一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置

摘要

本发明公开了一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置，通过在轮辋上焊接内缸，内缸内均布电机定子和绕组，重力块连接在固定轴上，在固定轴与重力块之间设置滚珠环槽，形成紧密配合，使重力块可绕固定轴自由转动，为防止重力块从固定轴上脱落，在固定轴一端固结挡块。仿星形传动装置通过连杆与重力块固连，且与固定轴保持一定距离。主轮上连接五个曲柄连杆，轮辋与主轮之间产生的相对运动可带动活塞在内缸内作切割磁感线直线运动，从而产生感应电压。本发明利用主轮与轮辋产生的相对转动产生感应电压，属于一种新型的轮辋馈能装置，具有高能量回收效率。

权利要求

1.一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置，其特征在于：包括轮辐(1)、轮毂(2)、固定轴(4)、滚珠环槽(5)、重力块(6)、连杆(7)、轮胎(8)、曲柄连杆(9)、轮辋(10)、活塞(11)、内缸(12)、主轮(13)、螺杆(15)、曲柄连接件(17)、动子磁轭(18)、动子磁极(19)、绕组(20)、电机定子(21)和滚珠(22)；

所述轮辐(1)与轮毂(2)相连，轮辋(10)上均匀分布若干个内缸(12)，若干个内缸(12)中分别有若干个活塞(11)，活塞(11)与若干根等长曲柄连杆(9)一端相连；曲柄连杆(9)另一端套在螺杆(15)上，且与螺杆(15)活动连接，使曲柄连杆(9)可绕螺杆(15)自由转动；所述螺杆(15)固定于主轮(13)上，所述主轮(13)通过连杆(7)连接于重力块(6)上，所述重力块(6)悬挂于轮毂(2)外侧伸出的固定轴(4)上，重力块(6)与固定轴(4)之间设置滚珠环槽(5)，滚珠环槽(5)内有滚珠(22)；

所述内缸(12)内壁上设有电机定子(21)，所述电机定子(21)内均匀分布有绕组(20)；

所述活塞(11)上固定有动子磁极(19)与动子磁轭(18)；活塞(11)一端与内缸(12)底部之间保持一定空间，另一端固结有曲柄连接件(17)，曲柄连杆(9)与曲柄连接件(17)活动连接；

所述电机定子(21)呈圆形矩阵均匀分布在内缸(12)内壁；所述曲柄连接件(17)与活塞(11)固结为一体；所述轮辋(10)与内缸(12)固结为一体。

2.根据权利要求1所述的一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置，其特征在于：轮辋(10)上均匀分布五个内缸(12)，五个内缸(12)中分别有五个活塞(11)，活塞(11)与五根等长曲柄连杆(9)相连。

3.根据权利要求2所述的一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置，其特征在于：所述主轮(13)上一共有十个螺孔，其尺寸一致且上下依次对应，五根螺杆(15)两端被十个螺母(14)固定在主轮(13)上，主轮(13)上下盘之间高度略大于曲柄连杆(9)的高度，五根等长曲柄连杆(9)与五根螺杆(15)活动连接，使得五根曲柄连杆(9)在一个平面内运动。

4.根据权利要求1所述的一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置，其特征在于：当重力块(6)带动主轮(13)与轮辋(10)发生相对运动时，曲柄连杆(9)绕螺杆(15)转动且带动活塞(11)在内缸(12)中做直线运动，固结在活塞(11)上的动子磁轭(18)与动子磁极(19)在内缸(12)中与电机定子(21)中的绕组(20)产生相对运动，产生感应电压，利用外端电路对该部分能量进行回收。

5.根据权利要求1所述的一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置，其特征在于：所述螺杆(15)两端被螺母(14)固定于主轮(13)上。

6.根据权利要求1所述的一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置，其特征在于：曲柄连杆(9)一端上的小杆(16)通过连接孔与曲柄连接件(17)活动连接。

7.根据权利要求1所述的一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置，其特征在于：固定轴(4)前端固结一挡块(3)，将重力块(6)限定在挡块(3)和轮毂(2)之间。

说明书

一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置，属于汽车节能减排技术领域。

背景技术

[0002] 轮辋俗称轮圈，是车轮的重要组成部分之一，其安装在车轮周边支撑轮胎并与轮辐组成车轮。但是现有的大部分车轮的作用只是作为汽车在行驶过程中保证其安全行驶和
平稳行驶的功能，并没有把车轮行驶过程中所产生的能量进行回收利用，造成了巨大的能
量损失。

