CN101362440A - 磁能车 - Google Patents

Abstract

本发明由车主体和控制系统构成。车主体由车体和磁能机车轮构成，控制系统由控制计算机、总线、电力电子器件、传感器、电池系统及软件组成。磁能机车轮由定子、车轮、轴承构成，车轮围着定子，定子铁心似矩形齿轮状，齿上绕着线圈；轮胎、轮毂、导磁体、非磁性体及永磁体组成极性沿圆周交替的多磁极车轮。磁能机车轮分为两部分，一部分是电动机，一部分是发电机。发电机通过整流调压器与电池系统相连接，定子线圈通过调频器与电池系统连接。控制系统根据传感器测取转子磁极相对于定子铁心齿的位置信号，给定子线圈交替通不同方向的电流，则车轮因其永磁极受到定子齿的电磁极的吸引力矩和排斥力矩而旋转。本发明效率极高、节能环保。

Description

磁能车

技术领域

本发明涉及车辆技术，特别是一种永磁能发动机的磁能车。

背景技术

传统的车辆，以汽油、柴油、天然气、煤气、液化气、氢等为燃料的内燃机作为发动机，通过机械变速传动机构驱动车轮，人操纵机械方向控制机构、变速机构及制动机构驾驶车辆，因而效率低、能耗大、噪音大和尾气污染环境。

现代电动汽车，减少了机械传动机构，主要通过占空间很小的导线实现，减小了振动和噪音，车轮电机工作效率高，因而整车效率高；应用电力电子器件进行无级变速，操作简便，无机械变档过程中冲击和摩擦造成的动力间断和能量损失；车轮电机在低速时，能有较高的转矩，因而车起步、加速或爬坡性能优越；现代电动车制动时，通过车轮电机制动发电，并回收电能；现代电动汽车易保养维修，可靠性高，寿命长。所以传统的车辆将逐渐被现代电动车取代。

现代电动车有两种，一种是用电池系统蓄存的电能驱动车轮电动机，它没有机械变速传动机构，用电子变频技术调控车轮电动机的转速或转矩，因而效率高，振动和噪音极小，且无污染，但是现有电池系统储能量与电池体积或重量之比值小，车有效载重小，连续行驶里程受限；另一种是用内燃机通过机械增速器带动发电机发电，进而用电子变频技术调控车轮电动机，并通过机械减速器驱动车轮，这种车无前种车的缺点，同等条件下相比，这种车比前种车功率大，但这种车仍有内燃机，有机械增速器和减速器，振动、噪音、尾气污染都不小，效率不很高。

现代电动车大都采用功率密度高的永磁同步电机作为车轮电动机。永磁电机有比传统的电机效率高、损耗小、体积小等优点，但节能效果并不显著。永磁电机中的永磁体主要用来励磁，永磁能的利用率很低。

发明内容

本发明公开一种磁能车，克服现有电动车的缺陷，充分有效地使永磁能直接转化为驱动车轮的动力，并利用现代电力电子技术及软件对车的各种工况进行控制。

本发明按下述技术方案实现。

本发明由车主体和控制系统构成。车主体由车体和磁能机车轮构成，控制系统由控制计算机、总线、电力电子器件、传感器、电池系统及软件组成。

磁能机车轮由定子、车轮、轴承构成，车轮就是转子，车轮围着定子，定子铁心似矩形齿轮状，其齿上绕着线圈；由轮胎、轮毂、导磁体、非磁性体及永磁体组成极性沿圆周交替的多磁极转子，即车轮。磁能机车轮沿轴向分为两部分，一部分作为电动机，另一部分作为发电机。发电机通过整流调压器与电池系统相连接，定子线圈通过调频器与电池系统连接。控制系统根据传感器测取转子磁极相对于定子铁心齿的位置信号，给定子各组线圈交替通不同方向的电流，则车轮(转子)因其永磁极受到定子齿的电磁极的吸引力矩和排斥力矩而旋转。车轮的转速转矩可调控。本发明定子的齿数及相应的线圈组数、转子磁极数或永磁体的数量，根据实际需要设计而定；而且转子磁极的组成方式是多样的。

