CN106160157A - 一种应用在铁路轨边的发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用在铁路轨边的发电设备，包括蓄电池、一个以上的磁电转换器以及与所述磁电转换器数量相适配的整流充电控制器，一个以上的所述磁电转换器安装在铁轨的侧面；所述磁电转换器与所述整流充电控制器电连接，所述整流充电控制器与所述蓄电池电连接。当火车通过时，车轮轮缘从磁电转换器上表面经过，磁电转换器产生交流感应电动势，该电动势经两条线送给整流充电控制器。整流充电控制器包括主控单元、整流电路、电池状态监测及控制电路、工作电源和无线数据传输模块，整流充电控制器将交流电动势转换为直流电压，对外接的蓄电池进行充电控制、状态监测、异常情况告警及对外接用电设备的供电控制。

Description

一种应用在铁路轨边的发电设备

技术领域

本发明涉及属于铁路运输过程中保障火车安全运行的技术领域，具体涉及一种非常适合应用在铁路沿线不具备公网供电条件，而又需要安装低功耗安全检测设备场合的铁路轨边的发电设备。

背景技术

铁路运输作为我国物流的重要渠道，以其方便快捷的特点越来越受到人们的欢迎，特别是高铁动车运行以来，铁路运输的效率有了极大的提高，在一些繁忙的铁路干线上，每隔5分钟就有一列火车通过，如此繁重的运输任务，对铁路及火车车辆的安全性提出了很高的要求。

对于客运列车来说，每节车厢都有供电设备，可以为车辆内部安装的许多安全检测设备供电，实现对客车运行过程中状态的实时检测，列车有故障隐患时，安全检测设备及时向列车司机发出告警信号，司机采取相应的处置措施。

对于铁路上大量运行的货运列车来说，除了机车(火车头)上有供电设备外，货运车厢是没有供电设备的，这些车厢的运行状态只能通过铁轨边的车辆安全检测系统来完成。因此，为保证列车安全快速运行，需要在铁路沿线安装很多的车辆安全检测设备。

对于铁轨来说，为保证列车运行的平稳性，现有的铁路线铺设了大量的无缝钢轨，在不同的使用环境下，由于热胀冷缩，钢轨的伸缩变形不同，再加上每列火车的载荷不同，对钢轨的冲击也不同。综合多种因素，长距离无 缝钢轨高温时可能局部弯曲，低温时可能会有断裂的情况发生，造成行车安全事故。为了实时检测钢轨的形变情况，就要在铁轨侧面不同位置安装铁轨安全检测设备，检测设备的间隔距离大概1千米左右，目前在铁路线使用的车辆安全检测系统的最小间隔距离大约15公里，无法完成对钢轨状态的完全检测。

如果对铁轨实行1公里监测，如何给如此大量的安全检测设备供电成为一个难题。使用铁路供电网为检测设备供电，需要每一公里就建一个供电站，消耗大量的人力和财力方面的投资。随着电子技术的发展，出现了许多高集成度、微功耗的电子元器件，用这些电子元器件设计的铁轨安全检测设备功耗都很低，完全可以采用蓄电池供电工作，只要有电能向蓄电池不断充电，就能保证安全检测设备正常工作。

有人试着用太阳能电池板配合蓄电池为铁轨安全检测设备供电，但在有的地方会因为连续的阴雨天使得太阳能电池板无法向蓄电池充电。

目前对无缝钢轨的维护只能由维护工人在夜间或列车运行间隙完成，无法实现对钢轨状态的实时检测。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种经济实惠、安全可靠且不受天气和环境影响的应用在铁路轨边的发电设备，以便很好地解决了轨边安全检测设备的供电问题，可以及时发现铁路运输的安全隐患。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种应用在铁路轨边的发电设备，包括蓄电池、一个以上的磁电转换器以及与所述磁电转换器数量相适配的整流充电控制器，一个以上的所述磁电转换器安装在铁轨的侧面；所述磁电转换器与所述整流充电控制器电连接，所述整流充电控制器与所述蓄电池电连接。

所述磁电转换器包括外壳以及设置在所述外壳内部的U形磁铁和闭合线 圈；所述U形磁铁包括N极钕铁硼强磁铁、S极钕铁硼强磁铁和支架；所述N极钕铁硼强磁铁和所述S极钕铁硼强磁铁均卡接安装在支架上，所述闭合线圈为两个，由绝缘漆包线绕制而成；两个闭合线圈分别套在N极钕铁硼强磁铁和S极钕铁硼强磁铁上，二者相互串联构成一体，线圈的两个线端通过两条线引出到外壳之外。

