CN111799939B - 适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适合脉冲式激励的电磁‑摩擦复合路面能量采集器，包括自上而下依次布置的界面、上板、摩擦发电定子，界面与上板之间设有间距，界面底端连接有导杆和驱动螺杆，导杆顶部套装有复位弹簧，复位弹簧位于界面与上板之间，导杆底部穿过上板，驱动螺杆底端连接传动齿轮组，传动齿轮组外围连接有摩擦发电转子，传动齿轮组在驱动螺杆的驱动下带动摩擦发电转子转动，摩擦发电转子底部布置有永磁体圆周阵列组合，摩擦发电转子外侧面布置有导电板阵列，摩擦发电定子内侧面布置有得电子摩擦板和失电子摩擦板；本发明同现有技术相比，能够显著提高其在脉冲式激励下的输出功率，解决了传统路面能量采集器输出功率低、可靠性低等缺点。

Description

适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器

[技术领域]

本发明涉及车路能量收集技术领域，具体地说是一种适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器。

[背景技术]

随着社会和经济的发展，交通系统越来越发达，人们对交通系统也提出了更高的要求。多功能化、智慧化是未来交通系统的发展方向。通过在道路布置无线传感器等小型机电系统，从而实现实时交通状况监测、交通系统远程或自动化管控、交通设施健康状态监测等，使交通系统更加安全、有序、高效地运行，可以促进社会经济发展和提升人们生活的幸福感。但是，如何为这些小型机电系统供能？电池供能面临着寿命短、不易维护、环境污染等问题；有线输送成本高、实施难、占用空间影响环境。因此，发展环保、便捷、可持续的供能技术具有重要意义。

尽管太阳能是一种丰富的自然能源，但是受昼夜天气变化影响比较大。值得注意的是，车辆滚压路面可以产生大量的机械能量。尤其随着汽车数量的增加和道路基础设施建设的发展，这种可以利用的机械能量更加丰富，且分布更广，其潜在应用不只局限于交通系统。汽车行驶经过凸起路面的能量收集装置相当于一次脉冲激励。但是，目前少量报道的路面能量采集装置没有针对这种脉冲式激励特性进行设计，且存在输出功率低、可靠性低等缺点。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器，能够显著提高其在脉冲式激励下的输出功率，解决了传统路面能量采集器输出功率低、可靠性低等缺点。

为实现上述目的设计一种适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器，包括自上而下依次布置的界面3、上板7、摩擦发电定子13，所述界面3与上板7之间设有间距，所述界面3底端连接有导杆4和驱动螺杆5，所述导杆4顶部套装有复位弹簧6，所述复位弹簧6位于界面3与上板7之间，所述导杆4底部穿过上板7，所述驱动螺杆5底端连接传动齿轮组8，所述传动齿轮组8外围连接有摩擦发电转子10，所述传动齿轮组8在驱动螺杆5的驱动下带动摩擦发电转子10转动，所述摩擦发电转子10底部布置有永磁体圆周阵列组合11，所述永磁体圆周阵列组合11与电磁发电线圈组合12产生相对运动，所述摩擦发电转子10外侧面布置有导电板阵列20，所述摩擦发电定子13设于摩擦发电转子10外围，所述摩擦发电定子13内侧面布置有得电子摩擦板15和失电子摩擦板16。

进一步地，所述摩擦发电定子13内侧面设置有安装环14，所述得电子摩擦板15、失电子摩擦板16粘贴于安装环14内侧，且对称布置，所述得电子摩擦板15、失电子摩擦板16下端设有条形的导通桥17，所述导通桥17使与靠近得电子摩擦板15、失电子摩擦板16的两个电极板导通，所述安装环14内侧还设置有负载凸起端子18。

进一步地，所述摩擦发电转子10外侧面设置有导电板基底环19，所述导电板阵列20粘贴于导电板基底环19外侧。

进一步地，所述传动齿轮组8包括被驱动齿轮21、棘轮28、棘轮盘29，所述被驱动齿轮21内部设有与驱动螺杆7相匹配的槽口使得驱动螺杆7上下运动时被驱动齿轮21随之旋转，所述被驱动齿轮21与齿轮一22、换向齿轮23啮合连接，所述换向齿轮23与齿轮二24啮合连接，所述齿轮一22固定连接在棘齿盘一25上，所述齿轮二24固定连接在棘齿盘二26上，所述棘齿盘一25、棘齿盘二26上均安装有若干棘齿27，并通过棘齿27与棘轮28啮合，所述棘轮28固定连接在棘轮盘29上，所述摩擦发电转子10设置在棘轮盘29外围，且与棘轮盘29固定连接。

