一种用于车载无线充电座的振动发电装置的制作方法

本发明涉及车载无线充电技术领域，特别涉及一种用于车载无线充电座的振动发电装置。

背景技术：

为了方便手机充电，已经有新型的无线充电座，其原理是利用振动耦合原理将无线充电座上的电能传递给手机的蓄电池，但是无线充电座本身也需要连接电源，这也使得无线充电座的应用受到了限制。现有汽车上，大多数的手机充电设备是利用点烟器当做电源，或直接从发动机舱的蓄电池出引出电源线，将点烟器或电源线与无线充电座连接，对手机进行充电。但车内布线繁琐，且无线充电座布置位置会由于布线而受限，使用不方便；在现有技术中，已经有利用振动产生发电的装置，因此可以考虑利用汽车在行驶时其在垂向产生的振动当做能量来源，为无线手机充电座提供电能，这样可以减少车内部线，且无线充电座的位置不受限制，可随意布置，提高实用性。目前对手机进行充电的无线充电座的结构为平板式结构，为了减小占用车内空间，应该让振动发电装置尽量与无线充电座的结构相适应，也制作成平板式结构。

由于车内空间有限，而现有的振动发电装置体积较大，难以直接用于车内，这是因为振动发电装置的原理是利用磁体在螺旋式发电线圈内的往复振动发电，为了防止轴向振动振幅过大，同时使永磁体往复运动更持久、运动幅度更均匀，发电线圈旁需要并联设置弹簧，以缓和振动，现有的弹簧多为螺旋弹簧，螺旋弹簧的轴向尺寸往往较大，使得振动发电装置的轴向尺寸较大，且现有的振动发电装置中，发电线圈、永磁体、弹簧都是分体式设计，相互之间需要留有足够的间隙，使振动发电装置的径向尺寸也较大。如专利cn201510752493.9中所述的一种公路减速带振动发电系统中的发电结构，包括套筒，套筒底端与固定板上端面连接，其外侧绕发电线圈；永磁体上端与第一壳板下表面连接，其下端伸入套筒内；固定板上端、套筒内侧位置装有永磁体，振动弹簧一端与第一壳板下表面连接，另一端与固定板上表面连接。为了让发电线圈和永磁体之间具有相互运动，需要让发电线圈与永磁体之间具有一定间隙，使该发电结构径向尺寸较大，而永磁体为棒状结构，其长度方向与振动方向相同，使该发电结构的轴向尺寸也较大，无法直接作为车内无线充电座的电源使用。

基于上述考虑，需要重新设计一种体积小、结构紧凑的振动发电装置，且该振动发电装置在结构上应该尽量制作成平板式，并使平板式结构的厚度尽量小。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明目的是提供一种体积小、结构紧凑的用于车载无线充电座的振动发电装置。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于车载无线充电座的振动发电装置，所述的振动发电装置包括基板电池，基板电池的上表面上设置无线充电座，基板电池的下表面与平板状的振动发电装置的上表面连接，振动发电装置的下表面与汽车车身构成可拆卸式连接；所述的基板电池通过导线分别与无线充电座、振动发电装置连接；

所述的振动发电装置包括水平设置的矩形上吸声板，上吸声板的下方设置与其平行且尺寸相适应的矩形下吸声板；上吸声板与下吸声板之间的区域中、沿上吸声板的长边等间隔设置多个相互平行的振动层，振动层与上吸声板所在的平面垂直，且与上吸声板的长边垂直；

所述的振动层包括多个六边形蜂窝单元相互连接形成的平面蜂窝状网格结构，蜂窝单元中六边形的六条边由两条沿竖直方向设置的振动发电体以及四条与竖直平面呈一定角度设置的弹性变形体构成，所述的平面蜂窝状网格结构中最上方一层蜂窝单元的上角点与上吸声板的下表面连接，最下方的一层蜂窝单元的下角点与下吸声板的上表面连接；所述蜂窝单元中与上吸声板、下吸声板连接的角点由沿上吸声板的长边方向设置的减振丝构成，所述蜂窝单元中其余角点由沿上吸声板的长边方向设置的导线构成；所述导线包括至少两个截面为扇形的导芯，相邻导芯之间设置绝缘衬垫；

所述振动发电体的端头与导线的外侧面连接，所述弹性变形体的端头与导线的外侧面或减振丝的外侧面连接；所述导线的两端分别与基板电池的正、负极连接；所述上吸声板的上表面与基板电池的下表面连接，所述下吸声板的下表面与汽车车身构成可拆卸式连接；

