应用于TPMS的风致振动能量采集系统研究

摘要

风能是一种极其广泛的清洁能源，除了应用在大型风力发电工程之外，用于微电子及无线传感器件等的微型风能采集装置也在不断研究当中。现代电子器件日趋微型化，而电池尺寸大、寿命有限和需要更换等缺点限制了其在这一领域的应用，利用风能采集装置实现微型器件自供电是一种可行的取代电池方案。
　　本文提出了一种利用汽车行车风能为轮胎胎压监测系统供电的风能采集系统。论文首先分析了风能向电能转换的原理，证明方案的可行性；然后分析了采集装置随轮胎运动时所受的风速，证明其具有周期性变化特点，并利用Fluent对轮胎流场进行了仿真。在系统设计时，首先提出了TPMS的系统实现方案并进行了供能分析，然后利用以上周期性特点，设计了微型风能采集装置，使其在风力作用下产生周期性振动采集风能。装置包含两部分，一部分为电路与TPMS部分，另一部分是能量采集结构。采集结构为根部贴有压电薄膜的T字悬臂梁，横向部分伸出腔体用于接收周期性风力作用，腔体两侧面开口并横置细长圆柱体结构，用于诱发涡激振动。本文通过分析对结构尺寸进行了确定，并采用傅里叶变换方法解决了非简谐周期外力下的强迫振动问题，对悬臂梁的振动进行了理论分析和ANSYS workbench有限元仿真，得出结构的振动响应，并进行了模拟实验。同时还对圆柱体结构对腔体内气流的影响进行了仿真分析和实验比较，证明了圆柱体对振动的促进作用。
　　论文以20m/s的汽车前进速度为例，分析得出结构会产生振幅约为5.4mm的振动，可以获取大约0.0231mW的能量。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1引言

1.2 国内外研究状况

1.3 本文的主要研究工作

第二章 风致振动能量采集原理

2.1风致振动

2.2压电式振动能量采集

2.3本章小结

第三章 行车风能采集特点分析

3.1 汽车风能

3.2 风能采集装置的安装位置

3.3 轮胎流场分析

3.4 装置在运动中所受风速分析

3.5 本章小结

第四章 系统总体设计

4.1 TPMS系统实现及供能分析

4.2微型风能采集装置

4.3本章小结

第五章 采集装置风能作用特性分析

5.1 外伸矩形面所受风力分析

5.2 T字梁振动分析

5.3压电电压输出分析

5.4圆柱结构对腔体内气流的影响

5.5本章小结

第六章 实验

6.1结构固有频率

6.2模拟振动实验

6.3侧面圆柱影响吹风实验

6.4本章小结

第七章 总结及展望

7.1论文总结

7.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文