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配备动能转换器的商用车螺钉形无线传感器

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开姆尼茨工业大学和IK Elektronik GmbH的研究合作项目

 

这个研发项目的焦点是集成到螺钉内的无线传感器;该系统测定和处理传感器信号,并将其发送到测量数据处理系统。螺钉中电子系统的运行不需要电池。它将固定元件振动产生的动能转换为电能,并将这种能量用于传感器信号调节和处理。这种传感器与标准螺钉从外部看来并无分别。

稳固设计的应用领域

这种螺钉最重要的应用场景是安装在车内不同位置。系统应用的实例有安全带、拖车连接装置,特别是车辆齿轮箱和引擎区的传感器。螺钉本身不能受灰尘和飞溅水的影响;而应用必须能够部署在坚固的环境中。外壳必须尽最大程度密封好。

此外,鉴于冬天/夏天操作环境温度可能不同,以及针对部署于不同宽度车辆,该系统必须稳定,并且不受温度影响,特别是涉及材料拉伸。由于空间有限,该系统需要尽可能小。

研发挑战

车内振动的振幅和频率会变化不定。因此,能量转换器产生幅值和频率不同的交流电压。特别是,当振幅非常小时,交流电压非常小。标准整流器能够调整非常小的电压,但是,损耗非常大。这里就要求升压转换器必须高度有效,且具有出色的启动性能。能量转换器和能量管理需要针对某些振动频率范围进行优化。此外,开发能量转换器的巨大挑战还在于机械技术要求及在金属环境中的使用。

IK Elektronik在开发电子产品时面临的挑战是以最高的能效从最低交流电压得到有用的直流电压,及将能量以合适的方式储存。储存能量的多少决定了所连接电子产品的工作时间长短。

利用振动产生能量的方法中,使用最多的是基于电动力、压电、静电或电磁的原理。包含了圆柱形磁铁及环绕磁铁的电磁线圈的电动力能量转换器是用于螺钉的良好选择。这是因为当系统适当安装时,该转换器的共振能大幅增加。根据法拉第定律,将环境振动转化为电能是基于磁铁和电磁线圈之间的相对运动。有关这一主题的文献包含各种电动力能量产生类型,可以根据弹簧-质量系统的机械结构细分为使用弯曲梁、磁弹簧或螺旋弹簧。

机械和电气结构

IK Elektronik开发了置于螺钉头部内的组件原型。这种原型包含整流器和电压倍增器、储能电容器和能量管理线路、配备传感器(接触传感器、温度传感器和压力传感器)应用的微控制器、无线收发器及天线。

由于在螺钉内组合了开姆尼茨工业大学的电动能量转换器,能够用于多种应用。可以根据不同目标环境提供的振动能对功能进行优化。

多种研究概念

研究人员考察了能量转换器结构的不同解决方案。对于磁弹簧原理提出了两种概念。开姆尼茨工业大学(MST)教授团队开发的解决方案利用一块磁铁在两块永久固定的磁铁之间移动,依靠环境振动来产生可变磁场。电磁线圈及其连接固定在此结构内,使得能量转换更加可靠。

转换器的能量输出主要取决于磁铁规格和磁场强度和数量、电磁线圈的数量,以及激励频率和幅值,而与使用配置无关,即与移动磁铁或移动电磁线圈无关。对于能量转换器设计来说,采用FEM分析(有限元法),可以调节不同的动力配置和规格。

能量转换器系列实验

开姆尼茨工业大学创建了两个采用移动磁铁的原型;测定了系统的开路电压。在实验结构中,以振动台作为合成外部振动源,并通过激光传感器监测,测定使用中的偏转和频率刺激。振动台与激光传感器、控制器及放大器一起在一个闭路控制电路中操作;振幅可以通过该控制电路控制。实验分别测试了振幅0.5 mm、1 mm和2 mm,频率范围是5 至 30 Hz(图4)。

该结构的共振频率范围是25至30 Hz,具体取决于使用的电磁线圈和激励幅值。利用电磁弹簧原理,可以相对简单地将共振频率设定为其它值。正如测定值所示,开路峰值电压达到500 mV以上。

研究合作

该项研究是开姆尼茨工业大学电气测量和传感器技术(MST)教授团队与IK Elektronik的“配备动能转换器的商用车螺钉形无线传感器系统”合作项目,该项目得到德国联邦经济能源部(BMWi)中小企业中央创新项目(ZIM)的支持。

儒卓力在电子元器件,特别是传感器和无线产品领域(Rutronik SMART)为研究合作双方提供应用咨询,并与开姆尼茨工业大学电气测量和传感器技术(MST)教授团队开展密切合作,以作为学士和硕士论文的研究。