CN114825763A - 一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置 - Google Patents

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徐宇秋
杨晓峰
刘雁玲
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韩艳秋
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Abstract

本发明公开了一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置，所述装置包括缸筒(14)，所述缸筒(14)内设有工作腔(17)，所述缸筒(14)下端与下吊耳10固定连接，所述缸筒(14)上端容纳有直线电机动子轴(2)，所述直线电机动子轴(2)一端伸出缸筒(14)并与上吊耳(1)固定连接，所述直线电机动子轴(2)另一端通过固定罩(5)连接两个曲柄连杆传动机构(6)；所述工作腔(17)内设有直线电机和两个旋转电机，其中，直线电机通过两个曲柄连杆传动机构(6)与两个旋转电机连接。

Description

一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置
技术领域
本发明涉及一种能量回收装置，具体涉及一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置。
背景技术
轮毂驱动汽车作为交通运输的主要工具无疑是能源消耗大户，能源紧张与之十分密切。因此，在现有的基础环境下，开发可以回收汽车废弃能量——振动能量的相关技术，将振动激励转换为电能储存，是十分需要的。这样也可以增加新能源汽车行驶里程，并且间接性地提高新能源汽车的适用性。
现阶段对于振动能量回收装置主要分为压电式、液压式和机械式三种模式，如专利CN106505910A一种压电式振动能量回收装置及集成传感能量回收系统，这种压电式能量回收装置利用压电材料进行振动能量回收，虽然其灵敏度较高，但是其产生的电能相对较低。液压式能量回收装置主要利用液压传动系统，将车辆行驶时伴随的振动能量通过一定的转换条件转化为液压的势能或者电能进行储存或者应用。如专利CN110107467A液压式振动能量回收装置及减速带能量回收系统，但是质量好的液压元件其造价又相当昂贵，而且附加的质量又很高，其对汽车的改变量较大。机械式能量回收装置振动基本利用电磁学，将振动过程汽车与路面的相对运动转化为线圈的切割磁感线运动，从而产生电能。如专利CN110083911A—种电磁振动能量回收系统的建模优化方法，机械式相对于压电式优点为转化电能相对于较高，相对于液压式优点为质量低，价格低。目前机械式采用较多，机械式分为直线电机式和旋转电机式。如专利CN11946764A一种曲柄连杆式机电惯容器装置，但能把直线与旋转两种工作模式的结合的轮毂驱动汽车振动能量回收装置，当前国内外研究较少，且装置能量回收效果不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种振动能量回收机构，以解决上述背景技术中所面临的问题。
本发明技术方案为：一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置，所述装置包括缸筒(14)，所述缸筒(14)内设有工作腔(17)，所述缸筒(14)下端与下吊耳10固定连接，所述缸筒(14)上端容纳有直线电机动子轴(2)，所述直线电机动子轴(2)一端伸出缸筒(14)并与上吊耳(1)固定连接，所述直线电机动子轴(2)另一端通过固定罩(5)连接两个曲柄连杆传动机构(6)；所述工作腔(17)内设有直线电机和两个旋转电机，其中，直线电机通过两个曲柄连杆传动机构(6)与两个旋转电机连接。
进一步地，其中，两个旋转电机关于两个曲柄连杆传动机构(6)对称布置。
进一步地，两个旋转电机的电机轴位于同一直线，且两个旋转电机的电机轴与直线电机动子轴(2)在空间上垂直布置。
