CN114421732B - 一种用于智能轮胎的电磁式发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于智能轮胎的电磁式发电装置，包括N个圆柱形永磁铁、N‑1组线圈绕组、线圈骨架、N‑1个内磁轭、两个橡胶缓冲器、两根弹簧和外磁轭，N=2~7。N个圆柱形永磁铁和N‑1个内磁轭自上向下沿线圈骨架的内壁交错排列，且相邻圆柱形永磁铁充磁方向相反。线圈骨架为圆筒，线圈骨架的圆周外壁上沿轴向等间隔分布N‑1个缠线槽，每个缠线槽内设有一组线圈绕组。外磁轭为圆柱形壳体，两个橡胶缓冲器分别固定在外磁轭的顶面内壁和底面内壁，弹簧嵌于橡胶缓冲器内并和骨架相连。因车轮运动过程的形变，线圈往复运动可产生伏特级的电压和毫瓦级的能量，输出能量经过整流滤波等处理后，能够实现对轮胎压力传感器（TPMS）的无源化供电。
Description
技术领域
本发明属于汽车安全领域，具体涉及一种用于智能轮胎的电磁式发电装置。
背景技术
轮胎是汽车与公路唯一接触点，与汽车在道路上的行驶安全有很大关系。近年来，随着国家道路交通状况的改善，汽车的行驶速度有了很大的提高，而高速行驶的汽车一旦爆胎，就很可能发生严重的交通事故并产生伤亡。据统计，在高速公路上有46%的交通事故是轮胎发生故障所引起的，其中爆胎占轮胎事故总量的70%。与此同时，进入冬季后，轮胎在道路上打滑也是造成轮胎事故的一大重要原因。所以对智能轮胎技术的研究和发展显得尤为重要。
智能轮胎中的“智能”指的是车辆控制系统中影响车辆驾驶安全性和舒适性的重要组成部分，能为车内和外部用户的控制系统提供数据信号。智能轮胎需要针对外部环境变化而产生输入信号的无线传感器，由于传感器处于旋转轮胎的内部，现有的轮胎无线传感器主要依靠电池供电，而电池可供电时间较短、耐久性差、灵敏度较低，需要频繁更换来确保检测系统的安全性与可靠性。因此，采用合适的无源轮胎供电装置对传感器进行供电，对于提高车辆的安全与可靠性有着极其重要的意义。当下，智能轮胎系统基本实现形式主要是胎压检测系统（TPMS），而现阶段无源化智能轮胎供电装置主要有静电式、压电式、机械式、电磁式供电装置。静电式供电装置需要一个初始的极化电压或者是电荷，同时，它的输出阻抗大，不太适合作为能源供应；压电式供电装置由于压电材料变形次数有限，极大地限制了它的使用寿命；机械式供电装置虽然产生能量大，但是由于各个构件尺寸较大，占据轮胎内部的体积大，对于车轮内部气压等产生一定的影响。
现有的电磁式智能轮胎发电装置主要是通过单个永磁铁在线圈内部往复运动引起线圈内磁通量的变化而输出能量，这类供电装置无法充分利用永磁铁的磁力，能量密度低，并且永磁铁的剧烈运动会对其磁性和装置的稳定性产生不利影响。本发明通过线圈绕组、永磁铁和内磁轭的组合排布，能够实现较大的输出功率，获得更好的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于智能轮胎的电磁式发电装置，实现对轮胎压力检测装置（TPMS）的无源化供电。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于智能轮胎的电磁式发电装置，包括N个圆柱形永磁铁、N-1组线圈绕组、线圈骨架、N-1个内磁轭、两个橡胶缓冲器、两根弹簧和外磁轭，N=2~7；线圈骨架为圆筒，线圈骨架的圆周外壁上沿轴向等间隔分布N-1个缠线槽，使得线圈骨架外壁上形成的凸起高度均相等；每个缠线槽内设有一组线圈绕组；N个圆柱形永磁铁和N-1个内磁轭自上向下沿线圈骨架的内壁交错排列，且圆柱形永磁铁和内磁轭分别与线圈骨架的内壁留有充足间隙，位于顶端和底端圆柱形永磁铁均部分伸出线圈骨架；外磁轭为圆柱形壳体，两个橡胶缓冲器分别固定在外磁轭的顶面内壁和底面内壁，N个圆柱形永磁铁、N-1组线圈绕组、线圈骨架、N-1个内磁轭均设置在外磁轭内；两根弹簧对称设置在线圈骨架的两端，弹簧套在伸出线圈骨架的圆柱形永磁铁外侧，并与线圈骨架的端部固连，另一端嵌入橡胶缓冲器。
设每个圆柱形永磁铁的高度为H1，每组线圈绕组的高度为H2，线圈骨架上的每个凸起高度为H3，每个内磁轭的高度为H4，圆柱形永磁铁和内磁轭的半径均为R，线圈骨架往复运动的路径长度为X1，满足H2=H4+X1，H1=X1+H4。
