CN101077691A - 一种行走装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车领域的一种行走装置。要解决的技术问题是用外转子电机取代现有的传动和行走装置，直截了当用于行走。在实际使用中要解决操作可靠和准确、安全行驶、能源补充等技术问题。我们采取低电压、大功率外转子电机由自整角机实施操纵，用自动控制检测仪器对行走中的状态进行检测并反馈给自整角机实施操控的调整，做到安全控制。结合能量守恒定律，由风能、太阳能、机械能、热能组成能量转换装置。进行能量回收和转换来补充电能。此种行走装置主要是用来代步和运输。

Description

一种行走装置

所属技术领域：

本发明涉及汽车领域的一种行走装置，尤其是可以各轮子单一直接驱动，无需离合器、变速器、发动机等传动装置，各轮子均被本发明的行走装置所取代。此行走装置可用方向盘操纵也不必用方向盘操纵，而用四台自整角机所替代，无需人工驾驶，可用各式各样的探测元件代替，各轮子可以是交流电机也可以是直流电机。

背景技术：

目前公知的汽车是由车架、离合器、变速器、车轮组成。

汽车由装在车架上的发动机工作产生动力，通过离合器将动力传递给变速器，再通过万向节传动轴把动力传给后(前)传动装置，最后由后(或前)传动装置的从动齿轮将动力传给车轮，驱动汽车行驶。发动机的工作过程其作用是将燃料中的化学能通过燃烧为热能，再变成曲轴旋转的机械能，即发动机产生了动力。

离合器的作用是发动机的动力与传动机构根据需要进行平衡的结合或彻底的分离，当汽车换档(改变变速器的齿轮啮合状态)时，必须松开离合器，使发动机的动力与传动系统断开，变速器才能无冲击地变换到所需的档位上。当需要将发动机的动力传递到传动机构时，则需结合离合器。由于离合器的磨擦作用，可将发动机的动力传到变速器上，当汽车需要制动或临时停车时，可松开离合器使发动机的动力与传动机构断开，再操纵制动器使汽车停下，这时候发动机还是继续运转。

变速器的作用首先是改变汽车的行驶速度和驱动力的大小，以适应不同路况条件下的要求，当汽车起步或上坡时，需要增大驱动力，克服道路阻力，变速器应挂低档，反之汽车在平坦的路上行驶需要较高的车速就应将变速器挂入高档。为了使汽车转向需操作方向盘，使前轮相对车身的纵向偏转达到向左向右转过一定角度的要求。

但是，发动机所使用的燃料要不断停车补充，在转向过程中均会产生纵向偏转的向心力，一向心力过大会很容易造成侧翻，且无法做到各轮子单一驱动，在驱动过程中的能量传递造成很大损失，无法回收。一般情况下无法自动避让前后追尾，一但追尾容易造成交通事故。

发明内容：

为了克服不断补充燃料的不便和在行驶转向过程中会造成侧翻、追尾事故。用本发明的行走装置组装成的汽车不仅能正常行驶，而且能不断自动进行能量转换和补充，能有效避免侧翻和追尾。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：1》改进汽车轮子，由原来的轮胎加轮盘改成轮胎加电动机。见说明书附图(1-1)。2》减少了发动机到轮胎之间的各种转动机械，如发动机、离合器、变速器等。3》增设了各种能量转换装置，如太阳能、风能、热能、机械能等。4》增加了路况自动检索装置，如避免前后追尾的测速仪、城市道路变更检测器。5》改变了原有的操作方式，可以单独操纵每一个轮胎(每一台电机)，转向单轮(单机)控制器可以防止侧面力的产生。6》前后同轴线上的车轮可以分别驱动，做到一备一用，确保电机的利用率和使用寿命。

采用本发明的行走装置所构成的汽车，各轮子所用电机均是转子在外，定子在内(传统电机是内转子，外定子的结构)。转子外面由硬质橡胶或其它耐磨材料构成，一但得电在电磁转矩的作用力下与地面磨擦产生转动力矩，驱动车身(载体)运动，前进时给予同一轴线上的行走装置大小相等方向相同的励磁电流和励磁电压。后退时只需改变励磁的极性。左右转向时可以改变同一侧行走装置的励磁电压，造成左右电机的转速差来改变行走方向。

