CN204526799U - 一种轮毂电动系统与含有该系统的电动车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轮毂电动系统和含有该系统的电动车，所述轮毂电动系统包括轮毂、减速/变矩装置、电源调制器、驱动操控装置和至少一套电动装置；所述电动装置包括同轴转体、定子单元和永磁体转子单元；同轴转体上至少设置1个转子单元；定子单元至少设置一个且与转子单元的相对气隙不大于60mm；所述同轴转体与轮毂同轴设置；所述电动车包括车架、电池组和至少一个车轮，至少设置一套所述轮毂电动系统；所述电动车配置二次电池组时可加装电能补充装置。本实用新型结构简单、组合多样化、成本低，适应节能电动车设计要求。

Description

一种轮毂电动系统与含有该系统的电动车

技术领域

本实用新型涉及电动车及其电源动力设计领域，具体涉及一种轮毂电动系统的结构及其驱动与制动方法，以及含有该轮毂电动系统的电动车的增程方法。

背景技术

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。

目前电动车电机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，市场己普遍应用PWQ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，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，通过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。

在电动车市场上，近年国内外同行均试图开发在轮缘设置电动机构的电动轮，但并未获得预期成功，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，由于采用传统设计的电动机和常规动力供电方式，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。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。

续行里程短是现阶段电动车的软肋，行业普遍认为在高能量电池进入商用前，靠增加电池数量提升电动车的续行里程不现实，因此目前汽车市场主流是发展油、电双源混合车，其设计思想为：当汽车起步或低速时使用电动机的动力，汽车达到某个速度阀值时变换为使用内燃机的动力，从而降低汽车在起步或低速时因燃油在内燃机燃烧不完全引起的排气污染；其技术基础结构特征为：燃料箱给内燃发动机系统提供燃料输出动力；在此传统设计基础上并行增加一套电连接电池组的电动机系统，电动机由电池组提供电能输出动力；两路动力通过油、电动力转换装置共用机械传动系统，将内燃机或电动机的动力传递到轮毂上，这类双源动力的设计可称之为油、电动力并行系统，其明显缺点为制造成本高。

实用新型内容

本实用新型的目的，在于提供一种在轮毂外部设置电动装置的设计方案，同时针对常规电动机供电方式的设计缺陷，提供一种将直流电源改变为时序供电方式的设计方案，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。

本实用新型提供的一种电动车的轮毂电动系统，所述轮毂电动系统包括轮毂6、减速/变矩装置2、电源调制器1、驱动操控装置9a和至少一套的电动装置3；所述的电动装置3包括同轴转体3e、定子单元3a和永磁体转子单元3b；所述同轴转体3e为一个具有转动轴的环形机械圈，其上至少设置1个转子单元3b；多个转子单元环绕同轴转体设置时，间隔设置且磁极方向相同；所述定子单元至少设置一个在靠近同轴转体的固定部位，其与转子单元所形成的周期性相对气隙3d不大于60mm；所述同轴转体与轮毂6同轴7设置，并通过减速/变矩装置2与所述轮毂机械传动；

所述电源调制器至少包括电源输入端1a、时序电流输出端1b和驱动信号输入端1d，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9a；所述电源调制器对定子单元3a内部绕组供电使定子单元所形成的电磁极方向，设置为与所述转子单元3b运动相向的磁极相反；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，使轮毂电动系统获得驱动。

优选的，本实用新型所述轮毂电动系统的额定功率不大于25KW。

优选的，所述减速/变矩装置2包括若干齿轮组合，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；减速/变矩装置2独立设置，或与同轴转体3e或轮毂6一体化设置。

优选的，所述转子单元3b设置于同轴转体3e上包括嵌合于同轴转体的外缘、内缘、内部或与同轴转体一体化设计制造，在不影响安装于同轴转体的前提下不限形状；所述转子单元在同轴转体上的设置，包括N/S两极连线12与同轴法线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12偏转不超过17度角；若干转子单元在同轴转体间隔安装时优选均匀排布。

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由至少一组良导线环绕磁介质材料的磁芯而成；

所述定子单元的内部绕组对外电连接的方式包括两线或多线构成的回路。

优选的，所述定子单元3a安装在同轴转体3e内部的固定机械装置，或安装在靠近同轴转体外部的车架或与车架固连的机械装置；所述定子单元靠近同轴转体安装时，其内部绕组通电形成的N/S两极连线12与同轴法线10垂直或平行，包括N/S两极连线偏转不超过17度角；若干个定子单元的绕组串联、并联连接，包括若干个绕芯排布组合，其设置遵循电磁极方向与转子单元3b运动相向磁极相反的基本原则，以其内部绕组组合通电的磁通量获得穿过气隙3d最大值为优选。

