一種應用在鐵路軌邊的發電設備的製作方法

2023-10-10 07:22:24

本發明涉及屬於鐵路運輸過程中保障火車安全運行的技術領域，具體涉及一種非常適合應用在鐵路沿線不具備公網供電條件，而又需要安裝低功耗安全檢測設備場合的鐵路軌邊的發電設備。

背景技術：

鐵路運輸作為我國物流的重要渠道，以其方便快捷的特點越來越受到人們的歡迎，特別是高鐵動車運行以來，鐵路運輸的效率有了極大的提高，在一些繁忙的鐵路幹線上，每隔5分鐘就有一列火車通過，如此繁重的運輸任務，對鐵路及火車車輛的安全性提出了很高的要求。

對於客運列車來說，每節車廂都有供電設備，可以為車輛內部安裝的許多安全檢測設備供電，實現對客車運行過程中狀態的實時檢測，列車有故障隱患時，安全檢測設備及時向列車司機發出告警信號，司機採取相應的處置措施。

對於鐵路上大量運行的貨運列車來說，除了機車(火車頭)上有供電設備外，貨運車廂是沒有供電設備的，這些車廂的運行狀態只能通過鐵軌邊的車輛安全檢測系統來完成。因此，為保證列車安全快速運行，需要在鐵路沿線安裝很多的車輛安全檢測設備。

對於鐵軌來說，為保證列車運行的平穩性，現有的鐵路線鋪設了大量的無縫鋼軌，在不同的使用環境下，由於熱脹冷縮，鋼軌的伸縮變形不同，再加上每列火車的載荷不同，對鋼軌的衝擊也不同。綜合多種因素，長距離無 縫鋼軌高溫時可能局部彎曲，低溫時可能會有斷裂的情況發生，造成行車安全事故。為了實時檢測鋼軌的形變情況，就要在鐵軌側面不同位置安裝鐵軌安全檢測設備，檢測設備的間隔距離大概1千米左右，目前在鐵路線使用的車輛安全檢測系統的最小間隔距離大約15公裡，無法完成對鋼軌狀態的完全檢測。

如果對鐵軌實行1公裡監測，如何給如此大量的安全檢測設備供電成為一個難題。使用鐵路供電網為檢測設備供電，需要每一公裡就建一個供電站，消耗大量的人力和財力方面的投資。隨著電子技術的發展，出現了許多高集成度、微功耗的電子元器件，用這些電子元器件設計的鐵軌安全檢測設備功耗都很低，完全可以採用蓄電池供電工作，只要有電能向蓄電池不斷充電，就能保證安全檢測設備正常工作。

有人試著用太陽能電池板配合蓄電池為鐵軌安全檢測設備供電，但在有的地方會因為連續的陰雨天使得太陽能電池板無法向蓄電池充電。

目前對無縫鋼軌的維護只能由維護工人在夜間或列車運行間隙完成，無法實現對鋼軌狀態的實時檢測。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種經濟實惠、安全可靠且不受天氣和環境影響的應用在鐵路軌邊的發電設備，以便很好地解決了軌邊安全檢測設備的供電問題，可以及時發現鐵路運輸的安全隱患。

為實現以上目的，本發明採用如下技術方案：一種應用在鐵路軌邊的發電設備，包括蓄電池、一個以上的磁電轉換器以及與所述磁電轉換器數量相適配的整流充電控制器，一個以上的所述磁電轉換器安裝在鐵軌的側面；所述磁電轉換器與所述整流充電控制器電連接，所述整流充電控制器與所述蓄電池電連接。

所述磁電轉換器包括外殼以及設置在所述外殼內部的U形磁鐵和閉合線 圈；所述U形磁鐵包括N極釹鐵硼強磁鐵、S極釹鐵硼強磁鐵和支架；所述N極釹鐵硼強磁鐵和所述S極釹鐵硼強磁鐵均卡接安裝在支架上，所述閉合線圈為兩個，由絕緣漆包線繞制而成；兩個閉合線圈分別套在N極釹鐵硼強磁鐵和S極釹鐵硼強磁鐵上，二者相互串聯構成一體，線圈的兩個線端通過兩條線引出到外殼之外。