整体外观特征与传统汽车相仿，见说明书附图1，流线设计，风阻受力面及部位用风力发电装置将风能转化成电能，车顶及采集阳光的部位用光电转换器收集太阳能将其转化成电能，电机发出的热能可以通过热电转换仪将热能转化成电能，有了这些能量的不断转化补充，根据能量守恒定律，可以长时间的不用停车补充能量。

电机的机电能量转换是电机运行的基本定律。电机是一种用来进行电能与机械能相互转换的电磁机械，其运行原理基于电磁感应和电磁力两个基本定律的电机和机电能量转换过程。电机通过接线端与电系统机联系。电机进行能量转换的基本条件是必须有作相对运动的两大部件，即建立励磁磁场的部件和感生电动势并流过工作电流的被感应部件。后者流过电流时也建立相应的磁场。这两个部件中静止的称定子，作旋转运动的称转子，定子、转子之间有空气隙使转子可以自由旋转，电机与电系统的联系依据感应电动势，通过感应电动势的作用，发电机能从机械系统吸收机械功率，电动能向机械系统输出功率。电磁转矩由气隙中励磁磁场与被感应部件上电流所建立的磁场相互作用而产生。气隙中的两个磁场只有在极数相同和相对静止的条件下才能产生有效的电磁转矩。

电机的能量基本上储存于气隙中，电机把电系统和机械系统联系在一起并实现能量转换，能量的转换实际上是靠电机气隙磁场完成的，因此气隙磁场又称为偶合磁场。

能量平衡：电机内部能量转换过程中，存在电能、机械能、磁场储能和热能四种能量形态。热能是电机内部能量损耗产生的，损耗有电机绕组流过电流引起的电阻损耗；通风以及轴承、电刷等接触运动部件引起的风摩损耗；磁场在铁芯中引起的磁滞、涡流损耗等三种。当电机绕组通过电流时产生一定的磁链并在其耦合场内存储一定的磁场能量，磁链及磁场储能随定子、转子电流以及转子位置不同而变化，由此产生电动势和电磁转矩而引起机电能量间的转换，因此能量转换过程是由耦合场的变化对电系统和机械系统的反映所起的。

电机稳态运行时，输入电机的功率与电机输出功率和电机中的总损耗相平衡。电机进行能量转换的过程一般是可逆的，既可作发电机运行也可作电动机运行。但是，对发电机和电动机的参量和特性要求是不同的，所以同一电机要改变其运行状态就必须要专门设计。

本发明的有益效果是：利用太阳能不断转化为电能的方式进行能量补充，可以长期行驶不用停车补充燃烧或能源。利用各种各样的自动检测装置可以解决人为违章，有效地避免追尾和侧翻。利用风能、机械能、热能等收集装置方便地解决了再生能源的充分利用，可以完全达到环保和节能的目的。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图(1-1)是本发明的其中一种行走装置。是同轴线二轮子及以上的固定方法。

图中1.定子，2.转子，3.车架，4.弹性装置5.关肘球形联接器，6.轮胎。

图1是用本发明组装成的汽车其中的一种。

图中1.天线杆，2.反光灯，3.大灯，4.罩子，5.档泥板(保护板)，6.电动机，7.轮胎，8.风档，9.刮水器，10.后视镜，11.示向器，12.车门，13.司机座，14.前座，15.太阳能接收器(顶棚)，16.后座，17.停车灯，18.尾灯，19.行李箱，20.备胎，21.汽车号牌，22.保险杆，23热能转换器，24.发电机及充电器，25.风能转换器，26.蓄电池，27仪表板，28转向盘，29.喇叭按钮(喇叭)，30.车速表，31.里程表，32.起动钮(起动机)，33.自整角机操纵杆，34.手闸，35.左转踏板，36.制动踏板，37.右转踏板，38.路况检测器，39.车架(走线槽)，40.螺旋桨(机械能量转换器)，41.差速表，42.弹簧减震器，43.电气控制箱，44.消音器，45.排气管。

图2是本汽车中采用的一种光电转换器的电路。

图中1.太阳电池方阵，2.二极管，3.蓄电池组，4.行走器。

图3是电动机的自然机械特性。

图中1.同步电动机，2.他励直流电动机，3.异步电动机，4.半励直流电动机。

图4是调压调磁的独立控制系统。

图中BVD-速度分配器，AUR-电压调节器，AMCR-励磁电流调节器，BU-电压变换器，AMR-磁通调节器，BM-磁通变换器，GI-给定积分器，BC2-主电流变换器，BC1-发电机励磁电流变换器，BC3-电动机励磁电流变换器。

