CN105438357B - 磁轮车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁轮车，包括轮圈、驱动系统和轮架系统，所述轮圈与所述轮架系统转动连接，所述驱动系统主要由摆动架、磁电动力转换器、第一传动机构和第二传动机构组成；所述摆动架具有相对于所述轮架系统摆动的运动自由度，所述摆动架上设有一对使双脚穿入轮圈内的脚踏位；所述摆动架与轮架系统经所述第一传动机构连接，第一传动机构的输出连接所述磁电动力转换器，所述磁电动力转换器经所述第二传动机构与所述轮圈传动连接。本发明通过磁电动力转换器将人体踩踏摆动时输入波动的力转换成平衡行驶的驱动力，由此，实现独轮载人无电池驱动平衡行驶方式。

Description

磁轮车

技术领域

本发明涉及一种单人乘骑者驱动的轮式车辆，具有一个轮圈的独轮车，具体涉及一种具有磁电变速分配结构的踏板式驱动的自平衡磁轮车。

背景技术

随着社会的发展，现代人的环保意识越来越强烈。而如今市面上存在着大量的电动车，每年废旧的电池会形成巨大的环境污染，电动车不仅会造成一定的环境影响，而且电动车较为笨重，不易携带和存放。而兼顾交通、健身和娱乐的电动独轮车，同样存在沉重、废旧电池污染等问题，常见的电动独轮车重量通常在十几公斤，携带不便，同时其续航里程受到电池电量的制约，充满电的情况下通常也仅在20公里左右。

在现有技术中，也存在着一些不需要利用电池的独轮车。例如，专利号为CN201420266428.6的中国实用新型专利电动自平衡独轮车控制系统所公开的一种电动自平衡车，但该电自动平衡车存在着单腿踩踏时车子的重心不稳现象；专利号为CN201420387289.2的中国实用新型专利公开了一种抗侧倾的自平衡车，为了解决上述重心不稳的问题而增加了2个轮子使得车体能够保持平衡，但是结构复杂、成本高昂；

申请号为201310493130.9的中国发明专利公开了一种脚蹬驱动的、装有稳腿部件的站立式独轮车，上述站立式独轮车虽然没有使用电池，不会对环境造成污染，但是其存在骑行平稳性能差的缺点，一般没有经过一定训练的人很难掌握上述站立式独轮车的骑行方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、轻量化、平衡性强的磁轮车，以作为轻便的短途实用的交通工具。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种磁轮车，包括轮圈、驱动系统和轮架系统，所述轮圈与所述轮架系统转动连接，所述驱动系统主要由摆动架、磁电动力转换器、第一传动机构和第二传动机构组成；

所述摆动架具有相对于所述轮架系统摆动的运动自由度，所述摆动架上设有一对使双脚穿入轮圈内的脚踏位；

所述摆动架与轮架系统经所述第一传动机构连接，第一传动机构的输出连接所述磁电动力转换器，所述磁电动力转换器经所述第二传动机构与所述轮圈传动连接。

上述技术方案中，第一传动机构及第二传动机构可以是链条或皮带，优选为齿轮啮合。磁电动力转换器安装在轮架上或安装在摆动架上，优选为安装在摆动架上。

双脚穿入轮圈内，这样人体中心始终落在轮子轨迹中心线上，具备抗侧倾性能，比现有技术的独轮车更加平稳安全。

人体侧向站立在轮子一侧，侧身行驶，风阻系数小，能够方便观察道路前后路况。

所述磁电动力转换器具有第一转子和第二转子，所述第一转子和所述第二转子中的一个为磁转子，另一个为电枢转子，两个转子同轴相邻布置并使电枢转子在相对磁转子转动时切割磁转子上的永磁体产生的磁力线。进一步技术方案，电枢转子上的电枢为单绕组结构，所述电枢转子的绕组输出端经过螺旋线连接一控制器。

