基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电‑电磁复合发电机的制作方法

本发明涉及基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机，属于振动能量俘获技术领域。

背景技术：

随着公路的发展和汽车性能的不断提高，汽车的行驶速度越来越快，特别是汽车拥有量的迅速增加，交通越来越拥挤，事故更为频繁，汽车的安全性就变得尤为重要。汽车轮胎压力异常，极容易导致意外事故的发生。在恶性交通事故中，由爆胎引起的车祸所占比例非常高，而胎压不足是引起爆胎的重要原因之一，由此说明了胎压监测系统的重要性。当前为胎压传感器供能方式主要为化学电池供电，化学电池供电方式存在电池使用寿命有限、需定期更换以及环境污染等不足。

利用压电材料的正压电效应俘获环境微能源转化为电能的环境能源收集技术，由于具有能量转换效率高、清洁无污染、可有效解决电池供电带来的需定期更换、污染环境等问题的优势，成为微能源转化与供给技术的研究热点。但是传统的基于压电发电的汽车振动能量收集装置普遍存在使用寿命短、俘能频率带宽窄、输出功率小等问题，限制了压电发电机在汽车领域的发展与应用。因此，需要研究一种用于胎压监测系统传感器供能的新型能源供给技术来解决目前存在的问题。

技术实现要素：

为解决现有的胎压传感器供能装置使用寿命短、俘能频率带宽窄、输出功率小等问题，本发明公开基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机。

本发明所采用的技术方案是：

所述基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机由驱动组件、发电组件、电磁发电组件和外壳组成。驱动组件固定在外壳内，发电组件通过螺纹连接固定在外壳上，电磁发电组件粘接在外壳内。

所述驱动组件由凸轮、主旋转轴、副旋转轴、旋转梁、固定套、轴承和紧固螺钉i组成，其中凸轮固定在主旋转轴的两侧端部位置，副旋转轴对称布置在主旋转轴两侧，通过螺纹连接固定，旋转梁与主旋转轴的凹槽二配合连接，固定套与旋转梁配合，通过紧固螺钉i进行固定，轴承对称布置在驱动组件两侧，与副旋转轴配合连接。

所述凸轮设有圆形通孔，圆形通孔的圆心与凸轮的圆心不重合，其与主旋转轴上的凸轴配合连接，所述凸轮在圆形通孔内侧设置有凹槽一，其与主旋转轴两侧端部的凸起进行配合固定，凸轮外轮廓与发电组件的滑动杆的上端面贴合，用于控制其轴向运动，进而调控磁力变化；所述主旋转轴用于带动凸轮做旋转运动，其两侧设置有凸轴，用以和圆形通孔配合连接，在凸轴端部设置有螺纹孔i，其与副旋转轴上的外螺纹螺纹连接，所述凸轴上设置有凸起，其与凸轮的凹槽一配合固定，所述主旋转轴中间位置设有凹槽二，其与旋转梁配合固定；所述副旋转轴一侧端部设有外螺纹，其与主旋转轴上的螺纹孔i进行螺纹连接，所述副旋转轴外轮廓上设有轴肩，其与轴承配合连接，用于限定轴承的轴向运动；所述旋转梁包括通孔一和方形磁铁，所述通孔一均匀布置在旋转梁的固定端，其与固定套上的通孔二配合，通过紧固螺钉i进行固定，所述方形磁铁粘接在旋转梁自由端的两侧，在旋转梁运动时，改变线圈内磁通量的大小从而实现电能的转化；所述固定套设置有安装孔，其与主旋转轴配合，所述固定套设有通孔二，通孔二分布在固定套的一侧端面上，固定套的另一侧端面设置有螺纹孔ii，通孔二、螺纹孔ii与旋转梁的通孔一通过紧固螺钉i固定在主旋转轴上；所述轴承与副旋转轴上的轴肩配合连接，限定驱动组件的轴向位移。

所述发电组件由滑动杆、长条磁铁、外框架、压电发电组件、紧固螺钉ii、磁力辅助组件、紧固螺钉iii、弹簧和紧固螺钉iv组成，其中滑动杆与外框架配合连接，长条磁铁通过紧固螺钉iii螺纹连接固定在滑动杆底端，压电发电组件通过紧固螺钉ii螺纹连接固定在外框架上，磁力辅助组件粘接在外框架的底部，弹簧安装在外框架上。