图5是采用自整角机的位置反馈系统。

图中1.自整角机的定子，2.指令给定转子，3.检测反馈转子，4.调速器，5.相敏放大器，6.较正装置，7.功率放大器，8.行走装置。

具体实施方式：

光电转换：阳光通过太阳电池直接变为电能。

太阳电池利半导体的光生伏打效应把光能直接转换成电能的器件，当阳光照射太阳能电池，其幅射能大于硅的能隙时，就破坏晶体内的共价键而激发产生电子—空穴对。在半导体硅PN结的势垒电场作用下电子和空穴分别被吸向两侧的电极，并产生电动势。太阳幅射能量E＝hc/λ(ev)。式中：h-普朗克常数，4.132×10^-15(ev.s)；c-光速3×10¹⁴(μm/s)；λ-光波长(μm)。把一定片数的单电池进行串并联，构成电池组件，并联的单一电池要求具有相同的电压性能而串联的电池组件则要求有一定的短路电流密度，否则将相互抵消，降低输出功率。再以电池组件为单元进行串并联以组成电池板或方阵，从而得到所需电压和输出功率的太阳能电源。

太阳能电池发电装置由电池方阵、防反冲二极管、蓄电池组和行走装置组成，太阳能电池的应用技术实现证明它具有运行可靠、维护简单、无污染等特点。见说明书附图2。

风力发电：

风能是太阳能的一种表现形式，它是由地球表面的大气受太阳的幅射而引起的部分空气的流动而产生的，目前风力发电装置的品种在汽车制造待业内研究应用不多，但人类所需能源趋向多祥化，风能利用正面临一个重要的开发和发展时期，随着风力发电机结构原理和材料上的突破，大规模利用风力发电将取得较大进展。

风力发电的三要素：1、风速，风在单位时间内渡过的距离叫风速，2、频率，风速的频率又称风速的重复性，是指一月或一年中在某一地区内风以某一相同速度吹刮的总时数占该月或该年中时数的百分比。3、变幅，风速的变幅是风速变化幅度的标志。

风力发电系统的三个基本因素：1、输出形式，直流电、变频交流电和恒频交流电。2、风力机转速，恒速变桨矩、接近恒速带简易桨距机械、变速定桨矩。3、电能输出的利用，蓄电池、其它形式的储能和并入电网。在汽车制造业只考虑蓄电池储能。

电气传动系统：

一个电气传动系统由电动机、电源装置和控制装置三部分组成，它们各自有多种多样设备或线路可供选用。

在制造和使用过程中要根据不同电动机的自然机械特性应用在不同的地方，说明书附图3给出了四种电机不同的自然机械特性曲线。

转速与功率之积按目前的技术水平直流机最大的约10⁶kw.r/min。交、直流电动机调速性能差不多，目前高性能的转矩响应时间都是10～20ms，速度的响应时间都是100ms左右。

电源装置，采取车载负荷电池组，结合各种各样再生能源收集装置(风能、太阳能、热能、机械能)组成。做成机电一体化“飞轮”式的储能产品，可以将发电设备充塞其中。

电池(锂电)通过氧化—还原电化学反应，将电池内部活性物质的化学能直截了当转变为电能的一种独立直流电，它由正极、负极、电解质、隔膜和容器五个主要部份组成。电池的正极活性物质通常是用用各种金属氧化物、卤素及卤化物、氧或含氧酸盐等组成，负极活性物质则用各种电位较负的金属或氢组成，电解质溶液采用酸盐或固体电解质，电池的容器根据使用需要可以做成各种形状。

控制系统，采用连续速度调节与机组或电子电力变流装置配合使用，可连续改变电机转速。这类系统按控制原则分为开环控制、闭环控制和复合控制三类。按控制信号的处理方法分为模拟控制、数字控制及模/数混合控制。

相对本行走装置负荷类型的分析：(恒功率和恒转矩负载)

