CN210669843U - 一种用于无电池胎压监测发射仪的发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于无电池胎压监测发射仪的发电装置，是对永磁体在线圈内做活塞运动发电结构的改进，包括线包1、永磁体2、空心管3和支撑体4，支撑体4为圆锥体或细棒，支撑体4的顶点顶住永磁体2，利用轮胎内存在的晃摆现象，使径向充磁的永磁体2在留有空隙的空心管3内线摆或者旋摆，这种摆动体现为永磁体2发出磁力线在空间的转动，线包1的线圈因此切割转动的磁力线发电；本实用新型的永磁体2为径向充磁且不做活塞运动，具有体积小，发电效率高的特点，适用于无电池胎压监测仪的研制和生产；安装该发电装置要考虑发射仪的重心。

Description

一种用于无电池胎压监测发射仪的发电装置

技术领域

本实用新型属于汽车配件领域，公开了一种用于无电池胎压监测发射仪的发电装置，适用于无电池胎压监测仪的研制和生产。

背景技术

目前的胎压监测仪几乎都内置一次性电池的方式为胎压测量集成电路和无线发射装置提供工作电能。夏天炎热的天气和地表日晒的高温导致轮胎内气温很高，因此要求一次性电池能够耐受较高的温度，故电池成本较高，数年的后电力耗尽后还需花钱更换新的电池，因此开发无电池的胎压监测仪具有重要意义，市场前景广阔。

显而易见，利用汽轮胎转动本身提供的动能自发电产生电能是一个较佳的途径，轮胎转动时，附于轮胎的胎压监测仪会随着轮胎转动，轮胎在路面上的颠振将传递到胎压监测仪，如果胎压监测仪内置发电装置，把这种颠振动能转化为电能，就可以不再内置一次性电池了，这就是所谓的无电池胎压监测发射仪，通常会带有发射天线把胎压数据发射到位于驾驶室的接收器上。

把动能转化为电能有很多方式，有处于技术前沿的磁致伸缩发电结构、压电能量收集结构等，更有传统而经典的电磁线圈感应发电，电磁感应发电一种很好的低成本发电方式，关键在于发电的结构是否达到高效率、小体积、低成本。现有已公开的技术中，比较多的发电结构是永磁体在线圈内做往复运动，这正是电磁感应发电的原理演示性结构。在汽车轮胎转动情况下，只要采取某种方式使永磁体能够在线圈内做往复运动，那么就能通过线圈切割磁力线产生感应电压，这种感应电通常是断续式的交流电，然后通过升压、整流、逆变等处理后，变成稳定的直流电，给电容充电或内置可反复充电的电池充电，把电量存储起来，当存储的电量满足至少一次检测胎内气压需要的能量时，触发胎压测量电路部分工作并为其短暂供电，再通过无线数据发射电路部分把胎压数据传递到驾驶室的接收器。当存储的电能不足时，胎压检测集成电路暂时回到节能状态，待下一次供电充足时再重新工作。

上面提到的永磁体在线圈内做往复运动的发电结构存在一个明显且不易消除的缺点：永磁体的充磁方向必须是往复运动方向，如果永磁体为圆柱体的话，那就是轴向充磁，由于永磁体的磁力线收发于两个与往复路径垂直的端面，这样使得线圈切割磁力线的效率不高，因此永磁体需要较长的运动距离才能充分切割磁力线发电，因此发电效率不高。真正能用于产品开发的结构必须有更好的效率和更小的结构，若这种普通的技术如果直接用于产品设计将冒着很大的风险，很容易被其他新型改进技术所超越和击败，本文就提出一种更好的发电结构，虽然同样采用线圈和永磁体，但是工作机制完全不同，可直接应用于无电池胎压监测发射仪产品中的发电装置的设计开发。

实用新型内容

基于众所周知的线圈切割磁力线发电的基本原理，提出一种结构优异的新型电磁感应发电装置，用于无电池胎压监测发射仪内置发电装置的开发和生产，具有结构简单、体积小、生产成本低、效率高的优点。

现有的永磁体在线圈内做往复运动的发电结构存在发电效率不高的根本原因是线圈切割磁力线的方式不是最优，为了弥补这个问题，永磁体只好完全脱出线圈一段距离，然后再完全进入线圈并从相反方向脱出，往复运动的距离比较长，自然难以实现小型化，而小型化的发电装置又是无电池胎压监测发射仪的非常重要的考虑因素。因此，这种比较原始而初级的发电结构只能算是基础方案，不算是优选的实用方案。

