CN112542895B - 一种钢轨牵引电流取电装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钢轨牵引电流取电装置及其应用，所述钢轨牵引电流取电装置包括导磁材料、夹具、线圈，所述导磁材料通过所述夹具与钢轨保持相对固定，所述导磁材料上密绕有所述线圈，所述导磁材料从钢轨底部将钢轨包围。本发明所述取电装置极大降低了轨旁设备的维护难度，延长了轨旁装备的维护周期，提升了取电装置的实用性和取电效率。

Description

一种钢轨牵引电流取电装置及其应用
技术领域
本发明属于列车技术领域，特别涉及一种钢轨牵引电流取电装置及其应用。
背景技术
牵引电流是指，电力机车通过受电弓与高处的25KV高压接触网相连从而获取电能。电流经过车体负载后由车轮导入钢轨，并经由钢轨流回车辆变电所，从而形成电流闭环。由于此时钢轨相当于电流源，电压极低，因此无法将钢轨内的牵引回流直接导出使用。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种钢轨牵引电流取电装置及其应用，利用流经钢轨的牵引电流，采用电磁耦合的方法进行电能获取。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种钢轨牵引电流取电装置，包括导磁材料、夹具、线圈，所述导磁材料通过所述夹具与钢轨保持相对固定，所述导磁材料上密绕有所述线圈，所述导磁材料从钢轨底部将钢轨包围。
优选地，所述导磁材料为高磁导率的纳米晶或非晶软磁材料。
优选地，所述漆包线线圈的匝数及线径根据负载用电器所需电流或电压不同而改变。
优选地，所述导磁材料以及所述线圈置于绝缘外壳内，所述夹具设置在所述绝缘外壳的两侧。
优选地，通过所述夹具夹持于钢轨轨腰两侧。
优选地，所述线圈为漆包线线圈。
优选地，所述钢轨牵引电流取电装置可放置多个，且通过并联连接。
第二方面，本发明提供了如第一方面所述的钢轨牵引电流取电装置的应用，所述的钢轨牵引电流取电装置采集的能量通过整流电路为通电设备供电或被存储于能量存储设备中。
优选地，所述能量存储设备采用相互独立的超级电容器和锂离子电池交叉存储。
优选地，当有列车经过时钢轨中有牵引电流流过，通过所述钢轨牵引电流取电装置采集的能量经整流电路后同时给超级电容、锂电池以及用电设备供电；当钢轨中电流消失后，存储在超级电容中的电能继续为锂电池及用电设备供电，待超级电容的电压下降至设定保护阈值VL时，则停止超级电容放电且转换为超级电容充电、锂电池放电模式，即采用锂电池为用电设备供电，当超级电容电压超过可放电上限阈值VH时，则再次切换为超级电容放电，锂电池充电模式。
本发明提供一种钢轨牵引电流取电装置，可获取列车经过时钢轨中产生的牵引电流作为能量源，从而为轨旁用电负载进行供电。相比于传统能量采集方式不受环境、天气等因素影响。由于轨道上车辆经过频繁，能够频繁的为轨旁用电设备及其储能装置进行补电。特别是针对仅在列车经过时才需工作的用电设备如加速度传感器、钢轨压力传感器等可实现无需储能设备便可正常工作。降低了轨旁设备的维护难度，延长了轨旁装备的维护周期。
本发明选用软磁材料作为导磁材料，软磁材料与硬磁材料相比具有磁导率大，饱和磁感应强度大，矫顽(Hc)小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小的特点，通过将多层软磁复核叠加能够将软磁材料制作成类似于硬磁材料的块状形态。在通过拼接便可得到所需形状。进一步提升了取电装置的实用性和取电效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的取电装置结构图；
图2示出了根据本发明的取电装置外部连接结构图。
附图标号：1、钢轨；2、绝缘外壳；3、夹具；4、导磁材料；5、漆包线线圈。
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、完整地说明，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。
本发明利用钢轨中较大的工频交流牵引电流(30A-300A)在钢轨周围所产生的高强度磁场，通过在非闭合高磁导率软磁材料上密绕多匝线圈将钢轨周边闭合磁场耦合至铁磁材料中，从而在线圈中产生电流。进而能够通过电能转换为附近的轨旁用电器负载供电。
