CN114499042A - 一种倍速电磁式旋转能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倍速电磁式旋转能量采集器，包括外壳，外壳内设置有固定架；所述固定架的顶部、底部和侧部均设置有开孔，顶部开孔内转动连接有上伞齿轮，底部开孔内转动连接有下伞齿轮，上伞齿轮和下伞齿轮同时与侧部开孔上转动连接的传动伞齿轮相啮合，固定架的顶端设置有基座；所述基座的顶端具有开口，基座底端具有穿入上伞齿轮并固定的下套筒，基座内具有与下套筒同轴的上套筒，上套筒的外部同轴设置有导磁环，基座内套设有与基座内壁相固定的环形磁铁，环形磁铁内同轴的设置有固定套设在导磁环外部的支架，支架上带有线圈绕组。本发明旨在提供一种能够增加磁铁与线圈之间的相对速度，无需考虑定子固定问题的电磁式旋转能量采集器。
Description
技术领域
本发明涉及能量采集技术领域，尤其涉及一种倍速电磁式旋转能量采集器。
背景技术
能量采集技术能将列车轮对的机械能转化为电能，为传感系统提供可靠、安全且免维护的电力来源。其中，电磁式能量采集技术借助列车的机械能使线圈和磁体产生相对运动，导致线圈中磁通量变化，根据法拉第电磁感应定律可知，线圈中形成感应电动势，最终实现机械能到电能的转化。现有电磁式能量收集技术主要存在以下问题：分体式定子-转子结构，磁能利用率低，需要借助额外的结构实现定子的固定；一体式定子-转子结构，利用配重实现线圈和磁铁的相对运动，外界转速较低时，功率密度较小。重力式旋转能量采集器，磁铁和线圈相对位移较小，输出电能微弱，转化效率较低。综上所述，电磁式旋转能量采集结构存在定子固定、功率密度较小以及转化效率低等问题。因此，现亟需一种能够增加磁铁与线圈之间的相对速度，提高转化效率，无需考虑定子固定问题的电磁式旋转能量采集器。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，旨在提供一种能够增加磁铁与线圈之间的相对速度，提高转化效率，无需考虑定子固定问题的电磁式旋转能量采集器。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现的：
一种倍速电磁式旋转能量采集器，包括外壳，所述外壳的顶端具有开口，外壳内设置有固定架；所述固定架的顶部、底部和侧部均设置有开孔，顶部开孔内转动连接有上伞齿轮，底部开孔内转动连接有下伞齿轮，上伞齿轮和下伞齿轮同时与侧部开孔上转动连接的传动伞齿轮相啮合，固定架的顶端设置有基座；所述基座的顶端具有开口，基座底端具有穿入上伞齿轮并固定的下套筒，基座内具有与下套筒同轴的上套筒，上套筒的外部同轴设置有导磁环，基座内套设有与基座内壁相固定的环形磁铁，环形磁铁内同轴的设置有固定套设在导磁环外部的支架；所述支架上带有线圈绕组，线圈绕组上连接有与支架平面大小相同的PCB电路板，PCB电路板顶端设置有空心轴；所述空心轴的底部具有穿过PCB电路板并套入导磁环内固定的连接套筒，连接套筒内固定设置由上套筒向下穿入下伞齿轮并与下伞齿轮固定连接的传动轴。
进一步的，所述PCB电路板上焊接有整流二极管、稳压电容、稳压二极管和输入引脚，所述输入引脚与线圈绕组相连接，输入引脚为整流二极管的输入端，所述稳压二极管和稳压电容并联且与稳压二极管、整流二极管的输出端相连，稳压二极管的两端连接输出引脚。
进一步的，所述PCB电路板为覆铜环氧纸质层压板，所述整流二极管、稳压电容和稳压二极管均为贴片式电子元件，整流二极管的型号为A7，减少输出压降，形成直流电压，稳压电容的电容量为100uF，稳压二极管的型号为MCC349B。
进一步的，所述固定架为具有三个安装面的框架结构，其中安装有传动伞齿轮的侧安装面厚度大于其他两个安装面的厚度，固定架的侧安装面以及底端均与外壳的内壁相固定。
进一步的，所述线圈绕组为漆包线材质，并采用三相电方式缠绕。
进一步的，所述环形磁铁为N-S磁极交替分布的铷磁铁。
进一步的，所述导磁环和导磁片为硅钢材质。
进一步的，所述空心轴和基座为铝材质。