其实，线圈切割磁力线有很多方式，转变思路，不让永磁体做活塞运动且改变永磁体的充磁方向。为缩小装置体积，放弃永磁体做活塞运动的方式，改为永磁体重心基本保持不动，只要想办法使其围绕重心灵活地来回晃动，然后改变永磁体的充磁方向，使得磁力线将改直线运动为更优的旋转运动，那么磁力线的密集处将线圈直接相交，能更有效地切割磁力线，发电效率更高，关键是永磁体不做往复运动，不需要留出往复运动的空间，发电装置能做到小型化。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于无电池胎压监测发射仪的发电装置，包括线包和永磁体，被固定于偏重心的球形无电池胎压监测发射仪中并为其提供工作电能，无电池胎压监测发射仪的重心远离球心且位于所述线包的轴上；发电装置还包括空心管和支撑体；所述的线包绕制于空心管的外壁上；两端封闭的空心管内部设有所述的永磁体和所述的支撑体，封闭的空心管为永磁体和支撑体提供了容纳空间的同时限制了永磁体在空心管轴线方向的直线往复运动；永磁体为圆柱形或锣鼓形，较矮，高度不超过直径的1/2，其轴线与空心管轴线一致，空心管内壁和永磁体外壁之间设有空隙，使永磁体轴线在径向上能倾斜空心管轴向α角度，α的最大值在25°~45°之间；所述少弹性的支撑体固定于空心管封闭的一端，设有一个顶点与永磁体自然接触，所述顶点位于空心管轴线上；当空心管竖立放置被观察时，径向充磁的永磁体被所述顶点顶起后与线包等高；轮胎转动时，所述空心管随无电池胎压监测发射仪在轮胎内晃摆，离心力的作用使永磁体与顶点压力接触，永磁体在空心管内以顶点为支点在平面内直线摆动或摇头摆动，永磁体发出的磁力线在空间中以不超过2α的角度转动，线包内的线圈切割磁力线而产生断续形式的交流电，经过升压、整流等调理之后，为无电池胎压监测发射仪的气压测量电路部分和无线数据发射电路部分供电。

进一步地，所述支撑体为圆锥体，所述顶点为圆锥体的锥尖部，圆锥体的圆形底部固定于空心管封闭端；圆椎体采用不导磁的材料制成，包括塑料、橡胶。

进一步地，所述支撑体还可以为细棒，与空心管共轴，所述顶点为细棒与永磁体接触的端面，另一端固定于空心管封闭端；细棒采用不导磁的材料制成，包括塑料、铜。

具体地，所述空心管的截面包括圆管，椭圆管。

具体地，所述永磁体采用硬磁材料，包括铷铁硼。

优选地，所述线包有两根引线作为发电电压输出，线包由漆包线绕制而成，漆包线包括普通漆包线、热粘漆包线、醇粘漆包线，线径在0.01~0.1mm之间，匝数大于1500。

需要说明的是，本实用新型随无电池胎压监测发射仪在轮胎内晃动时，由于后者的重心安排和安装考虑，无电池胎压监测发射仪的晃摆除了有直线摆外，还有旋摇摆，所述旋摇指的是空心管在来回摆动过程中，其轴线的一端伴随做周向运动，类似于陀螺旋转时的轴线表现。永磁体晃摆发电最大的时候是永磁体磁极连线在永磁体摆动面内时，发电最小的时候是永磁体磁极连线与永磁体摆动面垂直时，直线摆和旋摇摆的共同作用使感应电动势的离散性增大，永磁体在晃摆时发出的脉冲形式的交流电的峰值有大有小，后级宜断续地收集高峰值电压能量，把电压整流后送入电容进行充电，当电容存储的电能足够时，再考虑稳压后为其他电路供电。另外，还需要说明的是，无电池胎压监测发射仪除了会发生晃摆外，还存在活塞直线运动，本实用新型不利用活塞运动发电。

可见，本实用新型是对传统线圈切割磁力线发电的技术的在胎压检测领域的结构的颠覆性改进，巧妙地利用支撑体的顶点对永磁体形成不稳定的支撑，再充分利用轮胎内存在的晃摆现象，使永磁体在特意留存空隙的空心管内来回晃动，这种机械晃动表现为永磁体发出磁力线在空间的转动，只要这种转动超过20°，线包的线圈就能高效地切割转动的磁力线发电。