如图1所示，钢轨牵引电流取电装置，包括导磁材料4、夹具3、线圈5、绝缘外壳2，其中，导磁材料4上密绕有漆包线线圈5，导磁材料4和缠绕于其外的漆包线线圈5置于绝缘外壳2内，绝缘外壳2呈U型，从钢轨1底部将钢轨1包围。绝缘外壳2的两端穿设有一夹具3，所述夹具3自钢轨1轨腰的两侧相互挤压从而将绝缘外壳2固定于钢轨1上。
为了能够充分利用钢轨上的交变磁场，采用高磁导率的纳米晶或非晶软磁材料作为导磁材料，从而提高电能采集的功率和效率。
软磁材料上密绕漆包线线圈，其匝及线径根据负载用电器所需电流或电压不同而改变，用电器所需电压越高，线圈匝数越多；用电器所需电流越大，线圈线径越粗。
通过对钢轨周围软磁材料中的磁通密度进行测量，能够看到随着软磁材料磁导率的增加，其磁通密度不断增大，与钢轨产生互耦，从而在缠绕在软磁材料上的导线中产生电流。
同样，可以通过多个采集装置并联方式达到输出功率叠加的目的。如图2所示，钢轨电流采集后，经过整流电路后与其能量存储设备相连。其能量存储设备则采用相互独立的超级电容和锂电池混合交叉存储的方法延长传感器的能量供给时间。当有列车经过时钢轨中有牵引电流流过，通过能量采集装置经整流电路后同时给超级电容、锂电池以及用电设备供电，由于钢轨中牵引电流持续时间仅能在车辆经过时维持10s-20s,当钢轨中电流消失后，存储在超级电容中的电能继续为锂电池及用电设备供电，待其电压下降至设定保护阈值VL(通常为1伏-2伏)则停止放电且转换为充电模式，切换为锂电池为用电设备供电，当超级电容电压超过可放电上限阈值VH时，则再次切换为超级电容放电，锂电池充电模式。如此往复循环，从而给锂电池在最大充电功率条件下提供更长的充电时间。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种钢轨牵引电流取电装置，其特征在于：包括导磁材料（4）、夹具（3）、线圈（5），所述导磁材料（4）通过所述夹具（3）与钢轨（1）保持相对固定，所述导磁材料（4）上密绕有所述线圈（5），所述导磁材料（4）以及所述线圈（5）置于绝缘外壳（2）内，所述夹具（3）设置在所述绝缘外壳（2）的两侧,通过所述夹具（3）夹持于钢轨（1）轨腰两侧,所述导磁材料（4）从钢轨（1）底部将所述钢轨（1）包围，通过在非闭合高磁导率软磁材料上密绕多匝线圈（5）将钢轨（1）周边闭合磁场耦合至铁磁材料中，从而在线圈（5）中产生电流。
2.根据权利要求1所述的钢轨牵引电流取电装置，其特征在于，所述导磁材料（4）为高磁导率的纳米晶或非晶软磁材料。
3.根据权利要求2所述的钢轨牵引电流取电装置，其特征在于：所述线圈（5）的匝数及线径根据负载用电器所需电流或电压不同而改变。
4.根据权利要求1-3任一项所述的钢轨牵引电流取电装置，其特征在于：所述线圈（5）为漆包线线圈。
5.根据权利要求1-3任一项所述的钢轨牵引电流取电装置，其特征在于：所述钢轨（1）牵引电流取电装置可放置多个，且通过并联连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的钢轨牵引电流取电装置的应用，其特征在于：权利要求1-5任一项所述的钢轨牵引电流取电装置采集的能量通过整流电路为通电设备供电或被存储于能量存储设备中。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述能量存储设备采用相互独立的超级电容器和锂离子电池交叉存储。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：当有列车经过时钢轨（1）中有牵引电流流过，通过所述钢轨（1）牵引电流取电装置采集的能量经整流电路后同时给超级电容、锂电池以及用电设备供电；当钢轨（1）中电流消失后，存储在超级电容中的电能继续为锂电池及用电设备供电，待超级电容的电压下降至设定保护阈值VL时，则停止超级电容放电且转换为超级电容充电、锂电池放电模式，即采用锂电池为用电设备供电，当超级电容电压超过可放电上限阈值VH时，则再次切换为超级电容放电，锂电池充电模式。
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