所述磁电转换器的外壳由尼龙、塑料或铝质材料加工而成。

所述整流充电控制器包括整流电路、主控单元以及分别与所述主控单元电连接的电池状态监测及控制电路、工作电源和无线数据传输模块；所述整流电路的输入端与所述磁电转换器的电压输出端电连接，所述整流电路的输出端与所述电池状态监测及控制电路电连接；

还包括监控中心，所述监控中心与所述无线数据传输模块通信连接。

所述主控单元负责监测外接蓄电池的电压和工作电流，当蓄电池充满电时，主控单元发出命令，切断对蓄电池的充电电路；当蓄电池电压低于设定的门限值时，主控单元发出命令，切断对外接设备的供电电路；

所述主控单元还用于实时监测磁电转换器有没有感应电动势输出以及监测外接设备的工作电流；所述整流电路负责把所述磁电转换器产生的交流电动势转换为直流电压；所述电池状态监测及控制电路负责把蓄电池的过压和欠压状态、磁电转换器产生的交流电动势、外接设备的工作电流参数转换成数字信号送给主控单元；所述工作电源负责把蓄电池的电压转换为整流充电控制器的工作电压。

所述整流电路由整流电桥、滤波电容和限压电路构成，负责把磁电转换器产生的交流电动势转换为直流电压。

还包括跳线开关，通过跳线开关为每一个整流充电控制器设定唯一的身份码。

所述无线数据传输模块是GPRS模块、蓝牙模块和Zigbee模块中的一种或两种以上的组合，所述无线数据传输模块与所述主控单元之间通过RS232 接口通讯连接。

电池状态监测及控制电路包括两路电压比较电路、两路控制继电器、一路单稳态电路和一路电流采样比较器，所述两路电压比较电路、所述一路单稳态电路和所述一路电流采样比较器、所述两路控制继电器分别与所述控制单元电连接。

本发明采用以上技术方案，利用电磁感应的原理，将所述磁电转换器安装在铁轨的侧面；所述磁电转换器与所述整流充电控制器电连接，所述整流充电控制器与所述蓄电池电连接。当火车经过时，能够产生交流感应电动势，用此电动势为蓄电池充电，从而实现由蓄电池为铁轨上安装的安全检测设备供电。

本发明所提供的铁路轨边发电设备，是利用下述原理：恒定磁场中运动的金属导体表面会产生涡流，涡流周围产生的磁场又会反过来引起原有恒定磁场强度发生变化，从而使得处于原有恒定磁场内的闭合线圈中产生出感应电动势，从而能完成发电的任务。

本发明提供的发电设备不受天气和环境的影响，只要有火车通过就可以发电，并且火车通过越频繁，发电效率越高，每一套铁轨安全检测设备配一套这样的发电设备，既经济实惠又安全可靠。目前来看，这种铁路轨边发电设备属于国内首创。

附图说明

图1为本发明应用在铁路轨边的发电设备示意图；

图2为本发明磁电转换器安装图；

图3为本发明磁电转换器外形图；

图4为本发明磁电转换器之U形磁铁构造图；

图5为本发明磁电转换器之线圈安装示意图；

图6为本发明磁电转换器透视图；

图7为本发明整流充电控制器方框图；

图8为本发明交流电动势与转换后的直流电压对应示意图。

图中：1、蓄电池；2、磁电转换器；3、整流充电控制器；4、外壳；5、N极钕铁硼强磁铁；6、S极钕铁硼强磁铁；7、支架；8、闭合线圈；9、长方孔；10、整流电路；11、主控单元；12、电池状态监测及控制电路；13、工作电源；14、无线数据传输模块；15、监控中心；16、铁轨。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提供一种应用在铁路轨边的发电设备，包括蓄电池1、一个以上的磁电转换器2以及与所述磁电转换器2数量相适配的整流充电控制器3，一个以上的所述磁电转换器2安装在铁轨16的侧面；所述磁电转换器2与所述整流充电控制器3电连接，所述整流充电控制器3与所述蓄电池1电连接。

本实施例中所述磁电转换器2包括外壳4以及设置在所述外壳4内部的U形磁铁和闭合线圈8；所述U形磁铁包括N极钕铁硼强磁铁5、S极钕铁硼强磁铁6和支架7；所述N极钕铁硼强磁铁5和所述S极钕铁硼强磁铁6均卡接安装在支架7上，所述闭合线圈8为两个，由绝缘漆包线绕制而成；两个闭合线圈8分别套在N极钕铁硼强磁铁5和S极钕铁硼强磁铁6上，二者相互串联构成一体，线圈的两个线端通过两条线引出到外壳4之外。

