CN103696918B - 一种振动发电装置及附带该装置的公路减速带 - Google Patents

Abstract

本发明为一种振动发电装置，该装置采用大扇形齿轮和小齿轮连同摆杆的增幅摆动机构将顶杆的直线位移放大，然后齿条和齿轮组将放大之后的直线位移转换为单向的回转运动，永磁同步发电机转子上施加的转矩频率高，输出电功率大，永磁同步发电机具有较高的机电转换效率，采用扁平状发电机结构，利于安装，减少发电装置体积。本发明利用车辆通过减速带时产生的压力机械能发电，具有较高的功率密度，绿色环保，并能解决公路附属用电设施供电问题，减少集中供电的能源浪费和使用成本。

Description

一种振动发电装置及附带该装置的公路减速带

技术领域

本发明涉及将车辆通过公路减速带时的压力机械能转换为电能的技术，具体为一种振动发电装置及附带该装置的公路减速带。

背景技术

公路收费站等重要公路设施附近均分布有比较密集的减速带，车流量大，这些公路设施分布比较分散，且有大量的附属电子设备和电气设备，传统的采用远距离铺设电缆对其供电成本高、效率低，因此，充分利用车辆通过公路减速带时的压力驱动发电机为公路设施的附属电子设备和电气设备供电具有重要应用价值。

现有公路设施集中供电技术存在诸多缺点：

1.用电设备分散，供电线路太长，负载分布不集中，造成线路损耗大，供电效率低。

2.供电线路的铺设工程量较大，后续维护比较复杂，建设和使用成本高昂。

公路收费站等附近的减速带每天都有大量的车流通过，具有丰富的机械能源，一种振动发电装置及附带该装置的公路减速带可将公路减速带承受的压力机械能转换为电能，解决公路附属用电设施的供电问题。

发明内容

本发明的目的是针对当前公路附属用电设施集中供电技术的不足，提供一种利用公路减速带的压力发电的装置。该装置采用大扇形齿轮和小齿轮连同摆杆为直线位移放大机构，齿条和齿轮组为直线运动变回转运动机构实现机械能的高效传递，永磁同步发电机为机电能量转换机构，实现为公路附属用电设施供电。

本发明将大扇形齿轮和小齿轮连同摆杆的机构用于直线位移放大，放大顶杆产生的直线位移并通过摆杆输出，摆杆驱动齿条、齿轮组机构将摆杆的直线运动转换为快速的回转运动，带动永磁同步发电机工作，该发电装置充分利用车辆碾压公路减速带产生的较大压力，将减速带活动板的小直线位移转换为快速回转运动，可显著提高永磁同步发电机的输出功率，具有较高的机械能传递和转换效率。本发明为可再生能源发电，机电能量转换效率高，工作寿命长，采用密封设计，可靠性高，埋入公路中，不占用周围空间，且可多台发电装置组网发电，使用灵活。

本发明的技术方案为：

一种振动发电装置，该装置为箱体结构，外形为长方体；箱体内，轴二、轴三和永磁同步发电机均通过螺钉固定在箱体的主内壁上，轴承座固定在箱体中主内壁左侧的内壁上，轴一固定在轴承座上；单向轴承通过键配合固定在永磁同步发电机的轴上，齿轮三通过键配合固定在单向轴承上；齿轮二和齿轮一均通过键配合在轴三上，齿轮二靠近内壁；齿轮三与齿轮二啮合；齿条沿着竖直方向放置，齿条的上端与摆杆的右端通过螺栓固定在一起，整体呈倒“L”状，齿条与齿轮一啮合，摆杆的左端通过螺钉固定在小齿轮上，小齿轮固定在轴二上；小齿轮与大扇形齿轮啮合，大扇形齿轮通过轴一固定在轴承座上，大扇形齿轮中部有一倾斜的条状大扇形齿轮槽（左端高右端低），大扇形齿轮槽内设置有滚筒，滚筒安装在顶杆的下端部，顶杆的上端部穿过顶板伸出箱体之外，顶杆在箱体之外的部分套有复位弹簧；永磁同步发电机的输出端通过导线穿过线孔连接外部电能处理电路或公路附属用电设施。