当内磁轭高度H4满足H4=0.25R+0.3H1时，能够在限制发电装置总体积的情况下，产生更强的磁感应强度。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
（1）高稳定性：本发明相比于压电式和机械式智能轮胎发电装置，体积小，结构紧凑，对轮胎内部的环境影响不大；同时，本发明中线圈绕组轨道固定，设有橡胶缓冲器，冲击小，稳定性强。
（2）高功率密度：本发明通过线圈绕组、永磁铁和内磁轭的组合排布，能够实现较大的输出功率。
（3）对车速要求低：本发明即使在车速30km/h的低速状态下，也可以产生足够的电压和功率为TPMS供电。
附图说明
图1为本发明用于智能轮胎的电磁式发电装置的剖视图。
图2为本发明用于智能轮胎的电磁式发电装置的分布位置图。
图3为本发明用于智能轮胎的电磁式发电装置的储能与控制电路模型图。
图4为本发明用于智能轮胎的电磁式发电装置的磁通密度图。
图5为本发明用于智能轮胎的电磁式发电装置的磁感应强度图。
图6为本发明用于智能轮胎的电磁式发电装置的尺寸示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进一步的介绍。
结合图1~图3，本发明一种用于智能轮胎的电磁式发电装置，包括N个圆柱形永磁铁1、N-1组线圈绕组2、线圈骨架3、N-1个内磁轭4、两个橡胶缓冲器5、两根弹簧6、外磁轭7，N=2~7。所诉线圈骨架3为圆筒，线圈骨架3的圆周外壁上沿轴向等间隔分布N-1个缠线槽，使得线圈骨架3外壁上形成的凸起（由缠线槽和线圈骨架3外壁的高度差引起的）高度均相等，每个缠线槽内设有一组线圈绕组2，线圈绕组反向串联，在一定程度上可以抵消电枢反应。N个圆柱形永磁铁3和N-1个内磁轭4自上向下沿线圈骨架3的内壁交错排列，且N个圆柱形永磁铁1和N-1个内磁轭4分别与线圈骨架3的内壁留有足够间隙，确保线圈骨架3不与N个圆柱形永磁体1接触，相邻圆柱形永磁铁1充磁方向相反，位于顶端和底端圆柱形永磁铁1均部分伸出线圈骨架3。外磁轭7为圆柱形壳体，两个橡胶缓冲器5分别固定在外磁轭7的顶面内壁和底面内壁，N个圆柱形永磁铁1、N-1组线圈绕组2、线圈骨架3、N-1个内磁轭4均设置在外磁轭7内。两根弹簧6对称设置在线圈骨架3的两端，弹簧6套在伸出线圈骨架3的圆柱形永磁铁1外侧，并与线圈骨架3的端部固连，另一端嵌入橡胶缓冲器5。两个橡胶缓冲器5可以缓冲N-1个线圈绕组2和线圈骨架3造成的撞击。由于相邻线圈绕组2所处位置磁感应强度方向反向，而相邻线圈绕组2绕向也相反并且串联，所以相邻线圈绕组2的感应电动势可以叠加。同时，发电装置N-1个线圈绕组2和线圈骨架3在弹簧6的作用往复运动时，缠线槽对应的内磁轭4仍位于该缠线槽的高度范围，因此线圈运动范围内的磁感应强度大，使得该发电装置能够产生伏特级的电压和毫瓦级的能量，有较高的功率密度，能够为TPMS供电。
进一步地，结合图6，设每个圆柱形永磁铁1的高度为H1，每组线圈绕组2的高度为H2，线圈骨架3上的每个凸起高度为H3，每个内磁轭4的高度为H4，圆柱形永磁铁1和内磁轭4的半径均为R，线圈骨架3往复运动的路径长度为X1，满足H2=H4+X1，H1=X1+H4。
当内磁轭4高度H4满足H4=0.25R+0.3H1时，能够在限制发电装置总体积的情况下，产生更强的磁感应强度。
进一步地，所述一种用于智能轮胎的电磁式发电装置所附着车轮内壁位置所对应的车轮胎面不与地面接触时，受离心力的影响，N-1个线圈绕组2和线圈骨架3使远离车轮圆心的弹簧6压缩，并紧贴在远离车轮圆心的橡胶缓冲器5上；当发电装置所附着车轮内壁位置所对应的车轮胎面与地面接触时，结合图2，因轮胎形变使得N-1个线圈绕组2和线圈骨架3所受离心力突变为0，N-1个线圈绕组2和线圈骨架3受到下部弹簧弹力以及上部弹簧拉力作用以较快的速度做往复运动并切割磁感线形成感应电动势，产生的电流可经过导线通过外磁轭上的槽孔流入图3所示的整流电路中。