需要做进一步补充说明的是，U形磁铁和线圈密封在外壳4里，通过灌注强力胶使U形磁铁、线圈与外壳4成为一个整体。本实施例中采用不锈钢支架7，两块磁铁卡接安装在不锈钢支架7上，一边是N极，一边是S极；将绝缘漆包线绕在塑料骨架上制成线圈，线圈要在真空条件下24小时浸泡绝缘漆；两个线圈分别套在N极和S极上，二者相互串联构成一体，线圈的两个线端通过两条线引出到外壳4之外。使用专用的安装卡具，将磁电转换器2 安装在铁轨的侧面，当火车通过时，车轮轮缘从磁电转换器2上表面经过，磁电转换器2产生交流感应电动势，该电动势经两条线送给整流充电控制器3。

本发明提供的发电设备工作原理是：磁电转换器2安装在铁轨的侧面，当火车通过时，车轮轮缘从磁电转换器2上表面经过，车轮切割磁电转换器2内部磁铁周围的磁场，在车轮表面产生涡流，涡流的磁场使得磁电转换器2的原有磁场发生变化，引起通过磁电转换器2内部线圈的磁通量发生变化，在线圈内产生交流感应电动势。磁电转换器2通过专用的卡具安装在铁轨的外侧面，如附图2所示，保证火车通过时轮缘基本从磁电转换器2的纵向中线经过，以使得磁电转换器2内部线圈的磁通量的变化量ΔΦ最大，产生的感应电动势也最大。

由法拉第电磁感应定律可知，当闭合电路为一个n匝的线圈，ΔΦ为通过线圈的磁通量变化量，Δt为发生磁通量变化所用时间，则线圈两端产生的感应电动势可表示为：ε＝n(ΔΦ/Δt)，ε为产生的感应电动势，单位为伏特。假定火车每个车轮从磁电转换器2上经过时引起的磁通量变化量ΔΦ相同，火车的速度越高，Δt越小，线圈内产生的感应电动势越大。

如图3所示，所述磁电转换器2的外壳4呈长方体结构，外壳4由尼龙、塑料等导磁性能好的非金属材料加工而成，在对外壳4强度有特殊要求的使用场合，也可以用铝质材料加工外壳4。外壳4的两端底边有两个长方孔9，以便在安转的过程中调整磁电转换器2与铁轨的距离。

磁电转换器2内部包含U型磁铁和闭合线圈8。具体构造如图4和图5所示。图4描述了U形磁铁的构成，U形磁铁由两块钕铁硼强磁铁和不锈钢支架构成，两块磁铁卡接安装在不锈钢支架上，一边是N极，一边是S极，为易于辨别两块磁铁的不同极性，N极加工成了“凸”形，S极加工成了“凹”形。

将绝缘漆包线绕在塑料骨架上制成线圈，采用直径0.2毫米耐高温漆包铜线紧密绕制而成，绕制好的线圈要放在真空条件下进行24小时浸泡绝缘漆处 理；每个磁电转换器2内部有两个线圈，两个线圈分别套在U形磁铁的N极和S极上，二者相互串联构成一体，线圈的两个线端通过两条线引出到外壳4之外。附图5描述了线圈与U形磁铁之间的安装配合方式，线圈与U形磁铁的磁极通过强力胶粘接在一起。

线圈安装到U形磁铁上之后，将它们放置在塑料外壳4内部，在真空条件下向塑料外壳4内部灌注强力密封胶，待强力胶完全凝固后，线圈、U形磁铁、外壳4即成为一个整体，一个磁电转换器2即加工完成，附图5描述了磁电转换器2内部的透视图。

下面对本发明的整流充电控制器3技术方案做详细的说明：

如图7所示，整流充电控制器3是一个连接轨边发电设备与蓄电池1的桥梁，负责对感应电动势的转换，负责对蓄电池1状态的监测，负责控制蓄电池1充、放电操作。

本实施例中所述整流充电控制器3包括整流电路10、主控单元11以及分别与所述主控单元11电连接的电池状态监测及控制电路12、工作电源13和无线数据传输模块14；所述整流电路10的输入端与所述磁电转换器2的电压输出端电连接，所述整流电路10的输出端与所述电池状态监测及控制电路12电连接；

还包括监控中心15，所述监控中心15与所述无线数据传输模块14通信连接。

所述主控单元11负责监测外接蓄电池1的电压和工作电流，当蓄电池1充满电时，主控单元11发出命令，切断对蓄电池1的充电电路；当蓄电池1电压低于设定的门限值时，主控单元11发出命令，切断对外接设备的供电电路；

