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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种用于汽车转向工况模拟的永磁体球形转子底盘测功机，以实现车辆在实验过程中模拟运行于转向工况，且可以较为全面地模拟一个真实的地面，包括对车轮的纵向力模拟和横向力模拟。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1-14所示，本实施例提供一种用于汽车转向工况模拟的永磁体球形转子底盘测功机1，具体为单个球形转子测功机，其主要由如下部件组成：

球形转子总成3，其可绕X、Y、Z轴旋转，实现模拟待测轮胎9在平面上的X、Y方向的移动，进而模拟待测轮胎9在地面上运动过程中受到地面施加的纵向力和横向力。

定子绕组总成4，其包括定子铁芯41和绕设在定子铁芯41上的定子绕组 42；最少使用2个定子绕组总成4即可形成凹型托载面43，以容纳并托载球形转子总成3，球形转子总成3能够在定子绕组总成4的载荷施加作用下在凹型托载面43内万向转动，以实现待测轮胎9在平面X、Y方向上的运动模拟功能；其中，所述“万向转动”的原理类似于万向球轴承，即所述球形转子总成能够在所述凹型托载面内绕X轴、Y轴和Z轴中的任意轴旋转，以模拟所述待测轮胎在平面X、Y方向的移动；其中，定义：X轴沿待测汽车的左右方向延展、Y轴沿待测汽车的前后方向延展、Z轴沿待测汽车的高度方向延展，平面X、Y方向中的“平面”即指上述“X轴”和“Y轴”相交所形成的平面；本实施例优选采用了正交四个定子绕组总成4，且定子铁芯41优选为定子硅钢片铁芯。

基座2，基座2上开设有安装凹槽21，用于嵌置安装定子绕组总成4，且其内壁固定有若干万向轴承7，用于对球形转子总成3进行限位。

转子位置传感器5，其可感知球形转子总成3外表面，测量球形转子总成 3运动距离和方向，以此来计算整个球形转子总成3的运动状态。该转子位置传感器5工作原理类似于红外线鼠标的位置感应原理。理论上来说单个球形转子测功机在基座上均布设置两个转子位置传感器5即可感知出球形转子总成3 的所有运动状态，但考虑测量可靠性和鲁棒性，本实施例优选将其设置为5 个，5个转子位置传感器5中的四个转子位置传感器均布于球形转子总成3的同一圆周对应位置的基座上，剩余一个转子位置传感器设置于球形转子总成3的外周对应的基座上，且该剩余转子位置传感器与球心的连线垂直于上述圆周所在平面，如图2和图5所示。

万向轴承7，优选为万向球轴承；多个万向轴承7均匀分布于球形转子总成3外表面，并固定在安装凹槽21的内壁上，起到支撑和限位球形转子总成 3，同时减少球形转子总成3运动摩擦的作用。

本实施例中，如图3-6所示，球形转子总成3包含2层，即：

转子永磁体31，球形壳体结构，且壳壁较厚，将其球面分割成大小体积近似相等的小块，因为不存在超过正十二面体的正多面体，故无法将球面完美地分成数量超过12的相等小块，故这里只是近似相等。本实施例采用的是五边形小磁块311和六边形小磁块312的分割方式，五边形小磁块311为正五边形曲面，六边形小磁块312为正六边形曲面；然后将各小块的磁性按照N极、 S极大致均匀进行平均交错分布，即满足相邻小块的极性方向相反。转子永磁体31在工作过程中由定子绕组总成4施加作用力，该作用力包括正驱动力矩、负驱动力矩(定义在定子绕组总成平面上的某一个方向的力矩为正驱动力矩，则其反向力矩即为负驱动力矩；正驱动力矩用于驱动球形转子总成正转，负驱动力矩则用于驱动球形转子总成反向转动)和磁悬浮力，其中磁悬浮力可使球形转子总成3悬浮起来，减少与其他物体的接触，进而减少运动摩擦，磁悬浮力是基于转子永磁体31产生的，产生的原理可以分为两类(但不仅限于这两类)：第一类是将设置绕组分为两组，一组用于驱动，一组用于产生磁悬浮力；另外一种是使用同一个绕组产生驱动力的同时产生磁悬浮力。前者原理较为简单，分别独立控制两组绕组，即可实现磁悬浮和驱动的目的。第二种原理较为复杂，绕组作用于转自永磁体的作用力可分解为两个方向——垂直于转子表面的力和与转子表面相切的力，控制定子绕组各个位置的电流和相位，即可保证所有的垂直定子表面的力的合力竖直向上，并且与重力相抵消，若转子靠近一侧定子时，由于距离突然变大，其排斥力也将增大，从而动态地保证定子与转子不会接触，同时上述切向力用于对球形转子施加转动力矩。

转子接触层32，其为球形转子总成3的最外层，其用于直接与待测轮胎9 接触，故得名转子接触层。转子接触层32为封闭球形壳体，并由若干面积大致相等的小块组成，本实施例采用若干五边形小块321和六边形小块322组成，其中，五边形小块321具体为一种正五边形曲面，六边形小块322具体为一种正六边形曲面。每块五边形小块321和每块六边形小块322的下方均设有一个切向力传感器61，或者每一小块的每个边与相邻的小块共享一个压力传感器 62，即压力传感器62设置于任意相邻小块的拼接处。

