CN105811805A - 一种基于列车转向架轨道振动能收集的微型发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于列车转向架轨道振动能收集的微型发电机，包括：嵌入基板内的线圈，以及与永磁铁连接的压电塑料弹片，其中压电塑料弹片两端镀有电极；在外界振动的作用下，压电塑料弹片发生形变，产生脉冲信号；电磁发电单元永磁铁上下振动，致使通过线圈的磁通量发生变化，因而有脉冲电信号输出。本发明的发电机可以将自然界、人体、轨道等产生的振动能转变为电能。
Description
技术领域
本发明涉及发电机，特别是涉及将列车转向架上振动产生的机械能转化为电能的微型发电机。
背景技术
机械振动能是环境中普遍存在的一种能量形式，持续或阶段性持续振动的振源比较丰富，比如家用电器和工业生产设备工作时产生的振动、人体运动和车辆行驶过程中产生的振动、轨道的振动等。通常这些能量因为忽略而被白白浪费或被减震系统吸收。因此，通过振动能量采集器将环境中的振动能转化成电能为低功耗电子设备供电，不仅提高了能量的综合利用率，而且为低功耗电子设备提供了新的绿色电源系统。在轨道交通系统中，将无用的机械振动转换电能，为对无线传感系统以及轨道监测系统等电子设备进行供电，对轨道，尤其是转向架部分进行实时监测，对于轨道监测系统的发展和应用具有重要意义。
目前，振动能转化为电能的发电机所利用的原理主要有静电感应，电磁感应和特殊材料的压电性能、静电脉冲发电机等。然而，已经发明的静电感应发电机，由于需要接入外部电源作为启动电压，并且静电式能量收集装置产生的是高电压、低电流和高输出阻抗，从一定程度上限制了静电式能量收集技术的应用范围。静电脉冲发电机在小型化和轻量化方面有所不足，输出功率密度较小，不能满足对各种振动机械能收集的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以将轨道中的振动能转化为电能的结构简单的微型发电机，能够为微无线传感器网络、监测器等，特别是轨道交通系统中转向架的监测系统提供匹配的电源。
为实现上述目的，本发明采用的手段是：一种基于列车转向架轨道振动能收集的微型发电机，包括：与永磁铁连接的压电塑料弹片作为压电发电单元，永磁铁与嵌入基板内的线圈构成一个电磁发电单元；
在电磁发电单元中：具有嵌入上基板102的第一线圈101与嵌入下基板111的第二线圈110，永磁铁106作为电磁发电单元由弹簧片联接于第一线圈与第二线圈之间；所述弹簧片包括：与永磁铁106连接的第一压电塑料弹片104及第一电极103与第二电极105，以及第二压电塑料弹片108及其第三电极107与第四电极109。
在电磁发电单元中，永磁铁106构成电磁发电单元；每块磁铁由弹簧连接上下振动，致使通过线圈的磁通量发生变化；在压电发电单元中，包括：与永磁铁106连接的第一压电塑料弹片104及第一电极103与第二电极105，以及第二压电塑料弹片108及其第三电极107与第四电极109；压电塑料弹片发生形变，导致电极上由脉冲信号产生，这样，磁铁106充当质量块，上基板102中嵌有第一线圈101，下基板111中嵌有第二线圈110。发电机受到外力作用(振动作用)时，使得电磁振动发电机的磁铁106发生上下振动，使发电单元的通过第一线圈101与第二线圈的磁通量发生变化，因而有脉冲电信号输出。而由于质量块磁铁106的原因，使得压电塑料弹片104和108发生一定程度的形变，致使电极上由脉冲信号输出。
与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：
1、本发明提供的微型发电机采用电磁、压电发电技术，相对于结构复杂，设计和加工费时繁琐，器件性能不稳定的静电式发电机，它在增强发电适用性，大大的降低成本的同时仍然能保持非常有益的功率的输出。
