一种用于胎压监测系统的微型电磁-压电复合振动俘能器的制作方法

一种用于胎压监测系统的微型电磁
‑
压电复合振动俘能器
技术领域
1.本实用新型涉及了一种振动俘能器，尤其是涉及了一种用于胎压监测系统的微型电磁
‑
压电复合振动俘能器。


背景技术：

2.近年来，胎压监测系统(tpms)的产品质量要求正在迅速上升。市场上可用的tpms模块通常由纽扣电池供电。但是，可用功率和维护成本的限制带来了诸多不便，越来越多的研究者企图寻找一个一劳永逸的办法(即让tpms 实现自供电的方法)来解决这一难题。在现有的自供电技术中，从环境振动中俘获能量的振动俘能器无疑是最具应用潜力的选择。车轮的旋转可以提供很大的振动幅度，因此可作为tpms的潜在动力源。现有的振动俘能器多是采用共振式的机械结构，以电磁发电装置为例，磁铁在环境振动源的驱动下往复振动，切割磁感线从而在线圈内产生感应电动势。这种共振式发电装置在外部激励频率等于其自身的固有频率时，达到最大输出功率。
3.现有的共振式发电装置虽然在外部激励频率等于其自身固有频率，即达到共振状态时，能产生较大的输出功率。但其工作的频率范围非常狭小，仅仅在固有频率附近很窄的一段频率范围内，这种共振式的发电装置才能正常工作。而对于大部分基于环境振动的发电装置来说，其本身的固有频率是远远大于环境振动的频率的。根据理论公式，发电装置的输出功率与其工作频率的三次方成正比。这就意味着，当外部环境的激励频率降低时，发电装置的输出功率将急剧下降。为了使输出功率尽可能地大，就必须使发电装置的固有频率与环境振动频率相接近。对于tpms，主要振动源是车轮在旋转过程中由重力产生的交变切向加速度。该振动频率通常在1hz到大约20hz的范围内，比典型的微型能量收集器的谐振频率低得多，欲使发电装置的固有频率在其附近，就必须把发电装置的整体尺寸增大，因为一般来说，发电装置的固有频率与其总体尺寸成反比。然而，发电装置的体积增大会使得其输出功率密度(输出功率与其工作体积之比)大大降低，并且不能满足tpms的要求。
4.要解决这个低频振动能量俘获难的问题，有人提出了升频机构技术，即利用升频机构将环境振动的频率进行一级或二级(甚至多级)放大，进而通过电磁和压电等机电能量转换机制来发电。但是对于tpms来说，其工作条件更加苛刻，因为随着汽车加速或减速，该频率随时间在较大的一个范围内变化。对于这种低频、宽频带的问题，光采用升频机构是无济于事的。此外，众多的振动俘能器使用机械接触来进行驱动，例如通过撞击来实现两个升频振荡器之间的能量传递，这不可避免地导致磨损和能量损失，影响其工作可靠性和使用寿命。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型所提供了一种用于胎压监测系统的微型电磁
‑
压电复合振动俘能器。
6.本实用新型采用的技术方案是：
7.本实用新型包含壳体支架和安装在壳体支架中的磁铁线圈管、上发电体和下发电体，磁铁线圈管布置在壳体支架中间，上发电体和下发电体布置在磁铁线圈管外周围的壳体支架中；上发电体和下发电体结构相同，均包含三个发电组件，上发电体和下发电体的三个发电组件上下布置方向相反且沿圆周间隔布置。
8.所述的壳体支架主要由上下两个六角端盖和支撑柱构成，上下两个六角端盖之间通过多个支撑柱同轴固定连接，磁铁线圈管装在上下两个六角端盖中央之间，上发电体和下发电体安装在位于磁铁线圈管周围的上下六角端盖之间。
9.每个发电组件包括一个悬臂梁发电部件和一个线圈元件；所述的线圈元件包含端盖固定线圈，端盖固定线圈为环形线圈绕制，且端盖固定线圈的轴向沿六角端盖径向布置，端盖固定线圈通过螺栓和螺母固定在六角端盖上。
10.所述的悬臂梁发电部件包含悬臂梁、圆柱磁铁和压电片，悬臂梁竖直布置且表面垂直于六角端盖的径向，悬臂梁一端的两侧表面分别固定安装一块压电片，悬臂梁另一端的外侧表面固定安装一块圆柱磁铁，圆柱磁铁套装在线圈元件的端盖固定线圈中，且同轴布置。