汽车在起步时阻转矩变化大，而在运行中阻转矩变化小。负载转矩T_i与转速N成反比形成恒功率负载。负载的恒功率性质是就一定的速度变化范围而言的，当速度很低时，受机械强制限制T_i不可能无限增大，在低速区转为恒转矩性质，负载的恒功率和恒转矩区对传动方案的选择有很大影响，电机在恒磁调速时最大输出转矩不变是恒转矩调速，而在弱磁调速时最大输出转矩与转速成反比是恒功率调速。设计成电机的恒功率和恒转矩调速范围与负载的恒功率和恒转矩一致，可以使电动机及供电装置功率最小。若负载恒功率调速区很宽，要继续维持上述关系，就要采用特殊的宽弱磁调速范围电机。

汽车长期工作在恒速(或变化不大)运行为恒功率负荷，根据负载施加方式不同又可分为下列三类，1、高速公路负载(平稳负载)，负载转矩长时间不变或变化不大，此时只要有足够的功率和维持转矩就行。2、山地负载(波动或重复短时负载)，负载长期施加，又大小波动或周期性重复施加，这时除要求电气传动装置有足够功率外，还需要有足够的过载转矩。3、城市负载(短时负载)，施加负荷时间短，在负荷周期中占比例很小，对电气传动装置的要求是有足够的起动和过载转矩。

速度控制：

汽车在行驶过程中人为地或自动地改变电机的转速，以满足电机对不同路况的要求，从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而达到稳定运行的过程。

本行走装置可以做到无极调速，是指电动机的转速要以平滑地调节，其特点为：转速变化均匀，适应性强容易实现调速自动化。见说明书附图4

在基速以下采用调压的方法，在基速以上采取弱磁的方式，这种系统无论线速度是多少，滚动磨擦阻力有多大，在基速以下电动机均在满磁下工作。因此，可以合理利用电动机的容量，而且弱磁倍数与路况的变化范围无关，因而可选弱磁倍数小的电机。

T_M＝C_TφI＝FD/2   ……(1)

P＝UI＝Fμ   ……(2)

从式(1)(2)得：

F＝P/μ   ……(3)

F＝UI/μ  ……(4)

F＝Kφ/D  ……(5)

式中：T_M-电动机电磁转矩

μ-汽车线速度

P-电动机输入功率

U、I-电动机工作电压和电枢电流

F-路面的磨擦阻力

D-电动机(车轮)直径

特有的方向控制功能：

1、手动转向，方向盘打方向，通过方向盘给出的机械位移，用自整角机转换成电位差。反馈给各行走装置，使旋转半径外侧的行走器产生加速度，而旋转半径内侧的行走器相对做减速运动。用电气参数使内外侧的行走器平衡转向，不会产生侧向离心力。

2、半自动转向，手工输入转向半径，使内外侧行驶器根据输入所设定的电气参数，各自做增减速运动。

3、自动转向，启用自动控制功能，车下的探测感应装置自动探测路况，自动调整各行驶器的增减速度，但是，只适用于高速公路和城市道路。自整角机的位置控制原理见说明书附图5。

图5这种旋转控制系统可以看成是在直流调速系统外面再套上一个位置环，其中位置指令和位置反馈采用自整角机为位置反馈和位置指令。

用自整角机来测量机械轴的转角，一般都采用一对自整角机来检测指令轴和执行轴之间的角差。与指令轴相联系的自整角机称发送器，与执行轴相联的自整角机称为接收器。转子的输出电动势为：

U_Y＝UmSinΔθSin(ω-φ)

式中Um-感应电动势最大值

Δθ-发送器和接收器的转子在空间的相对角差

φ-时间上的滞后相角

所以，接收器转子的输出电动势U_Y不仅反映出位置指令值θ₁与实际值θ₂之间的偏差，而且还能反映Δθ的极性，从而使电动机能向消除偏差的方向旋转。

将U_Y信号通过相敏整流放大器将正反相位的交流电压变成正负极性的电压输入位置调节器，使电动机能向消除位置偏差的方向旋转直到位置误差近公近似为零，同时为保证系统的稳定性并有满意的动态品质，必须加校正装置。