2、本发明提供的微型发电机采用电磁和压电相结合的发电结构单元，因此，能够有效增加微型发电机的输出，从而更加有效地将振动机械能转变为电能。
3、采用具有一定机械强度和弹性的压电塑料弹片作为支撑框架，同时也作为压电发电单元进行能量收集。
4、本发明的发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，可以有效地将轨道产生的振动能转变为电能，具有实际应用价值。
附图说明
图1为本发明发电机的结构示意图。
图2为本发明发电机的实施例图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法做进一步的详述。
机械振动能是环境中普遍存在的一种能量形式，持续或阶段性持续振动的振源比较丰富，比如家用电器和工业生产设备工作时产生的振动、人体运动和车辆行驶过程中产生的振动、轨道的振动等。通常这些能量因为忽略而被白白浪费或被减震系统吸收。因此，通过振动能量采集器将环境中的振动能转化成电能为低功耗电子设备供电，不仅提高了能量的综合利用率，而且为低功耗电子设备提供了新的绿色电源系统。在轨道交通系统中，将无用的机械振动转换电能，为对无线传感系统以及轨道监测系统等电子设备进行供电，对轨道，尤其是转向架部分进行实时监测，对于轨道监测系统的发展和应用具有重要意义。
下面结合附图和实施例详细介绍本发明微型发电机的具体实施方式。
实施例一：
参见图1，在任一结构单元中，包括：嵌入上基板102的第一线圈101与嵌入下基板111的第二线圈110由压电塑料弹片(104和108)连接到上基板102和下基板111的永磁铁106构成振动发电机。
两个塑料片基板具有一定机械强度，两个压电塑料弹片(104和108)具有一定的机械强度和弹性，与嵌入基板的两个线圈以及永磁铁106构成了微型振动发电机；发电机受到外力作用(振动作用)时，使得电磁振动发电机的磁铁106发生上下振动，使发电单元的通过第一线圈101与第二线圈的磁通量发生变化，与此同时压电塑料弹片(104和108)发生形变，因而有脉冲电信号输出。
本发明的发电机中，永磁铁104材料选择为选自合金，其中，所述合金选自铝镍钴合金、钐钴合金、钕铁硼合金。本发明的发电机相当于第一线圈101、第二线圈110和永磁铁106组成电磁发电单元，压电塑料弹片104、108及其两侧电极组成压电发电单元。
所述的电磁发电单元工作原理说明：永磁铁106在外力作用下发生上下振动，使得两个压电塑料弹片交替伸缩，致使通过两个线圈(101和110)的磁通量发生改变。当永磁铁106向上振动时，压电塑料弹片104被压缩，108被拉伸，在这一过程中通过线圈101的磁通量变大，而通过线圈110的磁通量变小，进而分别在两个线圈中产生感应电流；当磁铁106向下振动时，压电塑料弹片104被拉伸，弹簧108被压缩，在这一过程中通过线圈101的磁通量变小，而通过线圈110的磁通量变大，进而分别在两个线圈中产生感应电流。如此反复运动，在线圈(101和110)中便会产生方向相反的脉冲电流。
所述的压电发电单元工作原理说明：压电塑料弹片被压缩拉伸时，会发生压电效应。压电效应是指当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这样，压电塑料弹片在形变时产生交变电流。
本发明的发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，在实际使用中，只需进行简单的固定和封装，即可应用在生活环境中、收集自然界、轨道、机械设备等产生的振动机械能。在轨道交通系统中，将无用的机械振动转换电能，为对无线传感系统以及轨道监测系统等电子设备进行供电，对轨道，尤其是转向架部分进行实时监测，对于轨道监测系统的发展和应用具有重要意义。