[0003] 长期以来，研究人员试图通过在汽车传动机构上安装飞轮储存惯性能量，为了保持飞轮的长期运转，需将其置于真空环境，其技术复杂且难以实现。之后企图利用汽车与地
面的压力进行能量回收，中国专利CN109826767A公开了一种汽车轮胎对地压力能量回收装
置，以汽车本身对地面的压力为动力来源，设置棘轮齿轮使得发电机单向运转，从而使发电
机输出稳定电流，并对该电流进行回收。但是棘轮齿轮长期处于工作状态，易受到磨损，需
短期内更换，成本较高。中国专利CN109878265A公开了一种可实现能量回收的刚性车轮，利
用车轮在复杂路面行驶，或遇到阻碍物时，直线发电机上的压力传感器发出信号，轮辋锁定
机构打开，轮辋会进行内向运动，此时带动直线发电机直线运动，线圈产生电流，实现机械
能向电能的转化，从而进行能量的回收。然而轮辋的锁定机构长期处于受压状态，需要定期
更换，成本很高；车轮在高速运转时产生的热量易使与直线电机上的压力传感器受损，该压
力传感器也不能长期使用；锁定机构频繁锁紧与打开，易导致轮辋频繁向内弯曲，长期使用
易使轮辋变形，且会影响汽车的行驶平顺性。因此，工程上迫切需要一种成本较低，可长期
使用且保证汽车的行驶平顺性的一种可回收能量的车轮。

发明内容

[0004] 为了避免车辆行驶过程中机械能的浪费，提高汽车在行驶过程中的能量收集问题，本发明提供一种可长期使用，成本较低的可回收能量的新能源车用仿星形发动机轮辋
馈能装置。

[0005] 本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的：一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置，其特征在于：包括轮辐(1)、轮毂(2)、固定轴(4)、滚珠环槽(5)、重力块(6)、
连杆(7)、轮胎(8)、曲柄连杆(9)、轮辋(10)、活塞(11)、内缸(12)、主轮(13)、螺杆(15)、曲柄
连接件(17)、动子磁轭(18)、动子磁极(19)、绕组(20)、电机定子(21)和滚珠(22)；

[0006] 所述轮辐(1)与轮毂(2)相连，轮辋(10)上均匀分布若干个内缸(12)，若干个内缸(12)中分别有若干个活塞(11)，活塞(11)与若干根等长曲柄连杆(9)一端相连；曲柄连杆
(9)另一端套在螺杆(15)上，且与螺杆(15)活动连接，使曲柄连杆(9)可绕螺杆(15)自由转
动；所述螺杆(15)固定于主轮(13)上，所述主轮(13)通过连杆(7)连接于重力块(6)上，所述
重力块(6)悬挂于轮毂(2)外侧伸出的固定轴(4)上，重力块(6)与固定轴(4)之间设置滚珠
环槽(5)，滚珠环槽(5)内有滚珠(22)；

[0007] 所述内缸(12)内壁上设有电机定子(21)，所述电机定子(21)内均匀分布有绕组(20)；所述活塞(11)上固定有动子磁极(19)与动子磁轭(18)；活塞(11)一端与内缸(12)底
部之间保持一定空间，另一端固结有曲柄连接件(17)，曲柄连杆(9)与曲柄连接件(17)活动
连接；

[0008] 所述电机定子(21)呈圆形矩阵均匀分布在内缸(12)内壁；所述曲柄连接件(17)与活塞(11)固结为一体；所述轮辋(10)与内缸(12)固结为一体。

[0009] 进一步，轮辋(10)上均匀分布五个内缸(12)，五个内缸(12)中分别有五个活塞(11)，活塞(11)与五根等长曲柄连杆(9)相连。

[0010] 进一步，所述主轮(13)上一共有十个螺孔，其尺寸一致且上下依次对应，五根螺杆(15)两端被十个螺母(14)固定在主轮(13)上，主轮(13)上下盘之间高度略大于曲柄连杆
(9)的高度，五根等长曲柄连杆(9)与五根螺杆(15)活动连接，使得五根曲柄连杆(9)在一个
平面内运动。

