CN108045181A - 轮胎内自由运动的无电池汽车胎压监测发射器 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车配件领域，公开了一种轮胎内自由运动的无电池汽车胎压监测发射器，包括：外壳、动能采集装置、发电装置和电路板；所述外壳由两个空心半球组成，外壁上设有透气孔；动能采集装置用于收集来源于轮胎内壁的滚动动能、颠振动能、晃动动能或触地冲击动能，发电装置通过电磁感应发电方式把动能转换为交流电能；电路板除包括胎压监测芯片和天线外，还包括储能元件、整流充电装置、线性稳压器、电能检测器。经过动能采集‑>动能释放‑>发电‑>充供电等四个环节，解决了为胎压监测芯片供电的多方面技术问题，并且根据动能采集方式不同提供了多个优选的具体实施方案，本发明结构简单、可靠性高、使用简单、成本低，有较强的市场竞争力。

Description

轮胎内自由运动的无电池汽车胎压监测发射器

技术领域

本发明属于汽车配件领域，涉及一种轮胎内自由运动的无电池汽车胎压监测发射器。

背景技术

现有汽车胎压监测发射器通常具有内置式和外置式两种类型，一般安装在轮胎气门嘴上，通过窄带无线传输把胎压数据传输到配套的显示控制装置或者汽车中控台，这些产品通常采用纽扣电池（比如CR2450）供电，由于纽扣电池容量存在限制，用户需要定期更换价格不菲的耐高温电池。从目前的情况看，中档价格的内置式产品的更换电池的周期约为2~3年，更换时需要扒胎和做动平衡，甚为不便。有的产品把高容量的电池集成在传感器上，能用更长的时间比如7年以上，但是当电池用完后必须连同传感器一起更换，令用户破费不少；假定中档价格的内置式产品的更换周期为3年，那么按15年的汽车使用期来算，需要更换4次，每次更换4颗电池，每颗电池15元，用户累计需要花费240元更换16颗电池，增加不少维护费用的同时还搭进去不少维修工时。这些换下来的电池有可能被用户被随意丢弃，虽然现代的电池都是无汞电池，但并不能保证完全不含对环境影响的其他重金属，因此还是会对环境有一定的影响。对于外置式产品而言，更换电池的周期更短，为了减少电池的高度以尽可能减少外置式胎压检测器体积和离心力，降低对动平衡的影响，中国专利CN102122718A提供了外置式胎压监测系统专用环形锂锰电池及其制备方法。

如果能发明一种不用电池的汽车胎压监测发射器，仅仅从汽车前进的动能中获取电能，那么将避免更换电池的麻烦，节省用户金钱，并且对环境生态有很大的好处。事实上，这种技术有不少：中国专利CN1702952A提供使用压电振子转换电能来实现自供电的技术，压电振子采用了多个串联和并联的压电陶瓷片制成，压电振子实际上固定在轮毂上；中国专利CN1978227A提供了一种无电池胎压监测系统，包括一个在轮胎内设置一个风扇的发电装置，利用胎内空间之空气推动产生电力；中国专利CN201677706U提供一种自发电的方式，使用了一个小型发电机固定在车轮上，通过风力推动叶轮来发电，并在车轮上装有用于保护风力叶轮的挡板；中国专利CN103171377A提供了使用压电装置供电的胎压监测无源传感器，压电装置安装在轮毂上并可随车轮滚动产生电压；中国专利CN205168193U提供一种设有旋转发电装置的车轮，采用一种通过壳体的固定机构固定在车轮上的旋转发电装置，使用偏心机构带动发电机发电；中国专利CN205097841提供一种基于WIFI充电的胎压监测发射器装置，采用基于WIFI充电的原理为线路板供电；中国专利CN205239028U提供一种电磁感应式胎压传感器，在气门嘴上安装有感应线圈，在刹车片上的磁铁，当轮胎转动时，感应线圈通过切割磁铁所产生的磁力线来产生脉动感生电动势。

上述专利的共同点是都通过把发电设备的某个部分以某种形式固定在车轮上或车辆的某个部位，多数对安装有一定的要求，并需要在安装后调整轮胎的动平衡；另外这些专利大体存在一些发电效率较低的问题，比如使用压电陶瓷发电的技术存在压电陶瓷容易损坏、发电电压低，电流小的问题；使用固定在轮胎内部的风扇转动带动电机发电存在技术缺陷，因为轮胎高速转动时，内部空气与轮胎几乎同步运动，相对风速很小，在高速公路上匀速行驶时有可能发不出足够的电能；使用接收WIFI信号或者其他无线射频信号来充电虽然原理可行，但WIFI信号和无线射频的能量太小，这种技术还有很长的路要走才能实用化，如果没有WIFI信号可能会丧失功能；那种在刹车片放置磁铁，然后在气门芯处设有线圈通过高速随轮胎旋转的线圈切割磁力线来发电的方案，虽然采用发电效率较高的电磁发电方式，但是由于磁铁和线圈的距离过大，加上磁铁在线圈外部旋转形成的电流抵消效应，发电效率实际并不高，另外制动器的高热（制动摩擦产生的高温或者夏季太阳直射制动器铁质材料产生高温）还能使磁铁退磁。

本发明的发明人认为，发明一种能自由地放置在轮胎内的汽车胎压监测发射器是一种更好的方案，这使得胎压监测发射器不与轮胎或者轮毂的任何部位形成固定连接关系，可以在轮胎内自由滚动，显而易见地，这具有很多好处：首先是不会对轮胎的动平衡有影响，其次是可采用发电效率较高的电磁感应式发电方式，再次是这样的产品的安装极为简单，只需要扒胎然后把产品随意扔进胎内然后重新上胎即可。

发明内容

基于上述考虑，提供一种轮胎内自由运动的无电池汽车胎压监测发射器，通过汽车运动时轮胎转动获得动能，再把动能转变为电能为发射器内部的胎压监测相关电路供电。具有不影响轮胎动平衡、无需电池、安装简单等优点。

