CN116512897A - 一种可变吸附面磁吸式轮毂电机及可变偏角四轮转向系统 - Google Patents

一种可变吸附面磁吸式轮毂电机及可变偏角四轮转向系统 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种可变吸附面磁吸式轮毂电机及可变偏角四轮转向系统，属于永磁吸附驱动轮及可变偏角四轮转向领域，可变吸附面磁吸式轮毂电机包括轴承，轴承外圆连接侧导磁板，轴承内孔连接定子，定子一侧设有转子磁钢，转子磁钢的外侧设有中磁轭，定子、转子磁钢和中磁轭位于侧导磁板内侧，中磁轭的外壁安装中吸附磁钢，中吸附磁钢的外侧固定安装弧面中轮圈，侧导磁板的外侧吸附外磁轭，外磁轭的外侧安装外吸附磁钢，外吸附磁钢的外侧安装弧面外轮圈。可变偏角四轮转向系统由车轴，纵向斜控制臂，纵向直控制臂，拔叉，交叉臂，固定关节轴承，非固定关节轴承组成。本发明可实现爬壁车高安全性高机动性高承载力的运行于各种复杂工况。

Description

一种可变吸附面磁吸式轮毂电机及可变偏角四轮转向系统
技术领域
本发明属于爬壁车永磁吸附驱动轮及可变偏角四轮转向技术领域，具体涉及一种可变吸附面磁吸式轮毂电机及可变偏角四轮转向系统。
背景技术
爬壁车又称为壁面移动机器人，爬壁车必须具备吸附和移动两个基本功能，而常见吸附方式有负压吸附和永磁吸附两种。
爬壁车主要用于石化企业对圆柱形大罐进行探伤检查或喷漆处理，或进行建筑物的清洁和喷涂以及在核工业中用来检查测厚等，还可以用于消防和造船等行业。
现有爬壁车吸附轮无高度集成的轻量化轮毂电机，且只能平面贴合于运行表面，遇有不平表面或复杂曲面则不能完全贴合形成安全吸附的磁回路。并且有回转半径大的缺陷。因此，研制一种结构紧凑高度集成轻量化且贴合紧密安全高的轮毂电机吸附轮及灵活可靠的转向系统，是领域内的重点目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可变吸附面磁吸式轮毂电机及可变偏角四轮转向系统，尤其适合对紧凑结构轻量化要求高的应用场景，适合在各种非平面表面及狭窄弯曲的小回转半径场合贴合吸附行走，特别涉及一种电机轮毂一体化及轮圈动态偏心贴合的新型结构，实现爬壁车高安全性高承载力的运行于各种复杂工况。
本发明采用如下技术方案：
一种可变吸附面磁吸式轮毂电机，包括轴承，所述轴承的外圆连接有侧导磁板，轴承的内孔连接有定子，定子的一侧设有若干转子磁钢，转子磁钢的外侧设有中磁轭，定子、转子磁钢和中磁轭位于侧导磁板内侧，中磁轭的外壁安装有中吸附磁钢，中吸附磁钢的外侧固定安装有弧面中轮圈，侧导磁板的外侧吸附有外磁轭，外磁轭的外侧安装有外吸附磁钢，外吸附磁钢的外侧安装有弧面外轮圈。
进一步，所述轴承的数量为两个。
进一步地，所述外磁轭为呈圆环形结构，一侧设有锥沉孔收边。
进一步地，所述侧导磁板为圆盘中孔形结构，侧导磁板的两端上下两侧分别设有卡台，轴承的外圆穿过中孔，其中，上侧的卡台直径小于下侧的卡台直径，中磁轭与上侧的卡台配合，外磁轭与下侧的卡台配合，下侧的卡台的直径大于外磁轭的外径。
进一步地，所述中吸附磁钢和外吸附磁钢均为内外辐射方向充磁的钕铁硼磁钢。
进一步地，所述中吸附磁钢和外吸附磁钢的充磁方向为两个，外吸附磁钢的充磁方向一致，中吸附磁钢的充磁方向与两个外吸附磁钢相反。
进一步地，所述弧面中轮圈和弧面外轮圈均为圆环形结构，外壁为圆弧形结构，弧面外轮圈的外壁设有倒角切边。
进一步地，所述转子磁钢依次排列安装于中磁轭的内侧，相邻的转子磁钢的充磁方向相反。
进一步地，所述定子为多极无刷电子换向式定子。
一种用于可变吸附面磁吸式轮毂电机的可变偏角四轮转向系统，包括前后两套左右转向总成，所述左右转向总成包括贯穿于轴承的车轴，车轴的中间设有固定关节轴承，固定关节轴承的两侧分别设有两个非固定关节轴承，靠近固定关节轴承的非固定关节轴承上连接有纵向直控制臂，远离固定关节轴承的非固定关节轴承上连接有纵向斜控制臂，纵向直控制臂和纵向斜控制臂的自由端连接有拔叉，拔叉与纵向直控制臂和纵向斜控制臂的连接端设有非固定关节轴承，前后两套左右转向总成通过交叉臂连接，所述交叉臂包括前后端的连接臂一，连接臂一之间交叉设有连接臂二，连接臂一和连接臂二与拔叉上的非固定关节轴承连接，连接臂一上设有固定关节轴承。
