CN102394531B - 摇臂杠杆飞轮转子 - Google Patents

Abstract

一种由6个带有摇臂的杠杆组成的摇臂杠杆飞轮转子，杠杆利用摇臂磁场产生的引力和斥力做动力撬动飞轮、靠飞轮的惯性使飞轮转子旋转。摇臂的杠杆设计成中间为长条型的滑槽结构，杠杆支点位于滑槽内，摇臂以杠杆支点为中心，在飞轮旋转时，配合飞轮旋转做椭圆、斜8字型摇动，当杠杆支点移动到斜8字形的顶点位置、杠杆动力臂最长时，杠杆利用摇臂和支架电磁线圈产生的磁场引力和斥力做动力，撬动飞轮向前转动一个角度。6个摇臂杠杆顺序撬动飞轮一次，飞轮转子旋转一周，飞轮转子启动、停车及转速控制等功能，由单片机、霍尔传感器和电磁线圈等电子元器件组成伺服电路完成。本发明的特点是省力和节约电能，可替代传统的交直流马达拖动机械设备。

Description

摇臂杠杆飞轮转子

【技术领域】

本发明涉及一种省力和节约电能的飞轮转子，尤其涉及一种摇臂杠杆飞轮转子。

【背景技术】

目前，传统的交直流马达，利用电磁感应原理使转子旋转输出力矩，由于定子和转子之间磁场直接作用，磁场作用力的效率受到限制，在马达输出力矩确定的情况下，控制电能的节约很难实现。

【发明内容】

本发明的发明目的是提供一种省力和节约电能的飞轮转子，用杠杆撬动飞轮旋转以达到省力的目的；通过加大飞轮配重铁的重量，使该飞轮转子输出更大的力矩。

同时利用磁场的引力和斥力相互作用，提高磁场的感应效率，产生磁场的电磁线圈只在瞬间通电，以达到节约电能的目的。

为达到上述发明目的，本发明提出以下的技术方案：

一种摇臂杠杆飞轮转子，其特征在于，该转子是在一个大飞轮上安装有6个带有摇臂的杠杆，摇臂利用磁场产生的引力和斥力做动力，用杠杆撬动飞轮、靠飞轮的惯性使飞轮转子旋转。摇臂的杠杆设计成中间为长条型的滑槽结构，杠杆支点位于滑槽内，摇臂以杠杆支点为中心，在飞轮旋转时，杠杆的摇臂配合飞轮旋转做椭圆、斜8字型摇动，当杠杆支点移动到斜8字形的顶点位置、杠杆动力臂最长时，杠杆利用摇臂线圈磁场产生的引力和斥力，撬动飞轮向前转动一个角度。6个摇臂杠杆顺序撬动飞轮一次，飞轮转子旋转一周。飞轮转子伺服电路由单片机、霍尔传感器等电子元器件组成。

优选地，所述飞轮转子旋转时，摇臂的杠杆做椭圆、非对称斜8字型摇动，将飞轮转子所做的圆周运动，通过杠杆支点在杠杆滑槽内的移动，分解成由6个杠杆总成组成的杠杆摇动，摇臂上装有可伸曲的连杆装置，配合杠杆移动。

