CN204271973U - 一种时序供电式电动装置和电动车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种时序供电式电动装置和电动车，所述电动装置包括电源调制器(1)、减速/变矩装置(2)、驱动操控装置(9a)、定体(5)和转体(6)；所述转体为一个具有转动轴的环形机械圈，其上相间设置有若干由导磁介质材料制成的转子单元(3b)；所述定体为一个具有固定轴的机械圆盘，内部至少设置一个定子单元(3a)并安装在靠近转体的位置；所述定体与转体同轴设置，两者相对气隙(3d)不大于30mm；所述减速/变矩装置与转体同轴并设置在转体外部；电源调制器通过驱动操控装置获取驱动/制动指令并于相应时序对定子单元的绕组输出电流，电动装置通过减速/变矩装置实现与轮毂机械传动。

Description

一种时序供电式电动装置和电动车

技术领域

本实用新型涉及电动车及其电源动力设计领域，特别涉及一种周期性产生时序电流的电源调制器以及所驱动的电动装置的设计方法。

背景技术

国内电动自行车市场目前主流是配用安装在轮轴上的电动机，电动机设计为外转子形式，外转子通过辐条与车轮的轮圈机械固连，通过电动机转矩使车轮旋转。具体制造时，市场主流是将辐条与车轮的轮圈实行一体化制造，外观为电动轮，辐条变形为传力筋条，通过传力筋条把电动机转矩传递至轮圈。国内电机业还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。

电动汽车使用的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，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，目前电动汽车业热点是开发乘用车轮毂电机。

目前常规轮毂电机的结构除轮毂本体外，部件重量远远超出轮毂本体(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)，而汽车对轮毂的自重要求较高，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％；因此行业专家普遍认为，如果电动机不能呈倍数减磅，轮毂内装电机的技术意义很有限；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内装电机的一般设计要求。

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。

图1是一种传统4极永磁有刷直流内转子电机的结构示意图，永磁体13磁极沿定体5的内缘N/S交替对称排布、相距一定间隙14，若干绕组设置在转体6与永磁体相对的环形区域内，外供直流电通过机械接触式换向装置给绕组通电，即可在内部形成旋转磁场而使转体旋转，通过转轴输出动力。

永磁无刷直流电机近年获得了迅猛发展，其主要由电机本体、位置检测器和电源逆变控制器组成，永磁体一般设置在转体上、N/S磁极交替相距一定间隙排布，若干绕组设置在定体内，位置检测器和逆变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体旋转。控制方面普遍采用了PWQ技术，这种永磁无刷直流电机的主要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受限于电动机内部旋转磁场的传统设计。

实用新型内容

本实用新型的目的，在于克服现有电动车用直流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。

本实用新型提供的一种时序供电式电动装置，所述电动装置包括电源调制器1、减速/变矩装置2、驱动操控装置9a、定体5和转体6；所述转体为一个具有转动轴的环形机械圈，其上至少设置一个由导磁介质固体或软体成形材料制成的转子单元3b；所述定体为一个具有固定轴的机械圆盘，内部至少设置一个定子单元3a并安装在靠近转体的位置；所述定体与转体同轴心设置，两者相对气隙3d不大于50mm；所述减速/变矩装置与转体同轴设置；

所述电源调制器包括电源输入端1a、时序电流输出端1b和驱动信号输入端1d，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，使电动装置的转体实现对减速/变矩装置的驱动/制动。

优选的，所述电源调制器的额定功率不超过20kW。

所述转子单元3b设置于转体上包括嵌合在转体外缘、内缘或内部以及与转体实行一体化设计制造；转子单元在不影响安装于转体的前提下不限形状；若干个转子单元在转体安装时相间设置，优选均匀排布。

优选的，所述定子单元3a/转子单元3b可在定体5/转体6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。

优选的，所述减速/变矩装置2包括若干齿轮组合，其传动输入端与转体机械固连，其传动输出端与电动装置外部的旋转装置机械固连；减速/变矩装置2独立设置，或与转体6一体化同轴设置于转体的外部。

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；

优选的，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。

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1c电连接；所述电动装置至少在转体的内部或外部设置一传感单元；

优选的，所述传感装置还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以及由若干定子单元绕组之间串联而成的多线外接回路。

优选的，所述电动装置还包括电磁制动装置9b，所述电源调制器1还包括制动信号输入端1e，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。

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。

本实用新型中，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。

本实用新型含有上述任一电动装置的电动车，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；所述电动车的车轮至少设置一套电动装置，安装电动装置的车轮包括单轮以及同轴紧凑安装两个轮的准单轮结构。

本实用新型还公开了一种前述电动装置的驱动方法，该方法由电源调制器通过所述转子单元3a和定子单元3b的位置关系输出时序电流控制电动装置转动；

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转体上的有效作用区间结合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；所述供电时域位于相应的时间段，所述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，所述为转子单元绕轴切线方向与其所受定子单元电磁力作用方向重合状态所确定的值；所述断电时域内电源调制器1不输出电流。

优选的，所述供电时域的电流不限波形、频率及占空比。

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2^K递减关系，所述的指数K取值0.35至0.99；或为如下关系：I_t/A＝(I₀―I_g) 其中I₀为起始通电强度，I_g为通电终止时刻的电流强度。