进一步地，其中，所述直线电机包括：直线电机动子轴(2)，直线电机绕组(3)，直线电机动子磁极(4)，直线电机动子磁轭(15)，直线电机定子(16)；直线电机动子磁极(4)与直线电机动子磁轭(15)均固定在直线电机动子轴(2)上，缸筒(14)的内侧壁沿径向呈圆形矩阵固定有直线电机定子(16)，直线电机定子(16)内均布有直线电机绕组(3)。
进一步地，两个旋转电机结构相同，其中，每个旋转电机包括：旋转电机壳体(7)，旋转电机轴(8a、8b)，旋转电机右端盖轴承(9)，旋转电机定子(11)，旋转电机中心转子(12)，旋转电机左端盖轴承(13)；其中，旋转电机轴通过旋转电机右端盖轴承(9)和旋转电机左端盖轴承(13)进行旋转固定在旋转电机壳体内部，旋转电机轴周围设有旋转电机中心转子，且旋转电机中心转子固定在旋转电机轴上，旋转电机定子固定在旋转电机壳体上。
进一步地，2个曲柄连杆传动机构(6)结构相同，每个曲柄连杆传动机构(6)包括：固定轴(61)，第一连杆(62a)和第二连杆(62b)的一端均固定连接在固定轴(61)上，第一连杆(62a)的另一端与第一曲柄(63a)的一端固定连接，第二连杆(62b)的另一端与第二曲柄(63b)的一端固定连接，第一曲柄(63a)的另一端与第一旋转电机轴8a固定连接，第二曲柄(63b)的另一端与第二旋转电机轴(8b)固定连接。
进一步地，所述直线电机动子轴(2)可在工作腔(17)内径向做直线往复运动，旋转电机轴与固联的旋转电机中心转子可在旋转电机壳体内做旋转运动。
进一步地，该装置的能量回收功率P为：
Figure BDA0003615301780000021
其中，P1为单个旋转电机产生输出功率，P2为直线电机产生的输出功率，Ke为旋转电机的电动势系数，Ka为直线电机的电动势系数，R1为旋转电机外端回收电路电阻，r1为旋转电机内阻，R2为直线电机外端回收电路电阻，r2为直线电机内阻，v为直线电机速度，ω0为曲柄连杆传动机构的角速度。
有益效果：本装置采用机械模式进行能量回收，和专利CN106505910A相比，能产生较多的电能；和专利CN110107467A相比，能提高能量回收的经济性，减轻车身质量；和专利CN11946764A相比，当以单向充电的超级电容器进行能量回收时，所产生的交流电只有半个周期内可以进行能量回收并且频繁的充断电会导致电容器发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，增大电容器崩溃的可能性。综上，本发明所提出的方案中两个旋转电机可实现同一时间的正反转，可以给超级电容提供稳定的全周期充电电流，增大能量回收效率，延长超级电容的寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置的结构示意图。
图2为曲柄连杆传动路线的示意图。
图3为曲柄连杆传动机构的示意图。
附图标记说明：
1-上吊耳，2-直线电机动子轴，3-直线电机绕组，4-直线电机动子磁极，5-固定罩，6-曲柄连杆传动机构，7-旋转电机壳体，8a-第一旋转电机轴，8b-第二旋转电机轴，9-旋转电机右端盖轴承，10-下吊耳，11-旋转电机定子，12-旋转电机中心转子，13-旋转电机左端盖轴承，14-缸筒，15-直线电机动子磁轭，16-直线电机定子，17-工作腔，61-固定轴，62a-第一连杆，62b-第二连杆，63a-第一曲柄，63b-第二曲柄。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置，包括缸筒14，所述缸筒14内设有工作腔17。所述缸筒14下端与下吊耳10固定连接，所述缸筒14上端容纳有直线电机动子轴2，所述直线电机动子轴2一端伸出缸筒14并与上吊耳1固定连接，所述直线电机动子轴2另一端与固定罩5固定连接。
其中，上吊耳1与隔振系统上端点固定连接，下吊耳10与隔振系统下端点固定连接。
所述工作腔17内设有直线电机和两个对称布置的旋转电机。其中，直线电机包括：直线电机动子轴2，直线电机绕组3，直线电机动子磁极4，直线电机动子磁轭15，直线电机定子16。直线电机动子磁极4与直线电机动子磁轭15均固定在直线电机动子轴2上，缸筒14的内侧壁沿径向呈圆形矩阵固定有直线电机定子16，直线电机定子16内均布有直线电机绕组3。
