一种基于升频装置的宽频带电磁振动俘能器的制作方法

1.本实用新型涉及了一种电磁振动俘能器，具体涉及了一种基于升频装置的宽频带电磁振动俘能器。


背景技术：

2.现有的胎压监测系统(tpms)是由纽扣电池供电，由于电池的寿命有限，每隔几年就要对电池进行更换，这增加了时间成本和维护难度。此外，电池的大量使用会对环境造成危害，不符合绿色工业和可持续发展的要求。因此，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(veh)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与振动加速度，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。并且，传统共振式的veh只能在共振频率附近很窄的一个频率宽带范围内工作，这显然不适用于频率范围很宽的汽车振动场合。
3.现有的共振式发电装置多为线性系统，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(一般为几赫兹)，这种共振式的发电装置才能正常工作。但是tpms中的激振频宽为1
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40hz，显然传统的veh不能适用。此外，当频率较低时(<10hz)，根据veh的输出功率与激振频率成三次方关系的理论，传统共振式veh的输出功率也较低，不能很好地满足tpms的供电要求。


技术实现要素：

4.本实用新型采用的基于升频装置的电磁振动俘能器恰恰能解决上述难题。本实用新型可理解为基于双磁弹簧的串联振动系统，一个是低频振动系统，另一个是高频振动系统，低频振动系统与高频振动系统的固有频率为一个范围，该范围的取值与磁铁的尺寸大小以及磁力强弱有关。低频振动系统因为要响应外界振动，所以它的频率范围要与激振频率范围一致，比如，汽车的激振频率范围是1
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50hz，低频振动系统的范围就也是1
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50hz，高频振动系统的频率范围要整体大于低频系统，大概为60
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90hz，这些范围均可以通过调整磁铁的尺寸和磁力强弱来实现。
5.低频振动系统随着外界的振动而振动，同时把动能通过磁耦合传递给高频振动系统，后者利用电磁感应机电转换机制再把该振动能量转化为电能。这种升频装置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。其次，本实用新型采用磁性弹簧
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质量系统来作为低频和高频振动系统，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。本实用新型中低频振动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，有助于延长本实用新型的使用寿命。
6.本实用新型针对低频大宽带的车轮振动发电困难的问题，提出了基于升频装置的电磁振动俘能器，升频装置有效地拓宽了发电装置的工作响应频带，双磁弹簧的串联振动系统通过提升频率极大地提高了veh的输出功率。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。
7.本实用新型的技术方案如下：
8.本实用新型所述电磁振动俘能器整体关于中心对称布置，包括上端盖、上固定环形磁铁、上固定圆柱磁铁、移动圆柱磁铁、内筒、内筒线圈、下固定圆柱磁铁、移动环形磁铁、下固定环形磁铁、下端盖、外筒和外筒线圈；
