CN111864941B - 高鲁棒性磁力耦合全密封摩擦与电磁复合路面能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高鲁棒性磁力耦合全密封摩擦与电磁复合路面能量收集装置，包括全密封发电单元，若干全密封发电单元嵌装于安装路基内，安装路基安装在滚压升降带下方，滚压升降带底部对应全密封发电单元设有产生磁排斥力的永磁体，滚压升降带下方设置有复位弹簧一，全密封发电单元外侧设有密封罩，全密封发电单元包括升降板，升降板位于顶板上方，升降板上安装有被驱动永磁体，升降板下方设有导柱，导柱***套装有复位弹簧二，导柱可滑动式穿过顶板，升降板底端连接有传动组件，传动组件连接驱动复合发电轮，复合发电轮对应设置有发电定子；本发明显著改善装置在复杂激励和恶劣环境的可靠性，避免目前车路能量采集***输出功率低、可靠性低等缺点。

Description

高鲁棒性磁力耦合全密封摩擦与电磁复合路面能量收集装置

[技术领域]

本发明涉及车路能量收集技术领域，具体地说是一种高鲁棒性磁力耦合全密封摩擦与电磁复合路面能量收集装置。

[背景技术]

随着社会和经济的发展，交通***越来越发达，人们对交通***也提出了更高的要求。多功能化、智慧化是未来交通***的发展方向。通过在道路布置无线传感器等小型机电***，从而实现实时交通状况监测、交通***远程或自动化管控、交通设施健康状态监测等，使交通***更加安全、有序、高效地运行，可以促进社会经济发展和提升人们生活的幸福感。但是，如何为这些小型机电***供能？电池供能面临着寿命短、不易维护、环境污染等问题；有线输送成本高、实施难、占用空间影响环境。因此，发展环保、便捷、可持续的供能技术具有重要意义。

尽管太阳能是一种丰富的自然能源，但是受昼夜天气变化影响比较大。值得注意的是，车辆经过减速带可以产生大量的机械能量。尤其随着汽车数量的增加和道路基础设施建设的发展，这种可以利用的机械能量更加丰富，且分布更广，其潜在应用不只局限于交通***。但是，车辆行驶对能量收集装置产生很大冲击；并且道路经历风吹雨打，工况恶劣，对能量收集装置鲁棒性提出了更高的要求。然而，目前车道上应用的路面能量采集装置并对此需求进行针对性设计，具有输出功率低、可靠性低等缺点。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种高鲁棒性磁力耦合全密封摩擦与电磁复合路面能量收集装置，能够显著改善装置在复杂激励和恶劣环境的可靠性，避免了目前车路能量采集***输出功率低、可靠性低等缺点。

为实现上述目的设计一种高鲁棒性磁力耦合全密封摩擦与电磁复合路面能量收集装置，包括全密封发电单元1，若干全密封发电单元1嵌装于安装路基2内，所述安装路基2安装在滚压升降带3下方，所述滚压升降带3底部对应全密封发电单元1设有产生磁排斥力的永磁体，所述滚压升降带3下方设置有复位弹簧一4，所述全密封发电单元1外侧设有密封罩5，所述全密封发电单元1包括升降板6、顶板10、传动组件11、复合发电轮12、发电定子13，所述升降板6位于顶板10上方，且与顶板10之间间隔布置，所述升降板6上安装有被驱动永磁体7，所述升降板6下方设有竖直布置的导柱8，所述导柱8***套装有复位弹簧二9，所述复位弹簧二9设置在升降板6与顶板10之间，所述导柱8可滑动式穿过顶板10，所述升降板6底端连接有传动组件11，所述传动组件11的输出端连接并驱动复合发电轮12，所述复合发电轮12对应设置有发电定子13。

进一步地，所述全密封发电单元1底部设置有底板14，所述顶板10与底板14之间安装有发电定子安装板15和传动安装板16，所述复合发电轮12、发电定子13设置在发电定子安装板15处，所述传动组件11设置在传动安装板16处。

