CN104960419B - 一种基于电磁感应的轮胎内能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电磁感应的轮胎内能量回收装置，它包括若干个用于回收轮胎内能量的电磁感应能量回收模块、AC/DC转换器和储能元件；所有所述电磁感应能量回收模块周向均匀间隔设置于轮胎内衬，各所述电磁感应能量回收模块所包含的线圈通过导线依次串联连接，并与所述AC/DC转换器形成回路；各所述电磁感应能量回收模块将回收的电能传递给所述AC/DC转换器，所述AC/DC转换器将交流电压整合为直流电压，并将整合后的直流电压传递到所述储能元件进行存储,所述储能元件存储的电能用于为所述轮胎内的传感器进行供电。本发明能够回收轮胎内能量，使得轮胎内传感器类型和发射频率不受电源制约，实现对车轮以及汽车状态的实时监控，提高车辆安全性和主动控制性能。

Description

一种基于电磁感应的轮胎内能量回收装置

技术领域

本发明涉及一种轮胎内能量回收装置，特别是关于一种基于电磁感应的轮胎内能量回收装置。

背景技术

随着汽车电子化智能化的发展，汽车安全性能有了很大的提高。然而，根据美国运输部的数据显示，多于60％的事故是直接或间接由轮胎失效或侧滑引起的。可见轮胎对于汽车性能和交通安全至关重要。轮胎具有多重作用，保证安全以及乘客舒适度。由于轮胎是车辆与地面的接触点，能够用来收集车辆本身及地面状况的实时信息。此信息可以用于轮胎的状态监控以及进行车辆动力学控制。汽车工业在轮胎状态监测技术上有着巨大的发展需求。安装有内置传感器的智能轮胎逐渐应用在现代汽车上。

操控汽车的力来自接地印迹，现有的检测系统及控制系统通过安装在轮胎内及轮胎外的传感器获得间接的数据进行轮胎状态监控或者实现车辆闭环控制。其中，TPMS(TirePressure Monitoring System轮胎压力监测系统)和ESC(Electroic Speed Control汽车电子稳定控制系统)是获取轮胎参数对车辆进行监测和控制以减少事故发生、提高交通安全的两大重要技术。TPMS监测轮胎压力和温度，然而由于内置电池的能量限制，传输数据的频率较低，远远不能满足实时监控的要求。ESC控制器监测汽车状态、控制制动力以及驱动力，轮胎参数对系统控制必不可少，但由于汽车动力学和不确定性使得参数很难被准确获取。智能化轮胎通过在轮胎内安装传感器获得胎压、温度、车轮载荷、法向纵向侧向轮胎力等参数提高汽车安全和稳定性。

现有的轮胎内置传感器依赖于电池供电以及无线数据传输系统。由于轮胎的旋转环境和气密特性无法使用线束供电和有线数据传输。然而即便使用低功耗的无线传感器也存在数据传输耗能明显降低电池寿命的问题。由于传感器安装位置不易拆装，为减少电池更换保证电池寿命，需要限制检测和发射数据的次数。TPMS系统在数据低发射频率下勉强能够工作，但如道路干扰探测系统(road-disturbance-detection systems，用于实时向主动悬架减震器发送命令)等对传输率的要求更高，因此带电池的无线传感器往往不能做到实时监测，影响汽车安全和操控性能。轮胎内能量回收能够通过电磁感应、压电效应等原理利用轮胎变形能量，也可以通过加速度、减速度产生的内置回收部件的相对运动回收能量，回收能量转化为电能为传感器供电，直接解决了供电问题。能量回收系统可以将耗散的损失能量转化为可利用能量，也可以通过改变能量形式实现能量在不同部分之间的传递，为传感器供电并使得高频率实时信息传输成为可能。

很多研究在轮胎内安装设计了能量回收系统，采用压电、电磁或者静电等方法进行能量回收，然而回收的能量较低还不足以实现实时数据传输，能量回收装置还需要进一步研究改进。压电材料变形次数有限，极大地限制了压电能量转化器的寿命，而轮胎在汽车行驶时高速旋转，产生的变形次数较多。静电起电机要求一个初始的极化电压或电荷，且输出阻抗较大，不适合作为能源供应。电磁机制具有高能量密度和高稳定性，不要求独立的电压源，还可以适应多种振动模式，如旋转、振动等。因此需要设计一种电磁发电式能量回收装置解决轮胎内传感器供电问题。现有技术中，有通过轮胎内安装的线圈在轮胎旋转过程中产生振动，同时外加磁场，由电磁感应产生电能，但外加磁场的方式可能会对传感器信号发送产生干扰。也有通过磁铁之间斥力使得运动磁铁悬浮在两个固定磁铁中间，悬浮的运动磁铁随着轮胎转动在线圈内上下运动，但由于固定磁铁与运动磁铁之间的磁场发生干扰，削弱磁通量的变化，不利于高密度发电。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够回收轮胎内能量的基于电磁感应的轮胎内能量回收装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于电磁感应的轮胎内能量回收装置，其特征在于：它包括若干个用于回收轮胎内能量的电磁感应能量回收模块、一AC/DC转换器和一储能元件；所有所述电磁感应能量回收模块周向均匀间隔设置于轮胎内衬，各所述电磁感应能量回收模块所包含的线圈通过导线依次串联连接，并与所述AC/DC转换器形成回路；各所述电磁感应能量回收模块将回收的电能传递给所述AC/DC转换器，所述AC/DC转换器将交流电压整合为直流电压，并将整合后的直流电压传递到所述储能元件进行存储,所述储能元件存储的电能用于为所述轮胎内的传感器进行供电。

