CN117559690A - 一种铁路货车车载发电电源装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铁路货车车载发电电源装置及控制方法，涉及铁路货车供电技术领域。本发明将转子设置在铁路货车的转轴上，定子固定在铁路货车每节车厢的车架下表面，定子线圈通过连杆支架固定于转子的外围，与转子的多个永磁铁相对设置，并与转子的多个永磁铁所在的圆构成同心圆，如此在铁路货车行驶的过程中，铁路货车的车轴带动转子的多个永磁铁转动，激发定子线圈中生成感应电磁场，实现电源装置的发电，从而为铁路货车每节车厢中的用电设备供电。如此解决了铁路货车每节车厢的供电问题，为铁路货车的智能化提供保障。

Description

一种铁路货车车载发电电源装置及控制方法

技术领域

本发明涉及铁路货车供电技术领域，尤其涉及一种铁路货车车载发电电源装置及控制方法。

背景技术

铁路货运相比公路运输等途径在成本、节能环保方面具有明显优势，随着社会的发展，铁路货运业务需求不断增长。为此，铁路部门一方面增加了货车数量和发车频次，提高机车牵引力，实行货运长编组运行；另一方面提高货车的行车速度。

为了进一步提高货运能力，货车的智能化是未来发展趋势，货车需装有控制系统，以实现能够监控车辆状态、记录车厢运输货物信息和车辆实时定位等功能，货车控制系统能够与地面控制指挥中心通信，结合大数据分析技术，优化运行调度和实现不同类别、不同目的地货物快速自动化重新编组。然而，铁路货车运用条件灵活，各节车厢需要频繁解编，导致机车通过电缆向各节车厢供电的方式难以实现。由此可见，铁路货车的智能化的前提是解决铁路货车的供电问题。

为了解决铁路货车的供电问题，一般为铁路货车配备大容量蓄电池，以达到为铁路货车各节车厢供电的目的。但是，由于大容量蓄电池的电量供应有限，需要频繁拆解充电，难以满足铁路货车长距离运行以及多设备长时间工作的需要。除此方案之外，为了解决蓄电池长时间供电问题，技术人员在车辆上加了光伏发电系统或风力发电系统，但因铁路货车工况环境恶劣，光伏电池板和风力发电机组需要定期维护，供电系统实际应用效果不佳，日常维护成本高，故障率高，可靠性差，无法推广应用。

因此，如何为铁路货车的每节车厢供电是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种铁路货车车载发电电源装置及控制方法，能够解决铁路货车每节车厢的供电问题，为铁路货车的智能化提供保障。

第一方面，本发明提供了一种铁路货车车载发电电源装置，包括：转子和定子；转子包括周向分布的多个永磁铁，相邻两个永磁铁的磁极不同；转子安装于铁路货车的车轴上，多个永磁铁随车轴的转动而转动；定子包括圆弧状的定子线圈和连杆支架；连杆支架安装于铁路货车每节车厢的车架下表面，定子线圈通过连杆支架固定于转子的外围，与转子的多个永磁铁相对设置，并与转子的多个永磁铁所在的圆构成同心圆；在铁路货车行驶的过程中，铁路货车的车轴带动转子的多个永磁铁转动，激发定子线圈中生成感应电磁场，实现电源装置的发电。

在一种可能的实现方式中，连杆支架包括弹簧、第一固定杆和第二固定杆；第二固定杆的一端与定子线圈固定连接，另一端与第一固定杆的下端铰接；第一固定杆的上端固定于铁路货车每节车厢的车架下表面；弹簧设置于第一固定杆靠近车轴的一侧，弹簧一端连接于第一固定杆的中间部位，另一端固定与铁路货车每节车厢的车架下表面；弹簧拉紧，使定子线圈紧贴转子的外表面。

在一种可能的实现方式中，第一固定杆包括第一直杆、第一斜杆和第二斜杆；第一直杆的下端与第二固定杆铰接，上端固定于铁路货车每节车厢的车架下表面的车架安装板上；第一斜杆和第二斜杆对称分设于第一直杆两侧；第一斜杆的一端固定于第一直杆的中点，另一端固定于车架安装板上；第二斜杆的一端固定于第一直杆的中点，另一端固定于车架安装板上；第一直杆、第一斜杆和第二斜杆构成第一平面，第二固定杆垂直于第一平面。

