一种利用重力势能进行发电的汽车及其工作方法.pdf

本发明涉及一种利用重力势能进行发电的汽车，包括：利用重力势能进行发电的汽车，包括：车架或承载式车身、车桥、设于车架或承载式车身与车桥之间的弹性元件、设于车架或承载式车身底部的重力势能转换装置。重力势能转换装置包括：设于所述车架或承载式车身底部的壳体，设于该壳体内的轴承配合于一定位轴上的驱动齿轮，内侧端与所述驱动齿轮固定连接的驱动杆，与驱动齿轮啮合的小齿轮，该小齿轮活动配合于一中心轴上，该中心轴上轴承配合有棘爪固定座和大齿轮，该棘爪固定座上分布有多个中心对称的棘爪，该棘爪固定座能随小齿轮绕中心轴同步旋转。驱动杆的外侧端活动连接在所述弹性元件与车桥的连接处，或所述弹性元件的下支点。

1.  一种汽车，其特征在于包括：车架或承载式车身、车桥、设于车架或承载式车身与车桥之间的弹性元件、设于所述车架或承载式车身底部的重力势能转换装置、与该重力势能转换装置传动配合的发电机。

2.  如权利要求1所述的汽车，其特征在于：所述重力势能转换装置包括：设于所述车架或承载式车身底部的壳体，设于该壳体内的轴承配合于一定位轴上的驱动齿轮，内侧端与所述驱动齿轮固定连接的驱动杆，与驱动齿轮啮合的小齿轮，该小齿轮活动配合于一中心轴上，该中心轴上轴承配合有棘爪固定座和大齿轮，该棘爪固定座上分布有多个中心对称的棘爪，该棘爪固定座能随小齿轮绕中心轴同步旋转；
驱动杆的外侧端活动连接在所述弹性元件与车桥的连接处，或所述弹性元件的下支点；
所述棘爪固定座的外周设有与所述各棘爪啮合的棘轮；
棘轮与大齿轮上下固定配合；
大齿轮与一发电机的转轴传动配合，以驱动发电机发电。

3.  如权利要求2所述的汽车，其特征在于：所述中心轴的与小齿轮活动配合的部分为加长部，小齿轮的侧壁上设有环形槽，呈L形的拔动杆的折角端活动连接在小齿轮的一侧的一固定于所述壳体内的支架上，拔动杆的底杆的自由端延伸入所述环形槽中。

4.  如权利要求3所述的汽车，其特征在于：所述加长部上设有限位螺母，限位螺母与小齿轮的上端面之间设有压簧。

5.  如权利要求2-4之一所述的汽车，其特征在于：所述小齿轮与棘爪固定座之间通过限位凸起与限位槽实现上下配合；或所述棘爪固定座的顶面整体与所述小齿轮的底面上的限位槽实现上下定位配合，以使该棘爪固定座能随小齿轮绕中心轴同步旋转。

6.  如权利要求1或2所述的汽车，其特征在于：所述发电机为无硅钢片发电机，其包括：同轴且平行设置的定子、转子；定子包括：两层或三层平行分布的线圈层，各线圈层由多个依次串接的平面扇形线圈均匀环绕分布而成；转子上同圆周均布有多个永磁块，所述的各线圈层采用塑料复合材料热压成一体，且塑料复合材料中含有10-50wt%的磁吸粉。

7.  如权利要求6所述的汽车，其特征在于：所述三层线圈层中，各线圈层的结构和形状大小一致，且各线圈层的始端相差120°分布，各线圈层的终端相连接；
各平面扇形线圈的匝数为至少2匝；
各线圈层中的平面扇形线圈个数为至少4个，且绕制方式一致；
转子上的相邻磁块的极性相反，且各永磁块呈扇形；
同一线圈层中，相邻平面扇形线圈之间部分相叠交；
各线圈层由单根导线绕制而成。

8.  如权利要求6所述的汽车，其特征在于：所述定子包括对称设于转子两侧的一对，与各定子邻近的盖板为导磁盖板；所述转子包括由非导磁材料的隔板隔离的一对导磁盘体,设于该导磁盘体上的永磁块，该对导磁盘体与所述隔板同轴平行设置；
该对导磁盘体上的永磁块的极性对称。