所述的振动发电体包括两条螺旋状的弹簧丝相互平行盘旋形成的双螺旋结构；两条弹簧丝之间设置多个发电单元，发电单元包括两个相互平行的永磁体，永磁体的两端与一条弹簧丝连接；一个发电单元中，位于同侧的两条永磁体端部的极性相反；一个发电单元中的两条发电线圈各自的端头分别与导线中不同的导芯的外侧面连接。

优选的，所述发电单元中的两个永磁体之间的距离小于相邻的两个发电单元之间的距离。

优选的，所述的蜂窝状网格结构中，位于最上方的一层蜂窝单元的上方设置一层上菱形单元，上菱形单元中上、下顶点之间的连线与水平面垂直，左、右顶点之间的连线与水平面平行；上菱形单元中靠下方的两条边由最靠近上菱形单元的一层蜂窝单元中、靠上方的两条斜边构成，上菱形单元中的下顶点由最靠近上菱形单元的一层蜂窝单元中、最上方的一个角点构成；所述上菱形单元中的四条边均为弹性变形体，上菱形单元的下顶点处设置导线，剩余3个顶点处设置减振丝；

所述的蜂窝状网格结构中，最下方的一层蜂窝单元的下方设置下菱形单元，下菱形单元与上菱形单元相对于上吸声板、下吸声板之间的中间水平面呈对称式分布结构，所述下菱形单元的下顶点与下吸声板的上表面连接。

优选的，所述的蜂窝单元中，相邻振动发电体与弹性变形体之间夹角为125.5°，相邻弹性变形体之间夹角为109°；所述上菱形单元、下菱形单元中的钝角为109°，锐角为71°。

优选的，所述的弹性变形体、减振丝由橡胶材料或带有弹性的复合材料制作而成。

优选的，所述蜂窝单元的六条边均由振动发电体构成；所述的上菱形单元中靠下方的两条边由振动发电体构成，靠上方的两条边由弹性变形体构成，上菱形单元的上顶点由减振丝构成，其余3个顶点由导线构成；上菱形单元中左、右顶点处的导线是由两个等截面的导芯以及一个截面为扇形的绝缘芯构成；所述的蜂窝单元与上菱形单元共用的导线以及蜂窝单元中其余角点处设置的导线是由6个等截面的导芯构成，相邻导芯之间设置绝缘衬垫。

优选的，所述无线充电座的上表面设置凹槽，凹槽的侧面及底面分别铺设吸声防滑垫。

本发明的有益效果在于：振动发电体实现了振动发电功能，弹性变形体实现了缓冲振动功能，弹性变形体与竖直平面呈一定角度倾斜设置，多个蜂窝单元形成的平面蜂窝状网格结构代替传统的螺旋弹簧，有效减小了振动发电装置的轴向尺寸；振动发电体、弹性变形体相互连接，相互之间不需要设置多余间隙，进一步减小了振动发电装置的径向尺寸；振动发电体由两条螺旋状的弹簧丝，以及两条弹簧丝之间设置的多个发电单元构成，发电单元位于弹簧丝之间，结构紧凑，进一步减小振动发电体3的体积，振动时弹簧丝切割两个永磁体之间形成的磁感线，同时两个永磁体之间的强度也发生变化，发电单元的发电效率较高；发电单元中的永磁体与振动方向垂直设置，有效减小振动发电装置厚度。

附图说明

图1为振动发电装置结构正视图；

图2为图1中a-a剖视图；

图3为图2中放大视图i；

图4为一种优选方案的振动层结构示意图；

图5为图4中放大视图ii；

图6为另一种优选方案的振动层结构示意图；

图7为图6中放大视图iii；

图8为图6中放大视图iv；

图9为蜂窝单元结构轴侧示意图；

图10为振动发电体结构示意图；

图11为振动发电体中螺旋状弹簧丝展开成直线后磁场分布示意图；

图12为振动时两条永磁体相互远离时磁场分布示意图；

图13为振动时两条永磁体相互靠近时磁场示意图。

具体实施方式

如图1-图3所示的一种用于车载无线充电座的振动发电装置，包括基板电池001，基板电池001可以是一个整块的锂电池板，也可以是多个矩形锂电池单元拼接成的平板式结构，也可以是多个胶囊形充电电池相互外侧面接触、平行排列形成的平板式结构，基板电池001的上表面设置无线充电座002，基板电池001与无线充电座002可以是卡扣连接或粘接连接，也可以是螺栓连接，无线充电座002的上表面设置凹槽，凹槽内放置手机，为了减少手机在凹槽内振动受损或发出噪声，所述凹槽的侧面及底面分别铺设吸声防滑垫，吸声防滑垫可以是橡胶材料或塑料材料制作而成。

