是沿水车轮页的切线方向在合适的时间给予一杯水（一份势能），该杯水的下 落势能转变成水车环绕轴心旋转的动力。但是，当这一水车模型被平移到电动车领域时，并 未获得预期的开发成功。例如市场上一种在车圈外缘设齿并安装输出轴带齿电动机的电动 自行车，通过齿轮传递电动机的轴输出动力，这类设计虽有新意，但由于采用传统设计的电 动机和常规方式的动力供电，其电能转换效率与轮毂式电机类同，并且在车圈外缘设置电 动机会受到功率的限制。
[0007] 在电动四轮车市场上，目前开发的大功率轮毂式电动机的主流思路，是在轮毂内 部设置电动机，因常规电动机的重量/体积比功率低，导致轮毂重量大增，实用耗电指标并 不低，且性价比不高，市场产品的种类也较少。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于克服现有电动车的供电方式局限于相角位控制、所配用电动机 结构及传动方式方面的设计缺陷，提供一种将直流电源改变为时序供电方式的设计方案， 同时电动装置不采用单元式电动机的传统设计，结构简单，转矩大，工艺容易实现，满足电 动车的技术设计需求。
[0009] 本发明提供的一种轮毂电动装置，所述轮毂电动装置包括电源调制器1、减速/变 矩装置2、轮毂6、驱动操控装置9a和至少一套的电动装置3 ;所述电源调制器包括电源输 入端la、时序电流输出端Ib和驱动信号输入端ld，所述的电源输入端电连接电池组8的正 负极；所述的电动装置包括同轴转体3e、至少一个定子单元3a以及至少一个转子单元3b ; 所述同轴转体为一个具有转动轴的环形机械圈；所述转子单元设置于同轴转体上，其由导 磁介质固体或软体成形材料制成，且伴随同轴转体旋转；所述定子单元安装在靠近同轴转 体的内部或外部，两者之间气隙3d不大于70mm ;所述同轴转体与轮毂同轴设置，并通过减 速/变矩装置与轮毂机械传动；
[0010] 所述电源调制器时序电流输出端电连接定子单元的内部绕组，驱动信号输入端电 连接驱动操控装置；所述电源调制器通过驱动操控装置获取用户的行车指令，并对定子单 元的内部绕组输出电流，使电动装置及其连体轮毂获得驱动/制动。
[0011] 优选的，本发明所述轮毂电动装置的额定功率不大于30KW。
[0012] 优选的，所述减速/变矩装置2由若干齿轮组合而成，其机械传动输入端与同轴转 体3e固连，其机械传动输出端与轮毂6固连；
[0013] 优选的，所述减速/变矩装置2单独设置并与同轴转体同轴安装；
[0014] 优选的，所述减速/变矩装置2或与同轴转体或轮毂6 -体化设置。
[0015] 所述转子单元设置于同轴转体3e上包括设置于同轴转体的内缘、外缘、内部或与 同轴转体一体化设计制造；若干个转子单元在同轴转体安装时相间设置，优选均匀排布； 所述转子单元在不影响安装于同轴转体3e的前提下不限形状。
[0016] 优选的，所述定子单元3a由至少一组良导线环绕磁介质材料的磁芯而成，其组合 排布得到的绕组之间通过串联或并联连接，或通过不同绕组之间引出中间抽头组成多线外 接回路。
[0017] 优选的，所述定子单元安装在同轴转体内部与固定机械装置固连；
[0018] 优选的，所述定子单元安装靠近同轴转体外部与车架固连的机械装置上；
[0019] 优选的，所述定子单元靠近同轴转体3e安装时，其内部绕组通电形成的两极连线 方向与同轴转体的法线10垂直或平行，包括偏转不超过22度角；
[0020] 更优选的，若干所述定子单元在同轴转体3e的法线平面两侧部位对称安装。
[0021] 优选的，所述同轴转体3e配置若干减速/变矩装置2与若干轮毂6同轴传动，或 所述轮毂6同轴配置若干同轴转体3e及若干减速/变矩装置2传动，所述的若干为至少一 个。
[0022] 优选的，所述电动装置还包括传感装置，所述传感装置包括若干能感应所述转子 单元3b与定子单元3a相对位置的传感单元3c ;所述传感单元与所述电源调制器的传感信 号输入端Ic电连接；所述电动装置至少在同轴转体3e的内部或外部设置一传感单元。
[0023] 优选的，所述传感装置包括定子单元3a的内部绕组，所述内部绕组包括环绕定子 单元磁芯的多线绕组或由若干定子单元绕组之间串联而成的多线外接回路。