优选地，：所述飞轮转子旋转一周，每个杠杆只撬动飞轮一次，只有杠杆支点移动到斜8字形的顶点位置，线圈才有磁场产生，磁力顺序为引力、停止、斥力、停止。

其中，所述摇臂杠杆撬动飞轮转子旋转，磁场的引力和斥力由摇臂和飞轮支架上的电磁线圈产生。

其中，所述6个杠杆的长条型滑槽长度不相同，飞轮转子旋转时，6个摇臂的摆动角度和幅度不同。

其中，所述摇臂杠杆的支点装有轴承，飞轮的边缘镶嵌有配重铁。飞轮转子轴上还装有一个辅助的配重飞轮，摇臂杠杆总成位于两个飞轮中间。

其中，所述每个杠杆摇臂上装有3个永磁小磁珠，对应的飞轮转子支架上装有2个霍尔传感器。

其中，所述飞轮转子支架上的电磁线圈铁芯为平面型，杠杆摇臂上的电磁线圈铁芯为球面型。

从以上技术方案可以看出，本发明是在一个大飞轮上安装有6个带有摇臂的杠杆组成的飞轮转子，该飞轮转子在由单片机、霍尔传感器等电子元器件组成的伺服电路控制下，利用摇臂和支架上的电磁线圈产生的磁场引力和斥力做动力，撬动飞轮转子旋转，以达到省力的目的，飞轮转子边缘镶嵌有配重铁，用来增加飞轮的重量和提高飞轮的惯性力，使该飞轮转子输出更大的扭矩。辅助的配重飞轮也再次提高了该转子的惯性力，同时也保持了该摇臂杠杆飞轮转子主轴的重量平衡，保证了该飞轮转子的平稳旋转。

单片机控制电磁线圈产生磁场的引力和斥力，只有当6个摇臂上的一个电磁线圈与支架上的电磁线圈相接近时，磁场引力和斥力才会产生，其它时间，所以线圈都不会通电，以达到节约电能的目的。本发明应有范围广泛，可替代传统的交直流马达拖动机械设备

【附图说明】

图1为本发明摇臂杠杆飞轮转子的平面结构示意图；

图2为本发明摇臂杠杆飞轮转子的一组杠杆总成结构示意图；

图3为本发明摇臂杠杆飞轮转子支点在杠杆滑槽内的位置图；

图4为本发明摇臂杠杆飞轮转子杠杆支点在滑槽内的运动轨迹图；

图5为本发明摇臂杠杆飞轮转子的控制电路原理图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1～图4所示，本发明中的摇臂杠杆飞轮转子，是在一个飞轮2上面安装有六个摇臂杠杆总成5，杠杆一端固定在飞轮上面，为受力点，带有摇臂的杠杆总成可以在受力点上自由转动，杠杆的中间是长条形的滑槽，安装有轴承的支点位子滑槽内，并且可以移动，杠杆的另一端为动力臂，上面安装一个铁芯为球面形的电磁线圈，和可伸曲的连杆装置，组成的杠杆摇臂，摇臂线圈与飞轮转子支架线圈4产生的磁场力，牵引杠杆动力臂，撬动飞轮转子向前旋转一个角度。飞轮转子旋转时，杠杆支点在滑槽内移动，使杠杆动力臂做出斜8字形摇动，形成杠杆摇臂，与可伸曲的连杆装置配合杠杆动力臂不停摇动，以吸收飞轮转子旋转时产生的不同行程。当杠杆支点O移动到斜8字的A位置，杠杆摇臂线圈和支架线圈4靠近。

飞轮转子支架上1装有电磁线圈4和霍尔传感器3，飞轮转子主轴6上还装有一个辅助的配重飞轮，使该飞轮转子运转平稳。每个摇臂杠杆总成5上都装有一个电磁线圈和三个小磁珠，杠杆摇臂上的电磁线圈与支架线圈4产生磁场引力和斥力，使杠杆撬动飞轮转子旋转；三个小磁珠可供霍尔传感器3用来检测摇臂杠杆所处的位置，只有当杠杆支点O移动到斜8字的A点位置，杠杆的动力臂接近最长，HT46R24单片机伺服电路控制杠杆摇臂线圈与支架线圈4产生磁场引力和斥力，牵引杠杆动力臂，撬动飞轮转子向前旋转，六组摇臂杠杆顺序撬动飞轮转子一次，飞轮转子旋转一周。

单片机、霍尔传感器和电磁线圈等电子元器件组成伺服电路控制过程和原理；

如图3所示的6个杠杆支点O在6个摇臂杠杆L中所处的位置图，和图5所示的电路控制原理图说明，以L1摇臂杠杆总成，所述工作原理。

飞轮转子启动、停车及转速控制原理：

本发明摇臂杠杆飞轮转子的电路伺服控制使用台湾HOLTEK公司的单片机，型号为HT46R24，是一款具有8通道、10bit A/D转换精度和48个管脚封装的SSOP工业级单片机，C1和R4为单片机提供震荡时钟，C3和R3组成单片机的复位电路。