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转体转速实时值结合驱动操控装置9a给出的指令而调整。

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(为0)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0校准并记录本次周期时间， 通过与上次转子单元前转至基准座标的周期时间比较，从而获知转体旋转周期时间，并控制输出电流。

本实用新型还公开了所述电动装置的制动方法，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(为0)以及转子单元和定子单元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1输出时序电流控制电动装置制动；

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状态的相应时间段，所述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，所述为转子单元在转体绕轴切线方向与其所受定子单元电磁力作用方向重合状态所确定的值。

优选的，所述方法还包括校正步骤，所述校正步骤将为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。

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。

优选的，所述输出电流控制步骤包括：

1)驱动操控装置9对电源调制器1无输入指令时，电源调制器休眠；

2)驱动操控装置9给出加速指令时，电源调制器1输出时序电流；

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。

本实用新型针对电动装置的应用特点对电源调制器植入优化的数控编程技术，明确了驱动供电时序周期的工作逻辑，使之实现高效节电。伴随电动装置旋转，转子单元与选择性通电的定子单元会形成周期性的磁相互作用，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。

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工作，在不需要工作的时域休眠，既节省了电能又减少了通电积热；二是在电源调制器设定的工作周期内，通电强度呈设定的规律性变化及中断，使电能的使用效率进一步提高，通电积热进一步减少。

本实用新型的优点在于：具有时序供电控制带来的明显节能效果，以此方案进行设计的电动装置结构简单、可对应各种电动车的车轮多样化组合、成本低，有效适应高端节能电动车的设计要求。

附图说明

图1是一种传统4极永磁有刷直流内转子电机的结构示意图。

图2a是本实用新型电动装置电机本体的一种基础结构示意图。

图2b是本实用新型应用于电动三轮车的一种局部结构示意图。

图2c是本实用新型应用于电动四轮车的一种局部结构示意图。

图3a是定子单元柱型绕芯设置为与转体法线垂直的示意图。

图3b是定子单元柱型绕芯设置为与转体法线重合的示意图。

图3c是定子单元凹型绕芯上部正对转体内缘的结构示意图。

图4a是转子单元转轴形成动态夹角及所受电磁力方向分解示意图。

图4b是转子单元与定子单元处于同轴法线的状态示意图。

图5a是电源调制器的基本工作逻辑示意图。

图5b是一种实现电源调制器的数字技术逻辑的模块组合示意图。

图5c是电源调制器增设电磁制动装置输入端的工作逻辑示意图。

图6a是电源调制器输出电流呈周期性通断的时序示意图。

图6b是一种两阶恒流呈递减关系的电流时序示意图。

图6c是一种首阶电流恒定、二阶电流呈曲线递减关系的时序示意图。

图6d是一种多阶电流呈连续递减关系的时序示意图。

图6e是一种幅值呈曲线递减关系的脉冲子集包络示意图。

图6f是对应一个定子单元组合一个转子单元的一种通电逻辑示意图。

图7a是一个定子单元组合8个转子单元的一种局部结构示意图。

图7b是转体旋转周期对应电源调制器的通断电时域示意图。

图7c是对应一个定子单元组合8个转子单元的一种通电逻辑示意图。

图8是两个定子单元组合8个转子单元的局部结构示意图。

图9是12个定子单元组合12个转子单元的局部结构示意图。

附图标识： 

1、电源调制器；1a、直流电源输入端；1b、时序电流输出端；1c、感应信号输入端；1d、行车信号输入端；1e、制动信号输入端；2、减速/变矩装置；3a、定子单元；3b、转子单元；3c、传感单元；3d、气隙；4、车架；5、动体；6、转体；7、轮轴；8、电池组；9a、驱动操控装置；9b、电磁制动装置；10、同轴法线；11、转体切线；12、绕组两极方向连线；14、间隔；15、永磁体；绕轴法线夹角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步对本实用新型进行详细说明。

参见图2a，本实用新型电动装置电机本体的一种基础结构示意图，其机械结构与一般永磁有刷或无刷直流电动机的明显区别在于：

1、定子部分：电磁力发生是源于良导线环绕磁芯而成的独立单元，该结构与常 规电动机绕组设置在定子凹槽的基础技术方案不同；所述良导线通常使用铜材或镀铜金属，磁芯使用常规磁介质材料，该类磁介质为本领域技术人员公知的一种在磁场作用下内部状态发生变化、并反过来影响磁场存在或分布的物质。

2、转子：转子单元3b材料采用非永磁体的导磁体，其在转体上设置不存在N/S磁极方向，若干个相间设置也不存在N/S磁极交替排布。转子单元载磁是由于在定子单元绕组通电形成电磁场而感应生磁，无论定子单元绕组通电是正、反方向电流，转子单元感应生磁而受到的电磁力作用都是相吸。

如图4a所示，当一个转子单元设置在转体的外缘，一个定子单元设置在转体内部靠近其内缘的部位，两者运动相对的气隙足够小，则转子单元绕轴趋近通电的定子单元时，会受到电磁吸引力使转体加速运动；转子单元所受电磁力F可分解为同轴法线10方向F₁₀与绕轴切线11方向F₁₁，其中对转子单元绕轴有贡献的是F₁₁。转子单元绕轴所受力与定子单元电磁场作用于转体的区间相关，对一个绕芯为柱状的定子单元，其电磁力线穿越气隙的最大区间，对应于电磁极两极连线12与转体的相应法线10垂直(与相应切线11平行)，如图3a所示；柱状绕芯亦可设置为电磁极的两极连线与转体的相应法线重合，如图3b所示，该设置方式通常为多个定子单元组合排布时选用。对于凹型绕芯，其电磁力对转子单元的作用区间，位于凹型绕芯上部正对转体的两端范围内，如图3c所示。