假设将所述磁能机车轮中的转子用纯软铁做成有若干齿的转子代替，那么它的工作原理与开关磁阻电机很相似，不计损耗，开关磁阻电机输出能量等于输入的电能，并不节能。而本发明使转子永磁极同时获得定子一个电磁极吸引力矩和定子另一个电磁极的斥力矩，而且引力矩或斥力矩均由电磁场与永磁体磁场共同提供；开关磁阻电机仅是定子齿的电磁力吸引其转子的软铁齿，而且这个引力仅由电磁场提供。所以，磁能机车轮输出能量大于需输入的电能。本发明定子的电磁极与转子永磁极之间作用力大小与在它们之间间隙中的磁感应强度的平方成正比，而此磁感应强度值是电磁极和转子永磁极磁感应强度的叠加值，若保持此值不变，提高转子永磁体在所述间隙中的磁感应强度值，等量地减小电磁极在所述间隙中的磁感应强度值的，则所述磁能机车轮输出能量值不变，但大幅度地降低了所需输入的电能，这就是说磁能机车轮能量输出输入差值变大。所以所述磁能机车轮巧妙使用永磁体能，使能量增值，而且增值随永磁场的增强而大幅度增长，这个增值的能量的大部分用来驱转车轮和储存于电池系统，小部分用于给磁能机车轮自身提供能量。

还应该指出，本发明的磁能机车轮结构和工作原理与永磁电机(详细了解可参考有关资料)有实质上的不同，永磁电机利用定子的旋转电磁场与含有永磁体的转子磁场相互作用驱动转子，是基于电磁感应原理，而本发明的磁能机车轮基于电磁体与永磁体之间的引力和斥力。永磁电机定子电磁力与转子永磁力对其转子产生的转矩不如本发明的的磁能机车轮大，原因是这种定子电磁力仅对转子产生引力矩，而本发明的磁能机车轮的转子永磁极同时受到定子齿的电磁极的吸引力矩和排斥力矩。永磁电机定子的旋转电磁场会在转子铁心和永磁体中感应出涡流造成能量损耗，而且涡流生热造成危害，旋转电磁场还会在转子铁心中产生磁滞损耗。而本发明的磁能机车轮定子磁场进入转子的磁力线很少，在转子中感应很弱，所以本发明节能比永磁电机显著的多。

所述永磁体也可以用超导磁体。

本发明的控制系统控制磁能机车轮的启、停、转速、转矩，实现了车的行驶速度和方向控制，且通过控制系统控制磁能机车轮实现再生制动，回收再生制动能量。

本发明的磁能机车轮及其相关的调频器件实质上组成一种永磁能机，去掉轮胎，将轮毂外形改变可象电机一样用于其它设备或工程。

本发明有益的效果是：

1、本发明具有现有电动车的所有优点，且克服了它们的缺点；

2、本发明的磁能机车轮充分地将永磁能转换为可直接驱动车轮的能量和电能；

3、本发明的磁能机车轮在很大的速度范围内效率均高，且在高速行驶时制动能力强，故障容错能力强，因而可靠性很高；

4、本发明耗电很少，损耗小，效率极高，节能，因而使用费用很低；

5、本发明造价低，不产生有害气体，振动小，噪音小，发热较少。

附图说明

图1为本发明车主体的结构示意图；

图2为图1中件号24的左视图；

图3为图1的A-A剖面图；

图4为本发明的车在停止时转子位置示意图；

图5为图4中转子转到其磁极与定子铁心齿正对时的示意图；

图6为图1的B-B剖面图；

图7为本发明控制系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：如图1、图2、图3、图6示。在有中孔的定轴35上固结软磁铁片叠成的矩齿轮状的铁心9、14及非磁性绝缘隔离圈11，铁心9、14的齿上分别缠绕线圈10、25，在定子铁心14设置两个沿径向充磁的小永磁体38和39，这些件组成定子。