上述技术方案中，所述磁转子由安装在转子壳体上的永磁体磁钢与铁轭构成。

优选的技术方案，所述磁电动力转换器外部转子为磁转子，内部转子为电枢转子。电枢转子置于磁转子的磁气隙空间处。

优选的技术方案，所述摆动架的摆动中心与所述轮圈的转动中心位于同一轴线上。

优选的技术方案，所述轮圈的内圈上设有输出齿圈和滑道。

所述轮架系统包括抓手、架体和与所述架体固定连接的输入圈上的弧形齿条，所述架体与所述轮圈的内圈经所述滑道构成滑动连接结构，所述抓手和所述架体固定连接；

所述第一传动机构包括磁电动力转换器的安装轴、与所述第一转子固定连接的输入齿轮；所述摆动架与所述安装轴转动连接，所述输入齿轮与所述输入圈上的弧形齿条啮合；

所述第二传动机构包括与安装轴上固定有所述第二转子和输出齿轮，所述输出齿轮与所述轮圈的内圈上的输出齿圈啮合；

所述第一转子转动连接在所述安装轴上，所述第二转子固定连接在所述安装轴上。

上述技术方案中，轮架系统的抓手与人体接触，给人体依靠，增加了平衡安全性能。

轮圈的内圈上还可设置有摆动架限位机构；所述摆动架限位机构包括与摆动架连接的摆动架支架，所述摆动架支架经滑道与所述轮圈的内圈滑动连接。

进一步技术方案，所述输入圈上的弧形齿条和磁电动力转换器位于所述轮圈的上半部，所述摆动架的脚踏位置位于所述轮圈的下半部，所述摆动架为环形结构，环形结构的上部与所述磁电动力转换器的安装轴连接。

进一步技术方案，所述抓手位于所述轮圈的一侧。

进一步技术方案，所述架体经复数个轴承与所述滑道滚动连接；所述摆动架经复数个轴承与所述滑道滚动连接，所述摆动架的至少一部分位于所述轮圈的内圈中空处。

所述架体的轴承与所述摆动架的轴承交叉分布在同一个所述滑道中，这样也实现了所述摆动架限位。

优选的技术方案，轮架系统内设置有陀螺仪、加速度传感器，所述陀螺仪和加速度传感器的输出端数据传输到所述控制器。所述控制器是矢量控制器，所述控制器设有储能电容。所述储能电容能够将脚踏踏力脉冲能量暂时存储，用于踏力间隙时期转换成驱动力或平衡力。

上述技术方案中，陀螺仪连接在控制器上，当人体失去平衡时，陀螺仪探测到的倾斜度信号经抓手传递到轮架系统。当人体失去平衡时，抓手系统 会同步发生偏转，陀螺仪将倾斜度信号传输给控制器，控制器接收到信号后，如果人体前倾，控制器控制电枢驱动磁转子加速转动，磁转子带动输出齿轮加速转动，输出齿轮带动齿轮圈加速转动，从而使得车轮加速转动，此时，由于惯性作用，人体会后仰，回至原位；如果人体后仰，陀螺仪将信号传输给控制器，控制器接受到信号后，控制器控制吸取电枢电能，使磁转子转速降低，从而使得车轮减速，此时，由于惯性作用，人体会前倾回至原位。这一伺服系统，完成了无电池自动平衡控制，实现自平衡行驶。

上述技术方案中，在磁轮车运动时，具有二组不同运动模式的机构，

(1)滑行启动模式：人抓住抓手推动或拖动磁轮车沿着地面滑行。电枢转子加速转动发电向控制器电容充电储能；

(2)脚踏踏频模式：双脚站立在脚踏位上，交替踏动使得摆动架带动磁电动力转换器往复摇摆，带动电枢转子往复旋转，使其反复发电与驱动变换交替。使磁轮车能够借体力驱动行驶；

在实际使用时，首先推动磁轮车，轮圈转动，齿轮圈带动输出齿轮转动，输出齿轮带动磁转子转动，由于磁电感应现象，电枢输出电流供应给控制器，控制器工作并开始储能；

人体踩踏摆动架时，带动磁电动力转换器摆作，使得输入齿轮沿输入圈齿圈来回滚动，输入齿轮的滚动带动电枢转子转动，电枢转子与磁转子之间存在转速差，根据电流的方向不同，电枢转子对磁转子起到驱动或阻碍作用，通过控制电枢绕组灌入或输出电流，控制器即可稳定磁轮车的运动平衡，并根据踏板的踏频调整磁轮车的行驶速度。

