CN205086698U - 安培力刹车装置及包括其的能量回收系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种安培力刹车装置及包括其的能量回收系统，安培力刹车装置包括：外壳；电机定转子安装在所述外壳内；中轴贯穿电机定转子，且中轴与电机定转子的定子固定连接；行星机构穿设在中轴上，并位于电机定转子和一套筒之间，用于传递动力；外壳碟刹盘与外壳连接，并且套设于套筒的外围；行星碟刹盘与套筒的一端连接。能量回收系统包括如上所述的安培力刹车装置、电力控制装置和能量存储装置，其相互之间两两连接，通过电力控制装置将电力分配至安培力刹车装置，通过能量储存装置将刹车产生的电能储存入电容。本实用新型能够将车辆启动时提供的较大启动力在刹车过程中回收回来，然后在此用于下一次的启动，不断重复循环。

Description

安培力刹车装置及包括其的能量回收系统

技术领域

本实用新型涉及电机领域，特别涉及一种安培力刹车装置及包括其的能量回收系统。

背景技术

在现有技术中，地面交通工具主要还是依托以车轮作为移动及支撑结构的载体。近几年电动车开始出现在市场上，然而在电动车辆普及之前，绝大多数的机动车都在使用内燃机作为动力来源。众所周知，内燃机是通过消耗汽油、柴油等化学燃料，将燃烧释放的能量传递到机械。因此，随着电能驱动的广泛应用，以及绿色环保、节能减排意识的提高和推广，以电能为驱动的车辆将会在未来逐渐普及并逐渐替代内燃机驱动车辆。

在电动机驱动的大前提下，电能的使用效率是新一代电机驱动车辆的重要研究领域。由于电机可以很高效的通过磁场将电能转换为动能，反之也能很高效的将动能转换成电能，从而电机的基本结构可分为电动机和发电机两类，两者有相同的原理。

具体地说，电机驱动的车辆在行驶过程中，从静止到运动再到静止，可分为三个行驶状态：一、驱动状态，即给电机供电产生动力输出的状态；二、滑行状态，即停止给电机供电，车辆随惯性滑行的状态；三、刹车状态，即通过刹车组件将车辆动能消耗并逐渐停止运动的状态。

根据惯性定律的理论依托，在理想环境下物体进行匀速的直线运动，不消耗任何能量。实际中，我们也可以发现车辆匀速行驶时比起频繁起停时的能耗要小很多。例如，汽车在高速公路上长距离高速行驶时，其油耗要远远低于市区内拥堵路线在频繁起停行驶时的油耗。尽管高速行驶的车辆的机械阻力、风阻、地面阻力都大于在市区内低速行驶的车辆，但高速上行驶的油耗仍然低于市区内行驶的油耗。在内燃机上，这些能量主要浪费在怠速和刹车上，而其中频繁起停消耗的能量是最主要的。

此外，根据驾驶者在刹车时所需的感受，刹车系统需要提供稳定的刹车力，即无论车速快还是慢只要人启动刹车，就产生一个长久稳定的力度或驾驶者所需的力度来完成刹车过程；反之在驾驶者在刹车过程中刹车力度如果产生突然的变化或者不受驾驶者控制的、超出驾驶者预期的力度变化，就会产生严重的安全问题。

安培力是通过电机转动，线圈切割磁感线产生的动能到电能的能量转换过程中，根据安培力定律的基本原理F＝BIL，安培力在自然情况下会根据车速的变化带动电机转速的变化，由于磁场和有效线圈长度不变导致电流的变化，车速越低产生的瞬时刹车力度就会越小，反之亦然。这种刹车表现是与驾驶习惯相背的，如果直接使用这样的结构来作为刹车，由于人无法对瞬时车速和瞬时安培力之间的计算关系进行无缝的瞬间反应和测算，驾驶者很难预知当下自己刹车时会产生多大的刹车力度，从而产生严重的操控安全问题。