[0024] 本发明中，所述轮毂电动装置还包括电磁制动装置9b，所述电源调制器还包括制 动信号输入端le，其电连接电磁制动装置％，通过电磁制动装置获取用户的刹车指令并于 相应时序对电动装置3的定子单元3a的内部绕组输出电流。
[0025] 本发明还公开了含有上述任一轮毂电动装置的电动车，所述电动车包括一个或多 个车轮的电动车以及电动、脚踏两用车；所述电动车的车轮包括单轮以及同轴紧凑安装两 个轮的准单轮结构。
[0026] 本发明中，所述电源调制器1将直流电源转换为时序电流，使电动装置中的定子 单元3a被限定在电源调制器设定的时序周期性地通电和断电。
[0027] 本发明还公开了一种前述电动装置的驱动方法，该方法根据所述转子单元和定子 单元的位置关系通过电源调制器输出时序驱动电流控制电动装置及轮毂转动；
[0028] 所述时序根据车轮旋转方向而定义，所述时序电流根据定子单元电磁场在同轴转 体上的有效作用区间结合同轴转体上的转子单元个数而设置若干个通断周期，每个通断周 期包括供电时域和断电时域；所述供电时域位于φτ/6夂φ<φτ相应的时间段，所述φ为转子 单元绕轴并与轴确定的法线与定子单元和轴所确定法线所形成的动态夹角，所述ΦΤ为转子 单元绕轴切线方向与其隔气隙所受定子单元电磁力作用方向重合状态所确定的中值；所述 断电时域内电源调制器1不输出电流。
[0029] 优选的，所述的电源调制器在供电时域内至少包括两段电流幅值不同的子时域并 顺时序呈幅度依次变小；所述供电时域或其子时域的幅值随时序呈线性递减关系；或呈2 Κ 递减关系，所述的指数K取值0· 25至0· 99 ;或为如下关系：It/A = (I。一 Ig) Sin φ*9:0/φτ， 其中Ic为起始通电强度，Ig为通电终止时刻的电流强度。
[0030] 优选的，通电时域/子时域内的电流波形、频率以及占空比不限。
[0031] 优选的，所述通电时域由驱动操控装置9a获取外界的输入，根据行车速度确定。
[0032] 优选的，所述通电时域内初始的电流、电压或定子单元3a的磁通强度由传感装置 获取行车速度实时值结合驱动操控装置9a给出的指令而调整。
[0033] 优选的，所述方法还包括校正步骤；所述校正步骤为将定子单元3a与转子单元3b 周期性隔气隙3d相对、φ为0的状态作为基准座标和基准时间，当转子单元每次转至基准 座标时，电源调制器进行一次时间归〇校准并记录本次周期时间，通过与上次的周期时间 比较，从而获知对应轮毂的旋转周期时间和转速，并控制输出电流。
[0034] 本发明还公开了所述电动装置的制动方法，该方法通过所述在转子单元趋近定子 单元、转子单元和定子单元处同轴法线相对（Φ为0)以及转子单元远离定子单元状态的至 少一个时域中，电源调制器1输出时序电流控制电动装置及轮毂制动；
[0035] 所述转子单元趋近定子单元的时域为〇<φ<φτΖ3状态的相应时间段，所述φ为转 子单元绕轴并与轴确定的法线与定子单元和轴所确定法线所形成的动态夹角，ζφτ为转子 单元在同轴转体绕轴切线方向与其隔气隙所受定子单元电磁力作用方向重合状态所确定 的φ値。
[0036] 优选的，所述方法还包括校正步骤，所述校正步骤将Ζφ为0作为基准座标和基准 时间，通过传感装置获知转子单元趋近/相对/远离定子单元的位置状态。
[0037] 优选的，所述输出电流控制步骤包括：
[0038] 1)驱动操控装置9a对电源调制器1无输入指令时，电源调制器休眠；
[0039] 2)驱动操控装置9a给出加速指令时，电源调制器1相应输出时序电流；
[0040] 3)当车速或通电频率达到设定的阈值时，所述的电源调制器断电。
[0041] 本发明针对电动车的应用特点对电源调制器植入数控编程技术，明确了供电时序 周期及其内部通电时域的子集强度特点和断电时域等工作逻辑构成；伴随车轮旋转，转子 单元与选择性通电的定子单元会形成周期性的磁作用，由于传感装置总是被周期性感应， 电源调制器从其获得的信号通过数据总线实时处理，可判知转子单元与定子单元的相对位 置，从而相应发出具有规律性的时序电流。
[0042] 以上设计可带来了两项明显的节电效益：一是电动装置中的定子单元被限定在电 源调制器设定的时域周期性地通电