优选的技术方案，所述摆动架上安装磁电动力转换器，这样在前方脚踏下时的发电模式下，控制器控制吸取电枢电能，使磁转子转速降低，而此时磁电动力转换器向轮圈旋转方向偏移摆动，这一自举功能实现了脚踏一个踩踏踏频脉冲发电，虽导致磁转子转速下降，而车速不减的平稳行驶性能。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明采用了无电池驱动技术，将人力踩踏摆动架的摆动动能转换成驱动力，不受电池电量的限制和充电累赘，装置整体重量仅2公斤，车轮可以采用16寸结构，携带轻便；

2、本发明的磁电动力转换器不存在定子，采用了多转子技术，使得在推动磁轮车的时候就能利用磁电动力转换器发电，实现磁力电能转换调整，来平衡磁轮车；

3、本发明的轮架内设置有陀螺仪，当抓手前倾或者后仰至一定角度时，陀螺仪将信号传输给控制器，矢量控制器通过磁电动力转换器瞬时调节轮圈的转速，利用人体的惯性而实现平衡，从而实现自平衡性能；

4、本发明通过磁电动力转换器能将人体踩踏产生的不稳定的波动机械能转换成稳定输出的机械能，从而实现磁轮车的平衡行驶；

5、本发明将磁电动力转换器置于摆动架上，通过磁电动力转换器相对于轮圈的摆动，实现了踏频自举功能，即转子转速下降，而车速不减的平稳行驶性能；

6、本发明能够容易地使人体的重心保持在轮圈的行进轨迹上，不会产生普通独轮车或者自行车在行进时单腿踩踏时车子的重心不稳侧倾现象。

附图说明

图1是本发明实施例一的侧视图；

图2是实施例一中磁电动力转换器的结构示意图；

图3是实施例一的后视剖视图；

图4是图3中的局部放大示意图；

图5是实施例一使用状态图；

图6是实施例一中输入转子和输出转子的转动时序图；

图7是实施例一的平衡系统模块示意图；

图8是螺旋线连接示意图；

图9是图1去除摆动架后的示意图；

图10是轮架系统的示意图；

图11是控制器储能结构的示意图；

图12是实施例二中磁电动力转换器的结构示意图；

其中：1、轮圈；2、摆动架；3、轮架系统；4、磁电动力转换器；11、输出齿圈；12、滑道；21、脚踏位；31、抓手；32、架体；33、输入圈；41、第一转子；42、第二转子；43、安装轴；44、输入齿轮；45、输出齿轮；46、螺旋线；47、控制器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1-10所示，一种磁轮车，包括轮圈1、驱动系统和轮架系统3，轮圈1与轮架系统3转动连接，驱动系统主要由摆动架2、磁电动力转换器4、第一传动机构和第二传动机构组成；

摆动架2具有相对于轮架系统3摆动的运动自由度，摆动架2上设有一对使双脚穿入轮圈内的脚踏位21；

摆动架2与轮架系统3经所述第一传动机构连接，第一传动机构的输出连接磁电动力转换器4，磁电动力转换器4经第二传动机构与轮圈1传动连接。

磁电动力转换器4具有第一转子41和第二转子42，第一转子41和第二转子42中的一个为磁转子，另一个为电枢转子，两个转子同轴相邻布置并使电枢转子在相对磁转子转动时切割磁转子上的永磁体产生的磁力线；电枢转子的绕组输出端经过螺旋线46连接一控制器47。

