CN102120419A - 电力活塞驱动式电动车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用电力活塞电动机更换原有机动车中的汽柴油发动机的电力活塞驱动式电动车，其包括：电力活塞电动机、连接于电力活塞驱动式电动车中的曲轴上的飞轮、设于飞轮上的离合器、与离合器的输出轴相连的变速箱、与变速箱的输出轴传动连接的车辆传动系统；飞轮外缘的齿圈与一启动系统的驱动齿轮啮合；工作时，电力活塞电动机中的电磁铁的线圈电流方向始终保持不变；在活塞即将到达上、下止点时，控制电磁铁绕其高度中心线快速旋转180°，以快速切换电磁铁上下端的磁极性，从而使电磁铁反复对活塞产生作用力以驱动曲轴，其避免了现有技术的因线圈电流无法实现瞬时换向而带来的延时，确保了本发明的电动车行驶的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电力活塞电动机驱动的电动车的技术领域，具体是一种电力活塞驱动式电动车。
背景技术
中国专利文献CN101860168A公开了一种电力发动机，其把传统发动机供气、供油、排气、点火系统去掉，用电磁铁组件替代，活塞内部嵌入永久磁铁，然后通过控制电磁铁线圈的电流方向来控制活塞在缸内上下位移，活塞经连杆曲轴机构对外输出动力。该电力发动机适用于汽车、摩托车等交通工具。
类似上述技术方案的专利文献，还有CN1996724A、CN1255767A、CN200990555Y等。
上述现有技术中的电力活塞式电动机的不足之处在于：通过频繁切换流经电磁铁线圈的电流方向来改变电磁铁的磁极性，从而控制电磁铁与活塞的作用力的方向，进而控制活塞的往复位移；但在实际实施过程中，由于电磁铁线圈的电流方向不能瞬时改变，导致无法确保电动机的输出功率或扭矩的连续性和稳定性。因此，采用切换流经电磁铁线圈的电流方向来改变电磁铁的磁极性，从而控制活塞的位移方向的技术方案，不具有实用性。
为解决上述技术问题，中国专利文献CN101697445A公开了一种电动机，其采用一对上下设置的励磁线圈交替导电，以使活塞往复位移。但在实际实施过程中，由于励磁线圈的电流不能瞬时改变，且上下励磁线圈存在互相串扰和磁性中和等原因，该方案也无法确保电动机的输出功率或扭矩的连续性和稳定性。
如何提高电力活塞式电动机的输出功率或扭矩的连续性和稳定性，是本领域要解决的技术问题。
此外，现有的电动车常采用电机直接驱动车轮，将现有的汽柴油机动车改装成采用电机直接驱动的电动车，成本较高、工序繁琐且不易实现。如何将现有的汽柴油机动车中的汽柴油发动机直接换成电动式，并利用原有机动车中的飞轮、离合器、变速箱等直接驱动机动车的传动系统，是本领域要解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、利用电力活塞电动机更换原有机动车中的汽柴油发动机以驱动传动系统的电力活塞驱动式电动车。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电力活塞驱动式电动车，其包括：电力活塞电动机、连接于电力活塞电动机中的曲轴上的飞轮、设于飞轮上的离合器、与离合器的输出轴相连的变速箱、与变速箱的输出轴传动连接的车辆传动系统；飞轮外缘的齿圈与一启动系统的驱动齿轮啮合；所述电力活塞电动机包括：多个缸体、设于缸体内的由永磁体制成的活塞和用于将各活塞与所述曲轴传动连接的连杆；曲轴设于各缸体的下方；所述缸体的上端设有与缸体同轴心线的电磁铁，电磁铁的线圈与一线圈驱动电路相连；电磁铁设于一由CPU单元控制的适于将电磁铁反复旋转180°的翻转机构上；所述线圈驱动电路和步进电机与所述CPU单元相连；邻近缸体的上、下止点处分别设有与CPU单元相连的上、下行程开关；所述缸体的底部中央设有一与所述CPU单元相连的霍尔传感器。