优选的，所述同轴转体配置若干减速/变矩装置2与若干轮毂6同轴传动，或所述轮毂同轴配置若干同轴转体3e及若干减速/变矩装置2传动。

优选的，所述轮毂电动系统的电动装置3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同轴转体3e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以及由若干定子单元绕组之间串联而成的多线外接回路。

本实用新型中，所述轮毂电动系统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9b；所述电源调制器通过电磁制动装置获取用户的指令并相应输出时序电流，使轮毂电动系统获得制动。

本实用新型中，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。

本实用新型所述含有上述任一轮毂电动系统的电动车包括车架4、电池组8和至少一个车轮5，所述电动车至少设置一套所述的轮毂电动系统；所述电池组包括一次性使用的一次电池8a或可重复多次充电使用的二次电池8b，或两者组合设置。

所述电动车的车架任意；

所述电动车的车轮包括单轮毂以及同轴紧凑安装两个轮毂的准单轮结构。

优选的，所述一次电池8a和二次电池8b的组合设置包括电并联连接。

更优选的，所述电动车配置二次电池组8b时加装电能补充装置18，所述电能补充装置包括材料任意的一次电池8a与控制装置组合，或为内燃发电机与系统控制装置组合，或两者组合设置；电能补充装置通过逻辑充电装置17电连接二次电池组；所述的逻辑充电装置独立设置，或将其部分逻辑功能或全部逻辑功能集成于电源调制器1内。所述的增程系统包括电能补充装置和逻辑充电装置。

所述一次电池8a的控制装置至少包括一次电池启动装置；所述内燃发电机包括内燃机和发电机，所述系统控制装置至少包括内燃机启动及停止装置；所述内燃机的燃料任意；所述电能补充装置的组合设置，包括一次电池与控制装置、内燃发电机与控制装置各设置一套以上。所述逻辑充电装置至少包括充电控制装置，其设计亦可兼有一次电池的控制装置或/和发电机的电路控制装置的功能。

本实用新型还公开了一种前述轮毂电动系统的驱动方法，该方法根据所述转子单元3b和定子单元3a的位置关系通过电源调制器1输出时序驱动电流控制电动装置3及轮毂转动；

所述时序电流根据定子单元电磁场在同轴转体(3e)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电磁力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，通电时域/子时域内的电流波形、频率以及占空比不限。

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。

优选的，所述通电时域T₁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。

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、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0校准并记录本次周期时间，通过与上次周期时间比较，从而获知对应轮毂的旋转周期时间和车速，并控制输出电流。

本实用新型还公开了所述轮毂电动系统的制动方法，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(为0)以及处于远离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3及轮毂制动；

所述转子单元趋近定子单元的时域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，所述为转子单元绕轴切线方向与其所受电磁力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1对电动装置3的驱动/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9a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9a给出加速指令时，电源调制器1相应输出时序电流；

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。

本实用新型还公开了所述电动车配置二次电池组的一种增程方法，该方法在电动装置3运行中需要为二次电池组8b持续补充电能，或当二次电池组实时电压或残存容量值低于所设定的阀值时，启用电能补充装置18为二次电池组补充电能。

本实用新型针对轮毂电动系统的设计特点，对电源调制器植入优化的数控编程逻辑，使之实现高效节电。所述轮毂电动系统应用于电动车可使用一次电池或二次电池，所述的一次电池包括所有一次性放电的电池和各种燃料电池，例如锌空气电池、铝空气电池以及氢转换电能等可提供一次性电能的装置；所述的二次电池包括所有放电后可反复充电的电池，例如锂电池、铅电池、金属储氢电池等。鉴于目前电动车市场所配用二次电池的储能密度较低，本实用新型针对这一技术现状设计了旨在对二次电池补充电能的增程系统，有效解决电动车续行里程短的公知主要问题。

本实用新型的优点在于：电动装置具有时序供电控制带来的节能效果，增程系统可有效克服电动车续行里程短的主要问题，以此方案进行设计的轮毂电动系统结构简单、组合多样化、成本低，有效适应高端节能电动车的设计要求。

