CN110481257B - 一种基于开关磁阻直线旋转电机的转向馈能悬架 - Google Patents

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Abstract

本发明公开安装在车辆上的一种基于开关磁阻直线旋转电机的转向馈能悬架，壳体内部在轴向自上而下设有电机腔、转轴腔及滑动腔，电机腔内装有开关磁阻直线旋转电机，机械转轴沿轴向上从上至下依次为电机段、滑动段及转向段，电机段同轴心线地位于电机腔内，滑动段位于转轴腔与滑动腔内，转向段伸出壳体外，滑动段外部固定套上圆柱形推力盘，滑动腔内壁与连接塞环外壁在径向上有间隙配合连接，圆柱形推力盘套在滑动段外且装在连接塞环内，壳体外部同轴心地套有螺旋弹簧上托板和螺旋弹簧，转向段下端经转向节和半轴连接轮毂；本发明给悬架系统赋予转向功能，取消了原有转向系统，简化了汽车的底盘结构，消除大幅度转向时的结构干涉。

Description

一种基于开关磁阻直线旋转电机的转向馈能悬架
技术领域
本发明涉及车辆技术，安装在车辆上的馈能悬架结构，具体是采用开关磁阻直线旋转电机的馈能悬架。
背景技术
悬架与转向系统是车辆中的重要系统，悬架传递轮胎与车身之间的力与力矩，具有缓冲减震的作用，转向系统则是维持车辆正常行驶的关键系统之一。悬架系统是指车身、车架和车轮之间的一个连接结构系统，其主要起吸收汽车行驶在路面上时因地面的变化而受到震动及冲击；转向系统的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使二转向轮偏转角按一定关系变化。目前，现有部分车辆由于特殊地形等使用情况，悬架与转向系统仍会存在干涉现象，例如，对于大型货车，当转向轮上下跳动时，转向节的臂球销中心运动轨迹与其绕转向器垂臂下端球关节摆动轨迹不一致，引起转向车轮干涉转向。
随着二自由度电机的不断发展，二自自由度直线旋转电机是多自由度电机的一种，其不需要中间转换装置便可以实现直线运动、旋转运动以及螺旋运动，比较适合柱状空间的定位与驱动。直线电机在悬架上早已被用于作动器或馈能电机。
发明内容
为解决大角度转向时悬架与转向系干涉问题，简化汽车底盘结构，本发明设计了一种基于开关磁阻直线旋转电机的转向馈能悬架，利用二自由度开关磁阻直线旋转电机取代原有直线电机，给悬架赋予转向功能，省略原有转向系统。
本发明一种基于开关磁阻直线旋转电机的转向馈能悬架采用的技术方案是：其最上端是连接板总成，连接板总成通过电机固定板同轴心线地固定连接壳体上端，壳体内部在轴向自上而下设有电机腔、转轴腔及滑动腔，电机腔内装有开关磁阻直线旋转电机，机械转轴上端连接壳体上端，下端向下穿出在壳体外部，机械转轴沿轴向上从上至下依次为电机段、滑动段及转向段，电机段同轴心线地位于电机腔内，滑动段位于转轴腔与滑动腔内，转向段伸出壳体外，滑动段外部固定套上圆柱形推力盘，滑动腔内壁与连接塞环外壁在径向上有间隙配合连接，圆柱形推力盘套在滑动段外且装在连接塞环内，圆柱形推力盘与连接塞环在轴向上通过上下两侧的止推轴承配合连接；壳体外部同轴心地套有螺旋弹簧上托板和螺旋弹簧，螺旋弹簧上托板内壁与壳体外壁径向固定连接，螺旋弹簧上端固定连接螺旋弹簧上托板、下端固定连接螺旋弹簧下托板，螺旋弹簧下托板位于壳体下侧；转向段下端经转向节和半轴连接轮毂。
进一步地，所述的开关磁阻直线旋转电机包括旋转定子、直线定子、电机转子、直线绕组和旋转绕组，电机转子固定套在电机段外，旋转定子与直线定子沿轴向布置且通过定子衔接环固定连接；旋转定子、直线定子及定子衔接环的外径相同且三者外壁与电机腔的内壁过盈配合连接；旋转定子的定子齿上绕有旋转绕组，直线定子的定子齿上绕有直线绕组。
更进一步地，旋转绕组激励，电机转子带动机械转轴做旋转运动，机械转轴带动下端的转向节转动，转向节带动半轴以及轮毂转动，完成转向。