所述主控单元11还用于实时监测磁电转换器2有没有感应电动势输出以及监测外接设备的工作电流；所述整流电路10负责把所述磁电转换器2产生的交流电动势转换为直流电压；所述电池状态监测及控制电路12负责把蓄电 池1的过压和欠压状态、磁电转换器2产生的交流电动势、外接设备的工作电流参数转换成数字信号送给主控单元11；所述工作电源13负责把蓄电池1的电压转换为整流充电控制器3的工作电压。

本实施例中还包括跳线开关(图中未示出)，通过跳线开关为每一个整流充电控制器3设定唯一的身份码。

本发明的目的是要通过铁路轨边发电设备向外接的蓄电池1充电，从而解决铁轨安全检测设备的供电问题。因为火车在铁路上运行的时候，车轮是依次从磁电转换器2上经过的，每经过一个车轮，磁电转换器2就会产生一个周期的正弦交流电动势，而蓄电池1的电压是直流电压，磁电转换器2产生的交流感应电动势无法直接向蓄电池1充电。

整流电路10由整流电桥、滤波电容、限压电路构成，负责把磁电转换器2产生的交流电动势转换为直流电压，限压电路可以把直流电压限定在一个合理的范围内，避免因为直流电压过高造成对蓄电池1的损坏。处理后的直流电压送给电池状态监测及控制电路12，给外接的蓄电池1充电。交流电动势与转换后的直流电压对应示意图如图8所示。

本实施例中所述电池状态监测及控制电路12包括以下四部分：

两路电压比较器，以工作电源13输出的电压作为基准，一路比较器监测外接蓄电池1的上限电压，称为上限比较器；一路比较器监测蓄电池1的下限电压，称为下限比较器；当蓄电池1的输出电压高于上限电压值的时候，上限比较器的输出状态翻转，当蓄电池1的输出电压低于下限电压时，下限比较器的输出状态翻转。两路比较器的输出端与主控单元11连接。

一路单稳态电路，把整流电路10送来的直流脉冲电压耦合出微弱脉冲信号送给单稳态电路，当磁电转换器2有感应电动势输出时，单稳态电路的输出从稳态“0”翻转为暂态“1”。单稳态电路的输出与主控单元11连接。

一路电流采样比较器，在对外供电的回路里串接一个高精度小阻值的电阻，把外接铁轨安全检测设备的工作电流转换为电压与基准电压做比较，大 于基准电压时，比较器输出状态翻转。比较器的输出端与主控单元11连接。

两路控制继电器，用于切断蓄电池1充电电路和对外供电电路。继电器控制端与主控单元11连接。

本实施例中的工作电源13是个DC/DC模块，把蓄电池1的电压转换为3.3V电压，为整流充电控制器3供电。

本实施例中的主控单元11是整流充电控制器3的核心，主控单元11是一个低功耗的处理器，可以是单片机、ARM处理器或DSP，从经济实用来说，最好选用低功耗单片机。其主要具有如下功能：

1.主控单元11接收前述电池状态监测及控制电路12的信号，当蓄电池1电压高于上限电压值时，主控单元11控制继电器，切断电池充电电路。当蓄电池1的输出电压低于下限电压时，主控单元11控制继电器，切断外接设备的供电电路。

2.主控单元11接收前述单稳态电路输出的状态信号，记录磁电转换器2的工作状态。

3.主控单元11监测对外供电回路是否超出电流上限值，如果超出上限，主控单元11控制控制继电器，切断对外接设备供电。

4.主控单元11外扩有告警灯，发生异常情况，告警灯闪烁。前述3种情况都属于异常情况。

5.发生异常情况时，主控单元11通过无线数据传输模块14，向监测中心发出告警信号。

6.主控单元11通过无线数据传输模块14，接收监测中心发来的命令。

7.主控单元11外扩有16位跳线开关，可以设定每一个整流充电控制器3独立的身份码。

本实施例中的所述无线数据传输模块14是GPRS模块、蓝牙模块和Zigbee模块中的一种或两种以上的组合，所述无线数据传输模块14与所述主控单元11之间通过RS232接口通讯连接。

为进一步详述本发明，现做如下补充说明：

1.本发明提供的铁路轨边发电设备，磁电转换器2产生的感应电动势的大小与列车运行的速度有关，速度越高产生的感应电动势越高，当列车速度在每小时15公里时，为蓄电池1充电的直流电压大于12V。一般选用12V铅酸免维护蓄电池1与轨边发电设备配套使用，因为火车经过时，轨边发电设备产生的是交流脉冲电动势，在保证不损坏蓄电池1的情况下，适当提高蓄电池1充电电压的门限值，整流电路10中的限压电路设定的上限充电电压为18V，提高充电效率，缩短充电时间。建议蓄电池1在安装现场之前，充满电。