进一步地，所述传动组件11包括升降齿条17、被驱动齿轮18、升频齿轮20、工作齿轮一21、换向齿轮23、工作齿轮二25、棘爪轮一27、棘爪轮二28、棘轮29，所述升降齿条17顶部固定连接升降板6，升降齿条17可滑动式穿过顶板10，升降齿条17与被驱动齿轮18啮合连接，所述被驱动齿轮18通过齿轮安装轴一19以及轴承安装在传动安装板16上，所述齿轮安装轴一19上还安装有升频齿轮20，所述升频齿轮20与被驱动齿轮18固定连接，所述升频齿轮20与位于其一侧的工作齿轮一21啮合连接，所述升频齿轮20与位于其另一侧的换向齿轮23啮合连接，所述换向齿轮23与工作齿轮二25啮合连接，所述工作齿轮一21固定连接棘爪轮一27，所述工作齿轮二25固定连接棘爪轮二28，所述棘爪轮一27与棘爪轮二28之间啮合连接有棘轮29，所述棘轮29固定连接复合发电轮12。

进一步地，所述工作齿轮一21通过齿轮安装轴二22以及轴承安装在传动安装板16上，所述换向齿轮23通过齿轮安装轴三24以及轴承安装在传动安装板16上，所述工作齿轮二25通过齿轮安装轴四26以及轴承安装在传动安装板16上。

进一步地，所述升频齿轮20的齿数大于被驱动齿轮18、工作齿轮一21、工作齿轮二25的齿数。

进一步地，所述棘轮29固定连接有旋转盘30，所述旋转盘30与复合发电轮12固定连接，所述旋转盘30一侧圆周阵列安装有发电永磁体31，所述发电定子13对应发电永磁体31设置有线圈32，所述发电永磁体31在棘轮29的带动下转动，并与线圈32产生相对运动。

进一步地，所述旋转盘30的棘轮29一侧圆周阵列有摩擦电极33，所述传动安装板16上设置有水平对称的得电子架34、失电子架35，所述摩擦电极33与得电子架34、失电子架35接触连接，所述旋转盘30另一侧圆周阵列有静电感应电极36，且静电感应电极36与摩擦电极33错开布置，所述发电定子安装板15上沿水平方向设有导通桥37，所述导通桥37用于使水平方向对称的静电感应电极36导通，所述发电定子安装板15上沿竖直方向设有负载端子38，所述负载端子38分别与竖直方向对称的静电感应电极36导通接触。

进一步地，所述旋转盘30的静电感应电极36上方设有发电永磁体安装基体39，所述发电永磁体31磁极交错式安装在发电永磁体安装基体39上。

进一步地，所述发电定子安装板15上设有环形的发电线圈安装基体40，所述线圈32安装在发电线圈安装基体40上，所述导通桥37、负载端子38安装在发电线圈安装基体40的中心区域。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明通过磁力耦合的方式将车辆冲击与滚压激励转换为相对可控的磁力激励，并且无接触磁力耦合机械能量传递方式使得发电单元可以被全密封，因此可以显著改善装置在复杂激励和恶劣环境的可靠性，避免了目前车路能量采集***输出功率低、可靠性低等缺点；

(2)本发明通过升频齿轮机构、棘轮机构将脉冲式激励转换为高速单向旋转，并且通过换向齿轮机构能够继续收集复位弹性势能；

(3)本发明通过高度集成的摩擦和电磁复合发电机制，提高了输出功率以及电能使用的灵活度，满足了不同的用电需求；

(4)本发明采用冲压式驱动，不仅可以收集更多冲压能量，而且有效降低冲击造成的器件损伤；

(5)本发明通过设计升频和单向旋转机构，可以有效地提高机电转换效率，值得推广应用。

[附图说明]