所述磁電轉換器的外殼由尼龍、塑料或鋁質材料加工而成。

所述整流充電控制器包括整流電路、主控單元以及分別與所述主控單元電連接的電池狀態監測及控制電路、工作電源和無線數據傳輸模塊；所述整流電路的輸入端與所述磁電轉換器的電壓輸出端電連接，所述整流電路的輸出端與所述電池狀態監測及控制電路電連接；

還包括監控中心，所述監控中心與所述無線數據傳輸模塊通信連接。

所述主控單元負責監測外接蓄電池的電壓和工作電流，當蓄電池充滿電時，主控單元發出命令，切斷對蓄電池的充電電路；當蓄電池電壓低於設定的門限值時，主控單元發出命令，切斷對外接設備的供電電路；

所述主控單元還用於實時監測磁電轉換器有沒有感應電動勢輸出以及監測外接設備的工作電流；所述整流電路負責把所述磁電轉換器產生的交流電動勢轉換為直流電壓；所述電池狀態監測及控制電路負責把蓄電池的過壓和欠壓狀態、磁電轉換器產生的交流電動勢、外接設備的工作電流參數轉換成數位訊號送給主控單元；所述工作電源負責把蓄電池的電壓轉換為整流充電控制器的工作電壓。

所述整流電路由整流電橋、濾波電容和限壓電路構成，負責把磁電轉換器產生的交流電動勢轉換為直流電壓。

還包括跳線開關，通過跳線開關為每一個整流充電控制器設定唯一的身份碼。

所述無線數據傳輸模塊是GPRS模塊、藍牙模塊和Zigbee模塊中的一種或兩種以上的組合，所述無線數據傳輸模塊與所述主控單元之間通過RS232 接口通訊連接。

電池狀態監測及控制電路包括兩路電壓比較電路、兩路控制繼電器、一路單穩態電路和一路電流採樣比較器，所述兩路電壓比較電路、所述一路單穩態電路和所述一路電流採樣比較器、所述兩路控制繼電器分別與所述控制單元電連接。

本發明採用以上技術方案，利用電磁感應的原理，將所述磁電轉換器安裝在鐵軌的側面；所述磁電轉換器與所述整流充電控制器電連接，所述整流充電控制器與所述蓄電池電連接。當火車經過時，能夠產生交流感應電動勢，用此電動勢為蓄電池充電，從而實現由蓄電池為鐵軌上安裝的安全檢測設備供電。

本發明所提供的鐵路軌邊發電設備，是利用下述原理：恆定磁場中運動的金屬導體表面會產生渦流，渦流周圍產生的磁場又會反過來引起原有恆定磁場強度發生變化，從而使得處於原有恆定磁場內的閉合線圈中產生出感應電動勢，從而能完成發電的任務。

本發明提供的發電設備不受天氣和環境的影響，只要有火車通過就可以發電，並且火車通過越頻繁，發電效率越高，每一套鐵軌安全檢測設備配一套這樣的發電設備，既經濟實惠又安全可靠。目前來看，這種鐵路軌邊發電設備屬於國內首創。

附圖說明

圖1為本發明應用在鐵路軌邊的發電設備示意圖；

圖2為本發明磁電轉換器安裝圖；

圖3為本發明磁電轉換器外形圖；

圖4為本發明磁電轉換器之U形磁鐵構造圖；

圖5為本發明磁電轉換器之線圈安裝示意圖；

圖6為本發明磁電轉換器透視圖；

圖7為本發明整流充電控制器方框圖；

圖8為本發明交流電動勢與轉換後的直流電壓對應示意圖。

圖中：1、蓄電池；2、磁電轉換器；3、整流充電控制器；4、外殼；5、N極釹鐵硼強磁鐵；6、S極釹鐵硼強磁鐵；7、支架；8、閉合線圈；9、長方孔；10、整流電路；11、主控單元；12、電池狀態監測及控制電路；13、工作電源；14、無線數據傳輸模塊；15、監控中心；16、鐵軌。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

