CN114123632B - 反扭矩驱动器及包含其的自稳小车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反扭矩驱动器及包含其的自稳小车，其中反扭矩驱动器的旋转装置沿第一方向转动并将电机轴输出的扭矩作用于流体上，电机在流体作用于其上的反扭矩作用下沿与第一方向相反的第二方向转动，并由电机的壳体输出反扭矩,反扭矩驱动器具有不堵转情况、启动力矩小，结构简单的优点,自稳小车利用反扭矩驱动器后，旋转装置有很大的陀螺力矩，自稳小车从而获得自稳性。

Description

反扭矩驱动器及包含其的自稳小车

技术领域

本发明属于电机应用技术领域，具体地讲，涉及利用反扭矩原理进行驱动的驱动器及包含该驱动器的自稳小车。

背景技术

目前，旋转电机运用领域非常广泛，根据需求不同，使用形式也多种多样，对于高速电机来说，如果其运用到低速领域，如带动电动车轮，一般需要减速器来降低转速；如果其运用到高速领域，比如运用到无人机领域如带动螺旋桨，则只需直接输出扭矩。电机在使用过程中必须平衡电机自身受到的反扭矩，于是电机必须有转子和定子部分，需要给电机定子找一个支撑点，也因此会增加结构的复杂性。

在现有技术中，一般只关注于扭矩的输出，即将扭矩作为驱动扭矩，而反扭矩一直被认为是应该克服的或者消除的物理现象，例如，直升机飞行主要靠旋翼产生的拉力。当旋翼由发动机通过旋转轴带动旋转时，旋翼给空气以作用力矩(或称扭矩)，空气必然在同一时间以大小相等、方向相反的反作用力矩作用于旋翼(或称反扭矩)，从而再通过旋翼将这一反作用力矩传递到直升机机体上。如果不采取措施予以平衡，那么这个反作用力矩就会使直升机逆旋翼转动方向旋转，进而产生失稳状态。

旋转电机还应用于自稳电动小车时，其结构难以微型化。原因有二，其一现有的电机带动车轮必须安装减速器；其二对于自稳小车，必须加上复杂的控制系统来调控车身的平衡。

同时，电机在运行过程中堵转是应该尽量避免的，例如在小车遇到障碍无法前进时，电机运行过程中经常会遇到堵转的情况，然而在运行过程中是不可避免的。以中国实用新型专利CN204349719U内嵌式自平衡电机及使用内嵌式自平衡电机的电动独轮车为例，其就是利用外转子电机和加速控制系统制作独轮平衡小车，这类独轮平衡小车具有前述所说的电机驱动系统的共性缺陷。

发明内容

(1)要解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明通过利用电机的反扭矩来实现反扭矩驱动，在运动过程中不会出现堵转，在应用于自稳小车中时，结构能够大大简化，只需四个基础部件就能实现独轮自稳小车的快速稳定行进。

(2)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种反扭矩驱动器，包括：

电机，所述电机具有壳体和输出扭矩的电机轴；

旋转装置，所述旋转装置固定安装于电机轴上；

供电装置，所述供电装置为电机供电；

其中，旋转装置沿第一方向转动并将电机轴输出的扭矩作用于流体上，电机在流体作用于其上的反扭矩作用下沿与第一方向相反的第二方向转动，并由电机的壳体输出反扭矩。

优选的是，所述旋转装置还包括：

旋转盘，其具有能够作用于流体的齿形结构、浆片结构或叶片结构。

优选的是，所述旋转装置还包括：

旋转盘在周向上具有中心对称性，均匀布置有齿形结构、浆片结构或叶片结构。

优选的是，还包括：

旋转装置与供电装置分别位于电机的两端。

优选的是，流体具体为空气或者液体介质。

本发明还提供一种自稳小车，其包括前述的反扭矩驱动器，包括：车轮，所述车轮固于在电机的壳体上，并被电机壳体提供的反扭矩驱动。

优选的是，还包括：

旋转装置与供电装置分别位于车轮的两侧。

(3)有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

反扭矩驱动器优点如下：

①反扭矩驱动器不会出现堵转情况，同时可以通过设计调节电机的工作点。

②反扭矩驱动器，作用于空气(或者其他介质)，启动力矩小，不会出现启动难的问题。

③该驱动器因为有高速运动的圆盘，有很大的陀螺力矩，从而获得自稳性。

反扭矩自稳小车优点如下：

①由于车轮的直径与电机直径比值很大，因此有自带减速器的效果，不用额外的减速装置；

②结构简单，易于微型化和扁平化；

③有自稳的特性，能够对复杂的路况自适应，不需要复杂的稳定控制系统。

附图说明

为了更清楚的说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术中描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明反扭矩驱动器立体结构示意图；