所述滑动杆的滑动梁两端对称布置有滑块，其与外框架中的滑轨配合连接，所述滑动杆的滑动梁中心位置设置有凸杆，其与弹簧配合，用于限制弹簧的径向运动，所述滑动杆下端设有螺纹盲孔i，其与长条磁铁上的通孔三配合，通过紧固螺钉iii进行固定连接；所述长条磁铁设置有通孔三，其与滑动杆的螺纹盲孔i通过螺纹连接；所述外框架设置有滑轨、横梁、弹簧安装孔、通孔四、安装槽一、螺纹盲孔ii、安装槽二和通孔五，所述滑轨对称布置在外框架上端的伸出壁内侧，其与滑块配合连接，实现对滑动杆的限位，所述外框架中段部位设置有横梁，横梁上端面布置有弹簧安装孔，其用以安装固定弹簧，所述通孔四位于横梁的中心位置，其与滑动杆的凸杆配合连接，所述安装槽一位于外框架下段的内壁一侧，其与压电发电组件配合固定，所述螺纹盲孔ii对称分布在安装槽一底面上，其与压电发电组件上的通孔六配合，通过紧固螺钉ii进行螺纹连接，所述安装槽二布置在外框架的底部中间位置，其与磁力辅助组件粘接固定，所述通孔五对称布置在安装槽二两侧，其与外壳的安装螺纹孔一配合，通过紧固螺钉iv进行螺纹连接；所述压电发电组件设有n条弹性悬臂梁，其中n为大于等于1的整数，本具体实施方式中n=3，其两侧均粘接有压电元件，所述磁铁块一通过胶粘固定在弹性悬臂梁的自由端，所述压电发电组件设有底座其与外框架的安装槽一配合连接，所述通孔六位于底座两侧端面上，其与外框架上的螺纹盲孔ii配合，通过紧固螺钉ii紧固连接；所述磁力辅助组件包括基板和磁铁块二，所述基板与外框架上的安装槽二粘接固定，所述磁铁块二胶粘固定在基板上胶粘固定，其与长条磁铁、磁铁块一三者相互作用，在非线性磁力的激励下，改变了弹性悬臂梁的非线性刚度，从而拓宽了压电发电组件的俘能带宽，提高了能量转换效率。

所述电磁发电组件由固定座、凸台和线圈组成，所述固定座与基座中的卡槽配合，通过胶粘方式进行紧固连接，所述凸台位于固定座一侧，所述线圈均匀缠绕在凸台外轮廓面上，所述线圈通过磁通量的改变产生感应电流，进而产生电能。

所述外壳由基座、端盖和紧定螺钉组成，基座和端盖配合，通过紧定螺钉安装固定；所述基座四个侧面靠近上端中间的位置均设有安装通孔，其与端盖中安装螺纹孔二配合，通过紧定螺钉进行紧固连接，所述基座底部中心设置有轴承安装孔一，其与轴承过盈配合，实现轴承的安装固定，所述基座四个侧面中间位置均设置有卡槽，其与固定座粘接固定，所述基座对称侧面中间位置上均匀设置有安装螺纹孔一，其与紧固螺钉iv螺纹连接，用于固定发电组件；所述端盖设置有安装螺纹孔二和轴承安装孔二，所述安装螺纹孔二均匀布置在端盖侧壁的中间部位，其与安装通孔配合，通过紧定螺钉安装固定，所述轴承安装孔二与轴承过盈配合，实现轴承的安装固定。

本发明的有益效果是：本发明基于压电材料正压电效应和电磁感应效应，对汽车轮胎转动产生的能量进行充分收集利用，利用磁力的非接触特性，大大降低了装置的磨损，增长了装置的使用寿命；利用了磁铁间的非线性力产生了非线性刚度效应，能够拓宽压电元件的能量俘获频率带宽；利用了电磁感应原理和压电材料的正压电效应复合的原理增大了装置的输出功率，在振动能量俘获技术领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机结构示意图；

图2所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机驱动组件结构示意图；

图3所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机凸轮结构示意图；

图4所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机主旋转轴结构示意图；

图5所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机副旋转轴结构示意图；

图6所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机旋转梁结构示意图；

图7所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机固定套结构示意图；

图8所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机发电组件结构示意图；

图9所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机滑动杆结构示意图；

图10所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机长条磁铁结构示意图；

图11所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机外框架结构示意图；

图12所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机压电发电组件结构示意图；

图13所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机磁力辅助组件结构示意图；

图14所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机电磁发电组件结构示意图；

图15所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机外壳结构示意图；

图16所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机基座结构示意图；

图17所示为本发明提出的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机端盖结构示意图。

具体实施方式：

结合图1~图17说明本实施方式；

本实施方式提供基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机的具体实施方案。所述基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机由驱动组件1、发电组件2、电磁发电组件3和外壳4组成。驱动组件1固定在外壳4内，发电组件2通过螺纹连接固定在外壳4上，电磁发电组件3粘接在外壳4内。

