CN106026595B - 车轴发电装置、自供电传感器和车辆状态信息监控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了车轴发电装置、自供电传感器和车辆状态信息监控装置，车轴发电装置包括导磁齿盘和发电单元；所述导磁齿盘具有至少一个凸出齿部或均匀间隔设置的多个凸出齿部；所述导磁齿盘固定于车轴上；所述发电单元包括壳体，以及固定于壳体内的电磁感应线圈以及分别设置于所述电磁感应线圈两侧的N极永磁体和S极永磁体；所述发电单元设置于距所述导磁齿盘的外侧预定距离的位置。本发明可以应用于任何供电不便的车辆设备的供电，可以在无外部供电的情况下实现发电、车辆状态检测、车辆状态系统监控。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及车轴发电装置、自供电传感器和车辆状态信息监控装置。
背景技术
车辆的安全性是其性能的重要指标。在进行车辆的安全性设计时通常需要采用对车辆多种状态参数进行测量的传感器。然而，在某些情况下，对传感器的供电可能存在困难。例如，存在需要对现有车辆的特定部位进行监测而该部位之前并未设计有电力供应的情况。再例如，在铁路应用方面，铁路运行速度的不断提升使得安全方面的信息监测变得越来越重要，但目前部分铁路货运列车上并未提供电源供应，因此电子传感器没有在货运列车上得到普及使用，导致货运列车的安全信息化水平与客运列车相比差距十分巨大。因此迫切需要一种在无外部供电电源、无任何电缆连接的车辆部件上实现车辆状态监测的装置。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了车轴发电装置、自供电传感器和车辆状态信息监控装置。
本发明提供的车轴发电装置包括导磁齿盘和发电单元；
所述导磁齿盘具有至少一个凸出齿部或均匀间隔设置的多个凸出齿部；所述导磁齿盘固定于车轴上；
所述发电单元包括壳体，以及固定于壳体内的电磁感应线圈以及分别设置于所述电磁感应线圈两侧的N极永磁体和S极永磁体；所述发电单元设置于距所述导磁齿盘的外侧预定距离的位置。
所述车轴发电装置还具有以下特点：
所述发电单元还包括与所述电磁感应线圈电信号连接的整流稳压电源，或者，还包括与所述整流稳压电源电信号连接的电池储能单元。
所述车轴发电装置还具有以下特点：
所述凸出齿部的宽度为第一距离与容忍误差距离之差至第一距离与容忍误差距离之和的范围内的值，或者为第二距离与容忍误差距离之差至第二距离与容忍误差距离之和的范围内的值，或者为第三距离与容忍误差距离之差至第三距离与容忍误差距离之和的范围内的值；
所述第一距离为所述N极永磁体上距所述电磁感应线圈距离最远的一侧至所述电磁感应线圈上距所述N极永磁体距离最远的一侧的距离；
所述第二距离为所述S极永磁体上距所述电磁感应线圈距离最远的一侧至所述电磁感应线圈上距所述S极永磁体距离最远的一侧的距离；
所述第三距离为所述N极永磁体、所述S极永磁体的宽度与所述电磁感应线圈的宽度之和。
所述车轴发电装置还具有以下特点：
所述导磁齿盘的凸出齿部的最外侧为弧形结构，所述发电单元的壳体上距离所述导磁齿盘最近的一侧为弧形结构，且所述凸出齿部的弧形结构与所述发电单元的弧形结构平行。
所述车轴发电装置还具有以下特点：
所述发电单元固定于车辆轴承的承载鞍的外侧；所述导磁齿盘通过螺栓固定于所述车轴的端部或者中间部，或者，所述导磁齿盘是一体形成的车轴端部的一部分。
本发明提供的一种自供电传感器包括：所述车轴发电装置，还包括物理敏感器件以及与物理敏感器件电信号连接的信号采集电路；其中，所述信号采集电路与所述整流稳压电源和所述电池储能单元电信号连接。