图2为本发明反扭矩驱动器侧视结构示意图；

图3为本发明自稳小车立体结构示意图；

图4为本发明自稳小车侧视结构示意图；

图5为本发明另一种自稳小车立体结构示意图；

图6为本发明另一种自稳小车侧视结构示意图；

图7为实施例中自稳小车直线行走轨迹示意图；

图8为实施例中自稳小车障碍穿越轨迹示意图；

图9为实施例中自稳小车高地跳跃俯冲轨迹示意图。

附图中的标记为：1、电机；11、电机轴；2、旋转装置；3、供电装置；4、车轮；41、辐条；42、固定环。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，以进一步阐述本发明，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的样式。

现在技术中，旋转电机早已出现，大多数设计都是去平衡反扭矩，利用电机的反扭矩作为驱动器是一个全新的想法。

具体将在以下实施例中说明。

实施例1

本实施例1中提供一种具体的反扭矩驱动器，见图1，图2，包括：电机1，所述电机1具有壳体和输出扭矩的电机轴11，电机可以为电磁电机或静电电机，由电机轴11输出施转运动；

旋转装置2，所述旋转装置2固定安装于电机轴11上，其输出扭矩，同时，由于其自转，为整个反扭矩驱动器提供自稳的陀螺力矩；

供电装置3(图1图2中未示出)，所述供电装置3为电机1供电，供电装置不作具体的限定，本领域技术人员知晓的现有技术中可行的供电能装置皆可；

其中，旋转装置2沿第一方向转动并将电机轴11输出的扭矩作用于流体上，电机1在流体作用于其上的反扭矩作用下沿与第一方向相反的第二方向转动，并由电机1的壳体输出反扭矩。

本实施例提供了一种反扭矩驱动器，利用电机(电磁电机或静电电机)产生扭矩，通过电机轴11驱动旋转装置2，旋转装置2能够作用于空气或者液体介质及其他介质，与此同时，电机获得空气作用的反扭矩，使电机反向旋转，此时电机的壳体可以输出驱动扭矩，即，利用电机带动旋转装置2作用于流体，从而使电机自身获得反扭矩，整个构型可以作为一个驱动器。

反扭矩驱动器的扭矩大小与电压有关，当旋转装置2一定时，电压越大旋转装置2转速越大，与空气作用力越大，电机输出扭矩的反扭矩也越大；当电压一定时，可以通过设计旋转装置2的形状来获得不同的扭矩，旋转装置2与空气作用力越大，电机输出的反扭矩也越大。于是可以通过设计旋转盘，使电机在最大效率点附近工作，且不会出现堵转的情况。

在实验中可验证的是，只要旋转装置2转起来就不会出现堵转，因为旋转装置2只和空气作用，电机的输出反扭矩的大小取决于外部，旋转装置2光滑反扭矩就越小，旋转装置2越粗糙反扭矩就越大。

综上，反扭矩驱动器优点如下：

①反扭矩驱动器不会出现堵转情况，同时可以通过设计调节电机的工作点。

②反扭矩驱动器，作用于空气或者其他介质，启动力矩小，不会出现启动难的问题。

③该驱动器因为有高速运动的旋转装置2，有很大的陀螺力矩，从而获得自稳性。

实施例2：

除了包括前述实施例的技术特征外，在本实施例中，所述旋转装置2还包括：旋转盘，其具有能够作用于流体的齿形结构、浆片结构或叶片结构。

在本实施例中，将旋转装置2具体为旋转盘，旋转盘并不是限定于平面结构，根据流体力学的知识可知，还有齿形结构、浆片结构或叶片结构的旋转盘可以增大与流体的接触面积，从而更加有效的与流体相结合，使电机输出的反扭矩更大。

