CN103997183A - 一种利用外力和惯性力驱动的发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用外力和惯性力驱动的发电装置，包括发电单元及其外部的电能变换与存储机构。发电单元是发电装置的核心部分，由固定轴、轴承、定子铁芯、电枢绕组、机壳、N极永磁体、S极永磁体、转子轭、安全手柄构成；其中，固定轴、定子铁芯、电枢绕组组成发电单元的定子，机壳、永磁体、转子轭、安全手柄及轴承组成发电单元的转子，安全手柄固定在转子轭上。当交通工具的速度突然变化时，在惯性力或乘客所施外力的作用下发电单元的转子会发生单向或往复式摆动，从而定子侧的电枢绕组在旋转磁场内感生电动势、累积电能，将该电能进行变换并存储在储能装置中。

Description

一种利用外力和惯性力驱动的发电装置

技术领域

本发明涉及一种适用于现有公共交通工具的往复式机电能量发电装置，属于电机应用领域。

背景技术

随着经济的飞速发展，城市建设也在发生着翻天覆地的变化，我国大部分城市市区人口密集，城市以公共交通为主体。为了保障乘客的人身安全，大部分城市公共交通车辆都在车内设有便于站立乘客抓握的管状横杠扶手，然而根据乘客身高的不同，在管状横杠上一般还设有以吊环形式固定的安全手柄。随着公交车辆在行驶中车速的变化，安全手柄将出现前后或左右的往复摆动，这一过程中伴随着动能的产生和消耗。目前车辆能量回收研究中，侧重车辆刹车时制动能量的回收利用，极少关注车内附属设备短时、往复运动所伴随的能量变化。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种利用外力和惯性力驱动的发电装置，将城市公共交通转速突变时所产生的多余动能转变成可灵活利用的电能并进行存储，实现能量的回收利用。

技术方案：一种利用外力和惯性力驱动的发电装置，包括固定在管状横杠上的发电单元，所述发电单元通过电能变换单元连接到储能单元；

其中，发电单元包括固定轴、扇形定子、扇形转子、扇形机壳、轴承以及安全手柄；所述固定轴固定在车内管状横杠上并与车厢底部平行，所述轴承安装在固定轴两端，所述扇形机壳由两个对称设置的扇形面组成，扇形机壳通过轴承与固定轴活动连接；

所述扇形定子包括非导磁支架，以及通过所述非导磁支架与所述固定轴同心设置的若干圆弧形定子结构；所述若干定子结构均由定子槽以及嵌入所述定子槽的电枢绕组构成；

所述扇形转子包括转子N极永磁体、转子S极永磁体以及转子轭，所述转子轭呈圆弧形并与机壳的两个扇形面的圆弧端刚性连接，所述N极永磁体和S极永磁体间隔分布在扇形机壳的每个扇形面上，永磁体的极对数与定子槽数匹配并设置在定子槽侧面，两个扇形面上对称设置的永磁体磁极相同；所述安全手柄连接在转子轭的外侧壁上。

进一步的，所述转子N极永磁体和转子S极永磁体为切向充磁的矩形或弧形永磁体。

进一步的，所述N极永磁体和转子S极永磁体内嵌在所述扇形机壳。

进一步的，所述扇形定子包括第一定转子结构和第二定转子结构；所述第一定转子结构为两对极，十二槽的定转子结构；所述第二定转子结构为一对极，六槽的定转子结构。

进一步的，所述圆弧形定子结构之间的非导磁支架上设有若干通孔。

进一步的，所述电枢绕组采用三相对称绕组，所述电能变换单元为三相整流器，所述三相对称绕组通过三相整流器连接所述储能单元。

进一步的，所述储能单元为电池或电容。

进一步的，还包括连接在所述储能单元和发电单元之间的逆变器，所述逆变器在控制信号的作用下，用于将储能单元输出的直流电变换成交流电后加在所述电枢绕组的两端，所述发电单元产生与所述安全手柄运动方向相反的阻力矩。

