火車車輪發電裝置及系統的製作方法
2023-05-19 02:07:01 2
本實用新型涉及電力領域，具體而言，涉及一種火車車輪發電裝置及系統。
背景技術：
我國化石能源日益枯竭，環境汙染日趨嚴重，亟需找到新的可替代能源。火車是人們出行遊玩或運輸貨物常用的交通工具之一，在下下坡、平路的運行過程中，可產生的巨大的能量。而當今中國具有全世界最長的鐵路總裡程數，每天行駛在鐵道上的客貨火車多達一萬八千多輛，火車在下坡、平路產生的能量更加不可小覷，但目前卻沒有任何設備能將這種能量利用起來。
技術實現要素：
有鑑於此，本實用新型的目的在於提供一種火車車輪發電裝置及系統，可利用在下坡、平路時多餘的動能進行發電，以便提供一種新的能源獲得方式。
本實用新型的實施例是這樣實現的：
第一方面，提供一種火車車輪發電裝置，其包括傳動組件和用於與火車車廂連接的發電機；發電機包括轉軸，傳動組件包括與火車車輪連接的第一傳動輪、與轉軸連接的第二傳動輪以及連接第一傳動輪和第二傳動輪的傳動帶。
在本實用新型較佳的實施例中，上述第一傳動輪與火車車軸連接。
在本實用新型較佳的實施例中，上述傳動組件還包括設置於第一傳動輪和火車車軸之間用於調節火車車軸與第一傳動輪之間的相對轉速的減速器；減速器連接第一傳動輪和火車車軸。
在本實用新型較佳的實施例中，上述傳動組件還包括電控倒擋器和控制器，電控倒擋器設置於減速器與第一傳動輪之間，且電控倒擋器連接減速器和第一傳動輪；控制器設置於火車駕駛室內，控制器與電控倒擋器耦合。
在本實用新型較佳的實施例中，上述第一傳動輪和第二傳動輪為三角槽輪。
在本實用新型較佳的實施例中，上述第一傳動輪至少有一個三角槽，第二傳動輪至少有一個三角槽，傳動帶至少有一個，第一傳動輪的三角槽數量、第二傳動輪的三角槽數量以及傳動帶的個數相同。
在本實用新型較佳的實施例中，上述傳動帶為與第一傳動輪、第二傳動輪上的三角槽匹配的三角帶。
在本實用新型較佳的實施例中，上述第一傳動輪和第二傳動輪為金屬材料製成。
在本實用新型較佳的實施例中，上述發電機外設置有保護罩。
第二方面，提供一種火車車輪發電系統，所述火車車輪發電系統包括多個火車車輪發電裝置，還包括控制組件和電能輸出模塊；火車車輪發電裝置包括發電機和傳動組件，發電機與火車車廂連接，發電機包括轉軸，傳動組件包括設置於火車車軸上的第一傳動輪、與轉軸相連的第二傳動輪、連接第一傳動輪和第二傳動輪的傳動帶、連接第一傳動輪和火車車軸的減速器以及連接減速器和第一傳動輪的電控倒擋器；火車一個車輪對應一個火車車輪發電裝置；控制組件包括控制器、電刷開關、倒擋開關、重力傳感器以及報警器，電刷開關和倒擋開關設置於火車駕駛室，電刷開關與控制器輸入端耦合，倒擋開關與控制器輸入端耦合，控制器輸出端與電控倒擋器耦合，重力傳感器與車廂底板平行設置，重力傳感器與控制器輸入端耦合，報警器與控制器輸出端耦合；電能輸出模塊包括電纜、整流器、逆變器、空氣開關、變壓器以及輸出電刷；電纜與發電機耦合併將發電機串聯；電纜與整流器輸入端耦合，整流器輸出端與逆變器輸入端耦合，逆變器輸出端與變壓器輸入端耦合，變壓器輸出端與輸出電刷耦合，空氣開關與逆變器耦合，輸出電刷與控制器輸出端耦合。
本實用新型實施例的有益效果是：提供一種火車車輪發電裝置及系統，包括傳動組件和用於與火車車廂連接的發電機；發電機包括轉軸，傳動組件包括與火車車輪連接的第一傳動輪、與轉軸連接的第二傳動輪以及連接第一傳動輪和第二傳動輪的傳動帶；由此，傳動組件使得發電機被車輪帶動並發電，充分利用了火車運行過程中多餘的動能，提供了一種可再生清潔能源的獲得方式。
附圖說明
為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本實用新型的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
圖1為本實用新型第一實施例提供的火車車輪發電裝置的結構示意圖；
