DE19953489C1

DE19953489C1 - Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie durch die Abrollbewegung eines Kraftfahrzeugrades

Info

Publication number: DE19953489C1
Application number: DE1999153489
Authority: DE
Inventors: Ivar Veit
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental AG
Priority date: 1999-11-06
Filing date: 1999-11-06
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2019-11-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung durch die Abrollbewegung eines aus Reifen und Felge bestehenden Kraftfahrzeugrades zur Versorgung von bzw. zum Betreiben einer im Kraftfahrzeugrad untergebrachten Vorrichtung, insbesondere eines Senders. Bei diesem Verfahren tritt der beim Abrollen des Fahrzeugrades einfedernde Stahlgürtelverband (3) als schwingendes, magnetisch leitfähiges und flächigen Gebilde mit einem an der Felge (2) befestigten elektromagnetischen Aufnahme-Wandler (4, 4') in Wechselwirkung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie durch die Abrollbewegung eines aus Reifen und Felge bestehenden Kraftfahrzeugrades zur Versorgung oder zum Betreiben einer im Kraftfahrzeugrad untergebrachten Vorrichtung, insbesondere eines Senders, wobei ein an der Felge befestigter elektromagnetischer Aufnahme-Wandler mit einem mit der Felge umlaufenden Permanentmagneten in Wechselverbindung tritt, und der Reifen einen Stahlgürtelverband aufweist.

Ein solches Verfahren ist bereits aus der DE 37 28 690 C2 bekannt. Das Verfahren wird mit einem elektrischen Generator durchgeführt, der sich mit dem Kraftfahrzeugrad dreht. Der Generator weist in einem Gehäuse einen Permanentmagneten und eine Spule auf. Zwischen dem Permanentmagneten und dem Gehäuse ist ein Getriebe vorgesehen, mit dessen Hilfe zwischen dem Permanentmagneten und der Spule ein Drehfeld erzeugt wird, das eine wesentlich höhere Winkelgeschwindigkeit aufweist als das sich drehende Rad. Mit dem aus der Druckschrift bekannten Generator ist sichergestellt, dass auf Grund der hohen Winkelgeschwindigkeit des Drehfeldes auch dann bereits Energie erzeugt werden kann, wenn das Rad selbst sich nur mit einer geringen Winkelgeschwindigkeit dreht. Es ist jedoch festzustellen, dass der Generator einen aufwendigen Aufbau aufweist.

Aus der US-A 4 510 484 ist es überdies bekannt, die während des Abrollens eines Fahrzeugrades auftretenden Schwingungen dafür zu nutzen, elektrische Energie zur Versorgung eines Senders zur drahtlosen Übertragung von Signalen zu einem Empfänger zu erzeugen. Im Fahrzeugrad untergebrachte Sensoren liefern dabei jene Informationen über den Betriebszustand eines Reifens, wie beispielsweise Innendruck, Temperatur etc., die an den im Fahrzeug befindlichen Empfänger zur Auswertung und Anzeige übermittelt werden. Die elektrische Spannung stammt von einem piezoelektrischen, streifenförmigen Element, welches sich in Folge der auftretenden Schwingungen verformt. Die gesamte Vorrichtung ist relativ aufwändig aufgebaut, insbesondere um das piezoelektrische Element vor etwaigen Kurzschlüssen und auch vor unerwünschten physikalischen Einwirkungen, vor Stößen etc., zu schützen.

Bei allen weiteren bekannten Telemetrie-Vorrichtungen, die im Inneren eines Kraftfahrzeugrades untergebracht sind, wird die erforderliche elektrische Versorgung mittels Batterien sichergestellt. In diesem Fall besteht daher eine Abhängigkeit von der Lebensdauer der Batterien. Problematisch kann ferner die Energieversorgung bei niedrigen Außentemperaturen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß der DE 37 28 690 C2 so zu verbessern, dass das Verfahren einfache und robust aufgebaute Komponenten verwendet.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der beim Abrollen des Fahrzeugrades einfedernde Stahlgürtelverband zusammen mit dem Permanentmagneten ein schwingendes, magnetisch leitfähiges und flächiges Gebilde bildet, das in dem elektromagnetischen Aufnahme-Wandler eine Wechselspannung induziert.