所述自供电传感器还具有以下特点：
所述物理敏感器件为温度敏感元件，所述信号采集电路用于测量所述温度敏感元件的输出值并计算所对应的温度值；
或者，所述物理敏感器件为霍尔效应半导体器件，所述信号采集电路用于测量所述物理敏感器件电压或电流的变化频率，计算所对应的车轴转速值和行驶里程；
或者，所述物理敏感器件为振动感应器件，所述信号采集电路用于测量振动信号的强度和频谱用于车轴故障诊断；
或者，所述物理敏感器件为声音感应器件，所述信号采集电路用于测量声音信号的强度和频谱用于车轴故障诊断。
所述自供电传感器还具有以下特点：
所述物理敏感器件为霍尔效应半导体器件；所述信号采集电路用于测量所述物理敏感器件电压或电流的变化频率，计算所对应的车轴转速值和行驶里程；还用于通过车轴转速和车轮周长可以算出当前车轮的转速，测量车辆行驶速度，通过对车辆行驶速度和当前车轮的转速进行比较，判断车轮实际转速是否小于当前车辆行驶速度所对应的理论转速值，判断是否发生车轮抱死。
本发明提供的一种车辆状态信息监控系统，所述系统包括所述自供电传感器，还包括与所述信号采集电路电连接的无线信号传输模块；
所述无线信号传输模块，用于对所述信号采集电路所生成的信号进行无线传输。
所述车辆状态信息监控系统还具有以下特点：
所述系统还包括：与所述信号采集电路、所述电池储能单元和所述整流稳压电源均电连接的有线电路接口；
所述有线电路接口，用于进行信号和电能的有线传输。
本发明可以应用于任何供电不便的车辆设备的供电，可以在无外部供电的情况下实现发电、车辆状态检测、车辆状态系统监控。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请一个实施方式的车轴发电装置的示意图；
图2是根据本申请一个实施方式的车轴发电装置的安装方式示意图；
图3是根据本申请一个实施方式的自供电传感器的示意图；
图4是根据本申请一个实施方式的车辆状态信息监控系统的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
下面结合附图对本发明进行详细描述。
图1为根据本申请一个实施方式的车轴发电装置的示意图。如图所示，车轴发电装置包括导磁齿盘100和发电单元200。导磁齿盘100具有至少一个凸出齿部或均匀间隔设置的多个凸出齿部；导磁齿盘100固定于车轴300上。发电单元200包括壳体1，以及固定于壳体1内的电磁感应线圈4以及分别设置于电磁感应线圈4两侧的N极永磁体2和S极永磁体3；发电单元200设置于距导磁齿盘100的外侧预定距离的位置。
导磁齿盘100作为车轴发电装置的转子部分设置于车轴300的一端并能够与车轴300同心转动，发电单元200作为车轴发电装置的定子部分安装于导磁齿盘100外侧的固定部位。N极永磁体2和S极永磁体3分别布置在电磁感应线圈4的两侧。当车轴300转动时，导磁齿盘100相对于发电单元200转动。
另一种实施例中，导磁齿盘100的凸出齿部的最外侧为弧形结构，发电单元200的壳体上距离导磁齿盘100最近的一侧为弧形结构，且凸出齿部的弧形结构与发电单元200的弧形结构平行，即凸出齿部的弧形结构上每个点在其法线方向上与所述发电单元200的弧形结构的距离均相同。
另一种实施例中，导磁齿盘100的内侧设置有一个或多个螺栓孔，用于将导磁齿盘100固定在车辆车轴端部，使其能够随车轴一起同心转动。另一个实施例中，导磁齿盘100可通过直接将车轴200的轴端部件外轮廓加工成类似形状而形成，导磁齿盘100是一体形成的车轴端部的一部分。另一个实施例中，导磁齿盘100可设置在车轴200的中间部位而非端部。