圖2為本實用新型第一實施例提供的電控倒擋器和控制器的連接結構框圖；
圖3為本實用新型第一實施例提供的火車車輪發電裝置與火車車輪的連接結構示意圖；
圖4為本實用新型第一實施例提供的傳動組件的結構示意圖；
圖5為本實用新型第二實施例提供的火車車輪發電系統的結構框圖；
圖6為本實用新型第二實施例提供的火車車輪發電裝置的結構示意圖；
圖7為本實用新型第二實施例提供的控制組件的結構框圖；
圖8為本實用新型第二實施例提供的電能輸出模塊的結構框圖；
圖9為本實用新型第二實施例提供的控制組件與輸出電刷、電控倒擋器的連接結構框圖；
圖10為本實用新型第二實施例提供的火車車輪發電系統與火車、電網的連接結構示意圖。
圖標：200-火車車輪發電裝置；202-發電機；204-第一傳動輪；206-第二傳動輪；208-傳動帶；212-減速器；214-電控倒擋器；216-轉軸；218-保護罩；210-傳動組件；224-第一三角槽；226-第二三角槽；232-控制器；100-火車車輪發電系統；500-火車車輪發電裝置；300-控制組件；400-電能輸出模塊；510-發電機；512-轉軸；520-傳動組件；522-第一傳動輪；524-第二傳動輪；526-傳動帶；528-減速器；530-電控倒擋器；304-倒擋開關；312-電刷開關；306-重力傳感器；302-控制器；308-報警器；402-電纜；404-整流器；406-逆變器；412-變壓器；408-空氣開關；414-輸出電刷。
具體實施方式
為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本實用新型實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。
因此，以下對在附圖中提供的本實用新型的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本實用新型的範圍，而是僅僅表示本實用新型的選定實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。
在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該實用新型產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語「第一」、「第二」、等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
此外，術語「水平」等術語並不表示要求部件絕對水平或懸垂，而是可以稍微傾斜。如「水平」僅僅是指其方向相對「豎直」而言更加水平，並不是表示該結構一定要完全水平，而是可以稍微傾斜。
在本實用新型的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。
第一實施例
請參照圖1和圖2，本實施例提供一種火車車輪發電裝置200，適用於火車，其包括發電機202、保護罩218、傳動組件210、減速器212、電控倒擋器214以及控制器232。
請參考圖3。火車車輪發電裝置200安裝於火車上時，發電機202固定連接於火車車廂；保護罩218設置於發電機202外側，用於擋雨擋風；減速器212與火車車軸相連，用於將火車車輪的轉速減慢；電控倒擋器214與減速器212相連，主要用於保證不論火車車輪正向轉動還是反向轉動，發電機202都能正常工作；傳動組件210連接電控倒擋器214和發電機202，帶動發電機202發電。
發電機202位於車廂外部，如側壁，可以通過螺栓連接、鉚接、焊接等方式與火車車廂固定連接。發電機202也可位於火車車廂其他部位，如頂部或底部，還可以位於火車車廂內部。此外，發電機202包括轉軸216，轉軸216轉動則發電機202發電。發電機202功率約為10至15千瓦。