本发明的基本思路是，既然汽车在路上行驶时轮胎一边高速旋转，一边随悬架系统上下颠震，并且其质心还以车速直线或者曲线前行，运动中的轮胎可以看成是一个抖动、进动、偏轴的周期性自旋系统，既然这种系统具有带有确定性和随机性的运动动能，我们就可以从高速行驶的轮胎中获取汽车胎压监测发射器工作所必需的电能。简单地说，如果我们把汽车胎压监测发射器做成球状或类似于球形的形状，把它放进在轮毂和轮胎内壁的环形空腔内部，就有可能在轮胎内部通过轮胎转动、颠震和其他形式的运动中获取动能，再把这种动能通过高效的电磁感应式发电机转变为电能，为胎压监测相关电路供电。

不失一般性，下面把本发明产品以球体的外观形状来进行分析，为叙述方便起见，有时会把本发明直接简称为球体。

首先需要弄清楚球体在轮胎内部的运动情况：为方便理解，把观察点设在轮胎的侧面，以轮胎的转轴中心为坐标中心把轮胎按照笛卡尔坐标系分为四个象限，假定轮胎前进的方向为X轴；当汽车缓慢行驶时，球体在轮胎内壁上滚动，此时球体处于第三象限内，球体离地面的垂直高度并不高，如果汽车停止，那么球体将会来回在轮胎内壁滚动几次后回到最低点即第三、第四象限的交界处，这期间球体和轮胎内壁的运动关系是摩擦滚动关系；随着汽车加速，轮胎内部的旋转气流加快，对球体产生推动，在摩擦力和气流的双重作用下，球体滚动的同时，离地的高度逐渐提高，甚至会翻滚到上方到达第二象限，并可能绕过轮胎转轴来到第一象限、经过第四象限回到第三象限围绕轮胎转轴运动，这样球体就获得了离心力；当汽车速度继续加快并超过一个阈值时，球体被离心力压在轮胎内壁上基本不动，离心力和轮胎内壁的反作用力达到平衡，轮胎每转一圈压迫地面时，由于轮胎与地面接触面为平面而不再为柱面，球体从受到来自轮胎内壁等同于离心力的反作用力变为受到垂直地面向上的瞬间冲击力，这种冲击力使得球体向上弹起，轻微离开内壁表面前移再次落在轮胎内壁上，连续观察时，好像球体在轮胎内部以缓慢的速度在内壁上往车轮转动的线速度方向蠕动；与此同时，汽车以较高速度运行时，汽车轮胎内部的旋转气流开始变小，即轮胎内部的空气几乎随轮胎同步转动。经过研究发现，小轿车的速度超过40Km/h时，球体在内部就基本上随轮胎同步转动了；当汽车从高速到低速的刹车制动过程中，轮胎内部气流重新开始增强，当球体离心力不足以克服重力时，球体会从轮胎内壁上脱落并有可能撞击到轮毂，脱落的球体有可能围绕轮胎的转轴在轮胎内部随气流不规则滚飞或者在轮胎内壁上滚动，此时对球体存在冲击，需要球体具有一定的抗撞击能力，即球体具有刚性而不至于撞坏。

从上面可看出，在汽车以低速行驶时，球体在内部具有滚动摩擦关系，可以通过这种球体滚动来从轮胎上获取动能。在汽车以较高速度运行时，球体在胎内基本和轮胎同步转动，所述基本是指由于触地原因使球体产生的随轮胎线速度方向的轻微蠕动。由于球体与轮胎内壁不存在固定的连接关系，因此不会对轮胎的动平衡造成影响，因为动平衡的存在的前提是不平衡转动惯量固定在轮胎的侧壁上引起周期性的叠加效应。此时，由于球体在轮胎内部没有滚动摩擦关系，因此不大可能通过球体滚动来从轮胎上获得动能，由于轮胎高速转动时内部基本没有气流，也不大可能通过内部的气流来推动电机发电，但是可以从轮胎的抖动、轮胎转向以及轮胎压迫地面时的瞬间冲击力等其他方式来获取动能；还有，由于轮胎是一个周期运动系统，因此会存在较强的振动、晃动，这都是我们从轮胎中获取动能的源泉。

本发明将安装在轮胎内部，与轮胎和轮毂不构成任何固定连接关系，能在轮胎内部自由运动，通过以下三种方式获得动能，进而通过发电装置发电，经过充供电的相关控制后，为胎压监测相关电路供电：

（1）汽车加速和减速时，无论低速行驶还是高速行驶，球体与轮胎内壁的均存在滚动关系，球体由此可获得滚动动能，因此可以通过摆锤等具有惯性质量的物体来拾取这种滚动动能，然后把这种动能通过扭矩释放为电机转轴的转动动能，通过发电机发电，从而把这种滚动能转换为电能。

（2）汽车匀速行驶时，轮胎内部的气流微弱，球体与轮胎内壁的不存在滚动关系，但是轮胎每转动一圈在压迫地面的瞬间会对球体产生瞬间冲击，使球体得暂时性的动能，这种能量本发明称之为触地冲击动能，可以通过球体内部的弹簧压缩来拾取这种冲击能，然后通过弹簧的释放，驱动磁铁在线圈内直线运动，使线圈切割磁力线发电，从而把触地冲击动能转换为电能。

（3）汽车轮胎受到不平路面的压迫，在前进的同时存在上下垂直方向的颠振，水平方向也存在少许的抖动，因此轮胎内壁对球体的反作用力会不断变化，使得球体因振动而存在动能，这种能量本发明称之为颠振动能，可以通过球体内部的弹簧储能或者弯曲来获取这种振动动能，然后通过弹簧的释放或者摆动来释放这种动能，压缩弹簧的释放可以驱动磁铁在线圈内直线运动发电，弹簧的摆动可以带动磁铁形成对发电机磁转子的磁吸牵引力，从而把颠振动能转换为电能。

