[发明专利]基于轮胎变形的新型压电-电磁复合能量俘获结构

说明书

本发明公共了一种基于轮胎变形的新型压电‑电磁复合能量俘获结构。该结构利用车辆行驶过程中外圈轮胎受压产生的变形位移实现压电‑电磁复合能量俘获：安装在轮毂和外圈轮胎之间的压电梁因轮胎变形两端受压弯曲，从而使得粘贴在压电梁根部的压电片产生弯曲变形，根据正压电效应原理，压电片储存的变形能转化为电能。同时该结构中的永磁铁与带铁芯的线圈也因轮胎变形产生相对位移，导致线圈中磁通量改变实现电磁式感应发电。该结构简单，绿色环保，一方面提高了汽车燃油利用率，另一方面为实现汽车电子设备和胎压监测设备自主供电难题提供了新的思路和解决方案。

技术领域

本发明关于一种基于轮胎变形的新型压电-电磁复合能量俘获结构，属于能量俘获技术领域。

背景技术

近年来，能量俘获成为了学术界和工业界共同关注的前言热点技术之一。其中动能量俘获是目前研究最为广泛的一种低功耗电子设备自主供电技术，它为未来无线传感器网络技术和物联网技术持久可靠供电难题提供了解决方案。传统的水力和风力发电等技术主要适用于大功率场合，造价昂贵且体积庞大，并不适用于低功耗电子设备供电。

振动能量俘获的基本原理就是收集利用物体因外部运动产生的位移或变形所蕴含的能量，将其转化为电能。根据俘获机理主要分为三类：压电式、静电式和电磁感应式。压电式能量俘获是利用压电材料的正压电效应，将压电材料的变形能转化为电能；静电式振动能量俘获的基本原理是通过环境振动引起电容改变来产生电能；电磁式振动能量俘获的基本原理是利用法拉第电磁感应定理，即磁通量变化时产生电场。

能量俘获技术的核心是如何提高动能到电能的全系统转换效率。将压电、电磁等多种能量转换方法集于一体，从而提高能量转化效率是目前微能源技术发展的新趋势。在常用的三种动能能量俘获方法中，静电式俘能器需要外接电源导致其应用受到限制，电磁俘能和压电俘能则以其各自的优点表现出了潜在的应用价值，关于微型压电-电磁复合微型发电机的研究受到国内外众多学者的关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于轮胎变形的新型压电-电磁复合能量俘获结构，集成多种俘能方法收集转化汽车运动过程中轮胎的变形能，提高燃油利用率，为实现汽车电子设备和胎压监测设备自主供电难题提供新的思路和解决方案。该结构利用车辆行驶过程中外圈轮胎受压产生的变形量实现压电-电磁复合能量俘获：安装在轮毂和外圈轮胎之间的压电梁因轮胎变形两端受压弯曲，从而使得粘贴在压电梁根部的压电片产生弯曲变形，根据正压电效应原理，压电片储存的变形能转化为电能。同时该结构中的环形永磁铁与带铁芯的线圈也因轮胎变形产生相对位移，导致线圈中磁通量改变实现电磁式发电。

相比目前已提出的基于胎压变形的能量俘获结构，本发明提出的结构采用压电梁发电和压电-电磁复合俘能方式集成一体的设计理念，不仅结构简单，更关键的是提高了全系统能量转化效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于轮胎变形的新型压电-电磁复合能量俘获结构，其特征在于：外圈轮胎内侧安装定制形状的铁芯，铁芯上缠绕着线圈；基底梁两端分别用两个相同的定制夹具和普通夹具通过螺栓穿孔进行固定，定制夹具固定在轮毂圆弧面上，普通夹具端面与定制铁芯端面连接；靠近定制夹具一侧的基底梁根部上下表面均粘贴了压电片，粘贴了压电片的基底梁称为压电梁。环形永磁铁固定在定制夹具端面上，中间穿过压电梁。

所述定制形状铁芯一端为圆形平面，一段为圆弧面，圆弧半径与外圈轮胎内侧半径相等。圆形平面与定制夹具端面连接，圆弧面与外圈轮胎内侧连接。铁芯形状并不唯一，可根据实际使用工况进行定制。

所述线圈缠绕在定制铁芯上。

所述压电梁由基底梁和压电片组成。基底梁两端打孔，分别用两个相同的定制夹具和普通夹具通过螺栓穿孔进行固定。靠近定制夹具一侧的基底梁根部两侧分别用两个相同的压电片粘贴。轮胎变形时，两端固定的压电梁轴向受压产生弯曲变形，通过正压电效应将变形能转化为电能。

所述压电片宽度与基底梁宽度相等。