CN113757065B - 一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，该传感俘能器包括：壳体：由壳体底板、侧面板和壳体顶盖构成，并且在左右侧面板上开设固定形成磁场的永磁体的凹槽；振动发电结构：包括相互整体连接的压电梁以及斜坡型金属栅，所述的斜坡型金属栅的上下两端分别通过弹簧与壳体底板和壳体顶盖弹性连接，使其能够随列车振动而上下运动，进而切割磁感线发电，并且结合压电梁内的压电陶瓷层共同提供电能；储能控制单元：包括设置在壳体内部的蓄电池、ECU模块和天线模块，所述的蓄电池分别通过导线与压电梁连接存储电能。与现有技术相比，本发明具有振动频率可调节、更换方便、支持无线充电、检测轨道平顺度等优点。

Description

一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器
技术领域
本发明涉及列车运行监控领域，尤其是涉及一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器。
背景技术
列车运行过程中安全问题以及我国“碳中和”“碳达峰”的要求，一直是备受关注的焦点。为了加快碳零排关键技术攻关，列车运行过程中安全问题一直是备受关注的焦点，在列车运行当中需要对老旧的列车设备进行布设传感器对列车进行监控，但传感器的布线问题一直受列车行车安全的限制，所以传感器的能源不能从列车内进行接线，因此需要对其进行添加一种有效的能源供应装置。
在地铁列车的运行当中，如何考虑接线问题，如何利用高频列车振动能量进行发电，并且如何解决压电陶瓷发电梁应对每条线路的地铁线路表达出的振动特性不一致问题，成为列车行业中关注的探究方向。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，既可以为列车所应用的二次加装的传感器进行供能，并且还可以对列车的振动进行数据采集，从而实现对列车的运行和轨道状态进行实时监控。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，用以利用列车振动实现发电，该传感俘能器包括：
壳体：由壳体底板、侧面板和壳体顶盖构成，并且在左右侧面板上开设固定形成磁场的永磁体的凹槽；
振动发电结构：包括相互整体连接的压电梁以及斜坡型金属栅，所述的斜坡型金属栅的上下两端分别通过弹簧与壳体底板和壳体顶盖弹性连接，使其能够随列车振动而上下运动，进而切割磁感线发电，并且结合压电梁内的压电陶瓷层共同提供电能；
储能控制单元：包括设置在壳体内部的蓄电池、ECU模块和天线模块，所述的蓄电池分别通过导线与压电梁连接存储电能，为ECU模块、天线模块和车载传感器供电，所述的ECU模块通过采集电压信号对列车轨道平顺度进行检测。
所述的壳体的左右侧面板的凹槽处分别通过凸型梁和栏杆合围形成固定永磁体的凹槽空间。
所述的凸型梁中部开设螺孔，通过橡胶头螺栓固定放置在凹槽空间内的永磁体，并且通过更换不同厚度的永磁体实现磁场强度的调节。
所述的压电梁为三层结构，包括顶部压电陶瓷层、中间的金属层以及底部压电陶瓷层，所述的顶部压电陶瓷层和底部压电陶瓷层分别通过导线与蓄电池连接。
所述的斜坡型金属栅由四条左右向倾斜设置的第一连杆、前后向相互平行连接在两根第一连杆之间的多根横杆以及竖向相互平行连接在两根第一连杆之间的多根支承杆，每根支承杆穿过压电梁固定后与金属层连接，用以通过金属层连接导线输出电能。
所述的壳体底板上表面和壳体顶盖下表面均设有用以连接弹簧的拉杆。
通过更换弹簧对压电梁的振动特性进行调节，并且通过改变弹簧与拉杆的连接长度调节预压力从而保护压电梁。
所述的壳体的前侧面设有抽拉式的滑盖，用以进行壳体内部的二次改造。
所述的列车车厢内设有配合斜坡型金属栅进行无线充电的无线充电发送端。
所述的壳体底板上设有用以对压电梁进行支撑限位的支撑板。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明可调节压电梁的振动频率，使之适应各种振动频率的环境，且压电梁、金属栅和连杆通过弹簧与壳体连接，可以有效对突发剧烈振动进行缓冲，保护拉电陶瓷不被破坏。