进一步地，所述齿轮一22、换向齿轮23、齿轮二24均通过轴承一30与上板7连接，所述被驱动齿轮21、棘轮28均通过轴承二31套装于中轴套9上，所述中轴套9连接在摩擦发电定子13底部。

进一步地，所述上板7背面对称设置有线圈固定架32，所述线圈固定架32为弧形结构且避开传动齿轮组8，所述电磁发电线圈组合12安装在线圈固定架32内。

进一步地，所述线圈固定架32截面呈U形，所述线圈固定架32由上弧形板、下弧形板以及连接在上弧形板与下弧形板之间的内侧板构成。

进一步地，所述上板7上安装有封板一33、封板二34，所述封板一33设置在齿轮一22上方，所述封板二34设置在换向齿轮23、齿轮二24上方，所述封板一33用于将齿轮一22的安装孔密封，所述封板二34用于将换向齿轮23、齿轮二24的安装孔密封。

进一步地，所述永磁体圆周阵列组合11固定在棘轮盘29下侧，所述永磁体圆周阵列组合11为圆周阵列的多个永磁体，所述永磁体圆周阵列组合11按照海尔贝克圆周阵列。

进一步地，所述被驱动齿轮21的齿数为齿轮一22、齿轮二24齿数的10倍以上。

本发明同现有技术相比，通过采用双向驱动单向旋转的驱动方式增加采集的脉冲式能量，采用机械机构升频进一步提升机电能量的转换效率，采用摩擦发电和电磁发电复合机电转换机制提高了输出功率以及电能使用的灵活度；综上；本发明能够显著提高其在脉冲式激励下的输出功率，解决了传统路面能量采集器输出功率低、可靠性低等缺点，值得推广应用。

[附图说明]

图1为本发明用于路面能量采集的应用示意图；

图2为本发明的总体结构示意图；

图3为本发明的爆炸结构示意图；

图4为本发明的剖视结构示意图；

图5为本发明中的界面部分结构示意图；

图6为本发明中的摩擦发电定子部分结构示意图；

图7为本发明中的摩擦发电转子部分结构示意图；

图8为本发明中的机械传动部分结构示意图；

图9为本发明中的感应线圈部分结构示意图；

图中：1、适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器 2、路基 3、界面 4、导杆 5、驱动螺杆 6、复位弹簧 7、上板 8、传动齿轮组合 9、中轴套 10、摩擦发电转子 11、永磁体圆周阵列组合 12、电磁发电线圈组合 13、摩擦发电定子 14、安装环 15、得电子摩擦板 16、失电子摩擦板 17、导通桥 18、负载凸起端子 19、导电板基底环 20、导电板阵列21、被驱动齿轮 22、齿轮一 23、换向齿轮 24、齿轮二 25、棘齿盘一 26、棘齿盘二 27、棘齿28、棘轮 29、棘轮盘 30、轴承一 31、轴承二 32、线圈固定架 33、封板一 34、封板二。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

本发明提供了一种适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器，如附图1所示，为本发明所述的适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器应用于路面能量采集的应用示意图，使用时，若干适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器1嵌装于路基2内。

如附图2至附图5所示，该适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器1包括自上而下依次布置的界面3、上板7、摩擦发电定子13，上板7底端连接摩擦发电定子13，界面3与上板7之间设有间距，界面3底端连接有导杆4和驱动螺杆5，导杆4顶部套装有复位弹簧6，复位弹簧6位于界面3与上板7之间，导杆4底部穿过上板7，驱动螺杆5底端连接传动齿轮组8，传动齿轮组8外围连接有摩擦发电转子10，传动齿轮组8在驱动螺杆5的驱动下带动摩擦发电转子10转动，摩擦发电转子10底部布置有永磁体圆周阵列组合11，永磁体圆周阵列组合11与电磁发电线圈组合12产生相对运动，电磁发电线圈组合12布置于上板7背面，摩擦发电转子10外侧面布置有导电板阵列20，摩擦发电定子13设于摩擦发电转子10外围，摩擦发电定子13内侧面布置有得电子摩擦板15和失电子摩擦板16。

如附图6所示，摩擦发电定子13内侧面设置有安装环14，得电子摩擦板15、失电子摩擦板16粘贴于安装环14内侧，且对称布置，得电子摩擦板15、失电子摩擦板16下端设置有条形的导通桥17，导通桥17使与靠近得电子摩擦板15、失电子摩擦板16的两个电极板导通，安装环14内侧还设置有负载凸起端子18。如附图7所示，摩擦发电转子10外侧面设置有导电板基底环19，导电板阵列20粘贴于导电板基底环19外侧。