附图说明

图1a是所述轮毂电动系统的一种基础结构示意图。

图1b是所述轮毂电动系统的一种机械本体透视结构示意图。

图2a是转子单元在同轴转体的一种磁极设置示意图。

图2b是转子单元在同轴转体的另一种磁极设置示意图。

图3a是定子单元绕组两端连线设置为与同轴转体法线垂直的示意图。

图3b是定子单元绕组两端连线设置为与同轴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同轴转体内缘的结构示意图。

图4a是转子单元在同轴转体上受力方向分解及动态夹角示意图。

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6是电源调制器输出电流呈周期性通断的时序示意图。

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是同轴转体逆时针旋转对应的一种通断电时域示意图。

图7c是一个定子单元组合8个转子单元的一种通电逻辑示意图。

图7d是同轴转体顺时针旋转对应的一种通断电时域示意图。

图8a是两个定子单元组合8个转子单元的一种局部结构示意图。

图8b是12个定子单元组合12个转子单元的一种局部结构示意图。

图9a是增程系统对二次电池组充电的一种逻辑控制结构示意图。

图9b是增程系统对二次电池组充电的另一种逻辑控制结构示意图。

图10a是本实用新型应用于电动两轮车的一种局部结构示意图。

图10b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10c是本实用新型应用于电动四轮车的一种局部结构示意图。

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、驱动信号输入端；1e、制动信号输入端；2、减速/变矩装置；3、电动装置；3a、定子单元；3b、转子单元；3c、传感单元；3d、气隙；3e、同轴转体；4、车架；5、车轮；6、轮毂；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、车轮切线；12、绕组两极方向连线；17、逻辑充电装置；18、电能补充装置；转子单元绕轴法线的动态夹角。

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。

本实用新型所述的轮毂电动系统的机械结构包括轮毂6、减速/变矩装置2和电动装置3，其中电动装置的同轴转体3e与轮毂同轴设置，两者之间通过减速/变矩装置传动，一种减速/变矩装置同轴独立设置的基础结构如图1a所示，其机械本体透视结构示意如图1b所示，其配两轮车的一种整体结构示意如图10a所示。

所述电动装置的定子单元由良导线环绕磁芯而成，其中良导线通常使用铜线或镀铜铝芯线，磁芯为本领域技术人员公知的一种在外磁场作用下可产生更强附加磁场的磁介质材料；所述转子单元的材料为磁钢、钕铁硼等一类本领域技术人员公知的永磁体，其自身固有磁性且磁极方向不因外部磁场而改变；转子单元在同轴转体上设置时N/S磁极同向排布，而不象常规技术采用的N/S磁极交替排布。

参见图2a，同轴转体外缘设置一个转子单元，S极面向同轴转体内，同轴转体内设置一个定子单元3a，两者运动相对的气隙3d足够小，如果定子单元通电的N极面向同轴转体，则转子单元趋近通电的定子单元时，会受到吸引而使同轴转体加速运动；在另一个实施例中，转子单元的S极逆时针方向运动相向定子单元，定子单元绕组通电的N极与其相对，两者磁作用同样为相吸，如图2b所示；该定子单元电磁极与转子单元相吸关系设置是本实用新型所述电动装置的基础模型。

转子单元绕轴趋向通电的定子单元时，所受到的电磁力F可分解为同轴法线10方向F₁₀与切线11方向F₁₁，如图4a所示，其中对转子单元绕轴有贡献的是切向作用力F₁₁。转子单元绕轴所受力与定子单元电磁场作用于同轴转体的区间相关，对绕芯为柱状或工字形的定子单元，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与同轴转体的相应法线10垂直，如图3a所示；柱状或工字形绕芯亦可设置为电磁极的两极连线与同轴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同轴转体的两端范围内，如图3c所示。

转子单元在同轴转体上绕轴时，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切线方向与通过气隙所受到电磁力F作用方向重合的状态为一特殊点，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±根据同轴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。F₁₁和F₁₀为一对此消彼长的运动变量，其理论强弱变换以为分界点，在的状态以驱动力F₁₁为主，在的状态以制动力F₁₀为主。

本实用新型轮毂电动系统的电动装置驱动技术方案为：电源调制器对应 的状态时域通电，其余时域断电；当设计目标为节电时，优选甚至对应的时域通电；当需要利用同轴转体的转动惯量时，优选 甚至对应的时域通电；因在的状态以制动力F₁₀为主，在状态通电已失去驱动旋转意义；该驱动电流的通断时域如图6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。所述电动装置的制动技术方案为：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，所述T₀为转子单元远离定子单元的相应时域，因在状态存在可观的切向力F₁₁，对制动无益。