本实用新型带来的有益效果是：与通常的永磁体在线圈内做往复运动的方式相比，本实用新型具有较大的优势：（1）永磁体的重心不动，只是在支撑体的顶点来回做倾斜性的晃动，因此该结构可以做到体积很小，便于小型化，而往复发电方式需要永磁体做较长的活塞运动，体积不易做小，而小体积发电正是无电池胎压监测发射仪的最重要的要求之一；（2）切割磁力线效率高，这得益于永磁体为径向充磁，永磁体和空闲管之间的特意留存的空隙使得永磁体在倾斜的情况下得到转动的磁力线，永磁体与线圈等高时，线圈直接切割从永磁体外柱面发出的密集磁力线，因此可以高效率地切割磁力线发电。

附图说明

此处附图包括用于说明本实用新型方案的实施例和运用方法示例，这些示意性的实施例及其说明的主要目的是解释本实用新型的技术方案，在构成本申请的一部分的同时，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1 实施例1的附图说明，支撑体为圆锥体。

图2 实施例2的附图说明，支撑体为细棒。

图3 本实用新型实施例在无电池胎压监测发射器中的典型运用示例，特别说明无电池胎压监测发射器的重心与本实用新型的安装之间的重要关系。

图中：

1—线包、2—永磁体、3—空心管、4—支撑体；

10—本实用新型的实施例、20—配重块、30—开有孔的弹性的空心球体、40—胎压监测仪的其他电路部分、50—无电池胎压监测仪、60—轮胎。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型的技术方案尽可能进行完整和清晰的阐述。

图1为本实用新型的实施例1，参考图1，本实施例包括线包1、永磁体2、空心管3和支撑体4，本例中，支撑体4为圆锥体，为阐述清晰起见，本段将直接把支撑体4描述为圆锥体；线包1是由漆包铜线绕制的多匝线圈，可以直接绕制在空心管3的外壁，也可以做成单独的部件套在空心管3的外面，空心管3充当了线包1的骨架，本例中的空心管3为圆管，封闭的空心管3为永磁体2和圆锥体提供了容纳空间，永磁体2在空心管3内沿着空心管3轴向运动的空间很小，也就是说，封闭的空心管3限制了永磁体2在空心管3轴线方向的直线运动，我们也不希望永磁体2在空心管3轴线方向运动；图1中，双点划线为永磁体2在静止时被支撑体4的顶点顶起的理想状态，此时可以看到永磁体2的外壁与空心管3的内壁之间设有空隙t，使得永磁体2以空心管3轴线为参考的话可在任意其他方向上最大倾斜α角度，如图1中实线的永磁体2的位置所示的那样；本例中，永磁体2最大倾斜角α为36.8°。以空心管3的轴向为高度方向观察的话，线包1与永磁体2处于等高位置，这样能使永磁体2来回倾斜时能良好地切割磁力线。图1中，圆锥体的圆形底部被固定于空心管3封闭的下端，其圆锥顶点的尖部就是所述的顶点，顶点作为支点与永磁体2的底部中央区域自然接触，两者之间没有硬性连接的情况；轮胎转动时，由于离心力的作用，永磁体2的离心力朝向圆锥体，永磁体2压向圆锥体，被圆锥体的尖部所顶起；当空心管3随无电池胎压监测发射仪在轮胎内晃动时，永磁体2在空心管3内以所述的顶点为支点来回晃摆，这种晃摆使永磁体2发出的磁力线在空间中来回转动，线包1内的线圈因切割磁力线而产生断续形式的交流电，经过升压、整流等调理之后，为无电池胎压监测发射仪的气压测量电路部分和数据发射电路部分供电。

支撑体4为圆锥体的情况下，圆锥体采用不导磁的材料制成，包括塑料、橡胶，一般可采用和空心管3相同的材料制成，工程上为降低成本，可与空心管3一起注塑成型。

空心管3采用不导磁的材料制成，包括塑料，比较好的材料是尼龙和亚克力，本例中空心管3采用圆管，当然也可以选用截面为回字形的管，也就是方管。

永磁体2截面形状与空心管3截面形状匹配，本例中，由于空心管3为圆管，永磁体2的外形可以圆柱体和与圆柱体相似而腰围鼓起的锣鼓形。当空心管3截面为回字形时，永磁体2的外形还可以是方形。

值得强调的是，本实用新型所有实施例的永磁体2的充磁方向都是径向，如图1和图2中的N、S标记所示的那样，如果错误地轴向充磁，则几乎不能发电。

为了更好地切割磁力线，永磁体2应选用磁性比较强的硬磁材料比如钕铁硼磁铁，体积大小应选用大一些，以使磁场更强，从而使发出的电压更高，但体积毕竟受到装置的整体大小限制，不可能选择得太大，要综合考虑。永磁体2的高度尺寸小于或等于宽度尺寸的1/2，如果永磁体2为圆柱体，那么就是圆柱的高度小于或等于圆柱的直径的1/2，也就是通常看起来的矮胖形状，这是因为矮胖的永磁体2不但能使得空心管3的长度减小，有利于缩小发电装置的体积，还有利于磁力线密集地从尺寸较短的侧面进出，直接与线圈相交叉，有利于线圈集中地切割磁力线；本例中，永磁体2采用直径为9mm，高度为4mm的钕铁硼磁铁。