S1是该发明摇臂杠杆飞轮转子的启动和停止开关，S1开关接通，单片机控制飞轮转子转动，S1开关断开，单片机控制飞轮转子停止。

S2是该发明摇臂杠杆飞轮转子转速控制开关，S2开关断开，飞轮转子按设计好的额定转速转动，S2开关接通，飞轮转子的转速为额定转速的一半。

M1 M2 M3是安装在飞轮转子摇臂上的3个永磁小磁珠，对应的飞轮转子支架上装有2个霍尔传感器U1 U2，单片机通过霍尔传感器检测3个小磁珠的位置，以确定杠杆摇臂位置，来控制线圈产生磁场力，使用杠杆动力臂撬动飞轮转子旋转。

接通摇臂杠杆飞轮转子电源，单片机、霍尔传感器和电磁线圈等电子元器件组成伺服电路开始工作，接通S1开关，单片机通过支架上的6组霍尔传感器，轮询检测6个杠杆摇臂上的小磁珠所处的位置，以确定哪个杠杆总成的杠杆动力臂处于最长的位置，而由该组杠杆撬动飞轮，完成启动任务。

霍尔传感器U1为线性电压传感器，感应信号通过电阻R1、R2输入到单片机的10脚进行A/D转换分析。霍尔传感器U2为开关型传感器，感应信号通过电阻R11、R12输入到单片机的4脚，做开关量信号采集。飞轮转子在旋转的过程中，只有当杠杆支点O移动到斜8字的A点位置，杠杆动力臂接近最长时，装在摇臂上的3个小磁珠，才有机会靠近支架上的两个霍尔传感器，支点O在其他位置时，摇臂上的3个小磁珠都会远离霍尔传感器。当杠杆L1的支点O位于斜8字的A点位置时，杠杆动力臂最长，此时杠杆L6的支点O位于斜8字的B点位置，杠杆动力臂最短。单片机通过霍尔传感器对摇臂磁珠的检测，确定杠杆支点所处的位置，准确让电磁线圈产生磁场力，牵引杠杆动力臂，撬动飞轮转子旋转。

L2是杠杆摇臂电磁线圈，由MOS管Q4控制，单片机的3脚输出的PWM信号，通过R9、D6控制Q4栅极，单片机根据飞轮转子的旋转状态，改变摇臂线圈的电流大小，从而改变磁场强度，达到控制飞轮转子转速的目的。

L1是支架电磁线圈，是在同一个铁芯上绕有相同的两个绕组的电磁线圈，中间抽头由MOS管Q1控制。HT46R24单片机根据霍尔传感器U1 U2的检测情况，确定飞轮转子的旋转状态，31脚输出的PWM信号，控制Q1栅极，通过Q1改变支架线圈的电流大小，从而改变电磁线圈的磁场强度，控制飞轮转子的转速。

Q2、Q3、为支架电磁线圈的电源控制MOS管，分别由单片机的39、41脚，通过R8、D4和R7、D5控制。

Q4、Q2、Q1导通Q3关闭，摇臂线圈和支架线圈产生N/S的异性磁极，两线圈铁芯形成相吸引的引力，支架线圈磁场拉动杠杆摇臂，使杠杆摇臂线圈处于支架线圈垂直90度的位置：

Q2关闭Q3、Q4、Q1导通，摇臂线圈和支架线圈产生N/N的同性磁极，两线圈铁芯形成相排斥的斥力，支架线圈磁场推动杠杆摇臂，使杠杆摇臂线圈处于支架线圈大于90度的位置；

飞轮启动：按下S1开关，HT46R24单片机通过6组霍尔传感器，轮询检测飞轮转子上面六组摇臂杠杆总成的小磁珠的位置后，确定摇臂杠杆L1的杠杆动力臂处于接近最长的位置，使用L1摇臂杠杆总成撬动飞轮，完成飞轮转子的启动旋转。