摆动架2的摆动中心与轮圈1的转动中心位于同一轴线上。

轮圈1的内圈上设有输出齿圈11和滑道12；

轮架系统3包括抓手31、架体32和与架体32固定连接的输入圈33上的弧形齿条，

架体32与输入圈33可以是一体零件。

架体32与轮圈1的内圈经滑道12构成滑动连接结构，抓手31和架体32固定连接；

第一传动机构包括磁电动力转换器4的安装轴43、与第一转子41固定连接的输入齿轮44；摆动架2与安装轴43转动连接，输入齿轮44与输入圈33上的弧形齿条啮合；

第二传动机构包括与第二转子42与安装轴固定连接的输出齿轮45，输出齿轮45与轮圈1的内圈上的输出齿圈11啮合；

第一转子41转动连接在安装轴43上；第二转子42和输出齿轮45固定连接在安装轴43上。

输入圈33上的弧形齿条和磁电动力转换器4位于轮圈1的上半部，摆动架2位于轮圈1的下半部，摆动架2为环形结构，环形结构的上部与磁电动力转换器4的安装轴43连接。

所述磁电动力转换器4，是一个盘式双转子结构。轴直接固定在第二转子上。盘式壳体内贴装环形磁钢。磁钢间隔气隙空间对面设置铁轭，形成强导磁环路。在第二转子内部的磁气隙空间处设置第一转子。优选的技术方案，电枢转子为第一转子。

电枢转子上的电枢为单绕组结构，绕组输出端经螺旋连接线连接控制器47。

参见附图11，控制器47内部设置有储能电容，功率驱动电路接成H桥式连接电枢绕组。H桥形成的整流电路为电枢绕组提供向电容充电的功能。由此，通过控制H桥式电路中的MOS管的通断，可以实现由电枢供电储能或者向电枢供电驱动。

抓手31位于轮圈1的一侧。

架体32经复数个轴承与滑道12滚动连接；摆动架2经复数个轴承与滑道12滚动连接，摆动架2的至少一部分位于轮圈1的内圈中空处。

如图7和图9所示，轮架系统3内设置有陀螺仪、加速度传感器，陀螺仪和加速度传感器的输出端数据传输到控制器47。

磁电动力转换器4中，电枢转子和磁转子中的一个可以作为输入转子，另一个则为输出转子。以下以电枢转子为输入转子，磁转子为输出转子为例，对本实施例的工作方式作进一步解释：

如图5所示，在实际使用时，首先推动独轮磁轮车，轮圈1转动，输出齿圈11带动输出齿轮45转动，输出齿轮45带动磁转子转动，由于磁电感应现象，电枢输出电能供应给控制器47，控制器47工作并开始储能。

如图6所示，此时处于T1时间，即开始滑行，充电模式；

人体踩脚踏位21时，踏板带动安装轴43运动，踏板的摆动带动磁电动力转换器4摆作，使得输入齿轮44沿输入圈33的齿条来回滚动，输入齿轮44的滚动带动电枢转子转动。

如图6所示，T2时间，一脚踩踏，为电驱动模式；

T3时间，另一脚踩踏，为发电模式。

正常运行时，在双腿交替踩踏过程中，周期性地在电驱动模式和发电模式之间转换，使输出转子的转速基本处于稳定微波动状态。

当人体有失去平衡的趋势时，陀螺仪探测到倾斜度，矢量控制电枢绕组两端的电压，磁转子对轮圈1进行加速或减速，利用人体的惯性调整人体的姿态，即可稳定磁轮车的平衡行驶。

同时，控制器47可以根据踏板的踏频调整磁轮车的速度。

磁轮车平衡行驶控制的具体原理是：陀螺仪、加速度传感器设置在轮架上，轮架经抓手与人体接触。当人体失去平衡时，倾斜角度经抓手、轮架传导被陀螺仪探测。陀螺仪将倾斜数据传输给控制器47，矢量控制于磁电动力转换器4。如果人体前倾，矢量控制器47控制电枢驱动磁转子加速转动，从而使得车轮加速，此时，由于惯性作用，人体恢复到平衡位；如果人体后仰，陀螺仪将信号传输给控制器47，控制器47接受到信号后，控制器47控制电枢使磁转子转速降低，从而使得车轮减速，此时，由于惯性作用，人体恢复到平衡位。由此，可以实现独轮载人自动平衡行驶方式。

