一种复合式机械能转化自行车车轮

1.本发明涉及车轮发电技术领域，尤其涉及一种复合式机械能转化自行车车轮。


背景技术：

2.机械振动最为普遍，且机械振动具有能量密度高和不受地理环境等因素限制的特点，因此基于机械振动的研究意义重大。在日常生活中，自行车是我们最普遍的出行工具，其蕴含的机械能是巨大的。目前市面上的发电自行车，大多都只基于压电进行能量的捕获，将机械能转化为电能。
3.例如，专利cn207368907u提供的一种自行车轻便式压电陶瓷发电装置，包括保护壳，在保护壳内部安装有高磁性永磁体和压电陶瓷，高磁性永磁体和压电陶瓷粘在一起且压电陶瓷一端安装在保护壳上，压电陶瓷上设置有导线，保护壳通过固定夹固定到自行车后轮支架上且分布在自行车后轮两侧；自行车后轮条幅上设置有第二高磁性永磁体，在第二高磁性永磁体外侧通过平瑞螺钉镶嵌固定在外壳中；高磁性永磁体与第二高磁性永磁体之间产生电磁感应；第二高磁性永磁体安装有两个，两个之间间隔180
°
。
4.但其存在以下问题：模式捕获能量的方式过于单一，导致在能量传输过程中造成了大量的损失。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种复合式机械能转化自行车车轮，采取多种俘能方式结合，提高俘能效率。
6.为了达到上述目的，本发明解决技术问题的技术方案是提供一种复合式机械能转化自行车车轮，包括：转动组件，包括轮框、轮辐以及若干永磁体，所述轮辐沿径向固定于所述轮框内，所述永磁体固定于所述轮辐上；
7.复合转化组件，包括转动连接件、若干压电振子、磁铁以及线圈，所述转动连接件与所述轮框转动连接，若干所述压电振子沿径向固定于所述转动连接件上，每一所述压电振子上固定有所述磁铁以及所述线圈，所述压电振子表面设置有pzt薄膜压电层。
8.进一步的，具有两个所述复合转化组件，两个所述复合转化组件对称的设置在所述转动组件的两侧。
9.进一步的，所述轮辐之间设置有铜板，所述铜板与所述轮框固定。
10.进一步的，相邻所述轮辐之间的夹角相同。
11.进一步的，每个所述压电振子上固定有两个所述磁铁，一个所述磁铁位于所述压电振子远离所述转动连接件的端部，另一个所述磁铁位于所述压电振子的中部。
12.进一步的，所述磁铁以及所述线圈固定在所述压电振子朝向所述转动组件的一面上，所述pzt薄膜压电层贴设于所述压电振子背离所述转动组件的一面上。
13.进一步的，所述复合转化组件包括八个所述压电振子，相邻所述压电振子之间的夹角相同。
14.进一步的，所述转动组件还包括一轴筒，所述轴筒设置在所述轮框的圆心处，所述轮辐与所述轴筒固定。
15.进一步的，所述转动连接件包括转动轴、套筒、轴承，所述转动轴与所述轴筒固定，所述转动轴与所述轴承固定，所述压电振子与所述套筒固定，所述套筒固定与所述轴承固定并能够相对所述轴筒转动。
16.进一步的，还包括一转换电路，所述转换电路包括电源芯片u1、电感l1、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、二极管d1、二极管d2，所述电源芯片u1的pz1引脚、pz2引脚作为能量输入端，所述电源芯片u1的sw引脚与所述电感l1一端电连接，所述电感l1的另一端与所述电容c61一端电连接并形成与电气连接的第一输出端jb1，所述电源芯片u1的vin引脚与所述二极管d1的阴极、所述电容c1的一端、所述电容c3的一端、所述电容c4的一端电连接并形成与升压模块电连接的第二输出端jb2，所述二极管d1的阳极与所述二极管d2的阴极电连接，所述电容c1的另一端与所述二极管d2的阴极、所述电容c2一端电连接，所述二极管d2的阳极、所述电容c2另一端、所述电容c3的另一端接地，所述电容c4另一端与所述电源芯片u1的cap引脚电连接，所述电容c5的一端与所述电源芯片u1的d0引脚电连接，另一端接地。
17.与现有技术相比，本发明所提供的复合式机械能转化自行车车轮具有以下
18.有益效果：