1、HT46R24单片机通过6组霍尔传感器检测，当摇臂线圈与支架线圈夹角小于垂直90度时，单片机控制Q4、Q2、Q1导通Q3关闭，两电磁线圈产生N\S相吸的磁场引力，使杠杆摇臂向支架线圈的垂直位置移动，此时杠杆开始撬动飞轮转子转动，当个霍尔传感器检测到磁珠M2位于U1的垂直位置时，单片机控制Q4、Q2、Q3、Q1关闭，线圈磁场消失。飞轮转子靠惯性继续向前旋转。当个霍尔传感器检测到磁珠M3位于U1的垂直位置时，此时摇臂线圈已经越过支架线圈的垂直位置，单片机控制Q2关闭Q3、Q4、Q1导通，摇臂线圈和支架线圈产生相斥N\N的磁场斥力，迅速将杠杆摇臂线圈推到大于支架线圈90度的位置，杠杆再次撬动飞轮转子向前旋转。

2、HT46R24单片机通过6组霍尔传感器检测，当摇臂线圈与支架线圈夹角大于垂直90度时，单片机控制Q2关闭Q3、Q4、Q1导通，摇臂线圈和支架线圈产生相斥的N\N的磁场斥力，迅速将杠杆摇臂线圈推到大于支架线圈90度的位置，使杠杆动力臂撬动飞轮转子向前旋转。

3、HT46R24单片机通过6组霍尔传感器检测，当摇臂线圈与支架线圈夹角在垂直90度时，单片机控制摇臂和支架电磁线圈瞬间产生磁场引力和斥力，使摇臂线圈偏离支架线圈垂直90度位置，然后执行上述两种情况下的操作，使用杠杆动力臂，撬动飞轮旋转。

单片机通过霍尔传感器检测杠杆摇臂磁珠的位置，控制杠杆摇臂和支架上的2个电磁线圈产生引力、停止、斥力、停止的磁场力，完成杠杆L1撬动飞轮一次动作。飞轮转子靠惯性力，旋转到L2摇臂杠杆总成的位置。

单片机伺服电路再次执行上述功能，使L2摇臂杠杆总成撬动飞轮转子旋转一次。L3、L4、L5、L6、摇臂杠杆总成顺序撬动飞轮转子一次，飞轮转子旋转一周。单片机伺服电路继续重复以上动作，使飞轮转子保持平稳旋转。

飞轮停车：再次按下S1开关，S1开关复位关断，单片机收到此指令后执行飞轮转子停车程序，HT46R24单片机通过霍尔传感器检测杠杆摇臂线圈的与支架线圈靠近时，通过输出的PWM信号，控制两线圈产生N\S相吸的磁场引力，使飞轮转子迅速停止转动。

根据飞轮转子的负载大小，单片机通过6个摇臂杠杆撬动飞轮转子一次所使用的时间，计算飞轮转子的额定转速。当飞轮转子主轴负载加大时，输出的PWM信号通过MOS管Q1、Q4、控制电磁线圈的电流加大，磁场的引力和斥力加大，摇臂杠杆撬动飞轮转子的动力加大；当飞轮转子主轴负载减小时，输出的PWM信号通过MOS控制电磁线圈的电流减小，磁场的引力和斥力减小，摇臂杠杆撬动飞轮转子的动力减小，单片机伺服电路按设计好的程序要求，始终保持摇臂杠杆飞轮转子在额定的转速下旋转。

飞轮转子转速控制：在飞轮转子旋转时，接通S2开关，飞轮转子的转速为额定转速的一半，以满足飞轮转子在不同负载所需要的转速要求。

为达到杠杆撬动飞轮转子的目的，摇臂的杠杆设计成中间为长条型的滑槽结构，杠杆支点位于滑槽内，杠杆支点可以在滑槽内自由移动，同时摇臂以杠杆支点为中心，在飞轮旋转时，配合飞轮做椭圆、斜8字型摇动，来分解飞轮转子所做的圆周运动。

为吸收飞轮转子在旋转时产生的不同行程，杠杆支点O按如图4所示的斜8字型轨迹移动，顺序为A B C D，只有当杠杆支点O移动到斜8字形的顶点A位置、杠杆动力臂最长时，杠杆利用摇臂电磁线圈产生的磁场引力和斥力，撬动飞轮向前转动一个角度，6个摇臂杠杆顺序撬动飞轮一次，飞轮转子旋转一周。

