CN101506040B - 产生绕一输出轴线的旋转的方法和马达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及马达，且更具体地涉及旋转马达，该马达可响应于围绕一轴线的输入旋转动力而供应围绕一不同的输出轴线的输出动力。马达(1)包括安装在轴(3)上用于绕第一轴线(4)旋转的轮(2)。所述轴(3)附加地安装成绕一倾斜轴线(16)和马达(1)的输出轴线(11)两者旋转。

Description

产生绕一输出轴线的旋转的方法和马达
技术领域
本发明涉及马达，更具体地涉及旋转马达，该马达可响应于围绕一轴线的输入旋转动力供应围绕一不同的输出轴线的输出动力。 
背景技术
当旋转体上作用有围绕一与旋转轴线垂直的轴线的转矩时，将使旋转轴线自身围绕另一轴线旋转，所述另一轴线既垂直于所施加的转矩的轴线又垂直于旋转轴线。此原理是公知的。 
本发明的发明人已经发现，当体部的旋转轴线(以下称为第一轴线)自身限制成绕(a)与体部的旋转轴线形成锐角的第二轴线(以下称为输出轴线)和(b)大致垂直于第一轴线和第二轴线的第三轴线(以下称为倾斜轴线)旋转时，围绕倾斜轴线施加的使得锐角增大的转矩使得第一轴线绕输出轴线旋转。当体部的旋转速度超过一定的临界值时，此施加的转矩产生比所施加的转矩值更大的反动转矩，且该反动转矩也围绕倾斜轴线指向，但是方向相反。此反动转矩使第一轴线绕倾斜轴线以使得倾斜角减小的方向旋转。但是，如果这种绕倾斜轴线的旋转被例如机械装置所限制，那么体部绕输出轴线的旋转速度增加，由此产生有用的动力源。应当注意到，对于这种系统，用于限制这种旋转的装置不需要能量源，因此提高了马达的效率。 
为了理解这些效果，考虑体部以不同速度旋转时的位置是有用的。在体部根本不绕第一轴线旋转的简单情形中，绕倾斜轴线施加的使得锐角值增大的转矩仅产生第一轴线绕倾斜轴线的使得倾斜角增大的相应的旋转。如果体部以小于临界值的旋转速度旋转，则会有第一轴线的两个作为结果发生的旋转：不仅有第一轴线绕倾斜轴线的使倾斜角增大的旋转(这与体部不动的情况下相同)，而且有第一轴线绕输出轴线的旋转。当体部的旋转速度增加时，第一轴线绕倾斜轴线的旋转速度降低，而第一轴线绕输出轴线的旋转速度增加。当体部的旋转速度达到临界值时，仍然有第一轴线绕输出轴线的旋转，但是现在就不再有第一轴线绕倾斜轴线的任何旋转。在高于临界速度的旋转速度下，又有第一轴线的两个旋转，即：绕输出轴线的旋转和绕倾斜轴线的旋转，但在此情况下，绕倾斜轴线的旋转使得倾斜角减小。仅当体部的旋转速度高于临界速度时，马达才能产生有用的动力。 
由于体部的惯性使得施加转矩的时间和由此产生希望的第一轴线绕马达的输出轴线的旋转速度的时间之间存在延迟，在某些情况下通过向体部提供绕马达的输出轴线的附加的外部转矩来减小此延迟、以便启动和加速此旋转是有利的。这可以例如通过手动地或通过附加马达物理地旋转马达的输出轴来实现。 
已知体部的旋转速度的临界值根据体部的尺寸、体部的材料密度、倾斜角、转矩值和诸如环境温度和湿度的某些环境条件而变化。 
发明内容
本发明从实验中发现，供应到体部以使其旋转的输入动力用于产生所述体部绕此输出轴线以极高的效率旋转的形式的输出动力，因此根据此原理制成的马达将特别实用。 
这样，根据本发明的第一方面，提供了一种用于产生绕一输出轴线的旋转的马达，该马达包括：安装成绕第一轴线、第二轴线和第三轴线旋转的体部，第一轴线定方向为相对于第二轴线成一倾斜角、第二轴线构成马达的输出轴线，其中所述体部绕第三轴线的旋转造成倾斜角的改变；所述马达构造成使得所述体部能与一动力源连接，以便使体部以超过预定值的旋转速度绕第一轴线旋转；在第一轴线相对于第二轴线形成大于0度且小于90度的选定倾斜角时用于向体部施加绕第三轴线的使倾斜角增加的转 矩的装置，这样可产生绕第三轴线的使倾斜角减小的反向转矩；以及用于限制体部绕第三轴线的使得倾斜角减小的旋转的装置——否则该方向的旋转会由于反向转矩而产生，这样第一轴线相对于第二轴线的倾斜角保持大于0度且小于90度，从而启动或增大体部绕第二轴线旋转的速度以便产生动力。 
本发明已发现，由于这样的布置，马达的效率极高。此外，转矩施加装置方便地用作使得可产生输出动力的开关。 
如上所述，由于旋转限制装置不动，它可由不需要能量源的纯机械装置构成，因此有利于马达的高效率。 
限制装置布置成防止体部绕第三轴线的使倾斜角减小的任何旋转。 
体部可连接有一动力源，以便使得该体部以超过预定值的旋转速度绕第一轴线旋转。可选择地，该旋转可由手动产生。 
马达优选地包括用于将从体部绕第二轴线的运动产生的动力传递到动力源的回馈装置。这样，能够将至少一部分输出动力回馈回马达内。回馈装置优选布置成将足够的动力传递到动力源，以便克服由准衡状态(regimestate)下所述体部绕第一轴线旋转的摩擦而造成的能量损失。 