11.所述的上发电体和下发电体各自的三个发电组件均沿圆周间隔布置；上发电体的悬臂梁发电部件中，悬臂梁在安装一块压电片的一端连接安装于上面的六角端盖底面，悬臂梁在安装圆柱磁铁的一端悬空，和下面的六角端盖之间具有间隙；上发电体的线圈元件安装在悬臂梁发电部件正下方的下面的六角端盖上；下发电体的悬臂梁发电部件中，悬臂梁在安装一块压电片的一端连接安装于下面的六角端盖顶面，悬臂梁在安装圆柱磁铁的一端悬空，和上面的六角端盖之间具有间隙；下发电体的线圈元件安装在悬臂梁发电部件正上方的上面的六角端盖上。
12.上发电体和下发电体各自的三个发电组件沿圆周相交替布置，且相上下颠倒布置，每相邻的两个悬臂梁发电部件之间均设有一个线圈元件。
13.所述的磁铁线圈管包含空心圆柱管、环形固定磁铁、移动磁铁和空心管固定线圈；空心圆柱管顶部和底部的外壁均固定套装有一个环形固定磁铁，空心圆柱管中部的外壁固定套装有两个空心管固定线圈，两个空心管固定线圈上下间隔布置，空心圆柱管中部的内壁活动套装有两个移动磁铁，两个移动磁铁上下间隔布置。
14.所述的六角端盖上开设有环形磁铁安装孔和悬臂梁插槽，磁铁线圈管的上下两端分别插装到上下两个的六角端盖的环形磁铁安装孔中，从而磁铁线圈管连接在上下两个的六角端盖之间；
15.悬臂梁插槽用于悬臂梁的连接有一块压电片一端的插装。
16.圆柱磁铁的磁极方向沿水平方向，环形固定磁铁、移动磁铁的磁极方向均沿上下方向，其中，圆柱磁铁的磁极方向与其同一侧靠近的移动磁铁的磁极方向相垂直，且同极性面相接近，，上下两个环形固定磁铁和上下两个移动磁铁的磁极方向呈交替反向分布；上发电体和下发电体的悬臂梁发电部件中的圆柱磁铁的磁极方向相反。
17.本实用新型利用变刚度的磁性弹簧来拓宽发电装置的工作响应频宽，利用升频机构和电磁
‑
压电复合发电，提高输出功率密度。
18.本实用新型的有益效果是：
19.本实用新型采用的基于磁弹簧的升频机构恰恰能解决上述导致磨损和能量损失
和影响工作可靠性和使用寿命的难题。
20.本实用新型中的移动磁铁和固定环形磁铁就构成了一个低频系统，环境振动(车轮转动)会驱使移动磁铁上下振动，这就完成了第一级的能量传递，随后移动磁铁驱动发电悬臂梁(高频振动系统)振动，这就完成了第二级的能量传递，最后悬臂梁利用压电效应和法拉第电磁感应将动能转化为电能。低频振动系统是利用非接触式的磁性力来驱动高频振动系统运动的，所以避免了磨损等问题，因此能提高俘能器的工作可靠性。
21.本实用新型可理解为两个串联的振动系统，一个是低频振动系统，另一个是高频振动系统。低频振动系统和高频振动系统构成了升频机构。
22.低频振动系统能够将低频的振动转换成为高频的振动并把该振动传递给高频振动系统，高频振动系统利用机电转换机制再把该振动能量转化为电能。这种升频机构的引入带来了两个最基本的优势：一是用于发电的振动频率得到了大幅度提升，这将直接导致输出功率密度的增加；二是在保持微小的总体尺寸的情况下也能使其固有频率与激振频率相接近。
23.其次，本实用新型采用磁性弹簧
‑
质量系统来作为低频振动系统，磁弹簧变刚度的特性使之共振频率能随着激励频率的变化而变化，即有较大的频率响应范围，满足了tpms宽频带的要求。
24.此外，本实用新型所采用的机电转换机制为电磁与压电效应(当压电片发生形变时，内部会发生极化现象，从而产生电动势)的耦合，这种复合发电装置相比于传统的电磁发电装置能更加高效地完成电能的转化。
25.本实用新型中低频系统向高频振动系统传递能量是通过非接触的磁力来实现的，有效的避免了因接触带来的损坏及能量损失，有助于延长该装置的使用寿命。
26.本实用新型针对低频大宽带的车轮振动发电困难的问题，将变刚度磁性弹簧与升频机构结合，采用电磁、压电复合发电机制既提高了电能的转换效率和输出功率密度，也有效地拓宽了发电装置的工作响应频带。在用于胎压监测系统及其他环境监测无线传感器实现自供电方面，本实用新型具有极大的应用潜力。
附图说明
27.图1是本实用新型的总体结构图；
28.图2是本实用新型的总装爆炸图；
29.图3是本实用新型的下发电体及其爆炸图；
30.图4是本实用新型的六角端盖结构图；
31.图5是本实用新型的空心圆柱管装配体剖视图；
32.图6是本实用新型的悬臂梁发电部件结构图；
33.图7是本实用新型的悬臂梁发电部件振动发电原理示意图。