Bei der gegenständlichen Erfindung wird daher die beim Abrollen des Fahrzeugrades am Untergrund stattfindende Einfederung des Reifens, bei der auch der Stahlgürtelverband fortwährend abgeplattet wird, dazu genutzt, in einem im Inneren des Fahrzeugrades untergebrachten und mitrotierenden elektromagnetischen Wandler eine elektrische Wechselspannung zu induzieren. Das Verfahren nützt daher einen bereits vorhandenen Teil, den Stahlgürtelverband, was für eine einfache und zuverlässige Erzeugung von elektrischer Energie von Vorteil ist, wobei die dazu erforderlichen sonstigen Komponenten robust und einfach aufgebaut sein können.

Für das gemäß der gegenständlichen Erfindung sehr einfach arbeitende Verfahren wird als Aufnahme-Wandler lediglich ein mit einer Wicklung versehener Weicheisenkern mit einem eingefügten Permanentmagneten benötigt. Soll mehr elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden, so können auch zwei und mehr Aufnahme-Wandler vorgesehen werden. Die Anordnung von mehr als einem Aufnahme-Wandler im Reifen hat ferner den Vorteil, dass eine etwaige Unwucht vermieden oder gering gehalten werden kann.

Auch die Weiterverarbeitung der Wechselspannung in einer elektrischen Schaltung gestaltet sich einfach, da die Schaltung im Wesentlichen nur einen Gleichrichter und einen Puffer zu umfassen braucht.

Von Vorteil ist es ferner, wenn die elektrische Schaltung auch einen Aufwärtsschaltregler oder einen Festspannungsregler umfasst. Dabei kann die Schaltung auch als integrierte Schaltung ausgeführt sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise dafür genutzt, eine im Inneren des Kraftfahrzeugrades untergebrachte Telemetrie-Vorrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung näher beschrieben. Sämtliche Zeichnungsfiguren sind schematische Darstellungen. Dabei zeigen

Fig. 1 einen entlang der Äquatorialebene durchgeführten Schnitt durch ein aus Reifen und Felge bestehendes Kraftfahrzeugrad und

Fig. 2 und 3 Blockschaltbilder.

Der gegenständlichen Erfindung liegt das elektromagnetische Wandlerprinzip zu Grunde, wonach ein flächiges, magnetisch leitfähiges Material, welches vor den Polen eines mit einer Wicklung versehenen Elektromagneten in Schwingungen versetzt wird, in der Wicklung eine elektrische Wechselspannung induziert.

Die Rolle des flächigen, magnetisch leitfähigen Materials übernimmt bei der Erfindung der Stahlgürtelverband eines Fahrzeugluftreifens. Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Wirkungsweise der Erfindung bei einem nur schematisch dargestellten Fahrzeugluftreifen 1, welcher ein Reifen beliebigen Typs, beispielsweise ein PKW- Reifen oder ein LKW-Reifen sein kann. Ebenfalls nur schematisch ist die Felge 2 eingezeichnet, auf welcher der Reifen 1 montiert ist. In jedem Fall handelt es sich um einen Fahrzeugluftreifen, welcher mit einem Stahlgürtelverband 3 versehen ist. Ein Stahlgürtelverband 3 kann bei einem PKW-Reifen beispielsweise zumindest zwei Lagen von in eine Gummimischung eingebetteten Stahlkorden umfassen. Innerhalb jeder Lage verlaufen die Stahlkorde parallel zueinander, die Fadenteilung wird zwischen 70 und 120 Korde pro 10 cm gewählt. Die Stahlkorde verlaufen ferner unter einem spitzen Winkel zur Umfangsrichtung des Reifens 1, wobei die Stahlkorde der einen Lage zu den Stahlkorden der anderen Lage gekreuzt angeordnet sind.

Der Stahlgürtelverband 3 stellt somit ein flächenhaftes und magnetisch leitfähiges Gebilde dar. Auf der Felge 2 ist ein elektromagnetischer Aufnahme-Wandler 4, welcher aus einem von einer Wicklung umgebenen Weicheisenkern (Elektromagnet) mit einem Permanentmagneten besteht, befestigt. Die mit einer Wicklung versehene Kern- Magnet-Anordnung macht somit die Rotationsbewegungen der Felge 2 und daher des gesamten Fahrzeugrades mit. Bei einer Fahrgeschwindigkeit von beispielsweise etwa 70 km/h rotiert das Fahrzeugrad mit einer Frequenz von 10 Umdrehungen pro Sekunde. Während des Abrollens des Reifens 1 am Untergrund federt der Reifen 1 ein und es wird der Stahlgürtelverband 3 beim Durchlaufen der Aufstandsfläche fortlaufend abgeplattet. Dies ist in Fig. 1 durch den abgeplatteten Bereich am Reifenumfang verdeutlicht. Bei PKW-Reifen 1 beträgt der Einfederungsweg je nach Reifendimension in der Größenordnung zwischen 25 und 30 mm. Beim Abrollen des Reifens 1 wird somit der Luftspalt zwischen dem Stahlgürtelverband 3 und dem Aufnahme-Wandler 4 mit der der jeweiligen Geschwindigkeit entsprechenden Frequenz periodisch variiert, was in der Wicklung des Elektromagneten die Induktion einer elektrischen Wechselspannung zur Folge hat. Die erzeugte elektrische Wechselspannung wird an der Wicklung abgenommen und weiterverarbeitet.