因此，如何降低车辆的油耗，克服物理刹车和安培力刹车各自的问题，提高安全性能是电机领域需要亟待解决的。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中电机能量浪费，能耗大的缺陷，提供一种安培力刹车装置及包括其的能量回收系统。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种安培力刹车装置，其特点在于，所述安培力刹车装置包括：外壳；电机定转子，所述电机定转子安装在所述外壳内；

中轴，所述中轴贯穿所述电机定转子，且所述中轴与所述电机定转子的定子固定连接；

行星机构，所述行星机构穿设在所述中轴上，并位于所述电机定转子和一套筒之间，用于传递动力；

外壳碟刹盘，所述外壳碟刹盘与所述外壳连接，并且套设于所述套筒的外围；

行星碟刹盘，所述行星碟刹盘与所述套筒的一端连接。

较佳地，所述行星机构包括行星架、太阳轮和行星轮，且所述行星机构与所述电机定转子连接；

所述行星轮设置在所述行星架上，且分别与所述太阳轮啮合；所述外壳的内壁上设有行星外轮，所述行星外轮与所述行星轮啮合；所述行星架与所述套筒的另一端连接。

较佳地，所述行星碟刹盘位于所述外壳碟刹盘的外侧。

较佳地，所述行星架通过单向轴承固定在所述中轴上。

较佳地，所述行星架上的中心轴孔处设有一缺口，所述中轴上靠近所述太阳轮的下端处设有一凸块，所述凸块插设在所述缺口内。

较佳地，所述行星碟刹盘上开设有若干开孔和中心安装孔，所述中心安装孔通过螺栓将所述行星碟刹盘连接至所述套筒，所述若干开孔呈环状布置在所述中心安装孔周围。

较佳地，所述外壳碟刹盘与所述外壳一体成型。

本实用新型还提供了一种能量回收系统，其特点在于，所述能量回收系统包括如上所述的安培力刹车装置、电力控制装置和能量存储装置，所述电力控制装置与所述安培力刹车装置连接，用于将电力分配至所述安培力刹车装置，所述能量存储装置与所述安培力刹车装置连接，用于将刹车产生的电能储存入电容。

较佳地，所述电力控制装置包括控制器、速度采集模块、电压采样模块、第一控制切换模块及三相整流模块，所述第一控制切换模块设置在所述安培力刹车装置和所述三相整流模块之间，所述三相整流模块、所述能量存储装置及所述电压采样模块依次连接，所述电压采样模块连接至所述控制器，所述安培力刹车装置通过霍尔信号与所述速度采集模块连通，且所述速度采集模块连接至所述控制器。

较佳地，所述电力控制装置还包括驱动模块、升压模块、第二控制切换模块及负载模块，所述控制器与所述驱动模块连通，所述升压模块设置在所述驱动模块、所述能量存储装置及所述第二控制切换模块之间，通过所述第二控制切换模块连接至所述负载模块。

本实用新型的积极进步效果在于：

本实用新型安培力刹车装置是集电动机、发电机和刹车组建一体的电机结构。其不仅有现有无刷直流电机的所有特性，同时兼顾制动能量回收和碟刹制动组件的安装。所述安培力刹车装置能够将车辆启动时提供的较大启动力在刹车过程中回收回来，然后在此用于下一次的启动，不断重复循环。这样频繁起停的驾驶状态所消耗的能量可以无限接近于匀速直线运动时所消耗的能量，即大幅提高电池一次充电的行驶里程。

附图说明

本实用新型上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为本实用新型安培力刹车装置的主视图。

图2为本实用新型安培力刹车装置的侧视图。

图3为图2中沿A-A线剖开的剖视图。

图4为图3中B部分的放大图。

图5为本实用新型安培力刹车装置的立体图。

图6为图5中沿C-C线剖开的剖视图。

图7为本实用新型能量回收系统的框图。

具体实施方式

为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

图1为本实用新型安培力刹车装置的主视图。图2为本实用新型安培力刹车装置的侧视图。图3为图2中沿A-A线剖开的剖视图。图4为图3中B部分的放大图。图5为本实用新型安培力刹车装置的立体图。图6为图5中沿C-C线剖开的剖视图。