上述电源调制器根据状态对通、断电的控制，可近似变换为时序电流的相对时间控制，因为电源调制器通过时序校准容易判知从到为0、即(T₁+T₂)的时间段，只要设定T₁与T₂的相对时间，即近似于对相应状态的通、断电时域控制；例如控制对应至的时域通电，可近似设定为在(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，可近似设定为在(T₁+T₂)的时间段起始2/3时域断电，之后1/3时域通电；(T₁+T₂)是一个与同轴转体转速相关的量，以相对时间控制替代对的状态控制在电动装置变速时会出现偏差，该偏差纠正有赖对电源调制器相应设计程序进行时间校准。

转子单元所受电磁力F方向是一个磁相互作用隐量，转子单元在同轴转体上绕轴对应的精确位置是一个与同轴转体圆弧度、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。通常是运用和为0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，电源调制器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。

图7a是一个定子单元组合8个转子单元的局部示意图，定子单元在同轴转体旋转周期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、对应同轴转体逆时针旋转方向的T₁、T₂和T₀示意时域，图7c为其中一个周期T的通电逻辑示意图。转子单元并非设置越多越好，其在同轴转体上的数目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。

电源调制器启动供电的时刻和所设定的电流时序直接定义了转体旋转方向，当时序电流对应所述转子单元位于为至为的状态区间设置(此处－值区间以为0、相对前述供电时域对应转子单元位于的设置区间而相对定义)，则转体相应顺时针方向旋转，图7d标示了一种结构与图7b类同、与转体顺时针旋转方向相对应的T₁、T₂和T₀时序的示意区域。

如图8a所示，同轴转体内设置有两个定子单元3a，同轴转体上设置有8个转子单元3b，电源调制器在同轴转体的旋转周期中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较高设计要求。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8b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。

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，对电动装置进行动态控制，其工作逻辑如图5a简示，图5b是一种实现电源调制器基本功能的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同轴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7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3c可在同轴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。

综上，所述的电源调制器是一个逻辑电源开关系统，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的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)，通电幅值越大，定子单元通电对转子单元的作用力越大、作用次数越多，其结果反映了同轴转体的转速越快。电源调制器所输出电流的时序频率，与同轴转体旋转一个周期隐含的(T₁+T₂+T₀)时序作用次数、通电平均强度以及同轴转体的转速是相互对应的诸物理量关系，当多种设定条件进入逻辑工作状态后，控制了时序通电频率也就是控制了轮毂电动系统的转速。该人工控制轮毂电动系统的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。

本实用新型轮毂电动系统启动时有一种特殊状态，当电动装置内部转子单元刚好处于与定子单元隔气隙处于同一法线10、为0时，容易出现堵转。如非配合电动车设计为助动起步，可对电源调制器相应设计电动装置的静态启动程序；所谓静态启动程序的一个简单例，是电源调制器在设定时间最大值得不到传感装置反馈信号的情况下，实时发出与正常驱动电流方向相反的启动电流，使同轴转体上至少一个转子单元受到同极性相斥而偏离为0的状态，避免启动不畅顺。

当轮毂电动系统需要电磁力制动功能时，电源调制器相应增设的制动信号输入端1e与电磁制动装置9b电连接，如图5c所示；电磁制动装置的功能为可控制电源调制器所输出的制动通电强度，制动通电电流越大，电磁制动效果越好。

定子单元3a在同轴转体3e内部或外部与固定机械装置固连的设置要点，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；所述同轴转体内部的固定机械装置，类似于传统电动机的定子；所述同轴转体外部的固定机械装置，可视为车架的局部。图1b是定子单元设置于同轴转体内部的一种优选示例，定子单元亦可设置在同轴转体的外部。

所述的减速/变矩装置2一般包括若干齿轮组合，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，优选独立设置于同轴转体外部；减速/变矩装置也可以与同轴转体实行一体化整体设计，甚至与轮毂实行一体化整体设计；但在同轴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。

本实用新型中，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人工控制方式，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统一编程实现。

目前市场主流电动车是配置二次电池，由于二次电池的比能量低，铅电池一般仅为40VAh/Kg，锂电池一般为120VAh/Kg，配车的续航里程欠理想；一次电池的优点是自放电小、比能量高，近期实验室制作的铝空气电池的比能量已达到8000VAh/Kg以上，但这类金属电极一次电池普遍伴随内阻大的缺陷，其比能量虽高但大电流放电能力却不强，虽然其未来应用前景被业界看好，但现阶段仍难满足电动车电动装置对放电性能的需求，较稳健的技术方案是作为辅助电能使用。