如圖1所示，本發明提供一種應用在鐵路軌邊的發電設備，包括蓄電池1、一個以上的磁電轉換器2以及與所述磁電轉換器2數量相適配的整流充電控制器3，一個以上的所述磁電轉換器2安裝在鐵軌16的側面；所述磁電轉換器2與所述整流充電控制器3電連接，所述整流充電控制器3與所述蓄電池1電連接。

本實施例中所述磁電轉換器2包括外殼4以及設置在所述外殼4內部的U形磁鐵和閉合線圈8；所述U形磁鐵包括N極釹鐵硼強磁鐵5、S極釹鐵硼強磁鐵6和支架7；所述N極釹鐵硼強磁鐵5和所述S極釹鐵硼強磁鐵6均卡接安裝在支架7上，所述閉合線圈8為兩個，由絕緣漆包線繞制而成；兩個閉合線圈8分別套在N極釹鐵硼強磁鐵5和S極釹鐵硼強磁鐵6上，二者相互串聯構成一體，線圈的兩個線端通過兩條線引出到外殼4之外。

需要做進一步補充說明的是，U形磁鐵和線圈密封在外殼4裡，通過灌注強力膠使U形磁鐵、線圈與外殼4成為一個整體。本實施例中採用不鏽鋼支架7，兩塊磁鐵卡接安裝在不鏽鋼支架7上，一邊是N極，一邊是S極；將絕緣漆包線繞在塑料骨架上製成線圈，線圈要在真空條件下24小時浸泡絕緣漆；兩個線圈分別套在N極和S極上，二者相互串聯構成一體，線圈的兩個線端通過兩條線引出到外殼4之外。使用專用的安裝卡具，將磁電轉換器2 安裝在鐵軌的側面，當火車通過時，車輪輪緣從磁電轉換器2上表面經過，磁電轉換器2產生交流感應電動勢，該電動勢經兩條線送給整流充電控制器3。

本發明提供的發電設備工作原理是：磁電轉換器2安裝在鐵軌的側面，當火車通過時，車輪輪緣從磁電轉換器2上表面經過，車輪切割磁電轉換器2內部磁鐵周圍的磁場，在車輪表面產生渦流，渦流的磁場使得磁電轉換器2的原有磁場發生變化，引起通過磁電轉換器2內部線圈的磁通量發生變化，在線圈內產生交流感應電動勢。磁電轉換器2通過專用的卡具安裝在鐵軌的外側面，如附圖2所示，保證火車通過時輪緣基本從磁電轉換器2的縱向中線經過，以使得磁電轉換器2內部線圈的磁通量的變化量ΔΦ最大，產生的感應電動勢也最大。

由法拉第電磁感應定律可知，當閉合電路為一個n匝的線圈，ΔΦ為通過線圈的磁通量變化量，Δt為發生磁通量變化所用時間，則線圈兩端產生的感應電動勢可表示為：ε＝n(ΔΦ/Δt)，ε為產生的感應電動勢，單位為伏特。假定火車每個車輪從磁電轉換器2上經過時引起的磁通量變化量ΔΦ相同，火車的速度越高，Δt越小，線圈內產生的感應電動勢越大。

如圖3所示，所述磁電轉換器2的外殼4呈長方體結構，外殼4由尼龍、塑料等導磁性能好的非金屬材料加工而成，在對外殼4強度有特殊要求的使用場合，也可以用鋁質材料加工外殼4。外殼4的兩端底邊有兩個長方孔9，以便在安轉的過程中調整磁電轉換器2與鐵軌的距離。

磁電轉換器2內部包含U型磁鐵和閉合線圈8。具體構造如圖4和圖5所示。圖4描述了U形磁鐵的構成，U形磁鐵由兩塊釹鐵硼強磁鐵和不鏽鋼支架構成，兩塊磁鐵卡接安裝在不鏽鋼支架上，一邊是N極，一邊是S極，為易於辨別兩塊磁鐵的不同極性，N極加工成了「凸」形，S極加工成了「凹」形。