实施例二：一种磁轮车，其整体结构与实施例一类似，其中，如图12所示，磁电动力转换器采用无源器件结构，将控制器47设置在电枢转子上，电枢的绕组输出端直接与控制器47连接，不设置螺旋线，控制器47随着电枢转子同步转动。由此，该磁电动力转换器可以进行整体封装，构成无源器件，使用时与普通机械构件相同，便于安装。陀螺仪、加速度传感器设置在轮架上，与控制器47无线信号连接。

Claims (10)

1.一种磁轮车，包括轮圈（1）、驱动系统和轮架系统（3），所述轮圈（1）与所述轮架系统（3）转动连接，其特征在于：所述驱动系统主要由摆动架（2）、磁电动力转换器（4）、第一传动机构和第二传动机构组成；所述摆动架（2）具有相对于所述轮架系统（3）摆动的运动自由度；所述摆动架（2）与轮架系统（3）经所述第一传动机构连接，所述第一传动机构的输出连接所述磁电动力转换器（4），所述磁电动力转换器（4）经所述第二传动机构与所述轮圈（1）传动连接。

2.根据权利要求1所述的磁轮车，其特征在于：所述磁电动力转换器（4）具有第一转子（41）和第二转子（42），所述第一转子（41）和所述第二转子（42）中的一个为磁转子，另一个为电枢转子，两个转子同轴相邻布置并使电枢转子在相对磁转子转动时切割磁转子上的永磁体产生的磁力线；所述电枢转子的绕组输出端连接一控制器（47）。

3.根据权利要求1所述的磁轮车，其特征在于：所述摆动架（2）上设有一对使双脚穿入轮圈内的脚踏位（21）。

4.根据权利要求1所述的磁轮车，其特征在于：所述摆动架（2）的摆动中心与所述轮圈（1）的转动中心位于同一轴线上。

5.根据权利要求2所述的磁轮车，其特征在于：所述轮圈（1）的内圈上设有输出齿圈（11）和滑道（12）；所述轮架系统（3）包括抓手（31）、架体（32）和与所述架体（32）固定连接的输入圈（33）上的弧形齿条，所述架体（32）与所述轮圈（1）的内圈经所述滑道（12）构成滑动连接结构，所述抓手（31）和所述架体（32）固定连接；所述第一传动机构包括磁电动力转换器（4）的安装轴（43）、与所述第一转子（41）固定连接的输入齿轮（44）；所述摆动架（2）与所述安装轴（43）转动连接，所述输入齿轮（44）与所述输入圈（33）上的弧形齿条啮合；所述第二传动机构包括与所述第二转子（42）连接的输出齿轮（45），所述输出齿轮（45）与所述轮圈（1）的内圈上的输出齿圈（11）啮合；所述第一转子（41）转动连接在所述安装轴（43）上，所述第二转子（42）固定连接在所述安装轴（43）上。

6.根据权利要求5所述的磁轮车，其特征在于：所述输入圈（33）上的弧形齿条和磁电动力转换器（4）位于所述轮圈（1）的上半部，所述摆动架（2）位于所述轮圈（1）的下半部，所述摆动架（2）为环形结构，环形结构的上部与所述磁电动力转换器（4）的安装轴（43）连接。

7.根据权利要求2所述的磁轮车，其特征在于：所述磁电动力转换器安装在所述摆动架上。

8.根据权利要求5所述的磁轮车，其特征在于：电枢转子上的电枢为单绕组结构，绕组输出端经螺旋连接线连接控制器（47）。

9.根据权利要求5所述的磁轮车，其特征在于：所述架体（32）经复数个轴承与所述滑道（12）滚动连接；所述摆动架（2）经复数个轴承与所述滑道（12）滚动连接，所述摆动架（2）的至少一部分位于所述轮圈（1）的内圈中空处。

10.根据权利要求2、5-9任一所述的磁轮车，其特征在于：所述轮架系统（3）内设置有陀螺仪，所述陀螺仪的输出端数据传输到所述控制器（47）。