所述的轴一与轴二在同一水平线上，轴三与永磁同步发电机的轴在同一水平线上，轴二与轴三的轴心间距与摆杆长度相等，其中摆杆长度指轴二的轴心到摆杆活动端部的长度，轴二与轴三的轴心水平距离为为齿条弦长的一半。

所述的附带本发明振动发电装置的公路减速带，包括普通减速带、活动板和所述的振动发电装置；其中，振动发电装置置于公路路基的开挖槽内，上面为普通减速带，振动发电装置的伸出箱体之外的顶杆和复位弹簧穿过普通减速带上的开孔，共同托举起活动板。

其中，在无外部压力作用时，在保证车辆正常通行的条件下，活动板与普通减速带之间的间距应尽可能大，以获得较大的输入功率，一般在20mm-40mm之间。

本发明基于大扇形齿轮和小齿轮连同摆杆的直线位移放大机构、齿条和齿轮组直线运动变回转运动机构、永磁同步发电机的机电能量转换机构将车辆通过减速带的压力机械能转换为电能，电能经处理之后可为公路附属用电设施供电。

本发明采用大扇形齿轮和小齿轮连同摆杆的增幅摆动机构将顶杆的直线位移放大，然后齿条和齿轮组将放大之后的直线位移转换为单向的回转运动，永磁同步发电机转子上施加的转矩频率高，输出电功率大，永磁同步发电机具有较高的机电转换效率，采用扁平状发电机结构，利于安装，减少发电装置体积。具有优点如下：

1）利用车辆通过减速带时产生的压力机械能发电，具有较高的功率密度，绿色环保。

2）解决公路附属用电设施供电问题，减少集中供电的能源浪费和使用成本。

3）本发明为可再生能源，可免维护长期为公路附属用电设施供电。

4）结合减速带进行安装，嵌入公路中，节省空间，可灵活组合。

附图说明

图1为本发明的振动发电装置的内部结构主视图。

其中，1-箱体，2-齿轮三，3-永磁同步发电机，4-齿轮二，5-齿轮一，6-轴三，7-齿条，8-摆杆，9-小齿轮，10-轴二，11-固定螺钉，12-大扇形齿轮，13-大扇形齿轮槽，14-轴一，15-轴承座，16-滚筒，17-顶杆，18-复位弹簧，19-普通减速带开孔，20-线孔，21-普通减速带，22-活动板。

图2为本发明的振动发电装置的箱体的结构图。其中，2a-下侧板，2b-右侧板，2c-底板，2d-线孔，2e-上侧板，2f-上侧板孔，2g-左侧板。

图3为附带本发明的振动发电装置的公路减速带安装效果示意图。其中，3a-公路路基，3b-外壳，3c-普通减速带横断面，3d-活动板横断面。

图4为一种振动发电装置及附带该装置的公路减速带的运行示意图。

具体实施方式

本发明以大扇形齿轮和小齿轮连同摆杆为直线位移放大机构，以齿条和齿轮组为直线运动变回转运动机构，以永磁同步发电机为机电能量转换装置，该振动发电装置及附带该装置的公路减速带一般包括：顶杆、大扇形齿轮、小齿轮、摆杆、齿条、齿轮组、永磁同步发电机、复位弹簧、带活动板的减速带、防水外壳。

车轮碾压公路减速带时，活动板受压力作用推动顶杆向下做直线运动，顶杆通过滚筒推动大扇形齿轮绕轴一向下转动，大扇形齿轮推动与其啮合的小齿轮逆时针转动，小齿轮带动摆杆逆时针转动，摆杆带动与其固定的齿条向上运动，当减速带没有车辆碾压时，复位弹簧推动活动板回到最高位置，在复位过程中，顶杆、大扇形齿轮、小齿轮、摆杆、齿条均做反向运动。当齿条向上运动时，与齿条啮合的齿轮一逆时针转动，齿轮一带动与其同轴的齿轮二逆时针转动，当齿条向下运动时，与齿条啮合的齿轮一顺时针转动，齿轮二随齿轮一顺时针转动；齿轮三通过单向轴承固定在永磁同步发电机的轴上；齿轮二逆时针转动时带动与其啮合的齿轮三顺时针转动，齿轮三顺时针转动时驱动永磁同步发电机的轴顺时针转动，齿轮二顺时针转动时带动与其啮合的齿轮三逆时针转动，由于单向轴承的作用，齿轮三不驱动发电机轴转动；当齿轮三停止转动或转速比发电机轴转速低时，由于转动惯量永磁同步发电机的转子将继续转动，发电机电能通过导线由线孔输出到后续的电能处理电路或公路附属用电设施。所述的轴一、轴二、轴三的组成包括固定轴和轴承，轴的位置根据齿轮尺寸合理分布。