19.本发明设置有转动组件、复合转化组件，所述转动组件包括轮框、轮辐以及若干永磁体，所述复合转化组件包括转动连接件、若干压电振子以及磁铁，在所述转动组件转动过程中，当所述轮辐上的所述永磁体和所述压电振子上的所述磁铁相对时，所述转动组件对所述压电振子会产生一个磁吸力，在磁吸力作用下，产生受迫振动，在一段时间内受到连续性的或者周期性的激励，使得所述pzt薄膜压电层产生持续形变，积聚电荷，产生电能，另外由于所述转动组件的转动，带动了所述复合转化组件的转动，由于所述转动组件和所述复合转化组件间存在速度差，导致所述转动组件上的所述永磁体所产生的磁场对于复合转化组件底部上的所述线圈有由小变大、再由大变小的趋势，此时穿过所述线圈的磁通量发生改变，从而产生感应电动势，使得穿过线圈的磁场发生两次变化，同样会产生感应电流。本发明采用压电和磁电的组合模式对振动能量进行采集转化，相对于现有技术中的单一的压电方式，提高了俘能效率。
附图说明
20.图1为本发明提供的一种复合式机械能转化自行车车轮的立体示意图；
21.图2为图1中的转动组件的部分结构示意图；
22.图3为图1中复合转化组件的结构示意图；
23.图4为转换电路的电路结构示意图；
24.图中：1-转动组件，11-轮框，12-轮辐，13-永磁体，14-轮胎，15-铜板，16-轴筒，2-复合转化组件，21-转动连接件，211-转动轴，212-套筒，213-轴承，22-压电振子，221-pzt薄膜压电层，23-磁铁，24-线圈。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.请参阅图1-图3，本发明提供的一种复合式机械能转化自行车车轮，其包括：转动组件1以及至少一个复合转化组件2，所述复合转化组件2设置在所述转动组件1上，所述转动组件1能够相对所述复合转化组件2转动，以使所述复合转化组件2将所述转动组件1的动能转化成电能，所述转动组件1包括轮框11、轮辐12以及若干永磁体13，所述轮辐12沿径向固定于所述轮框11内，所述永磁体13固定于所述轮辐12上，所述复合转化组件2包括转动连接件21、若干压电振子22、磁铁23以及线圈24，所述转动连接件21与所述轮框11转动连接，若干所述压电振子22沿径向固定于所述转动连接件21上，每一所述所述压电振子22上固定有所述磁铁23以及所述线圈24，所述压电振子22表面设置有pzt薄膜压电层221。
27.本发明设置有转动组件1、复合转化组件2，所述转动组件1包括轮框11、轮辐12以及若干永磁体13，所述复合转化组件2包括转动连接件21、若干压电振子22以及磁铁23，在所述转动组件1转动过程中，当所述轮辐12上的所述永磁体13和所述压电振子22上的所述磁铁23相对时，所述转动组件1对所述压电振子22会产生一个磁吸力，在磁吸力作用下，产生受迫振动，在一段时间内受到连续性的或者周期性的激励，使得所述pzt薄膜压电层221产生持续形变，积聚电荷，产生电能，另外由于所述转动组件1的转动，带动了所述复合转化组件2的转动，由于所述转动组件1和所述复合转化组件2间存在速度差，导致所述转动组件1上的所述永磁体13所产生的磁场对于复合转化组件2底部上的所述线圈24有由小变大、再由大变小的趋势，此时穿过所述线圈24的磁通量发生改变，从而产生感应电动势，使得穿过线圈的磁场发生两次变化，同样会产生感应电流。本发明采用压电和磁电的组合模式对振动能量进行采集转化，相对于现有技术中的单一的压电方式，提高了俘能效率。
28.具体的，所述轮框11呈圆形，所述轮框11圆周面上套设有轮胎14。
29.具体的，相邻所述轮辐12之间的夹角相同。
30.在本实施例中，具有两个所述复合转化组件2，两个所述复合转化组件2对称的设置在所述转动组件1的两侧。两个所述复合转化组件2能够充分利用空间，对机械能进行俘获。两个所述复合转化组件2的所述磁铁23之间会形成磁场。
31.进一步的，所述轮辐12之间设置有铜板15，所述铜板15与所述轮框11固定。所述铜板15和所述轮框11为一体成型，保证运动过程中的稳定性。在自行车行进带动所述转动组件1高速运动的情况下，所述转动组件1上的每个所述铜板12会在进入和离开所述复合转化组件2上的所述磁铁23所形成的磁场时产生磁感应现象，由于所述铜板12以高速转动，并以高频率对磁场进行切割，从而产生高密度的电能，产生电流。
32.进一步的，所述转动组件1还包括一轴筒16，所述轴筒16设置在所述轮框11的圆心处，所述轮辐12与所述轴筒16固定。
33.进一步的，所述转动连接件21包括转动轴211、套筒212、轴承213，所述转动轴211与所述轴筒16固定，所述转动轴211与所述轴承213固定，所述压电振子22与所述套筒212固定，所述套筒212固定与所述轴承213固定并能够相对所述轴筒16转动。
