[发明专利]一种球形机电能量变换器

说明书

技术领域

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

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

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。

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；

所述发电单元包括外球壳、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；当发电单元处于静态时，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。

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。

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。

进一步，所述安全手柄通过柔性材料连接输出轴的一端。

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。

进一步，所述储能单元为电池或电容。

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。

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。

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，提高发电量。

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。