图1a是本发明的路面应用结构示意图；

图1b是图1a去除路基显示后的结构示意图；

图1c是图1b中Ⅰ处的局部放大示意图；

图2为本发明中的全密封发电单元的结构示意图；

图3为本发明中的全密封发电单元去除密封罩后的内部结构示意图；

图4为本发明中的全密封发电单元一侧的齿轮传动示意图；

图5为图4的局部剖视结构示意图；

图6为图4进一步去除传动安装板后的传动示意图；

图7为本发明中的全密封发电单元中的得电子架、失电子架结构示意图；

图8为本发明中的全密封发电单元中的复合发电轮结构示意图；

图9为本发明中的全密封发电单元中的复合发电轮另一面结构示意图；

图10为本发明中的全密封发电单元中的发电定子结构示意图；

图中：1、全密封发电单元 2、安装路基 3、滚压升降带 4、复位弹簧一 5、密封罩6、升降板 7、被驱动永磁体 8、导柱 9、复位弹簧二 10、顶板 11、传动组件 12、复合发电轮13、发电定子 14、底板 15、发电定子安装板 16、传动安装板 17、升降齿条 18、被驱动齿轮19、齿轮安装轴一 20、升频齿轮 21、工作齿轮一 22、齿轮安装轴二 23、换向齿轮 24、齿轮安装轴三 25、工作齿轮二 26、齿轮安装轴四 27、棘爪轮一 28、棘爪轮二 29、棘轮 30、旋转盘 31、发电永磁体 32、线圈 33、摩擦电极 34、得电子架 35、失电子架 36、静电感应电极 37、导通桥 38、负载端子 39、发电永磁体安装基体 40、发电线圈安装基体。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图1a、附图1b、附图1c以及附图2所示，本发明提供了一种高鲁棒性磁力耦合全密封摩擦与电磁复合路面能量收集装置，包括全密封发电单元1，若干全密封发电单元1嵌装于安装路基2内，安装路基2安装在滚压升降带3下方，滚压升降带3底部对应全密封发电单元1设有产生磁排斥力的永磁体，滚压升降带3下方设置有复位弹簧一4，全密封发电单元1外侧设有密封罩5。

如附图3所示，全密封发电单元1包括升降板6、顶板10、传动组件11、复合发电轮12、发电定子13，升降板6位于全密封发电单元1顶部且位于顶板10上方，且与顶板10之间间隔布置，升降板6中间安装有被驱动永磁体7，升降板6下方设有竖直布置的导柱8，导柱8***套装有复位弹簧二9，复位弹簧二9设置在升降板6与顶板10之间，导柱8可滑动式穿过顶板10，升降板6底端连接有传动组件11，传动组件11的输出端连接并驱动复合发电轮12，复合发电轮12对应设置有发电定子13；全密封发电单元1底部设置有底板14，顶板10与底板14之间对称安装两块发电定子安装板15与两块传动安装板16，复合发电轮12、发电定子13对称设置在两块发电定子安装板15处，传动组件11对称设置在两块传动安装板16处。

如附图4至附图6所示，传动组件11包括升降齿条17、被驱动齿轮18、升频齿轮20、工作齿轮一21、换向齿轮23、工作齿轮二25、棘爪轮一27、棘爪轮二28、棘轮29，升降齿条17顶部固定连接升降板6，升降齿条17可滑动式穿过顶板10，升降齿条17与被驱动齿轮18啮合连接，被驱动齿轮18通过齿轮安装轴一19以及轴承安装在传动安装板16上，齿轮安装轴一19上还安装有升频齿轮20，升频齿轮20与被驱动齿轮18固定连接，升频齿轮20与位于其一侧的工作齿轮一21啮合连接，工作齿轮一21通过齿轮安装轴二22以及轴承安装在传动安装板16上，升频齿轮20与位于其另一侧的换向齿轮23啮合连接，换向齿轮23通过齿轮安装轴三24以及轴承安装在传动安装板16上，换向齿轮23与工作齿轮二25啮合连接，工作齿轮二25通过齿轮安装轴四26以及轴承安装在传动安装板16上，工作齿轮一21固定连接棘爪轮一27，工作齿轮二25固定连接棘爪轮二28，棘爪轮一27与棘爪轮二28之间啮合连接有棘轮29，棘轮29固定连接复合发电轮12；升频齿轮20的齿数远大于被驱动齿轮18、工作齿轮一21、工作齿轮二25的齿数；棘轮29固定连接有旋转盘30，旋转盘30与复合发电轮12固定连接，旋转盘30一侧圆周阵列安装有发电永磁体31，发电定子13对应发电永磁体31设置有线圈32，发电永磁体31在棘轮29的带动下转动，并与线圈32产生相对运动。