本實施例涉及到的發電機202一般為交流發電機202，但也可為直流發電機202。在安裝過程中可以一個火車車輪對應一臺發電機202。
保護罩218設置於發電機202外側，並且與火車車廂固定連接。主要用於保護髮電機202不被雨水侵蝕，或被快速流動的空氣損傷。
傳動組件210包括第一傳動輪204、第二傳動輪206以及傳動帶208。第一傳動輪204用於與火車車軸連接，第二傳動輪206用於與發電機202的轉軸216連接，第一傳動輪204和第二傳動輪206之間通過傳動帶208連接，第一傳動輪204由火車車軸驅動，第二傳動輪206由第一傳動輪204經由傳動帶208驅動。第一傳動輪204和第二傳動輪206為三角槽輪，由鋼、合金及其他具有類似於鋼的金屬材料製成，具有良好的強度、硬度和耐磨性能。傳動帶208為與第一傳動輪204和第二傳動輪206上的三角槽相匹配的三角帶，該三角帶可為橡膠等材料製成。
火車的行駛速度快，火車車軸的轉速很快，由火車車軸直接帶動發電機202轉軸216轉動，將使得發電機202負荷過大，無法正常發電，同時也會縮短發電機202的使用壽命。作為一種實施方式，可以在火車車軸和第一傳動輪204之間設置減速器212，以使得第一傳動輪204的轉速小於火車車軸的轉速。下面舉例說明，比如發電機202的最高轉速僅等同於火車的行駛速度約為90km/h時提供的轉速，當火車的行駛速度為200-300km/h時，無法正常發電，而通過減速器212進行減速後，發電機202才能正常發電，同時，因為轉速不會過載，發電機202的使用壽命不會縮短。
此外，在火車正向運行和反向運行時，火車車輪的轉動方向不一致，經由火車車軸輸出到第二傳動輪206的轉動方向在正向運行和反向運行時也不一致，使得發電機202的轉軸216轉動方向不一致，影響發電機202發電。為解決這一問題，在減速器212和第一傳動輪204之間設置一電控倒擋器214，可由駕駛員直接在駕駛室進行控制，使得第一傳動輪204和火車車軸的轉動方向相反。
而要控制上述電控倒擋器214的工作，需在駕駛室設置一控制器232，請參考圖2，每個車輪上安裝的電控倒擋器214分別與該控制器232耦合，從而可同步切換。在需要切換第一轉動輪的轉動方向時，如列車起初未使用電控倒擋器214，到達終點站後轉換行駛方向時，可通過控制器232控制電控倒擋器214開始工作。
需要說明，一種裝配方法為：在火車車軸的一端設置減速器212，減速器212遠離火車車軸的一面設置一電控倒擋器214，該電控倒擋器214與第一傳動輪204連接。在火車正向運行時，火車車軸驅動減速器212，減速器212減速後直接驅動第一傳動輪204轉動。
以上介紹了火車車輪發電裝置200的基本結構及其與火車之間的配合關係，為延長該發電裝置的使用壽命，傳動組件210可做如下改進。
請參考圖4，為傳動組件210的基本結構。第一傳動輪204上設置有一個第一三角槽224，第二傳動輪206上設置有一個第二三角槽226，第一傳動輪204和第二傳動輪206之間通過一個傳動帶208連接。為了使得發電機202的運行更加穩定，也為了延長傳動組件210的使用壽命，提供一種實施方式：第一三角槽224的三角槽數量可3-5個，第二三角槽226的數量為3-5個，相應的，傳動帶208的數量也為3-5個。第一三角槽224的數量、第二三角槽226的數量以及傳動帶208的數量相等。需要說明，這裡關於數量的描述只是一種較佳的實施方式，並不對本實用新型的保護範圍產生限定。
