CN102026833A - 用于在旋转系统中产生能量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在旋转系统中产生能量的装置，用于给系统中的电元件(2，3)提供电流，该装置具有作用于系统上的外力，它们作用于系统中压电激活的能源转换器上，由此产生电能，并且具有用于处理产生的电能的电路(4)并且传导电能到元件(2，3)上。为了使系统尽可能少地在其旋转特性中受到影响，提供更多的能量供使用同时也在极限的加速度特性下可靠地且在长的使用寿命上发挥功能，按照本发明建议，所述压电激活的能量转换器是压电陶瓷纤维(5)，它们分别具有电极(6)并且产生相同极化电荷的纤维电极(6)通过导电的外电极(7)连接。

Description

用于在旋转系统中产生能量的装置

技术领域

本发明涉及一种用于在旋转系统中产生电能的装置，用于给系统中的电元件提供电流，具有作用于系统上的外力，所述外力作用于系统中压电激活的能量变换器上，由此产生电能，并且具有电路，用于处理产生的电能并传导电能到元件上。

背景技术

由DE 603 10 104 T2已知这种装置。在这里在轮胎或充气轮胎内部设置压电元件和用于与压电元件接触的操纵质量和控制电路，它与压电元件处于电连接。该操纵质量用于使压电元件偏转作为外力的结果，它们在使用中作用于操纵质量，用于产生电荷。这个电荷或电能由控制电路供元件使用。

缺陷是，压电元件和操纵质量是沉重的并且在其旋转特性上影响旋转系统或轮胎。此外这个装置通常不能提供足够的能量供使用，用于持久且可靠地例如为传感器和传递元件供电，同时在几万克的极限加速度特性以下也是可靠的并且在长的使用寿命上发挥功能。

除了电容和电感的用于传递能量的系统和用于储藏能量的电池或蓄电池以外，也已知以压电为基础的系统，它们根据结构、例如由质量振动器的结构相对于在轮胎中作为旋转系统产生的力和变形在运行期间是相对敏感的，它们可能导致迅速损坏元件。

也已知解决方案，它们组合在轮胎面的内层里面并因此由于其质量对回转平稳产生强烈的不利影响或者说产生相对强烈的不平衡。

发明内容

本发明的目的是，这样改善如权利要求1前序部分所述的装置，使系统尽可能少地在其旋转特性上受到影响。此外所述装置能够提供尽可能多的能量供使用，用于持久且可靠地例如为传感器和传递元件供电，同时也在几万克的极限加速度特性下可靠地且在长的使用寿命上发挥功能。

按照本发明这个目的由此得以实现，所述压电激活的能量转换器是压电陶瓷纤维，它们分别具有电极并且产生相同极化电荷的纤维电极通过导电的外电极连接。作用于系统上的外力起到运行中加速度变化的作用，由此使纤维短时间变形并且产生电荷。这些电荷被截取并且作为电能供元件使用。压电陶瓷纤维是轻的，因此系统在其旋转特性上犹如不受影响。此外能够提供足够多的能量供使用，用于持久且可靠地例如为传感器或传递元件供电，同时也在几万克的极限加速度特性下可靠地且在长的使用寿命上发挥功能。

在优选的实施例中，所述旋转系统尤其是用于汽车的轮胎。

优选使所述纤维相互间机械地去耦联，由此使每个纤维有助于其产生电荷。

在优选的扩展结构中，所述压电陶瓷纤维安置在旋转系统的内侧并且对于轮胎安置在胎面的内侧或者组合到内侧里面。由此使它们直接通过外部作用的力变形。如果它们组合到胎面里面，这可以在加工轮胎时实现并且对于客户是不可见的。此外纤维是受保护的。

所述纤维优选设置在旋转系统或轮胎的胎面的横向上且优选相互平行地设置。其优点是，纤维相对于系统或轮胎的变形是更稳定的并且更容易持久地保持这种负荷。

所述纤维具有0.01mm至5mm、优选005至2mm、特别优选0.1mm至0.5mm的直径。对于这些直径一方面纤维是稳定的，另一方面产生足够的电荷。

在按照本发明的扩展结构中所述纤维通过挤出制成。它们由此特别成本有利且以任意的长度制成。

但是，所述纤维也可以通过锯割板状的压电陶瓷片制成。在此纤维通常具有矩形的或正方形的横截面。优选的尺寸比例在这里是相应适用的。

在优选的实施例中，所述纤维为了导出产生的电荷通过高柔性的、三维结构的、金属外电极复合成纤维组，它不会由于作用于系统或轮胎上的力和变形而损坏。

在本发明的扩展结构中，所述外电极由细的丝网组成。丝网是高柔性的、三维结构且金属化的。

在本发明的另一扩展结构中，这样选择纤维或纤维组的间距，使各个纤维或纤维组的产生的电荷绝不同时具有相反的极。由此增强电荷并且不相互抵消。

所述纤维或纤维组(它们产生相同极的电荷)优选可以电地汇合并且与分开的整流电路连接，由此停止电荷的中和。

优选也可以由此制成压电纤维，所述纤维在未使用的中性状态、即作为毛坯是压电陶瓷板或小片，它们在加工过程期间这样机械地加工，使它们在加工时或者在运行期间自动地破碎成确定的纤维。例如板或小片可以配有压痕，沿着它们可以破碎板或小片。

优选所述装置用于测量轮胎压力和/或用于确定汽车的道路和/或行驶动态的特性。

通过本装置测得的信号(电荷)可以与理论值进行比较并且在超过或低于理论值时显示一个信号。例如轮胎中太低的空气压力引起一个信号，它偏离理论值。

下面进一步解释本发明。

本发明在一个优选的实施例中的特征是，在轮胎胎面的内表面上组合压电有效的元件、尤其是压电陶瓷纤维，它们由于运行中的加速度变化产生电荷，此外由于其垂直于运动方向的布置承受相对较大的轮胎机械变形。

关于纤维或压电陶瓷纤维指的是与长度相比细且柔性的形成物。纤维也指复合纤维，它形成确定的纤维结构。纤维的横截面可以任意地构成并且例如是圆形或角形或其组合。纤维结构与“完全”由致密材料制成的相同形状的结构相比更牢固且经常更刚性。

按照本发明的装置在汽车轮胎中的变化在于，在轮胎内表面圆周上设置压电纤维结构，它们随轮胎旋转。这些纤维结构通过电触点与电单元连接，它可以截取、储藏、管理产生的能量并供使用。

原则上，自由悬挂的、旋转的轮胎承受离心力，其中与其对应的加速度仅仅取决于轮胎的半径和角速度。没有外力的作用通过按照本发明的装置不能产生电能。

在行驶运行中由于外力(它们导致轮胎在支承面上的变形)作用产生非常高的加速度力，它们在压电元件里面由于例如纤维结构的压电特性产生电的电荷量Q，由此例如可以充电具有容量C的电容。这个能量E

E＝1/2*Q²/C

可以作为电能调出。

如果轮胎的胎面与道路接触，则总是产生按照本发明的有效加速度力。在此轮胎变形并由此干扰其均匀的圆运动。这导致，产生加速度变化，它们伴随对压电陶瓷元件上的力冲击并且起到按照本发明产生电荷的作用。

对于高的加速度值重要的是，且由此对于显著的产生电荷重要的是，主要是时间间隔Δt的长度，在该时间间隔中轮胎的胎面变形并由此改变纤维的运动方向。

具体实施方式

图1示出汽车轮胎胎面上的一个点在y向上通过碰到道路部位在原则上随时间的变化曲线。因此图1近似地示出一个点在胎面上的运动变化曲线。在范围I轮胎均匀地旋转，在范围II轮胎开始变形并且冲击道路并且在范围III轮胎接触道路。

通过适合的近似计算能够推测，加速度值(压电元件在范围II承受该加速度值)与1/(Δt)²成比例(Δt给出时间间隔，在该时间间隔中轮胎胎面变形并由此改变纤维的运动方向)。根据轮胎的特性和弹性和取决于汽车速度的角速度这个时间间隔Δt可以变得极其短，由此产生万克数量级的加速度。

