CN106026776A - 磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，该装置整体结构为对称结构，包括外壳，外壳的上端安装有端盖，外壳底端内部以及端盖的内部均安装有条形磁铁，条形磁铁上端安装有薄膜压片，超磁致伸缩薄膜安装固定在薄膜压片的内孔中，超磁致伸缩薄膜的自由端安装固定摆动块；线圈骨架安装在外壳内腔中，线圈骨架上绕有拾取线圈。本发明用两块条形磁铁为超磁致伸缩薄膜提供偏置磁场，以拾取线圈拾取发电过程产生的电能，实现了将汽车轮胎行进过程产生的振动能量转化为电能输出的能量收集过程。
Description
技术领域
本发明属于磁致伸缩振动发电领域，特别涉及一种以超磁致伸缩薄膜为核心元件的通过吸收振动而产生电能的磁致伸缩发电装置。
背景技术
在汽车中涉及到许多微型电子设备,传统供电方式是利用电池供电，但是电池存在寿命有限,需要定时的更换、而且受尺寸的限制等弊端，使其不能满足系统长时间工作的需要，更不能满足迅速发展的集成电路的需求。为了解决这些问题,研究替代能量源成为当务之急。在汽车运行过程中，存在丰富的持续或间歇性的振动，例如轮胎行驶中的颠簸振动、汽车内部发动机的振动等。以利用汽车运行过程中的振动产生电能的发电方式替代电池为电子设备供电，可以解决小功率电子设备供电问题。
1842 年焦耳发现在磁场作用下铁磁材料被磁化时，其长度和体积均会发生微小的变化，移除外磁场后,它又恢复到原来的长度和体积，这种现象称为磁致伸缩现象，也称焦耳效应；在此之后，维拉里又发现了铁磁材料发生形变后会导致材料磁化状态也发生改变，该现象被称为逆磁致伸缩现象，也称为维拉里效应。这两种现象表明铁磁体材料的形变与磁化状态之间有着密切的关系
超磁致伸缩材料具有机械能与电磁能间的双向可逆换能效应，利用超磁致伸缩材料所具有的受力作用后发生磁致伸缩逆效应的特性，对汽车轮胎中的振动能量进行收集，将振动机械能转化为变化的磁能，再结合线圈的法拉第电磁效应，可以实现将振动机械能转换为电能的发电过程。目前针对汽车振动能量收集装置的研究，主要是应用压电材料来实现微型电路的能量供给。例如在2005年仪表技术与传感器第8期3-10页发表的基于压电的车载传感器自供电技术研究中提出了，利用压电技术对振动能量进行收集，设计压电式振动能量收集系统以用来解决微功耗传感器供能问题。在2015年苏州市职业大学学报第26卷第3期发表的基于压电材料的车辆振动能量收集提出了，将压电材料用于车辆振动能量收集，用来直接供电或进行储存。但是目前尚无有关利用超磁致伸缩薄膜材料实现汽车轮胎振动能量收集的研究。
发明内容
发明目的
针对现有的压电式振动发电装置的不足，发明一种以超磁致伸缩薄膜为核心元件，以两块条形磁铁为超磁致伸缩薄膜提供预磁化磁场，用拾取线圈拾取产生的电能的磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，达到将轮胎行进时产生的振动能量转化为电能的目的。
技术方案
一种磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，该装置整体结构为对称结构，包括外壳，其特征在于：外壳的上端安装有端盖，外壳底端内部以及端盖的内部均安装有条形磁铁，条形磁铁上端安装有薄膜压片，超磁致伸缩薄膜安装固定在薄膜压片的内孔中，超磁致伸缩薄膜的自由端安装固定摆动块；线圈骨架安装在外壳内腔中，线圈骨架上绕有拾取线圈。
外壳整体为对称结构，外壳内部设有矩形阶梯槽，在外壳的较窄侧面沿长度方向设有拱形凹槽，在较宽侧面上沿外壳宽度方向打有矩形通孔；在另一较窄侧面轴线上打有圆柱形导线孔，内部的拾取线圈通过该导线孔与外界相连；在外壳的顶端沿周向打有四个螺纹孔；在较宽侧面中心线上打有螺纹通孔，通孔穿过外壳底端内部较小的矩形槽；条形磁铁为矩形，条形磁铁安装在较小的矩形槽内部并且条形磁铁的底面与较小的矩形槽底面接触。
薄膜压片整体为矩形环，中心设有矩形通孔；在薄膜压片轴线上沿高度方向打有完全贯穿的螺纹孔；薄膜压片安装在外壳底端内部的矩形槽中，且薄膜压片的较宽面与安装在外壳底端内部的条形磁铁的上端面接触。
超磁致伸缩薄膜为矩形，一端在中心线上纵向打有一个螺纹孔，另一端纵向打有一对对称螺纹孔；超磁致伸缩薄膜打有一个螺纹孔的一端安装在薄膜压片内部的矩形通孔中，并且与该螺纹孔相邻的右侧面与条形磁铁上端面接触。
