CN109203849A - 一种单人自平衡球形电动汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单人自平衡球形电动汽车，包括：车体，其为空心球体；以及第一轮辋和第二轮辋，其为环形，且可旋转对称设置在所述车体横向两侧；第一电机定子和第二电机定子，其为环形，且分别设置在所述第一轮辋和第二轮辋内，所述第一电机定子和第二电机定子的内环面分别与所述车体固定连接；第一电机绕组和第二电机绕组，其为环形，且分别与所述第一电机定子和第二电机定子外环面固定连接；第一永磁体和第二永磁体，其为环形，且分别固定设置在所述第一轮辋和第二轮辋内壁面上，并与所述第一电机绕组和第二电机绕组相对设置；其中，当所述第一电机绕组和第二电机绕组通电时，所述第一轮辋和第二轮辋能够绕所述车体横向轴心相对所述车体旋转。

Description

一种单人自平衡球形电动汽车

技术领域

本发明涉及交通工具技术领域，更具体的是，本发明涉及一种单人自平衡球形电动汽车。

背景技术

随着社会经济和科学技术的高速发展，汽车在人们生活中的作用越来越重要，早已不仅仅是一种简单的交通工具。而近年来，随着汽车相关技术的开发，这为各种设想提供了可能性。

传统汽车的外形已经成为了一种模板样式，这早已局限了人们对汽车外型结构的创新，而新型、更具有创造力、吸引力的外观则更容易吸引大多数人的注意，受到更多的人的青睐。同时传统普通轿车一般限载7人以下，采用两轴四轮的驱动布置形式，这使得能量消耗相对较多，造成资源浪费。而当单人独自驾车出行时，整车的人均能耗则更大。生活中更多见的两轮车辆如自行车、摩托车等多为前后布置，稳定性较差，易出现安全问题。而近年来，出现了横向布置的两轮平衡车，正是由于人们对电机控制技术以及平衡技术的研究而发明的，这种两轮平衡车有着很多优势，比如可以实现原地回转、任意转向，很大程度上提高了灵活性。但其目前也只是停留在一种短距离代步工具或更多的是一种娱乐、消遣的工具上，远达不到交通运输工具的要求。伴随着轮毂电机独立驱动技术的研究和发展，使汽车的驱动布置形式更为灵活。那么基于此，利用轮毂电机驱动技术以及自平衡技术，设计一种针对单人驾驶出行，车体外观新颖，采用两轮驱动，同时能够真正意义上作为交通运载工具的车辆，一方面极大程度上降低了单人出行时的能耗，另一方面打破现有对汽车外型设计的局限思维，同时所设计的两轮车辆，弥补了传统多轮布局车辆灵活性差等缺点。

发明内容

本发明设计开发了一种单人自平衡球形电动汽车，在车体横向两侧可旋转对称设置第一轮辋和第二轮辋，且两轮辋独立驱动，能够有效减少单人驾驶出行时的车辆能量消耗，同时极大的提高了车辆的灵活性，弥补传统多轮驱动布置的缺点并有效提高两轮车辆的稳定性和安全性。

本发明提供的技术方案为：

一种单人自平衡球形电动汽车，包括：

车体，其为空心球体；以及

第一轮辋和第二轮辋，其为环形，且可旋转对称设置在所述车体横向两侧；

第一电机定子和第二电机定子，其为环形，且分别设置在所述第一轮辋和第二轮辋内，所述第一电机定子和第二电机定子的内环面分别与所述车体固定连接；

第一电机绕组和第二电机绕组，其为环形，且分别与所述第一电机定子和第二电机定子外环面固定连接；

第一永磁体和第二永磁体，其为环形，且分别固定设置在所述第一轮辋和第二轮辋内壁面上，并与所述第一电机绕组和第二电机绕组相对设置；

其中，当所述第一电机绕组和第二电机绕组通电时，所述第一轮辋和第二轮辋能够绕所述车体横向轴心相对所述车体旋转。

优选的是，还包括：

第一电机控制器和第二电机控制器，其分别与所述第一电机定子和第二电机定子固定连接，且分别与所述第一电机绕组和第二电机绕组电连接，用于控制所述第一电机绕组和第二电机绕组的电流大小和方向；

多个凸台，其分别对称设置在所述第一轮辋和第二轮辋内，且与所述车体固定连接，所述第一电机定子和第二电机定子的内环面与所述凸台固定连接；

两个车轮，其分别设置在所述第一轮辋和第二轮辋上。

优选的是，还包括：

连接台，其周向固定设置在所述车体下部内壁上；

地板，其固定设置在所述连接台上，且周向与所述车体内壁密闭连接，将所述车体分为第一车厢和第二车厢两部分。

优选的是，还包括：

多个伸缩式液压缸，其设置在所述第二车厢内，且一端分别与所述地板铰接，并绕所述地板中心围成矩形；

多个支撑块，其分别与所述伸缩式液压缸另一端铰接；

多个缺口，其设置在所述第二车厢底部，并与所述支撑块一一对应；

其中，当启动驻车操作时，所述伸缩式液压缸的伸缩杆依次伸出并穿出所述缺口，所述支撑块与地面接触，支撑车体保持驻车平衡；当取消驻车操作时，所述伸缩式液压缸的伸缩杆依次收回，且所述支撑块回收在所述缺口内。

优选的是，还包括：

驾驶座椅，其设置在所述第一车厢内，且固定设置在所述地板中心；

操纵杆，其为万向摇杆，且设置在所述驾驶座椅前方的地板上；

整车控制器，其设置在所述驾驶座椅后方，其与所述操纵杆连接，用于接收所述操纵杆的操作信号，并控制整车操作；

电池组，其固定设置在所述驾驶座椅后方的地板上，用于为整车供电。

优选的是，还包括：

上车门，其设置在所述驾驶座椅后方的车体上，且上端与所述车体铰接，能够绕所述车体横向旋转；

下车门，其设置在所述上车门下方的车体上，且下端与车体铰接，能够绕所述车体横向旋转。

优选的是，还包括第一组车灯和第二组车灯，其为环形，且对称设置在所述车体横向两侧，用于夜间照明。

优选的是，所述车体与所述第一电机定子、第二电子定子之间分别设置有减震层；所述车体为高透明、高强度材料。

优选的是，所述下车门位于车体内部一侧设置有多级台阶，便于下车门打开时驾驶员上车和下车。

优选的是，还包括：

陀螺仪，其固定设置在所述驾驶员座椅上，且靠近所述球形车体中心位置；

倾角传感器，其紧靠所述陀螺仪设置；

加速度传感器，其紧靠所述倾角传感器设置；

其中，所述陀螺仪、倾角传感器和加速度传感器联合能够实时获取汽车重心偏移，以检测车身姿态，并发送给整车控制器。

本发明所述的有益效果：

(1)本发明中提出的单人自平衡球形电动汽车，在车体横向两侧可旋转对称设置第一轮辋和第二轮辋，且两轮辋独立驱动，能够有效减少单人驾驶出行时的车辆能量消耗，同时极大的提高了车辆的灵活性，弥补传统多轮驱动布置的缺点并有效提高两轮车辆的稳定性和安全性；

(2)本发明中提出的单人自平衡球形电动汽车，打破人们对车辆外型的传统思维束缚，该车体形状大大提高了汽车整体的观赏性，同时为更多更有创造力的车体外型及驱动布置设计提供了方向。

附图说明

图1为本发明所述的单人自平衡球形汽车正视图。

图2为图1的A-A截面图。

图3为图2的B-B截面图。

图4为图2的B-B截面图的局部放大图。

图5为本发明所述的单人自平衡球形汽车后视图。

图6为驻车机构结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再此阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。

如图1-5所示，本发明提供一种新型单人自平衡球形电动汽车，其主体为球形车体1及对称安装在车体中心对称面两侧的两个车轮2。车轮2为环形，整体环绕于车体1，车轮2设置在轮辋上(包括第一轮辋和第二轮辋，其为环形，且可旋转对称设置在所述车体横向两侧)，其电机定子7(包括第一电机定子和第二电机定子)为环形，设置在第一轮辋和第二轮辋内，与车体上方及下方设置的凸台16(设置在第一轮辋和第二轮辋内)相配合并利用螺栓固定连接，限制电机定子的转动及平动自由度。

车轮外侧电机转子部分通过车轮轮辋3与电机定子7及车体1转动连接，保证车轮能够自由转动，两侧车轮完全相互独立。车体1下部设置有4个驻车机构，伸缩式液压缸8一端铰接于车体底部，另一端与外部支撑块9铰接，驻车时支撑块9与地面接触，保持车体姿态。车门位于车体1后部，分为上下两部分10、14，两部分固定端均通过铰接与车体1连接，使其可以绕车体 1转动。车体两侧设置有多个车灯15，保证车辆夜晚行驶能力。车体内部安装有车内地板11，其与连接台19(其周向固定设置在所述车体1下部内壁上) 相配合固定连接，且周向与所述车体内壁密闭连接，将所述车体分为第一车厢和第二车厢两部分。驾驶员座椅18、驾驶操纵杆17及电池箱、整车控制器12均固定安装在车内地板11上，电池箱12利用螺栓紧固与座椅18下方的车内地板11上。陀螺仪、倾角加速度控制器13安装在座椅18后侧相对更靠近车体1中心的位置。