如图1至图6所示，本实用新型的一个实施例中公开了一种安培力刹车装置10，其包括外壳11、电机定转子18、中轴12、行星机构、外壳碟刹盘13及行星碟刹盘14。

其中，电机定转子18安装在外壳11内。中轴12贯穿电机定转子18，且中轴12与电机定转子18的定子固定连接。所述行星机构穿设在中轴12上，并位于电机定转子18和一套筒20之间，用于传递动力。外壳碟刹盘13与外壳11连接，并且套设于套筒20的外围。行星碟刹盘14与套筒20的一端连接。进一步优选地，可以将外壳碟刹盘13与外壳11一体成型。

所述行星机构包括行星架15、太阳轮16和行星轮17，太阳轮16固定在中轴12上，且所述行星机构与电机定转子18连接。行星轮17设置在行星架15上，且分别与太阳轮16啮合。在外壳11的内壁上设有行星外轮(图中未示)，所述行星外轮与行星轮17啮合，行星架15与套筒20的另一端连接。

行星碟刹盘14位于外壳碟刹盘13的外侧。行星架15通过单向轴承固定在中轴12上。其可以达到以下效果：一、车辆在行驶中，行星架受到单向轴承的制约并传递动能；二、车辆滑行时，行星架从动，不带动电机，从而不产生磁阻；三、刹车过程中受到离合器制约，按照刹车力度不同，将势能按比例传递到电机，并发电产生刹车力。进一步具体地，在行星架15上的中心轴孔处设有一缺口，在中轴12上靠近太阳轮16的下端处设有一凸块，所述凸块插设在所述缺口内。

优选地，如图1所示，在行星碟刹盘14上开设有若干开孔141和中心安装孔142。此处，中心安装孔142通过螺栓将行星碟刹盘14连接至套筒20，若干开孔141呈环状布置在中心安装孔142的周围。

上述套筒20作为离合器，当然这里的离合器可以是任何在刹车过程中能够制约行星架运动的结构。此处采用套筒20将电机内的行星架和外部碟式刹车片链接，刹车片通过物理卡钳制动。这样的好处在于：一、作用力方向和齿轮组平行，对齿轮磨损小；二、可以平行一个与车轮连接的碟式刹车片，同时制动两个刹车片可产生混合刹车效果，但车轮刹车片为选装组件；三、将磨损部件外置便于更换和维护；四、总体结构可以起到缓和大功率电刹车的冲击并减少电刹车衰减。

套筒20嵌于电机外壳11和中轴12中间，内外通过两个轴承链接，形成电机壳(车轮)、套筒、电机轴三个层面的独立运转效果。同时，套筒与行星架相互连接为一体，使得在刹车不启动的时候电机内的行星齿轮组传动不受到任何阻碍，提高耐久性。

在供电状态下，电机通电，电机定转子开始旋转，将动力传动到太阳轮。太阳轮传动到行星轮，在由行星架内单向轴承逆车轮前进方向锁死转动。这样动力就从行星轮传动到行星外轮即传动到车轮，从而完成动力传动。

在滑行状态时，车轮向前进方向转动，由外轮将动能惯量传递到行星轮。由于太阳轮与电机转子连接，使得电机的磁阻产生阻碍。行星架内单项轴承顺车轮前进方向放行，行星架向车轮方向空转，而电机不转动即不产生磁阻。

