CN106877457A - 一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人 - Google Patents
一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人，该机器人通过安装在承载件上的超声传感器、视觉传感器和滚轮实现充电基站与目标充电车辆之间的位置变化；通过装配在底座中的两个转向相反的磁悬浮储能飞轮实现对电动汽车的自动充电。本发明磁悬浮储能飞轮是在飞轮本体的内圆环与外圆盘之间的中间隔板的上下分别安装结构相同的上下结构体。本发明的磁悬浮储能飞轮的高速旋转依靠旋转交变磁场驱动，该交变磁场利用扁平状空心杯直流电机的工作原理来实现的，将电能转化为磁悬浮飞轮的旋转动能。
Description
技术领域
本发明涉及一种充电机器人，更特别地说，是指一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人。
背景技术
纯电动汽车具有环保、低噪音、体积小等优点，对未来城市交通来说，具有广泛的应用前景。但由于种种技术原因，限制了纯电动汽车的应用普及，其中一个比较突出的就是充电难的问题。主要体现在如下几方面：
(1)充电时间长，快充要3～5小时，慢充要10小时以上。
(2)充电深度不够，大多数电动汽车充满电后不能行驶到额定里程。
(3)充电桩固定，容易被其他车辆占用车位。
(4)充电收取高昂停车费，使停车费用远高于充电费用。
基于上述原因，本申请提出了一种应用于电动汽车的基于磁悬浮储能飞轮的智能移动充电机器人。
发明内容
为了解决电动汽车在无充电装桩或充电桩较少停车场的充电困难问题，采用磁悬浮内转子飞轮储能原理与地面移动机器人技术结合，设计了本发明的一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人，实现在停车场内为任意停车位的电动汽车自动充电。磁悬浮储能飞轮的高速旋转依靠了旋转交变磁场驱动，该交变磁场利用扁平状空心杯直流电机的工作原理来实现的，将电能转化为磁悬浮飞轮的旋转动能。当两个磁悬浮飞轮达到额定转速后，表示机器人充电完毕。依靠控制系统内的GPS模块和无线通讯模块来实现在目标充电车辆的锁定，利用视觉和超声传感器来实现沿途障碍的躲避和最优路径的解算。
本发明是一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人，其特征在于：所述地面移动充电机器人包括有承载件(1)、上盖板(2)、底座(3)、多关节充电臂(4)、备用充电接口(5)、抽气设备(6)、A组磁悬浮储能飞轮(7)、B组磁悬浮储能飞轮(8)；A组磁悬浮储能飞轮(7)与B组磁悬浮储能飞轮(8)的结构相同；A组磁悬浮储能飞轮(7)与B组磁悬浮储能飞轮(8)的旋转方向相反；
A组磁悬浮储能飞轮(7)与B组磁悬浮储能飞轮(8)安装在底座(3)内；
承载件(1)上设有四边梁(1A、1B、1C、1D)；底座(3)套接在承载件(1)上；上盖板(2)安装在底座(3)上方；
多关节充电臂(4)、备用充电接口(5)和抽气设备(6)安装在上盖板(2)上；
A组磁悬浮储能飞轮(7)的上结构体的组装为：多个AA径向磁轴承线圈(73)分别设置在AA径向磁轴承定子(7K)的AA径向磁轴承线圈骨架(7K4)上；AA径向磁轴承定子(7K)的AA通孔(7K3)与AA转子叠层圈(7G)的一端接触；AA转子叠层圈(7G)套接在A飞轮本体(7A)的内圆环(7A1)上；AA径向磁轴承定子(7K)安装在AA磁轴承连接盘(7F)的AE圆形凹腔(7F2)内；置于AA轴向磁轴承定子(7E)的AC圆形凹腔(7E2)内；AA电机定子导磁环叠层圈(7C)置于AA电机骨架(7D)的AA圆形凹腔(7D2)内；AA电机骨架(7D)的AA翅片(7D6)上安装有AA电机定子线圈(71)；AA电机定子线圈(71)的外部是AA电机永磁体(7B)；AA电机骨架(7D)的AA圆形压板(7D5)与AA磁轴承连接盘(7F)的AC圆形压板(7F6)之间安装有AA轴向磁轴承定子(7E)；AA保护轴承套(7I)套接在A飞轮本体(7A)的内圆环(7A1)上，且置于AA保护轴承座(7H)的AA开口凹腔(7H4)中，AA保护轴承座(7H)与AA磁轴承连接盘(7F)通过螺钉固定；
A组磁悬浮储能飞轮(7)的下结构体的组装为：多个AB径向磁轴承线圈(74)分别设置在AB径向磁轴承定子(7P)的AB径向磁轴承线圈骨架上；AB径向磁轴承定子(7P)的AB通孔与AB转子叠层圈(7R)的一端接触；AB转子叠层圈(7R)套接在A飞轮本体(7A)的内圆环(7A1)上；AB径向磁轴承定子(7V)安装在AB磁轴承连接盘(7Q)的AF圆形凹腔内；置于AB轴向磁轴承定子(7P)的AD圆形凹腔(7P2)内；AB电机定子导磁环叠层圈(7M)置于AB电机骨架(7N)的AB圆形凹腔(7N2)内；AB电机骨架(7N)的AB翅片(7N6)上安装有AB电机定子线圈(72)；AB电机定子线圈(72)的外部是AB电机永磁体(7L)；AB电机骨架(7N)的AB圆形压板与AB磁轴承连接盘(7Q)的AD圆形压板之间安装有AB轴向磁轴承定子(7P)；AB保护轴承套(7T)套接在A飞轮本体(7A)的内圆环(7A1)上，且置于AB保护轴承座(7S)的AB开口凹腔中，AB保护轴承座(7S)与AB磁轴承连接盘(7Q)通过螺钉固定。