下面结合附图对本发明进行说明，但它们不对本发明作任何限制。

实施例1

本发明所述的振动发电装置的结构图如图1所示，该装置为箱体结构，外形为长方体；箱体内，轴二10、轴三6和永磁同步发电机3均通过螺钉固定在箱体的主内壁上，轴承座15固定在箱体中主内壁左侧的内壁上，轴一14固定在轴承座15上；单向轴承通过键配合固定在永磁同步发电机3的轴上，齿轮三2通过键配合固定在单向轴承上；齿轮二4和齿轮一5均通过键配合在轴三6上，齿轮一5带动齿轮二4同步转动，齿轮二4靠近内壁；齿轮三2与齿轮二4啮合；齿条7沿着竖直方向放置，齿条7的上端与摆杆8的右端通过螺栓固定在一起，整体呈倒“L”状，齿条7与齿轮一5啮合，摆杆8的左端通过螺钉11固定在小齿轮9上，小齿轮9固定在轴二10上；小齿轮9与大扇形齿轮12啮合，大扇形齿轮12通过轴一14固定在轴承座15上，大扇形齿轮12中部有一倾斜的条状大扇形齿轮槽13（左端高右端低），大扇形齿轮槽13内设置有滚筒16，滚筒16安装在顶杆17的下端部，顶杆17的上端部穿过顶板伸出箱体之外，顶杆17在箱体之外的部分套有复位弹簧18；永磁同步发电机3的输出端通过导线穿过线孔20连接外部电能处理电路或公路附属用电设施。

所述的轴一14与轴二10在同一水平线上，轴三6与永磁同步发电机3的轴在同一水平线上，轴二10与轴三6的轴心间距与摆杆8长度相等，其中摆杆8长度指轴二10的轴心到摆杆8活动端部的长度，轴二10与轴三6的轴心水平距离为为齿条7弦长的一半。

所述的箱体如图2所示，箱体的组成包括下侧板2a、右侧板2b、底板2c、线孔2d、上侧板2e、上侧板孔2f、左侧板2g，箱体1由箱体端盖通过螺钉固定，实现外壳的全封闭，可防尘防水，轴二10、轴三6均固定在箱体底板2c的内壁，永磁同步发电机3通过螺钉固定在箱体底板2c内壁，轴承座15通过螺钉固定在箱体左侧板2g内壁。

所述的附带本发明振动发电装置的公路减速带的安装效果示意图如图3所示，组成包括普通减速带21、活动板22和振动发电装置；其中，振动发电装置置于公路路基的开挖槽内，上面为普通减速带21，振动发电装置的伸出箱体之外的顶杆17和复位弹簧18穿过普通减速带21上的开孔19，与活动板22接触，顶杆17通过螺钉与活动板22固连，顶杆17连同复位弹簧18共同托举起活动板22。其中，在无外部压力作用时，在保证车辆正常通行的条件下，活动板22与普通减速带21之间的间距应尽可能大，一般在20mm-40mm之间。装置的外壳置于公路路基3a的开挖槽内，外壳外表面与公路路基3a的开挖槽内壁密切接触，中间采用密封材料填充，防止有水渗入路基开挖槽内，箱体上侧板2e外壁与路面平齐，普通减速带横断面3c为梯形，活动板横断面3d与普通减速带横断面3c的轮廓形状相同。