34.进一步的，每个所述压电振子22上固定有两个所述磁铁23，一个所述磁铁23位于
所述压电振子22远离所述转动连接件21的端部，另一个所述磁铁23位于所述压电振子22的中部。位于所述压电振子22远离所述转动连接件21端部的所述磁铁23产生磁场的同时，也会作为质量块，改变所述压电振子22的共振频率，从而增加产电量。
35.在本实施例中，所述复合转化组件2包括八个所述压电振子22，相邻所述压电振子22之间的夹角相同。
36.进一步的，所述磁铁23以及所述线圈24固定在所述压电振子22朝向所述转动组件1的一面上，所述pzt薄膜压电层221贴设于所述压电振子22背离所述转动组件1的一面上。
37.进一步的，本发明的复合式机械能转化自行车车轮还包括一转换电路，所述pzt薄膜压电层221、所述线圈24、所述铜板12相互并联并与所述转换电路电连接。所述转换电路将所述pzt薄膜压电层221、所述线圈24、所述铜板12产生的电能进行转换并向负载输送。
38.请参阅图4，所述转换电路包括电源芯片u1、电感l1、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、二极管d1、二极管d2，所述电源芯片u1的pz1引脚、pz2引脚作为能量输入端，所述电源芯片u1的sw引脚与所述电感l1一端电连接，所述电感l1的另一端与所述电容c61一端电连接并形成与电气连接的第一输出端jb1，所述电源芯片u1的vin引脚与所述二极管d1的阴极、所述电容c1的一端、所述电容c3的一端、所述电容c4的一端电连接并形成与升压模块电连接的第二输出端jb2，所述二极管d1的阳极与所述二极管d2的阴极电连接，所述电容c1的另一端与所述二极管d2的阴极、所述电容c2一端电连接，所述二极管d2的阳极、所述电容c2另一端、所述电容c3的另一端接地，所述电容c4另一端与所述电源芯片u1的cap引脚电连接，所述电容c5的一端与所述电源芯片u1的d0引脚电连接，另一端接地。
39.在本实施例中，所述电源芯片u1的具体型号为ltc3588-1。
40.所述转换电路中能量的储存采用两个电容c1、c2并联作为储能元件，为了增加实用性，使用3.6v作为稳定的输出电压。vout引脚接于小功率的用电器(jb1)，如自行车的尾灯和照明灯，可以设置一开关来控制灯的亮灭。另外可以接出一dc-dc升压模块(jb2)，可以通过该升压模块转为稳定5v电压输出，从而可以为手机，相机，mp3等数码仪器充电。
41.在所述转动组件1转动过程中，当所述轮辐12上的所述永磁体13和所述压电振子22上的所述磁铁23相对时，所述转动组件1对所述压电振子22会产生一个磁吸力，在磁吸力作用下，产生受迫振动，在一段时间内受到连续性的或者周期性的激励，使得所述pzt薄膜压电层221产生持续形变，积聚电荷，产生电能，另外由于所述转动组件1的转动，带动了所述复合转化组件2的转动，由于所述转动组件1和所述复合转化组件2间存在速度差，导致所述转动组件1上的所述永磁体13所产生的磁场对于复合转化组件2底部上的所述线圈24有由小变大、再由大变小的趋势，此时穿过所述线圈24的磁通量发生改变，从而产生感应电动势，使得穿过线圈的磁场发生两次变化，同样会产生感应电流，另外，所述轮辐12之间设置有铜板15，在自行车行进带动所述转动组件1高速运动的情况下，所述转动组件1上的每个所述铜板12会在进入和离开所述复合转化组件2上的所述磁铁23所形成的磁场时产生磁感应现象，由于所述铜板12以高速转动，并以高频率对磁场进行切割，从而产生高密度的电能，产生电流。本发明采用压电和磁电的组合模式对振动能量进行采集转化，相对于现有技术中的单一的压电方式，提高了俘能效率。
42.本发明与目前普遍的压电结构相比具有以下优势：
43.一、采用压电和磁电的组合模式对振动能量进行采集转化，转动组件和复合转化
组件的存在可以保证压电振子在一段时间内受到连续性的或者周期性的激励，降低了系统的共振频率，保证了电能输出的连续性，线圈，铜片的加入，增加了磁电产电方式，三者组合极大增加了输出电能；