进一步的，所述传动轴、上伞齿轮、下伞齿轮、传动伞齿轮和固定架均为非导磁H62铜材质。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明能够利用列车轮对的机械能通过传动轴、空心轴、上伞齿轮、下伞齿轮和传动伞齿轮的联动，使空心轴和基座之间转动方向相反，故与空心轴同步转动的线圈绕组和与基座同步转动的环形磁铁转动方向相反，因此线圈绕组和环形磁铁之间的相对速度加倍，实现了低转速下的高转化率。同时传动轴和套筒之间的转矩相互平衡，增加了结构的稳定性。而且环形磁铁包围了线圈绕组，不仅提高了磁场利用率，还减小了结构体积，增加了功率密度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的爆炸图；
图3为本发明中线圈绕组与支架的结构示意图；
图4为本发明中基座的结构示意图；
图5为本发明中PCB电路板的电路连接示意图；
图6为本发明在不同转速下的电压输出图。
附图标记：
1-线圈绕组，2-支架，3-导磁环，4-导磁片，5-空心轴，6-环形磁铁，7-基座，8-上伞齿轮，9-下伞齿轮，10-传动伞齿轮，11-第一轴承，12-第二轴承，13-第三轴承，14-PCB电路板，15-固定架，16-第四轴承，17-外壳，18-传动轴，71-上套筒，72-下套筒，141-整流二极管，142-稳压电容，143-稳压二极管，144-输入引脚，145-输出引脚。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图4所示，一种倍速电磁式旋转能量采集器，包括外壳17，所述外壳17的顶端具有开口，外壳17内设置有固定架15；所述固定架15的顶部、底部和侧部均设置有开孔，顶部开孔内转动连接有上伞齿轮8，底部开孔内转动连接有下伞齿轮9，上伞齿轮8和下伞齿轮9同时与侧部开孔上转动连接的传动伞齿轮10相啮合，固定架15的顶端设置有基座7；所述基座7的顶端具有开口，基座7底端具有穿入上伞齿轮8并固定的下套筒72，基座7内具有与下套筒72同轴的上套筒71，上套筒71的外部同轴设置有导磁环3，基座7内套设有与基座7内壁相固定的环形磁铁6，环形磁铁6内同轴的设置有固定套设在导磁环3外部的支架2；所述支架2上带有线圈绕组1，线圈绕组1上连接有与支架2平面大小相同的PCB电路板14，PCB电路板14顶端设置有空心轴5；所述空心轴5的底部具有穿过PCB电路板14并套入导磁环3内固定的连接套筒，连接套筒内固定设置由上套筒71向下穿入下伞齿轮9并与下伞齿轮9固定连接的传动轴18；所述环形磁铁6为N-S磁极交替分布的铷磁铁。
如图5所示，所述PCB电路板14上焊接有整流二极管141、稳压电容142、稳压二极管143和输入引脚144，所述输入引脚144与线圈绕组1相连接，输入引脚144为整流二极管141的输入端，所述稳压二极管143和稳压电容142并联且与稳压二极管143、整流二极管141的输出端相连，稳压二极管143的两端连接输出引脚144。所述PCB电路板14为覆铜环氧纸质层压板，所述整流二极管141、稳压电容142和稳压二极管143均为贴片式电子元件，整流二极管141的型号为A7，减少输出压降，形成直流电压，稳压电容142的电容量为100uF，稳压二极管143的型号为MCC349B，直流电压经稳压电容142和稳压二极管143形成稳定的直流电压。
其中，所述固定架15为具有三个安装面的框架结构，其中安装有传动伞齿轮10的侧安装面厚度大于其他两个安装面的厚度，固定架15的侧安装面以及底端均与外壳17的内壁相固定，使固定架15有较大的重力矩，利于固定架15和三个伞齿轮正常的工作。
其中，所述线圈绕组1为漆包线材质，并采用三相电方式缠绕，增加输出的稳定性。
其中，所述导磁环3和导磁片4为硅钢材质，与环形磁铁6形成穿过线圈绕组1的径向磁感线，使得线圈绕组1始终切割磁感线。
其中，所述空心轴5和基座7为铝材质，防止磁场泄露以及屏蔽外磁场，使得线圈绕组1处于稳定的磁场中。
其中，所述传动轴18、上伞齿轮8、下伞齿轮9、传动伞齿轮10和固定架15均为非导磁H62铜材质，防止上述结构影响线圈绕组1的磁场。
本发明能够利用列车轮对的机械能驱动空心轴5旋转，使空心轴5以及与空心轴5同轴固定连接的传动轴18、导磁环3随外界动力同向旋转。随即固定套设在导磁环3外部的支架2，固定套设在传动轴18上的下伞齿轮9随外界动力同向旋转。由于基座7的上套筒71与传动轴18之间设置有第四轴承16，上套筒71不随外界动力同向旋转。