如附图7至附图10所示，旋转盘30的棘轮29一侧圆周阵列有摩擦电极33，传动安装板16水平对称设置有得电子架34和失电子架35，摩擦电极33与得电子架34、失电子架35接触连接，旋转盘30另一侧圆周阵列有静电感应电极36，且静电感应电极36与摩擦电极33错开布置，发电定子安装板15上沿水平方向设有导通桥37，导通桥37可以使水平方向对称的静电感应电极36导通，发电定子安装板15上沿竖直方向设有负载端子38，负载端子38分别与竖直方向对称的静电感应电极36导通接触；旋转盘30的静电感应电极36上方设有发电永磁体安装基体39，发电永磁体31磁极交错式安装在发电永磁体安装基体39上；发电定子安装板15上设有环形的发电线圈安装基体40，线圈32安装在发电线圈安装基体40上，导通桥37、负载端子38安装在发电线圈安装基体40的中心区域。

本发明的工作原理为：当汽车行驶经过滚压升降带3，滚压升降带3下沉，其底部安装的永磁体与全密封发电单元1内部的被驱动永磁体7之间的磁排斥力增大，从而驱动升降板6下降，进而使得固定在升降板6的升降齿条17下降，升降齿条17带动被驱动齿轮18顺时针旋转(从附图4对着齿轮的视角看，下同)，与被驱动齿轮18固定连接的升频齿轮20顺时针旋转，升频齿轮20带动工作齿轮一21和换向齿轮23逆时针旋转，换向齿轮23带动工作齿轮二25顺时针旋转，与工作齿轮一21固定连接棘爪轮一27逆时针旋转，与工作齿轮二25固定连接棘爪轮二28顺时针旋转，顺时针旋转的棘爪轮二28驱动棘轮29旋转，逆时针旋转的棘爪轮一27相对棘轮29滑过；同理，当升降齿条17复位上升时，顺时针旋转的棘爪轮一27驱动棘轮29旋转，逆时针旋转的棘爪轮二28相对棘轮29滑过。

由于升频齿轮20的齿数远大于被驱动齿轮18、工作齿轮一21和工作齿轮二25，激励频率可以被放大；采用棘轮和换向齿轮，不仅避免了升降换向造成的能量损失，而且使得升降都可以驱动棘轮29高速单向旋转；棘轮29高速单向旋转使得与之固定连接的旋转盘30单向高速转动，使摩擦电极33与得电子架34和失电子架35发生摩擦，从而因为摩擦产生电荷转移，使得得电子架34带负电，失电子架35带正电，在旋转的过程中，导通桥37可以使静电感应电极36的水平方向对称的两个电极板导通，从而因为静电感应，使得接近得电子架34的电极板带正电荷，接近失电子架35的电极板带负电荷；当这两个电极板继续旋转90度，分别接触到负载端子38，则可以在负载中产生电流；与此同时，棘轮29也会带动发电永磁体31进行单向高速转动，与线圈32产生相对运动，通过电磁感应发电；发电永磁体31磁极交错布置，可以提高磁通量变化率，有利于电磁感应发电；由于圆周阵列多个永磁体，使得发电永磁体31旋转一周可以产生多个磁激励，因此也具有升频效果。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高鲁棒性磁力耦合全密封摩擦与电磁复合路面能量收集装置，其特征在于：包括全密封发电单元(1)，若干全密封发电单元(1)嵌装于安装路基(2)内，所述安装路基(2)安装在滚压升降带(3)下方，所述滚压升降带(3)底部对应全密封发电单元(1)设有产生磁排斥力的永磁体，所述滚压升降带(3)下方设置有复位弹簧一(4)，所述全密封发电单元(1)外侧设有密封罩(5)，所述全密封发电单元(1)包括升降板(6)、顶板(10)、传动组件(11)、复合发电轮(12)、发电定子(13)，所述升降板(6)位于顶板(10)上方，且与顶板(10)之间间隔布置，所述升降板(6)上安装有被驱动永磁体(7)，所述升降板(6)下方设有竖直布置的导柱(8)，所述导柱(8)***套装有复位弹簧二(9)，所述复位弹簧二(9)设置在升降板(6)与顶板(10)之间，所述导柱(8)可滑动式穿过顶板(10)，所述升降板(6)底端连接有传动组件(11)，所述传动组件(11)的输出端连接并驱动复合发电轮(12)，所述复合发电轮(12)对应设置有发电定子(13)；