进一步地，所述车轴上位于固定关节轴承一侧的两个非固定关节轴承之间的距离大于同一侧的拔叉上的非固定关节轴承之间的距离。
进一步地，所述车轴及交叉臂上的固定关节轴承固定于底盘上。
进一步地，所述车轴上的固定关节轴承上安装有用于转向控制的舵机。
本发明的有益效果如下：
本发明为爬壁车等各型磁吸式行走机器人的核心部件总成，为其提供一种结构紧凑，安全性好、承载能力高、适合复杂工况应用的磁吸轮式动力系统及可变偏角四轮转向系统。
本发明解决了爬壁车永磁吸附轮应用于非平面表面吸附力弱安全性低问题及狭窄工况使用问题，解决了自身重量、体积大及灵活性的问题。拓展了爬壁车的应用范围，提高了安全性及承载能力。
附图说明
图1为本发明的外磁轭结构示意图；
图2为本发明的侧导磁板结构示意图；
图3为本发明的中吸附磁钢或外吸附磁钢结构示意图；
图4为本发明的弧面中轮圈结构示意图；
图5为本发明的弧面外轮圈结构示意图；
图6为本发明的转子磁钢和中磁轭的安装示意图；
图7为本发明的定子结构示意图；
图8为本发明的转子磁钢、中磁轭和定子的安装示意图；
图9为本发明的总装结构示意图；
图10为本发明在理想工作平面时的工作状态图；
图11为本发明在斜向工作平面时的工作状态图；
图12为本发明在凸向工作平面时的工作状态图；
图13为本发明在凹向工作平面时的工作状态图；
图14为本发明的车轴与纵向斜控制臂、纵向直控制臂、非固定关节轴承、固定关节轴承的连接关系图；
图15为本发明的拔叉与非固定关节轴承的连接关系图；
图16为本发明的车轴、拔叉、纵向斜控制臂、纵向直控制臂、非固定关节轴承、固定关节轴承的连接关系图；
图17为本发明的交叉臂结构及其与非固定关节轴承，固定关节轴承的连接关系图；
图18为本发明的正向前后两套车轴，前后两套纵向斜控制臂，前后两套纵向直控制臂，前后两套拔叉，交叉臂，非固定关节轴承，固定关节轴承、底盘的连接关系及状态图；
图19为本发明的转向状态前后两套车轴，前后两套纵向斜控制臂，前后两套纵向直控制臂，前后两套拔叉，交叉臂，非固定关节轴承，固定关节轴承、底盘的连接关系及状态图；
图20为本发明的舵机带动前后车轴联动旋转转向状态及联动拔叉对轮毂做更大角度调整的示意图；
其中：1-定子；2-转子磁钢；3-中磁轭；4-外磁轭；5-侧导磁板；6-轴承；7-中吸附磁钢；8-外吸附磁钢；9-弧面中轮圈；10-弧面外轮圈；11-车轴；12-固定关节轴承；13-非固定关节轴承；14-纵向直控制臂；15-纵向斜控制臂；16-拔叉；17-连接臂一；18-连接臂二；19-底盘；20-舵机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的在于利用本发明的可变吸附面轮毂电机实现爬壁车高负重安全运行，提出了一种全新的结构。
如图1所示，所述外磁轭4为一种圆环形结构，一侧有锥沉孔收边，材料优选为电工纯铁等高导磁材料。
如图2所示，所述侧导磁板5为一种圆盘中孔形结构，两侧有卡台，其中直径较小的一侧卡台安装配合于中磁轭3，直径较大一侧卡台贴合于上述外磁轭4，并大于外磁轭4的外径可自由滑动，材料优选为电工纯铁等高导磁材料。
如图3所示，所述中吸附磁钢7和外吸附磁钢8均为内外辐射方向充磁的钕铁硼磁钢，优选钕铁硼辐射环磁钢，也可由磁瓦或磁片拼接近似环形的内外辐射方向充磁结构。
所述中吸附磁钢7和外吸附磁钢8的充磁方向为两个，外吸附磁钢8的充磁方向一致，而中吸附磁钢7的充磁方向与两个外吸附磁钢8相反。
如图4及图5所示，所述弧面中轮圈9及弧面外轮圈10为圆环形结构，其内壁紧密贴合安装有上述中吸附磁钢7和外吸附磁钢8，外壁为圆弧型结构。其中优选弧面外轮圈10的外壁有倒角切边，以延长吸附磁力线。