车轮组成：径向充磁的瓦片形永磁体8、13和瓦片形非磁性绝缘体37及非磁性绝缘圆环7、12、17拼成一个圆筒，四块永磁体8、四块永磁体13均沿周向极性交替，所述圆筒隔间隙套在所述定子外，在所述圆筒的外周面固套导磁性轮毂15；在圆形端板26上镶嵌有若干小磁柱3＇和4＇，在圆形端板26的外圆固定制动盘5，圆形端板26用螺栓27联接于轮毂15的右端面，轴承28的内圈与定轴35的外圆配合，外圈与端板26的中孔配合；轮胎16套在轮毂15上，圆形端板20用螺栓21联接于轮毂15的左端面，轮胎16的挡圈18用螺栓19联接于端板20的外圆，轴承23的内圈与定轴35的外圆配合，外圈与端板20的中孔配合，端盖24用螺栓22联接于端板20的左端面，端盖24的中部为风扇叶片，所述轴承23、28均可是机械式的或磁悬浮式的或组合式的。所述车轮就是转子。

使定子小永磁体38和39与转子磁极的相互作用力，比线圈25通电后定子铁心14的齿与转子磁极的相互作用力小许多，而比线圈25断电后定子铁心14的齿与转子磁极的相互作用力大。设置小永磁体38和39便于转子启动。

所述定子和转子组成一个磁能机车轮。本发明设置四个磁能机车轮，四个磁能机车轮在车的底盘布置同传统的四轮驱动车一样。

车体1用弹簧36与定轴35联接。

固定在车底盘或定轴35上的制动抓手6与制动盘5组成机械摩擦制动机构。

本发明的控制系统：

如图7示。控制系统由控制计算机、CAN总线或MIC总线及连接在总线上的电子测控器件组成。控制计算机带有操作键盘和鼠标；总线用C线D线表示，连接在总线上的电子测控器件有显示器、定位导航系统、综合控制器、电池系统、车辆信息采集器及其它控制器(如空调控制器、冷却控制器、安全系统控制器、无线电设备控制器等)；

控制计算机装有操作系统和本发明的控制系统软件，控制系统软件能监控所述电子测控器件，且实现总线通讯；

显示器能显示操作界面及其信息、定位导航界面及信息、综合控制信息、电源系统界面及信息、车的工况信息、其它控制器控制界面及信息；

定位导航系统包括GPS及地理信息系统、摄像及视景识别系统；

驾驶模式按钮的自主模式端与综合控制器连接，手动模式端与操纵机构连接；操纵机构包括方向盘、离合器踏板、制动或刹车踏板、加速踏板(相当于油门踏板)及与它们相配置的助力装置、传感器、电子放大器等，传感器将方向盘及各踏板运动和位置信号传给电子放大器；操纵机构的电子放大器与综合控制器连接；

综合控制器连接着四个调频器31(相当于车轮控制器)和机械制动驱动器。调频器31通过接线29和30与综合控制器连接，每个调频器31从电池系统32接电，根据综合控制器的命令给相应的磁能机车轮的定子线圈25以需要的频率通电或断电；机械制动驱动器为电子驱动器件，与它相连的驱动机构(如控制压缩气体或液压流体的电磁阀等)与机械制动抓手6联系；

在图1中与定子线圈25和整流调压器33相连接的开关34-2及与调频器31连接的开关34-1均受综合控制器的控制；

如图1图7示，每个磁能机车轮的定子线圈10与相应的整流调压器33连接，各整流调压器33均与电池系统32连接，整流调压器33具有充电保护功能，即电池系统32充满电时，整流调压器33停止充电，电池系统32亏电时，整流调压器33恢复充电；

如图1图7示，每个磁能机车轮的定子线圈25与相应的调频器31连接，整流调压器33、电池系统32、调频器31依次用导线连接；磁敏传感器3、4固定在支板2上，支板2固定在定轴35或车的底盘(图中未画出)上，小磁柱3＇与磁敏传感器3用来检测转子永磁体8的磁极与定子铁心9的齿的相对位置，小磁柱4＇与磁敏传感器4用来检测转子的转速；

综合控制器对磁能机车轮进行综合控制，实现车的行驶。控制内容为磁能机车轮的转速、转动方向、转矩及制动(刹车)等，同时同量地改变四个磁能机车轮的转速，使车的直行速度改变；同时不同量地分别控制左右侧的磁能机车轮的转速，以控制车的行驶方向；改变磁能机车轮的转速或转矩，或同时改变磁能机车轮的转速及转矩，均能改变磁能机车轮的输出功率，从而改变车的牵引力，使车的加速度改变；停止磁能机车轮的能量供给后，先采取再生制动，即利用磁能机车轮转动惯性(惯量)发电制动，当其转速降低到适当程度后，再采取机械摩擦制动使其转速迅速减小或减到零；紧急情况时，可同时实施再生制动和机械摩擦制动或单独的机械摩擦制动。对所述的控制内容的控制指令，设计一套软件嵌入控制计算机控制系统软件中；