在一种可能的实现方式中，转子外表面设置有聚四氟乙烯摩擦环，定子线圈两侧设置有定子轴承；定子轴承与聚四氟乙烯摩擦环相对设置，随聚四氟乙烯摩擦环的转动而转动；转子转动时，聚四氟乙烯摩擦环做圆周运动，定子轴承与聚四氟乙烯摩擦环摩擦，跟随聚四氟乙烯摩擦环做圆周运动，保持定子位置保持不变。

在一种可能的实现方式中，聚四氟乙烯摩擦环的宽度由如下公式确定；W＝W1+D+L；其中，W为聚四氟乙烯摩擦环的宽度，W1为定子轴承的宽度，D为车厢横向最大晃动量，L为安全余量。

在一种可能的实现方式中，电源装置还包括控制器，控制器包括依次连接的调压电路、稳压电路和整流电路；调压电路与定子线圈连接，将定子线圈发出电能的电压调整为第一设定值；稳压电压对经调压电路调整后电能电压稳定在第二设定值；整流电路与铁路货车上的电池组和用电设备连接，对经稳压电路稳压后的电能进行整流，为电池组和用电设备输送电能。

在一种可能的实现方式中，转子中永磁铁的磁极数量为24极，转子中磁极数量为2极或4极。

在一种可能的实现方式中，电源装置为单相电源装置或三相电源装置。

在一种可能的实现方式中，转子和定子外部设有保护外罩，保护外罩固定于定子外壳上。

第二方面，本发明提供了一种铁路货车车载发电电源装置的控制方法，应用于第一方面以及第一方面的任一种可能的实现方式的铁路货车车载发电电源装置，该控制方法包括：实时获取定子线圈输出的电压、频率、相序和铁路货车的当前载重量；基于定子线圈输出的电压和相序，确定铁路货车在当前载重量下的速度和运行方向；基于定子线圈输出的频率，以及速度和运行方向，进行积分累加，得到铁路货车在当前载重量下的行车里程。

第三方面，本发明实施例提供了一种铁路货车车载发电电源装置的控制模块，包括通信单元和处理单元；通信单元，用于实时获取定子线圈输出的电压、频率、相序和铁路货车的当前载重量；处理单元，用于基于定子线圈输出的电压和相序，确定铁路货车在当前载重量下的速度和运行方向；基于定子线圈输出的频率，以及速度和运行方向，进行积分累加，得到铁路货车在当前载重量下的行车里程。

第四方面，本发明实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，所述处理器用于调用并运行所述存储器中存储的计算机程序执行如上述第二方面以及第二方面中任一种可能的实现方式所述方法的步骤。

第五方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第二方面以及第二方面中任一种可能的实现方式所述方法的步骤。

本发明提供一种铁路货车车载发电电源装置及控制方法，本发明将转子设置在铁路货车的转轴上，定子固定在铁路货车每节车厢的车架下表面，定子线圈通过连杆支架固定于转子的外围，与转子的多个永磁铁相对设置，并与转子的多个永磁铁所在的圆构成同心圆，如此在铁路货车行驶的过程中，铁路货车的车轴带动转子的多个永磁铁转动，激发定子线圈中生成感应电磁场，实现电源装置的发电，从而为铁路货车每节车厢中的用电设备供电。如此解决了铁路货车每节车厢的供电问题，为铁路货车的智能化提供保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种铁路货车车载发电电源装置的安装位置示意图；

图2是本发明实施例提供的一种铁路货车车载发电电源装置的安装结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种连杆机构的安装结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种转子和定子的局部示意图；

图5是本发明实施例提供的一种铁路货车车载发电电源装置的电路结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种铁路货车车载发电电源装置的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

在本发明的描述中，除非另有说明，“/”表示“或”的意思，例如，A/B可以表示A或B。本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。此外，“至少一个”“多个”是指两个或两个以上。“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念，便于理解。