Wie das Blockschaltbild aus Fig. 2 zeigt, wird die Wechselspannung mit Hilfe eines Gleichrichter 5 gleichgerichtet und mittels eines Kondensators 6 von entsprechender Kapazität gepuffert. Zur Erzielung einer drehzahlunabhängigen Gleichspannung wird ferner ein Festspannungsregler 7 vorgesehen. Die derart entstehende Gleichspannung kann dazu verwendet werden, im Reifeninneren befindliche Vorrichtungen mit elektrischer Energie zu versorgen. Eine solche Vorrichtung kann insbesondere eine elektronische Telemetrie-Vorrichtung sein, also ein Sender, über welchen von Sensoren kommende Daten über den Zustand des Fahrzeugreifens 1, beispielsweise Temperatur und Innendruck erfasst und leitungsfrei in das Fahrzeuginnere zu einem Empfänger übertragen werden, wo die Weiterverarbeitung der Signale erfolgt.

Um eine etwaige Unwucht im Reifen 1 durch den Aufnahme-Wandler 4 möglichst gering zu halten, kann, was ebenfalls Fig. 1 zeigt, auf der gegenüberliegenden Felgenseite noch ein zweiter mit einer Wicklung versehener Elektromagnet mit übereinstimmender Funktion angebracht werden. Selbstverständlich ist es auch denkbar, mehr als zwei elektromagnetische Aufnahme-Wandler 4 im Kraftfahrzeugrad unterzubringen. Auf diese Weise kann eine wesentlich höhere elektrische Spannung gewonnen werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit der Umwandlung der elektrischen Wechselspannung in eine Gleichspannung unter Einsatz eines Aufwärtsschaltreglers 8. Auch in diesem Blockschaltbild sind der Vollständigkeit halber der Gleichrichter 5 und der Kondensator 6 eingezeichnet.

Es hat sich herausgestellt, dass durch die Erfindung unter Einsatz eines einzigen elektromagnetischen Aufnahme-Wandlers 4 eine elektrische Gleichspannung von ≧ 3 Volt bei einer Stromstärke ≧ 10 mA bereitgestellt werden kann. Dies ist in jedem Fall ausreichend für die Speisung einer Vorrichtung zur telemetrischen Datenübertragung.

Im Rahmen der gegenständlichen Erfindung können ferner auch integrierte Schaltungen, die bereits Festspannungsregler oder Aufwärtsspannungsregler enthalten, eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie durch die Abrollbewegung eines aus Reifen und Felge bestehenden Kraftfahrzeugrades zur Versorgung oder zum Betreiben einer im Kraftfahrzeugrad untergebrachten Vorrichtung, insbesondere eines Senders,

- wobei ein an der Felge (2) befestigter elektromagnetischer Aufnahme-Wandler (4, 4') mit einem mit der Felge (2) umlaufenden Permanentmagneten in Wechselwirkung tritt, und
- der Reifen einen Stahlgürtelverband (3) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass

- der beim Abrollen des Fahrzeugrades einfedernde Stahlgürtelverband (3) zusammen mit dem Permanentmagneten ein schwingendes, magnetisch leitfähiges und flächiges Gebilde bildet, das in dem elektromagnetischen Aufnahme-Wandler (4, 4') eine Wechselspannung induziert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- der elektromagnetische Aufnahme-Wandler (4, 4') ein mit einer Wicklung versehener Weicheisenkern ist und der Permanentmagnet an dem Aufnahme- Wandler (4, 4') angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- zumindest zwei elektromagnetische Aufnahme-Wandler (4, 4') vorgesehen sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass

- die an der Wicklung entnommene Wechselspannung in einer elektrischen Schaltung gleichgerichtet und gepuffert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass

- die die Wechselspannung verarbeitende elektrische Schaltung einen Festspannungsregler (7) umfasst.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass

- die die Wechselspannung verarbeitende elektrische Schaltung einen Aufwärtsschaltregler (8) umfasst.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass

- die die Wechselspannung verarbeitende elektrische Schaltung eine integrierte Schaltung ist.