转子单元在转体上绕轴运动时，其和轴所确定的法线与定子单元和轴所确定的法线为一个动态夹角其绕轴趋近定子单元的切线方向与所受到电磁力F作用方向重合为一特殊状态，此时夹角为定值转子单元所受电磁力的有效作用区间，位于以为0状态为基准的位置区间内(所述±根据转体的旋转方向而相对定义)。当为0时，F₁₀为最大值，F₁₁为0，此时对转子单元绕轴无贡献，如图4b所示。当转子单元因转动惯量冲过法线，定子单元通电给予转子单元仍然是吸力，转体将变为减速运动。对该实时状态，常规技术是通过控制电流倒相继续运行，一般使用电刷或电子装置将直流电调制为通电方向交替变换，从而伴随产生电流相位、感生电流及其相应的相角位控制等传统技术；但以上模型不适合倒相(磁吸作用与定子单元绕组通电方向无关)。

F₁₁和F₁₀在转子单元的绕轴运动过程中，为一对此消彼长的运动变量，其理论强弱变换以为分界点，当电源调制器对应在的状态区间通电，以表现为驱动力F₁₁为主；而当电源调制器对应在的状态区间通电，以表现为制动力F₁₀为主。本实用新型电动装置的驱动方案原则是运用F₁₁为主的状态区间通电，其余状态区间断电以充分利用转体的转动惯量继续运行；此外，还可运用F₁₀为主的 状态区间以及转子单元背离定子单元的状态区间通电使电动装置制动；转体通过减速/变矩装置的实时传动，把相应的驱动/制动状态传递至轮毂上。

本实用新型电动装置驱动供电的技术方案为：电源调制器对应的状态时域通电，其余时域断电；当主要设计目标为节电时，优选甚至 对应的时域通电；当需要充分利用转体的转动惯量时，优选 甚至对应的时域通电；因的状态相伴有可观的F₁₀，在 状态通电对驱动旋转已失去优化设计意义；所述该驱动电流的通断时域如图6a所示，其中T₁为通电时间，T₂和T₀均为断电时间，(T₁+T₂+T₀)构成了时序驱动电流周期T。本实用新型电动装置制动供电的技术方案为：电源调制器对应T₂和T₀的部分时域或全部时域设置为通电，所述T₂为转子单元绕轴对应的时域，T₀为转子单元远离定子单元的相应时域，优选该制动时域是由于在至对应状态存在可观的切向力F₁₁，对制动设计无益。所述的驱动电流和制动电流在其相应通电时域内，不限波形、频率以及占空比，其时序工作逻辑关系设置为或。

上述根据对应状态的通、断电控制，在工业设计误差允许的范围内，可以近似变换为相对时间控制，因为为0状态和状态均为显态，电源调制器通过时序校准容易判知从到0、即(T₁+T₂)的时间段，只要设定T₁与T₂的相对时间，即等价于对相应状态的通、断电时域控制；例如控制对应至的时域通电，可简要设定为：在(T₁+T₂)的时间段起始1/2时域通电，之后1/2时域断电；同理，当控制对应至0的时域通电，可简要设定为：在(T₁+T₂)的时间段起始2/3时域断电，之后1/3时域通电；(T₁+T₂)是一个与转体转速相关的量，以时序周期的相对时间确定的状态在变速状态时会出现偏差，由于电源调制器对应每周期为0的状态设置有时间校准，得予在下一周期及时校正。

当定子单元设置(包括组合)方案确定后，的显态位置同时被确定，实际设计时，通常是运用的显态位置作为传感装置判断电动装置内部相对位置的一种依据；的精确位置是一个与转体弧度、气隙间距、定子单元绕芯形状及其排布等参数相关的值，有多种理论模型，具体设计时应经实验校准。电源调制器相应输出驱动或制动电流的工作逻辑可由常规开关控制线路实现，也可采用CPU编程结合功率模块组电路实现，或采用大规模集成电路技术制造的专用芯片实现。

由于F₁₀与F₁₁相伴，而在驱动电流时序设计中又无法将F₁₀彻底分离，一种削弱F₁₀对电动装置潜在积热影响的优选方案为：将通电强度/幅值设置为随时序递减，包括设置m≥2个通电强度随时序递减的子集，m可以设置为2、20、3K或30K等等，例如设置两段后阶比前阶强度小的恒定电流、5阶段强度依次递减的恒定电流或 30K阶段幅值连续递减的脉冲电流，并且在子集时域内同理可设置为强度/幅值依时序递减。该优选方案有别于通过驱动操控装置减少电流平均强度对电动装置的作用效果，因为人工操控的最佳电流值总存在实时微偏差，不可能在极短时间内按应有的优选方式及时降流而充分节省电能。所述通电时域的电流最大值，包括通电启动时设置最大值，或启动不超过T₁/3时域达到最大值，之后随时序以任意方式递减，至通电时序终止时设置最小值或归0。通电强度随时序递减的方案众多，例如设置为电流强度随时序线性递减，也可设置为由最大值按2^K关系时序递减，K取值范围为0.35至0.99的正数，等等；图6b所示的是一种两阶恒流随时序递减的设计方案，图6c是一种首阶电流恒定、二阶电流呈曲线递减的设计方案，图6d是一种多阶电流呈连续递减的设计方案，其多阶电流强度的幅值包络越接近 的优选关系，节电效果越好；图6e是一种通电时序终止时刻的电流不为0、其间强度随时序递减的幅值包络趋势示意图。