9.上端盖与下端盖之间设置有内筒和外筒，内筒和外筒同轴内外套装，内筒和外筒之间具有环形间隙作为环形柱状通道，伸入内筒内的上端盖端面上固定有上固定圆柱磁铁，伸入内筒内的下端盖端面上固定有下固定圆柱磁铁，上固定圆柱磁铁和下固定圆柱磁铁之间的内筒内部同轴活动安装有移动圆柱磁铁，移动圆柱磁铁在内筒内部进行轴向滑动，环形柱状通道内的上端盖下端面上和下端盖上端面上分别同轴固定安装有上固定环形磁铁和下固定环形磁铁，上固定环形磁铁和下固定环形磁铁之间的环形柱状通道中同轴活动套装有移动环形磁铁，移动环形磁铁在环形柱状通道中进行轴向滑动；内筒外圆周侧的中部固定安装有内筒线圈，外筒外圆周面的中部固定安装外筒线圈。
10.所述伸入内筒内的上端盖端面上固定有上固定圆柱磁铁，伸入内筒内的下端盖端面上固定有下固定圆柱磁铁，具体为：
11.上端盖的下端面上开有一个盲孔，盲孔作为上端盖的端盖内孔，一个支撑柱设置在上端盖的端盖内孔中，一个支撑柱的一端同轴固定在上端盖的中部，一个支撑柱的另一端同轴固定连接上固定圆柱磁铁并伸入内筒一端后与内筒固定连接，外筒的一端密封嵌装在上端盖的端盖内孔中后与上端盖固定连接；
12.下端盖的上端面上也开有一个盲孔，盲孔作为下端盖的端盖内孔，另一个支撑柱设置在下端盖的端盖内孔中，另一个支撑柱的一端同轴固定在下端盖的中部，另一个支撑柱的另一端同轴固定连接下固定圆柱磁铁并伸入内筒另一端后与内筒固定连接，外筒的另一端密封嵌装在下端盖的端盖内孔中后与下端盖固定连接。
13.所述内筒外圆周侧的中部固定安装有内筒线圈，具体为：
14.所述内筒外圆周侧的中部设置有内筒凸起缘，内筒凸起缘中部开有环形槽并作为内筒线圈安装槽，内筒线圈安装槽中固定安装有内筒线圈，内筒凸起缘中还开有轴向的条形槽并作为线槽。
15.所述外筒外圆周侧的中部固定安装外筒线圈，具体为：
16.所述外筒外圆周侧的中部设置有外筒凸起缘，外筒凸起缘中部开有环形槽并作为外筒线圈安装槽，外筒线圈安装槽中固定安装有外筒线圈。
17.所述上固定环形磁铁、上固定圆柱磁铁、移动圆柱磁铁、下固定圆柱磁铁、移动环形磁铁和下固定环形磁铁的磁极均沿轴向布置，上固定环形磁铁与移动环形磁铁之间相邻的一端的磁极相同，下固定环形磁铁与移动环形磁铁之间相邻的一端的磁极相同；
18.所述上固定圆柱磁铁与移动圆柱磁铁之间相邻的一端的磁极相同，下固定圆柱磁铁与移动圆柱磁铁之间相邻的一端的磁极相同。
19.所述电磁振动俘能器整体未受到环境振动激励时，移动圆柱磁铁、移动环形磁铁、内筒线圈和外筒线圈的中心截面均在同一平面中；
20.当电磁振动俘能器整体受到环境振动激励时，移动圆柱磁铁在上固定圆柱磁铁和下固定圆柱磁铁之间的内筒中沿轴向进行滑动，移动环形磁铁在环形柱状通道中进行轴向滑动。
21.本实用新型的有益效果为：
22.本实用新型利用变刚度的磁性弹簧来拓宽装置的工作响应频宽。
23.本实用新型利用共振频率不同的双磁弹簧的串联振动系统组成了一个升频装置，大大提高了低频振动能量的捕获效率。
24.本实用新型安装于车轮中，能高效地实现车轮动能
‑
电能的转化，可以用于取代胎压监测系统的纽扣电池，避免了电池更换的麻烦。
附图说明
25.图1为本实用新型的总体结构示意图。
26.图2为本实用新型在车轮中的安装示意图。
27.图3为本实用新型总体结构的爆炸图。
28.图4为本实用新型的外筒与内筒爆炸图。
29.图5为本实用新型的端盖与固定磁铁安装示意图。
30.图6为本实用新型的外形及其剖视图。
31.图7为本实用新型受到环境振动激励的运动过程示意图。
32.图中：1
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上端盖，101
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端盖内孔，102
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支撑柱，2
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上固定环形磁铁，3
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上固定圆柱磁铁，4
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移动圆柱磁铁，5
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内筒，501
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内筒线圈安装槽，502