更进一步地，机械转轴旋转在90°内任意角时，有两组定子齿上的直线绕组处于励磁状态。
本发明采用上述技术方案后的优点是：
(1)本发明给悬架系统赋予转向功能，取消了原有转向系统，简化了汽车的底盘结构，消除大幅度转向时的结构干涉，增大了转向幅度。
(2)利用开关磁阻式的直线旋转电机，相比传统永磁式直线电机的悬架结构简单，容错能力强，控制灵活。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为图1中壳体20、机械转轴3与圆柱形推力盘320的装配结构图；
图3为图1中开关磁阻直线旋转电机的结构图；
图4为图3在旋转定子7处的径向结构放大图；
图5为图3在直线定子8处的径向结构放大图；
图6为图1中转向节16的结构图；
图中：1.连接板总成；2.电机固定板；3.机械转轴；4.螺旋弹簧上托板；5.螺旋弹簧；6.螺旋弹簧下托板6；7.旋转定子；8.直线定子；9.电机转子；10.直线绕组；11.旋转绕组；12.连接塞环；13.止推轴承；14.转向轴套；15.连接销；16.转向节；17.轮毂轴承；18.半轴；19.轮毂；20.壳体；31.电机段；32.滑动段；33.转向段；
161.下圆环；162.转向壁；163.上圆环；201.电机腔；202.转轴腔；203.滑动腔；320.圆柱形推力盘。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括连接板总成1、电机固定板2、机械转轴3、螺旋弹簧上托板4、螺旋弹簧5、螺旋弹簧下托板6、旋转定子7、直线定子8、电机转子9、直线绕组10、旋转绕组11、连接塞环12、止推轴承13、转向轴套14、连接销15、转向节16、轮毂轴承17、半轴18、轮毂19以及壳体20。
其中，连接板总成1位于轴向最上端，其轴向下端同轴心线地固定连接在电机固定板2上，连接板总成1用于连接车架与悬架结构。电机固定板2轴向下端与在壳体20的轴向上端面同轴心线地固定连接。
如图2所示，壳体20为回转体结构，壳体20内部在轴向自上而下设有电机腔201、转轴腔202及滑动腔203，电机腔201、转轴腔202、滑动腔203都为空心圆柱腔结构，电机腔201与滑动腔203通过转轴腔202连通，电机腔201与滑动腔203的内径大于转轴腔202的内径。在电机腔201内安装了开关磁阻直线旋转电机。
电机腔201上端面中心处开有与机械转轴3直径相同的圆孔，起机械转轴3的导轨作用。机械转轴3与壳体20的轴心线重合，其上端能滑动式地连接壳体20上端，下端向下延伸并穿出在壳体20外部。机械转轴13沿轴向分为3段，轴向上从上至下依次为电机段31、滑动段32及转向段33，电机段31同轴心线地位于电机腔201内，滑动段32位于转轴腔202与滑动腔203内，转向段33伸出壳体20外，位于壳体20下端的外侧。滑动段32外部固定套上一圆柱形推力盘320，圆柱形推力盘320在滑动腔203内部，圆柱形推力盘320的外径小于滑动腔203的内径。
如图1，在壳体20外部同轴心地套有螺旋弹簧上托板4和螺旋弹簧5，螺旋弹簧上托板4为回转体结构，回转中心与壳体20的中心重合，螺旋弹簧上托板3内壁与壳体20外壁径向固定连接，螺旋弹簧上托板4位于电机固定板2下侧。螺旋弹簧5上端固定连接在螺旋弹簧上托板3上，下端固定连接在螺旋弹簧下托板6上，螺旋弹簧下托板6位于壳体20下侧，为回转体结构，回转中心与壳体20的中心重合。
如图1、2所示，壳体20的滑动腔203内壁与圆柱形推力盘320之间设有连接塞环12和止推轴承13。滑动腔203内壁与连接塞环12外壁在径向上有间隙配合连接，连接塞环12的轴向中心位置处有一圆柱孔，圆柱形推力盘320安装在连接塞环12的圆柱槽内，圆柱形推力盘320与连接塞环12轴向上通过上下两侧的止推轴承13配合连接。连接塞环12下端与螺旋弹簧下托板6轴向固定连接，同时，连接塞环12与壳体20之间的轴向两侧还安装耐磨圈。