对一个定子单元3a组合转体上一个转子单元3b的分析案例来说，转子单元绕轴周期大部分时间不处于定子单元的电磁力作用有效区间，编程时应首先考虑电流时序周期T内的断电时间T₀，进而优选断电时间T₂和驱动通电时间T₁，提高电能的利用率，图6f是本分析案例的一种驱动通电的时序逻辑示意图。

对一个定子单元3a组合n个转子单元3b的分析案例来说，定子单元3a在转体一个旋转周期π是与n个转子单元3b发生电磁作用，电源调制器优选发出n个周期为T的通电时序，对应转体旋转周期π有n个T₁、n个T₂以及n个T₀的时序工作逻辑，这种组合设计对电源调制器提出了较高要求。转子单元并非设置越多越好，其在转体上的数目n受限于所受定子单元电磁力有效作用区间相应的空间占位，否则电源调制器对应输出的时序电流周期会重叠。

图7a是一个定子单元组合8个转子单元的结构示意简图，定子单元在转体一个旋转周期π分别与8个转子单元发生磁作用，电源调制器对应的理论时序电流划分为8个(T₁+T₂+T₀)周期，图7b标示了一种设定T为π/8、在转体旋转方向对应的T₁、T₂和T₀示意区域，图7c为其中一个周期T的通电逻辑示意图。

如图8所示，定体5设置有两个定子单元3a，转体6设置有8个转子单元3b，在转体的旋转周期中，电源调制器要为两个定子单元分别提供8个周期为(T₁+T₂+T₀)的时序电流，这种组合对电源调制器提出了更高的设计要求。进一步可选择8个定子单元组合10个转子单元、12个定子单元组合12个转子单元(如图9所示)，等等。理论上当H个定子单元与n个转子单元组合设计时，如果电源调制器对H个定子单元绕组分立供电，需对应设计n*H个电流时序，即n*H个(T₁+T₂+T₀)电 流时序，编程将十分复杂；因此在多个定子单元3a的实用系统设计中，优选H个定子单元绕组电串联组合，或H个定子单元绕组分为若干组外接电源调制器，例如4个定子单元的内部绕组串联，串联绕组中间引出抽头共三根线对外电连接电源调制器，技术上还可利用该三根线两两比较的微分电位的不同，作为一种转子单元与定子单元相对位置判别的信号源，替代独立设置的传感单元。

理论上，也可以在转体安装一个转子单元与若干个定子单元组合，但这种等效设计在技术上虽可实施，但因定子单元的造价相对较高，非优选方案。

电源调制器可用常规开关电路设计或脉冲数字技术实现，后者的基础功能模块一般包括电源变换电路、内存贮有工作程序的微处理器和信号输入输出电路，能通过传感单元3c反馈信号相应地控制驱动模块输出的时序电流；电源调制器的基本工作逻辑如图5a简示，图5b是一种实现数字技术逻辑的模块组合示意图。

电源调制器的工作逻辑变换指令信号通常是从固连在转体内部或外部的传感单元获得，传感单元不限于使用磁电感应绕组或霍尔元件，也可使用光电编码器等，当转子单元绕轴周期性运动时，传感单元可获得电流(电压)的变化率反馈给电源调制器，电源调制器依据这一感应信号判知转子单元3b的相对位置而相应发出电流时序。根据对传感单元3c的工作精度及可靠性要求，传感单元可在转体内部或外部设置一个或若干个，甚至变形为从上述多个定子单元绕组串联成多线回路反馈的方式、以及运用定子单元3a双线环绕的绕组反馈方式获得工作逻辑变换指令信号，此时电源调制器的感应信号输入端1c相应内置，其响应处理对电源调制器的工作程序逻辑提出了较高要求。由于大规模集成电路技术的发展，实现上述工作逻辑变换的编程技术为行业专业人士所公知，所需了解的是时序电流周期、通电子集时域和幅值变化以及其间断电时域等基础设计参数。

综上，所述的电源调制器是一个包括两级周期/频率设计的逻辑电源开关系统，一是T₁通电时域内m个子集的周期/频率设计，该频率越高越利于迫近理论节电优化的幅值递减关系设计；二是时序通电周期/频率，反映了单位时间内定子单元3a对转子单元3b的通电作用次数，该时序频率间接定义了电动装置转速及定子单元所需要的通电幅值或电磁力(源于电源调制器向定子单元的绕组通电)，因为T₁通电时域的幅值越大，单位时间内定子单元通电对转子单元的作用力越大、作用次数越多，其结果反映了电动装置的转速越快。电源调制器所输出电流的时序频率，与转体旋转一个周期隐含的(T₁+T₂+T₀)时序作用次数、通电平均强度以及电动装置转速是相互对应的诸物理量关系，因此当电源调制器的诸多设定条件进入逻辑工作状态后，控制了时序通电的频率也就是控制了车速。该人工控制电动装置转速是通过 驱动操控装置9a电连接电源调制器的输入端1d来实现。