此外，本申请的描述中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选的还包括其他没有列出的步骤或模块，或可选的还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图通过具体实施例来进行说明。

如背景技术所述，目前铁路货车的每节车厢供电困难，影响铁路货车的智能化。

为解决该技术问题，如图1所示，本发明实施例提供了一种铁路货车车载发电电源装置。该电源装置安装于每节车厢的下方车架上，靠近车轮的位置。

图2为本发明实施例提供的一种铁路货车车载发电电源装置的安装结构示意图。如图2所示，该电源装置包括转子和定子。

本申请实施例中，如图2所示，转子包括周向分布的多个永磁铁，相邻两个永磁铁的磁极不同。转子安装于铁路货车的车轴上，多个永磁铁随车轴的转动而转动。

示例性的，多个永磁铁围成以车轴的中心为圆心的圆。转子转动过程中，在转子周围形成方向不断变化的磁场。

例如，本发明实施例可以在车轴轴身上安装永磁磁铁若干对，形成依次为N-S-N-S...的磁场作为发电机转子磁场。

本申请实施例中，如图2所示，定子包括圆弧状的定子线圈和连杆支架；连杆支架安装于铁路货车每节车厢的车架下表面，定子线圈通过连杆支架固定于转子的外围，与转子的多个永磁铁相对设置，并与转子的多个永磁铁所在的圆构成同心圆。

示例性的，在车体上加装连杆式发电机定子固定调整装置，定子设计为2极(或4极)、相位角差为120°的三相交流同步圆弧发电机，或者还可设计为相位角差180°的单相交流同步圆弧发电机，结构形状为与转子同心的圆弧。车辆运行时，通过车轴的转动同步带动转子永磁铁产生的磁场变化感应定子线圈来发电。产生的电能经变流后由电源管理控制系统向电池组充电和向车载用电装置供电。

如此，在铁路货车行驶的过程中，铁路货车的车轴带动转子的多个永磁铁转动，激发定子线圈中生成感应电磁场，实现电源装置的发电。

本发明提供一种铁路货车车载发电电源装置，将转子设置在铁路货车的转轴上，定子固定在铁路货车每节车厢的车架下表面，定子线圈通过连杆支架固定于转子的外围，与转子的多个永磁铁相对设置，并与转子的多个永磁铁所在的圆构成同心圆，如此在铁路货车行驶的过程中，铁路货车的车轴带动转子的多个永磁铁转动，激发定子线圈中生成感应电磁场，实现电源装置的发电，从而为铁路货车每节车厢中的用电设备供电。如此解决了铁路货车每节车厢的供电问题，为铁路货车的智能化提供保障。

需要说明的是，本发明提供的铁路货车车载发电电源装置可用于铁路货车检测用传感器、应急控制、车载智能计算终端等设备的不间断供电，同时根据发电机输出电压频率、相序、并结合货车检测到的其它参数经车载智能终端计算后得出车辆的运行方向，不同载重、不同速度下的行车里程等数据。

图3为本发明实施例提供的一种连杆机构的安装结构示意图。连杆支架包括弹簧、第一固定杆和第二固定杆；第二固定杆的一端与定子线圈固定连接，另一端与第一固定杆的下端铰接；第一固定杆的上端固定于铁路货车每节车厢的车架下表面；弹簧设置于第一固定杆靠近车轴的一侧，弹簧一端连接于第一固定杆的中间部位，另一端固定与铁路货车每节车厢的车架下表面；弹簧拉紧，使定子线圈紧贴转子的外表面。

示例性的，第一固定杆包括第一直杆、第一斜杆和第二斜杆；第一直杆的下端与第二固定杆铰接，上端固定于铁路货车每节车厢的车架下表面的车架安装板上；第一斜杆和第二斜杆对称分设于第一直杆两侧；第一斜杆的一端固定于第一直杆的中点，另一端固定于车架安装板上；第二斜杆的一端固定于第一直杆的中点，另一端固定于车架安装板上；第一直杆、第一斜杆和第二斜杆构成第一平面，第二固定杆垂直于第一平面。