所述基板电池001的下表面与平板状的振动发电装置003的上表面连接，可以是粘接，也可以是卡扣连接或其他方式连接，振动发电装置003的下表面与汽车车身构成可拆卸式连接；可以是卡扣连接，也可以是螺栓连接，也可以是其他方式的可拆卸式连接；基板电池001的正极、负极各自通过导线分别与无线充电座002、振动发电装置003连接。

所述的振动发电装置003包括水平设置的矩形上吸声板8，上吸声板8的下方设置与其平行且尺寸相适应的矩形下吸声板9；上吸声板8与下吸声板9之间的区域中、沿上吸声板8的长边等间隔设置多个相互平行的振动层1，所述的振动层1与上吸声板8所在的平面垂直，且与上吸声板8的长边垂直；所述的上吸声板8、下吸声板9可以是具有蜂窝状吸声结构的夹层板，也可以是复合塑料材料制作而成的具有吸声效果的塑料板。

所述的振动层1包括多个六边形蜂窝单元2相互连接形成的平面蜂窝状网格结构，蜂窝单元2中六边形的六条边由两条沿竖直方向设置的振动发电体3以及四条与竖直平面呈一定角度设置的弹性变形体4构成，即振动发电体3构成蜂窝单元2中的两条竖边，弹性变形体4构成蜂窝单元2中的四条斜边；所述的弹性变形体4是由橡胶材料或带有弹性的复合材料制作而成的棒状结构。所述的平面蜂窝状网格结构中最上方一层蜂窝单元2的上角点与上吸声板8的下表面连接，最下方的一层蜂窝单元2的下角点与下吸声板9的上表面连接；如图9所示的，所述蜂窝单元2中与上吸声板8、下吸声板9连接的角点由沿上吸声板8的长边方向设置的减振丝61构成，所述蜂窝单元2中其余角点由沿上吸声板8的长边方向设置的导线5构成；所述导线5包括至少两个截面为扇形的导芯51，相邻导芯51之间设置绝缘衬垫53；

所述振动发电体3的端头与导线5的外侧面连接，所述弹性变形体4的端头与导线5的外侧面或减振丝61的外侧面连接；如图3所示的，所述的导线5是由1个截面为扇形的导芯51以及1个截面为扇形的绝缘芯52组合而成，导芯51与绝缘芯52的横截面积之比为1∶2；由于振动发电体3负责发电，弹性变形体4负责缓冲振动，因此对导线5的截面进行合理划分并使用不同材料，可以有效提高材料利用率，绝缘芯52采用橡胶或其他具有弹性的复合材料可以进一步增加振动层1的缓冲效果，同时减小导线5的重量。

所述导线5的两端分别与基板电池001的正、负极连接；所述上吸声板8的上表面与基板电池001的下表面连接，所述下吸声板9的下表面与汽车车身构成可拆卸式连接。

如图10-图11所示的，所述的振动发电体3包括两条螺旋状的弹簧丝31相互平行盘旋形成的双螺旋结构；两条弹簧丝31之间设置多个发电单元，发电单元包括两个相互平行的永磁体32，永磁体32的两端与一条弹簧丝31连接；一个发电单元中，位于同侧的两条永磁体32端部的极性相反；发电时，两条发电线圈31所处的磁场方向相反，使两条发电线圈31产生的电流流向相反，因此一个发电单元中的两条发电线圈31各自的端头分别与导线5中不同的导芯51的外侧面连接。

由于振动发电装置的体积较传统的振动发电结构体积更小，尤其是发电单元结构较为复杂，因此可以采用多喷头式3d分层打印技术生成振动发电装置，将振动发电装置模型建立好后在软件中分层，然后使用不同喷头分别在每层模型中喷出不同材料，最后将多层层叠并粘接在一起，既可以制作出上述振动发电装置的结构。

振动发电装置的工作原理为：汽车行驶时产生的垂向振动通过车身传递给下吸声板9使下吸声板9振动，此时振动层1受到垂向方向的往复力的作用，使蜂窝单元2变形，即振动发电体3沿竖直方向伸缩，同时弹性变形体4绕导体5或减振丝61旋转一定角度，即多个蜂窝单元2组成的蜂窝状网格沿竖直方向其整体形状被拉伸或压缩。

如图11所示的，为了更好的描述振动发电体3的发电原理，把振动发电体3中的两条螺旋状弹簧丝31展开成两条平行直线，单个发电单元中，位于同一侧的两个永磁体32端部的极性相反，因此在两个永磁体32的一侧形成磁场，磁场方向由一个永磁体32的n极指向另一个永磁体32的s极，可以从图11中看出，此时位于两个永磁体32之间的弹簧丝31可以看做位于磁场中的发电线圈。