实施例3：

除了包括前述实施例的技术特征外，在本实施例中，所述旋转装置2还包括：旋转盘在周向上具有中心对称性，均匀布置有齿形结构、浆片结构或叶片结构。

周向上具有中心对称性使得旋转装置2在质量均匀的基础上，高速运动时产生有很大的陀螺力矩，从而获得自稳性。

实施例3：

除了包括前述实施例的技术特征外，在本实施例中，还包括：旋转装置2与供电装置3分别位于电机1的两端。

这种结构的布置方式可以平衡电机两侧的质量分布，有利于反扭矩驱动器的自稳定。

实施例4：

除了包括前述实施例的技术特征外，在本实施例中，还包括：流体具体为空气或者液体介质。

在上述实施例中，不对介质作具体的限定，本领域技术人员可理解的是，只要能够与旋转装置2相结合，在受到旋转装置2输出的扭矩的同时，也向旋转装置2及电机提供反扭矩，即可以实现本发明目的。

实施例5：

本实施例中提供一种自稳小车，见图3，图4，其包前述任一实施例的反扭矩驱动器，包括：车轮4，所述车轮4固于在电机的壳体上，并被电机壳体提供的反扭矩驱动。

利用反扭矩原理的自稳小车中，反扭矩驱动器的电机机身作为驱动轮子的动力源，轮子与电机固接，将扭矩传给轮子，同时电池固定在电机上，从而可以给电机供电实现脱线。该小车因为有一个旋转装置在高速运转从而获得了陀螺力矩，使小车具备自稳的特性，即使是扁平的独轮也能平稳运动。

除此之外，由于轮子和转轴的直径之比很大，所以可以获得一个减速比，相当于自带减速器，同时轮子的滚动速度也取决于地面的摩擦力(当小车结构一定的情况下，电机输出的反扭矩是一定的)。

因此，利用反扭矩驱动器制作的自稳小车具有优秀的自稳的特性。自稳小车能平稳运行，大多数情况下，即使小车遇到障碍物，轮子滚动速度为零也不会翻到。由于有自稳性，可以适应各种复杂的路况，例如通过障碍区、从高处跳跃而下，依然能够平稳运行而不会翻车。而且，反扭矩小车结构简单，只需要4个部件——电机、旋转装置、电机和轮子即可。

反扭矩自稳小车优点如下：

①自带减速技术效果，不用额外的减速装置；

②结构简单，易于微型化和扁平化；

③有自稳的特性，能够对复杂的路况自适应，不需要复杂的稳定控制系统；

实施例6：

除了包括前述实施例的技术特征外，在本实施例中，还包括：旋转装置2与供电装置3分别位于车轮4的两侧。

这种结构的布置方式可以平衡车轮4两侧的质量分布，有利于反扭矩驱动器的自稳定。

另外，可见图5，图6，在这个实施例中提供了另一种自稳小车的方案，其在轴向尺寸上比前一实施例中的自稳小车有所减小，反扭矩自稳小车易于微型化和扁平化，电机可选用超薄电机、供能装置可选用薄膜太阳能电池，从而实现整体结构扁平化，在未来可以用于探测和救险的实际场景。

图7，图8，图9是实验过程中原理样机行走实物图，用来验证发明构思的实现，图中虚线代表自稳小车的行走轨迹。在实验中得到的结论证明，反扭矩自稳小车具有很好的稳定性，在直线行走、障碍穿越、高地跳跃俯冲等方面都展现了较好的稳定性，其对复杂的地面环境有很好的适应性。

Claims (5)

1.自稳小车，其特征在于，包括：

反扭矩驱动器，反扭矩驱动器包括：电机（1），所述电机（1）具有壳体和输出扭矩的电机轴（11）；旋转装置（2），所述旋转装置（2）固定安装于电机轴（11）上；供电装置（3），所述供电装置（3）为电机（1）供电；其中，旋转装置（2）沿第一方向转动并将电机轴（11）输出的扭矩作用于流体上，电机（1）在流体作用于其上的反扭矩作用下沿与第一方向相反的第二方向转动，并由电机（1）的壳体输出反扭矩；

以及车轮（4）；

其中，所述车轮（4）固于在电机的壳体上，并被电机壳体提供的反扭矩驱动。

2.根据权利要求1所述的自稳小车，其特征在于，所述旋转装置（2）还包括：

旋转盘，其具有能够作用于流体的齿形结构、浆片结构或叶片结构。

3.根据权利要求2所述的自稳小车，其特征在于，所述旋转装置（2）还包括：

旋转盘在周向上具有中心对称性，均匀布置有齿形结构、浆片结构或叶片结构。

4.根据权利要求1所述的自稳小车，其特征在于，还包括：

旋转装置（2）与供电装置（3）分别位于电机（1）的两端。

5.根据权利要求1所述的自稳小车，其特征在于，还包括：

流体具体为空气或者液体介质。

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