图4为转子和定子的局部示意图。如图4所示，转子外表面设置有聚四氟乙烯摩擦环，定子线圈两侧设置有定子轴承；定子轴承与聚四氟乙烯摩擦环相对设置，随聚四氟乙烯摩擦环的转动而转动；转子转动时，聚四氟乙烯摩擦环做圆周运动，定子轴承与聚四氟乙烯摩擦环摩擦，跟随聚四氟乙烯摩擦环做圆周运动，保持定子位置保持不变。

示例性的，聚四氟乙烯摩擦环的宽度由如下公式确定。

W＝W1+D+L；

其中，W为聚四氟乙烯摩擦环的宽度，W1为定子轴承的宽度，D为车厢横向最大晃动量，L为安全余量。

示例性的，发电机定子和转子之间气隙也即最小距离的范围：2-8mm。

示例性的，连杆机构需满足车辆车体相对于车轴上下60mm、左右50mm、前后5mm的变化量，并留有至少20％的余量。弹簧性能需满足定子支撑轴承压实在聚四氟乙烯摩擦环上。发电机定子和转子用外罩进行防护，防护外罩固定在定子外壳上。电池组和控制器安装在车厢下方车架上。

可选的，如图5所示，本发明实施例还提供了一种电源装置的电路结构示意图。电源装置包括发电机和控制器。其中，控制器包括依次连接的调压电路、稳压电路和整流电路。发电机包括转子和定子。

示例性的，调压电路与定子线圈连接，将定子线圈发出电能的电压调整为第一设定值。

示例性的，稳压电压对经调压电路调整后电能电压稳定在第二设定值。

示例性的，整流电路与铁路货车上的电池组和用电设备连接，对经稳压电路稳压后的电能进行整流，为电池组和用电设备输送电能。

其中，第一设定值和第二设定值可以相同，或者第一设定值可以略大于第二设定值，或略小于第二设定值。例如，第一设定值和第二设定值可以为60V。或者，第一设定值为65V，第二设定值为60V。

可选的，转子中永磁铁的磁极数量为24极，转子中磁极数量为2极或4极。

可选的，电源装置为单相电源装置或三相电源装置。

可选的，如图6所示，本发明实施例还提供了一种铁路货车车载发电电源装置的控制方法，应用于如图1至图4所示的电源装置，该控制方法包括：

S101、实时获取定子线圈输出的电压、频率、相序和铁路货车的当前载重量。

S102、基于定子线圈输出的电压和相序，确定铁路货车在当前载重量下的速度和运行方向。

示例性的，铁路货车向不同方向行驶时，相序相反。控制器可以基于相序，确定运行方向。

示例性的，电压越大，表示铁路货车的速度越快。控制器可以根据定子线圈的电压大小，确定铁路货车的速度。

S103、基于定子线圈输出的频率，以及速度和运行方向，进行积分累加，得到铁路货车在当前载重量下的行车里程。

示例性的，定子线圈输出的频率表示车厢的车轮的转速，结合运行方向，控制器可计算得到沿某一运行方向的行车里程，从而得到铁路货车的整个行车里程。

示例性的，控制器还可以比较由频率计算得到的车速和由电压计算得到车速之间的误差，评判电源装置的工作情况。若频率计算得到的车速远大于电压计算得到车速，则表示电源装置发电效率较低，需要维护。

若由频率计算得到的车速和由电压计算得到车速基本相同，则表示电源装置发电效率正常，工作正常。

如此本发明实施例可以基于电源装置的电压、频率和相序，计算得到铁路货车在不同载重下的运行方向、速度和行车里程等数据，实现铁路货车的自动监测，为铁路货车的智能化提供保障。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铁路货车车载发电电源装置，其特征在于，所述电源装置包括：

转子和定子；

所述转子包括周向分布的多个永磁铁，相邻两个永磁铁的磁极不同；所述转子安装于铁路货车的车轴上，所述多个永磁铁随车轴的转动而转动；

所述定子包括圆弧状的定子线圈和连杆支架；所述连杆支架安装于所述铁路货车每节车厢的车架下表面，所述定子线圈通过所述连杆支架固定于所述转子的外围，与所述转子的多个永磁铁相对设置，并与所述转子的多个永磁铁所在的圆构成同心圆；