导磁齿盘100具有一个或多个凸出齿部，以使得同一时刻仅将一个永磁体的磁场导入电磁感应线圈4，凸出齿部的宽度为第一距离与容忍误差距离之差至第一距离与容忍误差距离之和的范围内的值，或者为第二距离与容忍误差距离之差至第二距离与容忍误差距离之和的范围内的值，或者为第三距离与容忍误差距离之差至第三距离与容忍误差距离之和的范围内的值。容忍误差距离为0.1厘米～0.5厘米。其中，第一距离为N极永磁体2上距电磁感应线圈4距离最远的一侧至电磁感应线圈4上距N极永磁体2距离最远的一侧的距离；第二距离为S极永磁体3上距电磁感应线圈4距离最远的一侧至电磁感应线圈4上距S极永磁体3距离最远的一侧的距离；第三距离为N极永磁体2、S极永磁体3的宽度与电磁感应线圈4的宽度之和。
一个实施例中，导磁齿盘100具有均匀间隔设置的多个凸出齿的形状可为矩形。当一个凸出齿靠近N极永磁体2时电磁感应线圈4感应到凸出齿传导来的N极磁场，当凸出齿靠近S极永磁体3时电磁感应线圈4感应到齿传导来的S极磁场。换言之，导磁齿盘100转动的过程中，导磁齿盘100与发电单元之间的空间区域内，当凸出齿临近发电单元时和凸出齿离开发电单元时的导磁率周期性交替变化。两个不同极性的永磁体和电磁感应线圈4之间由于导磁率的周期性交替变化，在电磁感应线圈4上产生了极性周期性变化的交变磁场，从而使电磁感应线圈4产生交流电。
电磁感应线圈4的中心可加入软磁料如硅钢或纯铁等制作的磁芯，以提高发电效率。另一个实施例中，导磁齿盘100可选用纯铁，硅钢等导磁材料加工制成。由于导磁齿盘100不是永磁材料，因此不会使车轴及轴承上磁，车轴运动过程中所产生的交变磁场还能够使导磁齿轮盘消磁。
另一实施例中，车轴发电装置还可以包括整流稳压电源5。整流稳压电源5将发出的交流电整流、滤波后变成直流电压，并稳压成所需的电压值后为其他电气部分供电。
另一实施例中，车轴发电装置还可以包括电池储能单元6，以对车轴发电装置发出的电能进行存储。
图2是一个实施例的车轴发电装置的安装方式示意图。发电单元密封于金属保护壳1内，金属保护壳1可安装于车辆轴承的承载鞍500外侧与承载鞍500紧密贴合固定。车轴发电装置的各部分除导磁齿盘100安装于例如车轴的运动部位外，其它各部分均密封封装到金属保护壳1内，并安装于相对于车身静止的部位。根据本实施例，由于所有电路部分可以采用密封结构，因此可以防水、防油、防尘、防磕碰，适应恶劣的环境要求。另外，由于本发明的车轴发电装置除导磁齿盘100外的所有部分均集成在金属保护壳11内，因此安装结构简单，可以对现有车辆进行快速改装，且便于检查、拆装、维护。
图3为一实施例中自供电传感器的示意图。如图3所示，自供电传感器包括上述描述的车轴发电装置、整流稳压电源5和电池储能单元6，其中自供电传感器中包含的车轴发电装置的结构和组成模块在前文中已有描述，此处不再赘述。
物理敏感器件7对待测对象(例如车轴)的物理状态进行检测，并根据待测对象物理特性的变化产生相应的检测输出。一实施例中，自供电传感器为自供电车轴传感器。信号采集电路8其接收车轴发电装置所提供的电能，整流稳压电源5在导磁齿盘100旋转时，信号采集电路8提供电源供给，电池储能单元6对车轴发电装置所生成的多余的电能进行储存，以在导磁齿盘100不旋转或转速低时为信号采集电路8提供电源供给。物理敏感器件7感应信号，信号采集电路8采集并处理物理敏感器件7所感应到的信号，并将处理后的信号转化为数字信号进行输出。
另一实施例中，物理敏感器件7可为温度敏感元件。例如，物理敏感器件7可采用温敏电阻或铂电阻。车辆轴承400的温度变化将会导致物理敏感器件7的电阻值发生对应变化。信号采集电路8测量温度敏感器件7的阻值，并通过内部的数字电路计算出电阻值所对应的温度值，实现自供电车轴温度传感器的功能。