当下伞齿轮9随外界动力同向旋转，与传动伞齿轮10相啮合的上伞齿轮8由于传动伞齿轮10的传导而随外界动力反向旋转。由于上伞齿轮8仅套装在传动轴18上并未固定，故上伞齿轮8和传动轴18之间的反向旋转互不干扰。当上伞齿轮8随外界动力反向旋转，套在上伞齿轮8内并固定的下套筒72同样随外界动力反向旋转，致使基座7随外界动力反向旋转，从而让固定在基座7内壁的环形磁铁6随外界动力反向旋转。最终，支架2上的线圈绕组1随外界动力同向旋转，环形磁铁6随外界动力反向旋转，使线圈绕组1和环形磁铁6之间的相对速度加倍，实现了低转速下的高转化率。同时传动轴18和上套筒71、下套筒72之间为同轴转动，转矩相互平衡，增加了结构的稳定性。而且环形磁铁6包围了线圈绕组1，不仅提高了磁场利用率，还减小了结构体积，增加了功率密度。
其中，上伞齿轮8与固定架15之间设置有第一轴承11，下伞齿轮9与固定架15之间设置有第二轴承12，传动伞齿轮10与固定架15之间设置有第三轴承13，使三个伞齿轮能够在固定架15上旋转。
本实施例中线圈绕组1为直径为0.1mm高导电漆包铜线，线圈绕组1按照三相电Y型连接方式缠绕于支架2的矩形结构上，每相电的缠绕长度为15m，线圈绕组1的端部连接PCB电路板14的输入引脚144。支架2为聚乙烯绝缘架，支架2外侧为间隔40°环向阵列布置的扇环结构，其圆心角为30°，外径为20mm，厚度为1mm，高度为7mm；支架2内侧为内径为10mm，厚度为1mm，高度为7mm的筒状结构；支架2的内外侧通过长为5mm，高为4mm，厚为2mm的矩形结构连接。导磁环3内径为9.7mm，厚为0.5mm，高为7mm，导磁环3嵌套在支架2的内侧，镶嵌深度为0.35mm。导磁片4圆心角为30°，高度为7mm，厚度为0.5mm，完全镶嵌在支架2的扇环结构中。空心轴5内径为3mm，外径为9.7mm，高度为4mm，对称布置有M2的螺纹孔，M2中心距离上端1.25mm，通过长为2mm的M2顶丝将传动轴18固定于空心轴5的内侧，镶嵌有导磁环3的支架2的内侧固定于空心轴5的外侧。基座7的内径为22.4mm，高为10mm，侧壁厚为1mm，底壁厚为1mm；上套筒71的内径为5mm，厚度为1mm，高度为4mm；下套筒72内径为3mm，厚度为1mm，高度为5mm。
传动轴18的直径为3mm，长度为37mm，传动轴18上端通过长为2mm的M2顶丝将其固定于空心轴5的内侧，并穿过上套筒71、下套筒72、上伞齿轮8和下伞齿轮9的孔径。第四轴承16的内径为3mm，外径为5mm，高度为3.5mm，第四轴承16镶嵌于上套筒71内部。上伞齿轮8、下伞齿轮9和传动伞齿轮10模数为0.5模，齿数为25，轮毂径为8mm，轮毂长为5mm，压力角为20°，距离轮毂端2.5mm处对称部布置有M3的螺纹孔。内孔径为5mm的上伞齿轮8通过长为1.5mm的M3顶丝将其固定于下套筒72的外侧，内孔径为3mm的下伞齿轮9通过长为2.5mm的M3顶丝将其固定于传动轴18的下端，内孔径为3mm的，传动伞齿轮10同时与上伞齿轮8和下伞齿轮9相啮合。第一轴承11、第二轴承12和第三轴承13均为内径为8mm，外径为12mm，高度为3.5mm的深沟球齿轮轴承。第一轴承11安装在上伞齿轮8的轮毂上，且外侧距离轮毂端部为1.5mm；第二轴承12安装在下伞齿轮9的轮毂上，且外侧距离轮毂端部为1.5mm；第三轴承13安装在传动伞齿轮10的轮毂上，且外侧距离轮毂端部为1.5mm。固定架10的外侧长为22mm，外侧宽为20mm，高为20mm，固定架10的上平面厚度为4mm，其上布置有直径为12mm的通孔，通孔中心距离外端部8mm，固定架10的下平面厚度为4mm，其上布置有直径为12mm的通孔，通孔中心距离外端部8mm，固定架10的侧面厚度为5mm，其上布置有直径为12mm的通孔，通孔中心距离上端部11mm。
