一种磁流控制的电动轮毂装置及其驱动及制动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电动自行车的电源动力设计领域，特别涉及一种电源调制产生的周期性时序电流、控制方案以及所驱动的电动装置设计方法。
【背景技术】
[0002]目前国内电动自行车市场主流是配用电动轮，这类电动轮实际是将传统设置在轴上的电动机变形在轮毂内，把转子延伸设计为通过机械装置把转矩传递至车圈，使转子绕轴的转臂延长，有利于同功耗增大转矩。国内电机业均试图运用在电动自行车的技术成功经验，推广为电动汽车使用的轮毂式电动机。
[0003]严格而言，狭义轮毂是指与传动轴连接的法兰、轴承座等部分，目前国内用户更多指的是轮圈，本说明书所述的轮毂涵盖狭义的轮毂和轮圈两部分。轮毂电机技术又称车轮内装电机技术，其最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大简化。轮毂电机技术并非新生事物，早在1900年，保时捷就首先制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车，在20世纪70年代，这一技术在矿山运输车等领域得到应用；对于乘用车所用的轮毂电机，目前多家国际汽车业巨头都在开发，国内厂商也开始涉足。
[0004]目前电动汽车市场主流使用的电动轮，其结构除轮毂本体外，主要部件一般包括轮毂电机、刹车盘、刹车卡钳、主动悬挂电机、悬架、减震弹簧等，重量远远超出传统的轮毂本体设计，而电动汽车对轮毂电机的自重要求较高，以汽车的数据为例，常规轿车的铝合金轮毂仅比传统钢轮毂平均轻2kg左右，当车速为60km/h时省油率可达到5% -7%，因此电动机如果不能呈倍数减磅，变形为轮毂的技术意义很有限，近年不少试图将传统结构电机简单变形为轮毂电机的技术尝试，效果均不理想；仅以单位体积的功率密度一项指标衡量，现有电动机远远达不到轮毂电动机的一般设计要求，运用传统技术设计制造轮毂电动机还有较长的路要走。
[0005]目前电动车市场技术发展主要有两个方向，一是专用电动机制造，二是电机节能控制技术，但在技术发展思路上受到了思想方法的较大局限，例如电动机:市场普遍认为电动机技术已发展成熟，为电动车设计专用的电机微乎其微，竞争主要集中在材料和人力成本的控制。又例如电机控制:近年市场己普遍应用PWM技术来控制电机的转速，行业通称PWM为脉冲宽度调制技术，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，但是这一先进的电源控制思想，因建立在电磁力传统运动模型的基础上，技术开发收益不尽人意。
[0006]近年迅猛发展的永磁无刷直流电机，主要由电机本体、位置检测器和电源逆变控制器组成，一般结构为永磁体设置在转子、磁极N/S交替相间排布，若干绕组设置在定子，位置检测器和逆变控制器一起构成电子换向器取代机械接触式换向装置，绕组通电形成旋转磁场而使转子旋转；控制方面普遍采用了 PWQ技术，这种常规设计的明显问题是正弦波变形的近似度控制，其动力供电虽然采用PWQ技术调制，但在控制思想方法上仍受限于电动机内部旋转磁场的传统设计。
【发明内容】
[0007]本发明的目的，在于克服现有电动车所配用轮毂电动机的供电方式的缺陷，提供一种通过电源调制器将直流电改变为时序电流的供电方案，同时，电动轮毂装置的内部结构有别于传统电动机设计，结构简单，转矩大，工艺容易实现。
[0008]本发明提供的一种电动轮毂装置，所述电动轮毂装置包括轮毂6、减速/变矩装置
2、电源调制器1、驱动操控装置9a和电动装置3 ;所述的电动装置包括同轴转体3e、至少一个定子单元3a以及若干转子单元3b ;所述同轴转体为一个具有转动轴的环形机械圈；所述转子单元包括至少一个永磁体转子单元3bl和至少一个导磁体转子单元3b2，其相间设置于同轴转体上，且伴随同轴转体旋转；所述定子单元安装在靠近同轴转体内缘的固定部位，且定子单元与同轴转体形成的相对气隙3d不大于55mm ;所述同轴转体与轮毂同轴设置，电动装置和减速/变矩装置均设置在轮毂内，轮毂内至少设置一套电动装置；
[0009]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，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，并于相应时序对定子单元的内部绕组输出电流，使电动装置通过减速/变矩装置对轮毂实现驱动/制动。
[0010]所述定子单元3a/转子单元3b可在相对同轴转体的部位互为置换设计，配合相关装置设计也可取得电动效果。
[0011]优选的，本发明所述电动轮毂装置的额定功率不超过20KW。
[0012]所述转子单元3b (包括永磁体转子单元3bl和导磁体转子单元3b2)相间设置于同轴转体上包括嵌合在其外缘、内缘或内部以及与同轴转体实行一体化设计制造；转子单元在不影响安装于同轴转体的前提下不限形状；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。
[0013]优选的，所述永磁体转子单元3bl若干个在同轴转体3e上同极向设置，包括N/S两极连线与转体6同轴法线10重合/垂直的4种典型组合状态，以及在4种典型组合状态基础上N/S两极连线偏转不超过15度角。
[0014]优选的，所述减速/变矩装置2为若干齿轮组合而成，其传动输入端与同轴转体3e机械固连，其传动输出端与轮毂6机械固连；减速/变矩装置可独立设置，或与同轴转体或轮毂一体化设置。
