CN114337369A - 一种电力机车转向架自供能振动能量收集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力机车转向架自供能振动能量收集系统，包括自供能振动能量收集器，所述自供能振动能量收集器用来收集电力机车行驶过程中转向架所产生的垂直振动和/或横向振动能量。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、易实现等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到轨道交通技术领域，特指一种电力机车转向架自供能振动能量收集系统。
背景技术
电力机车从接触网或者电气化铁轨获取电能，通过电动机驱动列车在轨道上高速运行。电力机车凭借其功率大、牵引力大、加速快、清洁环保等优势不断发展与应用，电气化铁路系统也不断扩张。随着电力机车车速的不断提升，为保证车辆的稳定性和乘坐舒适度，电力机车核心部件之一的转向架起着至关重要的作用。转向架直接与铁轨接触，起着支撑车体、保证电力机车安全运行的作用；转向架与电力机车经由弹簧减振装置连接，起到减振的作用，使得转向架在电力机车高速行驶过程中产生的振动不会传导至电力机车车体，提高车辆稳定性。
目前，在列车转向架或车底进行测试实验的传感器或其他设备需要接入电力机车的电力系统，这就直接造成了操作的不便；而转向架在电力机车高速行驶时所产生的振动经过弹簧减震滤除，造成了振动资源的浪费。
现有基于共振的发电机虽然能够实现大功率发电输出，但这样的发电机体积过大，不便于安装。虽然非共振发电机有便携优势，但无法从放大的共振因素中获益，发电效率较低；并且利用单一的机械运动发电方式，在列车低速行驶时产生的低频振动下难以实现稳定的发电输出。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、易实现的电力机车转向架自供能振动能量收集系统。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种电力机车转向架自供能振动能量收集系统，包括自供能振动能量收集器，所述自供能振动能量收集器用来收集电力机车行驶过程中转向架所产生的垂直振动和/或横向振动能量。
作为本发明的进一步改进：所述自供能振动能量收集器包括发电机模块，所述发电机模块为压电发电机、电磁发电机、自供能发电机中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进：所述自供能振动能量收集器包括一个丙烯酸管，所述丙烯酸管内放置NdFeB磁铁作为滑块，与贴于丙烯酸管外侧的四个线圈构成电磁发电装置。
作为本发明的进一步改进：所述自供能振动能量收集器包括一个丙烯酸管，所述丙烯酸管内放置NdFeB磁铁作为滑块，所述NdFeB磁铁与丙烯酸管外侧中心处两个极性相反的磁铁以及两端的单晶压电悬臂和双晶压电悬臂构成压电发电装置。
作为本发明的进一步改进：所述自供能振动能量收集器包括一个丙烯酸管，所述丙烯酸管内放置NdFeB磁铁作为滑块，覆盖于所述NdFeB磁铁滑块上下表面的铝电极与丙烯酸管内表面附着在具有两个铜电极的聚四氟乙烯薄膜构成摩擦自供能装置。
作为本发明的进一步改进：所述自供能振动能量收集器置于所述载体盒内，所述载体盒固定于列车的转向架上。
作为本发明的进一步改进：所述自供能振动能量收集器采用垂直布置方式装载在所述载体盒的内壁。
作为本发明的进一步改进：所述所述载体盒通过胶粘的方式附着在转向架上。
作为本发明的进一步改进：所述自供能振动能量收集器还包括储能模块，所述储能模块与发电机模块相连，用来将发电机模块产生的电能储存起来。
作为本发明的进一步改进：所述自供能振动能量收集器产生的电流，经桥式整流电路进行整流输出，经过通电导线输出。
作为本发明的进一步改进：还包括储能或无线充电模块，所述储能或无线充电模块通过通电导线与所述自供能振动能量收集器相连。
作为本发明的进一步改进：所述储能或无线充电模块为储能设备时，所述自供能振动能量收集器用来对储能设备进行充电，直到充满断电；所述储能或无线充电模块为无线充电装置时，所述自供能振动能量收集器用来对无线充电装置供电。
与现有技术相比，本发明的优点就在于：
1、本发明的电力机车转向架自供能振动能量收集系统，结构简单紧凑、成本低廉、易实现，能够合理利用由电力机车在行驶过程中由转向架产生的振动能量，可以解决在转向架或车底进行测试实验的传感器或其他设备由于临时接入电力机车电力系统所带来的不便。本发明解决了传统振动发电机无法同时兼顾便携性与发电输出低下的问题和仅利用单一的机械运动发电方式无法满足测试设备供电需求的问题，本发明是一种压电、电磁、自供能混合动力的振动发电系统。