[0011] 进一步，当重力块(6)带动主轮(13)与轮辋(10)发生相对运动时，曲柄连杆(9)绕螺杆(15)转动且带动活塞(11)在内缸(12)中做直线运动，固结在活塞(11)上的动子磁轭
(18)与动子磁极(19)在内缸(12)中与电机定子(21)中的绕组(20)产生相对运动，产生感应
电压，利用外端电路对该部分能量进行回收。

[0012] 进一步，所述螺杆(15)两端被螺母(14)固定于主轮(13)上。

[0013] 进一步，曲柄连杆(9)一端上的小杆(16)通过连接孔与曲柄连接件(17)活动连接。

[0014] 进一步，固定轴(4)前端固结一挡块(3)，将重力块(6)限定在挡块(3)和轮毂(2)之间。

[0015] 本发明的有益效果是：本发明通过设置固定轴、可绕固定轴转动的重力块、重力块与固定轴之间的滚珠环槽、可跟随重力块一起转动的主轮、可绕螺杆及小杆转动的曲柄连
杆、固定有多个动子磁极和动子磁轭的活塞、均布绕组的电机定子等装置，实现将主轮与轮
辋之间的相对运动转化为活塞在内缸中的直线运动，从而固结在活塞上的动子磁轭与动子
磁极在内缸中与电机定子中的绕组产生相对运动，产生感应电压。避免了在轮辋上安装轮
辋锁定机构及频繁开关该机构使轮辋向内运动让轮辋变形的不足，避免了在汽车高速行驶
时产生的热量对直线电机上的传感器造成的损害的不足。本发明所述的一种新能源车用仿
星形发动机轮辋馈能装置利用当重力块的重力作用效果带动主轮与轮辋产生相对运动，从
而产生电能，可实现能量的高效回收，其原理简单易懂，便于投入实际生产中。

附图说明

[0016] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0017] 图1是一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置示意图。

[0018] 图2是主轮示意图。

[0019] 图3是活塞和内缸示意图。

[0020] 图4是重力块和滚珠环槽细节图。

[0021] 附图标记说明如下：

[0022] 1.轮辐，2.轮毂，3.挡块，4.固定轴，5.滚珠环槽，6.重力块，7.连杆，8.轮胎，9.曲柄连杆，10.轮辋，11.活塞，12.内缸，13.主轮，14.螺母，15.螺杆，16.小杆，17.曲柄连接件，
18.动子磁轭，19.动子磁极，20.绕组，21.电机定子，22.滚珠。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保
护范围并不限于此。

[0024] 如图1所示，一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置，包括轮辐1、轮毂2、挡块3、固定轴4、滚珠环槽5、重力块6、连杆7、轮胎8、曲柄连杆9、轮辋10、活塞11、内缸12、主轮
13。其中五条轮辐1呈正五边形均匀分布在轮辋10上，固定轴4与轮毂2固结为一体，重力块6
悬挂在固定轴4上，在固定轴4一端固结挡块3，在重力块6与固定轴4之间设置滚珠环槽5，连
杆7一端固结在重力块6上，另一端固结在主轮13上，五个内缸12均匀分布在轮辋10上，且与
轮辋10焊为一体。五个活塞11可在内缸12内做直线运动。

[0025] 如图2所示，一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置，包括曲柄连杆9、主轮13、螺母14、螺杆15。五个螺母14呈内接正五边形分布在主轮13的上盘，另外五个螺母14呈
内接正五边形分布在主轮13的下盘，上下盘的螺母14依次对应，五根螺杆15被螺母14固定
在主轮13上，五根曲柄连杆9与螺杆15活动连接，主轮13的上下盘间距略大于曲柄连杆9高
度，从而使得五根曲柄连杆9在一个平面内转动。

[0026] 如图3所示，一种新能源车用的仿星形发动机轮辋馈能装置，包括小杆16、曲柄连接件17、动子磁轭18、动子磁极19、绕组20、电机定子21。其中活塞11一端与内缸12底部保持
一定距离，另一端与曲柄连接件17焊为一体，小杆16与曲柄连杆9焊为一体，小杆16通过连
接孔与曲柄连接件17活动连接，曲柄连杆9可绕小杆16转动，内缸12内壁沿径向呈圆形矩阵
固定有电机定子21，电机定子21内均布有绕组20，动子磁极19与动子磁轭18均固定在活塞
11上，且动子磁极19呈圆环状等距分布在动子磁轭18表面。