本实用新型所述电动车优选在配置二次电池的技术基础上，增加设置电能补充装置18和逻辑充电装置17，行业习惯统称为增程系统；所述逻辑充电装置的主要功能是监测二次电池组8b的实时状态，并在设定的工作逻辑下为二次电池组补充电能，如图9a所示；所述二次电池组的实时状态至少包括实时电压或残存容量，例如某电动车的铅电池组的标称工作电压为48V，其正常工作电压区间为42.0V至53.2V，当设定铅电池组补充电的电压阀值为47V时，只要逻辑充电装置监测到电池组的实时电压下降至47V，即启动电能补充装置为二次电池组补充电。所述逻辑充电监测和直流充电控制的功能，也可以部分或全部移植至电源调制器实现，图9b所示的是一种由电源调制器监测二次电池组实时电压并控制充电逻辑、直流充电功能由逻辑充电装置完成的基础结构示意图。所述增程系统的电能补充装置，可以为材料任意的一次电池与直流充电控制装置组合而成，例如采用铝空气电池。

电能补充装置也可以为燃料箱、内燃机、发电机和整流装置组合而成，该类装置组合均为相对成熟技术，所述的燃料包括但不限于甲醇、乙醇、汽油、柴油、天燃气、气态或液态氢等；业内公知，内燃机的一个重要特点是在低速或变速时的状态燃烧不充分，但在定速尤其是高速的恒功率状态下工况一般都较理想，由于本实用新型电动车的增程系统功能仅是为二次电池组补充电能，内燃机可设置在恒功率工况，即使电能补充装置的电能来源是采用内燃机燃料，燃料的燃烧排放也十分低。

所述增程系统的两类电能补充装置，在电动车设计可组合并用。

本说明书所述的优选例仅为推荐，若干技术方案可部分使用，也可加入或组合并用其他成熟技术，只要根据电动装置内部的磁吸作用特点，通过对电源调制器设计可精确控制的磁吸时序电流，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，都不难在所述的方案基础上，举一反三地变形实施本实用新型内容。所述轮毂电动系统的基础结构、电动车增程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、

一种电动车的轮毂电动系统及其匹配的电动两轮车，选用如图10a所示的车架4，车轮5的周长为1000mm，电池组8b选用24V12Ah磷酸铁锂电池安装在车架的内部；电动装置设于车的后轮。电动装置的同轴转体3e为一个具有转动轴、周长为300mm的环形钛铝合金圈，该合金圈的外缘固连8个转子单元3b，在合金圈内部与定轴固连的机械装置上，安装一个定子单元3a；同轴转体3e与轮毂6同轴安装，其间设置有一个由若干齿轮组合而成的减速/变矩装置2，并通过减速/变矩装置2实现与轮毂6机械传动，减速/变矩装置2的减速比为10：1。

同轴转体上8个转子单元的S极面向同轴转体旋转方向(如图2b所示的逆时针方向)；转子单元加工成长度为16mm的盒型小单元，宽度在不影响安装的情况下取最大值，紧密安装在同轴转体3e的外缘；定子单元3a的绕芯选用凹形铁磁体，绕芯下部加工成与同轴转体对应的弧形，线圈绕组由一根直径0.55mm的铜线环绕凹形磁芯45圈而成，安装要点：将定子单元安装在同轴转体内部并靠近其内缘的固定部位，凹形绕芯上部正对同轴转体内缘(如图3c所示)，与同轴转体内缘形成8mm的间隔，两端对应同轴转体占位30度机械角。

设定该电动车的最大时速约20km/h即5.6m/s(5.6转/s)，同轴转体经过减速/变矩装置对应的限速值为56转/s，计取同轴转体限速对应的旋转周期时间为18ms；因同轴转体上设置8个转子单元，电源调制器1对定子单元内部绕组供电的(T₁+T₂+T₀)时序周期最小值T为18ms/8即2.25ms；电源调制器设定供电时序T₁：(T₂+T₀)为1：5，其对应最大时速输出的电流强度在额定电压24V时为11A，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，以实验值为准。电源调制器的电源输入端1a电连接电池组的正负极，时序驱动电流输出端1b电连接定子单元的线圈绕组，感应信号输入端1c电连接传感单元3c，驱动信号输入端1d电连接驱动操控装置9a。电源调制器对定子单元的通电方向，设置为N极逆同轴转体旋转方向(如图2b所示的顺时针方向)。传感单元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同轴转体内部并靠近其内缘的部位。

