一种球形机电能量变换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种球形机电能量变换器，可应用于城市公共汽车、地铁等交通工具，用以收集交通工具运行速度变化时产生的多余动能。该变换器包括发电单元及其外部的电能变换与储存单元。发电单元是变换器的核心部分，由外球壳、定子绕组、内球壳、旋转轴、N极永磁体、S极永磁体、弹簧、输出轴及安全手柄构成；当交通工具的速度突然变化时，在惯性力或乘客所施外力的作用下，安全手柄会带动内球壳随旋转轴以外球壳的球形凸起为支点旋转，实现三维运动，从而定子绕组切割磁感线感生电动势、累积电能，将该电能进行变换并存储在储能单元中，实现了多余动能的回收利用，达到节能环保的目的。
【专利说明】一种球形机电能量变换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种球形机电能量变换器，适用于现有公共交通工具，属于电机应用领域。
【背景技术】
[0002]随着经济的飞速发展，城市建设也在发生着翻天覆地的变化，我国大部分城市市区人口密集，城市以公共交通为主体。为了保障乘客的人身安全，大部分城市公共交通车辆都在车内设有便于站立乘客抓握的管状横杠扶手，然而根据乘客身高的不同，在管状横杠上一般还设有以吊环形式固定的安全手柄。随着公交车辆在行驶中车速的变化，安全手柄将出现前后或左右等不定向的摆动，这一过程中伴随着动能的产生和消耗。目前车辆能量回收研究中，侧重车辆刹车时制动能量的回收利用，极少关注车内附属设备短时、往复运动所伴随的能量变化。
【发明内容】
[0003]发明目的:针对上述现有技术，提出一种球形机电能量变换器，能够将城市公交车辆因车速突变时安全扶手所产生的多余动能转变成电能并进行储存，实现能量的回收利用。
[0004]技术方案:一种球形机电能量变换器，包括固定在管状横杠上的发电单元，所述发电单元通过电能变换单元连接到储能单元；
[0005]所述发电单兀包括外球壳、若干定子绕组、内球壳、旋转轴、N极永磁体、S极永磁体、输出轴以及安全手柄；当发电单兀处于静态时，所述外球壳与内球壳同心设置，外球壳的半径大于内球壳的半径，外球壳的顶点处设有向外侧的凸起；所述若干定子绕组呈圆柱状并固定在外球壳内侧的上半球面上，每个定子绕组的轴向延长线经过外球壳的球心，位于同一纬度的若干定子绕组沿圆周均匀排布；所述N极永磁体和S极永磁体为贴在所述内球壳表面并沿球面法向充磁的圆柱形永磁体，每个永磁体的轴向延长线经过内球壳的球心，位于同一纬度的N极永磁体和S极永磁体沿圆周均匀排布并间隔设置，不同纬度的永磁体之间采用非导磁材料间隔，所述永磁体和定子绕组之间留有气隙；所述旋转轴一端与内球壳的顶点刚性连接，旋转轴的另一端置于所述外球壳的凸起内，并能够以所述凸起为支点进行三维旋转；所述输出轴的一端与所述内球壳的底部刚性连接，所述安全手柄连接输出轴的另一端。
[0006]进一步，所述发电单元还包括设置在外球壳和内球壳之间的若干柱状弹簧。
[0007]进一步，所述发电单元还包括球面滚子轴承，所述球面滚子轴承设置在内球壳与外球壳之间，并位于所述内球壳的底部位置。
[0008]进一步，所述安全手柄通过柔性材料连接输出轴的一端。
[0009]进一步，所述定子绕组采用m套单相绕组，所述电能变换单元包括m个单相整流器和一个加法器，所述每套绕组分别与一个单相整流器的输入端相连，m个单相整流器的输出的直流电经所述法器相加后输出到所述储能单元。
[0010]进一步,所述储能单元为电池或电容。
[0011]进一步，还包括连接在所述储能单元和发电单元之间的逆变器，所述逆变器在控制信号的作用下，用于将储能单元输出的直流电变换成交流电后加在所述电枢绕组的两端，所述发电单元产生与所述安全手柄运动方向相反的阻力矩。