外壳双头螺柱依次穿过外壳较宽侧面上的螺纹孔、薄膜压片侧面上完全贯穿的螺纹孔和超磁致伸缩薄膜上沿中心线打有的一个螺纹孔，由外壳螺母在外壳双头螺柱两端紧固。
线圈骨架整体为对称结构，线圈骨架在中心处沿轴向打有矩形通孔，在线圈骨架的左端面上开有矩形槽，线圈骨架外侧缠绕有拾取线圈；线圈骨架中心处的矩形通孔穿过超磁致伸缩薄膜安装在外壳内部，并且右端面与外壳内的矩形阶梯槽的阶梯面接触。
摆动块为矩形，其长度与超磁致伸缩薄膜的宽度一致并且沿与中心线对称的高度方向打有一对螺纹孔；两块摆动块分别安装在超磁致伸缩薄膜的上端面和下端面上并且摆动块上的一对螺纹孔与超磁致伸缩薄膜上的一对螺纹孔同轴线对齐；摆动块通过摆动块双头螺柱和摆动块螺母与超磁致伸缩薄膜连接紧固。
端盖沿周向打有四个螺纹通孔，端盖的内侧端面上在中心处开有矩形凹槽，条形磁铁安装在矩形凹槽内并且条形磁铁的底面与矩形凹槽的底面接触；端盖上安装有条形磁铁的内侧端面与外壳上沿周向打有四个螺纹孔的端面接触并且端盖上四个螺纹孔与外壳上四个螺纹孔同轴配合，端盖与外壳之间通过螺钉连接紧固。
优点及效果
本发明是一种磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，具有如下优点和有益效果：
本发明以超磁致伸缩薄膜为核心元件，用两块条形磁铁为超磁致伸缩薄膜提供偏置磁场，以拾取线圈拾取发电过程产生的电能，实现了将汽车轮胎行进过程产生的振动能量转化为电能输出的能量收集过程。与基于压电材料的发电装置相比超磁致伸缩材料发电不存在疲劳、老化问题，且不存在去极化失效问题，因而工作性能更可靠；其机电耦合系数约为压材料的 2~3 倍，因而能量转换效率更高；它在室温下有高达 0.15%应变量，比压电材料更加灵敏，因此较小振幅条件也可输出更高的电压。超磁致伸缩薄膜上安装的摆动块增大了超磁致伸缩薄膜振动时的振幅从而会产生更高的电压。
附图说明
图1为磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置装配示意图。
图2为磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置的主视图。
图3为磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置的A-A剖视图。
图4为外壳的俯视图。
图5为外壳的B-B剖视图。
图6为超磁致伸缩薄膜的示意图。
图7为摆动块的示意图。
图8为薄膜压片的示意图。
图9为线圈骨架的示意图。
图10为端盖的俯视图。
图11为端盖的C-C剖视图。
图12为条形磁铁示意图。
图13为磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置与汽车轮毂的安装示意图。
附图标记说明：
1-导线孔，2-螺钉，3-端盖，4-外壳，5-外壳双头螺柱，6-外壳螺母，7-条形磁铁，8-摆动块螺母，9-摆动块双头螺柱，10-拾取线圈，11-线圈骨架，12-薄膜压片，13-超磁致伸缩薄膜，14-摆动块，15-汽车轮毂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明的磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，以超磁致伸缩薄膜作为核心元件，采用拾取线圈将磁通变化转化为电压，实现了将汽车轮胎行驶过程中振动能量转换为电能输出的过程。磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置的工作原理是：根据超磁致伸缩材料的逆效应，当超磁致伸缩薄膜受到作用于表面的轮胎振动力的作用时，超磁致伸缩薄膜的尺寸形状将发生变化，进而导致超磁致伸缩薄膜内部的磁化状态发生变化即内部的磁通量发生变化，从而引起拾取线圈中发生法拉第电磁效应，使拾取线圈中产生电压，因此实现了通过吸收轮胎振动而进行发电的过程。