优选设置有用于控制动力源的装置，以便使得体部以所述超过预定值的旋转速度绕第一轴线旋转。 
已经发现存在最佳倾斜角，该最佳倾斜角取决于包括马达的所需转矩和马达的旋转速度在内的各种因素。因此，当倾斜角接近0度时，马达的输出转矩最小而马达的旋转速度最大。相反地，当倾斜角接近90度时，输出转矩最大，而旋转速度最小。由于马达的输出动力是输出转矩和输出旋转速度的乘积，因此，为使得输出动力最大，需要选择使得输出转矩和输出旋转速度的乘积最大的倾斜角。 
这样，马达优选还包括用于调节倾斜角的装置。在此情况下，可设置用于选择马达的希望的输出速度和/或希望的输出转矩并相应地调节倾斜角的装置。 
优选地，转矩施加装置布置成当选择的倾斜角在10度到80度的范围 内时施加转矩。 
同样优选地，限制装置布置成限制体部绕第三轴线的旋转，以便使第一轴线相对于第二轴线的倾斜角大于10度且小于80度。 
用于施加转矩的装置可包括弹簧，或者可选择地包括液压撞锤、气动撞锤和电磁撞锤中的一个或多个。 
用于施加转矩的装置可附加地用作限制装置。可选择地，限制装置可包括一单独的抵挡件。 
优选地设置有用于控制由转矩施加装置施加的转矩值的装置。 
在第一实施例中，第一轴线和第二轴线相交，第一轴线和第二轴线之一或两者都优选为大致通过体部的质心。 
在第二可供选择的实施例中，第一和第二轴线不相交，在此情况下，当沿连接第一轴线和第二轴线的最短线的方向看时，倾斜角限定成第一和第二轴之间形成的锐角。表示这种几何关系的替代方法是考虑第一轴线上的一点和考虑通过此点且平行于第二轴线的假想线。然后该倾斜角限定成第一轴线和此假想线相交形成的锐角。 
所述体部优选地关于第一轴线成圆柱形对称，且可包括圆柱，所述圆柱的厚度从第一轴线附近的最大值逐渐减小到其圆周处的最小值。 
所述体部优选由弹性模量高(优选高于100GPa)的材料制成。 
体部的材料选择成使得它的密度适合于马达的要求的输出动力。因此，如果要求高的输出动力，可使用高密度的材料，例如钢。但是，将钢形成希望的形状可能很困难且因此很昂贵，因此，对于低的输出动力要求，可作为替代使用热塑材料。 
对于这种马达，由于(a)马达的部件关于输出轴线不对称以及(b)垂直于输出轴线的反动转矩的分量，可能会由于马达内的不平衡的作用力而产生不希望的振动。这个问题可通过将马达固定地安装到地面来解决。可选择地或附加地，可安装一个或多个平衡质量块以绕输出轴线旋转，以便通过减少不对称性和通过产生平衡反动转矩的向心力来至少部分地进行 补偿。另一种可选方案可以是提供多个这样的马达，可将它们安装在一起且使它们以大致相同的频率但以各自不同的相进行操作，该可选方案可单独使用或和上述方案中的一个或两个结合使用。在这种情况下，如果马达的相间隔相等，那么任何这样的振动都被最小化。这样，对于四马达的系统，相可以是0度、90度、180度和270度。 
本发明因此扩展到一种上述类型的马达的组件，结合有用于使各马达以大致相同的旋转频率、但以各自不同的相位角旋转的装置和用于结合马达的输出动力的装置。 
在这种情况下，优选的马达数目为4，且马达可有利地布置成2×2阵列。 
本发明扩展到一种由如上所述的马达提供动力的车辆，例如公路车辆、飞机或水运车辆。 
本发明还扩展到一种包括如上所述的马达的发电机。 
根据本发明的第二方面，提供了一种产生绕一输出轴线的旋转的方法，该方法包括：安装用于绕第一轴线、第二轴线和第三轴线旋转的体部，所述第一轴线定方向为相对于第二轴线形成一倾斜角，第二轴线构成马达的输出轴线，其中体部绕第三轴线的旋转造成倾斜角的改变；使体部绕第一轴线以超出预定值的旋转速度旋转；当第一轴线相对于第二轴线的选定倾斜角大于0度且小于90度时，向体部施加绕第三轴线以使倾斜角增加的转矩，从而产生绕第三轴线的使得倾斜角减小的反向转矩；以及限制体部绕第三轴线的使倾斜角减小的旋转——该方向的旋转否则会由于反向转矩而产生，这样第一轴线相对于第二轴线的倾斜角保持大于0度小于90度；这样可启动或增大体部绕第二轴线的旋转速度以便产生动力。 
该方法优选还包括根据希望的马达输出轴线的旋转速度来调节倾斜角。在这种情况下，可选择马达的希望的输出速度和/或希望的输出转矩并相应地调节倾斜角。 
该方法优选还包括使用一些产生的动力来执行体部绕第一轴线旋转的步骤。在这种情况下，如此使用的动力的量优选为足以克服由于体部绕第 一轴线旋转的摩擦而造成的能量损失。 
本发明扩展到一种由上述方法提供动力的车辆的制造方法。所述车辆可以是公路车辆、飞机或水运车辆。 
本发明扩展到一种利用由上述方法提供动力的冷凝泵对暴露于大气的表面进行冷却、从而从大气获得纯水的供应的方法。 
本发明进一步扩展到一种利用上述方法提供动力的泵将大气中的空气泵送通过过滤器、从而去除大气中的污染物的方法。 