附图说明
图1是本发明设计的一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人的外部结构图。
图1A是本发明设计的一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人的另一视角外部结构图。
图1B是本发明设计的一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人的分解图。
图1C是本发明设计的一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人的内部俯视结构图。
图2是本发明A组磁悬浮储能飞轮的前视面的外部结构图。
图2A是本发明A组磁悬浮储能飞轮的后视面的外部结构图。
图2B是本发明A组磁悬浮储能飞轮的剖面结构图片。
图2C是本发明A组磁悬浮储能飞轮的分解结构图。
图3是本发明A飞轮本体的剖面结构图。
图4是本发明AA电机骨架的结构图。
图4A是本发明AA电机骨架的另一视角结构图片。
图5是本发明AA轴向磁轴承定子的结构图片。
图6是本发明AA磁轴承连接盘的结构图片。
图7是本发明AA保护轴承座的结构图片。
图8是本发明AA径向磁轴承定子的正视结构图。
图8A是本发明AA径向磁轴承定子的另一视角结构图片。
| 1.承载件 | 1A.A边梁 | 1B.B边梁 |
| 1C.C边梁 | 1D.D边梁 | 2.上盖板 |
| 3.底座 | 3A.底板 | 3B.立板 |
| 4.多关节充电臂 | 5.备用充电接口 | 6.抽气设备 |
| 7.A组磁悬浮储能飞轮 | 71.AA电机定子线圈 | 72.AB电机定子线圈 |
| 73.AA径向磁轴承线圈 | 74.AB径向磁轴承线圈 | 75.AA位移传感器 |
| 76.AB位移传感器 | 7A.A飞轮本体 | 7A1.内圆环 |
| 7A2.外圆盘 | 7A3.中间隔板 | 7A4.上凸台 |
| 7A5.下凸台 | 7B.AA电机永磁体 | 7C.AA电机定子导磁环叠层圈 |
| 7D.AA电机骨架 | 7D1.AA平面板 | 7D2.AA圆形凹腔 |
| 7D3.AA臂 | 7D4.AB臂 | 7D5.AA圆形压板 |
| 7D6.AA翅片 | 7E.AA轴向磁轴承定子 | 7E1.AC平面板 |
| 7E2.AC圆形凹腔 | 7E3.AE臂 | 7E4.AF臂 |
| 7F.AA磁轴承连接盘 | 7F1.AE平面板 | 7F2.AE圆形凹腔 |
| 7F3.AI臂 | 7F4.AJ臂 | 7F5.AA圆形凸台 |
| 7F6.AC圆形压板 | 7F7.AA开口槽 | 7G.AA转子叠层圈 |
| 7H.AA保护轴承座 | 7H1.AG平面板 | 7H2.AC圆形凸台 |
| 7H3.AE圆形压板 | 7H4.AA开口凹腔 | 7F3.AE圆形压板 |
| 7I.AA保护轴承套 | 7J.AA轴向磁轴承线圈 | 7K.AA径向磁轴承定子 |
| 7K1.AA三角形开口槽 | 7K2.AA圆盘体 | 7K3.AA通孔 |
| 7K4.AA径向磁轴承线圈骨架 | 7L.AB电机永磁体 | 7M.AB电机定子导磁环叠层圈 |
| 7N.AB电机骨架 | 7N2.AB圆形凹腔 | 7N6.AB翅片 |
| 7P.AB轴向磁轴承定子 | 7P2.AD圆形凹腔 | 7Q.AB磁轴承连接盘 |
| 7Q5.AB圆形凸台 | 7Q7.AB开口槽 | 7R.AB转子叠层圈 |
| 7S.AB保护轴承座 | 7S2.AD圆形凸台 | 7S3.AF圆形压板 |
| 7T.AB保护轴承套 | 7U.AB轴向磁轴承线圈 | 7V.AB径向磁轴承定子 |
| 7V1.AB三角形开口槽 | 7V2.AB圆盘体 | 7V3.AB通孔 |
| 7V4.AB径向磁轴承线圈骨架 | 8.B组磁悬浮储能飞轮 | 10A.A超声传感器 |
| 10B.B超声传感器 | 20A.A视觉传感器 | 20B.B视觉传感器 |
| 20C.C视觉传感器 | 20D.D视觉传感器 | 20E.E视觉传感器 |
| 20F.F视觉传感器 | 20G.G视觉传感器 | 20H.H视觉传感器 |
| 30A.A滚轮 | 30B.B滚轮 | 30C.C滚轮 |
| 30D.D滚轮 | 30E.E滚轮 | 30F.F滚轮 |