將絕緣漆包線繞在塑料骨架上製成線圈，採用直徑0.2毫米耐高溫漆包銅線緊密繞制而成，繞制好的線圈要放在真空條件下進行24小時浸泡絕緣漆處 理；每個磁電轉換器2內部有兩個線圈，兩個線圈分別套在U形磁鐵的N極和S極上，二者相互串聯構成一體，線圈的兩個線端通過兩條線引出到外殼4之外。附圖5描述了線圈與U形磁鐵之間的安裝配合方式，線圈與U形磁鐵的磁極通過強力膠粘接在一起。

線圈安裝到U形磁鐵上之後，將它們放置在塑料外殼4內部，在真空條件下向塑料外殼4內部灌注強力密封膠，待強力膠完全凝固後，線圈、U形磁鐵、外殼4即成為一個整體，一個磁電轉換器2即加工完成，附圖5描述了磁電轉換器2內部的透視圖。

下面對本發明的整流充電控制器3技術方案做詳細的說明：

如圖7所示，整流充電控制器3是一個連接軌邊發電設備與蓄電池1的橋梁，負責對感應電動勢的轉換，負責對蓄電池1狀態的監測，負責控制蓄電池1充、放電操作。

本實施例中所述整流充電控制器3包括整流電路10、主控單元11以及分別與所述主控單元11電連接的電池狀態監測及控制電路12、工作電源13和無線數據傳輸模塊14；所述整流電路10的輸入端與所述磁電轉換器2的電壓輸出端電連接，所述整流電路10的輸出端與所述電池狀態監測及控制電路12電連接；

還包括監控中心15，所述監控中心15與所述無線數據傳輸模塊14通信連接。

所述主控單元11負責監測外接蓄電池1的電壓和工作電流，當蓄電池1充滿電時，主控單元11發出命令，切斷對蓄電池1的充電電路；當蓄電池1電壓低於設定的門限值時，主控單元11發出命令，切斷對外接設備的供電電路；

所述主控單元11還用於實時監測磁電轉換器2有沒有感應電動勢輸出以及監測外接設備的工作電流；所述整流電路10負責把所述磁電轉換器2產生的交流電動勢轉換為直流電壓；所述電池狀態監測及控制電路12負責把蓄電 池1的過壓和欠壓狀態、磁電轉換器2產生的交流電動勢、外接設備的工作電流參數轉換成數位訊號送給主控單元11；所述工作電源13負責把蓄電池1的電壓轉換為整流充電控制器3的工作電壓。

本實施例中還包括跳線開關(圖中未示出)，通過跳線開關為每一個整流充電控制器3設定唯一的身份碼。

本發明的目的是要通過鐵路軌邊發電設備向外接的蓄電池1充電，從而解決鐵軌安全檢測設備的供電問題。因為火車在鐵路上運行的時候，車輪是依次從磁電轉換器2上經過的，每經過一個車輪，磁電轉換器2就會產生一個周期的正弦交流電動勢，而蓄電池1的電壓是直流電壓，磁電轉換器2產生的交流感應電動勢無法直接向蓄電池1充電。

整流電路10由整流電橋、濾波電容、限壓電路構成，負責把磁電轉換器2產生的交流電動勢轉換為直流電壓，限壓電路可以把直流電壓限定在一個合理的範圍內，避免因為直流電壓過高造成對蓄電池1的損壞。處理後的直流電壓送給電池狀態監測及控制電路12，給外接的蓄電池1充電。交流電動勢與轉換後的直流電壓對應示意圖如圖8所示。

本實施例中所述電池狀態監測及控制電路12包括以下四部分：

兩路電壓比較器，以工作電源13輸出的電壓作為基準，一路比較器監測外接蓄電池1的上限電壓，稱為上限比較器；一路比較器監測蓄電池1的下限電壓，稱為下限比較器；當蓄電池1的輸出電壓高於上限電壓值的時候，上限比較器的輸出狀態翻轉，當蓄電池1的輸出電壓低於下限電壓時，下限比較器的輸出狀態翻轉。兩路比較器的輸出端與主控單元11連接。