本实施例采用的具体材料和器件为：

普通减速带型号为KFZ-I铸钢减速带，长350mm，宽500mm，高50mm，承载力大于200吨，使用寿命大于15年；

活动板材料为铸钢，厚度5mm，长350mm，宽300mm，高25mm，形状与普通减速带轮廓相同；普通减速带和活动板之间的间距为20mm。

箱体和箱体端盖的材料为铸钢，箱体尺寸为：厚20mm，长550mm，宽300mm，高500mm；

箱体端盖厚20mm，长550mm，宽300mm；

顶杆为圆柱形，直径30mm，长度140mm，材料为不锈钢，顶杆顶部中间开孔螺纹为M5，顶杆推动端为不锈钢滚筒，滚筒尺寸为：直径25mm、轴径12mm、长度30mm，顶杆与不锈钢滚筒通过M5螺钉固定。

复位弹簧采用TB型模具弹簧，弹簧参数为：外径40mm、内径20mm、高度70mm。

轴一、轴二、轴三的固定轴材料为45号钢，所述的轴一、轴二、轴三的组成包括固定轴和轴承，轴的位置根据齿轮尺寸合理分布，轴承通过过盈配合固定在固定轴上。

轴一的固定轴直径为10mm、长度为26，所用轴承的型号为6000ZZ，内径10mm、外径26mm、厚度8mm。

轴二、轴三所用带座轴承型号为UCP208，内径40mm，厚度38mm。轴二的固定轴直径为40mm，轴二的固定轴长度为70mm。轴三的固定轴直径为40mm，轴三的固定轴长度为80mm。

大扇形齿轮的参数为：模数3，齿数100，分度圆压力角20°，分度圆直径300mm，齿根圆直径292.5mm，厚度20mm，与轴一固定的孔径为26mm，与顶杆连接的大扇形齿轮开槽倾斜45°角，槽长40mm，槽宽19mm，开槽中心与扇形齿轮开孔的中心距离20mm，轴一两端固定轴的2个轴承座为SK10型，轴径10mm，轴承座通过M5螺钉固定在左侧板内壁。

摆杆材料为45号钢，两端为圆弧形，长60mm，宽60mm，厚度10mm，与小齿轮和齿条相固定的螺孔规格均为M5。

齿条、小齿轮、齿轮一、齿轮二、齿轮三参数为：材料45号钢，模数3，分度圆压力角20°。

齿条为圆弧形，齿数100，齿根圆弧直径1806mm，齿条厚度20mm，上端开有M5的螺孔与摆杆固定。（摆杆8和齿条7由于固定为一体的，通过轴二和轴三的限位保证齿条与齿轮一啮合）

小齿轮的参数为：模数3，齿数20，分度圆压力角20°，分度圆直径60mm，齿根圆直径52.5mm，厚度20mm，内径40mm，水平轴线上对称分布的两个螺孔的规格为M5。固定螺钉规格为M5×40。

齿轮一的齿数20，分度圆直径60mm，齿根圆直径52.5mm，厚度10mm，内径40mm。

齿轮二的齿数99，分度圆直径297mm，齿根圆直径289.5mm，厚度18mm，内径40mm。

齿轮三的齿数33，分度圆直径99mm，齿根圆直径91.5mm，厚度22mm，内径40mm。

单向轴承型号为CSK40PP，内径40mm，外径80mm，厚度22mm。

永磁同步发电机参数，型号NE-1000，额定功率1KW，标称电压220V/380V，额定转速400rpm，轴径40mm，外径210mm，启动力矩<1.2N*m，效率>80%。

如果车辆以40Km/h的速度通过该振动发电装置及附带该装置的公路减速带，若普通的两轴车辆的轴距为4m，基于以上所选参数，活动板20mm的直线行程，每次碾压可使得永磁同步发电机转子转75周，车轮通过该减速带用时0.36s，可将发电机加速到416转/分钟，达到额定转速，输出1KW的功率，以普通高速收费站为例，每个收费通道每天通过车流量约为2750辆，考虑到大型货车很多，以每辆车平均为3轴计算，这样一个振动发电装置及附带该装置的公路减速带的每天发电量约为10度，而每个车道的收费计算机、车道机连同控制器的功率约为450W，该发电装置可以满足其供电需求，若多个发电装置组网运行则可为更多的公路附属用电设施提供电源保障。