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图1A、图1B、图1C所示，本发明设计了一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人，其包括有承载件1、上盖板2、底座3、多关节充电臂4、备用充电接口5、抽气设备6、A组磁悬浮储能飞轮7、B组磁悬浮储能飞轮8。视觉传感器(20A～20H)、超声传感器(10A、10B)和滚轮(30A～30F)安装在承载件1的边梁外部。位移传感器(75、76)设置在磁悬浮储能飞轮(7、8)内部。多关节充电臂4用于待本发明设计的地面移动充电机器人移动至目标充电车辆位置时，用于与电动汽车的充电接头连接，实现电能的传输(机器人的放电过程)。也用于本发明设计的地面移动充电机器人与充电基站对接，实现自身储能飞轮与充电基站的电能传输(机器人的充电过程)。备用充电接口5用于连接另一台本发明地面移动充电机器人，达到多台本发明地面移动充电机器人协同充电。每台本发明地面移动充电机器人带有一个备用充电接口，接口形式与多关节充电臂相匹配。当目标车辆电池容量较大，单台本发明地面移动充电机器人的电能无法充满该电动汽车的时候，可采用多台本发明地面移动充电机器人串联协同为电动汽车充电，以实现快速为目标车辆完成短时间充电的目的。也可以通过备用充电接口5与另一多关节充电臂连接，在设计的地面移动充电机器人具有足够大的功率条件下，实现对另一电动汽车的充电。因此，通过备用充电接口5可以让邻近的两台电动汽车同时在一台地面移动充电机器人进行充电。
视觉传感器(20A～20H)用于本发明设计的地面移动充电机器人进行沿途的移动目标识别、躲避移动目标、图形识别、图像采集。
超声传感器(10A、10B)用于本发明设计的地面移动充电机器人进行沿途的固定障碍物的避障功能和多机器人的识别功能。
位移传感器(75、76，选用涡流传感器)用于检测磁悬浮储能飞轮中飞轮本体7A的悬浮状态、转动情况、失稳识别等。
滚轮(30A～30F，选用万向轮)用于本发明设计的地面移动充电机器人进行行走，位置移动。主要实现的是充电基站与充电汽车之间的移动。
在本发明中，承载件1、上盖板2和底座3构成应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人的外部框架体。所述外部框架体设计成扁平形状，可以在汽车底盘下自由移动，不受上下空间限制。机器人的行走路径不占用停车场内的机动车道，不会对过往机动车的正常行驶造成干扰。
承载件1
参见图1、图1A、图1B所示，承载件1是由合金钢加工成的具有传感冗余功能的模块化四边梁(1A、1B、1C、1D)的矩形框结构体，并在四个边梁上分别安装相应的视觉传感器(20A～20H)、超声传感器(10A、10B)和能够使承载件1移动的滚轮(30A～30F)。底座3套接安装在承载件1内。由于底座3内安装有顺时针方向转动的磁悬浮飞轮(A组磁悬浮储能飞轮7)和逆时针方向转动的磁悬浮飞轮(B组磁悬浮储能飞轮8)，通过外接的承载件1能够减少在移动过程中对固定在承载件1上的设备(如视觉传感器、超声传感器)的颤振。
如图1、图1A所示，A边梁1A上安装有A超声传感器10A、A视觉传感器20A和B视觉传感器20B。与A边梁1A相对应的B边梁1B上安装有B超声传感器10B、G视觉传感器20G和H视觉传感器20H。
如图1、图1A所示，C边梁1C上安装有D视觉传感器20D、F视觉传感器20F、B滚轮30B、D滚轮30D、F滚轮30F。与C边梁1C相对应的D边梁1D上安装有C视觉传感器20C、E视觉传感器20E、A滚轮30A、C滚轮30C、E滚轮30E。
上盖板2
参见图1、图1A、图1B所示，上盖板2为平板结构，与底座3的上端固定。上盖板2上固定安装有多关节充电臂4、备用充电接口5和抽气设备6。所述抽气设备6指的是真空泵等实现将底座3内磁悬浮飞轮(7、8)内的压强降低至10-3Pa级以下，以减小飞轮在高速旋转时与空气的摩擦阻力和风摩耗。上盖板2能够阻止灰尘或者污染物进入底座3内，影响顺时针方向转动的磁悬浮飞轮(A组磁悬浮储能飞轮7)和逆时针方向转动的磁悬浮飞轮(B组磁悬浮储能飞轮8)的工作性能。同时通过上盖板2来安装多关节充电臂4和抽气设备6，有利于减小本发明设计的地面移动充电机器人的体积。
底座3
参见图1A、图1B、图1C所示，底座3为无盖的盒子结构。底座3的底板3A上固定安装有顺时针方向转动的磁悬浮飞轮(A组磁悬浮储能飞轮7)和逆时针方向转动的磁悬浮飞轮(B组磁悬浮储能飞轮8)。底座3的四个立板3B套接在承载件1内。在本发明中，底座3与承载件1采用分体结构设计，是为了减小两组磁悬浮储能飞轮(7、8)在工作时产生的振动对安装在承载件1上的视觉传感器和传感器工作性能的影响。
为了降低两组磁悬浮储能飞轮(7、8)在工作时产生的振动，可以在底座3的四个立板3B与承载件1的四个边梁的内壁之间安装减振装置，如套接一橡胶圈。
在本发明中，A组磁悬浮储能飞轮7与B组磁悬浮储能飞轮8是结构相同的，因此对B组磁悬浮储能飞轮8中的零件未进行分零件图的说明，可以通过比对A组磁悬浮储能飞轮7来毫无疑问地推导得到，但在工作时，A组磁悬浮储能飞轮7与B组磁悬浮储能飞轮8的旋转方向是相反的(如图1C所示)，即A组磁悬浮储能飞轮7为逆时针方向旋转，而B组磁悬浮储能飞轮8为顺时针方向旋转。
A组磁悬浮储能飞轮7的零件结构分解：