本发明进一步扩展到一种利用上述方法发电的方法。这可通过将马达的输出旋转耦合到一发电机而实现。 
附图说明
下面结合附图来描述本发明的优选的、非限制性的实施例，其中： 
图1示出根据本发明的优选实施例的马达的示意图； 
图2是图1的马达的部件的旋转轴线的相对方位的示意图；及 
图3表示为产生图1的马达的输出动力而施加的转矩的方向的示意图。 
具体实施方式
如图1所示，马达1包括共轴地安装在旋转轴3上以便随之绕第一轴线4旋转的实心圆柱轮2形式的体部。旋转轴3通过内部支承件/轴承6安装在内部支架5中。内部支架5通过外部支承件8安装在外部支架7内以便限制绕一轴线的旋转——该轴线在后面称为倾斜轴线，而第二支架7又通过框架支承件10安装在框架9内，这样第二支架7可相对于框架9绕构成马达1的输出轴线的第二轴线11旋转。 
可通过电动马达12或其它输入动力源使轮2的旋转轴3绕第一轴线4旋转。电动马达12可由电池提供动力。旋转轴3安装成相对于马达1的输出轴线11呈倾斜角θ，该倾斜角大于0度小于90度。这可在图2中更加清楚地看出。轮2安装成使得第一轴线4和第二轴线11在轮2的质心相交。图2中示出的平面13更清楚地示出轮2的空间位置，示出立方体14仅仅 是为了示出轴线的相对方位。 
液压撞锤15用于向旋转轴3且从而也向轮2施加绕定义成倾斜轴线的第三轴线16的转矩，该倾斜轴线垂直于第一轴线4和第二轴线11，并且(所述液压撞锤或转矩)定向成使得倾斜角θ增大。 
这使得第一轴线4绕马达1的第二、输出轴线11旋转。 
液压撞锤15附加地用于防止第一轴线4的倾斜角θ以与施加的转矩相反的方向旋转。 
在马达1的操作中，首先使轮2绕第一轴线4旋转，直到它超出预定的临界旋转速度为止。然后启动液压撞锤15以便经内部支承件/轴承6间接地向轮2和旋转轴3施加绕倾斜轴线16且使倾斜角θ增加的转矩。这使得第一轴线4绕输出轴线11旋转。但是，由于绕第一轴线4的超过临界旋转速度的轮2的旋转，会产生一反动转矩，该反动转矩具有一同样绕倾斜轴线16但是方向相反(即使倾斜角θ减小)的分量。此反动转矩使得第一轴线4附加地绕倾斜轴线16以使得倾斜角θ减小的方向旋转。但是，此运动随之被用作抵挡件的液压撞锤15阻止。这样，轮2、旋转轴3、第一支架5和第二支架7绕输出轴线11的旋转速度增加。在这个阶段，可向马达1的输出施加载荷。 
液压撞锤15的操作由控制单元17控制，该控制单元供应有来自安装在液压撞锤15上的传感器(未示出)的位置信号。由控制单元17产生的响应于位置信号的控制信号影响液压撞锤15中的液压，以便使内部支架5相对于外部支架7旋转到希望的倾斜角θ。 
控制单元17提供用于控制轮2的旋转速度、倾斜角θ和所施加的转矩值的控制信号。如上所述，倾斜角θ通过液压撞锤15控制。通过控制这些参数，能够控制马达1的输出旋转速度。 
带18、交流发电机19、电线束20和控制单元17形式的回馈机构用于将来自马达1的一部分输出动力再供给电动马达12。 
图3中示出施加转矩所围绕的倾斜轴线的朝向以及转矩的方向，其中可看出轮2绕第一轴线4旋转，该第一轴线4相对于第二、输出轴线11 呈倾斜角θ。由液压撞锤15施加的转矩的方向由标号为21的箭头表示，且造成的反动转矩的方向由标号为22的箭头表示。 
尽管在优选的实施例中第一轴线4和第二轴线11在轮2的质心处相交，但是可设想其中第一轴线和第二轴线不相交的替换布置，在这种情况下，第一轴线和第二轴线之一或第一轴线和第二轴线都不通过轮的质心。 
应当注意，尽管优选实施例中马达的输出轴线是水平的，但是，在输出轴线为任意希望的朝向的情况下马达也可以工作。 

Claims (49)

1.一种产生绕一输出轴线(11)的旋转的方法，该方法包括：
(A)安装用于绕第一轴线(4)、第二轴线(11)和第三轴线(16)旋转的体部(2)，所述第一轴线(4)定方向为相对于第二轴线(11)成一倾斜角(θ)，第二轴线(11)构成马达(1)的输出轴线(11)，其中所述体部(2)绕第三轴线(16)的旋转造成倾斜角(θ)的改变；
(B)使体部(2)绕第一轴线(4)以超过预定值的旋转速度旋转；
(C)当第一轴线(4)相对于第二轴线(11)的选定的倾斜角(θ)大于0度且小于90度时，向体部(2)施加绕第三轴线(16)的使倾斜角(θ)增加的转矩；