9.  如权利要求2所述的汽车的工作方法，其特征在于：汽车的车轮上下颠簸时，使所述弹性元件相对于所述车架或承载式车身发生伸缩；其中，当所述弹性元件收缩时，使所述驱动杆的外侧端受到相应的力，使所述驱动杆绕所述定位轴发生转动,进而驱动上述驱动齿轮旋转,并带动小齿轮旋转，使棘爪固定座随小齿轮绕中心轴同步旋转，进而使各棘爪与棘轮的内侧壁啮合,以使棘爪固定座通过棘爪带动棘轮以及大齿轮同步旋转，并由大齿轮带动发电机的转轴一同旋转，进而实现发电。

10.  如权利要求3所述的汽车的工作方法，其特征在于：当需要将所述发电机作为电动机使用时，拉动拉绳，使拔动杆的底杆的自由端上翘时，拔动杆带动小齿轮沿中心轴向上滑动，使小齿轮与棘爪固定座脱离；接通电源，即可任意控制发电机作为电动机正传或反转，以输出动力。

一种利用重力势能进行发电的汽车及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种利用重力势能进行发电的汽车及其工作方法，尤其是混合动力汽车或纯电动汽车。
背景技术
重力势能的利用，最常见的为水力发电，其利用水的重力势能转换为电能，因此，将重力势能转换为电能、动能等，将有利于节约资源，提高能源利用率。
车辆在行驶过程中，由于路面不平整，在行驶的过程中，人们坐在座凳上必然会产生不规则的上下颠簸，在上下颠簸过程中蕴藏了重力势能，由于没有相应的回收利用装置，这些重力势能都被白白地浪费了，没有得到回收再利用，非常可惜。
特别对于混合动力汽车或纯电动汽车，将重力势能进行发电可以大幅延长其持续行使里程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、利用重力势能进行发电的汽车及其工作方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用重力势能进行发电的汽车，包括：车架或承载式车身、车桥、设于车架或承载式车身与车桥之间的弹性元件、设于车架或承载式车身底部的重力势能转换装置。
所述重力势能转换装置包括：设于所述车架或承载式车身底部的壳体，设于该壳体内的轴承配合于一定位轴上的驱动齿轮，内侧端与所述驱动齿轮固定连接的驱动杆，与驱动齿轮啮合的小齿轮，该小齿轮活动配合于一中心轴上，该中心轴上轴承配合有棘爪固定座和大齿轮，该棘爪固定座上分布有多个中心对称的棘爪，该棘爪固定座能随小齿轮绕中心轴同步旋转。驱动杆的外侧端活动连接在所述弹性元件与车桥的连接处，或所述弹性元件的下支点。
所述棘爪固定座的外周设有与所述各棘爪啮合的棘轮。
棘爪的内侧端通过小轴活动连接在棘爪固定座上，棘轮与大齿轮通过多个螺栓上下固定配合。所述小齿轮与棘爪固定座之间通过限位凸起与限位槽实现上下定位配合，或所述棘爪固定座的顶面整体与所述小齿轮的底面上的限位槽实现上下定位配合,以使棘爪固定座适于随小齿轮绕中心轴同步旋转。
所述大齿轮与一发电机的转轴传动配合，以驱动发电机发电。
所述中心轴的与小齿轮活动配合的部分为加长部，该加长部上设有限位螺母，限位螺母与小齿轮的上端面之间设有压簧，小齿轮的侧壁上设有环形槽，呈L形的拔动杆的折角端活动连接在小齿轮的一侧的一固定于所述壳体内的支架上，拔动杆的底杆的自由端延伸入所述环形槽中，拔动杆的竖杆的顶端与一拉绳相连。
所述支架上设有多个用于限制拔动杆的摆动角度的限位销。
作为一种优选的实施方式，所述驱动杆的内侧端通过多个螺钉与所述驱动齿轮固定连接。