如图6所示，所述转子磁钢2排列安装于中磁轭3的内侧，相邻转子磁钢2的充磁方向相反。
如图7所示，所述定子1为多极无刷电子换向式定子。
如图8所示，转子磁钢2、中磁轭3和定子1组成基本的轮毂电机结构。
如图9所示，本发明所述的一种可变吸附面磁吸式轮毂电机为外转子式无刷轮毂电机，轴承6外圈与侧导磁板5连接、与中磁轭3、转子磁钢2、外吸附磁钢8、弧面中轮圈9构成一个刚性转动的整体。
本发明所述的一种可变吸附面磁吸式轮毂电机两侧的外磁轭4、外吸附磁钢8、弧面外轮圈10分别构成两个整体，且外磁轭4的外径小于侧导磁板5卡台的内径，外磁轭4端面与侧导磁板5端面紧密吸合且可以径向滑动。
本发明所述的一种可变吸附面磁吸式轮毂电机吸附在理想工作平面时呈图10的工作状态，此时两侧结构与中间结构同轴，底面与工作面紧密吸合。
本发明所述的一种可变吸附面磁吸式轮毂电机吸附在斜向工作平面时呈图11的工作状态，此时左侧结构轴心低于中间结构轴心、右侧结构轴心高于中间结构轴心，底面仍与工作面紧密吸合。
本发明所述的一种可变吸附面磁吸式轮毂电机吸附在凸向工作平面时呈图12的工作状态，此时左右侧结构轴心均低于中间结构轴心，底面仍与工作面紧密吸合。
本发明所述的一种可变吸附面磁吸式轮毂电机吸附在凹向工作平面时呈图13的工作状态，此时左右侧结构轴心均高于中间结构轴心，底面仍与工作面紧密吸合。
上述各工况为复杂工况的静态典型值，而在复杂表面运动的动态情况均为静态典型值的复合工况，在各种工况下所述磁吸轮毂均能贴合吸附，提供大小稳定的吸附力和静摩擦力。
所述可变偏角四轮转向系统，包括前后两套左右转向总成，所述左右转向总成包括贯穿于轴承6的车轴11，车轴11的中间设有固定关节轴承12，固定关节轴承12的两侧分别设有两个非固定关节轴承13，靠近固定关节轴承12的非固定关节轴承13上连接有纵向直控制臂14，远离固定关节轴承12的非固定关节轴承13上连接有纵向斜控制臂15，纵向直控制臂14和纵向斜控制臂15的自由端连接有拔叉16，拔叉16与纵向直控制臂14和纵向斜控制臂15的连接端设有非固定关节轴承13，前后两套左右转向总成通过交叉臂连接，所述交叉臂包括前后端的连接臂一17，连接臂一17之间交叉设有连接臂二18，连接臂一17和连接臂二18与拔叉16上的非固定关节轴承13连接，连接臂一17上设有固定关节轴承12。
所述车轴11上位于固定关节轴承12一侧的两个非固定关节轴承13之间的距离大于同一侧的拔叉16上的非固定关节轴承13之间的距离。
所述车轴11及交叉臂上的固定关节轴承12固定于底盘19上；所述车轴11上的固定关节轴承12上安装有用于转向控制的舵机20。
如图14所示，所述车轴11中间有固定关节轴承12，车轴11与纵向斜控制臂15、纵向直控制臂14由非固定关节轴承连接。
如图15所示，所述拔叉16上安装有非固定关节轴承13。拔叉16上安装的非固定关节轴承13比车轴11上安装的非固定关节轴承13间距近。
如图16所示，所述车轴11、拔叉16、纵向斜控制臂15、纵向直控制臂14、非固定关节轴承13、固定关节轴承12连接后呈两个倒梯形形状。
如图17所示，所述交叉臂结构为端头由非固定关节轴承13连接的交叉结构，其中交叉中心无连接。
如图18所示，所述正向前后两套车轴11，前后两套纵向斜控制臂15，前后两套纵向直控制臂14，前后两套拔叉16，前后两套左右转向总成，交叉臂，非固定关节轴承13，固定关节轴承12、底盘19呈前后轴对称结构。
如图19所示，所述转向状态时前后两套车轴11，前后两套纵向斜控制臂15，前后两套纵向直控制臂14，前后两套拔叉16，交叉臂，非固定关节轴承13，固定关节轴承12、底盘19的动态偏转状态。
如图20所示，所述舵机20带动前后车轴11联动向右旋转转向状态，在杠杆放大转向角作用下联动拔叉16对轮毂侧壁做更大角度调整以延长左侧两轮毂外圈轴距，提高转向稳定性。