2.如果外接铁轨安全检测设备的功耗比较大，会造成蓄电池1放电速度比较快，一套轨边发电设备不能及时补充蓄电池1的能量损耗，可以考虑在铁轨侧面安装两套轨边发电设备，同时向蓄电池1充电。

3.当蓄电池1充满电之后，主控单元11发出命令，控制电路切断充电电路，避免过充造成蓄电池1损坏；当蓄电池1电压低于预先设定门限值时，主控单元11发出告警信号，切断对外部设备的供电，以便保证控制器自身的工作用电；主控单元11通过无线数据传输模块14，把告警及时状态送到监测中心。监测中心发现某一控制器发回故障信息，可以及时定位发电设备，安排人员到现场维护更换。

本发明提供的发电设备不受天气和环境的影响，只要有火车通过就可以发电，并且火车通过越频繁，发电效率越高，每一套铁轨安全检测设备配一套这样的发电设备，既经济实惠又安全可靠。通过此发电设备，很好地解决了轨边安全检测设备的供电问题，可以及时发现铁路运输的安全隐患。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用在铁路轨边的发电设备，其特征在于：包括蓄电池、一个以上的磁电转换器以及与所述磁电转换器数量相适配的整流充电控制器，一个以上的所述磁电转换器安装在铁轨的侧面；

所述磁电转换器与所述整流充电控制器电连接，所述整流充电控制器与所述蓄电池电连接。

2.根据权利要求1所述的应用在铁路轨边的发电设备，其特征在于：所述磁电转换器包括外壳以及设置在所述外壳内部的U形磁铁和闭合线圈；

所述U形磁铁包括N极钕铁硼强磁铁、S极钕铁硼强磁铁和支架；所述N极钕铁硼强磁铁和所述S极钕铁硼强磁铁均卡接安装在支架上，所述闭合线圈为两个，由绝缘漆包线绕制而成；两个闭合线圈分别套在N极钕铁硼强磁铁和S极钕铁硼强磁铁上，二者相互串联构成一体，线圈的两个线端通过两条线引出到外壳之外。

3.根据权利要求1所述的应用在铁路轨边的发电设备，其特征在于：所述磁电转换器的外壳由尼龙、塑料或铝质材料加工而成。

4.根据权利要求1至3任一项所述的应用在铁路轨边的发电设备，其特征在于：所述整流充电控制器包括整流电路、主控单元以及分别与所述主控单元电连接的电池状态监测及控制电路、工作电源和无线数据传输模块；所述整流电路的输入端与所述磁电转换器的电压输出端电连接，所述整流电路的输出端与所述电池状态监测及控制电路电连接。

5.根据权利要求4所述的应用在铁路轨边的发电设备，其特征在于：还包括监控中心，所述监控中心与所述无线数据传输模块通信连接。

6.根据权利要求5所述的应用在铁路轨边的发电设备，其特征在于：所述主控单元负责监测外接蓄电池的电压和工作电流，当蓄电池充满电时，主控单元发出命令，切断对蓄电池的充电电路；当蓄电池电压低于设定的门限值时，主控单元发出命令，切断对外接设备的供电电路；

所述主控单元还用于实时监测磁电转换器有没有感应电动势输出以及监测外接设备的工作电流；

所述整流电路负责把所述磁电转换器产生的交流电动势转换为直流电压；

所述电池状态监测及控制电路负责把蓄电池的过压和欠压状态、磁电转换器产生的交流电动势、外接设备的工作电流参数转换成数字信号送给主控单元；

所述工作电源负责把蓄电池的电压转换为整流充电控制器的工作电压。

7.根据权利要求4所述的应用在铁路轨边的发电设备，其特征在于：所述整流电路由整流电桥、滤波电容和限压电路构成，负责把磁电转换器产生的交流电动势转换为直流电压。

8.根据权利要求4所述的应用在铁路轨边的发电设备，其特征在于：还包括跳线开关，通过跳线开关为每一个整流充电控制器设定唯一的身份码。

9.根据权利要求4所述的应用在铁路轨边的发电设备，其特征在于：所述无线数据传输模块是GPRS模块、蓝牙模块和Zigbee模块中的一种或两种以上的组合，所述无线数据传输模块与所述主控单元之间通过RS232接口通讯连接。

10.根据权利要求4所述的应用在铁路轨边的发电设备，其特征在于：电池状态监测及控制电路包括两路电池状态监测及控制电路、一路单稳态电路和一路电流采样比较器，所述两路电池状态监测及控制电路、所述一路单稳态电路和所述一路电流采样比较器分别与所述控制单元电连接。