汽车行驶时，因路面不平整等因素，车轮上下颠簸，进而使所述弹性元件相对于所述车架或承载式车身发生伸缩；其中，当所述弹性元件收缩时，使所述驱动杆的外侧端受到相应的力，使所述驱动杆绕所述定位轴发生转动,进而驱动上述驱动齿轮旋转,并带动小齿轮旋转，由于小齿轮通过与棘爪固定座的配合，故而使棘爪固定座随小齿轮绕中心轴同步旋转，进而使各棘爪与棘轮的内侧壁啮合,以使棘爪固定座通过棘爪带动棘轮以及大齿轮同步旋转，并由大齿轮带动发电机的转轴一同旋转，进而实现发电；当所述弹性元件伸展时，驱动杆的外侧端受力反向，使驱动杆带动驱动齿轮以及小齿轮逆向旋转，进而带动棘爪固定座逆向旋转,使各棘爪与棘轮的内侧壁脱离，棘爪固定座在逆向旋转时不会驱动棘轮旋转,也就不会使大齿轮以及发电机的转轴旋转。
当需要将所述发电机作为电动机使用时，拉动拉绳，使拔动杆的底杆的自由端上翘时，拔动杆带动小齿轮沿中心轴向上滑动，使小齿轮与棘爪固定座脱离，此时，所述发电机的转轴适于逆向旋转。此时，接通电源，即可任意控制发电机作为电动机正传或反转，以输出动力；即电动机的旋转方向可任意选择，以满足特殊场合的需求。
作为优选的实施方式，所述发电机为无硅钢片发电机，其能够大幅降低线圈和磁块的用量。该无硅钢片发电机，其包括同轴且平行设置的定子、转子；定子包括：两层或三层平行分布的线圈层，各线圈层由多个依次串接的平面扇形线圈均匀环绕分布而成；转子上同圆周均布有多个永磁块，且相邻磁块的极性相反，其特点是：所述的各线圈层采用塑料复合材料热压成一体，且塑料复合材料中含有10-50wt%的磁吸粉，余量为塑料或树脂，例如PP、PS、PC等中的一种或多种。
所述三层线圈层中，各线圈层的结构和形状大小一致，且各线圈层的始端相差120°分布，各线圈层的终端相连接。
各平面扇形线圈的匝数为至少2匝，可根据发电机功率需要任意调整。
各线圈层中的平面扇形线圈个数为至少4个，且绕制方式一致，平面扇形线圈的个数可根据发电机功率需要任意调整。
各永磁块呈扇形，且同圆周中心对称分布，永磁块的个数可根据发电机功率需要任意调整。
当平面扇形线圈个数较多（例如7个以上），则同一线圈层中，相邻平面扇形线圈之间部分相叠交。
各线圈层由单根导线绕制而成，以确保发电机的品质。
所述定子包括对称设于转子两侧的一对，与各定子邻近的盖板为导磁盖板；所述转子包括：由非导磁材料的隔板隔离的一对导磁盘体,设于该导磁盘体上的永磁块；该对导磁盘体与所述隔板同轴平行设置；该对导磁盘体上的永磁块的极性对称。所述定子包括对称的一对，利于提高发电机功率，同时使转子两侧受力均匀，定子包括对称设于转子两侧的一对，转子上的永磁块嵌于转子本体的安装孔中，或转子包括相邻背向设置的结构相同的一对，该对转子上的永磁块的极性对称。
具体实施时，所述转子固定于转轴上，转轴轴承配合于一对轴承座中，定子、转子处于该对轴承座之间；所述的各导磁盖板、定子、转子设于一非导磁的环形外壳中。
本发明的技术效果：（1）本发明的汽车通过重力势能转换装置，将上下颠簸产生的重力势能加以利用，转换为电能，大大提高了能源利用率；（2）本发明的无硅钢片发电机，无需硅钢片，定子采用多层线圈层经塑料复合材料热压呈环形，厚度一般为小于1cm，该复合材料含有磁吸粉，其仅在线圈通电时导磁，且绝缘性能良好。因此无漏磁且磁路阻抗小，导磁率高，故而可大幅降低线圈匝数，减小铜线的用量。相对于传统无刷永磁发电机，相同功率的条件下，总的线圈匝数可减小1/3，磁块使用量减少1/2，相同能耗的条件下，发电机输出功率提高15-20%，有效功率达88%。（3）本申请的发电机无需硅钢片，定子采用多层线圈层经塑料复合材料热压呈环形，厚度一般为小于1cm，该复合材料含有磁吸粉，其仅在线圈通电时导磁，且绝缘性能良好。由于本申请的发电机中定子、转子平行相邻且同轴设置，定子厚度薄，因此体积较小，线圈层产生的磁场与转子上的永磁块构成封闭磁路。