电动车启动时，采用所述启动系统驱动所述飞轮并使所述曲轴转动，所述CPU单元通过各缸体底部的霍尔传感器检测各活塞的位移方向；若测得一缸体内的活塞正向下位移，则所述CPU单元通过所述线圈驱动电路向该缸体上方的电磁铁的线圈提供相应方向的电流，以使该电磁铁底部的磁极性与活塞顶部的磁极性相同，活塞因来自电磁铁的下斥力而在该缸体内加速下移；若测得一缸体内的活塞正向上位移，则所述CPU单元通过所述线圈驱动电路向该缸体上方的电磁铁的线圈提供相应方向的电流，以使该电磁铁底部的磁极性与活塞顶部的磁极性相反，活塞因来自电磁铁的上吸力而在该缸体内加速上移；待各电磁铁的线圈得电后，断开所述启动系统并保持各线圈中的电流方向不变；同时，当所述CPU单元通过所述下行程开关测得一缸体内的活塞即将到达该缸体的下止点时，CPU单元通过所述翻转机构控制该缸体上方的电磁铁绕该电磁铁的高度中心线旋转180°，且此时的活塞已到达下止点，由于此时的电磁铁底部的磁极性与活塞顶部的磁极性相反，活塞因来自电磁铁的上吸力而开始在该缸体内向上位移；当所述CPU单元通过所述上行程开关测得该活塞即将到达该缸体的上止点时，CPU单元通过所述翻转机构控制该缸体上方的电磁铁绕该电磁铁的高度中心线反向旋转180°，且此时的活塞已到达上止点，由于此时的电磁铁底部的磁极性与活塞顶部的磁极性相同，活塞因来自电磁铁的下斥力而开始向下位移；如此反复，从而使各活塞经相应的连杆驱动所述曲轴运转并带动所述飞轮，飞轮通过离合器、变速箱驱动车辆传动系统，从而驱动电动车。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：（1）本发明的电力活塞式电动机在工作过程中，电磁铁的线圈电流方向始终保持不变；在活塞即将到达上、下止点时，控制电磁铁绕其高度中心线快速旋转180°，以快速切换电磁铁上下端的磁极性，从而使电磁铁反复对活塞产生作用力，进而驱动曲轴并使飞轮对外输出正扭矩。本发明采用的上述方案，避免了现有技术的因线圈电流无法实现瞬时换向而带来的延时，进而使本发明的电动机的输出功率或扭矩具有较好的连续性和稳定性，实用性较好。（2）本发明的电动机在启动时，采用启动系统使所述飞轮转动，CPU单元通过各缸体内的霍尔传感器检测各活塞的位移方向，以根据各活塞的位移方向通过线圈驱动电路向各线圈提供相应方向的电流，以实现各活塞通过相应的连杆驱动曲轴连续运转，然后断开启动系统，从而实现了本发明的电动机的可靠启动。（3）当飞轮运转过程中，需要飞轮对外输出负扭矩时，先停止向各线圈供电，然后CPU单元通过各缸体内的霍尔传感器检测各活塞的位移方向，并根据各活塞的位移方向通过线圈驱动电路向各线圈提供相应方向的电流并保持电流方向不变，然后根据各活塞的位置，通过电磁铁绕其高度中心线快速旋转180°的方式快速切换电磁铁上下端的磁极性，从而使电磁铁反复对各活塞产生阻尼力，进而制动曲轴并使所述飞轮对外输出负扭矩并实施制动，确保了驾驶安全。。（4）本发明中的霍尔传感器设于缸体的底部中央，且与所述活塞的底面中央相对，由于活塞的两个磁极与电磁铁的两个磁极上下同直线分布，因此霍尔传感器获取的电磁信号基本来自活塞底部，即霍尔传感器基本不受电磁铁的干扰，确保了活塞位置检测的可靠性。