进一步地，在汽车的智能轮胎内安装两个本发明所述的电磁式发电装置，每个电磁式发电装置分别连接一个匹配的整流电路和一个超级电容，第一超级电容C1用于储能，第二超级电容C2用于为电压检测复位芯片U2供电。结合图3，第一电磁式发电装置输出电压经过整流电路将能量储存在第一超级电容C1中，第二发电装置输出电压经过整流电路将能量储存在第二超级电容C2中，当第二超级电容C2中的电压达到电压检测复位芯片U2的预设值时Vout端输出高电平，使得电子开关芯片U1导通，第一超级电容C1通过电子开关芯片U1的A端输出电压V1经过稳压之后可以为传感器供电，而当第二超级电容C2电压低于电压检测复位芯片U2的预设值时，电压检测复位芯片U2输出低电平，电子开关芯片U1断开，第二超级电容C2可以优先为第一超级电容C1供电，使得作为储能电容的第一超级电容C1能量充足。
实施例1：
取N=3，即由3个圆柱形永磁铁（N35）和2个内磁轭（steel008）组合以产生磁场，圆柱形永磁铁1的高度均为H1，圆柱形永磁铁1和内磁轭4的半径均为R，内磁轭4的高度均为H4，取H1=5mm，R=4mm，H4=2.5mm。如图4、图5所示，通过仿真可以得出发电装置内部磁场密度图和距离圆柱形永磁铁轴线6.5mm处沿线圈分布方向的磁感应强度图，由图5不难看出该方向上最大磁感应强度可达0.7T左右，并有0.4T左右的平均磁感应强度，即当H4满足H4=0.25R+0.3H1时，能够在限制装置体积的情况下获得更强的磁感应强度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种用于智能轮胎的电磁式发电装置，其特征在于：包括N个圆柱形永磁铁（1）、N-1组线圈绕组（2）、线圈骨架（3）、N-1个内磁轭（4）、两个橡胶缓冲器（5）、两根弹簧（6）和外磁轭（7），N=2~7；线圈骨架（3）为圆筒，线圈骨架（3）的圆周外壁上沿轴向等间隔分布N-1个缠线槽，使得线圈骨架（3）外壁上形成的凸起高度均相等；每个缠线槽内设有一组线圈绕组（2）；N个圆柱形永磁铁（1）和N-1个内磁轭（4）自上向下沿线圈骨架（3）的内壁交错排列，且圆柱形永磁铁（1）和内磁轭（4）分别与线圈骨架（3）的内壁留有充足间隙，位于顶端和底端圆柱形永磁铁（1）均部分伸出线圈骨架（3）；外磁轭（7）为圆柱形壳体，两个橡胶缓冲器（5）分别固定在外磁轭（7）的顶面内壁和底面内壁，N个圆柱形永磁铁（1）、N-1组线圈绕组（2）、线圈骨架（3）、N-1个内磁轭（4）均设置在外磁轭（7）内；两根弹簧（6）对称设置在线圈骨架（3）的两端，弹簧（6）套在伸出线圈骨架（3）的圆柱形永磁铁（1）外侧，并与线圈骨架（3）的端部固连，另一端嵌入橡胶缓冲器（5）；
相邻的两个圆柱形永磁铁（1）的充磁方向相反，相邻的两组线圈绕组（2）反向串联；
内磁轭（4）的高度小于缠线槽的高度，使得每个缠线槽的高度范围内对应有且仅有一个内磁轭（4）；
当发电装置线圈骨架（3）在弹簧（6）的作用下上下运动时，缠线槽对应的内磁轭（4）仍位于该缠线槽的高度范围；
设每个圆柱形永磁铁（1）的高度为H1，每组线圈绕组（2）的高度为H2，线圈骨架（3）上的每个凸起高度为H3，每个内磁轭（4）的高度为H4，圆柱形永磁铁（1）和内磁轭（4）的半径均为R，线圈骨架（3）往复运动的路径长度为X1，满足H2=H4+X1，H1=X1+H3；
当内磁轭（4）高度H4满足H4=0.25R+0.3H1时，能够在限制发电装置总体积的情况下，产生更强的磁感应强度。
2.根据权利要求1所述的用于智能轮胎的电磁式发电装置，其特征在于：弹簧（6）自然状态下压缩到最短时的长度小于橡胶缓冲器（5）的厚度，外磁轭（7）的高度小于轮胎极限受压状态下内部的高度。
3.根据权利要求2所述的用于智能轮胎的电磁式发电装置，其特征在于：线圈骨架（3）与外磁轭（7）间隙配合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Liang Inventor after: Zhang Yifei Inventor after: Wu Fan Inventor after: Xu Zhaoping Inventor before: Zhang Yifei Inventor before: Wu Fan Inventor before: Liu Liang Inventor before: Xu Zhaoping |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |