一種磁流控制的電動輪轂裝置及其驅動及制動方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電動自行車的電源動力設計領域，特別涉及一種電源調制產生的周期性時序電流、控制方案以及所驅動的電動裝置設計方法。
【背景技術】
[0002]目前國內電動自行車市場主流是配用電動輪，這類電動輪實際是將傳統設置在軸上的電動機變形在輪轂內，把轉子延伸設計為通過機械裝置把轉矩傳遞至車圈，使轉子繞軸的轉臂延長，有利于同功耗增大轉矩。國內電機業均試圖運用在電動自行車的技術成功經驗，推廣為電動汽車使用的輪轂式電動機。
[0003]嚴格而言，狹義輪轂是指與傳動軸連接的法蘭、軸承座等部分，目前國內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。輪轂電機技術又稱車輪內裝電機技術，其最大特點就是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內，因此將電動車輛的機械部分大大簡化。輪轂電機技術并非新生事物，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，這一技術在礦山運輸車等領域得到應用；對于乘用車所用的輪轂電機，目前多家國際汽車業巨頭都在開發，國內廠商也開始涉足。
[0004]目前電動汽車市場主流使用的電動輪，其結構除輪轂本體外，主要部件一般包括輪轂電機、剎車盤、剎車卡鉗、主動懸掛電機、懸架、減震彈簧等，重量遠遠超出傳統的輪轂本體設計，而電動汽車對輪轂電機的自重要求較高，以汽車的數據為例，常規轎車的鋁合金輪轂僅比傳統鋼輪轂平均輕2kg左右，當車速為60km/h時省油率可達到5% -7%，因此電動機如果不能呈倍數減磅，變形為輪轂的技術意義很有限，近年不少試圖將傳統結構電機簡單變形為輪轂電機的技術嘗試，效果均不理想；僅以單位體積的功率密度一項指標衡量，現有電動機遠遠達不到輪轂電動機的一般設計要求，運用傳統技術設計制造輪轂電動機還有較長的路要走。
[0005]目前電動車市場技術發展主要有兩個方向，一是專用電動機制造，二是電機節能控制技術，但在技術發展思路上受到了思想方法的較大局限，例如電動機:市場普遍認為電動機技術已發展成熟，為電動車設計專用的電機微乎其微，競爭主要集中在材料和人力成本的控制。又例如電機控制:近年市場己普遍應用PWM技術來控制電機的轉速，行業通稱PWM為脈沖寬度調制技術，即占空比可變的脈沖波形，通過其對半導體電力器件的導通和關斷進行控制，但是這一先進的電源控制思想，因建立在電磁力傳統運動模型的基礎上，技術開發收益不盡人意。
[0006]近年迅猛發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，一般結構為永磁體設置在轉子、磁極N/S交替相間排布，若干繞組設置在定子，位置檢測器和逆變控制器一起構成電子換向器取代機械接觸式換向裝置，繞組通電形成旋轉磁場而使轉子旋轉；控制方面普遍采用了 PWQ技術，這種常規設計的明顯問題是正弦波變形的近似度控制，其動力供電雖然采用PWQ技術調制，但在控制思想方法上仍受限于電動機內部旋轉磁場的傳統設計。

【發明內容】

[0007]本發明的目的，在于克服現有電動車所配用輪轂電動機的供電方式的缺陷，提供一種通過電源調制器將直流電改變為時序電流的供電方案，同時，電動輪轂裝置的內部結構有別于傳統電動機設計，結構簡單，轉矩大，工藝容易實現。
[0008]本發明提供的一種電動輪轂裝置，所述電動輪轂裝置包括輪轂6、減速/變矩裝置
2、電源調制器1、驅動操控裝置9a和電動裝置3 ;所述的電動裝置包括同軸轉體3e、至少一個定子單元3a以及若干轉子單元3b ;所述同軸轉體為一個具有轉動軸的環形機械圈；所述轉子單元包括至少一個永磁體轉子單元3bl和至少一個導磁體轉子單元3b2，其相間設置于同軸轉體上，且伴隨同軸轉體旋轉；所述定子單元安裝在靠近同軸轉體內緣的固定部位，且定子單元與同軸轉體形成的相對氣隙3d不大于55mm ;所述同軸轉體與輪轂同軸設置，電動裝置和減速/變矩裝置均設置在輪轂內，輪轂內至少設置一套電動裝置；
[0009]所述電源調制器包括電源輸入端la、時序電流輸出端Ib和驅動信號輸入端ld，所述的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部繞組，驅動信號輸入端電連接驅動操控裝置；所述電源調制器通過驅動操控裝置獲取用戶的行車指令，并于相應時序對定子單元的內部繞組輸出電流，使電動裝置通過減速/變矩裝置對輪轂實現驅動/制動。
[0010]所述定子單元3a/轉子單元3b可在相對同軸轉體的部位互為置換設計，配合相關裝置設計也可取得電動效果。
[0011]優選的，本發明所述電動輪轂裝置的額定功率不超過20KW。
[0012]所述轉子單元3b (包括永磁體轉子單元3bl和導磁體轉子單元3b2)相間設置于同軸轉體上包括嵌合在其外緣、內緣或內部以及與同軸轉體實行一體化設計制造；轉子單元在不影響安裝于同軸轉體的前提下不限形狀；若干個轉子單元在同軸轉體安裝時相間設置，優選均勻排布。
[0013]優選的，所述永磁體轉子單元3bl若干個在同軸轉體3e上同極向設置，包括N/S兩極連線與轉體6同軸法線10重合/垂直的4種典型組合狀態，以及在4種典型組合狀態基礎上N/S兩極連線偏轉不超過15度角。
[0014]優選的，所述減速/變矩裝置2為若干齒輪組合而成，其傳動輸入端與同軸轉體3e機械固連，其傳動輸出端與輪轂6機械固連；減速/變矩裝置可獨立設置，或與同軸轉體或輪轂一體化設置。