图1是磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置装配示意图，图2为磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置的主视图，图3为磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置的A-A剖视图。图13为磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置与汽车轮毂的安装示意图。工作时安装在端盖3和外壳4内的条形磁铁7为超磁致伸缩薄膜13提供偏置磁场使超磁致伸缩薄膜13的磁机耦合效率达到最佳，汽车轮毂15的旋转振动传递到与之连接的磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置上，由于惯性力的作用摆动块14会来回摆动，振动通过摆动块14放大传递到与之相连的超磁致伸缩薄膜13上；超磁致伸缩薄膜13由于受到力的作用产生纵向的弯曲变形引起超磁致伸缩薄膜13内部的磁化状态发生变化即磁通发生变化，变化的磁通通过缠绕在线圈骨架11上的拾取线圈10产生感应电压，感应电压则可通过外壳4上的导线孔1由拾取线圈10传递到外界。在图3中为了给超磁致伸缩薄膜13提供均匀的偏置磁场安装在端盖3和外壳4内的两块条形磁铁7相对面的磁极相反。在图13中外壳4的较窄侧面沿长度方向设有的拱形凹槽与汽车轮毂15内部圆柱侧面接触，用钢带穿过外壳4较宽侧面上沿宽度方向打有的矩形通孔即可将整个装置与汽车轮毂15紧固连接在一起。为了防止外界环境对整个磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置的内部磁路产生影响，采用具有大磁阻的铜材料的外壳4以及端盖3。同时为了保证内部磁路均匀，采用铜材料的摆动块14和纯铁制作的薄膜压片12，超磁致伸缩薄膜13使用以铜为衬底的TbDyFe薄膜。其余各零件的结构图见图4-图12。
本发明提出了一种超磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，如图1、图2和图3中所示，该装置整体结构为对称结构包括外壳4，在外壳4的上端安装有端盖3，外壳4底端内部及端盖3的内部均安装有条形磁铁7，条形磁铁7上端安装有薄膜压片12，超磁致伸缩薄膜13安装固定在薄膜压片12的内孔中，超磁致伸缩薄膜13的自由端安装固定摆动块14；线圈骨架11安装在外壳4内腔中，线圈骨架11上绕有拾取线圈10。
如图4和图5所示，外壳4整体为对称结构，外壳4内部设有矩形阶梯槽，在外壳4的较窄侧面沿长度方向设有拱形凹槽，在较宽侧面上沿外壳4宽度方向打有矩形通孔；在另一较窄侧面轴线上打有圆柱形导线孔1，内部的拾取线圈10通过该导线孔1与外界相连。在外壳4的顶端沿周向打有四个螺纹孔。在较宽侧面中心线上打有螺纹通孔，通孔穿过外壳4底端内部较小的矩形槽。如图12所示，条形磁铁7为矩形，条形磁铁7安装在较小的矩形槽内部并且条形磁铁7的底面与较小的矩形槽底面接触。
如图8所示，薄膜压片12整体为矩形环，中心设有矩形通孔。在薄膜压片12在轴线上沿高度方向打有完全贯穿的螺纹孔。薄膜压片12安装在外壳4底端内部的矩形槽中，且薄膜压片12的较宽面与安装在外壳4底端内部的条形磁铁7的上端面接触。
如图6所示，超磁致伸缩薄膜13为矩形，一端在中心线上纵向打有一个螺纹孔，另一端纵向打有一对对称螺纹孔。超磁致伸缩薄膜13打有一个螺纹孔的一端安装在薄膜压片12内部的矩形通孔中，并且与该螺纹孔相邻的右侧面与上述已经安装好的条形磁铁7上端面接触。
如图1所示，外壳双头螺柱5依次穿过外壳较宽侧面上的螺纹孔、薄膜压片12侧面上完全贯穿的螺纹孔和超磁致伸缩薄膜上沿中心线打有的一个螺纹孔然后用外壳螺母6在外壳双头螺柱5两端紧固。
如图9所示，线圈骨架11整体为对称结构，线圈骨架11在中心处沿轴向打有矩形通孔，在线圈骨架11的左端面上开有矩形槽，线圈骨架11外侧缠绕有拾取线圈10。线圈骨架11在中心处沿轴线打有的矩形通孔穿过上述已安装的超磁致伸缩薄膜13安装在外壳4内部，并且右端面与外壳4内的矩形阶梯槽的阶梯面接触。
如图7所示，摆动块14为矩形，其长度与超磁致伸缩薄膜13的宽度一致并且沿与中心线对称的高度方向打有一对螺纹孔。如图3所示，两块摆动块13分别安装在超磁致伸缩薄膜13的上端面和下端面上并且摆动块上的一对螺纹孔与超磁致伸缩薄膜13上的一对螺纹孔同轴线对齐。并用摆动块双头螺柱9和摆动块螺母8将摆动块14跟超磁致伸缩薄膜13连接紧固。
如图10和图11所示，端盖3沿周向打有四个螺纹通孔，端盖3的内侧端面上在中心处开有矩形凹槽，条形磁铁7安装在矩形凹槽内并且条形磁铁的底面与矩形凹槽的底面接触。端盖3上安装有条形磁铁7的端面与外壳4上沿周向打有四个螺纹孔的端面接触并且端盖3上四个螺纹孔与外壳4上四个螺纹孔同轴配合，端盖3与外壳4之间通过螺钉2连接紧固。