附图说明
图1是本发明的汽车的结构示意图；
图2是助力车的重力势能转换装置的结构示意图；
图3是三棘爪的棘轮的截面图；
图4是两棘爪的棘轮的截面图；
图5为本发明的单定子、单转子的小功率无硅钢片发电机的剖面结构图；
图6为本发明的双定子、单转子的大功率无硅钢片发电机的剖面结构示意图；
图7为本发明转子的一种实施方式；
图8为本发明转子的另一种实施方式，其中给出了；
图9为所述发电机中A相线圈的端面结构图；
图10为所述发电机中B相线圈的端面结构图；
图11为所述发电机中C相线圈的端面结构图；
图12为所述三相发电机中的线圈分布结构示意图；
图13为所述线圈层中的多个平面扇形线圈分离开后的结构示意图；
图14为所述重力势能转换装置的另一种结构示意图；
附图标记：31.环形外壳，32.导磁盖板，33.永磁块，34.A相线圈层,35. B相线圈层，36. C相线圈层，37.轴承座，38.轴承，39转轴，40.定子， 42转子，43.隔磁板，44.非导磁盖板，45.扇形平面线圈。
具体实施方式
实施例1
如图1，本实施例的利用重力势能进行发电的汽车包括：车架或承载式车身12、车桥19、设于车架或承载式车身12与车桥19之间的弹性元件21、设于车架或承载式车身12底部的重力势能转换装置22；车桥的两端设有车轮。弹性元件21为空气弹簧、螺旋弹簧或扭杆弹簧。
如图2,所述重力势能转换装置22包括：设于所述车身底部的壳体20，设于该壳体20内的轴承配合于一定位轴13上的驱动齿轮14，内侧端与所述驱动齿轮14固定连接的驱动杆8，与驱动齿轮14啮合的小齿轮15，该小齿轮15活动配合于一中心轴11上，该中心轴11上轴承配合有棘爪固定座3和大齿轮1，该棘爪固定座3上分布有多个中心对称的棘爪5，该棘爪固定座3能随小齿轮15绕中心轴11同步旋转。驱动杆8的外侧端活动连接在所述弹性元件与车桥的连接处，或所述弹性元件的下支点。（弹性元件若为钢板弹簧，则驱动杆8的外侧端活动连接在钢板弹簧的中央）。
所述棘爪固定座3的外周设有与所述各棘爪5啮合的棘轮2。
如图3或4，棘爪5的内侧端通过小轴4活动连接在棘爪固定座3上，棘轮2与大齿轮1通过多个螺栓9上下固定配合。所述小齿轮15与棘爪固定座3之间通过限位凸起与限位槽实现上下定位配合，或所述棘爪固定座3的顶面整体与所述小齿轮的底面上的限位槽实现上下定位配合，以使棘爪固定座3适于随小齿轮15绕中心轴11同步旋转。
所述大齿轮1与一发电机的转轴传动配合，以驱动发电机发电，并对汽车上的蓄电池充电。该汽车优选混合动力汽车或纯电动汽车。
所述中心轴11的与小齿轮15活动配合的部分为加长部，该加长部上设有限位螺母16，限位螺母16与小齿轮15的上端面之间设有压簧17，所述小齿轮15的侧壁上设有环形槽15-1，呈L形的拔动杆18的折角端180活动连接在小齿轮15一侧的一固定于所述壳体20内的支架7上，拔动杆18的底杆的自由端181延伸入所述环形槽15-1中，拔动杆18的竖杆的顶端与一拉绳6相连。
所述支架7上设有多个用于限制拔动杆18的摆动角度的限位销71。
作为一种优选的实施方式，所述驱动杆8的内侧端活动套设于所述定位轴13上，并通过多个螺钉与所述驱动齿轮14固定连接。
当所述棘爪5为对称分布的两个时，为利于所述棘爪5与所述棘轮2啮合，棘爪5的外侧端与棘爪固定座3之间设有弹簧10。
