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上的第一定子绕组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球形转子总成外周的基座2内壁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的同一圆周上，且转子位置传感器5固定于基座2内壁，剩余一个转子位置传感器5分布于球形转子总成3的外周，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，该剩余转子位置传感器固定于基座2内壁，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3层，即：

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；

转子感应层33，其为中间层，为封闭球形壳体，主要用于在定子绕组产生的变化的磁场作用下受激产生涡流进而产生感应磁场，故应选用导电性能好的材料，比如铜、铝等。

转子导磁层31，其为最内层，球形闭合壳体，应选用高磁导率材料（如硅钢）可增强感应磁场；且实际应用时应尽量减少其内部的涡流，比如设计成硅钢片平行于径向方向层叠而成的结构。

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，内表面与转子导磁层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，绕组分布形式采用绕组直列式，即第一定子绕组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）。其工作原理为：做电动机时定子绕组总成4产生运动的磁场，从而导致定子转子感应层33切割磁感线产生磁场，该感生磁场与定子绕组磁场产生磁力作用驱动转子转动；当作为发电机使用时，定子绕组通电产生磁场从而转子感应层产生感应磁场，而该感应磁场再次作用定子绕组使定子绕组产生感应电动势，实现转子上的机械能转化成定子上的电能的目的。只要控制电子绕组的频率与转子频率的大小关系，即可实现电动机模式和发电机模式的切换。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，即第一定子绕组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。

实施例三：

如图16-20所示，本实施例提出另一种用于汽车转向工况模拟的球形转子底盘测功机1，其实质为一种垂直S形绕组球形转子底盘测功机，其与实施例一的区别仅在于，定子绕组总成4仅设置了定子绕组，即第二定子绕组44。第二定子绕组44设置有两组，任意一组第二定子绕组44均由绕组线蛇形盘布形成与球形转子总成3的底半球形状适配的球窝状，即凹型托载面43，该托载面能够与球形转子总成3的底半球面完美贴合；两组第二定子绕组44相互垂直嵌套后与球形转子总成3的底半球配合，通过在球形转子总成3的底半球面由内至外依次布设两组（层）第二定子绕组44，且两组第二定子绕组44相互垂直，从而形成一种面垂直绕组，以对球形转子总成3进行控制。由于每组第二定子绕组44盘布于球形转子总成3的底半球面，所以每组第二定子绕组44整体程半球面状，单组绕组既有沿球体经线方向的，又有沿球体纬线方向的，两组第二定子绕组44相互垂直，从而有利于将施加在球形转子总成3的经向和纬向的力矩进行分解，使控制得以解藕。

除上述区别外，本实施例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。