另一个实施例中，物理敏感器件7可采用霍尔效应半导体器件。车辆轴承400的速度变化将会导致物理敏感器件7的电压或电流周期性同步变变化。信号采集电路8测量物理敏感器件7的信号频率，并通过内部的数字电路计算出所对应的车轴转速值，实现自供电车轴速度传感器的功能。另一个实施例中，通过车轴转速和车轮周长可以算出当前车轮的转速，实现车辆行驶速度测量功能。此外，通过对车辆行驶速度和当前车轮的转速进行比较，可判断车轮实际转速是否小于当前车辆行驶速度所对应的理论转速值，从而实现车轮抱死的测量判断，构成车辆防滑，防抱死的检测传感器。
另一个实施例中，物理敏感器件7可采用振动敏感的感应器件。信号采集电路8可测量物理敏感器件7所产生的振动信号的强度和频谱，从而构成用于车轴故障诊断的振动传感器。
另一个实施例中，物理敏感器件7可采用声音敏感的感应器件，以对待测对象的声音变化进行检测。
另一个实施例中，物理敏感器件7可采用图像传感器，以对待测对象的图像进行采集。
另一个实施例中，自供电传感器可同时采用多个物理敏感器件7，以分别对车轴的温度、转速，振动、声音、图像等多种参数进行测量。
根据本申请的一个实施例，自供电传感器的各部分除导磁齿盘100于例如车轴的运动部位外，其它各部分均密封封装到金属保护壳11内，并安装于相对于车身静止的部位。如图2所示，金属保护壳11可安装于车辆轴承承载鞍500外侧与承载鞍500紧密贴合固定。根据本实施例，由于所有电路部分可以采用密封结构，因此可以防水、防油、防尘、防磕碰，适应恶劣的环境要求。另外，由于本发明的自供电传感器除导磁齿盘100所有部分均集成在金属保护壳11内，因此安装结构简单，可以对现有车辆进行快速改装，且便于检查、拆装、维护。
此外，由于根据本实施方式的传感器可实现自供电，因此可灵活安装于车辆的任何相关部位而无需考虑供电设计。其尤其适用于不便于提供电力供应的车辆或车辆上不便于提供电力供应的部位。
图4是一实施例中车辆状态信息监控系统的示意图。如图4所示，车辆状态信息监控系统包括上述自供电传感器和无线信号传输模块9。自供电传感器的结构和组成模块在前文中已有描述，此处不再赘述。
无线信号传输模块9与信号采集电路8电连接，用于将信号采集电路8所生成的信号无线传输至外部接收设备，从而实现不同部位所有传感器的组网功能。
另一个实施例中，车辆状态信息监控系统还包括有线电路接口10。有线电路接口10，提供与其他外部装置(如其他传感器)连接的有线连接接口，以实现所述车辆状态信息监控系统与其他外部装置之间信号和电能的有线传输。根据一个示例，有线电路接口10对其他部位传感器进行供电，并采集其他部位传感器的数据。
根据本申请的一个实施例，车辆上的每个车轮600均安装一套车辆状态信息监控系统，各个车辆状态信息监控系统通过无线信号传输模块9将针对每个车轮600的检测信号传输至同一处理器进行汇总，从而可实现对车辆状态的整体监控。
由于本发明的车辆状态信息监控系统除导磁齿盘100所有部分均集成在金属保护壳11内，因此安装结构简单，可以对现有车辆进行快速改装，且便于检查、拆装、维护。
此外，由于根据本实施方式的车辆状态信息监控系统可实现自供电，因此可灵活安装于车辆的任何相关部位而无需考虑供电设计，其尤其适用于不便于提供电力供应的车辆或车辆上不便于提供电力供应的部位。
本发明可以应用于任何供电不便的车辆设备的供电，可以在无外部供电的情况下实现发电、车辆状态检测、车辆状态系统监控。
上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种车轴发电装置，其特征在于，包括导磁齿盘和发电单元；