44.二、该发明采用铜板和轮框一体结构，该结构保证了铜板高频率切割复合转化组件的磁感线、更易于产生高密度的电能量。转动组件同时保证了对于复合转化组件上的压电振子的磁吸力是高频率的，周期性的，确保压电振子产生高频率周期性的变形，产生更多的电荷；
45.三、该发明使用了以ltc3588-1为核心的转换电路，可以将微小的交流电进行整合和储存，并将不稳定的交流电转变为可稳定输出的直流电。
46.以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种复合式机械能转化自行车车轮，其特征在于，包括：转动组件，包括轮框、轮辐以及若干永磁体，所述轮辐沿径向固定于所述轮框内，所述永磁体固定于所述轮辐上；复合转化组件，包括转动连接件、若干压电振子、磁铁以及线圈，所述转动连接件与所述轮框转动连接，若干所述压电振子沿径向固定于所述转动连接件上，每一所述压电振子上固定有所述磁铁以及所述线圈，所述压电振子表面设置有pzt薄膜压电层。2.如权利要求1所述的复合式机械能转化自行车车轮，其特征在于：具有两个所述复合转化组件，两个所述复合转化组件对称的设置在所述转动组件的两侧。3.如权利要求2所述的复合式机械能转化自行车车轮，其特征在于：所述轮辐之间设置有铜板，所述铜板与所述轮框固定。4.如权利要求1所述的复合式机械能转化自行车车轮，其特征在于：相邻所述轮辐之间的夹角相同。5.如权利要求1所述的复合式机械能转化自行车车轮，其特征在于：每个所述压电振子上固定有两个所述磁铁，一个所述磁铁位于所述压电振子远离所述转动连接件的端部，另一个所述磁铁位于所述压电振子的中部。6.如权利要求5所述的复合式机械能转化自行车车轮，其特征在于：所述磁铁以及所述线圈固定在所述压电振子朝向所述转动组件的一面上，所述pzt薄膜压电层贴设于所述压电振子背离所述转动组件的一面上。7.如权利要求6所述的复合式机械能转化自行车车轮，其特征在于：所述复合转化组件包括八个所述压电振子，相邻所述压电振子之间的夹角相同。8.如权利要求1所述的复合式机械能转化自行车车轮，其特征在于：所述转动组件还包括一轴筒，所述轴筒设置在所述轮框的圆心处，所述轮辐与所述轴筒固定。9.如权利要求8所述的复合式机械能转化自行车车轮，其特征在于：所述转动连接件包括转动轴、套筒、轴承，所述转动轴与所述轴筒固定，所述转动轴与所述轴承固定，所述压电振子与所述套筒固定，所述套筒固定与所述轴承固定并能够相对所述轴筒转动。10.如权利要求8所述的复合式机械能转化自行车车轮，其特征在于：还包括一转换电路，所述转换电路包括电源芯片u1、电感l1、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、二极管d1、二极管d2，所述电源芯片u1的pz1引脚、pz2引脚作为能量输入端，所述电源芯片u1的sw引脚与所述电感l1一端电连接，所述电感l1的另一端与所述电容c61一端电连接并形成与电气连接的第一输出端jb1，所述电源芯片u1的vin引脚与所述二极管d1的阴极、所述电容c1的一端、所述电容c3的一端、所述电容c4的一端电连接并形成与升压模块电连接的第二输出端jb2，所述二极管d1的阳极与所述二极管d2的阴极电连接，所述电容c1的另一端与所述二极管d2的阴极、所述电容c2一端电连接，所述二极管d2的阳极、所述电容c2另一端、所述电容c3的另一端接地，所述电容c4另一端与所述电源芯片u1的cap引脚电连接，所述电容c5的一端与所述电源芯片u1的d0引脚电连接，另一端接地。

技术总结
本发明涉及一种复合式机械能转化自行车车轮，包括：转动组件，包括轮框、轮辐以及若干永磁体，所述轮辐沿径向固定于所述轮框内，所述永磁体固定于所述轮辐上；复合转化组件，包括转动连接件、若干压电振子、磁铁以及线圈，所述转动连接件与所述轮框转动连接，若干所述压电振子沿径向固定于所述转动连接件上，每一所述压电振子上固定有所述磁铁以及所述线圈，所述压电振子表面设置有PZT薄膜压电层，本发明省去了长连杆，占用空间小，无需大幅度摆动即可实现往复扫刮。本发明采用压电和磁电的组合模式对振动能量进行采集转化，相对于现有技术中的单一的压电方式，提高了俘能效率。提高了俘能效率。提高了俘能效率。


技术研发人员：梅杰 伍俊宇 张凌瑞 王峥宇 陈昆 孙鸿博
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/10/19