综合控制器受控于控制计算机和司机。综合控制器接受司机选择驾驶模式命令，在司机选择手动驾驶模式时接收司机通过操纵机构(包括方向盘、离合器踏板、制动或刹车踏板、加速踏板等)及相应的传感器发出的控制信号，并在控制计算机管理下工作，在司机选择自主驾驶模式时，综合控制器接收控制计算机的指令，在控制计算机监控下工作；

电池系统32向控制系统和车的其它所有电子测控器件、仪器、仪表及设备稳定供电，相应的传感器反馈上述各用电单元供电参数给电池系统32，电池系统32将其显示，并进行监控；电池系统32的显控装置还监控电池系统32的蓄电池电流和电压值；电池系统32还具有过流、过压、欠压及短路保护跳闸功能，自恢复供电功能，故障和蓄电池亏电报警功能等。电池系统32的管理软件软件嵌入控制计算机控制系统软件中；电池系统32中的蓄电池是化学能的、太阳能的、燃料型的、储能飞轮型或其它型的任一种，或者是多种电池的组合体；

传感器3、4及其它各种传感器(图中未画出)均与车信息采集器连接，车信息采集器采集各种传感器反馈车的工况信息给控制计算机进行分析处理，控制计算机并根据其结果给综合控制器和所有测控器件下达命令。

本发明工作原理：

如图4示，本发明在停止状态，由于永磁体异极间的吸引，转子上有两块永磁体13的磁极与永磁体38和39沿径向正对。若要启动，通过调频器31给线圈25通电，且使定子铁心14的b齿内弧磁极为N极、c齿内弧磁极为S极、d齿内弧磁极为N极、e齿内弧磁极为S极，那么，转子每一个磁极受到与它邻近的定子铁心14齿的电磁推拉力矩(永磁体38和39对转子的作用力矩很小)，使转子反时针转到图3所示位置，这时，传感器3将此位置信号传给综合控制器，综合控制器使调频器31立即改变线圈25中的电流方向，定子铁心14齿b、c、d、e的极性同时改变，如图5示，由于转子的极性与定子各齿的极性相同而产生相互排斥力，转子受到的排斥力的合力为零，转子依惯性转过图5所示位置，接着转子每一个磁极又受到与它邻近的定子铁心14齿的电磁推拉力矩而继续转动，此过程重复循环，转子不断被驱转，即所述磁能机车轮被驱转，同时转子端盖24的风扇通过定轴35的中孔将定子因涡流产生的热量抽出；转子的转速(n)与定子线圈25的通电频率(f)及定子铁心14的齿数N_c有关，其关系式为n＝60f/N_c，通过调频器31改变定子线圈25的通电频率f改变转子的转速n，通过调频器31还可控制线圈25中的电流的大小以改变转子的转矩。启动时，转子的转动方向由调频器31控制线圈25中的电流方向确定。磁能机车轮运行时，综合控制器使开关34-2打开，同时使开关34-1闭合；转子转动时，其磁体8与定子线圈10感应发电，发出的电通过整流调压器33充给电池系统32。制动转子时，综合控制器使开关34-1打开，同时使开关34-2闭合；转子转动时，打开的线圈25和线圈10都产生感应电动势，若线圈25或线圈10是闭合的，或者线圈25和线圈10均是闭合的，线圈25和线圈10就有感生电流，感生电流的磁场将阻止转子转动，此时磁能机车轮处于制动发电(即所谓的再生制动)状态，发出的电也通过整流调压器33充给电池系统32。实际上，只要转子转速超过定子通电频率f所形成的旋转磁场的转速，磁能机车轮就受到制动。

要车减速或减速到停止过程中的制动，采取使线圈25断电，再酌情灵活使用再生制动和机械制动。一般情况下，在高速时先采取再生制动，降低速度后再采取机械制动，这由综合控制器控制调频器31和机械制动机构协调配合实施。车下坡时，采取再生制动，能回收更多的能量。

