一种膜片型电磁轨道振动能量回收系统

技术领域

本发明涉及轨道环境振动能量回收技术领域，尤其是涉及一种膜片型电磁轨道振动能量回收系统。

背景技术

目前，轨道无线监测传感节点对小功率电源提出了更大的需求，环境振动能量回收则成为了十分具有发展潜力的技术方法。轨道车辆的高速行驶、轨道的不平顺性和车轮踏面不圆都会激励和诱发轨道不同程度上的强烈振动。因此，通过回收轨道振动能量，可以实现轨道无线监测传感节点自供能运行。目前将轨道振动的机械能转化为电能主要有压电转换和电磁转换两种方法。其中，压电转换虽然结构较为简单，但是压电材料寿命不高，且容易破损；电磁转换虽然结构较为复杂，但是具有不受材料性能限制、环境适应性强和可靠性高等优点。然而，目前电磁轨道振动能量回收系统未能实现良好的电磁感应效果，其主要原因是磁路中的磁阻过大，导致输出功率降低。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种膜片型电磁轨道振动能量回收系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种膜片型电磁轨道振动能量回收系统，该系统设于轨道板上，该系统包括依次连接的轨道振动能量采集模块、接口电路模块和超级电容储能模块，所述的轨道振动能量采集模块包括壳体，分别安装于壳体顶部和底部的上压环、下压环，设于上压环底部的上膜片弹簧，设于下压环底部的下膜片弹簧，以及设于上压环、下压环之间的可动磁体组件，所述可动磁体组件支撑在所述上膜片弹簧和所述下膜片弹簧之间。

所述轨道振动能量采集模块为轴对称结构。

所述可动磁体组件包括环形磁铁、磁极、上圆锥座和下圆锥座，所述上圆锥座与所述下圆锥座分别通过螺栓安装在所述上膜片弹簧和所述下膜片弹簧上，磁极设于所述上圆锥座与所述下圆锥座之间，所述磁极和所述环形磁铁的中间位置通过对穿螺栓、螺母连接，线圈部分包括铁轭和嵌入在铁轭中的线圈，所述线圈的输出端经由导线连接所述接口电路模块的输入端，所述上膜片弹簧、所述下膜片弹簧分别通过上压环、下压环与铁轭连接，并通过螺栓锁紧为一个整体。

进一步地，所述上圆锥座和所述下圆锥座的外表面分别设有锥形凸起部。

进一步地，所述磁极的外径小于所述铁轭的内径0.1mm。

进一步地，所述线圈为铜漆包线缠绕成空心圆柱结构。

进一步地，所述环形磁铁采用钕铁硼环形磁铁，所述环形磁铁的充磁方向为环形磁铁的垂直方向。

进一步地，所述对穿螺栓和所述螺母为不导磁的铜锌合金材料。

所述接口电路模块包括二极管桥式整流电路、同步电感L、电子开关S和二极管D。

所述超级电容储能模块包括壳体和设于壳体内的超级电容储能阵列，所述超级电容储能阵列包括多个超级电容单体和均压电阻，所述均压电阻包括等效串联内阻及等效并联内阻。

本发明提供的膜片型电磁轨道振动能量回收系统，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

1)本发明利用电磁感应原理将轨道振动能量转换为电能，为轨道无线监测传感节点工作提供了能源，达到无线无源自供能的目的；而利用膜片作为弹性元件，膜片在大变形产生的非线性恢复力可有效拓宽振动采集模块的响应频带，提高轨道振动能量采集效果；

2)本发明中铁轭包围在磁极外部，同时内部嵌有线圈，使得磁路闭合，减小磁阻损耗；

3)本发明中的可动磁体组件，其外径比铁轭的内径小0.1mm，既防止了摩擦碰撞，又减小磁阻，提高了效率；

4)本发明中上、下圆锥座的凸起表面有效避让了膜片的变形，使上、下膜片振子形变位移达到最大化。

附图说明

图1为实施例中膜片型电磁轨道振动能量回收系统的结构示意图；

图2为实施例中轨道振动能量采集模块的结构示意图；

图3为实施例中接口电路模块的结构示意图；

图4为实施例中超级电容储能阵列的结构示意图；

图中标号所示：

1、上膜片弹簧，2、上圆锥座，3、上压环，4、铁轭，5、环形磁铁，6、下膜片弹簧，7、下圆锥座，8、下压环，9、对穿螺栓，10、线圈，11、磁极，12、螺母。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明涉及一种膜片型电磁轨道振动能量回收系统，该系统安装于轨枕与道床之间的轨道板上，包括轨道振动能量采集模块、接口电路模块和超级电容储能模块。轨道振动能量采集模块、接口电路模块及超级电容储能模块依次连接。