当电动装置需要制动时，电源调制器相应增设制动信号输入端1e与电磁制动装置9b电连接，如图5c所示；电动装置制动时，不仅T₂时域启动通电，而且优选T₀的部分或全部时域相应通电以增强制动效果，从安全设计理念出发，不必为制动通电的节能问题过多考虑；电磁制动装置可设置为一个连续或多级的变阻器，其功能为控制电源调制器所输出的制动电流强度，制动电流越大，制动效果越好。

定子单元在转体内的设置要点，是要使转子单元在周期性旋转中与其形成有效发生磁作用的相对气隙3d，该气隙是定子单元向转子单元传递电磁力作用的能量通道，气隙越小越有利于磁能量作用传递，但气隙过小易发生机械接触，设计时需综合把握材料的刚性和机械加工精度。

所述的减速/变矩装置2一般由若干齿轮组合而成，通过若干齿轮的组合可达到改变机械传动输入端的转速或改变转矩的技术目标，减速/变矩装置的设计方案较多，优选与转体同轴设置于转体外部；减速/变矩装置既可独立设置，也可以在转体外部实行一体化整体设计；甚至变形为与外部旋转装置连体设计；但在转体外部非同轴设置减速/变矩装置时，通常需配置悬架、减震弹簧等调整重心，非优选方案。

所述驱动操控装置9a的传统产品为一个变形设计的、人工易操控的变阻器或电位器，伴随近年技术发展，不少建立在光敏、霍尔控制原理基础上的专用操控装置日趋成熟，这类产品一般设计为常规旋转把手式，亦可设计为推拉式操纵杆或其他任意手动控制方式，包括遥控。电动车常规使用的照明灯、转弯/制动信号灯、音鸣等控制功能，一般是由若干个电连接电源的开关组成，该类电源开关可单独设置，亦可将相关功能植入电源调制器共用数据母线统一编程实现。

本实用新型电动装置以电动车为述例，但其应用并非局限于电动车，可适用于所有电动旋转系统。所述的优选例仅为推荐，若干技术方案可组合并用，也可部分使用或加入其他成熟技术。只要根据电动装置的磁流能量特点，通过对电源调制器设计可精确控制的时序电流，即可实现本实用新型方案的基本技术目标。

对电动车以及电动机技术较深入了解的专业人士，都不难在本实用新型所述的方案基础上，举一反三地变形实施本实用新型内容。本实用新型所述电动装置的基础结构方案及其衍生的技术变形实施，均应被列入本实用新型的保护范围。

实施例1、

一种助力型电动三轮车的电动装置，设置于前轮的轮毂内，配套车架4的局部结构如图2b所示，车轮周长为1000mm，电池组8选用铅酸胶体电池安装在车架的 内部。电动装置的定体5设计为带定轴的圆盘，定轴外部机械参数参照常规电动两轮车轮轴的数据设计，并用于取代常规两轮车轮轴而安装；转体6为一个具有转动轴、周长100mm的环形钛铝合金圈，与定体同轴心套装在圆盘定体的外部；在转体外缘固连一个转子单元3b，在圆盘定体上安装一个定子单元3a；转体外部设置有一个由若干齿轮组合而成的减速/变矩装置2，其与转体同轴心安装，如图2a所示；减速/变矩装置的减速比为10：1，其外部设置有若干机械孔，若干辐条的一端穿孔固定，另一端固连车轮的轮毂内缘，使电动装置实现与车轮传动。

电动装置的转子单元3b材料选择市场易于采购的铁磁体，加工成盒状小单元，长度设计为10mm，宽度和厚度在不影响安装的情况下取最大值，紧密安装在转体的外缘；定子单元3a的绕芯选择市场易于采购的凹形铁磁体，这种铁磁体内部存在较多磁畴，在外磁场作用下磁畴易转向产生与外磁场方向一致且强得多的附加磁场，凹形绕芯下部加工成与转体对应的弧形，线圈绕组由一根直径0.60mm的铜线环绕凹形磁芯50圈而成，安装要点：将定子单元安装在靠近转体内缘7mm的圆盘定体部位，外加螺丝固定，凹形绕芯的弧形对应转体圆弧而安装，上部正对转体内缘(如图3c所示)，两端对应转体占位30度机械角。

设定电动装置配车最大时速20km/h即5.6m/s(5.6转/s)，计取车轮相应的旋转周期时间为180ms；电动装置的转体6经过减速/变矩装置2对应的限速值为56转/s，相应的旋转周期时间18ms，即电源调制器1对电动装置供电的(T₁+T₂+T₀)时序周期最小值T为18ms；电源调制器1通过常规电子控制线路实现，设计最大过载功率350W，设定T₁：(T₂+T₀)为1：35，即限速对应的时序周期供电的T₁取值0.5ms，其余17.5ms均为断电状态；电源调制器对应最大车速输出的电流强度在额定电压设置为48V时为15A，该电流值根据整车重量、驾驶员额定体重结合电动装置设计并经实验校准。电源调制器的电源输入端1a电连接电池组8的正负极，时序驱动电流输出端1b电连接定子单元3a的线圈绕组，感应信号输入端1c电连接传感单元3c，行车信号输入端1d电连接驱动操控装置9a。传感单元3c由一个磁电感应绕组构成，通过外加螺丝将传感单元固连在转体内部并靠近其内缘的部位。

