一种发电效率高的车载无线充电座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，特别涉及一种发电效率高的车载无线充电座振动发电装置。

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。

现有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，且螺旋弹簧只能对其轴线方向的振动进行缓冲，因此一般情况下振动发电装置只能适应利用单一方向的振动，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。该专利主要是利用汽车经过减速带时减速带产生的垂向往复振动发电，如果出现横向或纵向的振动，则该专利中的振动发电系统无法缓冲纵向和横向的振动，有可能使振动发电系统损坏。

由于汽车行驶时主要的振动是垂向方向振动，同时伴有纵向振动和横向振动，因此用于汽车的振动发电装置，其结构应该是利用汽车垂向的振动进行发电，同时能够减缓纵向和横向振动，以保持振动发电装置的稳定性及可靠性，由以上分析可知现有的振动发电结构无法满足汽车上的使用要求。基于上述考虑，需要重新设计一种可靠性高、有效减缓纵向及横向振动、结构稳定性好的振动发电装置。

且目前的振动发电装置其发电效率也较低，主要是因为目前振动发电装置的原理是通过导体切割磁感线产生电流，而受到空间限制，导体的移动范围一般很小，因此发电效率很低。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明目的是提供一种可靠性高、结构稳定性好、发电效率高的车载无线充电座振动发电装置。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种发电效率高的车载无线充电座振动发电装置，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的竖边以及四条与竖直平面呈一定角度设置的斜边构成；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，所述上菱形单元的上顶点与上吸声板的下表面连接；所述下菱形单元的下顶点与下吸声板的上表面连接；

所述蜂窝单元中的六条边由振动发电体或弹性变形体构成，所述上菱形单元、下菱形单元的四条边由振动发电体或弹性变形体构成；所述蜂窝单元的六个角点，以及上菱形单元、下菱形单元各自的四个顶点由沿上吸声板长边方向设置的导线构成；

当导线的外侧面只与振动发电体的端头连接时，导线由六个截面为扇形的导芯构成，相邻导芯之间设置绝缘衬垫；当导线的外侧面与振动发电体、弹性变形体的端头都存在连接时，导线由至少两个截面为扇形的导芯以及至少一个截面为扇形的绝缘芯构成，相邻导芯之间设置绝缘衬垫；当导线的外侧面只与弹性变形体连接时，导线由截面为圆形的减振丝构成；所述弹性变形体的两个端头分别与一个绝缘芯的外侧面或减振丝的外侧面连接；

所述的振动发电体包括两条螺旋状的发电线圈相互盘旋形成的dna式双螺旋结构；沿发电线圈的轴向、两条发电线圈之间设置多组发电单元，每组发电单元包括两个同轴设置的永磁体，永磁体的轴向与发电线圈的轴向垂直，两个永磁体的外端分别与一个发电线圈绝缘连接，两个永磁体的内端相互靠近并留有一定的间隙，两个永磁体内端的极性相互反向设置；两个永磁体的内端套在导向套内，使永磁体的内端可沿导向套的轴向方向滑动；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。

优选的，所述的蜂窝单元中的上角点与下角点之间、沿竖直方向设置振动发电体；所述的上菱形单元、下菱形单元各自的上顶点与下顶点之间、沿竖直方向设置弹性变形体。

优选的，所述蜂窝单元的四条斜边，以及上菱形单元、下菱形单元各自的斜边均由弹性变形体构成；所述蜂窝单元的两条竖边由振动发电体构成。

优选的，所述的蜂窝单元的上角点与下角点之间、沿竖直方向设置振动发电体，所述的上菱形单元、下菱形单元各自的上顶点与下顶点之间沿竖直方向设置弹性变形体。

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，所述的弹性变形体由棒状的橡胶材料或带有弹性的棒状复合材料制作而成。

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，可以对汽车三个方向的振动进行缓冲，多个蜂窝单元构成的平面蜂窝状网格结构在竖直方向及横向的伸缩性良好，且具有较强的结构稳定性，同时可以对纵向和横向的振动进行缓冲，使振动层1保持一定的刚度从而有效缓冲振动。振动发电装置可以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；发电单元中的永磁体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。振动发电体中的永磁体与发电线圈连接结构紧凑，使振动发电体的体积较小；发电单元中的两个永磁体之间的初始间隙可以设置的很小，当间隙变化时，产生的感应电流很大，有效提高了发电效率。

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为一种优选方案的振动层结构示意图；

图4为图3中放大视图i；

图5为图3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为另一种优选方案的振动层结构示意图；

图10为图9中放大视图v；

图11为图9中放大视图vi；

图12为另一种优选方案的振动层结构示意图；

图13为图12中放大视图vii；

图14为图12中放大视图viii；

图15为蜂窝单元结构轴测示意图；

图16为振动发电体结构示意图；

图17为振动时两条永磁体相互远离示意图；

图18为振动时两条永磁体相互靠近示意图。

具体实施方式

如图1-图14所示的一种发电效率高的车载无线充电座振动发电装置，平板状的振动发电装置003的上表面与基板电池001的下表面连接，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。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，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的竖边以及四条与竖直平面呈一定角度的斜边构成；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的四个顶点中，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，所述上菱形单元6的上顶点与上吸声板8的下表面连接；所述下菱形单元7的下顶点与下吸声板9的上表面连接；