（4）汽车转向时，球体存在水平面上的离心力，导致球体姿态发生变化，如果球体内部质量偏心，那么质量较重的部位将会靠近轮胎内壁，质量较轻的部位将靠近轮胎的轴心；球体将以质量较重的部位为支点，较轻部分存在晃动，这种能量本发明称之为晃动动能，因为轮胎旋转具有周期性，这种晃动动能得以加强并具有较强的傅里叶峰值，可以通过球体内部带有质量的弹簧摆动来获取这种晃动动能，然后通过弹簧反向摆动来释放动能，释放的方式是把其转化为对发电机磁转子的磁吸牵引力，使发电机磁转子转动发电，从而把晃动动能转换为电能。

上述多种方式之能量来源可能是同时存在的，比如在不平路面上转弯时，颠振动能和晃动能同时存在，即使直线行驶时，因为轮胎的运动系统也是周期运动系统，也会存在晃动动能；另外，每轮胎转动一圈都能获得一次收集触地冲击动能的机会。

虽然车辆不开动或者车辆低速运行时，本发明产品不能发电或者因发电不足而不能工作，但并不影响本发明产品作为胎压监测报警应用设备而推向市场，因为爆胎总是发生在高速行驶期间，只要在较高时速能保证足够的电力使得胎压报警功能正常即可，一个建议的最低的设计标准是：当车速超过60Km时或者急加减速时本发明能稳定获取电能正常工作，这样即便在市区行驶也能使用户足够的有机会发现轮胎气压的异常。

为了达到从行驶中的轮胎中获取动能并转换为电能，再把电能积累和释放出来给胎压监测电路供电的目的，使胎压监测相关电路能够测量胎内空气压力并把胎压数据传输给配套的显示控制装置或者汽车中控台，实现无电池就能工作的美好愿望，采用以下技术方案：

轮胎内自由运动的无电池汽车胎压监测发射器，包括：外壳、动能采集装置、发电装置和电路板；所述外壳的形状为圆球形或流线形，由两个空心半壳在装配阶段胶合或热熔而成，外壳为动能采集装置、发电装置和电路板提供安装空间，采用高弹性的硬塑料制成，外壁上设有用于平衡内外气压的透气孔；动能采集装置用于收集来源于轮胎内壁的滚动动能、颠振动能、晃动动能或触地冲击动能，收集的动能以弹簧压缩能、弹簧摆动能、摆锤惯性能等形式存在，分别以弹簧弹力、磁吸牵引力、转轴扭力等形式释放出来，带动发电装置把动能转换为交流电能；电路板除了包括集成了胎压传感器/微控制器/无线发射器的胎压监测芯片和天线外，还包括用于积累和储存电能的储能元件、用于把发电装置产生的交流电转换为脉动直流电并给储能元件充电的整流充电装置、用于输出稳定直流电压的线性稳压器、用于当检测到储存的电能达到胎压监测芯片工作所需最低能量时通过启动线性稳压器来使胎压监测芯片工作的电能检测器。

具体地，所述流线形包括纺锤形、棒槌形、橄榄球形、鹅卵形。

具体地，所述整流充电装置包括用于把交流电整流为脉冲直流电的整流桥、用于限制充电电压和泄放多余电能的稳压二极管；所述储能元件包括电解电容和超级电容（电化学电容）；所述电能检测器包括复位芯片、时序控制芯片、执行电能检测任务的单片机。

进一步地，所述动能采集装置包括配重块、弹簧和牵引磁铁；配重块被固定于外壳的内壁上；弹簧的一端与配重块固定连接，弹簧另一端和牵引磁铁固定连接；牵引磁铁为轴向充磁的永磁体；所述发电装置为电磁感应式发电机，内部设有径向充磁的圆柱形磁转子和感应线圈；当滚动动能、颠振动能、晃动动能或触地冲击动能存在时，牵引磁铁带动弹簧在以弹簧根部（牵引磁铁和弹簧的连接处）为顶点的锥形空间内来回摆动或者旋摆，牵引磁铁的磁极与电磁感应式发电机内部的磁转子的磁极异性相吸形成牵引力，使牵引磁铁在弹簧的顶端摆动时，通过这种磁吸形式的牵引力带动电磁感应式发电机的磁转子正转或者反转，从而使感应线圈切割磁力线而发出交流电。配重块起稳定姿态的作用：由于离心力的作用，轮胎高速旋转时配重块与外壳连接处的外壳之外壁部位与轮胎内壁形成相对稳定的局部接触，如此使弹簧的自然轴线（弹簧不弯曲时的轴线）与轮胎中心重合，这有利于在约束弹簧的根部的条件下使其顶端连同牵引磁铁的摆动幅度更大且在锥形空间内的角摆动更对称和均匀；这种动能采集方式创造性地通过弹簧的弯曲来收集动能，然后利用永磁体的空间磁吸力量，把没有固定方向来回摆动或者在局部空间内旋摆的动能通过牵引力释放为电磁感应式发电机转子的转动动能，牵引磁铁几乎能在所有的摆动角度上带动磁转子发电（除了摆动方向与转轴轴心完全相同时）。其优点是在汽车行驶的任何工况（加速、匀速、转弯、颠簸）下都能发电，只要这种工况的强度足够。另外，采用发电机为独立产品的电磁感应式发电机，使得产品的整机装配工序非常简单，这种发电机采用含油轴承使电机的磁铁转子转动非常灵活，由于完全不需要裸露在外的转轴来带动转子转动，因此可把电机的磁转子和轴承密封在非常洁净的密闭空间中，这样有利于制作出高质量、转动灵活、寿命极长的高性能发电机。

进一步地，所述动能采集装置包括摆锤、齿轮组和支架；所述发电装置为电磁感应式发电机，内部设有径向充磁的圆柱形磁转子和感应线圈；电磁感应式发电机和齿轮组分别被固定在支架的两侧，支架进一步被固定在外壳的内壁上；当晃动动能或触地冲击动能存在时，由于存在惯性，所述摆锤带动齿轮组的输入轴正转或反转，齿轮组为加速齿轮，其输出轴带动电磁感应式发电机发电。

进一步地，所述动能采集装置包括配重块、尼龙圆筒、弹簧；所述配重块被固定于外壳的内壁上，尼龙圆筒的一端与配重块固定连接，另一端封闭；所述弹簧为压缩弹簧；所述发电装置包括轴向充磁磁铁和固定在尼龙圆筒外壁的感应线圈；所述弹簧和轴向充磁磁铁被搁置于具有光滑内壁的尼龙圆筒内，弹簧位于配重块和轴向充磁磁铁之间，弹簧与轴向充磁磁铁相吸，触地冲击动能存在时，两者在尼龙圆筒内短暂地共轴直线往复运动，磁铁的运动使感应线圈切割磁力线产生电能；配重块起稳定姿态的作用，由于离心力的作用，轮胎高速旋转时配重块与外壳连接处的外壳之外壁部位与轮胎内壁形成相对稳定的局部接触，如此使磁铁管的轴线基本与离心力方向共线，有利于使得磁铁在尼龙圆筒内更大幅度地弹性跳动；作为一种等同的替换方案，允许所述弹簧被另一块磁性稍小的磁铁替换，只要把这块小磁铁固定在配重块上且调整其安装方向使其对所述轴向充磁磁铁产生互斥力，就可以使用这种互斥力来代替弹簧。

本发明带来的有益效果是：通过动能采集装置从运动中的汽车轮胎上获取动能，再把动能释放到发电装置使其发出电能，经过充电控制装置和电能检测器完成给胎压监测芯片供电，经过动能采集->动能释放->发电->充供电等四个环节，解决了为胎压监测芯片供电的多方面技术问题，并且提供了多个优选的具体实施技术方案，使用该技术方案开发的胎压监测发射器无需安装耐高温的昂贵电池，汽车全寿命期间不必更换电池，显著降低了用户的维护费用，避免大量纽扣电池的使用，也非常有利于环保；使用时，把本发明随意地放置在汽车轮胎内部，不与轮胎和轮毂的任何部位发生固定连接关系，不影响轮胎的动平衡；按照本发明技术开发的产品存在很大的不断升级空间，为厂家持续改进和发展提供广阔的市场前景，如果用户某个轮胎的胎压监测报警器发生故障，只要厂家快递一个新型号产品放到轮胎内部即可，这是因为产品升级主要在于如何更好地优化发电性能、充电控制装置和电能检测器等电路性能等方面，不会改动无线发射接口，也不存在任何需要和轮胎连接的机械接口需要适配，这使得厂家能更好地为用户提供服务，从而获取高的用户满意度。本发明结构简单、可靠性高、使用简单、成本低，具有较强的市场竞争力。

附图说明

图1 实施例1的剖面示意图；

图2 包含整流充电装置和电能检测器的电源充供电优选原理图；

图3 电磁感应式发电机的一种优选结构；

图4 实施例1的爆炸图；

图5 实施例2的剖面示意图；

图6 实施例2的爆炸图；

图7 实施例3的剖面示意图；

图8 实施例3的爆炸图。

图中：

10—外壳、20—动能采集装置、30—发电装置、40—电路板；

101—空心半球A、102—空心半球B、103—透气孔、104—外壳与轮胎内壁因配重块离心力而接触的部位、201—牵引磁铁、202—弹簧、203—配重块、204—螺钉、205—支撑板、206—摆锤、207—第一齿轮、208—第二齿轮、209—第三齿轮、210—轴柱、211—垫片、212—卡簧、213—配重块、214—尼龙圆筒、215—弹簧、216—硅胶缓冲垫、217—固定胶、301—径向充磁的圆柱形磁转子、302—感应线圈、303—骨架、304—骨架封盖、305—转轴、306—含油轴承、307—滚珠、308—轴向充磁磁铁、309—感应线圈、310—电磁感应式发电机；

401—胎压监测芯片、402—整流桥、403—稳压二极管、404—超级电容、405—电能检测器、406—线性稳压器、407—天线、408—PCB印制板。

具体实施方式

实施例1

图1为本实例的剖面示意图，展示了本实施例内部的结构层次和连接关系。参考图1，外壳10是空心半球A（101）和空心半球B（102）通过扣件组合并胶合或者热熔而成（装配阶段），注意到在壳体上存在用于平衡内外气压的透气孔103；在外壳10的内部，从上至下，依次是电路板40（图1中只现出了焊接在PCB印制板408上的胎压监测芯片401和天线407，详细构成请参见图3）、发电装置30（这里为电磁感应式发电机310，其主要构成是径向充磁的圆柱形磁转子301、感应线圈302、骨架303，一种优选的结构详图请参见图2）、动能采集装置20（包括牵引磁铁201、弹簧202、配重块203和螺钉204）。本实施例中，天线407为螺旋天线，用于把胎压数据通过无线数传方式（工作频段包括但不限于UHF波段）传输出去，也可采用其他类型的天线；本实施例中天线数量为1个，也可使用2个天线对称地往外发射信号；为解决天线407的体积比较大不好布局的问题，把天线407悬挂在电路板408的一侧并用焊锡焊牢。配重块203被固定于外壳10（具体地，固定在空心半球102，并没有要求一定要固定在哪个半球上）的内壁上；弹簧202的一端被固定在配重块203上，另一端通过螺钉204与牵引磁铁201固定连接；牵引磁铁201为轴向充磁的永磁体，其中央开有沉头孔供螺钉204穿过；弹簧202的直径与螺钉204的直径相当，这样可以把弹簧202旋进在螺钉204的螺纹上得到固定，由于牵引磁铁201的磁吸作用，牵引磁铁201、弹簧202和螺钉204三者结合牢固，为了强化牵引磁铁201和弹簧202的固定连接关系，还可以在装配时滴入环氧树脂类的固定胶。