(D)限制体部(2)绕第三轴线(16)的使倾斜角(θ)减小的旋转——该方向的旋转否则会由于反向转矩而产生，以使第一轴线(4)相对于第二轴线(11)的倾斜角(θ)保持大于0度小于90度；由此启动或增大体部(2)绕第二轴线(11)的旋转速度以便产生动力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括向体部(2)施加绕马达(1)的输出轴线(11)的附加的外部转矩以防止时间延迟。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括控制动力源，以使体部(2)以所述超过预定值的旋转速度绕第一轴线旋转。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选定的倾斜角(θ)大于10度且小于80度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括控制施加的转矩的值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述体部(2)绕第三轴线(16)的旋转被限制成使得第一轴线(4)相对于第二轴线(11)的倾斜角大于10度且小于80度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括调节倾斜角(θ)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括选择希望的马达(1)的输出速度和根据选择的输出速度调节倾斜角(θ)。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括选择希望的马达(1)的输出转矩和根据选择的输出转矩调节倾斜角(θ)。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，限制体部(2)绕第三轴线(16)的使倾斜角(θ)减小的旋转包括防止体部(2)绕第三轴线(16)的在使倾斜角(θ)减小的方向上的任何旋转。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括在准衡状态下使用一部分产生的动力来执行使体部(2)绕第一轴线(4)的旋转的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所使用的动力的量足以克服由于体部(2)绕第一轴线(4)旋转的摩擦力而产生的能量损失。
13.一种通过根据权利要求1所述的方法提供动力的车辆的制造方法。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述车辆的形式是公路车辆。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述车辆包括飞机。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述车辆包括水运车辆。
17.一种利用由根据权利要求1所述的方法提供动力的冷凝泵对暴露于大气的表面进行冷却、从而从大气获得纯水的供应的方法。
18.一种利用由根据权利要求1所述的方法提供动力的泵将大气中的空气泵送通过过滤器、从而去除大气中的污染物的方法。
19.一种利用由根据权利要求1所述的方法发电的方法。
20.一种用于产生绕一输出轴线(11)的旋转的马达(1)，该马达(1)包括：
(a)安装成绕第一轴线(4)、第二轴线(11)和第三轴线(16)旋转的体部(2)，第一轴线(4)定方向为相对于第二轴线(11)成一倾斜角(θ)、第二轴线(11)构成马达(1)的输出轴线(11)，其中所述体部(2)绕第三轴线(16)的旋转造成倾斜角(θ)的改变；
(b)所述马达(1)构造成使得体部(2)能与一动力源(12)连接，以便使体部绕第一轴线(4)以超过预定值的旋转速度旋转；
(c)在第一轴线(4)相对于第二轴线(11)形成大于0度且小于90度的选定倾斜角(θ)时用于向体部(2)施加绕第三轴线(16)的使倾斜角(θ)增加的转矩的转矩施加装置；
(d)用于限制体部(2)绕第三轴线(16)使倾斜角(θ)减小的旋转的限制装置——否则该方向的旋转会由于反向转矩而产生，以使得第一轴线(4)相对于第二轴线(11)的倾斜角(θ)保持大于0度且小于90度；由此启动或增大体部(2)绕第二轴线(11)旋转的速度以便产生动力。
21.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述马达还包括与所述体部(2)连接的动力源(12)，以便使体部以超过预定值的旋转速度绕第一轴线(4)旋转。
22.根据权利要求21所述的马达(1)，其特征在于，该马达还包括用于将体部(2)绕第二轴线(11)的运动产生的动力传递到动力源的回馈装置(17，18，19，20)。
23.根据权利要求22所述的马达(1)，其特征在于，所述回馈装置(17，18，19，20)布置成将足够的动力传递到动力源(12)，以便克服由准衡状态下所述体部(2)绕第一轴线(4)旋转的摩擦而造成的能量损失。