参见图1C、图2、图2A、图2B、图2C所示，A组磁悬浮储能飞轮7设计成圆盘结构体，以A飞轮本体7A的内圆环7A1为圆心进行转动。A组磁悬浮储能飞轮7包括有AA电机定子线圈71、AB电机定子线圈72、AA径向磁轴承线圈73、AB径向磁轴承线圈74、AA位移传感器75、AB位移传感器76、A飞轮本体7A、AA电机永磁体7B、AB电机永磁体7L、AA电机定子导磁环叠层圈7C、AB电机定子导磁环叠层圈7M、AA电机骨架7D、AB电机骨架7N、AA轴向磁轴承定子7E、AB轴向磁轴承定子7P、AA磁轴承连接盘7F、AB磁轴承连接盘7Q、AA转子叠层圈7G、AB转子叠层圈7R、AA保护轴承座7H、AB保护轴承座7S、AA保护轴承套7I、AB保护轴承套7T、AA轴向轴承线圈7J、AB轴向磁轴承线圈7U、AA径向磁轴承定子7K、AB径向磁轴承定子7V。在本发明中，AA保护轴承套7I、AA保护轴承座7H、AA磁轴承连接盘7F、AA轴向磁轴承定子7E、AA电机骨架7D、AA电机永磁体7B、AA转子叠层圈7G、AA径向磁轴承定子7K、AA径向磁轴承线圈73、AA轴向磁轴承线圈7J、AA电机定子导磁环叠层圈7C和AA电机定子线圈71构成A组磁悬浮储能飞轮7的上结构体。AB保护轴承套7T、AB保护轴承座7S、AB磁轴承连接盘7Q、AB轴向磁轴承定子7P、AB电机骨架7N、AB电机永磁体7L、AB转子叠层圈7R、AB径向磁轴承定子7V、AB径向磁轴承线圈74、AB轴向磁轴承线圈7U、AB电机定子导磁环叠层圈7M和AB电机定子线圈72构成A组磁悬浮储能飞轮7的下结构体。
本发明设计的A组磁悬浮储能飞轮7中，旋转组件是指A飞轮本体7A、AA电机永磁体7B、AB电机永磁体7L、AA转子叠层圈7G和AB转子叠层圈7R。
本发明设计的A组磁悬浮储能飞轮7中，AA电机定子线圈71、AA电机定子导磁环叠层圈7C和AA电机骨架7D构成上层空心杯直流电机；AB电机定子线圈72、AB电机定子导磁环叠层圈7M和AB电机骨架7N构成下层空心杯直流电机。上层空心杯直流电机与下层空心杯直流电机统称为电机定子组件。
本发明设计的A组磁悬浮储能飞轮7中，AA径向磁轴承线圈73和AA径向磁轴承定子7K构成上层径向磁轴承定子；AB径向磁轴承线圈74和AB径向磁轴承定子7V构成下层径向磁轴承定子。本发明设计的A组磁悬浮储能飞轮7中，AA轴向磁轴承线圈7J和AA轴向磁轴承定子7E构成上层轴向磁轴承定子；AB轴向磁轴承线圈7U和AB轴向磁轴承定子7P构成下层轴向磁轴承定子。上层径向磁轴承定子、上层轴向磁轴承定子、下层径向磁轴承定子和下层轴向磁轴承定子统称为磁轴承定子组件。
在为本发明的地面移动充电机器人充电时，通过多关节充电臂4与充电基站对接，开始为本发明设计的机器人充电，充电开始后，首先磁轴承定子组件上电使旋转组件悬浮；电机定子组件上电使旋转组件开始旋转至额定转速，完成充电过程。
A飞轮本体7A(如图2B、图2C、图3所示)的中部设有内圆环7A1，A飞轮本体7A的外部设有外圆盘7A2，内圆环7A1与外圆盘7A2之间是中间隔板7A3。内圆环7A1的外圆筒体上且与中间隔板7A3结合处设有上凸台7A4和下凸台7A5。上凸台7A4上放置有AA转子叠层圈7G。下凸台7A5上放置有AB转子叠层圈7R。内圆环7A1作为A组磁悬浮储能飞轮7运动时的圆心。中间隔板7A3的上方用于放置A组磁悬浮储能飞轮7的上结构体，中间隔板7A3的下方用于放置A组磁悬浮储能飞轮7的下结构体。
AA电机永磁体7B与AB电机永磁体7L的结构相同。电机永磁体为圆环结构。AA电机永磁体7B置于A飞轮本体7A的外圆盘7A2内壁与AA电机骨架7D的AB臂7D4之间。AB电机永磁体7L置于A飞轮本体7A的外圆盘7A2内壁与AB电机骨架7N的AD臂之间。
AA电机定子导磁环叠层圈7C与AB电机定子导磁环叠层圈7M的结构相同。AA电机定子导磁环叠层圈7C置于AA电机骨架7D的AA圆形凹腔7D2内。AB电机定子导磁环叠层圈7M置于AB电机骨架7N的AB圆形凹腔7N2内。
AA电机骨架7D(如图2B、图2C、图4所示)与AB电机骨架7N的结构相同。AA电机骨架7D的一端为AA平面板7D1，AA电机骨架7D的另一端设有用于放置AA电机定子导磁环叠层圈7C的AA圆形凹腔7D2，且AA圆形凹腔7D2的两边是AA臂7D3和AB臂7D4，AA臂7D3的外缘上设有用于卡紧AA轴向磁轴承定子7E的AA圆形压板7D5，AB臂7D4的外缘面上设有AA翅片7D6，AA翅片7D6上安装有AA电机定子线圈71。安装有AA电机定子线圈71的AA电机骨架7D的外缘设有AA电机永磁体7B。AB电机骨架7N的一端为AB平面板，AB电机骨架7N的另一端设有用于放置AB电机定子导磁环叠层圈7M的AB圆形凹腔7N2，且AB圆形凹腔7N2的两边是AC臂和AD臂，AC臂的外缘上设有用于卡紧AB轴向轴承定子7P的AB圆形压板，AD臂的外缘面上设有AB翅片7N6，AB翅片7N6上安装有AB电机定子线圈72。安装有AB电机定子线圈72的AB电机骨架7N的外缘设有AB电机永磁体7L。
AA轴向磁轴承定子7E(如图2B、图2C、图5所示)与AB轴向磁轴承定子7P的结构相同。AA轴向磁轴承定子7E的一端为AC平面板7E1，AA轴向磁轴承定子7E的另一端设有用于放置AA轴向磁轴承线圈7J的AC圆形凹腔7E2，且AC圆形凹腔7E2的两边是AE臂7E3和AF臂7E4。AB轴向磁轴承定子7P的一端为AD平面板，AB轴向磁轴承定子7P的另一端设有用于放置AB轴向磁轴承线圈7U的AD圆形凹腔7P2，且AD圆形凹腔7P2的两边是AG臂和AH臂。