[0012]有益效果:本发明提出了一种球形机电能量变换器，当公交车辆的速度变化时，车内安全手柄在惯性力或乘客所施外力的作用下将发生不定向的往复式摆动，进而带动变换器发电单元的内半球产生旋转运动，定子绕组切割磁感线感应电动势，将该电能进行变换和存储，实现了多余动能的回收利用。当储能装置中有储存的电能时，存储的电能能够反向供给发电单元，逆变后的电压加在电枢绕组两端，在发电单元的定转子间产生电磁力作用，当车速变化时，通过控制绕组中电流的大小和方向，可在气隙中产生与安全扶手运动相反的阻力矩，从而有效减小安全手柄因外力做往复式摆动的幅度，更好的保障抓握安全扶手的乘客安全。
[0013]本发明的发电单元采用球形电机结构，可以实现三维运动，符合城市交通车辆上的安全扶手的运动特征。同时，发电单元采用两套或多套动定子结构，可充分利用发电单元的内部空间，提闻发电量。
[0014]进一步的，在发电单元的内外球壳之间设置弹簧，确保外球壳在惯性力或乘客所施外力的作用下不会与外球壳接触碰撞；安全手柄通过柔性材料与发电单元连接，同样能够在一定程度上避免乘客因非故意将安全手柄向上提，而导致定子绕组和永磁体碰撞，从而避免发电单元受到损害。
[0015]随着城市公共交通和轨道交通的发展，本发明所依附的载体越来越庞大，为本发明的具体应用提供了广阔的空间。另外，随着汽车保有量的增加，城市交通环境不断恶化，公交车的制动和启动非常频繁，为本发明的实际应用提供了充分条件。另外，本发明不需要对现有公共交通工具进行大范围的改造，只需在车内横梁上等间距地安装能量变换器，实施起来非常简单。尽管受空间、时间因素的影响，每台发电装置输出能量有限，但一辆交通工具内可安装数套发电装置，其输出总能量可显著提升。而且，大多公共交通工具均具有运行时间长的特点，因此这种累积效应是很明显的。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为发电单元的外壳结构示意图；
[0017]图2为发电单元的内部结构示意图；
[0018]图3为发电单元内部的截面示意图；
[0019]图4为定子绕组采用m套单相绕组时，变换器输出端的电气连接示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0021]实施例1:如图1所示，一种球形机电能量变换器，将传统交通工具内部用于悬挂安全手柄9的管状横梁10与安全手柄9分开，在两者间加入发电单元，并以横梁10做支撑，将发电单元固定安装在横梁10上，发电单元通过电能变换单元连接到储能单元。其中，固定轴I固定在车内管状横杠上并与车厢底部平行，且固定轴I与横梁10相互垂直。
[0022]如图2所不,发电单兀包括外球壳1、若干定子绕组2、内球壳3、旋转轴4、N极永磁体5、S极永磁体6、输出轴8以及安全手柄9。当发电单兀处于静态时,外球壳I与内球壳3同心设置,外球壳I的半径大于内球壳3的半径,外球壳I的顶点处设有向外侧的凸起。若干定子绕组2呈圆柱状并固定在外球壳I内侧的上半球面上，每个定子绕组2的轴向延长线经过外球壳I的球心，位于同一纬度的若干定子绕组2沿圆周均匀排布。N极永磁体5和S极永磁体6为贴在所述内球壳3表面并球面法向充磁的圆柱形永磁体，每个永磁体的轴向延长线经过内球壳3的球心，位于同一纬度的N极永磁体5和S极永磁体6沿圆周均匀排布并间隔设置，不同纬度的永磁体之间采用非导磁材料间隔，并且永磁体和定子绕组2之间留有气隙。如图3所示，旋转轴4的一端与内球壳3的顶点刚性连接，旋转轴4的另一端置于所述外球壳I的凸起内，并能够以凸起为支点进行三维旋转。输出轴8的一端与内球壳3的底部刚性连接，安全手柄9通过软绳连接输出轴8的另一端。
[0023]在外球壳I和内球壳3之间设有若干柱状弹簧。直径略小于内球壳3直径的第一柱状弹簧7位于所述内球壳3的底部位置，直径较小的若干柱状小弹簧设置在外球壳内侧的水平圆周线上并与内球壳3接触。