自整角机本的误差有35～45角分，对于要求精度高的系统一般要用双通道检测，即用一组两级自整角机来提高检测精度。

行走装置的安全可靠性：

确定产品的可靠性，通过对元件、部件及系统的可靠性分析、预计、分配、评价及各种试验来确定产品的可靠性。

提高产品的可靠性，通过产品的设计、研制、生产及使用等各个环节的管理体制来提高产品的可靠性。

获得最佳的可靠性，在规定的可靠性下获得最轻的重量、最小的体积和最少的费用。或者在一定的重量、体积、费用下获得最高的可靠性。

系统可靠性和单元可靠性指标的确定如下：

任务内容		各计划阶段适用性
						初步设计	验证审批	工程研制	成批生产
		可靠性管理	制定可靠性计划	选用	选用					通用	通用
对供应厂的可靠性监督与控制	选用					选用	通用	通用
			计划评审	选用	选用				通用	通用
建立失效报告、分析和改进系统	不适用					选用	通用	通用
			建立失效评审委员会	不适用	选用				通用	通用
可靠性设计	建立可靠性模型					选用	选用	通用			设计更改
		可靠性分配	选用	通用	通用				设计更改
	可靠性预计					选用	选用	通用		设计更改
		失效模式、影响及后果分析	选用	选用	通用				设计更改
	潜藏电路分析					不适用	不适用	通用		设计更改
		电子元件/电路的容差分析	不适用	不选用	通用				设计更改
	部件选择及控制					选用	选用	通用		通用
		确定可靠性关键部件	选用	选用	通用				通用
	确定功能试验、储存、装卸、包装、运输					不适用	选用	通用		仅设计更
		可靠性试验	环境应力筛选试验	不适用	选用				通用		通用
可靠性增长试验	不适用					选用	通用	不适用
			可靠性鉴定试验	不适用	选用				通用	通用
可靠性验收试验	不适用					不适用	选用	通用

行走装置的计算机系统：

电子计算机是一种能高速进行大量计算工作的电子设备。它具有存贮存贮信息量大，逻辑判断准确，计算速度快等特点。其特点是：有指令系统、能实时响应、精确度高、可靠性强容易维修、有过程输入输出设备、能中断系统、实时多道操作系统、可建数字模型、有语言功能、可做成专用控制设备。

根据计算机所承担的任务及对才走装置的控制要求，我们选择多处理机系统中的“车轮”形式；其适应范围是小型系统适合采用；其优点是由环形与星形两种结构叠加而成，集中两各种形式的优点，有一定的灵活性，传输效率高。

Claims (5)

1、一种行走传动装置，其特征是电动机为直接行走部件，行走部件外部用硬质耐用橡胶构成或其他材料组成与转子部件的矽钢片做固定联接，定子部份直接与电路相通，可以是直流电也可以是交流电，视电机的设计而定。定子中空部用于穿插导线与定子线圈相通，导线另一端接与电源。定子可以单面出轴也可以双面出轴。若定子轴方向只有一个行走装置就要双面出轴。

2、控制电源，可直截了当由蓄电池组直供行走装置，此为直流行走装置，也可将蓄电池的直流电通过直一交转换器变直流为各式各样不同频率的交流电，以供不同频率的行走装置之用，此为交流行走装置。

3、操控部分，用于对行走装置的正确操控，使其能按我们的愿望行走和工作。其特征是由自整角机、各式各样的检测元件(如：道路检索仪、前后防追尾检测器等)、各种反馈信号(电流反馈、电压反馈、转速反馈、扭矩反馈等)与给定信号。给定信号可用人工调节，如起步从零速开始达到你所需要的稳定速度，也就是说起步的时间可以自己设定。其次所有的监控装置是否要起动可以自己选择。再次就是可以选择是人工驾驶还是自动驾驶。另外可以设定制动的时间(曲线)。

4、机械联接，定子轴与车辆底盘(车架)做相应联接(固定)，见说明书摘要附图，只要在定子的同轴线上有二个及以上的行走装置用此方法固定。定子同轴线上只有一个行走装置，定子要二边出轴。弹性装置是用于减震动避震荡。联接方式用关肘球形联接器固定，便于转向和减少磨擦。转动行走装置可以放置车架外侧也可安放在内侧。

5、能源回收，由风能、太阳能、机械能、热能回收转换器组成，风能收藏转换器置于车身四周，太阳能收集转换器置于车顶，机械能及热能收集装置布于车底。以上所有能源收集后均转化为电能交给蓄电池保存。

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