AA磁轴承连接盘7F(如图2B、图2C、图6所示)与AB磁轴承连接盘7Q的结构相同。AA磁轴承连接盘7F的中部设有用于安装AA位移传感器75的AA开口槽7F7。AA磁轴承连接盘7F的一端为AE平面板7F1，AA磁轴承连接盘7F的另一端设有AA圆形凸台7F5和AC圆形压板7F6，AA圆形凸台7F5的AI臂7F3与AJ臂7F4之间是用于放置AA径向磁轴承定子7K的AE圆形凹腔7F2。
AB磁轴承连接盘7Q的中部设有用于安装AB位移传感器76的AB开口槽7Q7。AB磁轴承连接盘7Q的一端为AF平面板，AB磁轴承连接盘7Q的另一端设有AB圆形凸台7Q5和AD圆形压板，AB圆形凸台7Q5的AK臂与AL臂之间是用于放置AB径向磁轴承定子7V的AF圆形凹腔。在AA磁轴承连接盘7F与AB磁轴承连接盘7Q上设置多个位移传感器(75、76)是用于对A组磁悬浮储能飞轮7中的旋转组件的相对位置进行检测，通过检测获得的相对位置信息来判断所述旋转组件的偏移量。
AA转子叠层圈7G(如图2B、图2C所示)与AB转子叠层圈7R的结构相同。AA转子叠层圈7G为圆环结构体。AA转子叠层圈7G置于A飞轮本体7A的内圆环7A1外壁的上凸台7A4上，且与AA保护轴承套7I接触。AB转子叠层圈7R为圆环结构体。AB转子叠层圈7R置于A飞轮本体7A的内圆环7A1外壁的下凸台7A5上，且与AB保护轴承套7T接触。
AA保护轴承座7H(如图2B、图2C、图7所示)与AB保护轴承座7S的结构相同。AA保护轴承座7H的一端为AG平面板7H1，AA保护轴承座7H的另一端设有AC圆形凸台7H2，AC圆形凸台7H2的内壁接合处是AE圆形压板7H3，AC圆形凸台7H2的内壁与AE圆形压板7H3之间形成一个AA开口凹腔7H4，AA开口凹腔7H4用于放置部分AA保护轴承套7I，且通过AE圆形压板7H3压紧。AB保护轴承座7S的一端为AH平面板，AB保护轴承座7S的另一端设有AD圆形凸台7S2，AD圆形凸台7S2的内壁接合处是AF圆形压板7S3，AD圆形凸台7S2的内壁与AF圆形压板7S3之间形成一个AB开口凹腔，AB开口凹腔用于放置部分AB保护轴承套7T，且通过AF圆形压板7S3压紧。
AA保护轴承套7I(如图2B、图2C所示)与AB保护轴承套7T的结构相同。AA保护轴承套7I为圆环结构体。AB保护轴承套7T为圆环结构体。
AA轴向磁轴承线圈7J与AB轴向磁轴承线圈7U的结构相同。AA轴向磁轴承线圈7J置于AA轴向磁轴承定子7E的的AC圆形凹腔7E2内。AB轴向磁轴承线圈7U置于AB轴向磁轴承定子7P的的AD圆形凹腔7P2内。
AA径向磁轴承定子7K(如图2B、图2C、图8、图8A所示)与AB径向磁轴承定子7V的结构相同。AA径向磁轴承定子7K的中心是AA通孔7K3，AA径向磁轴承定子7K的外圆部是AA圆盘体7K2，AA通孔7K3与AA圆盘体7K2之间是AA三角形开口槽7K1。相邻两个AA三角形开口槽7K1之间是AA径向磁轴承线圈骨架7K4。AA径向磁轴承线圈骨架7K4上安装有AA径向磁轴承线圈73。AB径向磁轴承定子7V的中心是AB通孔7V3，AB径向磁轴承定子7V的外圆部是AB圆盘体7V2，AB通孔7V3与AB圆盘体7V2之间是AB三角形开口槽7V1。相邻两个AB三角形开口槽7V1之间是AB径向磁轴承线圈骨架7V4。AB径向磁轴承线圈骨架7V4上安装有AB径向磁轴承线圈74。
A组磁悬浮储能飞轮7的组装：
在本发明中，A组磁悬浮储能飞轮7的上结构体的组装为：多个AA径向磁轴承线圈73分别设置在AA径向磁轴承定子7K的AA径向磁轴承线圈骨架7K4上；AA径向磁轴承定子7K的AA通孔7K3与AA转子叠层圈7G的一端接触；AA转子叠层圈7G套接在A飞轮本体7A的内圆环7A1上；AA径向磁轴承定子7K安装在AA磁轴承连接盘7F的AE圆形凹腔7F2内；置于AA轴向磁轴承定子7E的AC圆形凹腔7E2内；AA电机定子导磁环叠层圈7C置于AA电机骨架7D的AA圆形凹腔7D2内；AA电机骨架7D的AA翅片7D6上安装有AA电机定子线圈71；AA电机定子线圈71的外部是AA电机永磁体7B；AA电机骨架7D的AA圆形压板7D5与AA磁轴承连接盘7F的AC圆形压板7F6之间安装有AA轴向磁轴承定子7E；AA保护轴承套7I套接在A飞轮本体7A的内圆环7A1上，且置于AA保护轴承座7H的AA开口凹腔7H4中，AA保护轴承座7H与AA磁轴承连接盘7F通过螺钉固定。