本发明融合机械结构设计及电机磁路设计、吸附磁路设计，零件多兼具结构支撑及导磁作用，外观以不影响机械强度及导磁的条件下做最简轻量化设计，在控制转向结构上运用一个舵机操作四轮共同转向以最大程度减小车辆回转半径，并利用非平行四边形杠杆的偏转角放大左右，使用拔叉推动轮毂外圈前移，进一步延长轴距，提高转向稳定性。包括且不限于修改此外观但同类结构的设计均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可变吸附面磁吸式轮毂电机，其特征在于：包括轴承（6），所述轴承（6）的外圆连接有侧导磁板（5），轴承（6）的内孔连接有定子（1），定子（1）的一侧设有若干转子磁钢（2），转子磁钢（2）的外侧设有中磁轭（3），定子（1）、转子磁钢（2）和中磁轭（3）位于侧导磁板（5）内侧，中磁轭（3）的外壁安装有中吸附磁钢（7），中吸附磁钢（7）的外侧固定安装有弧面中轮圈（9），侧导磁板（5）的外侧吸附有外磁轭（4），外磁轭（4）的外侧安装有外吸附磁钢（8），外吸附磁钢（8）的外侧安装有弧面外轮圈（10）。
2.根据权利要求1所述的一种可变吸附面磁吸式轮毂电机，其特征在于：所述轴承（6）的数量为两个；所述定子（1）为多极无刷电子换向式定子（1）。
3.根据权利要求1所述的一种可变吸附面磁吸式轮毂电机，其特征在于：所述外磁轭（4）为呈圆环形结构，一侧设有锥沉孔收边。
4.根据权利要求1所述的一种可变吸附面磁吸式轮毂电机，其特征在于：所述侧导磁板（5）为圆盘中孔形结构，侧导磁板（5）的两端上下两侧分别设有卡台，轴承（6）的外圆穿过中孔，其中，上侧的卡台直径小于下侧的卡台直径，中磁轭（3）与上侧的卡台配合，外磁轭（4）与下侧的卡台配合，下侧的卡台的直径大于外磁轭（4）的外径。
5.根据权利要求1所述的一种可变吸附面磁吸式轮毂电机，其特征在于：所述中吸附磁钢（7）和外吸附磁钢（8）均为内外辐射方向充磁的钕铁硼磁钢；
所述中吸附磁钢（7）和外吸附磁钢（8）的充磁方向为两个，外吸附磁钢（8）的充磁方向一致，中吸附磁钢（7）的充磁方向与两个外吸附磁钢（8）相反。
6.根据权利要求1所述的一种可变吸附面磁吸式轮毂电机，其特征在于：所述弧面中轮圈（9）和弧面外轮圈（10）均为圆环形结构，外壁为圆弧形结构，弧面外轮圈（10）的外壁设有倒角切边。
7.根据权利要求1所述的一种可变吸附面磁吸式轮毂电机，其特征在于：所述转子磁钢（2）依次排列安装于中磁轭（3）的内侧，相邻的转子磁钢（2）的充磁方向相反。
8.一种用于如权利要求1至7任意一项所述的可变吸附面磁吸式轮毂电机的可变偏角四轮转向系统，其特征在于：包括前后两套左右转向总成，所述左右转向总成包括贯穿于轴承（6）的车轴（11），车轴（11）的中间设有固定关节轴承（12），固定关节轴承（12）的两侧分别设有两个非固定关节轴承（13），靠近固定关节轴承（12）的非固定关节轴承（13）上连接有纵向直控制臂（14），远离固定关节轴承（12）的非固定关节轴承（13）上连接有纵向斜控制臂（15），纵向直控制臂（14）和纵向斜控制臂（15）的自由端连接有拔叉（16），拔叉（16）与纵向直控制臂（14）和纵向斜控制臂（15）的连接端设有非固定关节轴承（13），前后两套左右转向总成通过交叉臂连接，所述交叉臂包括前后端的连接臂一（17），连接臂一（17）之间交叉设有连接臂二（18），连接臂一（17）和连接臂二（18）与拔叉（16）上的非固定关节轴承（13）连接，连接臂一（17）上设有固定关节轴承（12）。
9.根据权利要求8所述的一种可变偏角四轮转向系统，其特征在于：所述车轴（11）上位于固定关节轴承（12）一侧的两个非固定关节轴承（13）之间的距离大于同一侧的拔叉（16）上的非固定关节轴承（13）之间的距离。
10.根据权利要求8所述的一种可变偏角四轮转向系统，其特征在于：所述车轴（11）及交叉臂上的固定关节轴承（12）固定于底盘（19）上；所述车轴（11）上的固定关节轴承（12）上安装有用于转向控制的舵机（20）。
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