如图12-图13所示的，当振动发电体3因受力而使其沿竖直方向的长度发生变化时，振动发电体3中的弹簧丝31的长度也发生变化，由于弹簧丝31在空间中是螺旋状，因此其螺旋弧线形状也发生了变化，这表示弹簧丝31在两个永磁体32构建的磁场中发生了移动，即弹簧丝31在两个永磁体32之间形成的磁场内对磁力线进行了切割，根据电磁感应原理可知弹簧丝31上产生电流，实现了振动发电，同时由于发电单元中的两个永磁体32之间的磁场强度发生变化，进一步提高了弹簧丝31产生电流的能力。发电单元发电的同时，弹性变形体4绕导体5或减振丝61旋转，由于弹性变形体4是由橡胶或其他具有弹性的复合材料制作而成，其在旋转过程中发生了变形，因此吸收了能量，实现了弹簧的功能。

蜂窝单元2中的振动发电体3实现了振动发电功能，弹性变形体4实现了缓冲振动功能，弹性变形体4与竖直平面呈一定角度倾斜设置，代替传统的螺旋弹簧，有效减小了振动发电装置的轴向尺寸，振动发电体3、弹性变形体4相互连接，不需要设置多余间隙，进一步减小了振动发电装置的径向尺寸；发电单元中的永磁体32相对于发电单元的振动方向垂直设置，可以有效减小振动发电装置厚度。振动发电体3中的永磁体32与弹簧丝31连接结构紧凑，使振动发电体3的体积较小，多个蜂窝单元构成的平面蜂窝状网格结构在竖直方向的伸缩性良好，且具有较强的结构稳定性，使振动层1保持一定的刚度从而有效缓冲振动；振动层1中可以仅铺设1层蜂窝单元2，也可以根据需要铺设多层蜂窝单元2形成蜂窝网格状结构。

为了减小相邻的发电单元中不同永磁体32之间的影响，所述的发电单元中的两个永磁体32之间的距离l1小于相邻的两个发电单元之间的距离l2。

当汽车经过碎石路面或沟坎时，其垂向振幅较大，为了更好的保护振动发电装置，如图4-图5所示的，更好的实施方式是：所述的蜂窝状网格结构中，位于最上方的一层蜂窝单元2的上方设置一层上菱形单元6，上菱形单元6中上、下顶点之间的连线与水平面垂直，左、右顶点之间的连线与水平面平行；上菱形单元6中靠下方的两条边由最靠近上菱形单元6的一层蜂窝单元2中、靠上方的两条斜边构成，上菱形单元6中的下顶点由最靠近上菱形单元6的一层蜂窝单元2中、最上方的一个角点构成；所述上菱形单元6中的四条边均为弹性变形体4，上菱形单元6的下顶点处设置导线5，剩余3个顶点处设置减振丝61，减振丝61与上吸声板8的长边平行设置；减振丝61由橡胶材料或具有弹性的复合材料制作而成；所述的蜂窝状网格结构中，最下方的一层蜂窝单元2的下方设置下菱形单元7，下菱形单元7与上菱形单元6相对于上吸声板8、下吸声板9之间的中间水平面呈对称式分布结构，所述下菱形单元7的下顶点与下吸声板9的上表面连接。

上菱形单元6、下菱形单元7的菱形结构使两者沿竖直方向变形时的变形幅度较大，且上菱形单元6、下菱形单元7各自的四条边均为弹性变形体4，大大增强了振动层1变形时的缓冲能力，即增大了振动层1的垂向刚度。

为了使蜂窝单元2、上菱形单元6、下菱形单元7形成的平面网格状结构具有更好的抗压性，更好的实施方式是：所述的蜂窝单元2中，相邻振动发电体3与弹性变形体4之间夹角为125.5°，相邻弹性变形体4之间夹角为109°；所述上菱形单元6、下菱形单元7中的钝角为109°，锐角为71°。

如果汽车经常行驶在良好路面上，或者其悬架具有很好的缓冲减振性能，则振动发电装置可以减少弹性变形体4的数量，同时增加振动发电体3以提高发电效率，如图6-图8所示的，更好的实施方式是：所述蜂窝单元2的六条边均由振动发电体3构成；所述的上菱形单元6中靠下方的两条边由振动发电体3构成，靠上方的两条边由弹性变形体4构成，上菱形单元6的上顶点由减振丝61构成，其余3个顶点由导线5构成；上菱形单元6中左、右顶点处的导线5是由两个等截面的导芯51以及一个截面为扇形的绝缘芯52构成；所述的蜂窝单元2与上菱形单元6共用的导线5以及蜂窝单元2中其余角点处设置的导线5是由6个等截面的导芯51构成，相邻导芯51之间设置绝缘衬垫53。蜂窝单元2中的每条边均具有发电功能，可以极大提高发电效率。