在所述铁路货车行驶的过程中，铁路货车的车轴带动所述转子的多个永磁铁转动，激发所述定子线圈中生成感应电磁场，实现所述电源装置的发电。

2.根据权利要求1所述的铁路货车车载发电电源装置，其特征在于，所述连杆支架包括弹簧、第一固定杆和第二固定杆；

所述第二固定杆的一端与所述定子线圈固定连接，另一端与所述第一固定杆的下端铰接；

所述第一固定杆的上端固定于所述铁路货车每节车厢的车架下表面；

所述弹簧设置于所述第一固定杆靠近车轴的一侧，所述弹簧一端连接于所述第一固定杆的中间部位，另一端固定与所述铁路货车每节车厢的车架下表面；所述弹簧拉紧，使所述定子线圈紧贴所述转子的外表面。

3.根据权利要求2所述的铁路货车车载发电电源装置，其特征在于，所述第一固定杆包括第一直杆、第一斜杆和第二斜杆；

所述第一直杆的下端与所述第二固定杆铰接，上端固定于所述铁路货车每节车厢的车架下表面的车架安装板上；

所述第一斜杆和第二斜杆对称分设于所述第一直杆两侧；所述第一斜杆的一端固定于所述第一直杆的中点，另一端固定于所述车架安装板上；所述第二斜杆的一端固定于所述第一直杆的中点，另一端固定于所述车架安装板上；

所述第一直杆、第一斜杆和第二斜杆构成第一平面，所述第二固定杆垂直于所述第一平面。

4.根据权利要求1所述的铁路货车车载发电电源装置，其特征在于，所述转子外表面设置有聚四氟乙烯摩擦环，所述定子线圈两侧设置有定子轴承；

所述定子轴承与所述聚四氟乙烯摩擦环相对设置，随所述聚四氟乙烯摩擦环的转动而转动；

所述转子转动时，所述聚四氟乙烯摩擦环做圆周运动，所述定子轴承与所述聚四氟乙烯摩擦环摩擦，跟随所述聚四氟乙烯摩擦环做圆周运动，保持所述定子位置保持不变。

5.根据权利要求1所述的铁路货车车载发电电源装置，其特征在于，所述聚四氟乙烯摩擦环的宽度由如下公式确定；

W＝W1+D+L；

其中，W为所述聚四氟乙烯摩擦环的宽度，W1为所述定子轴承的宽度，D为车厢横向最大晃动量，L为安全余量。

6.根据权利要求1所述的铁路货车车载发电电源装置，其特征在于，所述电源装置还包括控制器，所述控制器包括依次连接的调压电路、稳压电路和整流电路；

所述调压电路与所述定子线圈连接，将所述定子线圈发出电能的电压调整为第一设定值；

所述稳压电压对经调压电路调整后电能电压稳定在第二设定值；

所述整流电路与所述铁路货车上的电池组和用电设备连接，对经稳压电路稳压后的电能进行整流，为所述电池组和用电设备输送电能。

7.根据权利要求1所述的铁路货车车载发电电源装置，其特征在于，所述转子中永磁铁的磁极数量为24极，所述转子中磁极数量为2极或4极。

8.根据权利要求1所述的铁路货车车载发电电源装置，其特征在于，所述电源装置为单相电源装置或三相电源装置。

9.根据权利要求1所述的铁路货车车载发电电源装置，其特征在于，所述转子和定子外部设有保护外罩，所述保护外罩固定于所述定子外壳上。

10.一种铁路货车车载发电电源装置的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至9中任一项所述的电源装置，所述控制方法包括：

实时获取定子线圈输出的电压、频率、相序和所述铁路货车的当前载重量；

基于所述定子线圈输出的电压和相序，确定所述铁路货车在当前载重量下的速度和运行方向；

基于所述定子线圈输出的频率，以及所述速度和运行方向，进行积分累加，得到所述铁路货车在当前载重量下的行车里程。