所述导磁齿盘具有至少一个凸出齿部或均匀间隔设置的多个凸出齿部；所述导磁齿盘固定于车轴上；
所述发电单元包括壳体，以及固定于壳体内的电磁感应线圈以及分别设置于所述电磁感应线圈两侧的N极永磁体和S极永磁体；所述发电单元设置于距所述导磁齿盘的外侧预定距离的位置；
所述发电单元还包括与所述电磁感应线圈电信号连接的整流稳压电源，或者，还包括与所述整流稳压电源电信号连接的电池储能单元；
所述凸出齿部的宽度为第一距离与容忍误差距离之差至第一距离与容忍误差距离之和的范围内的值，或者为第二距离与容忍误差距离之差至第二距离与容忍误差距离之和的范围内的值，或者为第三距离与容忍误差距离之差至第三距离与容忍误差距离之和的范围内的值；
所述第一距离为所述N极永磁体上距所述电磁感应线圈距离最远的一侧至所述电磁感应线圈上距所述N极永磁体距离最远的一侧的距离；
所述第二距离为所述S极永磁体上距所述电磁感应线圈距离最远的一侧至所述电磁感应线圈上距所述S极永磁体距离最远的一侧的距离；
所述第三距离为所述N极永磁体、所述S极永磁体的宽度与所述电磁感应线圈的宽度之和；
所述电磁感应线圈的中心设置有磁芯。
2.如权利要求1所述的车轴发电装置，其特征在于，
所述导磁齿盘的凸出齿部的最外侧为弧形结构，所述发电单元的壳体上距离所述导磁齿盘最近的一侧为弧形结构，且所述凸出齿部的弧形结构与所述发电单元的弧形结构平行。
3.如权利要求1所述的车轴发电装置，其特征在于，
所述发电单元固定于车辆轴承的承载鞍的外侧；所述导磁齿盘通过螺栓固定于所述车轴的端部或者中间部，或者，所述导磁齿盘是一体形成的车轴端部的一部分。
4.一种自供电传感器，其特征在于，包括：所述权利要求2至3中任一权利要求所述的车轴发电装置，还包括物理敏感器件以及与物理敏感器件电信号连接的信号采集电路；其中，所述信号采集电路与所述整流稳压电源和所述电池储能单元电信号连接。
5.如权利要求4所述的自供电传感器，其特征在于，包括：
所述物理敏感器件为温度敏感元件，所述信号采集电路用于测量所述温度敏感元件的输出值并计算所对应的温度值；
或者，所述物理敏感器件为霍尔效应半导体器件，所述信号采集电路用于测量所述物理敏感器件电压或电流的变化频率，计算所对应的车轴转速值和行驶里程；
或者，所述物理敏感器件为振动感应器件，所述信号采集电路用于测量振动信号的强度和频谱用于车轴故障诊断；
或者，所述物理敏感器件为声音感应器件，所述信号采集电路用于测量声音信号的强度和频谱用于车轴故障诊断。
6.如权利要求4所述的自供电传感器，其特征在于，包括：
所述物理敏感器件为霍尔效应半导体器件；所述信号采集电路用于测量所述物理敏感器件电压或电流的变化频率，计算所对应的车轴转速值和行驶里程；还用于通过车轴转速和车轮周长可以算出当前车轮的转速，测量车辆行驶速度，通过对车辆行驶速度和当前车轮的转速进行比较，判断车轮实际转速是否小于当前车辆行驶速度所对应的理论转速值，判断是否发生车轮抱死。
7.一种车辆状态信息监控系统，其特征在于，所述系统包括所述权利要求4至6中任一权利要求所述的自供电传感器，还包括与所述信号采集电路电连接的无线信号传输模块；
所述无线信号传输模块，用于对所述信号采集电路所生成的信号进行无线传输。
8.如权利要求7所述的车辆状态信息监控系统，其特征在于，所述系统还包括：与所述信号采集电路、所述电池储能单元和所述整流稳压电源均电连接的有线电路接口；
所述有线电路接口，用于进行信号和电能的有线传输。
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