[0024]如图4所示，定子绕组2采用18套单相绕组，电能变换单元包括18个单相整流器和一个加法器，每套绕组分别与一个单相整流器的输入端相连，18个单相整流器的输出的直流电经所述法器相加后输出到储能单元。其中，储能单元为电池或电容。
[0025]在交通工具的速度变化时，安全手柄9在惯性力或乘客所施外力的作用下，带动内球壳随旋转轴以外球壳的球形凸起为支点旋转，实现三维运动，从而在定子绕组内感生电动势、累积电能，实现对多余动能转变而来的电能的变换和存储。
[0026]实施例2:在本实施例中，与实施例1的区别仅在于:电能变换单元还包括设置在内球壳3与外球壳I之间的球面滚子轴承，该球面滚子轴承位于所述内球壳3的底部位置。通过该球面滚子轴承使得内球壳上的永磁体和外球壳上的定子绕组间保持一定间距的气隙，从而避免内球壳3在惯性力或乘客所施外力的作用下与外球壳I发生接触碰撞。同时在储能单元和发电单元之间设有逆变器，该逆变器在控制信号的作用下，用于将储能单元输出的直流电变换成交流电后加在所述电枢绕组的两端，所述发电单元产生与所述安全手柄9运动方向相反的阻力矩。
[0027]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种球形机电能量变换器，其特征在于，包括固定在管状横杠(10)上的发电单元，所述发电单元通过电能变换单元连接到储能单元； 所述发电单兀包括外球壳(I)、若干定子绕组(2)、内球壳(3)、旋转轴(4)、N极永磁体(5)、S极永磁体(6)、输出轴⑶以及安全手柄(9);当发电单兀处于静态时,所述外球壳(I)与内球壳(3)同心设置,外球壳(I)的半径大于内球壳(3)的半径,外球壳(I)的顶点处设有向外侧的凸起；所述若干定子绕组(2)呈圆柱状并固定在外球壳(I)内侧的上半球面上，每个定子绕组(2)的轴向延长线经过外球壳(I)的球心，位于同一纬度的若干定子绕组(2)沿圆周均匀排布；所述N极永磁体(5)和S极永磁体(6)为贴在所述内球壳(3)表面并沿球面法向充磁的圆柱形永磁体，每个永磁体的轴向延长线经过内球壳(3)的球心，位于同一纬度的N极永磁体(5)和S极永磁体(6)沿圆周均匀排布并间隔设置，不同纬度的永磁体之间采用非导磁材料间隔，所述永磁体和定子绕组(2)之间留有气隙；所述旋转轴(4) 一端与内球壳(3)的顶点刚性连接，旋转轴(4)的另一端置于所述外球壳(I)的凸起内，并能够以所述凸起为支点进行三维旋转；所述输出轴(8)的一端与所述内球壳(3)的底部刚性连接，所述安全手柄(9)连接输出轴(8)的另一端。
2.根据权利要求1所述的一种球形机电能量变换器，其特征在于:所述发电单元还包括设置在外球壳(I)和内球壳(3)之间的若干柱状弹簧。
3.根据权利要求1所述的一种球形机电能量变换器，其特征在于:所述发电单元还包括球面滚子轴承，所述球面滚子轴承设置在内球壳(3)与外球壳(I)之间，并位于所述内球壳(3)的底部位置。
4.根据权利要求1所述的一种球形机电能量变换器，其特征在于:所述安全手柄(9)通过柔性材料连接输出轴(8)的一端。
5.根据权利要求1所述的一种球形机电能量变换器，其特征在于:所述定子绕组(2)采用m套单相绕组，所述电能变换单元包括m个单相整流器和一个加法器，所述每套绕组分别与一个单相整流器的输入端相连，m个单相整流器的输出的直流电经所述法器相加后输出到所述储能单元。
6.根据权利要求5所述的一种球形机电能量变换器，其特征在于:所述储能单元为电池或电容。
7.根据权利要求5所述的一种球形机电能量变换器，其特征在于:还包括连接在所述储能单元和发电单元之间的逆变器，所述逆变器在控制信号的作用下，用于将储能单元输出的直流电变换成交流电后加在所述电枢绕组的两端，所述发电单元产生与所述安全手柄(9)运动方向相反的阻力矩。
【文档编号】H02J15/00GK103997188SQ201410248168
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】王标, 付兴贺, 林明耀 申请人:东南大学