结论：本发明所述的磁致伸缩薄膜式汽车轮胎振动能量收集装置能够通过收集汽车轮胎的振动能量实现发电的过程。
Claims (8)
1.一种磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，该装置整体结构为对称结构，包括外壳（4），其特征在于：外壳（4）的上端安装有端盖（3），外壳（4）底端内部以及端盖（3）的内部均安装有条形磁铁（7），条形磁铁（7）上端安装有薄膜压片（12），超磁致伸缩薄膜（13）安装固定在薄膜压片（12）的内孔中，超磁致伸缩薄膜（13）的自由端安装固定摆动块（14）；线圈骨架（11）安装在外壳（4）内腔中，线圈骨架（11）上绕有拾取线圈（10）。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，其特征在于：外壳（4）整体为对称结构，外壳（4）内部设有矩形阶梯槽，在外壳（4）的较窄侧面沿长度方向设有拱形凹槽，在较宽侧面上沿外壳（4）宽度方向打有矩形通孔；在另一较窄侧面轴线上打有圆柱形导线孔（1），内部的拾取线圈（10）通过该导线孔（1）与外界相连；在外壳（4）的顶端沿周向打有四个螺纹孔；在较宽侧面中心线上打有螺纹通孔，通孔穿过外壳（4）底端内部较小的矩形槽；条形磁铁（7）为矩形，条形磁铁（7）安装在较小的矩形槽内部并且条形磁铁（7）的底面与较小的矩形槽底面接触。
3.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，其特征在于：薄膜压片（12）整体为矩形环，中心设有矩形通孔；在薄膜压片（12）轴线上沿高度方向打有完全贯穿的螺纹孔；薄膜压片（12）安装在外壳（4）底端内部的矩形槽中，且薄膜压片（12）的较宽面与安装在外壳（4）底端内部的条形磁铁（7）的上端面接触。
4.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，其特征在于：超磁致伸缩薄膜（13）为矩形，一端在中心线上纵向打有一个螺纹孔，另一端纵向打有一对对称螺纹孔；超磁致伸缩薄膜（13）打有一个螺纹孔的一端安装在薄膜压片（12）内部的矩形通孔中，并且与该螺纹孔相邻的右侧面与条形磁铁（7）上端面接触。
5.根据权利要求1或4所述的磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，其特征在于：外壳双头螺柱（5）依次穿过外壳较宽侧面上的螺纹孔、薄膜压片（12）侧面上完全贯穿的螺纹孔和超磁致伸缩薄膜上沿中心线打有的一个螺纹孔，由外壳螺母（6）在外壳双头螺柱（5）两端紧固。
6.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，其特征在于：线圈骨架（11）整体为对称结构，线圈骨架（11）在中心处沿轴向打有矩形通孔，在线圈骨架（11）的左端面上开有矩形槽，线圈骨架（11）外侧缠绕有拾取线圈（10）；线圈骨架（11）中心处的矩形通孔穿过超磁致伸缩薄膜（13）安装在外壳（4）内部，并且右端面与外壳（4）内的矩形阶梯槽的阶梯面接触。
7.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，其特征在于：摆动块（14）为矩形，其长度与超磁致伸缩薄膜（13）的宽度一致并且沿与中心线对称的高度方向打有一对螺纹孔；两块摆动块（13）分别安装在超磁致伸缩薄膜（13）的上端面和下端面上并且摆动块上的一对螺纹孔与超磁致伸缩薄膜（13）上的一对螺纹孔同轴线对齐；摆动块（14）通过摆动块双头螺柱（9）和摆动块螺母（8）与超磁致伸缩薄膜（13）连接紧固。
8.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式轮胎振动发电装置，其特征在于：端盖（3）沿周向打有四个螺纹通孔，端盖（3）的内侧端面上在中心处开有矩形凹槽，条形磁铁（7）安装在矩形凹槽内并且条形磁铁的底面与矩形凹槽的底面接触；端盖（3）上安装有条形磁铁（7）的内侧端面与外壳（4）上沿周向打有四个螺纹孔的端面接触并且端盖（3）上四个螺纹孔与外壳（4）上四个螺纹孔同轴配合，端盖（3）与外壳（4）之间通过螺钉（2）连接紧固。
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