电动装置外置的驱动操控装置9a采用无级变阻的旋转式电位器，常规把手式，通过与电子控制线路的配套设计，可通过改变阻值实时控制电源调制器输出的电流强度，从而控制电动两轮车的正常车速。电动车常规使用的照明灯、转弯/制动信号灯、音鸣等通断电操控的控制单元2，均采用市购产品配套。

电源调制器设定的工作逻辑为：以定子单元3a与转子单元3b周期性隔气隙3d相对、处于同一法线10(为0)的状态记为基准座标和基准时间，当人力助动或 驱动操控装置9a给出驱动信号、并且转子单元3b绕轴7转至与基准座标的同轴法向夹角达到的时刻(约15度，对应转子单元进入凹形绕芯两端范围内相对的初始时刻，精细时刻以实验值为准)，电源调制器启动输出10A电流；当转子单元3b绕轴7每次转至基准座标时，电源调制器进行一次时间归0校准并记录本次周期时间，通过与转子单元上次转至基准座标的周期时间比较，获知本次周期时间的实时值，并根据实时状态对下一步工作逻辑进行判定：如果驱动操控装置9a对电源调制器无输入指令，电源调制器休眠；如果驱动操控装置9a给出的指令是加速，则电源调制器在下一周期对应转子单元绕轴转至位置的时刻，执行T₁与(T₂+T₀)比值为1：35的通、断电时序，实时通电的平均强度由驱动操控装置给出；如果驱动操控装置维持在电源调制器输出电流接近15A的状态，上述设定的逻辑状态将使电源调制器的时序通电频率越来越高，对应车轮每周期中定子单元3a对转子单元3b的电磁力作用次数越来越多，车速越来越快；当时序通电频率高于所设定的1/18ms(对应转体转速56转/s)或电源调制器输出电流连续4s维持在15A的状态时，电源调制器1无条件断电而达到自动限速的设计目标。

实施例2、

将实施例1电动装置的电源调制器的时序电流改变为：T₁通电时域设置为两段时间和强度相互对应的恒定电流，特点为后1/3时间的电流强度I₂/A为前2/3时间电流强度I₁/A的一半；电源调制器工作逻辑同时调整为：电源调制器启动通电时，输出电流执行在5s内以I₁强度12A(对应I₂为6A)为基准、对应车轮旋转周期每下一个周期自动加大10％输出强度的工作逻辑，两段通电时间比例为2：1；从第6s起始等待驱动操控装置的下一步工作指令：如果驱动操控装置9a无输入指令，电源调制器休眠；如果驱动操控装置给出的指令是加速，则电源调制器在下一周期启动通电时刻，执行T₁与(T₂+T₀)比值为1：35以及I₁与I₂的电流强度2：1、通电时间比例2：1的逻辑电流时序，实时通电的平均强度由驱动操控装置给出。

其余与实施例1相同，本实施例因设计为缓加速方式，适应电动车以安全第一的设计要求。前述实施例1电源调制器启动定子单元3a绕组通电的位置时刻，也可以改变为转子单元3b绕轴至达到14.5度或14度相应的状态。

实施例3、

在实施例2的基础上优化电源调制器的通电程序：将T₁通电时域设置为5段通电时间相同但电流强度规律递减的电流，5段通电强度按K*I₁/A的线性关系分级递减，递减系数K为0.75，即当T₁启动电流为15A时，电源调制器输出5段时间通电的强度比例分别为15.0A、11.3A、8.4A、6.3A、4.8A，实时通电的平均强度由驱 动操控装置给出。通电程序逻辑使用常规电子电路实现控制的设计较复杂，制造成本也较高，将电源调制器改为采用成熟的脉冲数字技术实现。

电动装置的电源调制器1核心模块包括常规CPU和一个设计功率500W的驱动模块，其细化工作逻辑如图5b所示，其中脉冲变换调理电路主要是完成将脉冲信号转换为阶梯波信号，脉冲信号发生器主要产生所需的脉冲信号，其次经微分电路输出尖峰脉冲，然后经过限幅电路将尖峰脉冲的负半周滤除，剩下正半轴尖峰脉冲，用集成运放组成的积分电路进行积分累加，加上电压比较器和控制电路，就组成了完整的阶梯脉冲信号，对电路的各个元件进行参数调整，从而得到满足工作逻辑要求的阶梯波信号。电源调制器1在T₁通电时序内，通过控制芯片(CPU)使驱动模块产生一系列幅值随时序递减的脉冲电流，脉冲频率30KHz，其余与实施例2类同，所取得的动力性能与实施例2类似，但节电效果相对好。

实施例4、

将实施例3电动装置的脉冲子集幅值改设置为连续递减，即电源调制器对应T₁启动电流为15A时，通电时域的子集幅值包络趋势自动呈的规律递减；为提高位置信号传感的工作可靠性，本实施例将传感单元设置为两个。本实施例因电源调制器1所输出的脉冲子集包络选择了更优化的时序递减关系，电动三轮车行驶的节省电能效果比实施例3好。