具体实施时，还可采用电磁补偿和/或屏蔽除垂直方向的电磁信号的屏蔽措施，来提高霍尔传感器输出信号的可靠性。（5）本发明中，各活塞在相应的缸体中对称分布于缸体的高度中心线两侧，以确保各活塞作用与曲轴上的作用力具有较好的均匀性和稳定性。（6）本发明的电动车主要是指电动汽车，也可以是电动摩托车、电动三轮车、电动农用机械车等。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为实施例中的电力活塞式电动机的结构示意图；
图2为实施例中的电力活塞式电动机采用的一种用于控制电磁铁绕其高度中心线旋转180°的翻转机构及缸体的结构示意图；
图3为所述电力活塞式电动机的控制电路的电路框图；
图4为实施例中的电力活塞驱动式电动车的传动系构造图;
图5为实施例中的电力活塞式电动机采用的另一种所述翻转机构及缸体的结构示意图。
具体实施方式
见图1-3，本实施例的电力活塞驱动式电动车,其包括：电力活塞电动机20、连接于电力活塞电动机20中的曲轴上的飞轮、设于飞轮上的离合器21、与离合器21的输出轴相连的变速箱22、与变速箱22的输出轴传动连接的车辆传动系统；飞轮外缘的齿圈与一启动系统的驱动齿轮啮合。该启动系统采用现有技术中的与现有的汽油发动机配套使用的启动系统。
所述车辆传动系统包括：经万向节23与变速箱22的输出轴传动连接的驱动轴24、经另一万向节与驱动轴24传动连接的差速器27、以及与差速器27通过半轴26传动相连的车轮。其中，在驱动轴24与差速器27可设置主减速器25。
所述电力活塞电动机20包括：多个高电阻非导磁材料（如：铝合金、铜合金等）制成的缸体1、设于缸体1内的由永磁体制成的活塞5、设于各缸体1下方的曲轴2和用于将各活塞5与所述曲轴2传动连接的连杆3；所述缸体1的上端设有与缸体1同轴心线的电磁铁7，电磁铁7的线圈8与一线圈驱动电路相连；电磁铁7的高度中心线上设有转轴9，该转轴9通过一对轴承座4设于缸体1上方；转轴9的一端经一变速箱11与一步进电机12传动相连；所述线圈驱动电路和步进电机12与一CPU单元相连；邻近缸体1的上、下止点处分别设有与CPU单元相连的上、下行程开关13和14；所述缸体1的底部中央设有一与所述CPU单元相连的霍尔传感器15。所述霍尔传感器15与所述活塞5的底面中央相对。霍尔传感器15设于一非导磁材料的金属管中，该金属管与所述活塞5同轴心线。以进一步使霍尔传感器15获取的电磁信号基本来自活塞的底部。所述上、下行程开关13和14采用接触式或红外线式行程开关。活塞5上设有耐磨圈。采用一制动系统，其包括：制动踏板、由制动踏板传动控制的制动器和与所述CPU单元相连的用于检测制动踏板位置的制动踏板传感器。
各活塞5在所述缸体1中处于不同的行程位置，且各活塞5在相应的缸体1中对称分布于缸体1的高度中心线两侧，以确保连杆3适于连续传动曲轴2，并使曲轴2输出的扭矩稳定。