线包1一般有两根引线作为发电电压输出，为简明起见，在图1中并未画出；一般线包1由很细的漆包线绕制而成，漆包线可选择普通漆包线、热粘漆包线、醇粘漆包线，线径在0.01mm~0.1mm之间，匝数至少大于1500；本例中绕制线包1的线径为0.05mm，绕制匝数为3000匝。

本例主要参数如下：圆管外径14mm，内径12mm，高度12.5mm；永磁体直径9mm，高度4mm；永磁体的外壁与圆管的内壁之间的空隙t为1.5mm，永磁体最大倾斜角α为36.8°；线包内漆包铜线线径0.05mm，共绕制3000匝，发电脉冲的最高峰值大约为~3.2V。

这里说明一下发电脉冲的后续处理，本实施例发出的脉冲形式的交流电压不能直接使用，这个电压还需要在后级处理时最好通过变压器升压3~5倍，然后进行整流、DC-DC变换成稳定直流电，存储到电容中；具体就是通过微型贴片变压器升压，然后经过肖特基整流桥整流为脉动直流，给电容充电，当电容上的电压达到一定程度时，再经过DC-DC转换变成比较稳定的直流电比如+3.0V，给另一个电容充电，把直流电存储起来，同时唤醒电池胎压监测发射仪的气压测量电路部分和数据发射电路部分的工作，完成一次测量和发射，当电能不足时，气压测量电路部分和数据发射电路部分进入休眠或失电状态，以等待下次电能充足是再次工作；上述后级处理可直接采用AD公司LTC3588之类的能量收集器来完成，简单地说，就是后级可以采用一个变压器和一个LTC3566的集成电路外加几个电容来实现。本例中，线包匝数为3000匝，如果绕制6000匝，那么发电脉冲最高峰值达到6.4V，就完全没有必要使用升压变压器了，但是线包绕制难度会明显加大，设计者可自行取舍。

图2为本实用新型的实施例2，其中，除了支撑体4为细棒外，其他与实施例1相同，此处不再赘述。

下面阐述一下实施例在无电池胎压监测发射仪中的应用。球形的无电池胎压监测发射仪看起来像一个球体，被自由地放置在轮胎中，球体的重心被故意控制，使其不在球心，而是偏向球心的某一侧，如此设计使得当轮胎以中高速转动起来并匀速行驶时，球形的无电池胎压监测发射仪将不会在轮胎内滚动，而是在离心力的作用下，贴在轮胎内壁上随轮胎一起转动；与此同时，球体重心侧的外表面将贴紧轮胎内壁，并以此为支点摇晃摆动，而远离重心的另一侧球体外表面则始终朝向轮胎的转动中心且晃动摇摆的幅度较大，这种晃动摇摆现象产生的原因是因为路面不平和车轮转向所致；只要我们在安装本实用新型实施例时，使所述的空心管3的轴线经过球体重心，且使支撑部的顶点朝向轮胎的旋转中心，这样，离心力使得永磁体被顶在所述支撑部的顶点上，随着球体以球体重心侧的外表面为支点摇摆的同时一起摇摆，从而使线包中线圈切割转动的磁力线发电，满足本实用新型所提出结构的最佳工作条件，达到发电的目的。如果在汽车加速或减速阶段，球形的无电池胎压监测发射仪会在轮胎内壁上滚动而不是上述的摇晃摆动，这种滚动也会引起永磁体的转动使发电成为可能，只是发电效果没有匀速行驶时好而已。

由于路面的上下颠振也可能使永磁体存在在空心管内沿轴线直线运动的现象，从实施例的图例可以看出，空心管限制了永磁体在轴向上的运动，永磁体在轴线上运动距离很短，而且由于永磁体为径向充磁，不利于线圈这种切割磁力线的方式，因此上下颠振的情况发电很小，几乎可以不考虑，本实用新型永磁体采用径向充磁，与利用颠振动能的线圈活塞式发电存在本质的不同，本实用新型利用晃动动能发电。