在制动状态时，车轮向前进方向转动，刹车卡钳分别对两片碟刹片进行物理接触。动能惯量一部分通过外壳碟刹盘通过物理方式转化为热能，而另一部分通过物理卡钳产生的阀门限制效果传动到行星碟刹盘。此时行星架无法放行空转，能量将通过行星轮传递，从而带动太阳轮，带动电机转子旋转，产生动能和电能的能量转换。同时转化过程产生的安培力与刹车力形成一对平衡力，以完成刹车过程中的能量回收和安培力混合刹车。

如上所述，本实用新型安培力刹车装置的优势在于：一、电动机、发电机、刹车器、齿轮组一体；二、可装配任何无刷电机及任何功率；三、物理制动、电磁刹车混合制动；四、无磁阻、高效率；五、适用于单轮单电机。所述安培力刹车装置能够获得高能量的回收比列，低物理刹车依赖，具有稳定的混合刹车曲线，能够实现无电控独立工作。

图7为本实用新型能量回收系统的框图。如图7所示，本实用新型还提供了一种能量回收系统，所述能量回收系统包括如上所述的安培力刹车装置10、电力控制装置和能量存储装置40。所述电力控制装置与所述安培力刹车装置连接，用于将电力分配至所述安培力刹车装置，例如IGBT开关管通过换向将直流电分配到电机三相。能量存储装置40与安培力刹车装置10连接，用于将刹车产生的电能储存入电容。所述电力回收装置将刹车产生的三相限制变频变压交流电通过整流、滤波之后进入储能电容缓存。然后储能电容再将电能优先在下一次车辆启动时释放利用，次优先将电能进行稳压给电池充电(当电池整体低电量状态时，其仅为电池充电)。

其中，所述电力控制装置包括控制器30、速度采集模块31、电压采样模块32、第一控制切换模块33及三相整流模块34。第一控制切换模块33设置在安培力刹车装置10和三相整流模块34之间，三相整流模块34、能量存储装置40及电压采样模块32依次连接，电压采样模块32连接至控制器30。安培力刹车装置10通过霍尔信号与速度采集模块31连通，且速度采集模块31连接至控制器30。

进一步地，所述电力控制装置还包括驱动模块35、升压模块36、第二控制切换模块37及负载模块38。其中，控制器30与驱动模块35连通，升压模块36设置在驱动模块35、能量存储装置40及第二控制切换模块37之间，通过第二控制切换模块37连接至负载模块38。

特别地，例如Ebike本身携带的电池提供系统的工作电压，并利用其能量建立辅助电源模块为各个模块提供工作电压。在高功率状态下，如加速、启动，能量存储装置40通过电压变换之后，可以和电池同时供电，使得Ebike能够具备更快的启动速度。在制动状态下，所述能量回收系统工作，利用电磁感应定律回收动能，并在整流之后将电能存储在超级电容之中。通过检测电机的转速和超级电容的端压可以实现反馈调节。回收的能量通过简单的显示模块进行指示。辅助电源从电池取电，为能量回收系统的各个模块，提供所需要的工作电压。

其中，刹车的功率是根据车速、用户刹车力度实时计算出来的。控制器内的可变电阻根据车速的变化成正比变化(同涨同跌)，既根据不同转速下电机产生的电势成比例同步调节可变电阻(电机外载)，从而达到稳定的最大刹车功率。在车速下降过程中，通过减少外载电阻的方式，人为提高感应电流以抵消电压衰减(P＝UI，U减，I增，P不变的效果)，从而获得稳定的刹车功率。

然后，用户下达的不同刹车力度的指令，通过带有传感器的刹车器传递到可变电阻控制芯片上，再按照用户所需的刹车比例进行二次运算得出最终的刹车功率。举例说明：假设整车所需的刹车功率调校在180w，当电机转速1000rpm时，此时电势为36v，可变电阻根据转速初始适应为7.2欧姆，电流为5A。此时用户给出指令需要50％刹车力，既所需90w，电阻会变化到14.4欧姆，电流既2.5A，总功率为90w。同理，假设转速为500rpm时，电势为18v，可变电阻自适应为1.8欧姆，电流10A。用户给出50％刹车力指令时，电阻变化到3.6欧姆，电流5A，实际刹车功率90w。其最终达到的效果是，用户不论在高速还是低速行驶的时候，给出相同的刹车指令，既获得相同的刹车力度，解决了现有技术刹车力度衰减的问题。