在本发明中，A组磁悬浮储能飞轮7的下结构体的组装为：多个AB径向磁轴承线圈74分别设置在AB径向磁轴承定子7P的AB径向磁轴承线圈骨架上；AB径向磁轴承定子7P的AB通孔与AB转子叠层圈7R的一端接触；AB转子叠层圈7R套接在A飞轮本体7A的内圆环7A1上；AB径向磁轴承定子7V安装在AB磁轴承连接盘7Q的AF圆形凹腔内；置于AB轴向磁轴承定子7P的AD圆形凹腔7P2内；AB电机定子导磁环叠层圈7M置于AB电机骨架7N的AB圆形凹腔7N2内；AB电机骨架7N的AB翅片7N6上安装有AB电机定子线圈72；AB电机定子线圈72的外部是AB电机永磁体7L；AB电机骨架7N的AB圆形压板与AB磁轴承连接盘7Q的AD圆形压板之间安装有AB轴向磁轴承定子7P；AB保护轴承套7T套接在A飞轮本体7A的内圆环7A1上，且置于AB保护轴承座7S的AB开口凹腔中，AB保护轴承座7S与AB磁轴承连接盘7Q通过螺钉固定。
本发明的一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人的工作原理：
(A)、机器人充电：在为本发明的地面移动充电机器人充电时，通过多关节充电臂4与充电基站对接，开始为本发明设计的机器人充电，充电开始后，首先磁轴承定子组件上电使旋转组件悬浮；电机定子组件上电使旋转组件开始旋转，将电能转化为旋转组件的动能。当旋转组件达到额定转速后，表示机器人充电完成。
(B)、目标车辆定位：本发明设计的机器人依靠GPS模块和无线通讯模块自动寻找并锁定目标车辆，通过滚轮达到机器人的自主移动，并利用视觉传感器和超声传感器实现障碍物的躲避，当机器人以最优路径到达目标车辆位置时，可以通过多关节充电臂4与目标车辆的充电接口对接，开始准备为目标车辆充电。
(C)、机器人放电：即为电动汽车充电。此时电机定子组件作为发电机使用，将旋转组件的动能转化为电能，通过多关节充电臂4输出给电动汽车。当旋转组件转速小于某一转速(由目标车辆到充电基站的距离和机器人的行驶路径决定)时，表示机器人的一次放电过程完毕。
(D)、多机器人协同充电：每个机器人带有一个备用充电接口，接口形式与多关节充电臂4相匹配。当目标车辆电池容量较大，单台机器人的电能无法充满该电动汽车的时候，可采用多机器人协同充电，多个机器人通过GPS模块和无线通讯模块实现串联为目标车辆充电，达到更短的充电时间。
(E)、机器人返回充电基站位置：机器人每次放电后必须留有足够的电力，以维持机器人返回充电基站进行再次充电。机器人通过多次循环充放电，往返于充电基站和目标车辆之间，达到无人值守为电动汽车自动充电的过程。
本发明设计了一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人，所要解决的是目前对电动汽车充电难的技术问题，本发明地面移动充电机器人携带两个转向相反的磁悬浮储能飞轮，可以根据车主需要，自动为电动汽车充电。该地面移动充电机器人具有如下技术优势：
1、充电时间短：磁悬浮储能飞轮的一大优势就是能够快速充放电，利用该机器人为电动汽车充电，可以使充电时间缩短至小于一小时。
2、充电深度高：可以利用磁悬浮储能飞轮的瞬间充放电功能，达到储能飞轮的深度充电。
3、机器人具有自主移动、定位、识别、对接、充电等功能，不受停车位和车型限制。
4、机器人外观是扁平形状，可以在汽车底盘下自由移动，不受空间限制，且多个机器人可协同工作，以串联方式(两台机器人之间通过各自的备用接口实现串联)为电池容量较大的电动汽车充电。
Claims (6)
1.一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人，其特征在于：所述地面移动充电机器人包括有承载件(1)、上盖板(2)、底座(3)、多关节充电臂(4)、备用充电接口(5)、抽气设备(6)、A组磁悬浮储能飞轮(7)、B组磁悬浮储能飞轮(8)；A组磁悬浮储能飞轮(7)与B组磁悬浮储能飞轮(8)的结构相同；A组磁悬浮储能飞轮(7)与B组磁悬浮储能飞轮(8)的旋转方向相反；
A组磁悬浮储能飞轮(7)与B组磁悬浮储能飞轮(8)安装在底座(3)内；
承载件(1)上设有四边梁(1A、1B、1C、1D)；底座(3)套接在承载件(1)上；上盖板(2)安装在底座(3)上方；
多关节充电臂(4)、备用充电接口(5)和抽气设备(6)安装在上盖板(2)上；
A组磁悬浮储能飞轮(7)包括有AA电机定子线圈(71)、AB电机定子线圈(72)、AA径向磁轴承线圈(73)、AB径向磁轴承线圈(74)、AA位移传感器(75)、AB位移传感器(76)、A飞轮本体(7A)、AA电机永磁体(7B)、AB电机永磁体(7L)、AA电机定子导磁环叠层圈(7C)、AB电机定子导磁环叠层圈(7M)、AA电机骨架(7D)、AB电机骨架(7N)、AA轴向磁轴承定子(7E)、AB轴向磁轴承定子(7P)、AA磁轴承连接盘(7F)、AB磁轴承连接盘(7Q)、AA转子叠层圈(7G)、AB转子叠层圈(7R)、AA保护轴承座(7H)、AB保护轴承座(7S)、AA保护轴承套(7I)、AB保护轴承套(7T)、AA轴向轴承线圈(7J)、AB轴向磁轴承线圈(7U)、AA径向磁轴承定子(7K)、AB径向磁轴承定子(7V)；
A飞轮本体(7A)的中部设有内圆环(7A1)，A飞轮本体7A的外部设有外圆盘(7A2)，内圆环(7A1)与外圆盘(7A2)之间是中间隔板(7A3)；内圆环(7A1)的外圆筒体上且与中间隔板(7A3)结合处设有上凸台(7A4)和下凸台(7A5)；上凸台(7A4)上放置有AA转子叠层圈(7G)；下凸台(7A5)上放置有AB转子叠层圈(7R)；