如图3所示，壳体20的电机腔201内的开关磁阻直线旋转电机包括旋转定子7、直线定子8、电机转子9、直线绕组10、旋转绕组11等。其中，旋转定子7与直线定子8沿轴向布置，两者通过定子衔接环21固定连接。旋转定子7、直线定子8及定子衔接环21的外径相同，三者外壁共同构成开关磁阻直线旋转电机定子外壁，且开关磁阻直线旋转电机定子外壁与电机腔201的内壁过盈配合连接。
如图4所示，旋转定子7的定子齿上绕有旋转绕组11，同理，如图5所示，直线定子8的每相径向均匀分布着5组定子齿。直线定子8的定子齿上绕有直线绕组10，旋转绕组11与直线绕组10都为三相绕组。电机转子9固定套在机械转轴3的电机段31外。旋转定子7与电机转子9的极对数比为6/4，与普通6/4开关磁阻电机结构相似，同相的旋转绕组11串联连接，电机转子9可根据旋转绕组11的A相至B相至C相或A相至C相至B相的通电顺序顺时针或逆时针旋转，并带动机械转轴3做同步旋转。直线定子8与电机转子9极对数比也为6/4，同相直线绕组10串联连接，电机转子9可根据直线绕组10的A相至B相至C相或A相至C相至B相的通电顺序轴向向上或向下直线运动。
如图1、6所示，机械转轴3的轴向伸出壳体20部分为转向段33，转向段33下端经转向节16和半轴18连接轮毂19。具体是：转向段33下端的径向同轴心地固定连接有转向轴套14，转向轴套14通过连接销15固定连接转向节16上段，转向节16套在转向轴套14外部。转向节16包括上圆环163、下圆环161以及连接上圆环163和下圆环161的转向壁162，上圆环163内壁与转向轴套14外壁径向通过连接销15过盈配合连接，半轴18同轴心地穿过下圆环161，并通过轮毂轴承17与下圆环161内壁配合连接。半轴18与轮毂19通过螺栓同轴相连接，轮毂19与轮毂轴承17内圈过盈配合连接。
本发明工作时，具有普通馈能悬架的减振功能与馈能功能，具体是：
在路面不平度较大的情况下，开关磁阻式直线旋转电机直线绕组10通电，致使电机转子9输出轴向力并进行轴向运动，带动径向固定连接的机械转轴3作轴向运动，机械转轴3上的推力盘320带动连接塞环12及螺旋弹簧下托板6做轴向运动，螺旋弹簧5轴向运动，调节螺旋弹簧5刚度，实现减振作用。
在路面不平度较好的情况下，路面激励依次通过轮毂19、半轴18、转向节16、机械转轴3，最终带动电机转子9在轴向上做往复运动，此时电机转子9及直线定子8作为直线开关磁阻发电机使用，实施能量回收。
本发明除了具有传统馈能悬架功能外还具有转向功能，具体是：旋转绕组11通电，在旋转绕组11的激励下，电机转子9带动机械转轴3做旋转运动，机械转轴3进而带动下端的转向节16转动，转向节16带动半轴18以及轮毂19转动，完成转向。本发明在实现转向功能时的悬架功能保持情况是：为了保证两组直线绕组10处于励磁状态，选用旋转定子7的定子齿是5组定子齿，电机转子9的转子齿是4组转子齿，即5组定子齿与4组转子齿结构，在1组转子齿与1组定子齿处于对齐位置时，电机转子9仅需旋转18°即可使另一组定子齿与转子齿对齐。若机械转轴3此时做顺时针旋转，图5所示位置时，直线定子8第I组定子齿与电机转子9平移端转子齿处于对其位置，此位置下第I组定子齿上直线绕组10处于励磁状态，第V组定子齿上直线绕组10开始励磁，第II组定子齿上直线绕组10脱离励磁，因此，当机械转轴3瞬时针旋转0°到18°时，仅I、II两组定子齿直线绕组10通电励磁。当机械转轴3顺时针旋转18°时，第II组定子齿上直线绕组10处于励磁状态，第I组定子齿上直线绕组10开始励磁，第III组定子齿上直线绕组10脱离励磁，因此，当机械转轴3瞬时针旋转18°到36°时，仅II、III两组定子齿直上线绕组10通电励磁。若该悬架下汽车转向最大为90°，以此类推，在机械转轴旋转90°内任意角时，都有两组定子齿上的直线绕组10处于励磁状态，保证转向时悬架功能的正常使用。