為了在實際行駛的過程中不影響火車本身的運行，該發電裝置可以只在火車時速超過50km/h，且處於下坡或平路時使用。比如，火車時速為200-300km/h且處於下坡路段，需要減速到90km/h，此時使用該火車車輪發電裝置200發電，不僅能將火車動能轉化為電能，還能減小火車的機械磨損。另外，發電機202功率約為10-15千瓦，則可計算得到每個火車車輪發電裝置200的發電機202年發電量至少為30萬度。假定一列火車有15節車廂，每個車廂有8個車輪，每個車輪上安裝一個上述火車車輪發電裝置200，火車平均每天運行15小時，每年運行300天，則年可發電量可達580萬度以上。中國擁有的全世界最長的鐵路總裡程，每天行駛在鐵路上的客貨列車有一萬八千多輛，在下坡和平路行駛過程中將產生巨大的多餘動能，而本火車車輪發電裝置200恰可將這種能量進行充分的利用，因而提升了火車能量的利用率，也提供了一種新的可再生清潔能源的獲得方式。
整體而言，本實施例提供了一種火車車輪發電裝置200，應用於時速火車下坡路段和平行路段，包括發電機202、保護罩218、傳動組件210、減速器212、電控倒擋器214以及控制器232。發電機202與火車車廂固定連接；保護罩218設置於發電機202外側，便於遮風擋雨；傳動組件210將火車車軸與發電機202連接，使得火車車軸驅動發電機202轉動；減速器212和電控倒擋器214設置於傳動組件210和火車車軸之間，減速器212用於降低轉速，電控倒擋器214的設置使得火車往返行駛發電機202均可正常工作；每個車輪上的電控倒擋器214均與駕駛室的控制器232耦合，通過控制器232決定電控倒擋器214是否工作。該裝置提高了火車能量的利用率，也提供了一種新的可再生清潔能源的獲得方式。
第二實施例
請參照圖5。本實用新型提供了一種火車車輪發電系統100。該系統包括火車車輪發電裝置500、控制組件300以及電能輸出模塊400。火車車輪發電裝置500和控制組件300耦合，控制組件300和電能輸出模塊400耦合，同時，火車車輪發電裝置500和電能輸出模塊400耦合。
下面對上述三個模塊分別進行介紹。
請參考圖6。火車車輪發電裝置500包括傳動組件520和發電機510。
發電機510與火車車廂固定相連，可以設置於火車車廂外部，如側壁、頂部、或底部，也可位於火車車廂內部。發電機510包括轉軸512。
傳動組件520包括第一傳動輪522、第二傳動輪524、傳動帶526、減速器528以及電控倒擋器530。第一傳動輪522隨火車車軸轉動，第二傳動輪524與發電機510的轉軸512相連，傳動帶526連接第一傳動輪522和第二傳動輪524，減速器528和電控倒擋器530設置於第一傳動輪522和火車車軸之間。其中，減速器528用於連接第一傳動輪522和火車車軸，電控倒擋器530用於連接減速器528和第一傳動輪522，即，先在火車車軸的一端安裝減速器528，再在減速器528上安裝電控倒擋器530，最後在電控倒擋器530上安裝第一傳動輪522，第二傳動輪524和第一傳動輪522通過傳動帶526連接。
這裡的減速器528、電控倒擋器530的功能與第一實施例中的減速器212、電控倒擋器214相同，第一傳動輪522、第二傳動輪524、傳動帶526的結構和材質與第一實施例中的第一傳動輪204、第二傳動輪206、傳動帶208的結構和材質相同，因而不再贅述。
需要說明，這裡僅介紹了火車車輪發電裝置500的基本結構，也可由其他的改進，比如在發電機510周圍設置用於遮風擋雨的保護罩。另外，一個火車車輪發電裝置500僅對應一個火車車輪，一列火車上安裝有多組上述火車車輪發電裝置500。
請參考圖7。控制組件300包括控制器302、電刷開關312、倒擋開關304、重力傳感器306以及報警器308。電刷開關312與控制器302的輸入端耦合，倒擋開關304與控制器302的輸入端耦合，重力傳感器306與控制器302的輸入端耦合，報警器308與控制器302的輸出端耦合。
其中，電刷開關312、倒擋開關304和報警器308設置於火車駕駛室，重力傳感器306平行於火車車廂底板設置。重力傳感器306、控制器302、報警器308相配合，能在火車上坡、下坡以及走平路時，發出不同的報警信號，從而提醒火車駕駛員。控制器302和倒擋開關304相配合，用於調整電控倒擋器530的工作狀態。倒擋開關304和電刷開關312為火車駕駛員直接操作的部件，可以為實體按鍵、觸摸開關等形式。