如图2-3所示，所述固定罩5中设置有2个曲柄连杆传动机构6，其包括：固定轴61，第一连杆62a和第二连杆62b的一端均固定连接在固定轴61上，第一连杆62a的另一端与第一曲柄63a的一端固定连接，第二连杆62b的另一端与第二曲柄63b的一端固定连接，第一曲柄63a的另一端与第一旋转电机轴8a固定连接，第二曲柄63b的另一端与第二旋转电机轴8b固定连接。
如图1所示，其中，两个旋转电机结构相同，在此仅对一个电机结构进行描述。每个旋转电机包括：旋转电机壳体7，旋转电机轴8a、8b，旋转电机右端盖轴承9，旋转电机定子11，旋转电机中心转子12，旋转电机左端盖轴承13。其中，旋转电机轴通过旋转电机右端盖轴承9和旋转电机左端盖轴承13进行旋转固定在旋转电机壳体内部，旋转电机轴周围设有旋转电机中心转子，且旋转电机中心转子固定在旋转电机轴上，旋转电机定子固定在旋转电机壳体上。
所述直线电机动子轴2可在工作腔17内径向做直线往复运动，旋转电机轴与固联的旋转电机中心转子可在旋转电机壳体内做旋转运动。
以图1所示的一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置为例，其工作过程为：
当上吊耳1与下吊耳10之间产生压缩或拉伸运动时，上吊耳1相对于缸筒14和下吊耳10做往复直线运动，此时与固定罩5固连的2个曲柄连杆旋转机构6带动下方的两个旋转电机做旋转运动。在此运动过程中，旋转电机轴作为输入端，与旋转电机轴相连的旋转电机中心转子也相对于旋转电机定子做切割磁感线运动，带动旋转电机发电，在外端电路产生感应电压。
与此同时，固定在缸筒14上的直线电机定子16相对于直线电机动子轴2做径向相对直线运动，直线电机动子磁极4与直线电机动子磁轭15相对于直线电机定子16做切割磁感线运动，带动直线电机发电，在外端电路产生感应电压。
该装置可与超级电容配合使用，两个旋转电机可实现同一时间的正反转，可以给超级电容提供稳定的全周期充电电流，在延长超级电容的寿命的同时，将电能的回收效率实现最大化。
以图2所示的曲柄连杆传动机构6，下述为具体阐释：
当上吊耳1与下吊耳10之间产生压缩或拉伸运动时，焊接在直线电机动子轴2上的固定罩5做上下的往复直线运动，A点所在的连杆机构与固定罩固联，并在该机构所在的平面做平面运动，带动图示B点以C为圆心做圆周运动；与此同时，C所在圆盘产生转动，带动旋转电机转子做旋转运动。
本发明提出的一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置，具有回收能量的作用。当该装置接收到上下振动时，利用连杆机构将直线运动转化为两个相对的旋转运动，再通过轮毂驱动汽车振动能量回收装置提高回收效率，最后将回收的振动能量储存在蓄电设备。相较于传统轮毂驱动汽车振动能量回收装置，本发明提出的一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置工作简单，大幅提升了回收能量的效率，可有效减少能源的消耗，具有广阔的市场应用前景。
以图1所示的一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置为例，忽略空气阻力，元件之间的摩擦力、热变形等影响因素。设直线电机的速度为v，曲柄连杆传动机构的转动角速度为ω0(单位为rad/s)，由于旋转端的角速度等于两个旋转电机中心转子的角速度ω1、ω2，则：
ω0＝ω1＝ω2 (1)
通过对旋转电机和直线电机的工作原理分析可知，旋转电机产生的感应电动势Ve为：
Ve＝Keω0 (2)
式中，Ke为旋转电机的电动势系数。
直线电机产生的感应电动势Va为：
Va＝Kav (3)
式中，Ka为直线电机的电动势系数。
单个旋转电机产生输出功率P1为：
Figure BDA0003615301780000051
式中，R1为旋转电机外端回收电路电阻，r1为旋转电机内阻。
直线电机产生的输出功率P2为：
Figure BDA0003615301780000052
式中，R2为直线电机外端回收电路电阻，r2为直线电机内阻。
该能量回收装置共有一个直线电机和两个旋转电机来进行能量回收，该装置产生的输出功率P为：
Figure BDA0003615301780000053
此处假设一种基本情况，设Ke＝3Vs/rad，Ka＝1.7Vs/m，R1＝R2＝50Ω，r1＝r2＝50Ω，由式(6)可得到本装置总的输出功率大小Pe，并与专利CN11946764A一种曲柄连杆式机电惯容器装置的总输出功率Pe'作比较，见表1。