该电动两轮车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，从而控制电动自行车的正常车速。电动自行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均采用市购产品配套。

电源调制器采用脉冲数字技术实现，其核心模块包括常规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，只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。

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的状态记为基准座标和基准时间，当人力助动或与驱动操控装置9a给出驱动信号、并且传感单元3c感知某转子单元绕轴至为位置的时刻(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，以实验值为准)，电源调制器启动输出初始电流为7A、T₁与(T₂+T₀)比值为1：5的通、断电时序；当转子单元绕轴7每次前转至基准座标时，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前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，并对下一步工作逻辑进行判定：如果驱动操控装置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3b绕轴至为位置的时间段，继续执行T₁与(T₂+T₀)比值为1：5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11A的状态，上述设定的逻辑状态将使时序通电频率越来越高，对应车轮5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1/2.25ms(对应同轴转体转速56转/s)或电源调制器输出电流连续4s维持在11A的状态时，电源调制器无条件断电而达到自动限速的设计目标。

本实施例所述的轮毂电动系统也可以配置两轮车的前轮或前、后轮同时配置，或配置在单轮车上，包括或配置在三轮车的前轮，如图10b所示。

实施例2、

将实施例1的初始启动电流改变为：电源调制器在5s内以I₁强度8A为基准、对应同轴转体旋转周期每下一个周期自动加大1.5％的电流强度，从第6s起始等待驱动操控装置9a下一步工作指令：如果驱动操控装置无输入指令，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对定子单元绕组启动通电时，执行T₁与(T₂+T₀)比值为1：5的电流时序，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，该缓加速方式更适应安全设计要求。前述定子单元绕组启动通电的时刻，也可改变为以(T₁+T₂)时间段为参照值延时1％至5％。

实施例3、

对实施例1所述的电动装置增设电磁力制动功能。

电磁制动装置为一个十级变阻器，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；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，通电时域设定在传感单元3c感知转子单元3b绕轴至从(约5度)位置到为0位置的时间段。

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6A、末级11A，十级电流平均设置。

实施例4、

将实施例3电源调制器输出的制动逻辑优化为：对定子单元绕组的制动通电时域增加转子单元和定子单元处同轴法线相对以及处于远离状态的时域，即当启动T₂时域通电时，将T₀部分时域的工作逻辑同步变换为通电，该T₀部分时域的数值与(T₁+T₂)相等，通电启动时刻以为0开始计时；电源调制器在该T₀部分时域所输出的制动电流强度与T₂时域相同。

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；该制动通电时域可对应周期时序T简要设定为：在(T₁+T₂+T₀)时序中，起始1/3的时域断电，之后2/3的时域通电。

前述实施例3制动通电时域设置为从(约5度)位置到为0位置对应的时间段，也可以更改为从(约2.5度)位置到为0位置的时间段。此外还可进一步改变把定子单元设置于同轴转体内的方案，把定子单元改在同轴转体外部的车架上固定，对气隙3d的技术设计要求相同。

实施例5、

在电动车的横梁两端对应两个车轮5。对应两个车轮的轮毂6分别安装两套电动装置，两个同轴转体3e分别对应两个车轮靠近其轮毂6安装，其间各设置一个由若干齿轮组合而成的减速/变矩装置2，减速/变矩装置的减速比为9：1，两个减速/变矩装置2与两个同轴转体3e和两个轮毂6同轴心安装，通过两个减速/变矩装置2实现两套电动装置对横梁两端两个轮毂6的机械传动。两套电动装置共用一个电源调制器，其余与实施例4类同。

本实施例可变形为：横梁上设置一个同轴转体3e，其两侧各设置一个减速/变矩装置2，实现一套电动装置通过两个减速/变矩装置对横梁两端的两个轮毂传动。此外还可进一步变形为：横梁两侧每个车轮的轮毂分别配置两套电动装置和一个减速/变矩装置2，两套电动装置通过一个减速/变矩装置对一个轮毂传动。

本实施例在横梁设置轮毂电动系统的技术方案，可扩展功率设计在两轮同轴并行的两轮车、三轮车两个后轮的横梁以及四轮车两个前轮或两个后轮的横梁上安装。因横梁两端的两个轮转弯行驶时存在差速，应特别设计限速或通过电源调制器1内置转弯行驶的差速程序。