发电单元数可以多个分布在平面上，图2为发电单元数为n＝4的条形微型振动发电机的截面图。显然，发电单元可呈矩阵状有序地在平面上延伸，如果发电单元数增加，将显著地增加发电机的输出功率。
本发明各实施例的发电机输出的电信号为交流脉冲电信号。发电机输出的脉冲电信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以用来给储能元件充电，比如电容器或者锂离子电池等，而储存的电能能够用来为便携式小型电子设备提供电力。在轨道交通系统中，将无用的机械振动转换电能，为对无线传感系统以及轨道监测系统等电子设备进行供电，对轨道，尤其是转向架部分进行实时监测，对于轨道监测系统的发展和应用具有重要意义。具有广泛的应用前景。所述压电塑料弹片材料选自具有压电性能的塑性材料弹片，包括且不限于：聚偏氟乙烯PVDF、聚氟乙烯PVF聚甲基丙烯酸甲PMMA、聚氯乙烯PVC、聚碳酸酯PC、聚丙烯PP、聚ω-氨基十一酰(poly-ω-aminoundecanoyl)。所述永磁铁采用铝镍钴合金、钐钴合金、钕铁硼合金。所述线圈材料为金、银、铜。
作为本发明的一个实施应用，可将发电机运用于收集轨道上的振动能，尤其是将振动能转换为电能用于转向架的实时监测。
发明人的研究过程中发现，在本发明各实施例的微型振动发电机在实际工作当中，外加负载的电阻值对实际输出功率有很大的影响。随着负载电阻值的增大，负载两端的电压增大，通过负载的电流减小，而实际输出功率先增大后减小，并出现极大值。本发明人经过多次实验发现，输出功率极大值所对应的电阻值在千欧量级，因此，本发明在负载的电阻值为千欧量级的情况下能够最大程度发挥其功效。需要说明的是，本文中使用的“输出功率”，是指脉冲电流的极大值和在负载两端形成的脉冲电压的极大值的乘积，即瞬时极大功率。
本发明的发电机的输出功率除了受到外界环境因素，包括振动频率的大小，外加负载的电阻值等影响外，还受到微型发电机本身的设计和制造，包括线圈线径、材料的选择，以及各部分的尺寸大小，和永磁铁材料物理性质等的影响。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种基于列车转向架轨道振动能收集的微型发电机，其特征在于，包括：与永磁铁连接的压电塑料弹片作为压电发电单元，永磁铁与嵌入基板内的线圈构成一个电磁发电单元；
在电磁发电单元中：具有嵌入上基板(102)的第一线圈(101)与嵌入下基板(111)的第二线圈(110)，永磁铁(106)作为电磁发电单元由弹簧片联接于第一线圈与第二线圈之间；所述弹簧片包括：与永磁铁(106)连接的第一压电塑料弹片(104)及第一电极(103)与第二电极(105)，以及第二压电塑料弹片(108)及其第三电极(107)与第四电极(109)。
2.根据权利要求1所述的基于列车转向架轨道振动能收集的微型发电机，其特征在于，所述线圈材料为金、银、铜。
3.根据权利要求1所述的基于列车转向架轨道振动能收集的微型发电机，其特征在于，所述永磁铁采用铝镍钴合金、钐钴合金、钕铁硼合金。
4.根据权利要求1所述的基于列车转向架轨道振动能收集的微型发电机，其特征在于，所述压电塑料弹片材料选自具有压电性能的塑性材料弹片，包括且不限于:聚偏氟乙烯PVDF、聚氟乙烯PVF聚甲基丙烯酸甲PMMA、聚氯乙烯PVC、聚碳酸酯PC、聚丙烯PP、聚ω-氨基十一酰(poly-ω-aminoundecanoyl)。
5.根据权利要求1所述的基于列车转向架轨道振动能收集的微型发电机，其特征在于，所述第一电极材料选自金、银、铜、铝。
6.根据权利要求1所述的基于列车转向架轨道振动能收集的微型发电机，其特征在于，所述压电塑料弹片(104)和第一电极(103)的优选厚度为0.01-0.5mm。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |