CN104969455B - 电磁式发电机的安装方法以及内置有电磁式发电机的轮胎 - Google Patents

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Abstract

当具有钟摆结构的电磁式发电机(10)安装于轮胎(20)的内表面时，通过如下方式调整电磁式发电机(10)的钟摆(14)的等效摆长(l)：使得由等效摆长(l)确定的钟摆(14)的固有波长(λ)的整数倍与轮胎(20)的周长(L)的整数倍以及通过轮胎(20)的周长(L)减去接地长度(C)所得到的轮胎的未接地部分的长度(S)均不一致，而能够提高被安装的电磁式发电机的发电能力而不用考虑轮胎的类型。

Description

电磁式发电机的安装方法以及内置有电磁式发电机的轮胎
技术领域
本发明涉及安装于轮胎的内表面的电磁式发电机的安装方法以及安装有该电磁式发电机的轮胎。
背景技术
传统地，已知具有钟摆结构的电磁式发电机为安装于轮胎的内表面的轮胎内发电装置(例如，参见专利文献1)。
该电磁式发电机被设计成当轮胎滚动时，永磁体相对于轮胎内部的线圈像钟摆一样地摆动。特别地，在轮胎的接地开始点(踏入点)和接地结束点(蹬出点)、在线圈的两端产生高电压，其中通过在该接地开始点和接地结束点处发生在轮胎内表面的周向上的前后加速度使钟摆急剧加速。
利用前述配置的电磁式发电机，已经采用缩短等效摆长的方式来减小钟摆部分的惯性，以提高发电能力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-239510号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，利用传统的电磁式发电机，当设定等效摆长时没有考虑轮胎尺寸。结果，存在发电能力根据等效摆长与轮胎的运动半径彼此如何组合而下降的情况。
本发明是鉴于这些传统问题作出的，并且本发明的目的在于提供能够在 不用考虑轮胎的类型的情况下提高发电能力的电磁式发电机的安装方法以及安装有该电磁式发电机的轮胎。
用于解决问题的方案
本发明提供一种电磁式发电机的安装方法，其为将具有钟摆结构的电磁式发电机安装于轮胎的内表面的方法，该方法包括：以使得由所述电磁式发电机的等效摆长确定的钟摆的固有波长λ的整数倍与所述轮胎的周长的整数倍以及通过所述轮胎的周长减去接地长度所得到的所述轮胎的未接地部分的长度两者均不一致的方式、调整所述等效摆长，以及将所述等效摆长被调整了的电磁式发电机安装于所述轮胎的内表面。
注意的是，本文中使用的轮胎的未接地部分的长度为当安装于标准轮辋的轮胎处在正规内压和正规载荷下时轮胎的未接地部分的长度。
此外，等效摆长l能够表达为l＝I/(M·d)，其中M为包括钟摆的刚性体的质量，d为转动轴和钟摆的重心之间的距离，I为绕着钟摆的转动轴的惯性力矩。
理解的是，本发明的前述概要不必列举本发明的所有必要特征，并且本发明旨在包括所有这些特征的子组合。
附图说明
图1是示出根据本发明实施方式的钟摆型电磁式发电机的示意图。
图2是示出轮胎滚动时的轮胎形状以及周向加速度的波形的图。
图3是用于说明钟摆的加速状态的图。
图4是示出周向加速度的波形和发电电压之间的关系的图(对于轮胎转动一圈而言)。
图5是示出钟摆的最低点、踏入位置和发电电压之间的关系的图。
图6是示出2倍周长/波长的比和电压平均值之间的关系的图。
图7是示出当未接地长度与钟摆波长(pendulum wavelength)的整数倍彼此一致时的钟摆位置和发电电压之间的关系的图。
图8是示出当未接地长度与钟摆波长的整数倍彼此不一致时的钟摆位置和发电电压之间的关系的图。
图9是示出未接地长度/波长的比与电压平均值之间的关系的图。
图10是示出钟摆型电磁式发电机的另一示例的图。
具体实施方式
图1的(a)和图1的(b)是示出根据本发明实施方式的钟摆型电磁式发电机(以下称作发电机)10的示意图。图1的(a)是沿着垂直于轮胎轴向的平面截取的截面图，图1的(b)是沿着垂直于轮胎径向截取的截面图。
发电机10包括：平板状基台11，其安装在轮胎20内部；转动支撑构件12，其在基台11的中央部向上立起；转动轴13，其中央部经由轴承12j可转动地安装在转动支撑构件12的基台11所在侧的相反侧；一对钟摆14，各钟摆14均具有支撑杆14a和圆板状永磁体14b，该支撑杆14的一端固定于转动轴13的端部，该圆板状永磁体14b安装于该支撑杆14a的另一端；圆板状线圈15，其装配在转动支撑构件12的基台11侧；整流电路16，其与线圈15的两端连接；以及蓄电器17，其用于存储由线圈15产生的电荷。
发电机10以使转动轴13的延长方向与轮胎转动轴线的方向平行的方式安装在胎面21的背面侧的内衬层部22的轮胎气室23侧的大致中央部。此外，发电机10跟随轮胎20的转动而转动。
圆盘状永磁体14b相当于钟摆的锤坠(bob)。
以使相反面的磁极彼此不同的方式使一对永磁体14b、14b磁化。另一方面，线圈15是通过绕着与转动轴13的延长方向平行的轴缠绕被覆导线而形成的。此外，线圈15固定在能够使其中心在作为钟摆14的锤坠的永磁体14b位 于最低位置(轮胎径向外侧)时与永磁体14b的中心大致一致的位置。
整流电路16和蓄电器17位于基台11上的没有(clear of)诸如转动支撑构件12和钟摆14等的部件的空间中。
随着轮胎20在接地的状态下滚动，发电机10的钟摆14在如图2的(a)所示的称作踏入点的接地开始点F和称作蹬出点的接地结束点K处产生如图2的(b)所示的周向加速度。因此，使钟摆14以绕着转动轴13的钟摆运动加速。结果，改变了穿透线圈15的磁通密度，从而在线圈15的两端产生了电压(感应电动势)。该感应电动势通过构成整流电路16的整流机和平滑电容器被整流并且在蓄电器17中蓄电。
图3是示出周向加速度和线圈15两端的电压(发电电压)随时间改变的图。钟摆14在踏入时和蹬出时的周向加速度的影响下加快它们的运动速度，由此提升了发电电压。即，在图3的左手侧，因为钟摆14未充分加速，所以钟摆14的振幅小并且发电电压低。然而，钟摆14随着轮胎每转动一周而在周向加速度的影响下获得加速。因而，钟摆14的振幅逐渐变大，并且在图3的右手侧，钟摆14进行了从钟摆运动至高速转动运动的转变，其结果是提升了发电电压。
钟摆14的钟摆运动的周期T能够表达为T＝2π(l/G)1/2，其中l为钟摆14的等效摆长，G为重力加速度。
其中，与作为锤坠的永磁体14b的质量mb相比，支撑杆14a的质量ma可以忽略不计，钟摆14的等效摆长l与永磁体14b的中心和转动轴13之间的距离大致相等。然而，通常地，l＝I/(M·d)，其中I为绕着钟摆14的转动轴13的惯性力矩，M(M＝ma+mb)为钟摆14的质量，d为钟摆14的重心Q和转动轴13的中心P之间的距离。
此外，作为在钟摆14的单个摆动周期期间轮胎滚动的距离的钟摆波长λ为λ＝VT(V为轮胎的转动速度)。
此外，由于发电机10安装于具有运动半径(moving radius)R的轮胎的内表面，所以重力加速度G随着轮胎的转动速度V而变化，并且可以表达为G＝(V/R2)1/2。注意的是，如图1的(a)所示，在本文中，作为轮胎滚动时的半径的轮胎运动半径R近似为轮胎转动轴线的中心O和带束层24之间的距离。
因而，当将具有等效摆长为l的钟摆14的发电机10安装在运动半径为R的轮胎20内部并且使车辆以轮胎转动速度V行驶时，钟摆波长为λ＝2π(R·l)1/2。
即，如图4所示，钟摆14在固有波长λ的钟摆运动下摆动，其中在不考虑轮胎转动速度V的情况下，固有波长λ由运动半径R和等效摆长l确定。
另一方面，轮胎转动一圈的周长L为L＝2πR，其中R为安装有发电机10的轮胎20的运动半径。
此时，如果发电机10的固有波长λ的整数倍与周长L的整数倍相等、即n·λ＝m·L(n和m为正整数)，则发电机10的钟摆运动的相位相对于轮胎20的m圈转动的距离是固定的。由于发电机10的钟摆运动的表现类似于驻波(standing wave)，所以接收发生在踏入时和蹬出时的周向加速度的位置和次数也是固定的。
在本配置中，存在如下最佳位置：在该最佳位置处，由钟摆14的加速产生高电压。如图5的(a)和图5的(b)中的粗虚线所示，该最佳位置比踏入位置落入钟摆14的最低位置所在的位置略靠前(这里，大约靠前0.03mm)。
当钟摆14的最低位置经过最佳位置时，钟摆14经受最大周向加速度。因此，钟摆14的最低位置经过最佳位置的次数越多，钟摆14将被间歇加速转动得越快，并且线圈15的两端产生的电压也将越高。
图5的(a)是示出当发电机10的固有波长λ的整数倍与周长L的整数倍一致时，钟摆的最低点、踏入位置和发电电压之间的关系的图。如果钟摆运动的相位是固定的，则钟摆的在即将踏入时的最低点与最佳位置不一致。结果， 钟摆14不能被加速，并且发电电压变低。即，不能通过周向加速度使钟摆14被有效地加速，导致了较低的发电电压。
相比于此，如果发电机10的固有波长λ的整数倍与周长L的整数倍不一致，即如果轮胎20的运动半径R和等效摆长l的关系为(R·l)1/2＝p·R(p为正的非整数)，则钟摆运动的相位是不固定的。结果，如图5的(b)所示，随着轮胎20的每圈转动、钟摆运动的相位相对于轮胎20一点点地移位。因而，钟摆14能够多次经过它们能够被显著地加速的最佳位置。因此，钟摆14通过被间歇地加速而以高速转动，因而能够在线圈15的两端产生高电压。
图6是示出2倍轮胎周长L、固有波长λ和发电电压之间的关系的图。横轴表示2倍轮胎周向与波长之比(2L/λ)，纵轴表示发电电压的平均值。如图6清楚地所示，发电电压的平均值随着发电机10的11倍固有波长λ靠近2倍轮胎周长L而降低，并且随着发电机10的11倍固有波长λ远离2倍轮胎周长L而上升。
因而，轮胎20与发电机10的组合应当以使轮胎周长L的整数倍与由等效摆长l确定的钟摆的固有波长λ的整数倍不一致的方式设计。那么不仅能够防止由于钟摆运动变成驻波而使发电电压下降，此外还能够由于钟摆14能够多次经过钟摆14被显著地加速的最佳位置而有效地加速钟摆14。因此，能够通过钟摆14的高速转动运动来使发电电压上升，这确保了为安装在轮胎内的传感器、装置甚至无线装置稳定地供电。
作为确保由等效摆长l确定的钟摆的固有波长λ的整数倍与轮胎周长L的整数倍之间不一致的调整，等效摆长l改变约10％就足够了。此外，已知的是：等效摆长l越长，发电电压越稳定。
例如，利用均包括安装于支撑杆14a的顶端的永磁体14b的钟摆14，使支撑杆14a的长度可调则更为简单。然而，在这种情况下，可以降低线圈15的位置。因此，优选地，通过将配重件(weight)可移除地安装在永磁体14b 的支撑杆14a所在侧的相反侧来使等效摆长l变长。
以这种方式，如果等效摆长l是可调的，则能够提高发电机10的发电能力而不用考虑安装有该发电机10的轮胎20的类型。
此外，当钟摆14为刚性体钟摆(rigid-body pendulum)时，使用在转动轴所在侧的相反侧将配重件可移除地安装到刚性体的结构能够在不移动线圈15的位置的情况下、调整等效摆长l。
或者，可以准备多个如下钟摆体：各钟摆体均在转动轴13所在侧的相反侧安装有永磁体，并且具有彼此不同的绕着转动轴的惯性力矩I。此外能够针对每个不同的待安装发电机10的轮胎20而改变钟摆体。
钟摆运动的相位在发电机10的固有波长λ的整数倍与未接地长度S一致时也是固定的。
如图7的(a)所示，作为轮胎20的未接地的部分的长度的未接地长度S为S＝L-C，其中L为轮胎20的周长，C为接地长度或从踏入点至蹬出点的距离。这里，如果发电机10的固有波长λ的整数倍与未接地长度S彼此一致、即k·λ＝S(k为正整数)，则发电机10的钟摆运动的相位相对于轮胎20的周长是固定的，并且发电机10的钟摆运动的表现类似于驻波。因此，与当发电机10的固有波长λ的整数倍与周长L的整数倍彼此一致时的方式相同，由于不能通过发生在踏入点和蹬出点处的周向加速度使钟摆14被有效地加速，因此发电电压降低。
图7的(b)是示出当发电机10的固有波长λ的整数倍与未接地长度S彼此一致时的钟摆14的最低点、踏入位置和发电电压之间的关系的图。如果钟摆运动的相位是固定的，则钟摆的最低点在即将踏入时的状态(该最低点为图中的最差位置的状态)始终连续。因此，钟摆14不能被加速，因而导致了发电电压低。即，该条件不允许通过周向加速度使钟摆14的有效加速，因此发电电压变低。
另一方面，如图8的(a)所示，当发电机10的固有波长λ的整数倍与未接地长度S彼此不一致时，即当等效摆长l、运动半径R和未接地长度S的关系为2πq·(R·l)1/2＝S(q：正的非整数)时，钟摆运动的相位不是固定的。因此，如图8的(b)所示，随着轮胎20的每圈转动，钟摆运动的相位相对于轮胎20一点点地移位。因此，钟摆14能够多次经过钟摆14能够被显著地加速的最佳位置。此外，钟摆14通过被间歇地加速而以高速转动，因而产生了高电压。
图9是示出未接地长度S、固有波长λ和发电电压之间的关系的图。横轴表示未接地长度与波长之比(S/λ)，纵轴表示发电电压的平均值。如图9清楚地所示，发电电压的平均值随着发电机10的5倍固有波长λ靠近未接地长度S而降低，并且随着发电机10的5倍固有波长λ远离未接地长度S而上升。
因而，轮胎20与发电机10的组合应当以使发电机10的固有波长λ的整数倍与未接地长度S不一致的方式设计。那么能够防止钟摆运动相对于轮胎的单圈转动而转变成驻波。这允许发电机的有效加速，由此进一步提高了发电机的发电能力。
在前述中，已经参照本发明的具体实施方式说明了本发明。然而，本发明的技术范围不限于此。对本领域技术人员显而易见的是，在不超出本发明的广义的主旨和范围的情况下，可以对本发明进行各种变型和改变。从所附权利要求的范围还显而易见的是，本发明的技术范围旨在包括所有这些变型。
在如上所述的优选实施方式中，发电机10为具有钟摆14的电磁式发电机，其中各钟摆14均包括支撑杆14a和圆盘状永磁体14b，但是发电机10不限于该形式。例如，如图10所示，发电机30可以为如下形式：均配备有扇形板状(fan-shaped)的永磁体34M和磁轭34Y的钟摆34安装于转动轴33。此外，线圈可以为两个环状线圈35、35的形式。无需赘述，钟摆34的惯性力矩I’和 质量M’为永磁体34M和磁轭34Y的组合的惯性力矩和质量。
【实施例】
将具有不同等效摆长l的发电机安装于运动半径R为0.337m且周长L为2.13m的轮胎。此外，装配有这些轮胎的车辆在各种速度下行驶。表1示出了这些发电机的发电性能的比较结果。
在比较例1中，设定等效摆长l，使得2倍周长/波长的比(2L/λ)为整数，未接地长度/波长的比(S/λ)为非整数。
在比较例2中，将等效摆长l设定成比实施例1的短，但与实施例1的方式相同的是，2倍周长/波长的比(2L/λ)为整数，未接地长度/波长的比(S/λ)为非整数。
在比较例3中，设定等效摆长l，使得2倍周长/波长的比(2L/λ)为非整数，未接地长度/波长的比(S/λ)为整数。
在比较例4中，设定等效摆长l，使得当对车辆施加标准载荷时2倍周长/波长的比(2L/λ)和未接地长度/波长的比(S/λ)均为非整数，并且使得当载荷减小时，未接地长度/波长的比(S/λ)变成整数。
在实施例1中，设定等效摆长l，使得无论载荷是标准的或减小的，2倍周长/波长的比(2L/λ)和未接地长度/波长的比(S/λ)均为非整数。
在实施例2中，将等效摆长l设定成比实施例1的长，但2倍周长/波长的比(2L/λ)和未接地长度/波长的比(S/λ)均为非整数。
【表1】
从结果中发现，如在比较例1和比较例2中，在2倍周长/波长的比(2L/λ)为整数的情况下，由于钟摆的相位相对于轮胎是固定的，因此即使当未接地长度/波长的比(S/λ)为非整数时，发电性能也是低的。
还发现，如在比较例3中，即使当2倍周长/波长的比(2L/λ)为非整数时，如果未接地长度/波长的比(S/λ)为整数时钟摆的相位相对于轮胎也是固定的，因此发电性能也是低的。
此外，发现的是，如在比较例4中，即使当2倍周长/波长的比(2L/λ)和未接地长度/波长的比(S/λ)均为非整数时，如果为了减小载荷而使未接地长度/波长的比(S/λ)变成整数，则发电性能也是低的。
因而，确认为了得到高电压，必须如在实施例1中那样设定等效摆长l，使得无论载荷是标准的或减小的，2倍周长/波长的比(2L/λ)和未接地长度/波长的比(S/λ)均为非整数。
此外，如在实施例2中那样，如果将等效摆长l设定得略长，则能够减小发电性能相对于行驶条件的变化。
产业上的可利用性
如上所述，本发明能够提高电磁式发电机的发电能力而不用考虑安装该发电机的轮胎的类型。这能够通过减少待安装至轮胎的发电机的数量来实现成本降低。此外，将会提高诸如使用电力的无线装置等的装置的输出。
附图标记说明
10 钟摆型电磁式发电机
11 基台
12 转动支撑构件
12j 轴承
13 转动轴
14 钟摆
14a 支撑杆
14b 永磁体
15 线圈
16 整流电路
17 蓄电器
20 轮胎
21 胎面
22 内衬层部
23 轮胎气室
24 带束层

Claims (3)

1.一种电磁式发电机的安装方法，其为将具有钟摆结构的电磁式发电机安装于轮胎的内表面的方法，该方法包括：
以使得由所述电磁式发电机的等效摆长确定的钟摆的固有波长λ的整数倍与所述轮胎的周长的整数倍以及通过所述轮胎的周长减去接地长度所得到的所述轮胎的未接地部分的长度两者均不一致的方式、调整所述等效摆长，以及
将所述等效摆长被调整了的电磁式发电机安装于所述轮胎的内表面。
2.一种内置有电磁式发电机的轮胎，其为将具有钟摆结构的电磁式发电机安装于轮胎内表面侧的轮胎，其中
所述电磁式发电机具有如下的钟摆结构，所述钟摆结构包括：基台；转动体，所述转动体的至少一部分由磁体构成，所述转动体以使其转动中心与重心不同的方式安装于所述基台而转动；以及线圈，所述线圈以与所述磁体的磁场交叉的方式固定于所述基台，其中
所述转动体的等效摆长l和所述轮胎的运动半径R的关系为(R·l)1/2＝p·R，其中p为正的非整数。
3.根据权利要求2所述的内置有电磁式发电机的轮胎，其特征在于，当所述轮胎的未接地部分的长度为S时，所述等效摆长l、所述运动半径R和所述未接地部分的长度S的关系为2πq·(R·l)1/2＝S，其中q为正的非整数。
CN201480007485.5A 2013-02-05 2014-01-29 电磁式发电机的安装方法以及内置有电磁式发电机的轮胎 Active CN104969455B (zh)

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