[0015]优选的，所述减速/变矩装置2设置于同轴转体3e与轮毂6之间，并与同轴转体与轮毂同轴设置。
[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，其内部线圈绕组可任意串联、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；对外电连接的方式可以为两线或多线构成的回路；定子单元通电形成的电磁极对应永磁体转子单元3bl的排布状态设置为与其运动相向的极性相反。
[0017]所述定子单元的绕芯排布或若干个组合，以其内部绕组通电穿过气隙3d的磁通量获得最大值为优选。
[0018]优选的，所述电动轮毂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；所述电动轮毂装置至少在同轴转体的内部或外部设置一传感单元;
[0019]优选的，所述传感装置包括定子单元的内部绕组，所述内部绕组包括环绕定子单元磁芯的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。
[0020]优选的，所述电动轮毂装置还包括电磁制动装置9b，所述电源调制器I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的定子单元的绕组输出电流。
[0021]所述驱动操控装置9a可设置为常规旋转把手式、推拉式操纵杆或其他任意手动控制方式，包括外置为遥控。
[0022]本发明中，所述电源调制器将直流电源转换为时序电流，使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和断电。
[0023]本发明中，所述任一电动轮毂装置的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包括单轮以及同轴紧凑安装两个轮毂的准单轮结构。
[0024]本发明还公开了一种前述电动轮毂装置的驱动方法，该方法根据所述转子单元3a和所述定子单元3b的位置关系，通过电源调制器输出时序电流控制同轴转体以及轮毂转动；
[0025]所述时序根据同轴转体旋转方向而定义，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T，每个通断周期T包括供电时域和断电时域；所述供电时域位于25度< Θ ^ 90度相应的时间段，所述Z Θ为转子单元绕轴所受定子单元电磁力与其法向分力的方向所形成的动态夹角，所述断电时域内电源调制器I不输出电流。
[0026]优选的，所述供电时域的电流不限波形、频率及占空比。
[0027]优选的，所述电源调制器在供电时域内至少包括两段不同电流幅值不同的子时域，且顺时序呈幅度依次变小，供电时域或其子时域的幅值随时序呈线性递减关系；或呈2K递减关系，所述的指数K取值0.55至0.95 ;或为如下关系:It/A= (I。一 Ig) Sin Θ，其中1为起始通电强度，、为通电终止时刻的电流强度。
[0028]优选的，所述通电时域T1内初始的电流、电压或定子单元的磁通强度由传感装置获取同轴转体转速实时值结合驱动操控装置9a给出的指令而调整。
[0029]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与转子单元周期性隔气隙相对、处于同一法线的状态(Θ为O)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O校准并记录本次周期时间，通过与上次转子单元转至基准座标的周期时间比较，从而获知同轴转体以及轮毂的旋转周期时间，并控制输出电流。
[0030]本发明还公开了所述电动轮毂装置的制动方法，该方法根据所述转子单元趋近定子单元、转子单元和定子单元处同一法线相对(θ为O)以及处于远离状态的至少一个时域中，通过操控电磁制动装置9b使电源调制器I输出时序电流控制同轴转体以及轮毂制动；
[0031]所述时序根据车轮旋转方向而定义；所述转子单元趋近定子单元为O < Θ < 35度相应的时间段，所述Θ为转子单元在同轴转体上绕轴所受定子单元电磁力与其法向分力的方向所形成的动态夹角。
[0032]优选的，所述方法还包括校正步骤，所述校正步骤将Θ为O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。
[0033]所述电源调制器对电动装置的驱动通电和制动通电的逻辑关系设置为或。
[0034]优选的，所述输出电流控制步骤包括:
[0035]I)驱动操控装置9对电源调制器I无输入指令时，电源调制器休眠；
[0036]2)驱动操控装置9给出加速指令时，电源调制器I输出时序电流；
[0037]3)当电动装置转速或通电频率达到设定的阈值时，所述的电源调制器断电。
[0038]本发明针对电动轮毂装置的应用特点，对动力电源植入优化的数控编程技术，明确了动力电流的供电时序周期T及其通电时域的子集强度特点和断电时域等工作逻辑构成。由于电动轮毂装置内部的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，从而对定子单元绕组选择性地发出具有规律性的时序电流。
[0039]上述设计可带来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工作，在不需要工作的时