实施例6、

将实施例5电动三轮车电动装置的定子单元3a增设为两个，设置在同轴转体3e外部车架专设的机械装置上，钛铝合金同轴转体3e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，绕组匝数与实施例1相同，安装时圆柱形绕芯两端连线12与同轴转体相应的法线10垂直，如图3a所示；两个定子单元安装在同轴转体3e外部的一侧，靠近同轴转体外缘9mm的环形部位安装，技术要求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3a的绕组电串联连接，在同轴转体3e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。本实施例中，驱动供电时域定义为从到为相应位置的时间段，制动供电时域定义为从位置至为0相应的时间段。

本实施例也可将两个定子单元3a改为在同轴转体3e两侧空间对称安装，绕组电串联连接，且两个定子单元的电磁极方向相同。

实施例7、

在实施例1的设计基础上，将凹形绕芯的上部逆同轴转体旋转方向偏转5度角，转子单元3b的两极连线顺同轴转体旋转方向偏转5度角，其余与实施例1类同。该变形因定子单元3a内部绕组通电后形成电磁场的偏转角，更符合转子单元伴随同轴转体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。

此外，也可将传感单元3c改设置在前轮的车架4上，在前轮5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3c的感应绕组伴随车轮5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。

为了进一步节省铜材，还可以将实施例1的定子单元绕组改变为双线环绕磁芯，其中一个绕组回路由一根直径0.55mm的铜线环绕凹形磁芯45圈而成，用于动力供电，电连接电源调制器1；另一个绕组回路由一根直径0.20mm的铜线环绕凹形磁芯15圈而成，用作替代独立设置的传感单元3c，作为转子单元3b伴随同轴转体旋转内部相对位置的判别信号源。

实施例8、

设计一种12个定子单元3a与12个转子单元3b组合的轮毂电动系统。

在同轴转体3e内部专设的机械装置上设置12个定子单元3a，定子单元的绕芯为工字形，铜线直径0.8mm，绕组匝数45圈，安装时工字形绕芯两端连线12与同轴转体相应的法线10重合，如图3b所示，并且在靠近同轴转体内缘6mm的环形部位间隔均匀分布；钛铝合金同轴转体3e以一体化成型工艺在内部嵌合12个相间平均设置的转子单元3b，N极全部正对同轴转体的轴。

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，组成3根线的外接回路(类似于传统电动机内部绕组的Δ形接法)，在同轴转体3e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1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；电源调制器对定子单元组合后的通电方向，设置为N极逆同轴转体旋转方向。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，作为定子单元与转子单元相对位置判别的信号源，替代独立设置的传感单元。

本实施例配置的减速/变矩装置2以及减速比与实施例1类同，通过减速/变矩装置2实现与轮毂6机械传动；电动装置的驱动供电时域定义为从到为相应位置的时间段，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。制动供电时域简要设定为：在(T₁+T₂+T₀)时序中，起始5/12时域断电，之后7/12时域通电。

该轮毂电动系统的逆方向旋转，通过电源调制器对电动装置逆车轮旋转方向而定义对定子单元绕组启动供电的时刻和电流时序，时序电流启动对应于从到为的区间而设置(此处所述的－值区间，是以为0的状态作为基准座标、并根据前述车轮旋转方向对转子单元与定子单元的内部相对位置而定义)。

实施例9、

将实施例8所述轮毂电动系统安装在图10c所示电动四轮车的两个前轮，电源调制器1相应设置为2路电流输出并分别电连接两个同轴转体3e内部的定子单元3a绕组。本实施例两个电动轮在转弯行驶时存在差速，应特别设计限速，或对电源调制器1内置差速程序。本实施例所述四轮车的电池组选用48V150Ah锌镍电池8b，并对该四轮车加装增程系统，增程系统的电能补充装置18选用48V1000Ah铝空气一次电池系统；电能补充装置的工作方式设置为四轮车启动时同步工作，并在电动装置运行中对电池组持续浮充电，逻辑充电装置17设计为恒定电压54V、限定最大充电电流20A的工作方式。

本实施例所述的轮毂电动系统可独立装配电动车，也可配合中央动力式的电动车安装，所述的电动装置在至少对应一个轮毂设置，多途径地节省电能。

实施例10、

对实施例9所述的电动车增程系统进行技术实施变形。

所述增程系统以甲醇发电机系统为电能补充装置18，发电机系统由甲醇燃料箱、甲醇内燃机、发电机和整流装置组合而成；增程系统的逻辑充电装置17主要由电池组实时电压监测模块、恒电压限定电流充电模块和工作逻辑控制模块等功能模块所组成，工作逻辑为：当监测到电池组的实时电压下降至46V时，自动启动甲醇发电机系统为磷酸铁锂电池组8b补充电能，其充电工作方式为恒定电压56.2V限制最大电流20A，当充电电流小于3A时自动停止充电。