图3出示了本实用新型在无电池胎压监测发射仪中的一种典型应用例，无电池胎压监测发射仪50被自由地放置在轮胎60中，有一个开有透气孔且具有弹性的空心球壳30作为外壳，一个虚框表示的配重块20来控制其重心，使重心不在球心而是偏向球心的某一侧；本实用新型的实施例10的安装须保证发射仪50的重心位于本实用新型任意实施例10之空心管3的轴线上，如此当轮胎60以中高速转动起来后，在离心力的作用下，无电池胎压监测发射仪50之球壳30靠近重心的一侧与轮胎60的内壁接触，并以此为支点紧贴在轮胎60的内壁上晃动摇摆线摆和旋摆并伴随有上下颠振，汽车行驶过程中，发射仪50的重心与球心的连线与空心管3的轴线基本保持共线关系，这样就能使本实用新型良好地工作起来。本实用新型实施例10的大小在球体内大致如图3所示，留出的其他地方用于布局胎压监测仪的其他电路部分40，如图3中的虚框所示。

至于配重块20的材料可以是比重比较大且不导磁原料，也可以是胎压监测发生器的某个零部件组成，只要能使整个球体的重心远离圆心，比如当本实用新型的实施例比较重而其他部分相对较轻的情况下，实施例本身的重量就起到了控制重心的作用，不再需要其他配重块，控制重心的方案，本实用新型不必也不能在此做出限定。

需要注意的是，发电的电压高低和永磁体2偏斜的方向有关，当倾斜的方向与空心管3轴线和充磁方向所形成平面垂直时发电电压最小，当倾斜的方向在空心管3轴线和充磁方向所形成平面内时发电电压最大，由于轮胎内存在各种形式的晃动，从统计角度看，永磁体2会朝着各个方向偏斜，因此发电功能是完全可以得到保证的。

需要说明的是，上面关于本实用新型的典型应用的描述说明，其目的仅限于对本实用新型的进一步说明，即通过应用场景举例帮助阅读者加深对技术方案的理解，并不构成对本实用新型发明用途的不当限制。

还需要说明的是，那些在实用新型基础上的轻微变化的、很容易想到的方案将被纳入本实用新型的保护范围，比如把支撑体更换成一根穿过永磁体轴心的细铜针，或者在永磁体的另一侧增设一个额外的支撑体，或者把细棒改为曲棒，或者在支撑体上面增加一个小弹簧，诸如此类。为了便于阐述说明和理解，本实用新型并没有把它们作为实施例和权利而提出，但显而易见，这些轻微改变都基于本实用新型且都基于同一个相同的技术原理，用顶点结构使径向充磁的永磁体晃摆来充分利用轮胎内广泛存在的晃摆现象发电。

Claims (3)

1.一种用于无电池胎压监测发射仪的发电装置，其特征在于：包括线包（1）和永磁体（2），被固定于偏重心的球形无电池胎压监测发射仪中并为其提供工作电能，无电池胎压监测发射仪的重心远离球心且位于所述线包（1）的轴上；发电装置还包括空心管（3）和支撑体（4）；所述的线包（1）绕制于空心管（3）的外壁上；两端封闭的空心管（3）内部设有所述的永磁体（2）和所述的支撑体（4），永磁体（2）为圆柱形或锣鼓形，较矮，高度不超过直径的1/2，其轴线与空心管（3）轴线一致，空心管（3）内壁和永磁体（2）外壁之间设有空隙，使永磁体（2）轴线在径向上能倾斜空心管（3）轴向α角度，α的最大值在25°~45°之间；少弹性的所述支撑体（4）固定于空心管（3）封闭的一端，设有一个顶点与永磁体（2）自然接触，所述顶点位于空心管（3）轴线上；当空心管（3）竖立放置被观察时，径向充磁的永磁体（2）被所述顶点顶起后与线包（1）等高；轮胎转动时，所述空心管（3）随无电池胎压监测发射仪在轮胎内晃摆，离心力的作用使永磁体（2）与顶点压力接触，永磁体（2）在空心管（3）内以顶点为支点在平面内直线摆动或摇头摆动，永磁体（2）发出的磁力线在空间中以不超过2α的角度转动，线包（1）内的线圈切割磁力线而产生断续形式的交流电。

2.根据权利要求1所述的用于无电池胎压监测发射仪的发电装置，其特征在于：所述支撑体（4）为圆锥体，所述顶点为圆锥体的锥尖部，圆锥体的圆形底部固定于空心管（3）封闭端。

3.根据权利要求1所述的用于无电池胎压监测发射仪的发电装置，其特征在于：所述支撑体（4）还可以为细棒，与空心管（3）共轴，所述顶点为细棒与永磁体（2）接触的端面，另一端固定于空心管（3）封闭端。

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