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线槽，6
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内筒线圈，7
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下固定圆柱磁铁，8
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移动环形磁铁，9
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下固定环形磁铁，10
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下端盖，11
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外筒，111
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外筒线圈安装槽，12
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外筒线圈。
具体实施方式
33.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：
34.如图1、3、4和6所示，电磁振动俘能器整体关于中心对称布置，包括上端盖1、上固定环形磁铁2、上固定圆柱磁铁3、移动圆柱磁铁4、内筒5、内筒线圈6、下固定圆柱磁铁7、移动环形磁铁8、下固定环形磁铁9、下端盖10、外筒11和外筒线圈12；
35.上端盖1与下端盖10之间设置有内筒5和外筒11，内筒5和外筒11同轴内外套装，内筒5和外筒11之间具有环形间隙作为环形柱状通道，内筒5和外筒11的轴向长度相同，伸入内筒5内的上端盖1端面上固定有上固定圆柱磁铁3，伸入内筒5内的下端盖10端面上固定有下固定圆柱磁铁7，上固定圆柱磁铁3和下固定圆柱磁铁7之间的内筒5内部同轴活动安装有移动圆柱磁铁4，移动圆柱磁铁4在内筒5内部进行轴向滑动，环形柱状通道内的上端盖1下端面上和下端盖10上端面上分别同轴固定安装有上固定环形磁铁2和下固定环形磁铁9，上固定环形磁铁2和下固定环形磁铁9与环形柱状通道的两侧通道截面形状相同，上固定环形
磁铁2和下固定环形磁铁9之间的环形柱状通道中同轴活动套装有移动环形磁铁8，移动环形磁铁8在上固定环形磁铁2和下固定环形磁铁9之间的环形柱状通道中进行轴向滑动；内筒5外圆周侧的中部固定安装有内筒线圈6，移动环形磁铁8的内径大于内筒线圈6的外径，外筒11外圆周面的中部固定安装外筒线圈12，内筒线圈6和外筒线圈12均位于电磁振动俘能器正中部，内筒线圈6和外筒线圈12的厚度相同。
36.如图2所示电磁振动俘能器安装在车轮上，当车轮转动时，微型振动俘能器中的移动圆柱磁铁4和移动环形磁铁8在重力和车轮给的切向惯性力的作用下相对于电磁振动俘能器自身进行上下振动。
37.如图5所示，伸入内筒5内的上端盖1端面上固定有上固定圆柱磁铁3，伸入内筒5内的下端盖10端面上固定有下固定圆柱磁铁7，具体为：
38.上端盖1的下端面上开有一个盲孔，盲孔作为上端盖1的端盖内孔101，一个支撑柱102设置在上端盖1的端盖内孔101中，一个支撑柱102的一端同轴固定在上端盖1的中部，一个支撑柱102的另一端同轴固定连接上固定圆柱磁铁3并伸入内筒5一端后与内筒5固定连接，外筒11的一端密封嵌装在上端盖1的端盖内孔101中后与上端盖1紧密固定连接；
39.下端盖10的上端面上也开有一个盲孔，盲孔作为下端盖10的端盖内孔101，另一个支撑柱102设置在下端盖10的端盖内孔101中，另一个支撑柱102的一端同轴固定在下端盖10的中部，另一个支撑柱102的另一端同轴固定连接下固定圆柱磁铁7并伸入内筒5另一端后与内筒5固定连接，外筒11的另一端密封嵌装在下端盖10的端盖内孔101中后与下端盖10紧密固定连接。
40.如图7所示，上固定环形磁铁2、上固定圆柱磁铁3、移动圆柱磁铁4、下固定圆柱磁铁7、移动环形磁铁8和下固定环形磁铁9的磁极均沿轴向布置，上固定环形磁铁2与移动环形磁铁8之间相邻的一端的磁极相同，下固定环形磁铁9与移动环形磁铁8之间相邻的一端的磁极相同；