本实施例所述的电动装置，亦可相应安装在单轮车的车轮和两轮车的前轮、后轮以及前后轮同时设置；可对应每个车轮安装一套电动装置，也可对应一个车轮安装两套甚至多套电动装置。

实施例5、

运用T₂时域通电对实施例4电动装置增设电磁力制动功能。电源调制器相应增加一个制动信号输入端1e电连接电磁制动装置9b，如图5c所示，电磁制动装置为一个十级变阻器；当人工控制电磁制动装置发出制动信号时，电源调制器切断T₁对应时序的电流，启动T₂时域通电，通电制动时域设定在传感单元3c感知转子单元3b绕轴至为到为0度位置的时间段；该制动通电时域也可以对应周期时序而设定为：在(T₁+T₂)时序中，起始3/4时域断电，之后1/4时域通电。

电源调制器所输出的制动电流，对应电磁制动装置9b的十级阻档设置为十级强度，设定输出的电流强度为：首级5A、末级16A，十级电流平均设置。

本实施例由于增设有电磁软制动式制动装置，减速效果平缓。

实施例6、

将实施例5电动装置的制动逻辑进一步优化为：电源调制器启动T₂时域通电的 同时，将T₀部分时域的工作逻辑同步变换为通电，所述该T₀部分时域的数值与(T₁+T₂)相等，T₀通电启动时刻以为0开始计时；电源调制器在该T₀部分时域所输出的电流强度与T₂时域相同，此方案可加强电动装置的电磁力制动效果。

本实施例对定子单元绕组的制动通电增加了转子单元和定子单元处于远离状态的时域；该制动通电时域也可以对应周期时序T而简要设定为：在(T₁+T₂+T₀)时序中，起始3/8时域断电，之后5/8时域诵电。

本实施例大大加强了电磁刹车的制动效果，行驶安全系数更高。前述制动时域的为到0度位置的时间段也可以更改为度位置的时间段。

实施例7、

配置横梁两端同轴安装两个轮的电动装置，每个轮设置一套电动机械装置，两个轮的电动机械装置共用一个电源调制器；电动装置的基础参数参照实施例1设计而调整，车轮周长为1500mm，每个转体6为一个具有转动轴、周长为500mm的环形合金钢圈，内部均匀相间地嵌合8个转子单元3b；定子单元3a的线圈绕组调整为60圈，对应转体占位的机械角为45度，与钢圈内缘间距6mm；减速/变矩装置2与转体同轴一体化设计安装，减速比为9：1。

电动装置继续选用对配套车限速20Km/h即5.6m/s(3.7转/s)的设计，转体经过减速/变矩装置对应的限速值为33.3转/s，计取限速对应的旋转周期时间为30ms，因定子单元3a在转体一个旋转周期中分别与8个转子单元3b发生电磁力作用，电源调制器对定子单元绕组驱动供电时域T₁为从22.5度到为15度位置的时间段；电源调制器选用大规模数字逻辑开关集成电路实现，最大过载功率1200W。

电源调制器设定的工作逻辑与实施例1的方法类同，通过周期校准记录的时序通电频率，可获知实时车速，当时序通电频率高于1/3.75ms(对应转体转速33.3转/s)时，电源调制器1无条件断电而达到自动限速的设计目标。

本实施例中，驱动供电时域亦可设定为从22.5度到为3.75度位置的时间段。

本实施例使用两套电动装置驱动两个车轮，使电动车动力倍增；因两个电动装置同在一横梁两端的轴上安装，转弯行驶时存在差速，应特别设计限速，或通过对电源调制器1内置转弯行驶的差速程序，使转弯行驶更稳定。

实施例8、

将实施例7每套电动机械装置内的定子单元3a增设为两个，合金转体以一体化成型工艺在内部嵌合8个相间设置的转子单元3b。两个定子单元的绕芯改为圆柱形，绕组匝数同为60圈，安装时圆柱形绕芯两端与转体相应的法线10垂直，如图3a所示；两个定子单元安装在转体内部法线平面的中心、靠近转体内缘5mm的定体环 形部位，技术要求两个定子单元与旋转方向毗邻转子单元3b的机械间距相同，两个定子单元的绕组电串联连接，在转体旋转周期中共同与其均匀分布的8个转子单元发生电磁力作用。本实施例因采用了两个定子单元3a，动力效果倍增。

本实施例中，电源调制器对应转体旋转周期时间相同；驱动供电时域定义为从22.5度到10度相应的时间段，制动供电时域定义为从7度到0度的时间段。

本实施例两个定子单元3a也可以改为在转体两侧空间对称安装，绕组电串联连接，且电磁极方向相同。

实施例9、

安装在电动四轮车两个后轮的电动装置，电动装置的定体与固定轴固连，电动装置的转体与车轮的轮毂内缘固连；在定体5内部设置12个定子单元3a，定子单元的绕芯为圆柱形，绕组匝数与实施例7相同，安装时绕芯两端连线12与转体相应的法线10重合，并在靠近转体内缘5mm的环形部位均匀分布，如图3b所示；钛铝合金转体6以一体化成型工艺在内部相间嵌合12个转子单元3b。