請參考圖8。電能輸出模塊400包括電纜402、整流器404、逆變器406、變壓器412、空氣開關408以及輸出電刷414。電纜402分別與多個上述火車車輪發電裝置500的發電機510耦合，並將發電機510串聯；電纜402與整流器404輸入端耦合，整流器404輸出端與逆變器406輸入端耦合，逆變器406輸出端與變壓器412輸入端耦合，變壓器412輸出端與輸出電刷414耦合，空氣開關408與逆變器406耦合。輸出電刷414設置於火車頂部。
發電機510發出的電能除開滿足本列車使用，多餘的電能還可輸入國家電網，為國家生產生活供給電能。下面具體介紹：發電機510通過電纜402串聯，使得發出的電能合併為一路；電流經過整流器404，將交流電變成直流電，再通過逆變器406將整流後的直流電轉換為與國家電網相序、相位和頻率相同的交流電，然後通過變壓器412提升電壓，最後通過火車車頂設置的輸出電刷414輸入國家電網。空氣開關408對電路進行保護。
請參考圖9。在本實施例中，控制器302對電控倒擋器530、輸出電刷414的工作起到了控制作用。電控倒擋器530與控制器302的輸出端耦合，輸出電刷414與控制器302的輸出端耦合。
當火車需要反向行駛時，火車駕駛員對倒擋開關304進行操作，輸入一個信號到控制器302，控制器302對該信號進行處理，將輸出一個信號到電控倒擋器530，從而控制火車上所有的電控倒擋器530開始工作，即可使得第一傳動輪522和火車車軸的轉動方向相反。當火車駕駛員再次對倒擋開關304進行操作，控制器302將控制電控倒擋器530不再工作，使得第一傳動輪522和火車車軸的轉動方向相同。
類似地，當火車駕駛員接收到火車上坡所帶來的報警信號時，對電刷開關312進行操作，輸入一個信號到控制器302，控制器302對該信號進行處理，將輸出一個信號到輸出電刷414，從而控制輸出電刷414和電網分離，使得發電機510空轉，使得上坡路段火車車輪發電裝置500對火車運行不造成影響。當火車駕駛員接收到火車下坡或在平路行駛的信號時，可再次對電刷開關312進行操作，從而使得火車車輪發電裝置500再次開始工作。因此，火車發電裝置500可以僅在下坡或平路使用，不僅將火車運行過程中多餘的動能轉化為電能，也幫助了火車減速，降低了火車的機械磨損。比如，火車時速為200-300km/h且處於下坡路段，需要減速到90km/h，使用火車車輪發電裝置500發電，不僅能將火車動能轉化為電能，還能減小火車的機械磨損。
請參考圖10。一般而言，一節火車車廂上設置有四對車輪，每個車輪上安裝有一火車慣性發電裝置500，其中發電機510和火車車廂固定連接。火車車廂頂部設置有輸出電刷414，輸出電刷414可與電網接觸。本圖對火車車輪發電系統100與火車的連接結構、火車車輪發電系統100與電網的連接進行了較為直觀的表示。
綜上所述，本實用新型提供了一種火車車輪發電裝置200及系統。該火車車輪發電裝置200包括傳動組件210和用於與火車車廂連接的發電機202；發電機202包括轉軸216，傳動組件210包括與火車車輪連接的第一傳動輪204、與轉軸216連接的第二傳動輪206以及連接第一傳動輪204和第二傳動輪206的傳動帶208；由此，傳動組件210使得發電機202被車輪帶動並發電，充分利用了火車運行過程中多餘的動能，提供了一種可再生清潔能源的獲得方式。火車車輪發電系統100包括火車車輪發電裝置500，還包括用於整合電能、輸出電能的電能輸出模塊400以及用於控制火車車輪發電裝置500和電能輸出模塊400的控制組件300，能夠充分利用火車運行中多餘的動能，提供了一種可再生清潔能源的獲得和利用方式。
以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。