有益效果：本发明提出了一种利用外力和惯性力驱动的发电装置，当公交车辆的速度变化时，车内安全手柄在惯性力或乘客所施外力的作用下将发生往复式摆动，进而带动发电装置的转子产生旋转运动，这样气隙中产生了沿圆周方向的旋转磁场，电枢绕组切割旋转磁场产生感应电动势，将该电能进行变换和存储，实现了多余动能的回收利用。当储能装置中有储存的电能时，存储的电能可反向供给发电单元，逆变后的电压加在电枢绕组两端，这样发电单元的定转子间有电磁力的相互作用，当车速变化时，通过控制绕组中电流的大小和方向，可在气隙中产生与安全扶手运动相反的阻力矩，从而有效减小安全手柄因外力做往复式摆动的幅度，更好的保障抓握安全扶手的乘客安全。发电单元采用两套定转子结构，可充分利用发电装置的内部结构，提高其发电量；同时，在机壳上安装有永磁体，减小了整个装置的体积。

随着城市公共交通和轨道交通的发展，本发明所依附的载体越来越庞大，为本发明的具体应用提供了广阔的空间。另外，随着汽车保有量的增加，城市交通环境不断恶化，公交车的制动和启动非常频繁，为本发明的实际应用提供了充分条件。另外，本发明不需要对现有公共交通工具进行大范围的改造，只需在车内横梁上等间距地安装能量发电装置，实施起来非常简单。尽管受空间、时间因素的影响，每台发电装置输出能量有限，但一辆交通工具内可安装数套发电装置，其输出总能量可显著提升。而且，大多公共交通工具均具有运行时间长的特点，因此这种累积效应是很明显的。

附图说明

图1为实施方式一中的发电装置的径向截面示意图；

图2为实施方式一中定转子的结构示意图；

图3为实施方式一中的机壳一侧的结构示意图；

图4为发电装置输出端的电气连接示意图；

图5为发电单元做电动机运行时，发电装置输出端的电气连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

实施例1：如图1所示，一种利用外力和惯性力驱动的发电装置，将传统交通工具内部用于悬挂安全手柄9的管状横梁10与安全手柄9分开，在两者间加入发电单元；以横梁10做支撑，将发电单元固定安装在横梁10上。其中，固定轴1固定在车内管状横杠上并与车厢底部平行，且固定轴1与横梁10相互垂直。

其中，发电单元包括固定轴1、扇形定子、扇形转子、扇形机壳5、轴承2以及安全手柄9。在固定轴1两端安装轴承2，轴承内套与固定轴1接触，轴承外套与扇形机壳5接触，扇形机壳5由两个对称设置的扇形面组成，扇形机壳5可绕着固定轴1旋转。如图2所示，扇形定子包括非导磁支架3，以及通过非导磁支架3与固定轴1同心设置的两个圆弧形定子结构。第一定子结构为具有十二个定子槽，定子槽中嵌有三相对称绕组4，构成两对极结构。第二定子结构具有六个定子槽，定子槽中嵌有三相对称绕组4，构成一对极结构。第一定子结构和第二定子结构之间的非导磁支架3上设有若干通孔11，主要目的是节省材料、减轻重量。扇形转子包括转子N极永磁体6、转子S极永磁体7以及转子轭8。转子轭8呈圆弧形并与扇形机壳5的两个扇形面的圆弧端刚性连接，转子轭8则随机壳5绕固定轴做往复式摆动。如图3所示，N极永磁体6和S极永磁体7间隔分布在扇形机壳5的每个扇形侧面上，永磁体极对数与定子槽数匹配，并且二个扇形侧面上相对位置的永磁体极性相同位置对称。安全手柄9连接在转子轭8的外侧壁上。在本实施例中，位于扇形定子圆弧端的第一定转子结构为两对极，十二槽的定转子结构；位于扇形定子上靠近固定轴1的第二定转子结构为一对极，六槽的定转子结构；故在扇形转子中，在机壳5的二个扇形内侧面上，分别分布有两排平行的圆弧形或矩形的永磁体；第一排圆弧形或矩形的永磁体为两对极，N极永磁体与S极永磁体间隔分布，第二排圆弧形或矩形的永磁体为一对极，N极永磁体与S极永磁体间隔分布。

在交通工具的速度变化时，安全手柄9及电机转子在惯性力或乘客所施外力的作用下将发生往复式摆动，此时在气隙中产生了沿圆周方向旋转的磁场，电枢绕组4切割该旋转磁场产生感应电动势。如图4所示，定子上的三相对称绕组通过三相整流器连接储能单元，实现对多余动能转变而来的电能的变换和存储，其中储能单元为电池或电容。