如图3所示，6个摇臂杠杆总成，杠杆支点O在滑槽内的位置，可以知道每个摇臂杠杆动力臂的长度，当L1杠杆支点O移动到斜8字形的顶点A位置、杠杆动力臂最长，此时L6摇臂杠杆支点O位于斜8字形的顶点D位置、杠杆动力臂最短，摇臂杠杆总成撬动飞轮转子的顺序为L1、L2、L3、L4、L 5、L6，再由L 1……依次循环下去，使飞轮转子旋转。

飞轮转子的伺服电路由单片机HT46R24、霍尔传感器U 1和U 2和电磁线圈T 1和T 2电阻、电容、二极管等电子元器件组成，完成飞轮转子启动、停车及转速控制等功能，保持飞轮转子的平稳旋转。

本发明摇臂杠杆飞轮转子使用6个摇臂杠杆撬动飞轮转子，靠飞轮的惯性力旋转，以达到省力的目的。只有当杠杆摇臂线圈靠近支架线圈时，线圈才会在很短的时间内通电产生磁场，而在飞轮转子旋转的其它时间，线圈都不会通电，以达到节约电能的目的。同时使用磁场的引力和斥力做动力，使用杠杆动力臂撬动飞轮转子旋转，对磁场作用力的利用率较高。本发明可以代替传统的交直流马达，拖动机械负载。

本发明的摇臂杠杆飞轮转子具有特点：

1、用杠杆撬动飞轮转子旋转，省力：

2、摇臂杠杆撬动飞轮转子旋转，磁场的引力和斥力由摇臂和飞轮支架上的电磁线圈产生，摇臂和支架电磁线圈在瞬间通电产生磁场作用力，节约电能。

3、6个杠杆的长条型滑槽长度不相同，飞轮转子旋转时，6个摇臂的摆动角度和幅度不同，这样可以保证只有其中一组摇臂杠杆总成的杠杆支点O只有移动到斜8字的A点位置，摇臂与支架线圈靠近，动力臂最长，使该组杠杆具备撬动飞轮转子一次的条件。

4、轮转子旋转时，摇臂的杠杆做椭圆、非对称斜8字型摇动，此动作由摇臂上装有可伸曲的连杆装置配合完成，将飞轮转子的圆周运动轨迹分解成6组摇臂杠杆摇动，使飞轮转子上的每组摇臂杠杆总成，在较小的范围内移动，同时保证在杠杆动力臂最长时，杠杆摇臂线圈靠近支架线圈时，撬动飞轮一次，使飞轮向前旋转一个角度。

5、飞轮转子旋转一周，每个杠杆只撬动飞轮一次，只有杠杆支点移动到斜8字形的顶点位置，这样可以节约电能，并且使用很小的磁场作用力，就可以用杠杆撬动飞轮旋转。

电磁线圈磁场产生的磁力，顺序为引力、停止、斥力、停止，其工作过程和原理是，当霍尔传感器检测到摇臂线圈与支架线圈角度小于90度时。两个电磁线圈通电，N/S异性磁极产生，摇臂线圈与支架线圈铁芯形成相吸的引力磁场，此时杠杆开始撬动飞轮旋转；当霍尔传感器3检测到摇臂线圈与支架线圈角度接近90度时，两个线圈断电，磁场引力停止，以防止异性磁极吸死在垂直90度位置，线圈铁芯磁场消失后，飞轮转子靠惯性力继续向前旋转；当霍尔传感器3检测到摇臂线圈与支架线圈角度大于90度时，此时线圈铁芯以越过垂直90度位置，两线圈通电产生N/N同性磁极，摇臂线圈与支架线圈铁芯形成相排斥的斥力，支架线圈磁场迅速将杠杆摇臂推开，摇臂牵动杠杆动力臂再次撬动飞轮转子一次，向前旋转。这样就完成一个摇臂杠杆总成撬动飞轮旋转一次的动作，当6个摇臂杠杆顺序撬动飞轮一次，飞轮转子旋转一周。