电动车启动时，采用所述启动系统驱动所述飞轮并使所述曲轴2转动，所述CPU单元通过各缸体1底部的霍尔传感器15检测各活塞5的位移方向；此时，若测得一缸体1内的活塞5正向下位移，则所述CPU单元通过所述线圈驱动电路向该缸体1上方的电磁铁7的线圈8提供相应方向的电流，以使该电磁铁7底部的磁极性与活塞5顶部的磁极性相同，活塞5因来自电磁铁7的下斥力而在该缸体1内加速下移；或，此时若测得一缸体1内的活塞5正向上位移，则所述CPU单元通过所述线圈驱动电路向该缸体1上方的电磁铁7的线圈8提供相应方向的电流，以使该电磁铁7底部的磁极性与活塞5顶部的磁极性相反，活塞5因来自电磁铁7的上吸力而在该缸体1内加速上移；待各电磁铁7的线圈8得电后，断开所述启动系统并保持各线圈8中的电流方向不变；同时，当所述CPU单元通过所述下行程开关14测得一缸体1内的活塞5即将到达该缸体1的下止点时，CPU单元向所述步进电机12输出一个脉冲信号，以驱动该步进电机12按设定的方向转动一个固定的角度，从而使步进电机12经所述变速箱11控制所述转轴9旋转180°，且此时的活塞5恰好或已到达下止点，由于此时的电磁铁7底部的磁极性与活塞5顶部的磁极性相反，活塞5因来自电磁铁7的上吸力而开始在该缸体1内向上位移；当所述CPU单元通过所述上行程开关13测得该活塞5即将到达该缸体1的上止点时，CPU单元向所述步进电机12输出另一脉冲信号，以驱动该步进电机12反方向转动一个固定的角度，从而使步进电机12经所述变速箱11控制所述转轴9反向旋转180°，且此时的活塞5恰好或已到达上止点，且活塞5因下斥力而开始向下位移；如此反复，从而使各活塞5经相应的连杆3驱动所述曲轴2运转以带动所述飞轮，飞轮通过离合器21、变速箱22驱动车辆传动系统，从而驱动电动车。
所述CPU单元通过霍尔传感器15检测所述活塞5的位置，以得出同一缸体1内的所述活塞5与电磁铁7的间距，并根据该间距大小实时通过所述线圈驱动电路调整所述线圈8中的电流大小，以使所述活塞5在上、下位移过程中，保持活塞5与电磁铁7之间的作用力的大小稳定，以使本电动机输出的功率或扭矩的连续性和稳定性较好。
本电动车的调速踏板（其采用现有技术中的油门踏板）上设有与所述CPU单元相连的调速踏板传感器，CPU单元通过调速踏板传感器检测调速踏板的位置，进而控制各线圈8的电流大小，从而实现车速控制。调速踏板传感器可选用压力传感器，根据调速踏板被踏入的深度而输出相应的压力值信号。所述调速踏板可以采用调速手把（其采用现有技术中的电动自行车的调速手把）来替换，以应用于电动摩托车或电动三轮车等。
所述CPU单元还连接有用于检测车辆底盘角度的车辆坡度传感器（可采用中国专利文献CN2703248公开的汽车坡度传感器）；当本电动车的前行时，若通过所述车辆坡度传感器测得当前车辆在向上爬坡，且测得调速踏板的位置不变，则CPU单元根据坡度大小自动相应调高各线圈8的电流，以使车速稳定。若通过所述车辆坡度传感器测得当前车辆在向下滑坡且测得调速踏板的位置不变，则CPU单元根据坡度大小自动相应调低各线圈8的电流，以使车速稳定。当测得下坡坡度较大时，例如大于10°，且测得调速踏板已被松开，则CPU单元启动电动机制动程序。
当CPU单元启动电动机制动程序时，由于所述曲轴2处于运转状态，CPU单元先控制所述线圈驱动电路停止向各线圈8供电；然后由所述CPU单元通过所述霍尔传感器15检测各活塞5的位移方向，若测得同一活塞5正向下位移，则CPU单元通过对应的线圈8提供相应方向的电流，以使相应的电磁铁7底部的磁极性与活塞5顶部的磁极性相反，以降低活塞5的下移速率，从而制动所述曲轴2，即：使所述飞轮对外输出负扭矩；若测得一活塞5正向上位移，则CPU单元通过所述线圈驱动电路向对应的线圈8提供相应方向的电流，以使相应的电磁铁7底部的磁极性与活塞5顶部的磁极性相同，以降低活塞5的上移速率，从而制动所述曲轴2。