发电装置的核心部分发电单元可工作在电动状态，此时电能的存储机构作为电源。如图5所示，在本实施例中，该发电装置还包括连接在储能单元和发电单元之间的逆变器。其触发脉冲来自于外围的控制电路，在车速突变时，控制电路做出相应反应，输出具有一定触发角的脉冲，触发角的大小取决于车速变化的快慢，决定了逆变电流的大小。逆变器在控制电路输出的控制信号的作用下，逆变器将储能单元输出的直流电变换成交流电并加在电枢绕组的两端，发电单元的定转子间有电磁力的相互作用，其大小取决于控制电路输出的触发脉冲的触发角大小，方向总是与安全手柄9运动方向相反，从而有效减小安全手柄因惯性力或外力做往复式摆动的幅度。

实施例2：在本实施例中，与实施例1的区别仅在于：在壳体的两个扇形面上设有用于放置N极永磁体6和S极永磁体7的凹槽，N极永磁体6和S极永磁体7间隔分布在扇形机壳5的二个扇形侧面上的凹槽内，永磁体设置在定子槽的侧面且其极对数与定子槽数匹配。该结构具有聚磁效果，同时能减小整个发电单元的体积。在交通工具的速度变化时，安全手柄及电机转子在惯性力或乘客所施外力的作用下将发生往复式摆动，此时在气隙中产生了沿圆周方向旋转的磁场，电枢绕组4切割该旋转磁场感应电动势。

本发明的利用外力和惯性力驱动的发电装置将能量收集后存储在储能单元中，该储能单元还可以为公共交通车辆的照明等系统提供能源。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用外力和惯性力驱动的发电装置，其特征在于，包括固定在管状横杠上的发电单元，所述发电单元通过电能变换单元连接到储能单元；

其中，发电单元包括固定轴(1)、扇形定子、扇形转子、扇形机壳(5)、轴承(2)以及安全手柄(9)；所述固定轴(1)固定在车内管状横杠上并与车厢底部平行，所述轴承(2)安装在固定轴(1)两端，所述扇形机壳(5)由两个对称设置的扇形面组成，扇形机壳(5)通过轴承(2)与固定轴(1)活动连接；

所述扇形定子包括非导磁支架(3)，以及通过所述非导磁支架(3)与所述固定轴(1)同心设置的若干圆弧形定子结构；所述若干定子结构均由定子槽以及嵌入所述定子槽的电枢绕组构成；

所述扇形转子包括转子N极永磁体(6)、转子S极永磁体(7)以及转子轭(8)，所述转子轭(8)呈圆弧形并与扇形机壳(5)的两个扇形面的圆弧端刚性连接，所述N极永磁体(6)和S极永磁体(7)间隔分布在扇形机壳(5)的每个扇形面上，永磁体设置在定子槽侧面，且其极对数与定子槽数匹配，两个扇形面上对称设置的永磁体磁极相同；所述安全手柄(9)连接在转子轭(8)的外侧壁上。

2.根据权利要求1所述的一种利用外力和惯性力驱动的发电装置，其特征在于，所述转子N极永磁体(6)和转子S极永磁体(7)为切向充磁的矩形或弧形永磁体。

3.根据权利要求2所述的一种利用外力和惯性力驱动的发电装置，其特征在于，所述N极永磁体(6)和转子S极永磁体(7)内嵌在所述扇形机壳(5)。

4.根据权利要求2或3所述的一种利用外力和惯性力驱动的发电装置，其特征在于，所述发电单元包括第一定转子结构和第二定转子结构；所述第一定转子结构为两对极，十二槽的定转子结构；所述第二定转子结构为一对极，六槽的定转子结构。

5.根据权利要求2或3所述的一种利用外力和惯性力驱动的发电装置，其特征在于，所述圆弧形定子结构之间的非导磁支架(3)上设有若干通孔(11)。

6.根据权利要求2或3所述的一种利用外力和惯性力驱动的发电装置，其特征在于，所述电枢绕组(4)采用三相对称绕组，所述电能变换单元为三相整流器，所述三相对称绕组通过三相整流器连接所述储能单元。

7.根据权利要求6所述的一种利用外力和惯性力驱动的发电装置，其特征在于，所述储能单元为电池或电容。

8.根据权利要求6所述的一种往复式电能发电装置，其特征在于：还包括连接在所述储能单元和发电单元之间的逆变器，所述逆变器在控制信号的作用下，用于将储能单元输出的直流电变换成交流电后加在所述电枢绕组的两端，所述发电单元产生与所述安全手柄(9)运动方向相反的阻力矩。