2、不用更换压电陶瓷的质量块，就可以达到调节压电梁振频的效果，减少更换质量块时对压电梁上压电陶瓷的损伤。
3、更换永磁体方便简单。
4、可以实现外部无线充电，金属栅形成的充电线圈可以作为无线充电的接收端，能够在行驶或者停车运行的情况下，通过无线充电技术，达到对俘能器内部电池的充电，进而俘能器能为更多电子设备进行供能，方便传感器无需拆卸就可以进行维护。
5、压电梁上附着上下两层压电陶瓷，所以在无线充电的过程中因为是通过相同振频进行充电，在列车不运行时，电磁线圈进行无线充电的过程中，压电陶瓷也在进行发电，所以增加了无线充电的效率。
6、通过振动发电量传输进内置ECU芯片对发电量进行记录，经过内置天线，传输到车载设备，对列车的车体振动进行记录，从而对轨道平顺度进行分析，有利于对轨道问题及时检修。
附图说明
图1为压电梁以及斜坡型金属栅示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明另一视角的结构示意图。
图4为压电梁结构示意图。
图5为压电梁以及斜坡型金属栅示正视图。
图6为橡胶头螺栓。
图中标记说明：
1、壳体顶盖，2、压电梁，3、支撑块，4、壳体底板，5、金属栅，6、拉杆，7、弹簧，8、固定支承杆，9、第一连杆，10、顶部压电陶瓷层，11、金属层，12、底部压电陶瓷层，13、永磁体A，14，永磁体B，15、栏杆，16、滑盖，17、凸型梁，18、螺孔，19、橡胶头螺栓，20、壳体，21、橡胶头，22、第二连杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明提供一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，在列车运营的过程中，用以为在轨道交通列车的二次加装传感器等用电设备提供电能，还可以为列车的运行状态进行实时监控以便于科研作业，具体介绍如下：
发电：如图1所示，本发明发电利用列车振动的能量将俘能器内部压电梁2进行激励，在没有在设置永磁体前，压电梁2中部的金属栅5会加大压电梁2的振动效果；在设置永磁体后，金属栅5构成多个并联的回路线圈，金属栅5上下两端分别通过弹簧7和拉杆6与壳体顶盖1和壳体底板4弹性连接，压电梁2在列车振动激励下带动金属栅5通过弹簧7上下振动，在振动过程中，金属栅5切割磁感线发电。
调节振频：现有设计基本是在压电梁上设置质量块，通过质量块的大小和重量来调节压电梁的最佳振动频率，使之与轨道内的振动频率特性匹配，得到最好的发电量，为了提高发电量目前大多使用磁铁充当质量块，但是因为受到压电梁本身结构尺寸的限制，所以磁铁强度很低导致外部增设线圈来提高电磁阻尼强度十分有限。因此，本发明通过更换永磁体A13和永磁体B14来改变穿过金属栅5的磁场强度，并且还能够通过改变永磁体的厚度实现对压电梁5振频的调节，使俘能器达到最佳的发电状态。
在凸型梁17的中央设置有螺孔18，可插入橡胶头螺栓19对不同厚度的永磁体进行固定，其中，橡胶头螺栓19头部为橡胶头21，对永磁体进一步保护。
永磁体在凸型梁17上方插入壳体20的左右两侧，在壳体20左右两侧均设有栏杆15，与橡胶头螺栓19相互配合对永磁体进行横向固定，还可以通过此栏杆设计，完成对内部电池、模块等的安装及维修工作，滑盖16可以进行抽拉，方便对壳体20内部装置进行二次改造，增加其他功能，金属栅5竖向固定的支承杆8与压电梁2中层的金属层10连接，并实现两者的整体固定。
在壳体20底部的支撑块32一侧空间内设置(如图5所示)电池、ECU模块以及天线等相关电子设备，ECU可对俘能器发出的电信号进行分析记录，经天线模块传输到云端，对振动数据进行分析处理，达到实时对列车轨道平顺度进行分析，为列车安全提供强有力的保障，有利于对轨道问题及时快速进行检修，以及列车运动状态感知。
并且该俘能器因为将金属栅5作为无线充电线圈，可以在列车行驶中还可以使用无线充电器在列车内对俘能器进行无线充电，以应对短时间增加多个传感器供电量不足的问题，并且在无线充电过程中，在压电梁上产生振动，能够增加无线充电的效率。