在所述曲轴2仍未停止运转时，若CPU单元通过所述下行程开关14测得该活塞5即将到达该缸体1的下止点，则CPU单元向所述步进电机12输出一个脉冲信号，以驱动该步进电机12按设定的方向转动一个固定的角度，从而使步进电机12经所述变速箱11控制所述转轴9旋转180°，若此时的活塞5恰好或已到达下止点并开始向上位移，则由于此时的电磁铁7底部的磁极性与活塞5顶部的磁极性相同，活塞5在开始向上位移的同时承受来自电磁铁7的下斥力而制动所述曲轴2；若CPU单元通过所述上行程开关13测得该活塞5即将到达该缸体1的上止点，则CPU单元向所述步进电机12输出另一脉冲信号，以驱动该步进电机12反向转动一个固定的角度，从而使步进电机12经所述变速箱11控制所述转轴9反向旋转180°，若此时的活塞5恰好或已到达上止点并开始向下位移，则由于此时的电磁铁7底部的磁极性与活塞5顶部的磁极性相反，活塞5因来自电磁铁7的上吸力而制动所述曲轴2；如此反复，以使所述飞轮对外输出负扭矩，直至车速降至安全速度以内，如30Km/h；或，直至CPU单元通过调速踏板传感器测得调速踏板被重新踏下，此时CPU单元重新控制所述飞轮正常输出正扭矩。
所述CPU单元通过霍尔传感器15检测各活塞5的位移速率低于预设值（该预设值可通过实验获取）时，即判断所述曲轴2即将停止运转。考虑到线圈8的电流不能瞬时变化，因此在所述曲轴2即将停止运转时，提前切断线圈8的电源，利于节能并确保所述曲轴2能及时停止运转。
在通过所述曲轴2对外输出制动扭矩时，所述线圈驱动电路向所述线圈8提供的电流为脉冲电流。所述线圈8一侧设有风冷装置或所述线圈8设于油冷装置中；线圈8中的脉冲电流的占空比与所述线圈8的温度为线性或非线性负相关，以防止线圈8过热。
在电动车行驶过程中，若CPU单元通过车速传感器测得车速低于30Km/h，则CPU单元启动怠速滑行程序。即CPU单元控制各线圈8中电流大小，以使车速稳定于20Km/h。
本电动车的制动系统采用现有技术的汽油机动车的制动系统。
当车速较高，如大于40Km/h，CPU单元通过制动踏板传感器测得制动踏板被踩下，即制动系统实施制动时，CPU单元也启动所述电动机制动程序，直至所述曲轴2即将停止运转时，停止向各线圈8供电；或，直至CPU单元通过制动踏板传感器测得制动踏板被松开，即制动系统停止实施制动时，停止向各线圈8供电；CPU单元重新控制所述飞轮输出正扭矩；若此时测得调速踏板被踩下时，CPU单元重新控制所述飞轮输出正扭矩。
图5为另一种所述翻转机构的结构示意图，电磁铁7设于一小齿轮16上，且该小齿轮16的中心轴设于电磁铁7的中心点上，该小齿轮16与一大齿轮17相啮合，该大齿轮17与所述变速箱11传动相连；工作时，CPU单元向所述步进电机12输出一个脉冲信号，以驱动该步进电机12按设定的方向转动一个固定的角度，从而使步进电机12经所述变速箱11、大齿轮17控制所述小齿轮16顺时针或逆时针旋转180°。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种电力活塞驱动式电动车，其特征在于包括：电力活塞电动机（20）、连接于电力活塞电动机（20）中的曲轴上的飞轮、设于飞轮上的离合器（21）、与离合器（21）的输出轴相连的变速箱（22）、与变速箱（22）的输出轴传动连接的车辆传动系统；
飞轮外缘的齿圈与一启动系统的驱动齿轮啮合；
所述电力活塞电动机（20）包括：多个缸体（1）、设于缸体（1）内的由永磁体制成的活塞（5）和用于将各活塞（5）与所述曲轴（2）传动连接的连杆（3）；曲轴（2）设于各缸体（1）的下方；