AA电机永磁体(7B)与AB电机永磁体(7L)的结构相同；AA电机永磁体(7B)置于A飞轮本体(7A)的外圆盘(7A2)内壁与AA电机骨架(7D)的AB臂(7D4)之间；AB电机永磁体(7L)置于A飞轮本体(7A)的外圆盘(7A2)内壁与AB电机骨架(7N)的AD臂之间；
AA电机定子导磁环叠层圈(7C)与AB电机定子导磁环叠层圈(7M)的结构相同；AA电机定子导磁环叠层圈(7C)置于AA电机骨架(7D)的AA圆形凹腔(7D2)内；AB电机定子导磁环叠层圈(7M)置于AB电机骨架(7N)的AB圆形凹腔(7N2)内；
AA电机骨架(7D)与AB电机骨架(7N)的结构相同；AA电机骨架(7D)的一端为AA平面板(7D1)，AA电机骨架(7D)的另一端设有用于放置AA电机定子导磁环叠层圈(7C)的AA圆形凹腔(7D2)，且AA圆形凹腔(7D2)的两边是AA臂(7D3)和AB臂(7D4)，AA臂(7D3)的外缘上设有用于卡紧AA轴向磁轴承定子(7E)的AA圆形压板(7D5)，AB臂(7D4)的外缘面上设有AA翅片(7D6)，AA翅片(7D6)上安装有AA电机定子线圈(71)；安装有AA电机定子线圈(71)的AA电机骨架(7D)的外缘设有AA电机永磁体(7B)；AB电机骨架(7N)的一端为AB平面板，AB电机骨架(7N)的另一端设有用于放置AB电机定子导磁环叠层圈(7M)的AB圆形凹腔(7N2)，且AB圆形凹腔(7N2)的两边是AC臂和AD臂，AC臂的外缘上设有用于卡紧AB轴向轴承定子(7P)的AB圆形压板，AD臂的外缘面上设有AB翅片(7N6)，AB翅片(7N6)上安装有AB电机定子线圈(72)；安装有AB电机定子线圈(72)的AB电机骨架(7N)的外缘设有AB电机永磁体(7L)；
AA轴向磁轴承定子(7E)与AB轴向磁轴承定子(7P)的结构相同；AA轴向磁轴承定子(7E)的一端为AC平面板(7E1)，AA轴向磁轴承定子(7E)的另一端设有用于放置AA轴向磁轴承线圈(7J)的AC圆形凹腔(7E2)，且AC圆形凹腔(7E2)的两边是AE臂(7E3)和AF臂(7E4)；AB轴向磁轴承定子(7P)的一端为AD平面板，AB轴向磁轴承定子(7P)的另一端设有用于放置AB轴向磁轴承线圈(7U)的AD圆形凹腔(7P2)，且AD圆形凹腔(7P2)的两边是AG臂和AH臂；
AA磁轴承连接盘(7F)与AB磁轴承连接盘(7Q)的结构相同；AA磁轴承连接盘(7F)的中部设有用于安装AA位移传感器(75)的AA开口槽(7F7)；AA磁轴承连接盘(7F)的一端为AE平面板(7F1)，AA磁轴承连接盘(7F)的另一端设有AA圆形凸台(7F5)和AC圆形压板(7F6)，AA圆形凸台(7F5)的AI臂(7F3)与AJ臂(7F4)之间是用于放置AA径向磁轴承定子(7K)的AE圆形凹腔(7F2)；AB磁轴承连接盘(7Q)的中部设有用于安装AB位移传感器(76)的AB开口槽(7Q7)；AB磁轴承连接盘(7Q)的一端为AF平面板，AB磁轴承连接盘(7Q)的另一端设有AB圆形凸台(7Q5)和AD圆形压板，AB圆形凸台(7Q5)的AK臂与AL臂之间是用于放置AB径向磁轴承定子(7V)的AF圆形凹腔；
AA转子叠层圈(7G)与AB转子叠层圈(7R)的结构相同；AA转子叠层圈(7G)置于A飞轮本体(7A)的内圆环(7A1)外壁的上凸台(7A4)上，且与AA保护轴承套(7I)接触；AB转子叠层圈(7R)置于A飞轮本体(7A)的内圆环(7A1)外壁的下凸台(7A5)上，且与AB保护轴承套(7T)接触；
AA保护轴承座(7H)与AB保护轴承座(7S)的结构相同；AA保护轴承座(7H)的一端为AG平面板(7H1)，AA保护轴承座(7H)的另一端设有AC圆形凸台(7H2)，AC圆形凸台(7H2)的内壁接合处是AE圆形压板(7H3)，AC圆形凸台(7H2)的内壁与AE圆形压板(7H3)之间形成一个AA开口凹腔(7H4)，AA开口凹腔(7H4)用于放置部分AA保护轴承套(7I)，且通过AE圆形压板(7H3)压紧；AB保护轴承座(7S)的一端为AH平面板，AB保护轴承座(7S)的另一端设有AD圆形凸台(7S2)，AD圆形凸台(7S2)的内壁接合处是AF圆形压板(7S3)，AD圆形凸台(7S2)的内壁与AF圆形压板(7S3)之间形成一个AB开口凹腔，AB开口凹腔用于放置部分AB保护轴承套(7T)，且通过AF圆形压板(7S3)压紧；
AA轴向磁轴承线圈(7J)与AB轴向磁轴承线圈(7U)的结构相同；AA轴向磁轴承线圈(7J)置于AA轴向磁轴承定子(7E)的的AC圆形凹腔(7E2)内；AB轴向磁轴承线圈(7U)置于AB轴向磁轴承定子(7P)的的AD圆形凹腔(7P2)内；
AA径向磁轴承定子(7K)与AB径向磁轴承定子(7V)的结构相同；AA径向磁轴承定子(7K)的中心是AA通孔(7K3)，AA径向磁轴承定子(7K)的外圆部是AA圆盘体(7K2)，AA通孔(7K3)与AA圆盘体(7K2)之间是AA三角形开口槽(7K1)；相邻两个AA三角形开口槽(7K1)之间是AA径向磁轴承线圈骨架(7K4)；AA径向磁轴承线圈骨架(7K4)上安装有AA径向磁轴承线圈(73)；AB径向磁轴承定子(7V)的中心是AB通孔(7V3)，AB径向磁轴承定子(7V)的外圆部是AB圆盘体(7V2)，AB通孔(7V3)与AB圆盘体(7V2)之间是AB三角形开口槽(7V1)；相邻两个AB三角形开口槽(7V1)之间是AB径向磁轴承线圈骨架(7V4)；AB径向磁轴承线圈骨架(7V4)上安装有AB径向磁轴承线圈(74)；