41.上固定圆柱磁铁3与移动圆柱磁铁4之间相邻的一端的磁极相同，下固定圆柱磁铁7与移动圆柱磁铁4之间相邻的一端的磁极相同。
42.内筒5外圆周侧的中部固定安装有内筒线圈6，具体为：
43.内筒5外圆周侧的中部设置有内筒凸起缘，内筒凸起缘中部开有环形槽并作为内筒线圈安装槽501，内筒线圈安装槽501中固定安装有内筒线圈6，即内筒凸起缘的外径小于内筒线圈6的内径，内筒凸起缘中还开有轴向的条形槽并作为线槽502，线槽502中用于安装内筒线圈6的导线。
44.外筒11外圆周侧的中部固定安装外筒线圈12，具体为：
45.外筒11外圆周侧的中部设置有外筒凸起缘，外筒凸起缘中部开有环形槽并作为外筒线圈安装槽111，外筒线圈安装槽111中固定安装有外筒线圈12。
46.电磁振动俘能器整体未受到环境振动激励时，即移动圆柱磁铁4和移动环形磁铁8未受到外力驱动时，移动圆柱磁铁4、移动环形磁铁8、内筒线圈6和外筒线圈12的中心截面均在同一平面中；
47.当电磁振动俘能器整体受到环境振动激励时，移动圆柱磁铁4在上固定圆柱磁铁3和下固定圆柱磁铁7之间的内筒中沿轴向进行滑动，移动环形磁铁8在环形柱状通道中进行轴向滑动。
48.本实用新型的工作原理如下：
49.如图7的(a)所示，由于磁排斥作用，电磁振动俘能器整体未受到环境振动激励时，移动环形磁铁8和移动圆柱磁铁4悬浮在内外筒中部。当受到环境振动激励时，移动环形磁铁8和移动圆柱磁铁4分别在环形柱状通道和内筒5中上下振动，此时，根据法拉第电磁感应定律，缠绕在内筒5和外筒11上的内筒线圈6与外筒线圈12内会产出感应电动势。当激振加速度较小时，移动环形磁铁8与移动圆柱磁铁4被磁力吸引在一起，随外界振动而上下做协同振动，其工作循环为：图7的(a)
→
(c)
→
(a)。由于两个移动磁铁协同运动，内筒线圈6与外筒线圈12也将产生同步的电动势。
50.而当激振加速度较大时(超过临界分离加速度)，移动环形磁铁8与移动圆柱磁铁4先一起向下运动，如图7的(a)所示。
51.其中，激振加速度是环境中的振动源所固有的属性，在胎压监测系统中，车轮转速越大，给振动俘能器的激振加速度就越大。由于车轮转速的范围很广(0
‑
2500rpm)，所以给振动俘能器的激振加速度范围也很广。因此，拥有宽频带特性的振动俘能器才能适应这种环境，宽频带特性具体为大的频率响应范围。本实用新型中将激振加速度一分为二，是为了说明这种振动俘能器在这种激振加速度范围较广的环境中都能较好地工作，并且在激振加速度较大时还有一个升频的效果。
52.临界分离加速度指的是移动环形磁铁和移动圆柱磁铁发生分离时的一个临界激振加速度。移动环形磁铁在移动过程中主要受两个力作用，一个是外部激振源给的惯性力，另一个是和移动圆柱磁铁相互作用的磁吸引力。移动环形磁铁和移动圆柱磁铁的形状尺寸一旦确定，它们之间的相互作用力(磁吸引力)就可以确定(一个定值)。而随着激振加速度的增大，移动环形磁铁所受到的惯性力逐渐增大，当这个惯性力大于磁吸引力的时候，移动环形磁铁就会与移动圆柱磁铁发生分离(吸不住了)，此时的激振加速度大小就是临界分离加速度。
53.具体公式如下：
54.f
惯性
＝m
·
a
55.其中，f
惯性
为外部激振源给移动环形磁铁带来的惯性力，m为移动环形磁铁的质量，a为激振加速度。
56.刚好发生分离时：
57.f
惯性
＝f
max磁吸
58.因此，临界分离加速度可由下式确定：
[0059][0060]
其中，f
max磁吸
为移动环形磁铁与移动圆柱磁铁之间的磁吸引力。
[0061]
随后移动圆柱磁铁4受到来自下固定圆柱磁铁7的排斥力逐渐增大，速度降至0，而移动环形磁铁8由于惯性力仍要继续往下运动，故二者发生分离，分离之后的移动圆柱磁铁4将瞬间产生一个很大的加速度并在内筒内做高频振动，如图7的(b)所示；而移动环形磁铁8逐渐靠近下端盖10的过程中，受到来自下固定环形磁铁9的排斥力也逐渐先减速至0，随后反向运动，当再次遇上移动圆柱磁铁4时，二者再次结合并向上协同运动，如图7的(c)所示；
当二者逐渐靠近上端盖1时，会再次发生分离，如图7的(d)所示；最后移动环形磁铁8在向下运动的过程中结合移动圆柱磁铁4，二者协同向下运动，如图7的(e)所示。其工作循环为：图7的(a)
→
(b)
→
(c)
→
(d)
→
(e)
→
(a)。