所述驱动组件1由凸轮1-1、主旋转轴1-2、副旋转轴1-3、旋转梁1-4、固定套1-5、轴承1-6和紧固螺钉i1-7组成，其中凸轮1-1固定在主旋转轴1-2的两侧端部位置，副旋转轴1-3对称布置在主旋转轴1-2两侧，通过螺纹连接固定，旋转梁1-4与主旋转轴1-2的凹槽二1-2-4配合连接，固定套1-5与旋转梁1-4配合，通过紧固螺钉i1-7进行固定，轴承1-6对称布置在驱动组件1两侧，与副旋转轴1-3配合连接。

所述凸轮1-1设有圆形通孔1-1-1，圆形通孔1-1-1的圆心与凸轮1-1的圆心不重合，其与主旋转轴1-2上的凸轴1-2-1配合连接，所述凸轮1-1在圆形通孔1-1-1内侧设置有凹槽一1-1-2，其与主旋转轴1-2两侧端部的凸起1-2-3进行配合固定，凸轮1-1外轮廓与发电组件2的滑动杆2-1的上端面贴合，用于控制其轴向运动，进而调控磁力变化；所述主旋转轴1-2用于带动凸轮1-1做旋转运动，其两侧设置有凸轴1-2-1，用以和圆形通孔1-1-1配合连接，在凸轴1-2-1端部设置有螺纹孔i1-2-2，其与副旋转轴1-3上的外螺纹1-3-1螺纹连接，所述凸轴1-2-1上设置有凸起1-2-3，其与凸轮1-1的凹槽一1-1-2配合固定，所述主旋转轴1-2中间位置设有凹槽二1-2-4，其与旋转梁1-4配合固定；所述副旋转轴1-3一侧端部设有外螺纹1-3-1，其与主旋转轴1-2上的螺纹孔i1-2-2进行螺纹连接，所述副旋转轴1-3外轮廓上设有轴肩1-3-2，其与轴承1-6配合连接，用于限定轴承1-6的轴向运动；所述旋转梁1-4包括通孔一1-4-1和方形磁铁1-4-2，所述通孔一1-4-1均匀布置在旋转梁1-4的固定端，其与固定套1-5上的通孔二1-5-2配合，通过紧固螺钉i1-7进行固定，所述方形磁铁1-4-2粘接在旋转梁1-4自由端的两侧，在旋转梁1-4运动时，改变线圈3-3内磁通量的大小从而实现电能的转化；所述固定套1-5设置有安装孔1-5-1，其与主旋转轴1-2配合，所述固定套1-5设有通孔二1-5-2，通孔二1-5-2分布在固定套1-5的一侧端面上，固定套1-5的另一侧端面设置有螺纹孔ii1-5-3，通孔二1-5-2、螺纹孔ii1-5-3与旋转梁1-4的通孔一1-4-1通过紧固螺钉i1-7固定在主旋转轴1-2上；所述轴承1-6与副旋转轴1-3上的轴肩1-3-2配合连接，限定驱动组件1的轴向位移。

所述发电组件2由滑动杆2-1、长条磁铁2-2、外框架2-3、压电发电组件2-4、紧固螺钉ii2-5、磁力辅助组件2-6、紧固螺钉iii2-7、弹簧2-8和紧固螺钉iv2-9组成，其中滑动杆2-1与外框架2-3配合连接，长条磁铁2-2通过紧固螺钉iii2-7螺纹连接固定在滑动杆2-1底端，压电发电组件2-4通过紧固螺钉ii2-5螺纹连接固定在外框架2-3上，磁力辅助组件2-6粘接在外框架2-3的底部，弹簧2-8安装在外框架2-3上。