实施例11、

将轮毂电动系统在同轴紧凑安装两个轮毂的准单轮中实施。

将同轴紧凑安装两个轮毂的结构视为准单轮，两个车轮的两个轮毂6之间设置同轴转体3e，每个轮毂均内置有减速/变矩装置2，同轴转体通过减速/变矩装置对两侧轮毂传动；同轴转体均内置一体化设计制造的转子单元3b，定子单元3a和传感单元3c设置在同轴转体内部，电源调制器1和电池组8安装在车架任意位置。

本实施例由于把电动轮设计为两个轮毂同轴紧凑安装的准单轮结构，使变形设计的准单轮的电动行驶效果更稳定，适用于一个轮或多个轮的电动车。

本实施例可进一步技术变形设计，把减速/变矩装置2内置于轮毂6的方案，改变为减速/变矩装置2内置于同轴转体3e的外部。

实施例12、

在实施例9和实施例10的基础上，对电动四轮车设计双增程系统。

所述双增程系统的电能补充装置18分别由铝空气一次电池系统18a(包括铝空气电池及其控制系统)以及内燃发电机系统18b(包括燃料箱、内燃机、发电机和整流装置及其控制系统)组合而成；双增程系统的逻辑充电装置17的功能模块包括充电模块和控制模块，充电模块设置有两路输入端，分别电连接铝空气电池系统18a的电能输出端和电连接内燃发电机系统18b的电能输出端；逻辑充电装置17的充电模块输出端电连接锌镍电池组8b，其工作启动由逻辑充电装置17的控制模块通过电连接电源调制器1实现逻辑控制。

逻辑充电装置17通过电源调制器1的编程控制，实现对锌镍电池组的实时电压/残存容量的监测和充电控制功能；双增程系统为锌镍电池组补充电能时，优先启用内燃发电机系统18b，内燃发电机系统使用的燃料任意；当内燃发电机系统不能工作时，继续启用铝空气电池系统18a为锌镍电池组补充电能。

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 (9)

1.一种电动车的轮毂电动系统，其特征在于，所述轮毂电动系统包括轮毂(6)、减速/变矩装置(2)、电源调制器(1)、驱动操控装置(9a)和至少一套的电动装置(3)；所述的电动装置(3)包括同轴转体(3e)、定子单元(3a)和永磁体转子单元(3b)；所述同轴转体(3e)为一个具有转动轴的环形机械圈，其上至少设置1个转子单元(3b)；多个转子单元环绕同轴转体设置时，间隔设置且磁极方向相同；所述定子单元(3a)至少设置一个在靠近同轴转体的固定部位，其与转子单元所形成的周期性相对气隙(3d)不大于60mm；所述同轴转体与轮毂(6)同轴(7)设置，并通过减速/变矩装置(2)与所述轮毂机械传动；

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)，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(9a)。

2.根据权利要求1所述的轮毂电动系统，其特征在于，所述减速/变矩装置(2)包括若干齿轮组合，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；减速/变矩装置独立设置，或与同轴转体或轮毂一体化设置。

3.根据权利要求1所述的轮毂电动系统，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所述的轮毂电动系统，其特征在于，所述电动装置(3)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同轴转体(3e)的内部或外部设置一传感单元。

5.根据权利要求4所述的轮毂电动系统，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所述的轮毂电动系统，其特征在于，所述轮毂电动系统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)，其电连接所述的电磁制动装置。

7.一种电动车，其特征在于，其含有如权利要求1～6任一项所述的电动装置，所述电动车包括车架(4)、电池组(8)和至少一个车轮(5)，所述电动车至少设置一套所述的轮毂电动系统；所述电池组包括一次性使用的一次电池(8a)或可重复多次充电使用的二次电池(8b)，或两者组合设置。

8.根据权利要求7所述的电动车，其特征在于，所述电动车配置二次电池组(8b)时加装电能补充装置(18)，所述电能补充装置包括材料任意的一次电池(8a)与控制装置组合，或为内燃发电机与系统控制装置组合，或两者组合设置；电能补充装置通过逻辑充电装置(17)电连接二次电池组。

9.根据权利要求8所述的电动车，其特征在于，所述的逻辑充电装置(17)独立设置，或将其部分逻辑功能或全部逻辑功能集成于电源调制器(1)内。