如图1所示，整车球形车体1采用高透明、高强度的复合型材料，充分发挥这种新型球形车体外型的特点，最大程度上扩大驾驶员的视野，保证驾驶安全。球形车体1左右两侧前后共布置有8组车灯15，能够在夜晚及光线较差的情况下，为驾驶员提供最充足的照明。车体内部只设置单个驾驶座椅，为单人驾驶出行提供方便，并大幅降低能量消耗。驾驶杆位于驾驶座椅正前方，方便左右手任意操作，同时驾驶杆采用万向摇杆，其操纵自由度可以近似看作，在平面内操纵杆可在一个圆形区域内任意移动，而操纵杆在这个圆形区域内偏离中心位置的方向及距离，决定了车辆行驶方向及行驶速度。电池箱及整车控制器12固定安装在驾驶员座椅下方及后方，为了能够降低车辆重心，保证车辆的稳定性，电池组应更贴近与车内地板布置。

如图2～图4所示，车体1纵向中心对称面两侧对称布置有两个车轮，车轮2整体环绕于车体1并垂直于地面，两侧车轮完全独立。车轮2从最外侧到内依次为轮胎2、轮辋3、永磁体4、电机绕组5、电机控制器6、电机定子7、减震层20、车体1。其中，车轮部分采用类似轮毂电机的驱动形式，外转子与车轮轮辋3相连，轮辋3与车体1之间采用转动连接，可自由转动。永磁体4固定在外转子(即轮辋)上，电机控制器6(包括第一电机控制器和第二电机控制器)对电机进行控制，电机定子7通过车体上设置的固定凸台16，与车体利用螺栓固连，车体上方及下方固定凸台的方向相对，在保证安装精度的前提下，有效限制电机定子的转动自由度。由于车轮直接安装在车体***，为了减小由于行驶路况引起的振动问题，在车体1及电机定子7 之间增加一层减震层，利用减震橡胶的材料进行填充，从而减小由路面传递而来的震动。当对电机绕组5通电产生磁场并使车轮2产生转动运动时，动力直接输出到车轮2，由于车体及车体内部的重量远大于车轮本身重量，车体1及与其固连的电机定子7自然成为相对的定子，而车轮成为相对的转子绕车体1进行转动，驱动车辆行驶，整体无减速机构，这种驱动形式及结构能够有效提高整体的能量利用率。

如图2、图5所示，车门位于车体1的正后方，对于球形车体来说，为了提高整个车体的密封性，同时方便驾驶员上下车，将车门分为上下两部分，两部分转轴端均利用铰接与车体1相连。当车门开启时，车门上部14在电机驱动下，绕车门上铰接点向上转动，同理车门下部10绕下铰接点向下转动。同时车门下部10打开后，其车体内部形状为两级台阶，方便上下车。为了保证车门的密封性及与车体形状相吻合，车门外侧开口尺寸应不小于车门内侧开口尺寸。

图6驻车机构布置于车体底部，由伸缩式液压缸及支撑块组成，伸缩式液压缸缸筒安装在车体与车内地板下方的空间内通过铰接连接在车内地板下方，液压缸活塞杆端部利用铰接与支撑块9相连，支撑块9的形状与车体下部缺口相同，为了保证车体整体的美观和密封性，支撑块9的外侧缺口尺寸同样应不小于内侧缺口尺寸。当驾驶员离开或长时间停车时，启用驻车功能，对四个伸缩式液压缸中充入液压油，二级活塞杆依次伸出，使四个支撑块9 与相地面接触，支撑车体保持驻车平衡。当取消驻车功能时，液压缸活塞杆缩回，带动支撑块9，最终使支撑块9恰好回收在车体下部缺口位置。

所述陀螺仪、倾角及加速度传感器13，固定安装在驾驶员座椅后方，相对更靠近球形车体中心的位置。陀螺仪传感器13主要采集车体1转动角速度，但通过其测量信号积分得到车体角度极易出现较大误差，所以必须配合倾角传感器，同时为了最大程度保证各传感器的测量准确性，将其安装在相对更靠近车体1中心位置，能够有效减少由于振动带来的噪声。

车体1的平衡根据所述陀螺仪、倾角及加速度传感器13采集的信号，实时计算车体重心的偏移，对车轮驱动电机控制发出控制信号，时刻保持整车车体1的动态平衡。同时，由于旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的，这也保证了整车在行驶过程的平衡及稳定性。

所述新型单人自平衡球形电动汽车，其采用左右两侧两轮2独立驱动，整车的驱动控制由所述驾驶操纵杆17完成，采集操纵杆17输出信号，根据操纵杆17偏离中心位置的方向及距离得到驾驶员期望的车辆行驶方向及速度，将此信号发送给电机控制器，通过差动驱动两侧车轮的方式，使车辆能够完成转向行驶，同时由于整车采用两轮独立驱动，可实现原地回转及任意转向等特殊行驶功能，能够完全实现操纵杆17的所输出的任何行驶驱动指令。由于整车的驱动功率及整车质量相对较小，所以只采用电制动能够满足车辆的正常行驶要求，保证车辆的稳定、安全行驶。