[0027] 如图4所示，一种新能源车用的仿星形发动机轮辋馈能装置，包括挡块3、固定轴4、重力块6和滚珠22。其中挡块3固结在固定轴4上，防止重力块6脱落，在滚珠22之间注入润滑
油润滑，保证重力块6可绕固定轴4自由转动，由此完成一种新能源车用仿星形发动机轮辋
馈能装置的安装。

[0028] 主轮13与固定轴4之间的距离以及曲柄连杆9的长度均视活塞11在内缸12的行程而定。

[0029] 通过上述的仿星形发动机轮辋馈能装置，将机械能转化为电能，在汽车行驶和制动时对能量进行高效回收。

[0030] 工作过程：当车轮以一定速度转动时，由于受到惯性离心力作用，重力块6与主轮13随着轮辋10一起转动，主轮13与轮辋10发生的相对运动使得与主轮13上螺杆15活动连接
的曲柄连杆9带动活塞11在内缸12中做直线运动，固结在活塞11上的动子磁轭18与动子磁
极19在内缸中与电机定子21中的绕组20产生相对运动，产生感应电压，利用外端电路对该
部分能量进行回收。

[0031] 为了方便直观的展示本发明优良的能量回收效率，这里选取常见的195/65R15规格的轮胎进行回收效率计算。

[0032] 由轮胎外直径表达式可知：

[0033] D＝W×AR×2+d×25.4(1)

[0034] 式中，D为轮胎外直径，W为轮胎宽度，AR为高宽比，d为轮胎内直径。

[0035] 代入计算可得：

[0036] D＝195×0.65×2+15×25.4＝634.5mm≈0.634m

[0037] 则轮胎外半径:

[0038] R＝D/2≈0.32m(2)

[0039] 由运动关系可知：

[0040] 假设在主轮一个运动周期中，活塞做一次往复运动。

[0041] w主轮＝a×w轮辋(3)

[0042] L＝(l+s)‑(l‑s)＝2s(4)

[0043]

[0044] 其中,w主轮是主轮13相对于固定轴4的平均角速度，w轮辋是轮辋10的平均角速度，a是运动关联系数，L是活塞11在内缸12中的行程，l是曲柄连杆9的长度，s是固定轴4和连杆7之
间的距离，vr为一个周期内动子相对于定子的平均速度，v为一个周期内汽车的平均速度。

[0045] 根据直线电机产生的感应电流与感应电动势关系可得：

[0046] E＝k×vr(6)

[0047] 其中E是感应电动势，k直线电机电动势常数。

[0048] 根据最大输出功率理论，当内阻和外阻一样大时，外阻功率最大，能量回收效率最高。

[0049] 此时，能量回收的功率为：

[0050]

[0051] 式中，P为外阻功率(即能量回收功率)，R阻为外阻阻值。

[0052] 综合考虑实际情况，为方便计算，假设车辆以20m/s(即72km/h)的速度匀速行驶，以L＝20πmm＝0.02πm，a为0.9，k为8.1vs/m,内外阻均为0.38Ω为例。

[0053] 代入计算得：

[0054]

[0055] 整车回收功率(以一个轮胎5个单体，共4轮胎计)：

[0056] P总＝55×5×4＝1100W

[0057] 可以看出，在汽车保持一定速度行驶时，其能量回收效率非常可观。当汽车制动时，由于惯性作用，重力块6有保持之前的转动趋势，因此其带动主轮13相对轮辋10转动，产
生感应电压，同样可以利用外端电路对该能量进行回收。该装置的能量回收过程贯穿汽车
的行驶与制动过程，能量回收效率极高，且不会对轮辋造成变形损害，成本较低，可长期使
用。

[0058] 综上，本发明的一种新能源车用仿星形发动机轮辋馈能装置，通过在轮辋上焊接内缸，内缸内均布电机定子和绕组，重力块连接在固定轴上，在固定轴与重力块之间设置滚
珠环槽，形成紧密配合，使重力块可绕固定轴自由转动，为防止重力块从固定轴上脱落，在
固定轴一端固结挡块。仿星形传动装置通过连杆与重力块固连，且与固定轴保持一定距离。
主轮上连接五个曲柄连杆，轮辋与主轮之间产生的相对运动可带动活塞在内缸内作切割磁
感线直线运动，从而产生感应电压。本发明利用主轮与轮辋产生的相对转动产生感应电压，
属于一种新型的轮辋馈能装置，具有高能量回收效率。

[0059] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结
构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的
示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特
点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0060] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本
发明的范围由权利要求及其等同物限定。