2、本发明的电力机车转向架自供能振动能量收集系统，利用一种压电、电磁、自供能混合动力的能量收集装置，获取由电力机车在运行过程中转向架的振动产生的能量并转换成电能，以解决振动能量浪费的问题，以及解决转向架或车底测试设备或传感器供电不便的问题，有着重要的工程实用价值。
附图说明
图1是本发明在具体应用实例中结构原理示意图。
图2是本发明在具体应用实例中自供能振动能量收集器的结构原理示意图。
图3是本发明在具体应用实例中的工作流程示意图。
图例说明：
1、载体盒；2、自供能振动能量收集器；3、供电导线；4、储能装置或无线充电模块；5、转向架；201、丙烯酸管；202、NdFeB磁铁；203、线圈；204、磁铁；205、单晶压电悬臂；206、双晶压电悬臂；207、铝电极；208、铜电极；209、聚四氟乙烯薄膜。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明的一种电力机车转向架自供能振动能量收集系统，包括载体盒1和自供能振动能量收集器2。所述载体盒1固定于列车的转向架5上，自供能振动能量收集器2置于所述载体盒1内，实现发电与储能于一体的振动发电系统。
在具体应用实例中，所述自供能振动能量收集器2包括发电机模块和储能模块，所述储能模块与发电模块相连，将由转向架5振动发电产生的电能进行储存，以供用电设备的使用。
其中，发电机模块采用三种发电方式混合的方式，利用压电发电机、电磁发电机和自供能发电结合，构成了七元稳定非线性系统，实现了一种新型的七元稳定非线性增强机械频率上转换机制的振动发电系统。
在具体应用实例中，本发明的自供能振动能量收集器2包括一个矩形的丙烯酸管201，所述矩形丙烯酸管201内放置NdFeB磁铁202作为滑块，与贴于矩形的丙烯酸管201外侧的四个线圈203构成电磁发电装置；而作为滑块的所述NdFeB磁铁202与丙烯酸管201外侧中心处两个极性相反的磁铁204以及两端的单晶压电悬臂205和双晶压电悬臂206构成压电发电装置；覆盖于NdFeB磁铁202滑块上下表面的铝电极207(铝薄膜)与丙烯酸管202内表面附着在具有两个铜电极208的聚四氟乙烯薄膜209(Poly tetra fluoroethylene，PTFE)构成摩擦自供能装置。
采用本发明的上述结构后，该七元稳定非线性系统具有七种稳定态，不仅结合了共振和非共振行为，实现了高效率发电和更宽的工作带宽，覆盖了电力机车低速行驶下转向架5所产生的低频振动，而且通过井间运动显著提高了机械频率上转换过程的输出性能。
在具体应用实例中，所述载体盒1为一个金属盒，该盒体高100mm，底座厚度为10mm，各面厚度为2mm，材质为6061铝合金，通过胶粘的方式附着在转向架5上。
在具体应用实例中，自供能振动能量收集器2的尺寸为63×28×20.1mm，采用垂直布置方式装载在所述载体盒1的内壁。
在具体应用实例中，储能装置或无线充电装置4安装在转向架5上，通过通电导线3与自供能振动能量收集器2连接。
在具体应用实例中，本发明还包括储能或无线充电模块4，当储能或无线充电模块4为储能设备时，所述自供能振动能量收集器2用来对储能设备进行充电，直到充满断电。当储能或无线充电模块4为无线充电装置时，所述自供能振动能量收集器2用来对无线充电装置供电。
本发明电力机车转向架自供能振动能量收集系统的工作过程如下：
转向架5在列车行驶的过程中产生61Hz的垂直振动以及41Hz的横向振动。自供能振动能量收集器2内的滑动永磁体滑块在垂直振动和横向振动的作用下上下滑动，撞击上下两端的压电材料滑块和悬臂经历很短时间的耦合，根据压电效应产生压电电流。
磁体滑块在滑动过程中经过线圈，使得穿过线圈的磁通量增加，根据楞次定律，在不同方向的线圈中以相反的反向产生电流。
磁体滑块上的铝电极207在滑动过程中与PTFE发生相对位移，使得两个铜电极208之间产生不同的感应电位，驱动电子在两个铜电极208之间流动，产生感应电流。
产生电流，桥式整流电路进行整流输出，经过通电导线3输出。
当储能或无线充电模块4为储能设备时，自供能振动能量收集器2用来对储能设备进行充电，直到充满断电。
当储能或无线充电模块4为无线充电装置时，自供能振动能量收集器2用来对无线充电装置供电。
由上可知，本发明电力机车转向架自供能振动能量收集系统，使用自供能振动能量收集器，建立转向架供电系统，解决了转向架传感器无法从车体进行供电的难题，合理利用了电力机车在行驶过程中转向架5所产生的垂直振动与横向振动能量，节能环保，可靠性高。
参见图3，本发明在一个具体应用实例中，其具体步骤包括：
步骤S1：压电材料发电。
作为滑块的所述NdFeB磁铁202在转向架5的振动下进行滑动，并且被矩形的丙烯酸管201限制其单一方向的运动，它与嵌入在管上、下孔的两个小固定磁铁204的相互作用作为磁弹簧；当滑块撞击到两端的压电悬臂，滑块和悬臂经历很短时间的耦合，进而使悬臂以较高的谐振频率下以指数衰减振动，从而诱导机械频率上转换机制。压电悬臂变形，基于压电效应，产生电荷；