当滚动动能、颠振动能、晃动动能或触地冲击动能存在时，牵引磁铁201带动弹簧202在以弹簧根部（牵引磁铁和弹簧的连接处）为顶点的锥形空间内来回摆动或者旋摆，牵引磁铁210的磁极与电磁感应式发电机310内部的磁转子的磁极异性相吸形成牵引力，使得牵引磁铁201在弹簧202的顶端摆动时，能通过这种磁吸形式的牵引力带动电磁感应式发电机310的磁转子正转或者反转，从而使感应线圈切割磁力线而发出交流电；其中，所述的来回摆动，解释为其摆动方向根据在轮胎内的受力情况可能为任意方向，即弹簧202的自然轴线所在的任意平面，在某些特殊情况下也可能形成在局部空间内旋摆的情况，无论是在某平面内来回摆动还是在空间内旋摆，都能通过磁吸力带动电磁感应式发电机310发电。

配重块203起稳定姿态的作用：由于离心力的作用，轮胎高速旋转时配重块与外壳连接处的外壳之外壁部位（104）与轮胎内壁形成相对稳定的局部接触，使弹簧202的自然轴线（弹簧202不弯曲时的轴线）与轮胎中心重合，这有利于在约束弹簧202的根部的条件下使其顶端连同牵引磁铁201的摆动幅度更大且在锥形空间内的角摆动更对称和均匀，进一步有利于提高发电效率；本实施例的这种动能采集方式创造性地通过弹簧的弯曲来收集动能，然后把没有固定方向来回摆动或者在局部空间内旋摆的动能通过牵引力释放为电机转轴扭力；牵引磁铁201几乎能在所有的摆动角度上带动磁转子301发电（除了摆动方向与转轴轴线完全相同时），这使得汽车在任何行驶工况（加速、匀速、转弯、颠簸）下都能发电，只要这种工况的强度足够。配重块203的中央的凹坑内设有与弹簧202绕线方向同向的螺纹，弹簧202旋进在该螺纹上，并且在外面灌入环氧树脂类的固定胶217，以强化配重块203和弹簧202的固定连接。

发电装置30采用的是可作为独立产品生产的电磁感应式发电机310，这使得后期的整机装配工序非常简单，独立生产的电磁感应式发电机310一般会采用含油轴承，这使得电机的磁转子301转动非常灵活，由于完全不需要裸露在外的转轴来带动磁转子301转动，因此完全可以把电机的磁转子301和含油轴承密封在非常洁净的密闭空间中，这有利于制作出高质量、转动灵活、寿命极长的高性能发电机310，这种发电机是一种无裸露转轴的特殊发电机，是本发明的一种微创新。

图2展示了这种电磁感应式发电机310的一种优选结构。参考图2，骨架303和骨架封盖304形成一个完整的线圈骨架；两个感应线圈302分别绕制在线圈骨架的中脊的两侧，两个感应线圈极性相同地（绕线方向相同）串联在一起构成用于电磁感应发电的线圈；线圈骨架内部径向充磁的圆柱形磁转子301，其中心孔内插入有转轴305；为了减小转动摩擦，转轴两端设有含有轴承306，并且在两端端头处设有两个表面涂有润滑脂的滚珠307。骨架可采用尼龙材料制成，轻薄而具有自润滑性。图2中可见，由于没有裸露在外的转轴部分，转轴305和径向充磁的圆柱形磁转子301完全被密封在骨架303和骨架封盖304组成的线圈骨架空间内。为了提高发电效率，径向充磁的圆柱形磁转子301应采用强磁性的钕铁硼材料制成。

通常，电磁感应式发电机310不应该选择驱动电机，因为发电电压比较低，应当选择专门用于发电的线圈匝数多的专用发电机。

通常，电磁感应式发电机310不应该选择直流发电机，因为内部带有电刷的原因导致寿命较短。

值得说明的是，图2仅仅展示一种优选的感应式发电机结构，但并不构成对本发明的不当限制，只要是带有径向充磁的磁转子的电磁感应式发电机都可以在开发产品的过程中选用。

图3为本实例的爆炸图，进一步展示了本实施例内部组成的具体结构形状及装配关系；从图3中可看到电路板40、发电装置30、动能采集装置20的详细构成和外观形状；电路板40包括胎压监测芯片401、整流桥402、稳压二极管403、超级电容404、电能检测器405、线性稳压器406和天线407，它们被焊接在PCB印制板408的一侧，为清晰表达起见，忽略了D1、R1、R2等不太重要的元器件以及芯片工作需要的外围电阻、电容、电感等电子元器件。胎压监测芯片401集成了胎压传感器、微控制器和无线发射器，如果不采用单芯片开发产品，可以选择集成胎压传感器和微控制器的芯片外加一块无线发射芯片来完成同样的功能；本实施例中使用超级电容404作为储能元件来积累和贮存电能，如果安装空间容许，还可以使用大容量电解电容作为储能元件；电能检测器405用于检测电能是否达到胎压监测芯片工作所需最低能量，如果达到将通过启动线性稳压器的方法来给胎压监测芯片供电，进一步地启动胎压监测芯片的工作；线性稳压器406用于把带有充电尖刺的不平稳电压转化为固定、稳定、低纹波的直流电压，为胎压监测芯片401提供工作必需的稳定电能。

优选地，空心半球A（101）、空心半球B（102）采用弹性良好的硬塑料制造，比如赛璐珞、改性PVC等。

优选地，天线407采用不含铁质的材料绕制，比如铜或不锈钢，一种好的材料是空心铜线；

优选地，配重块203使用不含铁质的材料制成，比如粗铜。

优选地，配重块203与外壳内壁的固定方法包括：胶粘、螺纹固定、把配重块作为注塑嵌件。

优选地，弹簧202采用高强度钢弹簧。

优选地，牵引磁铁201采用钕铁硼材料制造。

下面通过优选例子来详细说明电路板40所包含的整流充电装置和电能检测器的原理及其工作过程。

整流充电装置用于把发电装置30产生的交流电压转变为脉动直流给储能元件充电，进一步地，储能元件的存贮的电能被电能检测器所检测，如满足胎压监测芯片所需的电能，启动线性稳压器给胎压监测芯片供电。图4出示了一个包含整流充电装置和电能检测器的电源充供电优选原理图；参考图4，发电机输出的交流电压被整流桥V1整流成脉动直流后加到超级电容C1的两端，给作为储能元件的超级电容C1充电，虽然理论上电容两端的电压不能突变，但是由于超级电容C1有较大的内阻，其电压在充电过程中是存在类似锯齿的脉冲尖峰的，不过这并不动摇其两端电压伴随充电而总体上逐渐上升的事实；当超级电容C1两端的电压上升到足够程度时，作为电能检测器的复位芯片U1检测到充电电压已经达到一个足够的阀值，立即输出一个正极性的复位脉冲信号经过二极管D1送给线性稳压器U2的使能端EN，启动线性稳压器U2的工作，线性稳压器U2的输出Vout给胎压监测芯片供电，使胎压监测芯片内部的微控制器复位并开始工作；同时线性稳压器U2的输出经过R1和R2的分压后接入使能端以维持EN为高电平，目的是防止复位芯片U1在随后超级电容C1两端电压下降约10%时把RESET信号输出为低电平。

由于发电机输出的电压幅度变化很大，为防止电压过高而击穿超级电容C1，在超级电容C1两边并联稳压二极管Z1，在限制充电电压的同时泄放多余的电能。

图4中整流桥V1采用贴片封装的MB1F整流桥，稳压二极管在BZT52系列中选择，超级电容C1采用0.22F/5V的直插焊接型号，复位芯片U1采用MAX810，线性稳压器采用TLV705系列的固定输出型号、二极管采用IN4148通用管，电阻R1和R2采用贴片电阻，阻值分别为47K和100K。

本实例中，电能检测器采用了复位芯片，在其他实施例中，电能检测器还可以采用时序控制芯片或执行电能检测任务的单片机。当使用时序控制芯片比如ADM1805时，其工作原理类似于复位芯片，具体使用方法可参阅该类芯片的说明书；当采用单片机时，单片机通过反复对电压进行检测，判断出储能元件的电能足够满足胎压监测芯片所需时，发出复位脉冲信号或握手信号给胎压监测芯片，启动或恢复其工作；如果发出的电能不足以使单片机工作，或者单片机处于反复重启之中，那么也不会对最终电能检测的功能有任何影响；使用单片机的优点是可以监测到超级电容C1上的脉冲波动，对电能是否足够的判断更为准确且易于通过软件调整，另一个优点是有些单片机的价格非常低。

值得注意的是，为更清晰说明起见，图4给出的原理图仅仅是说明充供电工作的基本原理之原型图而非实际电路图，实际使用时应增加一些必要的元器件，包括：与储能元件并联的高频滤波电容、与储能元件串联的限流小电阻、线性稳压器输出端的小滤波电容，这些应当被本领域的普通技术人员所熟悉并理解的。另外可以对电路进行一些调整，比如也可采用两个相邻稳压阀值的二极管并联以增加限压能力、可以根据情况使用两个超级电容串联以提升耐压或者并联以提升容量，如此等等。

实施例2

本实施例与实施例1存在相同的部分，为避免重复，相同的部分将不赘述。

图5为本实例的剖面示意图，展示了本实施例内部的结构层次和连接关系。参考图5，本实施例的动能采集装置与实施例1不同，工作原理是：当晃动动能或触地冲击动能存在时，利用在运动中存在惯性的摆锤与当前球体存在运动状态（位置、速度、方向）差异来采集动能为摆锤惯性能，这种惯性能将以转矩扭力的方式释放给发电机转轴。所述差异表现为摆锤对外壳的相对转动，然后通过齿轮组放大再带动发电机转轴来发电。动能采集装置20包括摆锤206、齿轮组（第一齿轮207、第二齿轮208、第三齿轮209、轴柱210）和支架205；发电装置30为电磁感应式发电机310，内部设有径向充磁的圆柱形磁转子和感应线圈；电磁感应式发电机310和齿轮组分别被固定在支架205的两侧，支架205进一步被固定在外壳10的内壁上，具体地，固定在空心板球B（102）的内壁上；当晃动动能或触地冲击动能存在时，由于存在惯性，所述摆锤206带动齿轮组的输入轴（第一齿轮207的轴套）正转或反转，齿轮组为加速齿轮，其输出轴（第三齿轮209的轴孔）带动电磁感应式发电机310发电；图5中可以看到齿轮（207~209）之间的啮合关系，注意第一齿轮207和电磁感应式发电机310的转轴之间为活动连接关系，第二齿轮208和轴柱210之间为活动连接关系，第三齿轮209和电磁感应式发电机310的转轴之间为固定连接关系。本实例中，电磁感应式发电机310的由于存在铜质的线圈，铜的比重较大，因此电磁感应式发电机310的自重被用来当成配重，使得外壳10的姿态能受控，其受控机理与前述类似，不过受控程度稍弱，目的是是摆锤相对于外壳的转动更大；如果需要，可以增加额外的配重。

本实施例中，为了给摆锤206留出转动的空间，天线407的方向朝上，电路板40的其他方面与实施例1相同。

图6为本实例的爆炸图，进一步展示了本实施例内部组成的具体结构形状及装配关系；参考图6，天线407位于印制板408的正中央，以满足较大天线尺寸的安装空间要求。这里重点说明齿轮组：齿轮组的完整结构除了包括第一齿轮207（驱动轮）、第二齿轮208（介轮）、第三齿轮209（从动轮）、轴柱210外，还包括两个垫片211和两个卡簧212；摆锤206的轴套固定地套在第一齿轮207的轴套上，带动第一齿轮207转动，第一齿轮207带动第二齿轮208转动，第二齿轮208继续带动第三齿轮209转动，第三齿轮209作为齿轮组的输出轴再带动电磁感应式发电机310的转轴转动，从而使电磁感应式发电机310发电，转动的方向决定了发电电压的极性。两级齿轮的加速比相同，本实施例中两级的加速比均为24/7，故总加速比为6.86：1；齿轮组的加速使得电磁感应式发电机310的转动更快、更灵敏，如果电磁感应式发电机310的转轴转的越快，发电的电压就越高。值得注意的是，本实施例展示的齿轮组是一种应用较少的齿轮组，其特点是输入轴和输出轴共轴并且输入轴和输出轴并不是以常见的转轴来表达的，第一齿轮和第二齿轮不与轴固定连接，这是增加两个垫片211的原因，垫片两侧齿轮的转动速度或方向不同，因此需要垫片具有很好的润滑性，采用尼龙材料即可，同样齿轮也采用尼龙材料比如尼龙66制造。

值得注意的是，本实施例所展示的齿轮组只是一种优选形式，并不能构成对本发明的不当限定，其结构、形式和加速比参数均可根据需要改变。

实施例3

同样地，本实施例与实施例1相同的部分将不再赘述。

图7为本实例的剖面示意图，展示了本实施例内部的结构层次和连接关系。参考图7，本实施例的动能采集装置与前述的实施例不同，工作原理是：存在的触地冲击动能时，采用磁铁的重量压缩弹簧获取动能为弹簧压缩能，然后通过弹簧的弹力释放把磁铁弹起，磁铁的直线运动将使得线圈切割磁力线产生电能。本实例中动能采集装置20包括配重块213、尼龙圆筒214、弹簧215、硅胶缓冲垫216；所述发电装置包括轴向充磁磁铁308和固定在尼龙圆筒214外壁的感应线圈309；需要指出的是，动能采集装置20实际还包括轴向充磁磁铁308的重量，可见轴向充磁磁铁308具有双重的作用，其重量部分属于动能采集装置20，其磁力部分属于发电装置部分，为避免混淆，本说明书不在动能采集装置中包括轴向充磁磁铁308，而是把轴向充磁磁铁308划归到发电装置30中。配重块213的形状与外壳内壁匹配以便固定在于外壳的内壁上，固定方法可以是胶粘，也可以是螺钉紧固、把配重块做成嵌件等其他形式，本发明对此不做限制；尼龙圆筒214的一端与配重块通过螺纹连接方式达到固定连接的目的；尼龙圆筒214的另一端使用硅胶缓冲垫216加以封闭，硅胶缓冲垫216起缓冲作用，带有两个凸起，可以被挤进印制板408的两个孔里而不会脱出；弹簧215为压缩弹簧，弹簧215和轴向充磁磁铁308被搁置于具有光滑内壁的尼龙圆筒214内，弹簧215位于配重块213和轴向充磁磁铁308之间，弹簧215与轴向充磁磁铁308相吸，两者在尼龙圆筒214内可以自由地做共轴直线往复运动，当轮胎接触地面时存在触地冲击动能，这种冲击能是突然的，由于轴向充磁磁铁308存在惯性，弹簧215瞬间被压缩，接着轴向充磁磁铁308被弹簧215的压缩能在释放时弹起，弹起的轴向充磁磁铁308使得绕在尼龙圆筒214外侧的感应线圈309切割磁力线产生电能脉冲；由于离心力的作用，弹簧215和轴向充磁磁铁308还得回到原位置，落下的轴向充磁磁铁308还会再次产生一个极性相反的电能脉冲。另外，当轮胎在不平路面上行驶时存在颠振动能时，这种结构也能发电，路面越不平坦发电越多，弥补了因不平路面导致车速下降进一步引起触地冲击动能变弱的问题。

需要提醒的是，磁铁308为轴向充磁的磁铁，不能使用径向充磁的磁铁，否则发电效率将非常低。

本实施例这种结构的发电效率不如前述实施例，下面非常简单地估计这种电能脉冲的具体表现：假定每次轮胎接触地面时产生两次电能脉冲，每次这种脉冲电能持续20ms，当小轿车以60Km/s行进时，大约每秒能存在8次触地冲击动能，每秒能累计产生320ms的电能，如果脉冲电流为3mA，即便胎压监测电路需要15mA的电能，也能够供其短暂工作64ms。

配重块起稳定姿态的作用，轮胎高速旋转时配重块与外壳连接处的外壳之外壁部位与轮胎内壁形成相对稳定的局部接触，如此使磁铁管的轴线基本与离心力方向共线，有利于使得磁铁在尼龙圆筒内更大幅度地弹性跳动。

图8为本实例的爆炸图，进一步展示了本实施例内部组成的具体结构形状及装配关系；参考图8，感应线圈309为易于绕制的环形线圈，由于本实例的这种结构发电效率相比其他实施例使用的电磁感应式发电机310相比，效率下降不少，因此其匝数绕制较多，通常应不低于1800匝；尼龙圆筒214的下部设有螺纹与配重块213的螺纹配合，在装配时应抹上螺纹胶加以强化。弹簧215的直径应略小于轴向充磁磁铁308的直径。感应线圈309的上下位置以及弹簧215的弹力应当通过试验确定以选取最优值。轴向充磁磁铁308的高度取直径的1.5倍以上较好，其外表应电镀或涂装处理；为减少摩擦力，可在尼龙圆筒214的内部上润滑脂并在与电路板408结合处用结构胶密封。

优选地，尼龙圆筒214采用尼龙材料制作，允许采用其他类似的硬性材料，对这些材料主要要求是不导电且不屏蔽磁场。

优选地，感应线圈309采用直径为0.05mm的漆包线绕制1800~3600圈；

优选地，电路板40可以通过胶粘方法固定在外壳10的内壁，也可在外壳的内侧注塑数个安装柱，在电路板40的边沿设置同样数量的通孔，把通孔套进安装柱内再用烙铁把安装柱烫平。

实施例4

本实施例与实施例3基本相同，只是使用一小块磁性弱于磁铁308的扁平磁铁来替代弹簧215，只要把这小块磁铁固定在尼龙圆筒214靠近配重块213的一侧，并且调整该小块磁铁的磁力方向对轴向充磁磁铁308产生斥力，这种斥力起到与弹簧215同样的作用。

