[发明专利]基于离心力影响的汽车轮胎非线性振动发电装置

说明书

技术领域

本发明属于振动发电技术领域，具体涉及基于离心力影响的汽车轮胎非线性振动发电装置。

背景技术

随着车联网(IoV)概念的提出，传感检测设备日益趋于低功耗化、集成化、微型化发展，也急需越来越多的传感器去监测车体各式各样的信息，然而如何可持续的给传感器进行稳定的电力供给，建立绿色低碳型车联网系统成为亟待解决的问题；因此收集汽车环境存在的振动能量来实现传感设备自供电技术，受到了世界各国的广泛关注和支持。目前振动发电技术主要分为三类：电磁式发电、静电式发电和压电式发电，电磁式发电利用电磁感应现象，在永磁体和闭环线圈发生相对运动的情况下，激发出感应电动势从而线圈中产生电流；静电式发电利用永极体材料之间的相对运动来改变有效位移，面积而产生电荷的流出；压电式发电利用压电材料的特有的物理特性，将外部振动所产生的应力转化成电能，末端载有磁性质量块，表面粘贴压电材料的悬臂梁是压电发电技术最具代表性的构造。上述三种发电方法，大多利用线性共振现象，通过调整发电装置的固有频率与环境振动频率的一致来提高发电效率，但由于共振只会发生在某一固定频率值，不能保证发电系统在可变高频带输入条件下仍保持着较高的发电性能，因此依靠目前传统的线性发电技术进行能量回收，发电能力处于一个较低的水平。

为了解决传统线性发电装置窄频带响应问题，2010年美国麻省理工大学Gu,L.等(Gu,L.,Livermore,C.,Passive self-tuning energy harvester for extracting energy from rotational motion.Applied Physics Letters,97(8):081904,2010.)提出了利用旋转产生离心力的影响，通过调整悬臂梁的等效弹性系数改变系统本身的固有频率，提前优化系统参数能够实现固有频率与旋转频率的匹配，从而达到提高发电量的目的；然而，由于此方法在调整频率匹配过程中，很难确保频率完全一致的原因，有效发电频带较窄继而导致实用性较低。因此，美国犹他大学Roundy,S.等(Roundy,S.,Tola,J.,Energy harvester for rotating environments using offset pendulum andnonlinear dynamics.Smart Materials and Structures,23(10):105004,2014.)提出了单摆式非线性发电系统，通过利用非线性系统的特征现象，能够解决线性系统振动受最大行程受限问题，能够实现宽频大振幅的振动，从而提高了系统的发电性能；但此技术还存在一定的局限性，并没有利用离心力对于稳定高能轨道振动的积极作用，导致有效发电的旋转频率保持在某一固定的频率范围，在转速处于过高的情况下，系统的响应处于低能轨道振动的原因，发电效果仍不是特别理想。

发明内容

为了提高发电装置的发电性能，解决传统发电系统的窄频带响应问题，本发明提出了能够运用于汽车轮胎发电的非线性悬臂梁结构发电装置并利用旋转离心力的影响进一步拓宽系统响应频带。此结构对于不同轮胎的旋转频率，通过对参数的优化设计并进行Duffing运动学解析，发现发电量能够不受车速限制并稳定在高输出的能量轨道上，从而增加了响应频率的区间，提高发电性能。因此能够实现为轮胎气压监测系统自供电的目标，从而解决了高速旋转轮胎供电难的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于离心力影响的汽车轮胎非线性振动发电装置，包括发电装置基座、振动发电单元和检测单元，所述发电装置基座连接振动发电单元及检测单元，然后发电装置基座通过U型槽与轮毂固定；

所述振动发电单元包括悬臂梁、第一磁性质量块、第二磁性质量块以及粘贴在悬臂梁表面的压电材料，所述悬臂梁一端固定于悬臂梁固定端，所述悬臂梁固定端通过螺栓固定于发电装置基座上，所述悬臂梁另一端为自由端，沿着轮胎旋转中心轴、悬臂梁固定端的离心方向固定第一磁性质量块，所述第一磁性质量块斜对面一定距离固定第二磁性质量块，所述第二磁性质量块沿水平方向且通过第二磁性质量块位置调节螺纹固定于平衡质量块上，所述平衡质量块通过螺栓固定于发电装置基座一端；

所述检测单元通过螺栓固定于发电装置基座的另一端，所述检测单元包括电压检测器，加速度检测器及蓝牙数据传送设备，所述电压检测器用于检测压电材料的输出电压，且电压检测器采集的数据保存于电压检测器本身，所述加速度检测器用于检测轮胎的加速度，且加速度检测器采集的数据通过蓝牙数据传送设备传输电脑；