[0015]優選的，所述減速/變矩裝置2設置于同軸轉體3e與輪轂6之間，并與同軸轉體與輪轂同軸設置。
[0016]優選的，所述定子單元3a由至少一組良導線環繞磁介質材料的磁芯而成，其內部線圈繞組可任意串聯、并聯連接，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成的回路；定子單元通電形成的電磁極對應永磁體轉子單元3bl的排布狀態設置為與其運動相向的極性相反。
[0017]所述定子單元的繞芯排布或若干個組合，以其內部繞組通電穿過氣隙3d的磁通量獲得最大值為優選。
[0018]優選的，所述電動輪轂裝置還包括傳感裝置，所述傳感裝置包括若干能感應所述轉子單元3b與定子單元3a相對位置的傳感單元3c ;所述傳感單元與所述電源調制器的傳感信號輸入端Ic電連接；所述電動輪轂裝置至少在同軸轉體的內部或外部設置一傳感單元;
[0019]優選的，所述傳感裝置包括定子單元的內部繞組，所述內部繞組包括環繞定子單元磁芯的繞組或由若干定子單元繞組之間串聯而成的多線外接回路。
[0020]優選的，所述電動輪轂裝置還包括電磁制動裝置9b，所述電源調制器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時序對電動裝置的定子單元的繞組輸出電流。
[0021]所述驅動操控裝置9a可設置為常規旋轉把手式、推拉式操縱桿或其他任意手動控制方式，包括外置為遙控。
[0022]本發明中，所述電源調制器將直流電源轉換為時序電流，使電動裝置中的定子單元被限定在電源調制器設定的時域周期性地通電和斷電。
[0023]本發明中，所述任一電動輪轂裝置的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；所述電動車的車輪包括包括單輪以及同軸緊湊安裝兩個輪轂的準單輪結構。
[0024]本發明還公開了一種前述電動輪轂裝置的驅動方法，該方法根據所述轉子單元3a和所述定子單元3b的位置關系，通過電源調制器輸出時序電流控制同軸轉體以及輪轂轉動；
[0025]所述時序根據同軸轉體旋轉方向而定義，所述時序電流根據定子單元電磁場在同軸轉體上的有效作用區間結合同軸轉體上的轉子單元個數而設置若干個通斷周期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25度< Θ ^ 90度相應的時間段，所述Z Θ為轉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態夾角，所述斷電時域內電源調制器I不輸出電流。
[0026]優選的，所述供電時域的電流不限波形、頻率及占空比。
[0027]優選的，所述電源調制器在供電時域內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系；或呈2K遞減關系，所述的指數K取值0.55至0.95 ;或為如下關系:It/A= (I。一 Ig) Sin Θ，其中1為起始通電強度，、為通電終止時刻的電流強度。
[0028]優選的，所述通電時域T1內初始的電流、電壓或定子單元的磁通強度由傳感裝置獲取同軸轉體轉速實時值結合驅動操控裝置9a給出的指令而調整。
[0029]優選的，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子單元周期性隔氣隙相對、處于同一法線的狀態(Θ為O)作為基準座標和基準時間，當轉子單元每次轉至基準座標時，電源調制器進行一次時間歸O校準并記錄本次周期時間，通過與上次轉子單元轉至基準座標的周期時間比較，從而獲知同軸轉體以及輪轂的旋轉周期時間，并控制輸出電流。
[0030]本發明還公開了所述電動輪轂裝置的制動方法，該方法根據所述轉子單元趨近定子單元、轉子單元和定子單元處同一法線相對(θ為O)以及處于遠離狀態的至少一個時域中，通過操控電磁制動裝置9b使電源調制器I輸出時序電流控制同軸轉體以及輪轂制動；
[0031]所述時序根據車輪旋轉方向而定義；所述轉子單元趨近定子單元為O < Θ < 35度相應的時間段，所述Θ為轉子單元在同軸轉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態夾角。
[0032]優選的，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子單元趨近/相對/遠離定子單元的位置狀態。
[0033]所述電源調制器對電動裝置的驅動通電和制動通電的邏輯關系設置為或。
[0034]優選的，所述輸出電流控制步驟包括:
[0035]I)驅動操控裝置9對電源調制器I無輸入指令時，電源調制器休眠；
[0036]2)驅動操控裝置9給出加速指令時，電源調制器I輸出時序電流；
[0037]3)當電動裝置轉速或通電頻率達到設定的閾值時，所述的電源調制器斷電。
[0038]本發明針對電動輪轂裝置的應用特點，對動力電源植入優化的數控編程技術，明確了動力電流的供電時序周期T及其通電時域的子集強度特點和斷電時域等工作邏輯構成。由于電動輪轂裝置內部的傳感裝置總是被周期性感應，電源調制器從其獲得的信號通過數據總線實時處理，可判知轉子單元與定子單元的相對位置，從而對定子單元繞組選擇性地發出具有規律性的時序電流。
[0039]上述設計可帶來兩項明顯的節電效益:一是電動裝置中的定子單元被限定在電源調制器設定的時域周期性地通電工作，在不需要工作的時