PCB电路板14，PCB电路板14内径为9.7mm，外径为22.4mm，厚为1mm的环状结构，PCB电路板14安装于空心轴5的上侧；A7整流二极管141、容量为100uF耐压为12V的稳压电容142和MCC349B稳压二极管143组成全桥整流稳压电路，全桥整流稳压电路包括3个输入引脚144和两个输出引脚145，线圈绕组1的输出端焊接于输入引脚144，输出引脚145连接无线传感网络；整流二极管141、稳压电容142、稳压二极管143、输入引脚144和输出引脚145全部布置在PCB电路板14上。
外壳17外侧长为39.5mm，外侧宽为32mm，外侧高为29mm，壁厚2mm，其中与固定架15相连的一侧壁厚为5mm，上端和空心轴5平齐。线圈绕组1切割导磁环3、导磁片4和环形磁铁6形成的径向磁感线，导致线圈绕组1产生感应电动势，其在420-820rpm下的输出电压如图6所示。
在420-820rpm的外界转速下，本发明的输出电压和外界转速成正相关，从而可通过输出电压判断列车的工作工况，实现自供电、免维护、实时监测的无线传感健康监测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种倍速电磁式旋转能量采集器，包括外壳(17)，其特征在于：所述外壳(17)的顶端具有开口，外壳(17)内固定设置有固定架(15)；所述固定架(15)的顶部、底部和侧部均设置有开孔，顶部开孔内转动连接有上伞齿轮(8)，底部开孔内转动连接有下伞齿轮(9)，上伞齿轮(8)和下伞齿轮(9)同时与侧部开孔上转动连接的传动伞齿轮(10)相啮合，固定架(15)的顶端设置有基座(7)；所述基座(7)的顶端具有开口，基座(7)底端具有穿入上伞齿轮(8)并固定的下套筒(72)，基座(7)内具有与下套筒(72)同轴的上套筒(71)，上套筒(71)的外部同轴设置有导磁环(3)，基座(7)内套设有与基座(7)内壁相固定的环形磁铁(6)，环形磁铁(6)内同轴的设置有固定套设在导磁环(3)外部的支架(2)；所述支架(2)上带有线圈绕组(1)，线圈绕组(1)上连接有与支架(2)平面大小相同的PCB电路板(14)，PCB电路板(14)顶端设置有空心轴(5)；所述空心轴(5)的底部具有穿过PCB电路板(14)并套入导磁环(3)内固定的连接套筒，连接套筒内固定设置由上套筒(71)向下穿入下伞齿轮(9)并与下伞齿轮(9)固定连接的传动轴(18)。
2.根据权利要求1所述的一种倍速电磁式旋转能量采集器，其特征在于：所述PCB电路板(14)上焊接有整流二极管(141)、稳压电容(142)、稳压二极管(143)和输入引脚(144)，所述输入引脚(144)与线圈绕组（1)相连接，输入引脚(144)为整流二极管(141)的输入端，所述稳压二极管(143)和稳压电容(142)并联且与稳压二极管(143)、整流二极管(141)的输出端相连，稳压二极管(143)的两端连接输出引脚(145)。
3.根据权利要求2所述的一种倍速电磁式旋转能量采集器，其特征在于：所述PCB电路板(14)为覆铜环氧纸质层压板，所述整流二极管(141)、稳压电容(142)和稳压二极管(143)均为贴片式电子元件，整流二极管(141)的型号为A7，减少输出压降，形成直流电压，稳压电容(142)的电容量为100uF，稳压二极管(143)的型号为MCC349B。
4.根据权利要求1所述的一种倍速电磁式旋转能量采集器，其特征在于：所述固定架(15)为具有三个安装面的框架结构，其中安装有传动伞齿轮(10)的侧安装面厚度大于其他两个安装面的厚度，固定架(15)的侧安装面以及底端均与外壳(17)的内壁相固定。
5.根据权利要求1所述的一种倍速电磁式旋转能量采集器，其特征在于：所述线圈绕组(1)为漆包线材质，并采用三相电方式缠绕。
6.根据权利要求1所述的一种倍速电磁式旋转能量采集器，其特征在于：所述环形磁铁(6)为N-S磁极交替分布的铷磁铁。
7.根据权利要求1所述的一种倍速电磁式旋转能量采集器，其特征在于：所述导磁环(3)和导磁片(4)为硅钢材质。
8.根据权利要求1所述的一种倍速电磁式旋转能量采集器，其特征在于：所述空心轴(5)和基座(7)为铝材质。
9.根据权利要求1所述的一种倍速电磁式旋转能量采集器，其特征在于：所述传动轴(18)、上伞齿轮(8)、下伞齿轮(9)、传动伞齿轮(10)和固定架(15)均为非导磁H62铜材质。
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