所述全密封发电单元(1)底部设置有底板(14)，所述顶板(10)与底板(14)之间安装有发电定子安装板(15)和传动安装板(16)，所述复合发电轮(12)、发电定子(13)设置在发电定子安装板(15)处，所述传动组件(11)设置在传动安装板(16)处；

所述传动组件(11)包括升降齿条(17)、被驱动齿轮(18)、升频齿轮(20)、工作齿轮一(21)、换向齿轮(23)、工作齿轮二(25)、棘爪轮一(27)、棘爪轮二(28)、棘轮(29)，所述升降齿条(17)顶部固定连接升降板(6)，升降齿条(17)可滑动式穿过顶板(10)，升降齿条(17)与被驱动齿轮(18)啮合连接，所述被驱动齿轮(18)通过齿轮安装轴一(19)以及轴承安装在传动安装板(16)上，所述齿轮安装轴一(19)上还安装有升频齿轮(20)，所述升频齿轮(20)与被驱动齿轮(18)固定连接，所述升频齿轮(20)与位于其一侧的工作齿轮一(21)啮合连接，所述升频齿轮(20)与位于其另一侧的换向齿轮(23)啮合连接，所述换向齿轮(23)与工作齿轮二(25)啮合连接，所述工作齿轮一(21)固定连接棘爪轮一(27)，所述工作齿轮二(25)固定连接棘爪轮二(28)，所述棘爪轮一(27)与棘爪轮二(28)之间啮合连接有棘轮(29)，所述棘轮(29)固定连接复合发电轮(12)；

所述棘轮(29)固定连接有旋转盘(30)，所述旋转盘(30)与复合发电轮(12)固定连接，所述旋转盘(30)一侧圆周阵列安装有发电永磁体(31)，所述发电定子(13)对应发电永磁体(31)设置有线圈(32)，所述发电永磁体(31)在棘轮(29)的带动下转动，并与线圈(32)产生相对运动；

所述旋转盘(30)的棘轮(29)一侧圆周阵列有摩擦电极(33)，所述传动安装板(16)上设置有水平对称的得电子架(34)、失电子架(35)，所述得电子架(34)、失电子架(35)相对于垂直的对称轴左右对称，所述摩擦电极(33)与得电子架(34)、失电子架(35)接触连接，所述旋转盘(30)另一侧圆周阵列有静电感应电极(36)，且静电感应电极(36)与摩擦电极(33)错开布置，所述发电定子安装板(15)上沿水平方向设有导通桥(37)，所述导通桥(37)用于使水平方向对称的静电感应电极(36)导通，所述发电定子安装板(15)上沿竖直方向设有负载端子(38)，所述负载端子(38)分别与竖直方向对称的静电感应电极(36)导通接触。

2.如权利要求1所述的高鲁棒性磁力耦合全密封摩擦与电磁复合路面能量收集装置，其特征在于：所述工作齿轮一(21)通过齿轮安装轴二(22)以及轴承安装在传动安装板(16)上，所述换向齿轮(23)通过齿轮安装轴三(24)以及轴承安装在传动安装板(16)上，所述工作齿轮二(25)通过齿轮安装轴四(26)以及轴承安装在传动安装板(16)上。

3.如权利要求1所述的高鲁棒性磁力耦合全密封摩擦与电磁复合路面能量收集装置，其特征在于：所述升频齿轮(20)的齿数大于被驱动齿轮(18)、工作齿轮一(21)、工作齿轮二(25)的齿数。

4.如权利要求1所述的高鲁棒性磁力耦合全密封摩擦与电磁复合路面能量收集装置，其特征在于：所述旋转盘(30)的静电感应电极(36)的轴向上方设有发电永磁体安装基体(39)，所述发电永磁体(31)磁极交错式安装在发电永磁体安装基体(39)上。

5.如权利要求4所述的高鲁棒性磁力耦合全密封摩擦与电磁复合路面能量收集装置，其特征在于：所述发电定子安装板(15)的轴向上方设有环形的发电线圈安装基体(40)，所述线圈(32)安装在发电线圈安装基体(40)上，所述导通桥(37)、负载端子(38)安装在发电线圈安装基体(40)的中心区域。

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