本发明车的四个磁能机车轮同速度转动时，车就直驶。但由于各磁能机车轮受到道路的摩擦力往往不同，造成各磁能机车轮的转速差，为了使车稳定直驶，必须采集转速差信号，并进行补偿控制。

车行方向的控制，通过控制车的左右侧磁能机车轮，使它们的转速不等来实现，而磁能机车轮的转速控制由综合控制器控制调频器31和机械制动机构协调配合实施。

总之，车的直驶、制动(刹车)、转向等控制，通过设计一套软件，嵌入到控制系统软件，由控制计算机控制实现。

本发明的车首次使用或电池系统32亏电时，从车外充电。

本实施例的车不限于四个磁能机车轮，根据实际情况，可配置多个磁能机车轮，结构和工作原理同前述的四个磁能机车轮车。

实施例二：若本发明的磁能车常常低速工作，或者为了减小本发明的磁能车的体积和重量，去掉本发明的磁能机车轮中的磁体8、定子铁心9、线圈10、非磁性绝缘隔离圈11、非磁性绝缘圆环12。电池系统32从车外充电，也回收再生制动的电能。

实施例三：将实施例一所述磁能车前面两个磁能机车轮用普通非动力车轮代替，就成为后轮驱动的四轮车。

Claims (6)

1.一种磁能车，其特征是：由车主体和控制系统构成，车主体由车体和磁能机车轮构成，控制系统由控制计算机、总线、电力电子器件、传感器、电池系统及软件组成；磁能机车轮由定子、车轮、轴承构成，车轮就是转子，车轮围着定子，定子铁心似矩形齿轮状，其齿上绕着线圈；由轮胎、轮毂、导磁体、非磁性体及永磁体组成极性沿圆周交替的多磁极转子，即车轮；磁能机车轮沿轴向分为两部分，一部分作为电动机，另一部分作为发电机；发电机通过整流调压器与电池系统相连接，定子线圈通过调频器与电池系统连接；控制系统根据传感器测取转子磁极相对于定子铁心齿的位置信号，给定子各组线圈交替通不同方向的电流，则车轮因其永磁极受到定子齿的电磁极的吸引力矩和排斥力矩而旋转，同时发电机发电；车轮的转速转矩可调控；本发明定子的齿数及相应的线圈组数、转子磁极数或永磁体的数量，根据实际需要设计而定；而且转子磁极的组成方式是多样的。

2.根据权利要求1所述的磁能车，其特征是：在有中孔的定轴(35)上固结软磁铁片叠成的矩齿轮状的铁心(9)、(14)及非磁性绝缘隔离圈(11)，铁心(9)、(14)的齿上分别缠绕线圈(10)、(25)，在定子铁心(14)设置两个沿径向充磁的小永磁体(38)和(39)，这些件组成定子；

车轮组成：径向充磁的瓦片形永磁体(8、13)和瓦片形非磁性绝缘体(37)及非磁性绝缘圆环(7)、(12)、(17)拼成一个圆筒，四块永磁体(8)、四块永磁体(13)均沿周向极性交替，所述圆筒隔间隙套在所述定子外，在所述圆筒的外周面固套导磁性轮毂(15)；在圆形端板(26)上镶嵌有若干小磁柱(3′)和(4′)，在圆形端板(26)的外圆固定制动盘(5)，圆形端板(26)用螺栓(27)联接于轮毂(15)的右端面，轴承(28)的内圈与定轴(35)的外圆配合，外圈与端板(26)的中孔配合；轮胎(16)套在轮毂(15)上，圆形端板(20)用螺栓(21)联接于轮毂(15)的左端面，轮胎(16)的挡圈(18)用螺栓(19)联接于端板(20)的外圆，轴承(23)的内圈与定轴(35)的外圆配合，外圈与端板(20)的中孔配合，端盖(24)用螺栓(22)联接于端板(20)的左端面，端盖(24)的中部为风扇叶片，所述轴承(23)、(28)均可是机械式的或磁悬浮式的或组合式的，所述车轮就是转子；

使定子小永磁体(38)和(39)与转于磁极的相互作用力，比线圈(25)通电后定子铁心(14)的齿与转子磁极的相互作用力小许多，而比线圈(25)断电后定子铁心(14)的齿与转子磁极的相互作用力大；

所述定子和转子组成一个磁能机车轮，本发明设置四个磁能机车轮；

车体(1)用弹簧(36)与定轴(35)联接；

固定在车底盘或定轴(35)上的制动抓手(6)与制动盘(5)组成机械摩擦制动机构。

3.根据权利要求1或2所述的磁能车，其特征是：控制系统由控制计算机、CAN总线或MIC总线及连接在总线上的电子测控器件组成，控制计算机带有操作键盘和鼠标；总线用C线D线表示，连接在总线上的电子测控器件有显示器、定位导航系统、综合控制器、电池系统、车辆信息采集器及其它控制器，如空调控制器、冷却控制器、安全系统控制器、无线电设备控制器等；

控制计算机装有操作系统和本发明的控制系统软件，控制系统软件能监控所述电子测控器件，且实现总线通讯；

显示器能显示操作界面及其信息、定位导航界面及信息、综合控制信息、电源系统界面及信息、车的工况信息、其它控制器控制界面及信息；

定位导航系统包括GPS及地理信息系统、摄像及视景识别系统；

驾驶模式按钮的自主模式端与综合控制器连接，手动模式端与操纵机构连接；操纵机构包括方向盘、离合器踏板、制动或刹车踏板、加速踏板及与它们相配置的助力装置、传感器、电子放大器等，传感器将方向盘及各踏板运动和位置信号传给电子放大器；操纵机构的电子放大器与综合控制器连接；

综合控制器连接着四个调频器(31)和机械制动驱动器，调频器(31)通过接线(29)和(30)与综合控制器连接，每个调频器(31)从电池系统(32)接电，根据综合控制器的命令给相应的磁能机车轮的定子线圈(25)以需要的频率通电或断电；机械制动驱动器为电子驱动器件，与它相连的驱动机构与机械制动抓手(6)联系；

与定子线圈(25)和整流调压器(33)相连接的开关(34-2)及与调频器(31)连接的开关(34-1)均受综合控制器的控制；

每个磁能机车轮的定子线圈(10)与相应的整流调压器(33)连接，各整流调压器(33)均与电池系统(32)连接，整流调压器(33)具有充电保护功能，即电池系统(32)充满电时，整流调压器(33)停止充电，电池系统(32)亏电时，整流调压器(33)恢复充电；

每个磁能机车轮的定子线圈(25)与相应的调频器(31)连接，整流调压器(33)、电池系统(32)、调频器(31)依次用导线连接；磁敏传感器(3)、(4)固定在支板(2)上，支板(2)固定在定轴(35)或车的底盘上，小磁柱(3′)与磁敏传感器(3)用来检测转子永磁体(8)的磁极与定子铁心(9)的齿的相对位置，小磁柱(4′)与磁敏传感器(4)用来检测转子的转速；

综合控制器对磁能机车轮进行综合控制，实现车的行驶；

综合控制器受控于控制计算机和司机；

电池系统(32)向控制系统和车的其它所有电子测控器件、仪器、仪表及设备稳定供电，相应的传感器反馈上述各用电单元供电参数给电池系统(32)，电池系统(32)将其显示，并进行监控；电池系统(32)的显控装置还监控电池系统(32)的蓄电池电流和电压值；电池系统(32)还具有过流、过压、欠压及短路保护跳闸功能，自恢复供电功能，故障和蓄电池亏电报警功能等；电池系统(32)的管理软件软件嵌入控制计算机控制系统软件中；电池系统(32)中的蓄电池是化学能的、太阳能的、燃料型的、储能飞轮型或其它型的任一种，或者是多种电池的组合体；

传感器(3)、(4)及其它各种传感器均与车信息采集器连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的磁能车，其特征是：不限于四个磁能机车轮，根据实际情况，可配置多个磁能机车轮。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的磁能车，其特征是：去掉本发明的磁能机车轮中的磁体(8)、定子铁心(9)、线圈(10)、非磁性绝缘隔离圈(11)、非磁性绝缘圆环(12)。

6.根据权利要求1或2或3所述的磁能车，其特征是：将所述磁能车前面两个磁能机车轮用普通非动力车轮代替，成为后轮驱动的四轮车。

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