24.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述马达还包括用于控制动力源(12)以便使得体部(2)以所述超过预定值的旋转速度绕第一轴线(4)旋转的装置。
25.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述转矩施加装置布置成当选定倾斜角(θ)大于10度且小于80度时施加转矩。
26.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，该马达还包括用于控制由转矩施加装置施加的转矩的值的装置。
27.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述限制装置布置成限制所述体部(2)绕第三轴线(16)的旋转，使得第一轴线(4)相对于第二轴线(11)的倾斜角(θ)大于10度且小于80度。
28.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述马达还包括用于调节倾斜角(θ)的调节装置。
29.根据权利要求28所述的马达(1)，其特征在于，该马达还包括用于选择希望的马达(1)的输出速度和使调节装置根据选择的输出速度调节倾斜角(θ)的装置。
30.根据权利要求28所述的马达(1)，其特征在于，该马达还包括用于选择希望的马达(1)的输出转矩和根据选择的输出转矩调节倾斜角(θ)的装置。
31.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述转矩施加装置包括弹簧。
32.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述转矩施加装置包括液压撞锤、气动撞锤和电磁撞锤中的一个或多个。
33.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述限制装置布置成防止体部(2)绕第三轴线(16)在使得倾斜角(θ)减小的方向上的任何旋转。
34.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述转矩施加装置附加地用作限制装置。
35.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述限制装置包括一抵挡件。
36.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述第一轴线(4)和第二轴线(11)相交。
37.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述第一轴线(4)通过体部(2)的质心。
38.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述第二轴线(11)通过体部(2)的质心。
39.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述第一轴线(4)和第二轴线(11)不相交，且沿连接第一轴线(4)和第二轴线(11)的最短线的方向看去，所述倾斜角(θ)限定为第一轴线(4)和第二轴线(11)之间的锐角。
40.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述体部(2)关于第一轴线(4)圆柱形对称。
41.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，所述体部(2)由弹性模量高于100GPa的材料制成。
42.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，还包括用于将马达(1)安装到地面的装置。
43.根据权利要求20所述的马达(1)，其特征在于，该马达还包括安装成绕第二轴线(11)旋转的一个或多个平衡质量块。
44.一种马达的组件，其中每一个马达都包括根据权利要求20所述的马达(1)，结合有用于使各马达以相同的旋转速度、但是以各自不同的相位角旋转的装置和用于结合马达的输出动力的装置。
45.一种由根据权利要求20所述的马达(1)或根据权利要求44所述的马达的组件提供动力的车辆。
46.一种根据权利要求45所述的车辆，该车辆的形式为公路车辆。
47.一种根据权利要求45所述的车辆，该车辆的形式为飞机。
48.一种根据权利要求45所述的车辆，该车辆的形式为水运车辆。
49.一种包括根据权利要求20所述的马达(1)或根据权利要求44所述的马达的组件的发电机。
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