12个定子单元的绕组电串联连接，每4个定子单元的绕组中间引出抽头，对外形成3根线组成电外接回路(类似于传统电动机内部绕组的Δ形接法)，在转体旋转周期中与其均匀分布的12个转子单元发生电磁力作用；电源调制器的电连接方式对应设计为三线回路，其相应输出的时序脉冲电流在三线构成的各个回路中平均分配；本实施例可以进一步利用定子单元3a绕组外接两相反馈的两两比较微分电位差，作为一种内部位置判别的信号源，替代独立设置的传感单元。

本实施例电动装置的驱动、制动控制方式与前述定子单元设置于转体内部的方法类同，驱动供电时域定义为从到相应的时间段，可简要设定为：在(T₁+T₂+T₀)时序中，起始1/6时域通电，之后5/6时域断电；制动供电时域定义为从到0度以及转子单元远离定子单元相应(T₁+T₂)的时间段，可简要设定为：在(T₁+T₂+T₀)时序中，起始1/3时域断电，之后2/3时域通电。

本实施例两套电动装置因在两个后轮的横梁两端轴上安装，转弯行驶时存在差速，应特别设计限速，或通过对电源调制器内置转弯行驶的差速程序，使转弯行驶更稳定。电动装置因采用了12个定子单元/转子单元组合，动力大大增强。

实施例10、

以实施例1凹形绕芯上部正对转体内缘的设计为基础，将凹形绕芯的上部逆车轮旋转方向偏转6度角，其余与实施例1类同。本实施例因定子单元3a内部绕组通电后形成电磁场的偏转角，更符合转子单元3b伴随转体3e旋转中周期性相吸的动态模型，所取得的实施效果比实施例1要好。

实施例11、

实施例1所述的传感单元3c是固连在电动装置的转体3e内部，本实施例将传感单元3c设置在前轮的车架4上，在前轮周期面对传感单元3c的环形区域任意部位，专门设置一块永磁体，使传感单元的感应绕组伴随车轮旋转而周期性获得感应信号，所取得的实施效果与实施例1类同。

实施例12、

一种准单轮结构电动车使用的电动装置，所述准单轮结构是同轴紧凑安装两个车轮，电动装置的机械结构部分设在两个车轮之间的轴上；电动装置的转体6均内置一体化设计制造的8个转子单元3b，转体内部的定体5设置有两个电串联的定子单元3a，定子单元与转体之间气隙3d为6mm，转体外部设置两个与其同轴的减速/变矩装置2，减速/变矩装置的减速比为12：1；每个减速/变矩装置的外部设置有若干传力筋务，其一端通过机械装置与减速/变矩装置2的外部固连，另一端固连车轮的轮圈，使电动装置实现对同轴紧凑安装两个车轮的机械传动。

本实施例中，驱动供电时域定义为从到度相应的时间段，制动供电时域定义为从到0度相应的时间段，驱动操控装置9a设置为遥控。

本实施例所述同轴紧凑安装两个轮的准单轮结构可进一步在前后两轮车的前轮、后轮、前后两个轮或三轮车的前轮实施，使电动车行驶效果更稳定。

实施例13、

将实施例1的定子单元绕组改变为双线环绕磁芯，两个绕组由两根0.60mm铜线环绕磁芯50圈而成，其中一个绕组电连接电源调制器用于动力供电，另一绕组用作替代独立设置的传感单元，作为转子单元3b伴随转体旋转位置的判别信号源。

此外还可以将定子单元的绕组进一步优化设计为：动力供电绕组由一根直径0.60mm的铜线环绕凹形磁芯50圈而成，传感绕组由一根直径0.18mm的铜线环绕凹形磁芯18圈而成，可更节省铜材。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种时序供电式电动装置，其特征在于，所述电动装置包括电源调制器(1)、减速/变矩装置(2)、驱动操控装置(9a)、定体(5)和转体(6)；所述转体为一个具有转动轴的环形机械圈，其上至少设置一个由导磁介质固体或软体成形材料制成的转子单元(3b)；所述定体为一个具有固定轴的机械圆盘，内部至少设置一个定子单元(3a)并安装在靠近转体的位置；所述定体与转体同轴心设置，两者相对气隙(3d)不大于50mm；所述减速/变矩装置与转体同轴设置；

所述电源调制器包括电源输入端(1a)、时序电流输出端(1b)和驱动信号输入端(1d)，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。

2.根据权利要求1所述的电动装置，其特征在于，所述减速/变矩装置(2)由若干齿轮组合而成，其传动输入端与转体(6)机械固连，传动输出端与电动装置外部的旋转装置机械固连；减速/变矩装置(2)独立设置，或与转体(6)一体化同轴设置于转体的外部。

3.根据权利要求1所述的电动装置，其特征在于，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，其若干个组合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。

4.根据权利要求1所述的电动装置，其特征在于，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(1c)电连接；所述电动装置至少在转体的内部或外部设置一传感单元。

5.根据权利要求4所述的电动装置，其特征在于，所述传感装置还包括定子单元(3a)的内部绕组，所述内部绕组包括环绕定子单元磁芯的绕组以及由若干定子单元绕组之间串联而成的多线外接回路。

6.根据权利要求1所述的电动装置，其特征在于，所述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(1e)，其电连接电磁制动装置。

7.含有权利要求1～6任一电动装置的电动车，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；所述电动车的车轮至少设置一套电动装置，安装电动装置的车轮包括单轮以及同轴紧凑安装两个轮的准单轮结构。