步骤S2：电磁发电。
作为滑块的所述NdFeB磁铁202在矩形的丙烯酸管201内滑动经过线圈203，使得穿过线圈203的磁通量增加，根据楞次定律，在不同方向的线圈中以相反的反向产生电流；
步骤S3：自供能发电。
作为滑块的所述NdFeB磁铁202上的铝电极207与PTFE发生相对位移，使得两个铜电极208之间产生不同的感应电位，驱动电子在两个铜电极208之间流动从而产生感应电流；
步骤S4：整流。
在振动发电的过程中，电磁发电结构具有较低的内部阻抗和较高的电流输出，而压电和自供能结构具有更高的内部阻抗和更高的输出电压，为了避免这三个结构同时工作时的产生较大的内部功耗以及阻抗不匹配导致输出功率较低，本发明进一步根据实际需要，可以选择使用桥式整流电路来组合每个单元的电力输出。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种电力机车转向架自供能振动能量收集系统，其特征在于，包括自供能振动能量收集器(2)，所述自供能振动能量收集器(2)用来收集电力机车行驶过程中转向架(5)所产生的垂直振动和/或横向振动能量。
2.根据权利要求1所述的电力机车转向架自供能振动能量收集系统，其特征在于，所述自供能振动能量收集器(2)包括发电机模块，所述发电机模块为压电发电机、电磁发电机、自供能发电机中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的电力机车转向架自供能振动能量收集系统，其特征在于，所述自供能振动能量收集器(2)包括一个丙烯酸管(201)，所述丙烯酸管(201)内放置NdFeB磁铁(202)作为滑块，与贴于丙烯酸管(201)外侧的四个线圈(203)构成电磁发电装置。
4.根据权利要求2所述的电力机车转向架自供能振动能量收集系统，其特征在于，所述自供能振动能量收集器(2)包括一个丙烯酸管(201)，所述丙烯酸管(201)内放置NdFeB磁铁(202)作为滑块，所述NdFeB磁铁(202)与丙烯酸管(201)外侧中心处两个极性相反的磁铁(204)以及两端的单晶压电悬臂(205)和双晶压电悬臂(206)构成压电发电装置。
5.根据权利要求2所述的电力机车转向架自供能振动能量收集系统，其特征在于，所述自供能振动能量收集器(2)包括一个丙烯酸管(201)，所述丙烯酸管(201)内放置NdFeB磁铁(202)作为滑块，覆盖于所述NdFeB磁铁(202)滑块上下表面的铝电极(207)与丙烯酸管(202)内表面附着在具有两个铜电极(208)的聚四氟乙烯薄膜(209)构成摩擦自供能装置。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的电力机车转向架自供能振动能量收集系统，其特征在于，所述自供能振动能量收集器(2)置于所述载体盒(1)内，所述载体盒(1)固定于列车的转向架(5)上。
7.根据权利要求6所述的电力机车转向架自供能振动能量收集系统，其特征在于，所述自供能振动能量收集器(2)采用垂直布置方式装载在所述载体盒(1)的内壁。
8.根据权利要求6所述的电力机车转向架自供能振动能量收集系统，其特征在于，所述所述载体盒(1)通过胶粘的方式附着在转向架(5)上。
9.根据权利要求2-5中任意一项所述的电力机车转向架自供能振动能量收集系统，其特征在于，所述自供能振动能量收集器(2)还包括储能模块，所述储能模块与发电机模块相连，用来将发电机模块产生的电能储存起来。
10.根据权利要求1-5中任意一项所述的电力机车转向架自供能振动能量收集系统，其特征在于，所述自供能振动能量收集器(2)产生的电流，经桥式整流电路进行整流输出，经过通电导线(3)输出。
11.根据权利要求10所述的电力机车转向架自供能振动能量收集系统，其特征在于，还包括储能或无线充电模块(4)，所述储能或无线充电模块(4)通过通电导线(3)与所述自供能振动能量收集器(2)相连。
12.根据权利要求11所述的电力机车转向架自供能振动能量收集系统，其特征在于，所述储能或无线充电模块(4)为储能设备时，所述自供能振动能量收集器(2)用来对储能设备进行充电，直到充满断电；所述储能或无线充电模块(4)为无线充电装置时，所述自供能振动能量收集器(2)用来对无线充电装置供电。
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| CN114337369B (zh) | 2024-04-09 |
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