至此，所有实施例的说明完毕，上述这些实施例是作为优选例被提出，省略了一些不必要的说明，有些技术可以在不同实施例中换用或共存。

值得注意的是，为方便说明，透气孔103在附图中只绘制了1个，为避免混淆为一个小黑点，也未在爆炸图中画出，本发明对透气孔的数量和形状不做限制，可以在透气孔的内侧增加过滤层来防止灰尘进入。

值得注意的是，胎压监测芯片内部的程序应当对胎压数据进行处理，最简单的处理是剔除最大或最小值，这些值可能并非真正的气压值，比如触地冲击瞬间监测的数据。也可把处理数据的任务放在显示控制装置或者汽车中控台。

值得注意的是，前述所有实施例的外壳都使用了圆球形，这是为了重点突出产生电能的各种技术方案的结构特征，并非限定外壳一定是圆球形，可以是纺锤形、棒槌形、橄榄球形、鹅卵形等类似形状，这是本领域普通技术人员可以理解的。

值得注意的是，前述实施例中电路板的结构相同，这是为了重点突出产生电力的各种技术方案的结构特征，实际上电路板的外形、布局和安装位置可以根据情况改变，并非要求电路板必须是实施例展示的优选形状。

值得注意的是，胎压监测芯片可能需要晶振才能工作，为了突出重点，本发明将晶振连同普通的电阻、电容、电感等辅助元件一并忽略，在图中不绘制也未说明，这应当能被本领域的普通技术人员所理解的。

值得注意的是，因便于理解、突出主题并避免混淆，本发明未直接包含锂电池作为储能元件，但有这是无需创新就能想到的，因此采用锂电池作为储能元件的技术方案被本发明的发明人认为属于本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.轮胎内自由运动的无电池汽车胎压监测发射器，其特征在于，包括：外壳、动能采集装置、发电装置和电路板；所述外壳的形状为圆球形或流线形，由两个空心半球在装配阶段胶合或热熔而成，外壳为动能采集装置、发电装置和电路板提供安装空间，采用高弹性的硬塑料制成，外壁上设有用于平衡内外气压的透气孔；动能采集装置用于收集来源于轮胎内壁的滚动动能、颠振动能、晃动动能或触地冲击动能，收集的动能以弹簧压缩能、弹簧摆动能、摆锤惯性能等形式存在，分别以弹簧弹力、磁吸牵引力、转轴扭力等形式释放出来，带动发电装置把动能转换为交流电能；所述电路板除了包括集成了胎压传感器/微控制器/无线发射器的胎压监测芯片和天线外，还包括用于积累和储存电能的储能元件、用于把发电装置产生的交流电转换为脉动直流电并给储能元件充电的整流充电装置、用于输出稳定直流电压的线性稳压器、用于当检测到储存的电能达到胎压监测芯片工作所需最低能量时通过启动线性稳压器来使胎压监测芯片工作的电能检测器。

2.根据权利要求1所述的无电池汽车胎压监测发射器，其特征在于，所述流线形包括纺锤形、棒槌形、橄榄球形、鹅卵形。

3.根据权利要求1所述的无电池汽车胎压监测发射器，其特征在于，所述整流充电装置包括用于把交流电整流为脉冲直流电的整流桥、用于限制充电电压和泄放多余电能的稳压二极管；所述储能元件包括电解电容和超级电容；所述电能检测器包括复位芯片、时序控制芯片、执行电能检测任务的单片机。

4.根据权利要求1~3任一项所述的无电池汽车胎压监测发射器，其特征在于，所述动能采集装置包括配重块、弹簧和牵引磁铁；起稳定姿态作用的配重块被固定于外壳的内壁上；弹簧的一端与配重块固定连接，弹簧另一端和牵引磁铁固定连接；牵引磁铁为轴向充磁的永磁体；所述发电装置为电磁感应式发电机，内部设有径向充磁的圆柱形磁转子和感应线圈；当滚动动能、颠振动能、晃动动能或触地冲击动能存在时，牵引磁铁的磁极与电磁感应式发电机内部的磁转子的磁极异性相吸形成牵引力，通过这种磁吸形式的牵引力带动电磁感应式发电机的磁转子正转或者反转，从而使感应线圈切割磁力线发出交流电。

5.根据权利要求1~3任一项所述的无电池汽车胎压监测发射器，其特征在于，所述动能采集装置包括摆锤、齿轮组和支架；所述发电装置为电磁感应式发电机，内部设有径向充磁的圆柱形磁转子和感应线圈；电磁感应式发电机和齿轮组分别被固定在支架的两侧，支架进一步被固定在外壳的内壁上；当晃动动能或触地冲击动能存在时，由于存在惯性，所述摆锤带动齿轮组的输入轴正转或反转，齿轮组为加速齿轮，其输出轴带动电磁感应式发电机发电。

6.根据权利要求1~3任一项所述的无电池汽车胎压监测发射器，其特征在于，所述动能采集装置包括配重块、尼龙圆筒、弹簧；起稳定姿态作用的配重块被固定于外壳的内壁上，尼龙圆筒的一端与配重块固定连接，另一端封闭；所述弹簧为压缩弹簧；所述发电装置包括轴向充磁磁铁和固定在尼龙圆筒外壁的感应线圈；所述弹簧和轴向充磁磁铁被搁置于具有光滑内壁的尼龙圆筒内，弹簧位于配重块和轴向充磁磁铁之间，弹簧与轴向充磁磁铁相吸，触地冲击动能存在时，两者在尼龙圆筒内短暂地共轴直线往复运动，磁铁的运动使感应线圈切割磁力线产生电能；作为一种等同的替换方案，允许所述弹簧被另一块磁性稍小的磁铁替换，只要把这块小磁铁固定在配重块上且调整其安装方向使其对所述轴向充磁磁铁产生互斥力，就可以使用这种互斥力来代替弹簧。