一种振动发电装置及附带该装置的公路减速带运行示意图如图4所示。车辆通过减速带时，车轮压力作用在活动板上，使得活动板下降，当车轮离开活动板后，由于复位弹簧的作用，活动板回归原位，在车轮的反复碾压下，活动板带动顶杆上下运动，顶杆带动大扇形齿轮绕轴一上下转动，大扇形齿轮驱动与之啮合的小齿轮转动，小齿轮带动一端固定其上的摆杆绕轴二上下摆动，摆杆带动齿条上下摆动，齿条带动与其啮合的齿轮一转动，齿轮一带动齿轮二同步转动，齿轮二带动与之啮合点齿轮三转动，齿轮三通过单向轴承固定在永磁同步发电机轴上，齿轮三驱动永磁同步发电机的转子单向转动，永磁同步发电机输出电能。

公路减速带主要分布于收费站与公路附属设施附近，车流量大，具有丰富的压力机械能资源，一种振动发电装置及附带该装置的公路减速带可将车轮压过减速带的机械能转化为电能输出。公路减速带附近的附属用电设施需电网远距离供电，成本高，效率低。本振动发电装置及附带该装置的公路减速带可将减速带的压力机械能转换为电能输出，经进一步的电能处理或直接为附属用电设备供电，具有重要的节能减排意义。

本振动发电装置及附带该装置的公路减速带可长期稳定运行，即可以发电，也具有传统减速带的功能。大扇形齿轮和小齿轮连同摆杆的机构能将小的减速带活动板直线位移放大，齿条、齿轮组机构将直线运动转换为回转运动，从而提高永磁同步发电机的转速，增加了发电机的输出功率，本发电装置安装于公路路基的开挖槽内，不占用地面空间，所采用的运动传递和转换机构可靠性高，可长期免维护运行。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (4)

1.一种振动发电装置，其特征为该装置为箱体结构，外形为长方体；箱体内，轴二、轴三和永磁同步发电机均通过螺钉固定在箱体的主内壁上，轴承座固定在箱体中主内壁左侧的内壁上；单向轴承通过键配合固定在永磁同步发电机的轴上，齿轮三通过键配合固定在单向轴承上；齿轮二和齿轮一均通过键配合在轴三上，齿轮二靠近主内壁；齿轮三与齿轮二啮合；齿条沿着竖直方向放置，齿条的上端与摆杆的右端通过螺栓固定在一起，整体呈倒“L”状，齿条与齿轮一啮合，摆杆的左端通过螺钉固定在小齿轮上，小齿轮固定在轴二上；小齿轮与大扇形齿轮啮合，大扇形齿轮通过轴一固定在轴承座上，大扇形齿轮中部有一左端高右端低的倾斜的条状大扇形齿轮槽，大扇形齿轮槽内设置有滚筒，滚筒安装在顶杆的下端部，顶杆的上端部穿过顶板伸出箱体之外，顶杆在箱体之外的部分套有复位弹簧；永磁同步发电机的输出端通过导线穿过线孔连接外部电能处理电路或公路附属用电设施。

2.如权利要求1所述的振动发电装置，其特征为所述的轴一与轴二在同一水平线上，轴三与永磁同步发电机的轴在同一水平线上，轴二与轴三的轴心间距与摆杆长度相等，其中摆杆长度指轴二的轴心到摆杆活动端部的长度，轴二与轴三的轴心水平距离为齿条弦长的一半。

3.一种附带振动发电装置的公路减速带，其特征为该减速带包括普通减速带、活动板和权利要求1所述的振动发电装置；其中，振动发电装置置于公路路基的开挖槽内，上面为普通减速带，振动发电装置的伸出箱体之外的顶杆和复位弹簧穿过普通减速带上的开孔，共同托举起活动板。

4.如权利要求3所述的附带振动发电装置的公路减速带，其特征为在无外部压力作用时，活动板与普通减速带之间的间距在20mm-40mm之间。