如附图8所示，传动齿轮组8包括被驱动齿轮21、棘轮28、棘轮盘29，被驱动齿轮21内部设有与驱动螺杆7相匹配的槽口使得驱动螺杆7上下运动时被驱动齿轮21可以随之旋转，被驱动齿轮21与齿轮一22、换向齿轮23啮合连接，换向齿轮23与齿轮二24啮合连接，齿轮一22固定连接在棘齿盘一25上，齿轮二24固定连接在棘齿盘二26上，棘齿盘一25、棘齿盘二26上均安装有若干棘齿27，棘齿27均与棘轮28啮合，棘轮28固定连接在棘轮盘29上，摩擦发电转子10设置在棘轮盘29外围，且与棘轮盘29固定连接；齿轮一22、换向齿轮23、齿轮二24均通过轴承一30安装在上板7上，被驱动齿轮21、棘轮28均通过轴承二31套装于中轴套9上，中轴套9连接在摩擦发电定子13底部。

如附图9所示，上板7背面对称设置有线圈固定架32，线圈固定架32为弧形结构且避开传动齿轮组8，电磁发电线圈组合12固定安装在线圈固定架32内；该线圈固定架32截面呈U形，线圈固定架32由上弧形板、下弧形板以及连接在上弧形板与下弧形板之间的内侧板构成；上板7上安装有封板一33、封板二34，封板一33、封板二34使得安装孔被密封，具体为，封板一33设置在齿轮一22上方，封板二34设置在换向齿轮23、齿轮二24上方，封板一33用于将齿轮一22的安装孔密封，封板二34用于将换向齿轮23、齿轮二24的安装孔密封。永磁体圆周阵列组合11为圆周阵列的多个永磁体，永磁体圆周阵列组合11固定在棘轮盘29下侧，且按照海尔贝克圆周阵列。

本发明的工作原理为：当汽车行驶经过适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器1，会对界面3造成滚压，从而使驱动螺杆7向下运动，带动被驱动齿轮21逆时针旋转(从上向下看，后同)；被驱动齿轮21逆时针旋转带动齿轮一22和换向齿轮23顺时针旋转，换向齿轮23顺时针旋转带动齿轮二24逆时针旋转，被驱动齿轮21的齿数为齿轮一22、齿轮二24齿数的10倍以上，从而激励频率会被放大；齿轮一22下方固定棘齿盘一25顺时针旋转，齿轮二24下方固定的棘齿盘二26逆时针旋转，棘齿盘一25驱动棘轮盘29逆时针旋转，棘齿盘二26的棘齿滑过棘轮盘29不工作；当汽车行驶离开，通过复位弹簧6使驱动螺杆7向上运动复位，并带动被驱动齿轮21顺时针旋转，被驱动齿轮21顺时针旋转带动齿轮一22和换向齿轮23逆时针旋转，换向齿轮23逆时针旋转带动齿轮二24顺时针旋转，齿轮一22下方固定棘齿盘一25逆时针旋转，齿轮二24下方固定的棘齿盘二26顺时针旋转，棘齿盘二26驱动棘轮盘29逆时针旋转，棘齿盘一25的棘齿滑过棘轮盘29不工作。

即无论是滚压还是复位，棘轮盘29都会被高速驱动单向旋转。当棘轮盘29单向高速转动时，棘轮盘29也会带动与之刚性连接的摩擦发电转子10单向高速转动，使摩擦发电转子10上的电极板与得电子摩擦板15和失电子摩擦板16发生摩擦，从而因为摩擦产生电荷转移，使得得电子摩擦板15带负电，失电子摩擦板16带正电；在旋转的过程中，导通桥17可以使与靠近得电子摩擦板15和失电子摩擦板16的两个电极板导通，从而因为静电感应，使得接近得电子摩擦板15的电极板带正电荷，接近失电子摩擦板16的电极板带负电荷；当它们继续旋转90度，分别接触到负载凸起端子18，则可以在负载中产生电流；与此同时，棘轮盘29也会带动永磁体圆周阵列组合11进行单向高速转动，与电磁发电线圈组合12产生相对运动，通过电磁感应发电；永磁体圆周阵列组合11为海尔贝克阵列排布，可以采用最少量的磁体产生最强的磁场，有利于电磁感应发电；由于圆周阵列多个永磁体，使得永磁体圆周阵列组合11旋转一周可以产生多个磁激励，因此也具有升频效果。