Claims (7)

1.一种基于开关磁阻直线旋转电机的转向馈能悬架，最上端是连接板总成（1），连接板总成（1）通过电机固定板（2）同轴心线地固定连接壳体（20）上端，其特征是：壳体（20）内部在轴向自上而下设有电机腔（201）、转轴腔（202）及滑动腔（203），电机腔（201）内装有开关磁阻直线旋转电机，机械转轴（3）上端连接壳体（20）上端，下端向下穿出在壳体（20）外部，机械转轴（3）沿轴向上从上至下依次为电机段（31）、滑动段（32）及转向段（33），电机段（31）同轴心线地位于电机腔（201）内，滑动段（32）位于转轴腔（202）与滑动腔（203）内，转向段（33）伸出壳体（20）外，滑动段（32）外部固定套上圆柱形推力盘（320），滑动腔（203）内壁与连接塞环（12）外壁在径向上有间隙配合连接，圆柱形推力盘（320）套在滑动段（32）外且装在连接塞环（12）内，圆柱形推力盘（320）与连接塞环（12）在轴向上通过上下两侧的止推轴承（13）配合连接；壳体（20）外部同轴心地套有螺旋弹簧上托板（4）和螺旋弹簧（5），螺旋弹簧上托板（4）内壁与壳体（20）外壁径向固定连接，螺旋弹簧（5）上端固定连接螺旋弹簧上托板（4）、下端固定连接螺旋弹簧下托板（6），螺旋弹簧下托板（6）位于壳体（20）下侧；转向段（33）下端经转向节（16）和半轴（18）连接轮毂（19）；所述的开关磁阻直线旋转电机包括旋转定子（7）、直线定子（8）、电机转子（9）、直线绕组（10）和旋转绕组（11），电机转子（9）固定套在电机段（31）外，旋转定子（7）与直线定子（8）沿轴向布置且通过定子衔接环（21）固定连接；旋转定子（7）、直线定子（8）及定子衔接环（21）的外径相同且三者外壁与电机腔（201）的内壁过盈配合连接；旋转定子（7）的定子齿上绕有旋转绕组（11），直线定子（8）的定子齿上绕有直线绕组（10）。
2.根据权利要求1所述的一种基于开关磁阻直线旋转电机的转向馈能悬架，其特征是：旋转绕组（11）激励，电机转子（9）带动机械转轴（3）做旋转运动，机械转轴（3）带动转向节（16）转动，转向节（16）带动半轴（18）以及轮毂（19）转动，完成转向。
3.根据权利要求2所述的一种基于开关磁阻直线旋转电机的转向馈能悬架，其特征是：机械转轴（3）旋转在90°内任意角时，有两组定子齿上的直线绕组（10）处于励磁状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于开关磁阻直线旋转电机的转向馈能悬架，其特征是：转向节（16）包括上圆环（163）、下圆环（161）以及连接上圆环（163）和下圆环（161）的转向壁（162），转向节（16）套在转向轴套（14）外部且用连接销（15）固定连接，半轴（18）同轴心地穿过下圆环（161）并通过轮毂轴承（17）与下圆环（161）内壁配合连接，半轴（18）与轮毂（19）同轴连接，轮毂（19）与轮毂轴承（17）内圈过盈配合连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于开关磁阻直线旋转电机的转向馈能悬架，其特征是：
旋转定子（7）与电机转子（9）的极对数比为6/4，同相的旋转绕组（11）串联；直线定子（8）与电机转子（9）极对数比为6/4，同相的直线绕组（10）串联连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于开关磁阻直线旋转电机的转向馈能悬架，其特征是：
连接塞环（12）与壳体（20）之间的轴向两侧设有耐磨圈。
7.根据权利要求1所述的一种基于开关磁阻直线旋转电机的转向馈能悬架，其特征是：
旋转定子（7）的定子齿是5组定子齿，电机转子（9）的转子齿是4组转子齿。
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