所述缸体（1）的上端设有与缸体（1）同轴心线的电磁铁（7），电磁铁（7）的线圈（8）与一线圈驱动电路相连；
所述电磁铁（7）设于一由CPU单元控制的适于将电磁铁（7）反复旋转180°的翻转机构上；
所述线圈驱动电路与所述CPU单元相连；邻近缸体（1）的上、下止点处分别设有与CPU单元相连的上、下行程开关（13、14）；所述缸体（1）的底部中央设有与所述CPU单元相连的霍尔传感器（15）。
2.根据权利要求1所述的电力活塞驱动式电动车，其特征在于：电动车启动时，采用所述启动系统驱动所述飞轮并使所述曲轴（2）转动，所述CPU单元通过各缸体（1）底部的霍尔传感器（15）检测各活塞（5）的位移方向；
若测得一缸体（1）内的活塞（5）正向下位移，则所述CPU单元通过所述线圈驱动电路向该缸体（1）上方的电磁铁（7）的线圈（8）提供相应方向的电流，以使该电磁铁（7）底部的磁极性与活塞（5）顶部的磁极性相同，活塞（5）因来自电磁铁（7）的下斥力而在该缸体（1）内加速下移；
若测得一缸体（1）内的活塞（5）正向上位移，则所述CPU单元通过所述线圈驱动电路向该缸体（1）上方的电磁铁（7）的线圈（8）提供相应方向的电流，以使该电磁铁（7）底部的磁极性与活塞（5）顶部的磁极性相反，活塞（5）因来自电磁铁（7）的上吸力而在该缸体（1）内加速上移；
待各电磁铁（7）的线圈（8）得电后，断开所述启动系统并保持各线圈（8）中的电流方向不变；
同时，当所述CPU单元通过所述下行程开关（14）测得一缸体（1）内的活塞（5）即将到达该缸体（1）的下止点时，CPU单元通过所述翻转机构控制该缸体（1）上方的电磁铁（7）绕该电磁铁（7）的高度中心线旋转180°，且此时的活塞（5）已到达下止点，由于此时的电磁铁（7）底部的磁极性与活塞（5）顶部的磁极性相反，活塞（5）因来自电磁铁（7）的上吸力而开始在该缸体（1）内向上位移；当所述CPU单元通过所述上行程开关（13）测得该活塞（5）即将到达该缸体（1）的上止点时，CPU单元通过所述翻转机构控制该缸体（1）上方的电磁铁（7）绕该电磁铁（7）的高度中心线反向旋转180°，且此时的活塞（5）已到达上止点，由于此时的电磁铁（7）底部的磁极性与活塞（5）顶部的磁极性相同，活塞（5）因来自电磁铁（7）的下斥力而开始向下位移；如此反复，从而使各活塞（5）经相应的连杆（3）驱动所述曲轴（2）运转并带动所述飞轮，飞轮通过离合器（21）、变速箱（22）驱动车辆传动系统，从而驱动电动车。
3.根据权利要求2所述的电力活塞驱动式电动车，其特征在于：所述CPU单元通过霍尔传感器（15）检测所述活塞（5）的位置，以得出同一缸体（1）内的所述活塞（5）与电磁铁（7）的间距，并根据该间距大小实时通过所述线圈驱动电路调整所述线圈（8）中的电流大小，以使所述活塞（5）在上、下位移过程中，保持活塞（5）与电磁铁（7）之间的作用力的大小稳定。
4.根据权利要求3所述的电力活塞驱动式电动车，其特征在于：各活塞（5）在相应的缸体（1）中对称分布于缸体（1）的高度中心线两侧。
5.根据权利要求1所述的电力活塞驱动式电动车，其特征在于：所述霍尔传感器（15）设于缸体（1）的底部中央，且与所述活塞（5）的底面中央相对。
6.根据权利要求4所述的电力活塞驱动式电动车，其特征在于：所述霍尔传感器（15）设于一非导磁材料的金属管中，该金属管与所述活塞（5）同轴心线。
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