一路單穩態電路，把整流電路10送來的直流脈衝電壓耦合出微弱脈衝信號送給單穩態電路，當磁電轉換器2有感應電動勢輸出時，單穩態電路的輸出從穩態「0」翻轉為暫態「1」。單穩態電路的輸出與主控單元11連接。

一路電流採樣比較器，在對外供電的迴路裡串接一個高精度小阻值的電阻，把外接鐵軌安全檢測設備的工作電流轉換為電壓與基準電壓做比較，大 於基準電壓時，比較器輸出狀態翻轉。比較器的輸出端與主控單元11連接。

兩路控制繼電器，用於切斷蓄電池1充電電路和對外供電電路。繼電器控制端與主控單元11連接。

本實施例中的工作電源13是個DC/DC模塊，把蓄電池1的電壓轉換為3.3V電壓，為整流充電控制器3供電。

本實施例中的主控單元11是整流充電控制器3的核心，主控單元11是一個低功耗的處理器，可以是單片機、ARM處理器或DSP，從經濟實用來說，最好選用低功耗單片機。其主要具有如下功能：

1.主控單元11接收前述電池狀態監測及控制電路12的信號，當蓄電池1電壓高於上限電壓值時，主控單元11控制繼電器，切斷電池充電電路。當蓄電池1的輸出電壓低於下限電壓時，主控單元11控制繼電器，切斷外接設備的供電電路。

2.主控單元11接收前述單穩態電路輸出的狀態信號，記錄磁電轉換器2的工作狀態。

3.主控單元11監測對外供電迴路是否超出電流上限值，如果超出上限，主控單元11控制控制繼電器，切斷對外接設備供電。

4.主控單元11外擴有告警燈，發生異常情況，告警燈閃爍。前述3種情況都屬於異常情況。

5.發生異常情況時，主控單元11通過無線數據傳輸模塊14，向監測中心發出告警信號。

6.主控單元11通過無線數據傳輸模塊14，接收監測中心發來的命令。

7.主控單元11外擴有16位跳線開關，可以設定每一個整流充電控制器3獨立的身份碼。

本實施例中的所述無線數據傳輸模塊14是GPRS模塊、藍牙模塊和Zigbee模塊中的一種或兩種以上的組合，所述無線數據傳輸模塊14與所述主控單元11之間通過RS232接口通訊連接。

為進一步詳述本發明，現做如下補充說明：

1.本發明提供的鐵路軌邊發電設備，磁電轉換器2產生的感應電動勢的大小與列車運行的速度有關，速度越高產生的感應電動勢越高，當列車速度在每小時15公裡時，為蓄電池1充電的直流電壓大於12V。一般選用12V鉛酸免維護蓄電池1與軌邊發電設備配套使用，因為火車經過時，軌邊發電設備產生的是交流脈衝電動勢，在保證不損壞蓄電池1的情況下，適當提高蓄電池1充電電壓的門限值，整流電路10中的限壓電路設定的上限充電電壓為18V，提高充電效率，縮短充電時間。建議蓄電池1在安裝現場之前，充滿電。

2.如果外接鐵軌安全檢測設備的功耗比較大，會造成蓄電池1放電速度比較快，一套軌邊發電設備不能及時補充蓄電池1的能量損耗，可以考慮在鐵軌側面安裝兩套軌邊發電設備，同時向蓄電池1充電。

3.當蓄電池1充滿電之後，主控單元11發出命令，控制電路切斷充電電路，避免過充造成蓄電池1損壞；當蓄電池1電壓低於預先設定門限值時，主控單元11發出告警信號，切斷對外部設備的供電，以便保證控制器自身的工作用電；主控單元11通過無線數據傳輸模塊14，把告警及時狀態送到監測中心。監測中心發現某一控制器發回故障信息，可以及時定位發電設備，安排人員到現場維護更換。

本發明提供的發電設備不受天氣和環境的影響，只要有火車通過就可以發電，並且火車通過越頻繁，發電效率越高，每一套鐵軌安全檢測設備配一套這樣的發電設備，既經濟實惠又安全可靠。通過此發電設備，很好地解決了軌邊安全檢測設備的供電問題，可以及時發現鐵路運輸的安全隱患。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。