本发明通过数据感知可有效加快轨道交通运营的智慧化建设，以及避免从列车内接线、安全可靠有效采集实时列车振动等优点，推动交通强国的建设。本发明符合新能源行业零碳的要求，并且设计思路可以促进行业朝着绿色生活、绿色制造、绿色生产，包括绿色应用的方向发展。本发明可以在轨道安全领域提供一种新型技术，并且可以拓展到汽车、飞机、轮渡等交通领域。
最后有必要在此指出的是：以上仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，用以利用列车振动实现发电，其特征在于，该传感俘能器包括：
壳体(20)：由壳体底板(4)、侧面板和壳体顶盖(1)构成，并且在左右侧面板上开设固定形成磁场的永磁体的凹槽；
振动发电结构：包括相互整体连接的压电梁(2)以及斜坡型金属栅(5)，所述的斜坡型金属栅(5)的上下两端分别通过弹簧(7)与壳体底板(4)和壳体顶盖(1)弹性连接，使其能够随列车振动而上下运动，进而切割磁感线发电，并且结合压电梁(2)内的压电陶瓷层共同提供电能；
储能控制单元：包括设置在壳体(20)内部的蓄电池、ECU模块和天线模块，所述的蓄电池分别通过导线与压电梁(2)连接存储电能，为ECU模块、天线模块和车载传感器供电，所述的ECU模块通过采集电压信号对列车轨道平顺度进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，其特征在于，所述的壳体(20)的左右侧面板的凹槽处分别通过凸型梁(17)和栏杆(15)合围形成固定永磁体的凹槽空间。
3.根据权利要求2所述的一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，其特征在于，所述的凸型梁(17)中部开设螺孔(18)，通过橡胶头螺栓(19)固定放置在凹槽空间内的永磁体，并且通过更换不同厚度的永磁体实现磁场强度的调节。
4.根据权利要求1所述的一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，其特征在于，所述的压电梁(2)为三层结构，包括顶部压电陶瓷层(10)、中间的金属层(11)以及底部压电陶瓷层(12)，所述的顶部压电陶瓷层(10)和底部压电陶瓷层(12)分别通过导线与蓄电池连接。
5.根据权利要求4所述的一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，其特征在于，所述的斜坡型金属栅(5)由四条左右向倾斜设置的第一连杆(9)、前后向相互平行连接在两根第一连杆(9)之间的多根横杆以及竖向相互平行连接在两根第一连杆(9)之间的多根支承杆(8)，每根支承杆(8)在穿过压电梁(2)固定后与金属层(11)连接，用以通过金属层(11)连接导线输出电能。
6.根据权利要求1所述的一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，其特征在于，所述的壳体底板(4)上表面和壳体顶盖(1)下表面均设有用以连接弹簧(7)的拉杆(6)。
7.根据权利要求6所述的一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，其特征在于，通过更换弹簧(7)对压电梁(2)的振动特性进行调节，并且通过改变弹簧(7 )与拉杆(6)的连接长度调节预压力从而保护压电梁(2)。
8.根据权利要求1所述的一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，其特征在于，所述的壳体(20)的前侧面设有抽拉式的滑盖(16)，用以进行壳体(20)内部的二次改造。
9.根据权利要求1所述的一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，其特征在于，所述的列车车厢内设有配合斜坡型金属栅(5)进行无线充电的无线充电发送端。
10.根据权利要求1所述的一种自发电自感知轨道车辆用传感俘能器，其特征在于，所述的壳体底板(4)上设有用以对压电梁(2)进行支撑限位的支撑板(3)。
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