本实施例中，如图7-9所示，转子接触层32中的每一小块中都会包含一个切向力传感器61，切向力传感器61可以设置在转子接触层32的上表面、下表面，或以嵌置的形式安装于转子接触层32中。切向力传感器61的具体布置方式如图8所示，切向力传感器61的外表面与转子接触层32接触，内表面与转子永磁体31接触。在转子接触层32上的轮胎滚动过程中，由于每一小块均受切向力形变，从而带动切向力传感器61形变，进而感受到切向力大小，根据每一小块下方切向力传感器61感知的力的大小和方向，就可以计算出待测轮胎9相对于转子接触层32的力矩大小和方向，进而调整球形转子总成3 的转动方向、速度、功率等参数以满足各时刻设定的测功机的各种运动状态。

本实施例中，如图10-12所示，转子接触层32中的每个相交边会有一个压力传感器62，其两个表面分别与转子接触层32不同的小块的边接触。在转子接触层32上的轮胎滚动过程中，由于每一小块受切向力形变，从而带动转子接触层32受压形变，由于压力传感器62分布于一个转子接触层32小块的一周，从而可以计算出力矩大小和方向，进而调整球形转子总成3的转动方向、速度、功率等参数以满足各时刻设定的测功机的各种运动状态。

本实施例中，如图13-14所示，待测车辆8为前轮2驱车辆，故需放置2 个球形转子测功机，如果需要测试不同数量驱动轮的车辆，可根据实际情况放置对应数量的球形转子测功机。而且，如果需要测量不同轮距的车辆，则可以调节球形转子测功机的距离，尽量保证待测轮胎9与地面上的接触点处于球形转子总成3最上面顶点的位置，以保证车辆在转向过程中待测轮胎9与球形转子总成3的接触位置始终相同，方便控制。其中，球形转子测功机在工作过程中主要工作在负载模式下，工作在驱动模式下相对较少。所谓“负载模式”指待测轮胎9对球形转子测功机的球形转子总成3做功，球形转子总成3再配合定子绕组总成4将功转化为电能，这种工况出现在模拟车辆主动驱动等工况中；而“驱动模式”是指球形转子测功机对待测轮胎9做功，拖着待测轮胎9 旋转，这种工况主要出现在模拟车辆制动等工况中。

本实施例提出的用于汽车转向工况模拟的永磁体球形转子底盘测功机1 既可以工作在发电模式也可以工作在电动模式，也即分别对应上文所述的负载模式和驱动模式，对于电动模式工作原理具体可参考为球形轮胎、球形马达或球形电机等，而对于负载模式工作原理可具体参考专利号为US13256939的专利“球形发电机”。本实施例中，球形转子总成3内设置永磁体转子，且永磁体较为均匀地分布在球体的表面，所述“均匀”是指永磁体上磁极分布均匀；但是因为球体表面不能被超过正十二面体的形状均匀分割，所以只能以一种近似均匀的形式将转子永磁体31的球面分割，此处所谓均匀是指每个分割小块的外表面积近似相等或分布呈一定可预测的规律；绕组分布形式采用绕组直列式，即定子绕组42和定子铁芯41组成的定子绕组总成4与球的竖直方向的经线平行。

本实施例的永磁体球形转子底盘测功机既可作为发电机使用，也可作为电动机使用(一般情况是将电动机与发电机等同看待，即发动机同时也具有发电机的作用)，处于电动机模式时，定子运动中的磁场对转子运动中的磁场产生吸引力及排斥力，只需要控制定子的磁场转动速度就可以保证持续不断地对转子的力矩作用，从而驱动转子的运动。处于电动机模式时，定子的永磁体磁场切割定子绕组产生感生电流，从而将机械能转化为电能。在此基础上，通过设置力传感器，可以在工作过程中更好、更准确地保证轮胎所受力矩为测试工况中对应的力矩，这是测功机所必需的一个传感器。

由此可见，本实施例的永磁体球形转子底盘测功机可以较为全面地模拟一个真实的地面，完全模拟汽车在平面上的X、Y方向上的运动，即不仅可以模拟直线行驶，还可实现待测车辆8在底盘测功机上实验过程中运行于转向工况，甚至可对待测轮胎9进行纵向力模拟和横向力模拟，这是传统测功机所不具备的。

实施例二：

如图15所示，本实施例提出另一种用于汽车转向工况模拟的永磁体球形转子底盘测功机1，其实质为一种斜置定子球形转子底盘测功机，其与实施例一的区别仅在于，绕组分布形式采用绕组斜置式，即定子绕组42和定子铁芯 41组成的定子绕组总成4与球的竖直方向的经线呈一定角度绕球一圈分布。相比实施例一中的绕组分布形式，本实施例通过将定子绕组总成4与经线方向倾斜一定角度，形成斜置形式，不仅使定子绕组总成4对球形转子总成3同时产生经线方向和纬线方向的分力，从而可方便控制球形转子总成3的绕X、Y、 Z轴的自由度运动，尤其使球形转子总成3绕Z轴的旋转更好地得到控制。其中，定义：X轴沿待测汽车的左右方向延展、Y轴沿待测汽车的前后方向延展、 Z轴沿待测汽车的高度方向延展，平面X、Y方向中的“平面”即指上述“X 轴”和“Y轴”相交所形成的平面。

除上述区别外，本实施例永磁体球形转子底盘测功机的结构配置以及工作原理均与实施例一相同，在此不再赘述。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。