所述滑动杆2-1的滑动梁2-1-1两端对称布置有滑块2-1-2，其与外框架2-3中的滑轨2-3-1配合连接，所述滑动杆2-1的滑动梁2-1-1中心位置设置有凸杆2-1-3，其与弹簧2-8配合，用于限制弹簧2-8的径向运动，所述滑动杆2-1下端设有螺纹盲孔i2-1-4，其与长条磁铁2-2上的通孔三2-2-1配合，通过紧固螺钉iii2-7进行固定连接；所述长条磁铁2-2设置有通孔三2-2-1，其与滑动杆2-1的螺纹盲孔i2-1-4通过螺纹连接；所述外框架2-3设置有滑轨2-3-1、横梁2-3-2、弹簧安装孔2-3-3、通孔四2-3-4、安装槽一2-3-5、螺纹盲孔ii2-3-6、安装槽二2-3-7和通孔五2-3-8，所述滑轨2-3-1对称布置在外框架2-3上端的伸出壁内侧，其与滑块2-1-2配合连接，实现对滑动杆2-1的限位，所述外框架2-3中段部位设置有横梁2-3-2，横梁2-3-2上端面布置有弹簧安装孔2-3-3，其用以安装固定弹簧2-8，所述通孔四2-3-4位于横梁2-3-2的中心位置，其与滑动杆2-1的凸杆2-1-3配合连接，所述安装槽一2-3-5位于外框架2-3下段的内壁一侧，其与压电发电组件2-4配合固定，所述螺纹盲孔ii2-3-6对称分布在安装槽一2-3-5底面上，其与压电发电组件2-4上的通孔六2-4-5配合，通过紧固螺钉ii2-5进行螺纹连接，所述安装槽二2-3-7布置在外框架2-3的底部中间位置，其与磁力辅助组件2-6粘接固定，所述通孔五2-3-8对称布置在安装槽二2-3-7两侧，其与外壳4的安装螺纹孔一4-1-4配合，通过紧固螺钉iv2-9进行螺纹连接；所述压电发电组件2-4设有n个弹性悬臂梁2-4-1，其中n为大于等于1的整数，本具体实施方式中n=3，其两侧均粘接有压电元件2-4-2，所述磁铁块一2-4-3通过胶粘固定在弹性悬臂梁2-4-1的自由端，所述压电发电组件2-4设有底座2-4-4其与外框架2-3的安装槽一2-3-5配合连接，所述通孔六2-4-5位于底座2-4-4两侧端面上，其与外框架2-3上的螺纹盲孔ii2-3-6配合，通过紧固螺钉ii2-5紧固连接；所述磁力辅助组件2-6包括基板2-6-1和磁铁块二2-6-2，所述基板2-6-1与外框架2-3上的安装槽二2-3-7粘接固定，所述磁铁块二2-6-2胶粘固定在基板2-6-1上胶粘固定，其与长条磁铁2-2、磁铁块一2-4-3三者相互作用，在非线性磁力的激励下，改变了弹性悬臂梁2-4-1的非线性刚度，从而拓宽了压电发电组件2-4的俘能带宽，提高了能量转换效率。

所述电磁发电组件3由固定座3-1、凸台3-2和线圈3-3组成，所述固定座3-1与基座4-1中的卡槽4-1-3配合，通过胶粘方式进行紧固连接，所述凸台3-2位于固定座3-1一侧，所述线圈3-3均匀缠绕在凸台3-2外轮廓面上，所述线圈3-3通过磁通量的改变产生感应电流，进而产生电能。

所述外壳4由基座4-1、端盖4-2和紧定螺钉4-3组成，基座4-1和端盖4-2配合，通过紧定螺钉4-3安装固定；所述基座4-1四个侧面靠近上端中间的位置均设有安装通孔4-1-1，其与端盖4-2中安装螺纹孔二4-2-1配合，通过紧定螺钉4-3进行紧固连接，所述基座4-1底部中心设置有轴承安装孔一4-1-2，其与轴承1-6过盈配合，实现轴承1-6的安装固定，所述基座4-1四个侧面中间位置均设置有卡槽4-1-3，其与固定座3-1粘接固定，所述基座4-1对称侧面中间位置上均匀设置有安装螺纹孔一4-1-4，其与紧固螺钉iv2-9螺纹连接，用于固定发电组件2；所述端盖4-2设置有安装螺纹孔二4-2-1和轴承安装孔二4-2-2，所述安装螺纹孔二4-2-1均匀布置在端盖4-2侧壁的中间部位，其与安装通孔4-1-1配合，通过紧定螺钉4-3安装固定，所述轴承安装孔二4-2-2与轴承1-6过盈配合，实现轴承1-6的安装固定。

工作原理：本发明所设计的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机在汽车轮胎转动过程中，安装在车轮轮辋上的压电-电磁复合发电机随着车轮旋转，由于旋转梁1-4自身的重力带动凸轮1-1相对外壳4进行旋转，同时凸轮1-1对滑动杆2-1产生挤压的作用，进而实现长条磁铁2-2与压电发电组件2-4中磁铁块一2-4-3产生相对运动，促使压电元件2-4-2产生形变，基于压电材料的正压电效应，压电元件2-4-2会在其表面产生交变的电流；同时方形磁铁1-4-2相对电磁发电组件3产生相对位移，使线圈3-3中磁通量的大小发生变化，基于电磁感应原理完成电能的转化，进而实现了车轮旋转运动的压电-电磁复合发电。

综合以上所述内容，本发明所设计的基于车轮旋转运动的磁力拨动式压电-电磁复合发电机，将汽车轮胎转动机械能转化成电能。本发明基于压电材料的正压电效应和电磁感应原理，一方面在非线性磁力的激励下，利用了磁铁间的非线性力产生了非线性刚度效应，能够拓宽压电元件的能量俘获频率带宽；由于本发明中利用了磁铁间作用力的非接触特性，能够大大降低装置的磨损程度，有效地增长了装置的使用寿命；本发明还利用了电磁感应原理和压电材料的正压电效应复合的原理增大了装置的输出功率，在振动能量俘获技术领域具有广泛的应用前景。