汽车行驶时，因路面不平整等因素，车轮上下颠簸，进而使所述弹性元件相对于所述车架或承载式车身发生伸缩；其中，当所述弹性元件收缩时，使所述驱动杆8的外侧端受到相应的力,使驱动杆8绕所述定位轴13发生转动,进而驱动上述驱动齿轮14旋转,并带动小齿轮15旋转，由于小齿轮15通过与棘爪固定座3的配合，故而使棘爪固定座3随小齿轮15绕中心轴11同步旋转，（图3中，各棘爪5上产生离心力,）进而使各棘爪5与棘轮2的内侧壁啮合,以使棘爪固定座3通过棘爪5带动棘轮2以及大齿轮1同步旋转，并由大齿轮1带动发电机的转轴一同旋转，进而实现发电；当所述弹性元件伸展时，驱动杆8的外侧端受力反向，使驱动杆8带动驱动齿轮14以及小齿轮15逆向旋转，进而带动棘爪固定座3逆向旋转，棘爪固定座3在逆向旋转时不会驱动棘轮2旋转,也就不会驱动大齿轮1以及发电机的转轴旋转。此时的发电机的转轴靠惯性转动。
当拉动拉绳6，使拔动杆18的底杆的自由端181上翘时，拔动杆18带动小齿轮15沿中心轴11向上滑动，使小齿轮15与棘爪固定座3脱离，此时，所述发电机的转轴适于逆向旋转，此时的发电机可以作为电动机使用，且旋转方向可任意选择，以满足特殊场合的需求。
所述拉动拉绳6的动作，可以是手动，也可以采用电机驱动、或汽缸或液压缸驱动实现。
（实施例2）
在上述实施例的基础上，本实施例采用发电机为无硅钢片发电机，如图5，包括环形外壳31，同轴设于该外壳中的定子40、转子42，与该转子42的转轴39轴承配合的一对轴承座37，各轴承座37通过相应的盖板固定在所述环形外壳31中，定子40包括：两层或三层平行分布的线圈层，各线圈层由多个依次串接的平面扇形线圈均匀环绕分布而成；具体实施时，定子40上的各线圈层包括18、21、24或27个扇形平面线圈45。转轴39的外侧端设有皮带轮或齿轮，用于与外部动力源传动配合。
定子40上的各线圈层的电流输出端与一整流与调压电路相连。
转子42上的永磁块33为2-20个，同圆周中心对称分布。
所述的各线圈层采用塑料复合材料热压成一体，且塑料中含有20wt%或10 wt%或30wt%或40 wt%或50 wt%的磁吸粉。磁吸粉为氧化铁磁粉、钴-氧化铁磁粉、二氧化铬磁粉中的一种或多种。
定子40的外侧设有导磁盖板32，所述导磁盖板32、定子40、转子42设于非导磁的环形外壳31中。
本申请的发电机无需硅钢片，定子采用多层线圈层经塑料复合材料热压呈环形，厚度一般为小于1cm，该复合材料含有磁吸粉，其仅在线圈通电时导磁，且绝缘性能良好。
由于本申请的发电机中定子、转子42平行相邻且同轴设置，定子厚度薄，因此体积较小，线圈层产生的磁场与转子42上的永磁块构成封闭磁路。
由于复合材料仅在线圈通电时才导磁，因此无漏磁且磁路阻抗小，导磁率高，故而可大幅降低线圈匝数，减小铜线的用量。
相对于传统无刷永磁发电机，相同功率的条件下，总的线圈匝数可减小1/3，磁块使用量减少1/2，相同能耗的条件下，发电机输出功率提高15-20%，有效功率达88%。
图5为小功率的无硅钢片发电机，其中，邻近定子40的盖板为导磁盖板32，邻近转子42的盖板为非导磁盖板44。该导磁盘体上设有永磁块33。
图6为大功率的无硅钢片发电机，其中，邻近定子40的盖板为导磁盖板32，转子的盖板为非导磁盖板44。所述定子40包括对称设于转子两侧的一对，与各定子40外侧邻近的盖板为导磁盖板32；所述转子42包括:由非导磁材料的隔板43隔离的一对导磁盘体,设于该导磁盘体上的永磁块33；该对导磁盘体与所述隔板43同轴平行设置；该对导磁盘体上的永磁块33的极性对称。所述转子固定于转轴上，转轴轴承配合于一对轴承座中，定子、转子处于该对轴承座之间；所述的各导磁盖板、定子、转子设于一非导磁的环形外壳中。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的组合、变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。