如图15所示的，所述蜂窝单元2中的六条边由振动发电体3或弹性变形体4构成，所述上菱形单元6、下菱形单元7的四条边由振动发电体3或弹性变形体4构成；蜂窝单元2的六个角点，以及上菱形单元6、下菱形单元7各自的四个顶点由沿上吸声板8长边方向设置的导线5构成；

当导线5的外侧面只与振动发电体3的端头连接时，导线5由六个截面为扇形的导芯51构成，相邻导芯51之间设置绝缘衬垫53；当导线5的外侧面与振动发电体3、弹性变形体4的端头都存在连接时，导线5由至少两个截面为扇形的导芯51以及至少一个截面为扇形的绝缘芯52构成，相邻导芯51之间设置绝缘衬垫53；当导线5的外侧面只与弹性变形体4连接时，导线5由截面为圆形的减振丝61构成；所述弹性变形体4的两个端头分别与一个绝缘芯52的外侧面或减振丝61的外侧面连接；

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，也更方便导线5与基板电池001之间的布线，导芯51可以采用铜芯或钢芯制作而成，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。

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°。

如图16所示的，所述的振动发电体3包括两条螺旋状的发电线圈31相互盘旋形成的dna式双螺旋结构；沿发电线圈31的轴向、两条发电线圈31之间设置多组发电单元，每组发电单元包括两个同轴设置的永磁体32，永磁体32的轴向与发电线圈31的轴向垂直，两个永磁体32的外端分别与一个发电线圈31绝缘连接，永磁体32与发电线圈31之间可以使用绝缘胶水粘接，也可以是在发电线圈31的侧面设置橡胶卡槽，将永磁体32的一端插入卡槽内；两个永磁体32的内端相互靠近并留有一定的间隙，两个永磁体32内端的极性相互反向设置；两个永磁体32的内端套在导向套33内，使永磁体32的内端可沿导向套33的轴向方向滑动；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受到竖直方向的往复力的作用，蜂窝单元2沿竖直方向拉伸或压缩，蜂窝单元2中的振动发电体3沿竖直方向伸缩，同时弹性变形体4绕导体5旋转一定角度。振动发电体3沿竖直方向振动时进行振动发电，弹性变形体4自身形状发生改变，由于弹性变形体4本身具有弹性，因此其变形过程中缓冲了竖直方向的振动。当汽车产生横向方向振动时，蜂窝单元2沿横向方向被拉伸或压缩，弹性变形体4绕导线5旋转，同样发生变形并缓冲振动；当汽车产生纵向方向振动时，蜂窝单元2沿纵向方向产生扭转变形，弹性变形体4绕导线5旋转一定角度，同样发生变形并缓冲振动；即实现了对汽车横向和纵向方向振动的缓冲作用。

如图17-图18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中的发电线圈31的长度也发生变化，由于发电线圈31在空间中是螺旋状，因此其螺旋弧线形状也发生了变化，即发电线圈的轴向长度变短，而径向尺寸变大，则两个永磁体32之间的间隙由小变大，发电线圈31内存在的磁场的磁隙发生了变化，根据电磁感应原理可知发电线圈31上会产生感应电流，实现了振动发电；同理当振动发电体3回复原状时，两个永磁体32之间的间隙由大变小，同样会在发电线圈31上产生感应电流；两个永磁体32之间的初始间隙可以设置的很小，这样当间隙变化时，产生的感应电流很大，有效提高了发电效率。

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。

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，可以对汽车三个方向的振动进行缓冲，多个蜂窝单元构成的平面蜂窝状网格结构在竖直方向及横向的伸缩性良好，且具有较强的结构稳定性，同时可以对纵向和横向的振动进行缓冲，使振动层1保持一定的刚度从而有效缓冲振动。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；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与发电线圈31连接结构紧凑，使振动发电体3的体积较小。

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的数量以提高发电效率，如图3-图5所示的，一种优选的振动发电装置的结构为：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；蜂窝单元2中振动发电体3的数量较多，可以有效提高发电效率。

为了进一步提高发电效率，如图6-图8所示的，更好的实施方式是：所述的蜂窝单元2中的上角点与下角点之间、沿竖直方向设置振动发电体3；所述的上菱形单元6、下菱形单元7各自的上顶点与下顶点之间、沿竖直方向设置弹性变形体4。

当汽车经常在碎石路面行驶时，其垂向振幅较大，为了更好的保护振动发电装置，如图9-图11所示的，更好的实施方式是：所述蜂窝单元2的四条斜边，以及上菱形单元6、下菱形单元7各自的斜边均由弹性变形体4构成；所述蜂窝单元2的两条竖边由振动发电体3构成。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的刚度。

为了在保证振动层1刚度的情况下，适当提高发电效率，如图12-图14所示的，更好的实施方式是：所述的蜂窝单元2的上角点与下角点之间、沿竖直方向设置振动发电体3，所述的上菱形单元6、下菱形单元7各自的上顶点与下顶点之间沿竖直方向设置弹性变形体4。