表1本装置与专利CN11946764A的总输出功率比较
Figure BDA0003615301780000061
由上述表格可知，本装置理论输出功率能远高于专利CN11946764A的理论输出功率，可实现高功率的能量回收。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置，其特征在于，所述装置包括缸筒(14)，所述缸筒(14)内设有工作腔(17)，所述缸筒(14)下端与下吊耳10固定连接，所述缸筒(14)上端容纳有直线电机动子轴(2)，所述直线电机动子轴(2)一端伸出缸筒(14)并与上吊耳(1)固定连接，所述直线电机动子轴(2)另一端通过固定罩(5)连接两个曲柄连杆传动机构(6)；
所述工作腔(17)内设有直线电机和两个旋转电机，其中，直线电机通过两个曲柄连杆传动机构(6)与两个旋转电机连接。
2.根据权利要求1所述的一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置，其特征在于，其中，两个旋转电机关于两个曲柄连杆传动机构(6)对称布置。
3.根据权利要求2所述的一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置，其特征在于，两个旋转电机的电机轴位于同一直线，且两个旋转电机的电机轴与直线电机动子轴(2)在空间上垂直布置。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置，其特征在于，
其中，所述直线电机包括：直线电机动子轴(2)，直线电机绕组(3)，直线电机动子磁极(4)，直线电机动子磁轭(15)，直线电机定子(16)；
直线电机动子磁极(4)与直线电机动子磁轭(15)均固定在直线电机动子轴(2)上，缸筒(14)的内侧壁沿径向呈圆形矩阵固定有直线电机定子(16)，直线电机定子(16)内均布有直线电机绕组(3)。
5.根据权利要求4所述的一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置，其特征在于，两个旋转电机结构相同，其中，每个旋转电机包括：旋转电机壳体(7)，旋转电机轴(8a、8b)，旋转电机右端盖轴承(9)，旋转电机定子(11)，旋转电机中心转子(12)，旋转电机左端盖轴承(13)；
其中，旋转电机轴通过旋转电机右端盖轴承(9)和旋转电机左端盖轴承(13)进行旋转固定在旋转电机壳体内部，旋转电机轴周围设有旋转电机中心转子，且旋转电机中心转子固定在旋转电机轴上，旋转电机定子固定在旋转电机壳体上。
6.根据权利要求5所述的一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置，其特征在于，2个曲柄连杆传动机构(6)结构相同，每个曲柄连杆传动机构(6)包括：固定轴(61)，第一连杆(62a)和第二连杆(62b)的一端均固定连接在固定轴(61)上，第一连杆(62a)的另一端与第一曲柄(63a)的一端固定连接，第二连杆(62b)的另一端与第二曲柄(63b)的一端固定连接，第一曲柄(63a)的另一端与第一旋转电机轴8a固定连接，第二曲柄(63b)的另一端与第二旋转电机轴(8b)固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置，其特征在于，所述直线电机动子轴(2)可在工作腔(17)内径向做直线往复运动，旋转电机轴与固联的旋转电机中心转子可在旋转电机壳体内做旋转运动。
8.根据权利要求7所述的一种轮毂驱动汽车振动能量回收装置，其特征在于，该装置的能量回收功率P为：
Figure RE-FDA0003721939010000021
其中，P1为单个旋转电机产生输出功率，P2为直线电机产生的输出功率，Ke为旋转电机的电动势系数，Ka为直线电机的电动势系数，R1为旋转电机外端回收电路电阻，r1为旋转电机内阻，R2为直线电机外端回收电路电阻，r2为直线电机内阻，v为直线电机速度，ω0为曲柄连杆传动机构的角速度。
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