6、摇臂杠杆的支点装有轴承，以减小杠杆支点在滑槽内的移动产生的摩擦了。飞轮的边缘镶嵌有配重铁，飞轮转子轴上还装有一个辅助的配重飞轮，为增进飞轮转子的惯性力和平衡转子主轴重量，保持飞轮转子旋转平稳摇臂杠杆总成位于两个飞轮中间，可以保护飞轮摇臂杠杆总成不必要的人为损伤和减小噪音。

7、飞轮转子上每个杠杆摇臂上装有3个永磁小磁珠，对应的飞轮转子支架上装有2个霍尔传感器，单片机伺服电路通过支架上的2个霍尔传感器，检测杠杆摇臂上装有3个永磁小磁珠位置状态，确定杠杆摇臂线圈所处的位置，实现对电磁线圈产生磁场作用力的精确控制。

8、飞轮转子支架上的电磁线圈铁芯为平面型，杠杆摇臂上的电磁线圈铁芯为球面型，可以更加有效的利用磁场斥力，是摇臂线圈铁芯越过支架线圈铁芯垂直面时，保持最近斜面接触，使磁场斥力具有更大的推力，迅速将杠杆摇臂推开，牵动杠杆撬动飞轮转子。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种摇臂杠杆飞轮转子，其特征在于：

该转子由6个带有摇臂的杠杆组成的摇臂杠杆飞轮转子，杠杆利用摇臂磁场产生的引力和斥力做动力撬动飞轮、靠飞轮的惯性使飞轮转子旋转；摇臂的杠杆设计成中间为长条型的滑槽结构，杠杆支点位于滑槽内，摇臂以杠杆支点为中心，在飞轮旋转时，配合飞轮旋转做椭圆形斜8字型摇动，当杠杆支点移动到斜8字形的顶点位置、杠杆动力臂最长时，杠杆利用摇臂上的电磁线圈与支架的电磁线圈产生的磁场引力和斥力做动力，撬动飞轮向前转动一个角度；6个摇臂杠杆顺序撬动飞轮一次，飞轮转子旋转一周；飞轮转子启动、停车及转速控制功能，由单片机、霍尔传感器和电磁线圈电子元器件组成伺服电路完成。

2.根据权利要求1所述的摇臂杠杆飞轮转子，其特征在于：所述摇臂杠杆撬动飞轮转子旋转，磁场的引力和斥力由摇臂和飞轮支架上的电磁线圈产生。

3.根据权利要求1所述的摇臂杠杆飞轮转子，其特征在于：所述6个杠杆的长条型滑槽长度不相同，飞轮转子旋转时，6个摇臂的摆动角度和幅度不同。

4.根据权利要求1所述的摇臂杠杆飞轮转子，其特征在于：所述飞轮转子旋转时，摇臂的杠杆做椭圆形非对称斜8字型摇动，杠杆摇臂线圈靠近支架线圈时，杠杆的动力臂在最长位置；摇臂上装有可伸曲的连杆装置。

5.根据权利要求1所述的摇臂杠杆飞轮转子，其特征在于：所述飞轮转子旋转一周，每个杠杆只撬动飞轮一次，只有杠杆支点移动到斜8字形的顶点位置，线圈才有磁场产生，磁力顺序为引力、停止、斥力、停止。

6.根据权利要求1所述的摇臂杠杆飞轮转子，其特征在于：所述摇臂杠杆的支点装有轴承，飞轮的边缘镶嵌有配重铁，飞轮转子轴上还装有一个辅助的配重飞轮，摇臂杠杆总成位于两个飞轮中间。

7.根据权利要求1所述的摇臂杠杆飞轮转子，其特征在于：所述每个杠杆摇臂上装有3个永磁小磁珠，对应的飞轮转子支架上装有2个霍尔传感器。

8.根据权利要求1所述的摇臂杠杆飞轮转子，其特征在于：所述飞轮转子支架上的电磁线圈铁芯为平面型，杠杆摇臂上的电磁线圈铁芯为球面型。

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