在这里未考虑由于道路平面度或其它行驶动态系数、由于其附加力产生的且有助于电荷能的附加影响。

以这种高加速度要产生的电荷的第一推测能够如下出现：

如果压电元件或纤维以d₃₃模式运行，则适用于下面的产生的电荷与起作用的力之间的关系：

Q＝d₃₃×F

其中d₃₃是压电的电荷常数并且例如位于400pC/N数量级。

如果例如0.005kg的质量位于压电陶瓷材料上，该质量可能通过附加的橡胶层或类似物质实现，则第一推测给出轮胎每转所期待的电荷量

$Q=d_{33}\·m\·a\⇒$

$Q=400\frac{\mathrm{pC}}{N}\·5\·{10}^{-3}\mathrm{kg}\·10000\·\mathrm{9,81}\frac{m}{{\sec }^2}\⇒$

$Q\≈\mathrm{0,2}\mathrm{\μC}$

因此能够产生足够大量的电荷，它们当然可以根据按照本发明装置的结构在大的范围中变化。

如果压电陶瓷元件由纤维构成，例如由直径在100μm数量级的圆柱体构成，能够实现极大的优点。

这种纤维能够相对成本有利且大批量地例如借助于挤出工艺制成或成形。通过在陶瓷工业中公知的方法和工艺可以使这些纤维在电接通和极化后以d₃₃模式运行，这保证高的能量生产率。

当然也可以设想其它的尺寸和几何形状并且可以根据使用情况有利地使用例如正方形纤维或类似纤维。

这些纤维能够直接在加工轮胎时加入到轮胎的内部结构里面或者它们能够与轮胎无关地与弹性膜组合。因此存在弹性的复合元件，它以所谓的碎片形式加入到轮胎的结构里面。

由名称Macro Fiber Composites(MFC)也已知这种碎片。

由此实现的纤维结构的主要优点是，在胎面碰到道路时它们可以非常好地承受相对较大的变形，同时更不易于机械失效。

如果纤维垂直于胎面且相互平行地设置，尤其实现这一点。它们由于去机械耦联例如作为复合元件在数量级5至10％的典型轮胎变形时与这种变形相比是非常稳定的并且承受这种负荷。

压电陶瓷小片相对于变形的负荷极限一般位于千分比范围，按照现有技术构成的压电发电机(压电陶瓷的小片加触点)在这些条件下也可能在胎面碰到道路上时损坏。

通过有针对性地调整碎片与压电陶瓷纤维的充满度能够在这方面调整最佳的条件。可以设想改变平行设置的纤维的间距，从紧密相邻直到纤维直径或宽度的数倍(根据几何形状)。

也有利的是，在轮胎内表面的圆周上均匀地分布许多纤维部位或碎片，由此能够使不平衡最小化并且数倍地提高能量提供。

在另一有利的变化中纤维范围比轮胎支承面更窄。由此使产生的电荷不通过尽管对称但是在轮胎面碰到道路和轮胎面离开道路时的相反过程补偿。

也可以有利的是，纤维部位完全或者说或多或少连续地在内表面上延伸。

在此实现能量生产率的最大化，但是必需通过适合的电子控制对此负责，如上所述不抵消用于产生电荷的压电效应。

这一点例如可以通过形成组实现，由此第一组碎片由第一电子单元控制，它在胎面碰到道路时产生能量，第二组碎片由第二电子单元控制，它在胎面离开道路时产生能量。

也可以这样调节各个碎片的距离，使得在上述意义上满足碎片组。

代替纤维结构连续的压电陶瓷板或相应几何形状的小片也是适合的。尽管它们可能在运行中如上所述损坏，但是按照本发明的功能可以通过适合的触点保持。

适合的触点可以通过一种在这些板上的柔性的、导电的网形成，它在轮胎运行中承受大的变形。

正如在另一实施例中可以设想的那样，压电陶瓷板在加工过程期间这样配有压痕，使板在加工时或运行期间自动地破碎成确定的纤维。

在有利的实施例中所述装置用于测量轮胎压力和/或用于确定道路和/或行驶动态特性。

如果汽车上的轮胎具有太低的压力，则轮胎在道路上的支承面大于在轮胎以正确调节的压力时的支承面。由此产生装置的另一测量信号。如果截取这个测量信号并且与正确压力的轮胎测量信号比较，则或者可以实现轮胎中的压力和/或实现用于太低压力轮胎的信号。然后必需以适合的方式显示这个信号。通过轮胎在道路平面上的变形也可以推断道路和行驶动态特性。

在图2中示出按照本发明的装置的优选实施例。图3示出按照本发明的纤维5或分别具有电极6和从属的外电极7的纤维结构。

旋转系统1是汽车的轮胎，最好是轿车或摩托车，具有由橡胶复合材料按照现有技术制成的胎面8、侧面11。通过箭头表示道路10上的旋转方向9。在胎面8里面加入压电陶瓷的纤维结构或纤维5(见图3)，在其上在运行中作用不同强度的加速度力。由此产生电荷，它们可以通过与纤维电连接的电子和控制单元4储藏和控制。电子和控制单元4位于胎面8的内侧，即也设置纤维结构或纤维5的地方。由此例如可以为用于测量轮胎压力的感应元件2或其它传感器或通讯元件3或其它电子元件供电。在此纤维5复合成纤维5组，如同在图3中所示的那样复合成四组并且通过作用于轮胎上的力和变形不会损坏。压电纤维5不必一定分成四组或分部位，可以是任意多或只一个部位。重要的是，与数量或这个部位的尺寸无关地将它们在电上分成单个的分部位。其原因是，否则可能抵消产生电荷的效应，由于在胎面碰到道路时和在胎面离开道路时取决于方向的过程。

图3示出三个纤维5的局部，它们分别具有电极6。通过外电极7使电极6相互电连接。外电极7由细的丝网组成，它是高柔性的、三维的形成结构并且由金属制成并且设置在纤维上面和/或下面。纤维5可以粘接、烧接或钎焊在电极6上。可以这样电布线，使各个纤维5、纤维部位或纤维结构通过外电极7相互间电地连接并且与由电路6、用于测量空气压力的感应元件2以及通讯元件3组成的单元连接，例如通过层合到轮胎中的电缆或其它导体带。

Claims (15)

1.一个用于在旋转系统(1)中产生电能用于给系统的电元件(2，3)提供电流的装置，具有作用于系统上的外力，所述外力作用于系统中的压电激活的能源转换器上，由此产生电能，并且具有用于处理产生的电能的电路(4)并且传导电能到元件(2，3)上，其特征在于，所述压电激活的能量转换器是压电陶瓷纤维(5)，它们分别具有电极(6)并且产生相同极化电荷的纤维电极(6)通过导电的外电极(7)连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转系统(1)是轮胎尤其是用于汽车的轮胎。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述纤维(5)相互间机械地去耦联。

4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述纤维(5)安置在旋转系统(1)的内侧并且对于轮胎安置在胎面(8)的内侧或者组合到内侧里面。

5.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述纤维(5)设置在旋转系统(1)或轮胎的胎面(8)的横向上且优选相互平行地设置。

6.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述纤维(5)具有0.01mm至5mm、优选0.05至2mm、特别优选0.1mm至0.5mm的直径。

7.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述纤维(5)通过挤出制成。

8.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述纤维(5)通过锯割板状的运动陶瓷片制成。

9.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述纤维(5)为了导出产生的电荷通过高柔性的、三维结构的、金属外电极(7)复合成纤维(5)组，它不会由于作用于系统(1)或轮胎上的力和变形而损坏。

10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述外电极(7)由细的丝网组成。

11.如权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于，这样选择纤维(5)或纤维(5)组的间距，使各个纤维(5)或纤维(5)组的产生的电荷绝不同时具有相反的极。

12.如权利要求1至11中任一项所述的装置，其特征在于，产生相同极的电荷的所述纤维(5)或纤维(5)组电地汇合并且与分开的整流电路连接，由此停止电荷的中和。

13.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述纤维(5)在未使用的中性状态、即作为毛坯是压电陶瓷板或小片，它们在加工过程期间这样机械地加工，使它们在加工时或者在运行期间自动地破碎成确定的纤维(5)。

14.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置用于测量轮胎压力和/或用于确定汽车的道路和/或行驶动态的特性。

15.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，将通过本装置测得的信号与理论值进行比较并且在超过或低于理论值时显示一个信号。

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