所述电磁感应能量回收模块包括壳体、第一线圈、第二线圈和磁铁；所述壳体为筒状结构，所述筒状结构的封闭端固定设置在所述轮胎内衬上；所述壳体内部固定设置有一环状隔板，所述环状隔板的内部向内延伸对称设置一对导向齿；所述环状隔板将所述壳体分为上下两部分容纳空间，两部分容纳空间的每一所述壳体内壁上分别固定设置有反向缠绕的所述第一线圈和所述第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈之间通过导线串联连接；所述磁铁为实心圆柱体，所述磁铁穿设过所述环状隔板，所述磁铁的两侧壁设置有与所述导向齿配合使用的凹槽，所述磁铁的底部固定连接一弹簧的一端，所述弹簧的另一端固定设置在所述壳体的底部。

所述壳体采用保护磁通量的材料制备而成。

所述弹簧采用非线性弹簧。

所述储能元件采用电池或者超级电容。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明包括电磁感应能量回收模块、AC/DC转换器和储能元件，电磁感应能量回收模块将回收的电能传递给AC/DC转换器，由AC/DC转换器转换为直流电压，并将整合后的直流电压存储在储能元件内，储能元件用于为轮胎内的传感器进行供电，因此，可以将轮胎内能量转化为电能为传感器进行供电，取代了传统的内置电池，从而取消了对内置电池寿命的依赖，同时取消了对特殊传感器，如声表面波传感器的依赖，使得传感器类型和发射频率不受电源制约，能够实现对车轮以及汽车状态的实时监控，提高车辆安全性和主动控制性能。2、本发明包括若干电磁感应能量回收模块，且周向均匀间隔分布于轮胎内衬，因此能够提高发电能力并改善动平衡，较多的电能为传感器供电，可以提高传感器发送数据的频率，进而提高汽车安全性。3、本发明的电磁感应能量回收模块包括壳体、第一线圈、磁铁和第二线圈，结构简单、稳定，使用寿命长，无需外设电源，其中，壳体采用保护磁通量的材料制备而成，可以防止磁通量泄露减弱磁场强度，同时增强抗干扰能力。4、本发明中使用的弹簧为非线性弹簧，一方面可以支撑磁铁，另一方面可以改善磁铁受力状态，使得磁铁能够尽可能自由并且大幅度快速的运动，并且可以通过设计弹簧刚度或变形特性实现最优磁铁行程和受力之间关系，达到改善磁铁运动特性的目的，增大磁铁运动幅度和速度提高发电能力。5、本发明的第一线圈和第二线圈采用相反方向缠绕的方式，磁铁偏离中间位置运动时，一个线圈的磁通量增大，一个线圈的磁通量减少，使得产生磁通量变化较大，根据右手螺旋定则，相反方向缠绕的第一线圈和第二线圈产生的电流方向不一样，感应电压方向不一样，一个为正，一个为负，感应电压相减得到正值，从而产生较多电能。6、本发明磁铁的两侧壁上设置有与环状隔板的导向齿配合使用的凹槽，可以限制磁铁的运动方向，起到导向的作用。本发明可以广泛应用于汽车轮胎内的能量回收过程中。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明电磁感应能量回收模块的结构示意图，其中，(a)是俯视图，(b)是沿(a)中A-A线的剖视图；

图3是本发明壳体和环状隔板的结构示意图；

图4是本发明磁铁的结构示意图；

图5是轮胎转动一周的时间内磁铁所受离心力大小的示意图，其中，横坐标为轮胎旋转时间，纵坐标为磁铁所受离心力大小，离心力＝mv^2/R，m为磁铁的质量，v为轮胎转动速度，R为轮胎半径；

图6是本发明装置的工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的基于电磁感应的轮胎内能量回收装置，包括若干个用于回收轮胎内能量的电磁感应能量回收模块1(本发明实施例以四个为例，但不限于此，可以根据实际需要进行选择)、一AC/DC转换器2和一储能元件3。

所有电磁感应能量回收模块1周向均匀间隔设置于轮胎4内衬，各电磁感应能量回收模块1所包含的线圈通过导线依次串联连接，并与AC/DC转换器2形成回路。各电磁感应能量回收模块1将回收的电能传递给AC/DC转换器2，AC/DC转换器2将交流电压整合为直流电压，并将整合后的直流电压传递到储能元件3进行存储,储能元件3存储的电能用于为轮胎4内现有的传感器5进行供电。