综上所述，本实用新型安培力刹车装置及包括其的能量回收系统的刹车效果优势及能量回收优势如下：一、整体系统可无电路控制正常运行(纯机械控制)；二、安培力刹车功率可以调校的很高(能量回收量较大)；三、对物理刹车的依赖减小；四、总体刹车曲线平直；五、不存在安培力和物理刹车力的交接问题，刹车感受稳定。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种安培力刹车装置，其特征在于，所述安培力刹车装置包括：

外壳；

电机定转子，所述电机定转子安装在所述外壳内；

中轴，所述中轴贯穿所述电机定转子，且所述中轴与所述电机定转子的定子固定连接；

行星机构，所述行星机构穿设在所述中轴上，并位于所述电机定转子和一套筒之间，用于传递动力；

外壳碟刹盘，所述外壳碟刹盘与所述外壳连接，并且套设于所述套筒的外围；

行星碟刹盘，所述行星碟刹盘与所述套筒的一端连接。

2.如权利要求1所述的安培力刹车装置，其特征在于，所述行星机构包括行星架、太阳轮和行星轮，且所述行星机构与所述电机定转子连接；

所述行星轮设置在所述行星架上，且分别与所述太阳轮啮合；所述外壳的内壁上设有行星外轮，所述行星外轮与所述行星轮啮合；所述行星架与所述套筒的另一端连接。

3.如权利要求2所述的安培力刹车装置，其特征在于，所述行星碟刹盘位于所述外壳碟刹盘的外侧。

4.如权利要求2所述的安培力刹车装置，其特征在于，所述行星架通过单向轴承固定在所述中轴上。

5.如权利要求4所述的安培力刹车装置，其特征在于，所述行星架上的中心轴孔处设有一缺口，所述中轴上靠近所述太阳轮的下端处设有一凸块，所述凸块插设在所述缺口内。

6.如权利要求2所述的安培力刹车装置，其特征在于，所述行星碟刹盘上开设有若干开孔和中心安装孔，所述中心安装孔通过螺栓将所述行星碟刹盘连接至所述套筒，所述若干开孔呈环状布置在所述中心安装孔周围。

7.如权利要求1所述的安培力刹车装置，其特征在于，所述外壳碟刹盘与所述外壳一体成型。

8.一种能量回收系统，其特征在于，所述能量回收系统包括如权利要求1-7任意一项所述的安培力刹车装置、电力控制装置和能量存储装置，所述安培力刹车装置、所述电力控制装置及所述能量储存装置相互之间两两连接，通过所述电力控制装置将电力分配至所述安培力刹车装置，通过所述能量储存装置将刹车产生的电能储存入电容。

9.如权利要求8所述的能量回收系统，其特征在于，所述电力控制装置包括控制器、速度采集模块、电压采样模块、第一控制切换模块及三相整流模块，所述第一控制切换模块设置在所述安培力刹车装置和所述三相整流模块之间，所述三相整流模块、所述能量存储装置及所述电压采样模块依次连接，所述电压采样模块连接至所述控制器，所述安培力刹车装置通过霍尔信号与所述速度采集模块连通，且所述速度采集模块连接至所述控制器。

10.如权利要求9所述的能量回收系统，其特征在于，所述电力控制装置还包括驱动模块、升压模块、第二控制切换模块及负载模块，所述控制器与所述驱动模块连通，所述升压模块设置在所述驱动模块、所述能量存储装置及所述第二控制切换模块之间，通过所述第二控制切换模块连接至所述负载模块。