本发明采用双向驱动单向旋转的驱动方式增加采集的脉冲式能量，采用机械机构升频进一步提升机电能量转换效率，采用摩擦发电和电磁发电复合机电转换机制提高输出功率以及电能使用的灵活度，并能适应各种复杂路况环境，有效解决了传统路面能量采集器输出功率低、可靠性低等缺点。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器，其特征在于：包括自上而下依次布置的界面(3)、上板(7)、摩擦发电定子(13)，所述界面(3)与上板(7)之间设有间距，所述界面(3)底端连接有导杆(4)和驱动螺杆(5)，所述导杆(4)顶部套装有复位弹簧(6)，所述复位弹簧(6)位于界面(3)与上板(7)之间，所述导杆(4)底部穿过上板(7)，所述驱动螺杆(5)底端连接传动齿轮组(8)，所述传动齿轮组(8)外围连接有摩擦发电转子(10)，所述传动齿轮组(8)在驱动螺杆(5)的驱动下带动摩擦发电转子(10)转动，所述摩擦发电转子(10)底部布置有永磁体圆周阵列组合(11)，所述永磁体圆周阵列组合(11)与电磁发电线圈组合(12)产生相对运动，所述摩擦发电转子(10)外侧面布置有导电板阵列(20)，所述摩擦发电定子(13)设于摩擦发电转子(10)外围，所述摩擦发电定子(13)内侧面布置有得电子摩擦板(15)和失电子摩擦板(16)；所述传动齿轮组(8)设置在上板(7)的下方，且位于摩擦发电转子(10)的内部。

2.如权利要求1所述的适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器，其特征在于：所述摩擦发电转子(10)外侧面设置有导电板基底环(19)，所述导电板阵列(20)粘贴于导电板基底环(19)外侧。

3.如权利要求1或2所述的适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器，其特征在于：所述传动齿轮组(8)包括被驱动齿轮(21)、棘轮(28)、棘轮盘(29)，所述被驱动齿轮(21)内部设有与驱动螺杆7相匹配的槽口使得驱动螺杆7上下运动时被驱动齿轮(21)随之旋转，所述被驱动齿轮(21)与齿轮一(22)、换向齿轮(23)啮合连接，所述换向齿轮(23)与齿轮二(24)啮合连接，所述齿轮一(22)固定连接在棘齿盘一(25)上，所述齿轮二(24)固定连接在棘齿盘二(26)上，所述棘齿盘一(25)、棘齿盘二(26)上均安装有若干棘齿27，并通过棘齿(27)与棘轮(28)啮合，所述棘轮(28)固定连接在棘轮盘(29)上，所述摩擦发电转子(10)设置在棘轮盘(29)外围，且与棘轮盘(29)固定连接。

4.如权利要求3所述的适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器，其特征在于：所述齿轮一(22)、换向齿轮(23)、齿轮二(24)均通过轴承一(30)与上板(7)连接，所述被驱动齿轮(21)、棘轮(28)均通过轴承二(31)套装于中轴套(9)上，所述中轴套(9)连接在摩擦发电定子(13)底部。

5.如权利要求4所述的适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器，其特征在于：所述上板(7)背面对称设置有线圈固定架(32)，所述线圈固定架(32)为弧形结构且避开传动齿轮组(8)，所述电磁发电线圈组合(12)安装在线圈固定架(32)内。

6.如权利要求5所述的适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器，其特征在于：所述线圈固定架(32)截面呈U形，所述线圈固定架(32)由上弧形板、下弧形板以及连接在上弧形板与下弧形板之间的内侧板构成。

7.如权利要求4所述的适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器，其特征在于：所述上板(7)上安装有封板一(33)、封板二(34)，所述封板一(33)设置在齿轮一(22)上方，所述封板二(34)设置在换向齿轮(23)、齿轮二(24)上方，所述封板一(33)用于将齿轮一(22)的安装孔密封，所述封板二(34)用于将换向齿轮(23)、齿轮二(24)的安装孔密封；所述齿轮一(22)、换向齿轮(23)、齿轮二(24)均设置在上板(7)的下方，且封板一(33)和封板二(34)与其之间是间隔了上板(7)之后设置在齿轮一(22)、换向齿轮(23)、齿轮二(24)的对应位置的上方。

8.如权利要求4所述的适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器，其特征在于：所述永磁体圆周阵列组合(11)固定在棘轮盘(29)下侧，所述永磁体圆周阵列组合(11)为圆周阵列的多个永磁体，所述永磁体圆周阵列组合(11)按照海尔贝克圆周阵列。

9.如权利要求4所述的适合脉冲式激励的电磁-摩擦复合路面能量采集器，其特征在于：所述被驱动齿轮(21)的齿数为齿轮一(22)、齿轮二(24)齿数的10倍以上。

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