在一个优选的实施例中，如图2所示，电磁感应能量回收模块1包括壳体11、第一线圈12、第二线圈13和磁铁14。壳体11为筒状结构，筒状结构的封闭端固定设置在轮胎4内衬上。壳体11内部固定设置一环状隔板15，环状隔板15的内部向内延伸对称设置一对导向齿151(如图3所示)。环状隔板15将壳体11分为上下两部分容纳空间，两部分容纳空间的每一壳体11内壁上分别固定设置有反向缠绕的第一线圈12和第二线圈13，第一线圈12和第二线圈13之间通过导线串联连接。磁铁14为实心圆柱体，磁铁14穿设过环状隔板15，磁铁14的两侧壁设置有与环状隔板15的导向齿151配合使用的凹槽(如图4所示)，磁铁14的底部固定连接一弹簧16的一端，弹簧16的另一端通过弹簧座固定设置在壳体11的底部，工作时，磁铁14在环状隔板15之间做往复运动，第一线圈12和第二线圈13内的磁通量发生变化，产生电能。

在一个优选的实施例中，壳体11可以采用保护磁通量的材料制备而成，例如SMC复合材料，防止磁通量泄露减弱磁场强度。

在一个优选的实施例中，弹簧16可以采用非线性弹簧，非线性弹簧具有非线性特性，能够改善磁铁受力状态，使得磁铁14运动幅度和速度尽可能增大。

在一个优选的实施例中，储能元件3可以采用电池或者超级电容。

本发明提供的基于电磁感应的轮胎内能量回收装置的具体工作过程为：

如图5、图6所示，正常行驶的汽车的轮胎4转动一周的过程中，电磁感应能量回收模块1根据磁铁14所受离心力大小的变化分为三个工作阶段，分别为阶段①、阶段②和阶段③。当轮胎4带动电磁感应能量回收模块1旋转到阶段①，此时磁铁14所受离心力逐步增大，并在达到一个峰值后，完全进入阶段②。进入阶段②，此时磁铁14将不受离心力的作用。当电磁感应能量回收模块1从阶段②旋转到阶段③，此时磁铁14所受的离心力再次达到峰值，达到峰值后完全进入阶段③，进入阶段③后所受离心力将逐渐减小。当电磁感应能量回收模块1从阶段③旋转到阶段①的过程中，磁铁14所受的离心力基本恒定不变，为正常的离心力。

在电磁感应能量回收模块1从阶段①到阶段②的过程中，磁铁14的受力状态发生极大变化，磁铁14将会偏离原始位置产生运动，使第一线圈12和第二线圈13的磁通量的发生变化，从而产生电能。进入阶段②后，在弹簧16的带动下，磁铁14做受激励的阻尼振动，第一线圈12和第二线圈13仍然可以产生电能。

在电磁感应能量回收模块1从阶段②到阶段③的过程中，磁铁14的受力状态也发生极大变化，磁铁14将会偏离原始位置产生运动，使第一线圈12和第二线圈13的磁通量的发生变化，从而产生电能。在从阶段③到达阶段①的过程中，在弹簧16的带动下，磁铁14做自由阻尼振动，第一线圈12和第二线圈13仍然可以产生电能。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种基于电磁感应的轮胎内能量回收装置，其特征在于：它包括若干个用于回收轮胎内能量的电磁感应能量回收模块、一AC/DC转换器和一储能元件；所有所述电磁感应能量回收模块周向均匀间隔设置于轮胎内衬，各所述电磁感应能量回收模块所包含的线圈通过导线依次串联连接，并与所述AC/DC转换器形成回路；各所述电磁感应能量回收模块将回收的电能传递给所述AC/DC转换器，所述AC/DC转换器将交流电压整合为直流电压，并将整合后的直流电压传递到所述储能元件进行存储,所述储能元件存储的电能用于为所述轮胎内的传感器进行供电；

所述电磁感应能量回收模块包括壳体、第一线圈、第二线圈和磁铁；所述壳体为筒状结构，所述筒状结构的封闭端固定设置在所述轮胎内衬上；所述壳体内部固定设置有一环状隔板，所述环状隔板的内部向内延伸对称设置一对导向齿；所述环状隔板将所述壳体分为上下两部分容纳空间，两部分容纳空间的每一所述壳体内壁上分别固定设置有反向缠绕的所述第一线圈和所述第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈之间通过导线串联连接；所述磁铁为实心圆柱体，所述磁铁穿设过所述环状隔板，所述磁铁的两侧壁设置有与所述导向齿配合使用的凹槽，所述磁铁的底部固定连接一弹簧的一端，所述弹簧的另一端固定设置在所述壳体的底部。

2.如权利要求1所述的一种基于电磁感应的轮胎内能量回收装置，其特征在于：所述壳体采用保护磁通量的材料制备而成。

3.如权利要求1所述的一种基于电磁感应的轮胎内能量回收装置，其特征在于：所述弹簧采用非线性弹簧。

4.如权利要求1或2或3所述的一种基于电磁感应的轮胎内能量回收装置，其特征在于：所述储能元件采用电池或者超级电容。