CN103950373B - 内置悬浮飞轮的电动车轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动车轮领域，具体是一种内置悬浮飞轮的电动车轮，包括车胎、轮轴，还包括用于安装车胎的由良性导体材料制成的轮辋，并排环套固定于轮轴上的第一轴承和第二轴承，环形内摩擦带，所述轮辋为纵截面呈U型的环壳体，第一轴承和第二轴承的轴承外圈外环面分别与轮辋内圆两环面固定连接；位于第一轴承和第二轴承之间的轮轴上环套固定有由绝缘材料制成的线圈附着轮。本发明所述的内置悬浮飞轮的电动车轮采用一体式的结构，将磁铁飞轮与车轮结合为一体，高效储能，结构紧凑，摩擦小，效率高；而且本发明所述的磁铁飞轮在磁悬浮的作用下，与轮辋和缠绕有线圈的铁芯不接触，实现高速旋转无机械摩擦。

Description

内置悬浮飞轮的电动车轮

技术领域

本发明涉及电动车轮领域，具体是一种内置悬浮飞轮的电动车轮。

背景技术

目前，电动车轮一般是电动机经过机械传动系统带动车轮旋转。为了储存能量，一般还使用直径较大的飞轮。公知的电动车轮一般与飞轮是分离的，旋转的飞轮储存能量并通过传动装置带动车轮旋转；传动装置一般是机械传动，机械传动系统的摩擦会损耗大量能量，导致飞轮效率不高，高速旋转受限，而且分离式的结构不够紧凑。

发明内容

本发明为了解决现有电动飞轮存在的问题，提供了一种内置悬浮飞轮的电动车轮。

本发明是通过以下技术方案实现的：内置悬浮飞轮的电动车轮，包括车胎、轮轴，还包括用于安装车胎的由良性导体材料制成的轮辋，并排环套固定于轮轴上的第一轴承和第二轴承，环形内摩擦带，所述轮辋为纵截面呈U型的环壳体，第一轴承和第二轴承的轴承外圈外环面分别与轮辋内圆两环面固定连接；位于第一轴承和第二轴承之间的轮轴上环套固定有由绝缘材料制成的线圈附着轮，线圈附着轮的外圆上沿圆周方向均匀排布有n个缠绕有线圈的铁芯，且n≧12，n为偶数；各铁芯的轴线位于线圈附着轮径向，且各铁芯上均缠绕有周数相等的线圈，各线圈的缠绕方向一致，相隔铁芯上的线圈首尾连接，其中一铁芯外端面内嵌设有霍尔传感器，所述的环形内摩擦带环套于各铁芯外端面形成的圆上；位于铁芯端面与轮辋内壁之间的环形空腔环套有磁铁飞轮，所述磁铁飞轮是由绝缘材料制成的磁铁附着轮和均匀的固定于磁铁附着轮外圆上且与铁芯数量相等的若干永磁铁构成的，各永磁铁的N、S极所在方向位于磁铁附着轮径向，任一永磁铁与其相邻的两永磁铁的N、S极方向相反，磁铁附着轮内圆上固定有与环形内摩擦带相配合的环形外摩擦带。

具体使用时，轮轴表面轴向上预设有控制器和为线圈供电的导线，控制器控制相邻铁芯上的线圈上的电流方向相反，即相邻铁芯上的线圈通电后形成的磁场方向相反，相隔铁芯上的线圈通电后形成的磁场方向一致。控制器和导线的安装与布控，以及控制方法为本领域技术人员容易实现的。

具体的控制过程如下：启动时，控制系统检测霍尔传感器的信号，根据带有霍尔传感器的电磁铁（缠绕有线圈的铁芯）与永磁铁相对的磁极，控制电磁铁的电流方向，以产生与电磁铁相对的永磁铁相反的磁极，由于为对称结构，所有电磁铁形成与相对永磁铁相反的磁极，形成的效果是：（1）电磁铁与磁铁飞轮相互排斥形成悬浮；（2）电磁铁与相对的永磁铁相互排斥、与相邻的永磁铁异向磁极吸引，铁芯静止不动，磁铁飞轮旋转起来；随着磁铁飞轮的旋转，周期性的改变线圈上电流的方向，以连续实现与相对的永磁铁相反的磁极，增加线圈上电流的频率从而增加磁铁飞轮的转速。

磁铁飞轮旋转产生交替变化的磁通量，在由良性导体材料制成的轮辋上形成涡流，以图3为例，当磁铁飞轮顺时针旋转时，根据相对运动，相当于轮辋逆时针旋转（逆时针切割磁感线），与鼠笼电机原理一致，旋转的磁铁飞轮形成旋转磁场；当磁铁飞轮高速旋转，轮辋的涡流形成与磁铁飞轮反向的磁场，与磁铁飞轮相互排斥，形成电磁悬浮，并驱动轮辋顺时针旋转（轮辋转动方向与磁铁飞轮转动方向一致），达到电驱动车轮的目的（线圈，磁铁飞轮和轮辋形成两个电动机模型，其中线圈和磁铁飞轮组成同步电机，线圈是定子、磁铁飞轮是转子，定子旋转磁场“拖着”转子磁场转动，即线圈驱动磁铁飞轮旋转；磁铁飞轮和轮辋组成异步电机，磁铁飞轮是定子、轮辋是转子，通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流，并产生电磁转矩，实现轮辋转动）。

当电动车轮需要刹车时，降低线圈电流的大小，减小线圈电流的改变频率，磁铁飞轮上的外摩擦带与内摩擦带摩擦，实现电动车轮的停止旋转。

本发明所述的内置悬浮飞轮的电动车轮采用一体式的结构，将磁铁飞轮与车轮结合为一体，高效储能，结构紧凑，摩擦小，效率高；而且本发明所述的磁铁飞轮在磁悬浮的作用下，与轮辋和缠绕有线圈的铁芯不接触，实现高速旋转无机械摩擦。

附图说明

图1为本发明所述内置悬浮飞轮的电动车轮外部轮廓示意图。

图2为本发明所述内置悬浮飞轮的电动车轮的结构示意图（除轮辋）。

图3为图1的剖视图。

图4为缠绕有线圈的铁芯的结构示意图。

图5为电磁约束装置的结构示意图。

图中：1-轮轴，2-轮辋，3-磁铁附着轮，4-铁芯，5-线圈附着轮，6-第一轴承，7-第二轴承，8、8a、8b、8c-永磁铁，9-线圈，10-环形内摩擦带，11-环形外摩擦带，12-霍尔传感器，13-电磁约束装置，13a-位移传感器，13b-上电磁铁，13c-下电磁铁。

具体实施方式

内置悬浮飞轮的电动车轮，包括车胎、轮轴1，还包括用于安装车胎的由良性导体材料制成的轮辋2，并排环套固定于轮轴1上的第一轴承6和第二轴承7，环形内摩擦带10，所述轮辋2为纵截面呈U型的环壳体，第一轴承6和第二轴承7的轴承外圈外环面分别与轮辋2内圆两环面固定连接；位于第一轴承6和第二轴承7之间的轮轴1上环套固定有由绝缘材料制成的线圈附着轮5，线圈附着轮5的外圆上沿圆周方向均匀排布有n个缠绕有线圈的铁芯4，且n≧12，n为偶数；各铁芯4的轴线位于线圈附着轮5径向，且各铁芯4上均缠绕有周数相等的线圈9，各线圈9的缠绕方向一致，相隔铁芯4上的线圈9首尾连接，其中一铁芯4外端面内嵌设有霍尔传感器12，所述的环形内摩擦带10环套于各铁芯4外端面形成的圆上；位于铁芯4端面与轮辋2内壁之间的环形空腔环套有磁铁飞轮，所述磁铁飞轮是由绝缘材料制成的磁铁附着轮3和均匀的固定于磁铁附着轮3外圆上且与铁芯4数量相等的若干永磁铁8构成的，各永磁铁8的N、S极所在方向位于磁铁附着轮3径向，任一永磁铁8a与其相邻的两永磁铁8b、8c的N、S极方向相反，磁铁附着轮3内圆上固定有与环形内摩擦带10相配合的环形外摩擦带11。

具体实施时，轮辋2左右内壁与悬浮的磁铁飞轮上的永磁铁8相对处均设有电磁约束装置13。线圈9通电工作时，磁铁飞轮与电磁铁形成磁悬浮，电磁约束装置13使得磁铁飞轮与轮辋2形成磁悬浮，避免磁铁飞轮与轮辋2左右内壁接触，实现磁铁飞轮与周围部件处于不接触的高速旋转状态。所述的电磁约束装置13其结构与工作原理为现有技术（电磁支承技术），在此不做过多的阐述，该技术可参考《精密机械设计》（徐峰、李庆祥编著）P359-360。

为了更好地对本发明理解，在此提供了一种电磁约束装置13的结构。具体为：所述的电磁约束装置13包括位移传感器13a、上电磁铁13b以及下电磁铁13c，所述上电磁铁13b和下电磁铁13c的铁芯轴向与轮轴1轴向同向，通电的上电磁铁13b和下电磁铁13c产生的磁极一致。

所述通电的上电磁铁13b和下电磁铁13c产生的磁极一致时，上电磁铁13b和下电磁铁13c上的线圈缠绕方向相反，且上电磁铁13b和下电磁铁13c上的线圈首首相接；或者是上电磁铁13b和下电磁铁13c上的线圈缠绕方向一致，且上电磁铁13b和下电磁铁13c上的线圈首尾相接。具体使用时，当位移传感器13a（超声波式、电容式等）检测到磁铁飞轮靠近轮辋2时，增大上电磁铁13b和下电磁铁13c上电流（相反远离时减小电流），左内壁的电磁约束装置13与右内壁的电磁约束装置13产生的磁场方向相反，而且左内壁的电磁约束装置13和右内壁的电磁约束装置13都与其正对的磁铁飞轮相互排斥，这样通过检测磁铁飞轮的位置动态地改变电磁铁的电流，以非接触的形式实现磁铁飞轮水平方向的自由度约束，保证磁铁飞轮与轮辋2不接触，实现磁悬浮。

Claims (3)

1.内置悬浮飞轮的电动车轮，包括车胎、轮轴（1），其特征在于，还包括用于安装车胎的由良性导体材料制成的轮辋（2），并排环套固定于轮轴（1）上的第一轴承（6）和第二轴承（7），环形内摩擦带（10），所述轮辋（2）为纵截面呈U型的环壳体，第一轴承（6）和第二轴承（7）的轴承外圈外环面分别与轮辋（2）内圆两环面固定连接；位于第一轴承（6）和第二轴承（7）之间的轮轴（1）上环套固定有由绝缘材料制成的线圈附着轮（5），线圈附着轮（5）的外圆上沿圆周方向均匀排布有n个缠绕有线圈的铁芯（4），且n≧12，n为偶数；各铁芯（4）的轴线位于线圈附着轮（5）径向，且各铁芯（4）上均缠绕有周数相等的线圈（9），各线圈（9）的缠绕方向一致，相隔铁芯（4）上的线圈（9）首尾连接，其中一铁芯（4）外端面内嵌设有霍尔传感器（12），所述的环形内摩擦带（10）环套于各铁芯（4）外端面形成的圆上；位于铁芯（4）端面与轮辋（2）内壁之间的环形空腔环套有磁铁飞轮，所述磁铁飞轮是由绝缘材料制成的磁铁附着轮（3）和均匀的固定于磁铁附着轮（3）外圆上且与铁芯（4）数量相等的永磁铁（8）构成的，各永磁铁（8）的N、S极所在方向位于磁铁附着轮（3）径向，任一永磁铁（8a）与其相邻的两永磁铁（8b、8c）的N、S极方向相反，磁铁附着轮（3）内圆上固定有与环形内摩擦带（10）相配合的环形外摩擦带（11）。

2.根据权利要求1所述的内置悬浮飞轮的电动车轮，其特征在于，轮辋（2）左右内壁与悬浮的磁铁飞轮上的永磁铁（8）相对处均设有电磁约束装置（13）。

3.根据权利要求2所述的内置悬浮飞轮的电动车轮，其特征在于，所述的电磁约束装置（13）包括位移传感器（13a）、上电磁铁（13b）以及下电磁铁（13c），所述上电磁铁（13b）和下电磁铁（13c）的铁芯轴向与轮轴（1）轴向同向，通电的上电磁铁（13b）和下电磁铁（13c）产生的磁极一致。