轨道振动能量采集模块是一个轴对称结构，如图2所示。该模块包括壳体、上膜片弹簧1、上圆锥座2、上压环3、铁轭4、环形磁铁5、下膜片弹簧6、下圆锥座7、下压环8、对穿螺栓9、线圈10、磁极11和螺母12。上圆锥座2、铁轭4、环形磁铁5、下膜片弹簧6、下圆锥座7、对穿螺栓9、线圈10、磁极11和螺母12设置在壳体内，上压环3、下压环8分别安装在壳体的顶部的底部。上压环3、下压环8与壳体主要通过螺栓紧固连接。上膜片弹簧1固定在上压环3的底部，下膜片弹簧6固定在下压环8的顶部。

上压环3、下压环8之间安装有可动磁体组件，该可动磁体组件包括环形磁铁5、磁极11、上圆锥座2、下圆锥座7、对穿螺栓9和螺母12。环形磁铁5、磁极11、上圆锥座2和下圆锥座7通过对穿螺丝9和螺母12连接组成一个整体，支撑在上膜片弹簧1和下膜片弹簧6之间。具体地：上圆锥座2连接上膜片弹簧1，下圆锥座7连接下膜片弹簧6。磁极11设置在上圆锥座2与下圆锥座7之间，磁极11和环形磁铁5中间开有通孔，使对穿螺栓9可以通过并将磁极11和环形磁铁5连为一个整体。上圆锥座2与下圆锥座7通过螺栓分别安装在上膜片弹簧1和下膜片弹簧6上。线圈部分由铁轭4和线圈10构成，线圈10嵌入在铁轭4中。上压环3和下压环8将膜片弹簧与铁轭4相连接，通过螺栓锁紧为一个整体，以上各个部分在安装时均依靠凸台定位，保证各个部件的同心度。

在本实施例中，作为优选方案，线圈10为铜漆包线缠绕成空心圆柱，对穿螺栓9和螺母12为不导磁的铜锌合金制成。

在本实施例中，作为优选方案，环形磁铁5采用钕铁硼材料制成，充磁方向为轴向(环形磁铁5的垂直方向)。上膜片弹簧1和下膜片弹簧6的厚度为0.2mm。

在本实施例中，作为优选方案，由环形磁铁5、磁极11和上、下圆锥座构成的可动磁体组件中，磁极11的外径比铁轭4的内径小0.1mm，既能够防止磁极之间相互摩擦碰撞，又使得气隙尽量小，减小磁阻。

上圆锥座2和下圆锥座7的外表面呈锥形凸起状态，使上膜片弹簧1和下膜片弹簧6形变达到最大化。铁轭4包围在磁极11外部，构成磁路的一部分，同时内部嵌有线圈10。线圈10的输出端经由导线连接到接口电路模块的输入端。上压环3和下压环8将以上部分连接为一个整体，并提供与轨道板相互连接的平台。

接口电路模块由二极管桥式整流电路、同步电感L、电子开关S和二极管D组成，如图3所示。

超级电容储能模块由超级电容储能阵列和壳体组成，超级电容储能阵列设于壳体内。超级电容储能阵列主要包括超级电容单体和均压电阻，具体可优先采用如图4所示的结构，均压电阻可保证每个超级电容单体的电压一致。均压电阻由超级电容的等效串联内阻ESR、超级电容的等效并联内阻EPR组成。

本发明的工作原理为：

首先将轨道振动能量采集模块固定在轨道板上，使下压环8紧贴轨道板。当列车经过，轨道板产生的垂向振动传递到轨道振动能量采集模块上，通过上、下膜片弹簧1和6，引起可动磁体组件(由上圆锥座2、磁极11、环形磁铁5、下圆锥座7、对穿螺栓9、螺母12组成)产生振动。可动磁体组件的振动，使得磁极11和铁轭4之间产生的相对位移，引起了铁轭4中磁通量的变化，进而在铁轭4内嵌的线圈10中产生感应电动势，最后将产生的电能输出到接口电路模块中。在接口电路模块中，电能首先经过由电子开关和同步电感组成的同步电路，接着通过桥式整流电路整流，电子开关的开通时刻和振动位移峰值的时刻相一致，最后将整流后的电能输送到超级电容储能模块，进而实现轨道振动的能量采集。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。