34.图8是本实用新型的安装示例图。
35.图中：1
‑
六角端盖，2
‑
线圈元件，3
‑
悬臂梁发电部件，4
‑
支撑柱，5
‑
上发电体，6
‑
磁铁线圈管，7
‑
下发电体；
36.201
‑
端盖固定线圈，202
‑
螺栓，203
‑
调整垫片，204
‑
螺母；
37.101
‑
环形磁铁安装孔，102
‑
悬臂梁插槽；
38.601
‑
空心圆柱管，602
‑
环形固定磁铁，603
‑
移动磁铁，604
‑
空心管固定线圈； 301
‑
悬臂梁，302
‑
圆柱磁铁，303
‑
压电片(pzt)。
具体实施方式
39.下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
40.如图1和图2所示，包含壳体支架和安装在壳体支架中的磁铁线圈管6、上发电体5和下发电体7，磁铁线圈管6布置在壳体支架中间，上发电体5和下发电体7布置在磁铁线圈管6外周围的壳体支架中；上发电体5和下发电体 7结构相同但交错布置，均包含三个发电组件，上发电体5和下发电体7的三个发电组件上下布置方向相反且沿圆周间隔布置。
41.如图1和图2所示，壳体支架主要由上下两个六角端盖1和支撑柱4构成，上下两个六角端盖1之间通过沿圆周的多个支撑柱4同轴固定连接，支撑柱与六角端盖粘接，磁铁线圈管6装在上下两个六角端盖1中央之间，上发电体5 和下发电体7安装在位于磁铁线圈管6周围的上下六角端盖1之间。
42.上、下发电体是完全相同的结构，通过一个空心圆柱管和六根支撑柱连接在一块。
43.每个发电组件包括一个悬臂梁发电部件3和一个线圈元件2；悬臂梁发电部件3和线圈元件2均固定于壳体支架上。
44.如图3和图4所示，线圈元件2包含端盖固定线圈201，端盖固定线圈201 为环形线圈绕制，且端盖固定线圈201的轴向沿六角端盖1径向布置，端盖固定线圈201的凸耳通过螺栓202和螺母204固定在六角端盖1上，螺栓202和螺母204连接六角端盖1时设有调整垫片203。在线圈托架与端盖之间设置了调整垫片203，能减小安装误差对电磁发电的影响，且使得端盖固定线圈与悬臂梁上的磁铁之间形成较为严密的配合。
45.如图6和图7所示，悬臂梁发电部件3包含悬臂梁301、圆柱磁铁302和压电片303，悬臂梁301为一块板，悬臂梁301竖直布置且表面垂直于六角端盖1的径向，悬臂梁301一端的两侧表面分别固定安装一块压电片303，悬臂梁301另一端的外侧表面固定安装一块圆柱磁铁302，圆柱磁铁302套装在线圈元件2的端盖固定线圈201中，且同轴布置。具体实施中，悬臂梁1是一个厚度为0.4mm的黄铜薄片，在其自由端上安装有一个圆柱磁铁2，悬臂梁的上下表面分别粘贴有2片压电片。
46.如图1所示，上发电体5和下发电体7各自的三个发电组件均沿圆周间隔布置；上发电体5的悬臂梁发电部件3中，悬臂梁301在安装一块压电片303 的一端为上端且连接安装于上面的六角端盖1底面，悬臂梁301在安装圆柱磁铁302的一端为下端且悬空，和下面的六角端盖1之间具有间隙；上发电体5 的线圈元件2安装在悬臂梁发电部件3正下方的下面的六角端盖1上；下发电体7的悬臂梁发电部件3中，悬臂梁301在安装一块压电片303的一端为下端且连接安装于下面的六角端盖1顶面，悬臂梁301在安装圆柱磁铁302的一端为上端且悬空，和上面的六角端盖1之间具有间隙；下发电体7的线圈元件2 安装在悬臂梁发电部件3正上方的上面的六角端盖1上。
47.这样使得上发电体5和下发电体7各自的三个发电组件沿圆周相交替布置，且相上下颠倒布置，每相邻的两个悬臂梁发电部件3之间均设有一个线圈元件 2，具体是上发电体5中每相邻的两个悬臂梁发电部件3之间均设有一个下发电体7的线圈元件2。
48.如图5所示，磁铁线圈管6包含空心圆柱管601、环形固定磁铁602、移动磁铁603和
空心管固定线圈604；空心圆柱管601顶部和底部的外壁均固定套装有一个环形固定磁铁602，空心圆柱管601中部的外壁固定套装有两个空心管固定线圈604，两个空心管固定线圈604上下间隔布置，空心圆柱管601中部的内壁活动套装有两个移动磁铁603，两个移动磁铁603上下间隔布置。
49.空心圆柱管601空心圆柱管601中部的外壁设有上下两个间隔位置的环形槽，环形槽中定位嵌装空心管固定线圈604。
50.六角端盖1上开设有环形磁铁安装孔101和悬臂梁插槽102，磁铁线圈管6 的上下两端分别插装到上下两个的六角端盖1的环形磁铁安装孔101中，磁铁线圈管6端部和环形磁铁安装孔101之间为过盈配合，从而磁铁线圈管6连接在上下两个的六角端盖1之间；环形固定磁铁602固定在六角端盖的中心沉孔的环形磁铁安装孔101中。
51.悬臂梁插槽102用于悬臂梁301的连接有一块压电片303一端的插装。上下六角端盖1的每个六角端盖1上设有三个矩形插槽作为悬臂梁插槽102，三个矩形插槽沿圆周呈120度圆心角均匀分布。
52.圆柱磁铁302的磁极方向沿水平方向，环形固定磁铁602、移动磁铁603 的磁极方向均沿上下方向，即平行于六角端盖1的轴向和悬臂梁301的延伸方向，其中，圆柱磁铁302的磁极方向与其同一侧靠近的移动磁铁603的磁极方向相垂直，且同极性面相接近，即两者接近时表现为排斥作用，上下两个环形固定磁铁602和上下两个移动磁铁603的磁极方向呈交替反向分布，即相邻的两个磁铁极性相反，互相排斥；上发电体5和下发电体7的悬臂梁发电部件3 中的圆柱磁铁302的磁极方向相反。上发电体5的各个悬臂梁发电部件3中的圆柱磁铁302的磁极方向相同，下发电体7的各个悬臂梁发电部件3中的圆柱磁铁302的磁极方向相同。
53.各个磁铁的磁化方向如图5所示，磁铁之间都是互相排斥，两个移动磁铁能够在空心管中悬浮在两个固定环形磁铁之间，形成了一个二阶磁性弹簧
‑
质量系统。
54.当受到环境振动激励时，移动磁铁603能够在空心圆柱管601中上下振动，根据法拉第电磁感应定律，缠绕在空心圆柱管601外侧的空心管固定线圈604 内会产出感应电动势。
55.线圈缠绕在空心管外，当移动磁铁在空心管内上下振动时，会不停地穿过线圈，造成线圈内部的磁通量随时间发生变化。根据法拉第电磁感应定律，线圈内部磁通量的变化会使得线圈产生一个感应电动势类似于电压，如果接入电路中，就会有电流。所以，这个俘能器就相当于一个电源。这个电源的作用是给胎压监测传感器供电，其实就是一个小型发电机，只不过行业内都把它叫做振动俘能器，来源于英文vibration energy harvester，它的作用是将环境中的一些振动能量如波浪能，机器振动，人走路等等转化为电能，由于其发电量很小，所以只能给一些小电子器件普遍是传感器供电。这个专利是利用汽车轮胎的运动来发电，产生的电则用于给胎压监测传感器供电，延长其续航时间，减少电池的更换频率
56.本实用新型发电装置的悬臂梁发电原理图如图7所示：
57.当悬浮在空心圆柱管中的移动磁铁603受到环境激励而上下振动时会给悬臂梁自由端的圆柱磁铁302一个周期性的排斥力。
58.当移动磁铁603靠近悬臂梁发电部件的圆柱磁铁302时，排斥力逐渐增大，悬臂梁会因此发生形变，从而使粘贴在其表面上的压电片也跟着发生形变。根据正压电效应，受压
或受拉的压电片会将动能转化为电能。
59.另一方面，当移动磁铁603继续运动逐渐远离悬臂梁时，作用力减弱，悬臂梁被释放。被释放之后的悬臂梁会以其固有频率自由振动。这时，悬臂梁自由端的圆柱磁铁302不停地从端盖固定线圈201中反复穿入穿出，根据电磁感应定律，线圈中会产生感应电动势。
60.悬臂梁每一次被外圈上的磁铁拨动以后，都会以其固有频率自由振动，这个固有频率远远高于圆管中移动磁铁603的振动频率，而移动磁铁的振动频率又高于环境激励的频率，这就实现了频率的两级提升，最终能实现发电装置输出功率和能量转换效率的提升。这样，悬臂梁发电部件既通过压电效应发电也利用电磁发电，这种复合发电形式在一定程度上也能提高能量转换效率。
61.此外，圆管中的磁铁形成的低频振动系统是一个非线性系统，对于频率范围较广的环境激励源有很好的适应性。
62.本实用新型的使用安装状态如图8所示，将本实用新型安装在车轮的侧面，当车轮转动时，微型振动俘能器中的移动质量在重力和车轮给的切向惯性力的作用下相对于俘能器上下振动。