A组磁悬浮储能飞轮(7)的上结构体的组装为：多个AA径向磁轴承线圈(73)分别设置在AA径向磁轴承定子(7K)的AA径向磁轴承线圈骨架(7K4)上；AA径向磁轴承定子(7K)的AA通孔(7K3)与AA转子叠层圈(7G)的一端接触；AA转子叠层圈(7G)套接在A飞轮本体(7A)的内圆环(7A1)上；AA径向磁轴承定子(7K)安装在AA磁轴承连接盘(7F)的AE圆形凹腔(7F2)内；置于AA轴向磁轴承定子(7E)的AC圆形凹腔(7E2)内；AA电机定子导磁环叠层圈(7C)置于AA电机骨架(7D)的AA圆形凹腔(7D2)内；AA电机骨架(7D)的AA翅片(7D6)上安装有AA电机定子线圈(71)；AA电机定子线圈(71)的外部是AA电机永磁体(7B)；AA电机骨架(7D)的AA圆形压板(7D5)与AA磁轴承连接盘(7F)的AC圆形压板(7F6)之间安装有AA轴向磁轴承定子(7E)；AA保护轴承套(7I)套接在A飞轮本体(7A)的内圆环(7A1)上，且置于AA保护轴承座(7H)的AA开口凹腔(7H4)中，AA保护轴承座(7H)与AA磁轴承连接盘(7F)通过螺钉固定；
A组磁悬浮储能飞轮(7)的下结构体的组装为：多个AB径向磁轴承线圈(74)分别设置在AB径向磁轴承定子(7P)的AB径向磁轴承线圈骨架上；AB径向磁轴承定子(7P)的AB通孔与AB转子叠层圈(7R)的一端接触；AB转子叠层圈(7R)套接在A飞轮本体(7A)的内圆环(7A1)上；AB径向磁轴承定子(7V)安装在AB磁轴承连接盘(7Q)的AF圆形凹腔内；置于AB轴向磁轴承定子(7P)的AD圆形凹腔(7P2)内；AB电机定子导磁环叠层圈(7M)置于AB电机骨架(7N)的AB圆形凹腔(7N2)内；AB电机骨架(7N)的AB翅片(7N6)上安装有AB电机定子线圈(72)；AB电机定子线圈(72)的外部是AB电机永磁体(7L)；AB电机骨架(7N)的AB圆形压板与AB磁轴承连接盘(7Q)的AD圆形压板之间安装有AB轴向磁轴承定子(7P)；AB保护轴承套(7T)套接在A飞轮本体(7A)的内圆环(7A1)上，且置于AB保护轴承座(7S)的AB开口凹腔中，AB保护轴承座(7S)与AB磁轴承连接盘(7Q)通过螺钉固定。
2.根据权利要求1所述的一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人，其特征在于：在承载件(1)上安装有视觉传感器(20A～20H)、超声传感器(10A、10B)、位移传感器(75)和滚轮(30A～30F)。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人，其特征在于：A飞轮本体(7A)、AA电机永磁体(7B)、AB电机永磁体(7L)、AA转子叠层圈(7G)和AB转子叠层圈(7R)构成A组磁悬浮储能飞轮(7)中的旋转组件；
AA电机定子线圈(71)、AA电机定子导磁环叠层圈(7C)和AA电机骨架(7D)构成上层空心杯直流电机；AB电机定子线圈(72)、AB电机定子导磁环叠层圈(7M)和AB电机骨架(7N)构成下层空心杯直流电机；上层空心杯直流电机与下层空心杯直流电机组成A组磁悬浮储能飞轮(7)中的电机定子组件；
AA径向磁轴承线圈(73)和AA径向磁轴承定子(7K)构成上层径向磁轴承定子；AB径向磁轴承线圈(74)和AB径向磁轴承定子(7V)构成下层径向磁轴承定子；AA轴向磁轴承线圈(7J)和AA轴向磁轴承定子(7E)构成上层轴向磁轴承定子；AB轴向磁轴承线圈(7U)和AB轴向磁轴承定子(7P)构成下层轴向磁轴承定子；上层径向磁轴承定子、上层轴向磁轴承定子、下层径向磁轴承定子和下层轴向磁轴承定子组成A组磁悬浮储能飞轮(7)中的磁轴承定子组件；
所述的地面移动充电机器人充电时，通过多关节充电臂(4)与充电基站对接，开始为其充电，充电开始后，首先磁轴承定子组件上电使旋转组件悬浮；电机定子组件上电使旋转组件开始旋转至额定转速，完成充电过程。
4.根据权利要求1或2所述的一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人，其特征在于：滚轮(30A～30F)选用万向轮。
5.根据权利要求1或2所述的一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人，其特征在于：AA位移传感器(75)与AB位移传感器(76)是涡流传感器。
6.根据权利要求1或2所述的一种应用于电动汽车的基于磁悬浮内转子飞轮储能的地面移动充电机器人，其特征在于：所述地面移动充电机器人为扁平形状。
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