本发明中提出的单人自平衡球形电动汽车，在车体横向两侧可旋转对称设置第一轮辋和第二轮辋，且两轮辋独立驱动，能够有效减少单人驾驶出行时的车辆能量消耗，同时极大的提高了车辆的灵活性，弥补传统多轮的驱动布置的缺点并有效提高两轮车辆的稳定性和安全性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种单人自平衡球形电动汽车，其特征在于，包括：

车体，其为空心球体；以及

第一轮辋和第二轮辋，其为环形，且可旋转对称设置在所述车体横向两侧；

第一电机定子和第二电机定子，其为环形，且分别设置在所述第一轮辋和第二轮辋内，所述第一电机定子和第二电机定子的内环面分别与所述车体固定连接；

第一电机绕组和第二电机绕组，其为环形，且分别与所述第一电机定子和第二电机定子外环面固定连接；

第一永磁体和第二永磁体，其为环形，且分别固定设置在所述第一轮辋和第二轮辋内壁面上，并与所述第一电机绕组和第二电机绕组相对设置；

其中，当所述第一电机绕组和第二电机绕组通电时，所述第一轮辋和第二轮辋能够绕所述车体横向轴心相对所述车体旋转。

2.如权利要求1所述的单人自平衡球形电动汽车，其特征在于，还包括：

第一电机控制器和第二电机控制器，其分别与所述第一电机定子和第二电机定子固定连接，且分别与所述第一电机绕组和第二电机绕组电连接，用于控制所述第一电机绕组和第二电机绕组的电流大小和方向；

多个凸台，其分别对称设置在所述第一轮辋和第二轮辋内，且与所述车体固定连接，所述第一电机定子和第二电机定子的内环面与所述凸台固定连接；

两个车轮，其分别设置在所述第一轮辋和第二轮辋上。

3.如权利要求1或2所述的单人自平衡球形电动汽车，其特征在于，还包括：

连接台，其周向固定设置在所述车体下部内壁上；

地板，其固定设置在所述连接台上，且周向与所述车体内壁密闭连接，将所述车体分为第一车厢和第二车厢两部分。

4.如权利要求3所述的单人自平衡球形电动汽车，其特征在于，还包括：

多个伸缩式液压缸，其设置在所述第二车厢内，且一端分别与所述地板铰接，并绕所述地板中心围成矩形；

多个支撑块，其分别与所述伸缩式液压缸另一端铰接；

多个缺口，其设置在所述第二车厢底部，并与所述支撑块一一对应；

其中，当启动驻车操作时，所述伸缩式液压缸的伸缩杆依次伸出并穿出所述缺口，所述支撑块与地面接触，支撑车体保持驻车平衡；当取消驻车操作时，所述伸缩式液压缸的伸缩杆依次收回，且所述支撑块回收在所述缺口内。

5.如权利要求4所述的单人自平衡球形电动汽车，其特征在于，还包括：

驾驶座椅，其设置在所述第一车厢内，且固定设置在所述地板中心；

操纵杆，其为万向摇杆，且设置在所述驾驶座椅前方的地板上；

整车控制器，其设置在所述驾驶座椅后方，其与所述操纵杆连接，用于接收所述操纵杆的操作信号，并控制整车操作；

电池组，其固定设置在所述驾驶座椅后方的地板上，用于为整车供电。

6.如权利要求5所述的单人自平衡球形电动汽车，其特征在于，还包括：

上车门，其设置在所述驾驶座椅后方的车体上，且上端与所述车体铰接，能够绕所述车体横向旋转；

下车门，其设置在所述上车门下方的车体上，且下端与车体铰接，能够绕所述车体横向旋转。

7.如权利要求1、2、4、5或6所述的单人自平衡球形电动汽车，其特征在于，还包括第一组车灯和第二组车灯，其为环形，且对称设置在所述车体横向两侧，用于夜间照明。

8.如权利要求7所述的单人自平衡球形电动汽车，其特征在于，所述车体与所述第一电机定子、第二电子定子之间分别设置有减震层；所述车体为高透明、高强度材料。

9.如权利要求6所述的单人自平衡球形电动汽车，其特征在于，所述下车门位于车体内部一侧设置有多级台阶，便于下车门打开时驾驶员上车和下车。

10.如权利要求5、6或9所述的单人自平衡球形电动汽车，其特征在于，还包括：

陀螺仪，其固定设置在所述驾驶座椅后部，且靠近所述球形车体中心位置；

倾角传感器，其紧靠所述陀螺仪设置；

加速度传感器，其紧靠所述倾角传感器设置；

其中，所述陀螺仪、倾角传感器和加速度传感器联合能够实时获取汽车重心偏移，以检测车身姿态，并发送给整车控制器。