JP2010200479A - Power generator inside tire - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高電力を得ることの可能なタイヤ内発電装置に関する。 The present invention relates to an in-tire power generator capable of obtaining high power.
タイヤ内の温度や圧力を検出するTPMS(タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム)等のセンサ+無線を有するデバイスをタイヤ気室内に設置してタイヤモニタリングを実施する場合に、そのデバイスに電力を供給するタイヤ内発電装置が知られている(特許文献1等参照)。 When a device with a sensor and radio such as a TPMS (tire pressure monitoring system) that detects the temperature and pressure in the tire is installed in the tire chamber and tire monitoring is performed, power is supplied to the device. An in-tire power generation device is known (see Patent Document 1).
しかしながら、従来のタイヤ内発電装置では、高電力を得ることができないという課題があった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、高電力を得ることができるタイヤ内発電装置を提供する。
However, the conventional in-tire power generator has a problem that high power cannot be obtained.
The present invention has been made in view of the above problems, and provides an in-tire power generator that can obtain high power.
本発明に係るタイヤ内発電装置によれば、タイヤの気室内に取付けられる発電装置において、車両走行時のタイヤに加わる遠心力の変化に応じて直線往復移動可能に設けられた発電用磁石と、発電用磁石の移動を案内するガイドと、発電用磁石との電磁誘導作用により電流を発生するコイルと、発電用磁石を反発させる反発手段とを備え、発電用磁石は、ガイドに沿った方向に複数の単位磁石が積層された構成としたので、磁束密度が上がり、高電圧を発生して、高電力を得ることができるタイヤ内発電装置となる。
反発手段が反発用磁石であるので、タイヤの遠心力のON/OFFにより発電用磁石を直線往復移動させることができるので、効率的に高電圧を発生できる。
反発用磁石に近い側に位置する単位磁石のガイドに沿った方向の厚さを他の単位磁石よりも厚くしたので、発電用磁石と反発用磁石との間に作用する反発力を大きくでき、タイヤ内発電装置が取付けられているタイヤの内面の裏側に位置するトレッド面が接地している時の位置エネルギーを最大限に稼ぐことができるので、遠心力発生時に発電用磁石がコイルを横切る速度を速くでき、高い電圧を発生できるようになる。
反発用磁石の発電用磁石側の面とガイドに沿った方向でのコイルの反発用磁石側の一端との間の最短距離を、単位磁石のうちのガイドに沿った方向の厚さの最小値に相当する長さに設定したので、発電用磁石の直線往復移動位置とコイルの位置とを一致させることができ、漏洩磁束を少なくできて、高電圧を発生できるようになる。
発電用磁石と、ガイドと、コイルと、反発手段とを収納する閉空間が、ガイドとしてのガイド棒の一端及び反発手段の一端が取付けられたベースと、発電用磁石の外周面と対向する筒内周面を備えた一端開放他端閉塞の有底の筒状に形成されたケースとが組み合わされて形成され、コイルがケースの内周面に固定されたので、発電用磁石とコイルとの距離を近くでき、漏洩磁束を少なくできて、高電圧を発生できるようになる。
ケースが空気逃がし孔を備えたので、ケースの内周面と発電用磁石の外周面との間の距離を小さくしても、タイヤの遠心力によって発電用磁石が直線往復移動する際の空気抵抗が少なくなり、発電用磁石をスムーズに直線往復移動させることができるようになり、効率的な発電作用を実現できる。
コイルの内周面と発電用磁石の外周面との間の距離を、発電用磁石の径寸法の1/10にしたので、漏洩磁束を少なくできて、高電圧を発生できるようになる。
コイルの巻線として、断面矩形状の平角線を用いたので、巻線抵抗減少と巻数増加が図れ、巻線密度を向上できるので、発電効率が高まる。
According to the in-tire power generation device according to the present invention, in the power generation device mounted in the tire chamber, a power generation magnet provided so as to be capable of linear reciprocation according to a change in centrifugal force applied to the tire during vehicle travel, A guide that guides the movement of the power generation magnet, a coil that generates a current by electromagnetic induction with the power generation magnet, and a repelling means that repels the power generation magnet, the power generation magnet in a direction along the guide Since a plurality of unit magnets are stacked, the magnetic flux density is increased, a high voltage is generated, and the in-tire power generator can obtain high power.
Since the repulsion means is a repulsion magnet, the power generation magnet can be linearly reciprocated by turning on / off the centrifugal force of the tire, so that a high voltage can be generated efficiently.
Since the thickness in the direction along the guide of the unit magnet located on the side closer to the repulsion magnet is made thicker than other unit magnets, the repulsive force acting between the power generation magnet and the repulsion magnet can be increased, Since the potential energy when the tread surface located behind the inner surface of the tire to which the in-tire power generator is attached is grounded can be maximized, the speed at which the generating magnet crosses the coil when centrifugal force is generated And a high voltage can be generated.
The shortest distance between the surface on the magnet side for power generation of the magnet for repulsion and one end on the magnet side for repulsion of the coil in the direction along the guide is the minimum thickness of the unit magnet in the direction along the guide Therefore, the position of the linear reciprocating movement of the power generating magnet and the position of the coil can be matched, the leakage magnetic flux can be reduced, and a high voltage can be generated.
A cylinder in which a closed space for housing a power generating magnet, a guide, a coil, and a repelling means is opposed to a base on which one end of a guide rod and one end of a repelling means are attached as a guide, and an outer peripheral surface of the power generating magnet Since the case formed in a cylindrical shape with a closed end with one end open and the other end closed with an inner peripheral surface is formed and the coil is fixed to the inner peripheral surface of the case, the power generation magnet and the coil The distance can be reduced, the leakage magnetic flux can be reduced, and a high voltage can be generated.
Since the case has an air escape hole, even if the distance between the inner peripheral surface of the case and the outer peripheral surface of the power generation magnet is reduced, the air resistance when the power generation magnet reciprocates linearly due to the centrifugal force of the tire. And the power generation magnet can be smoothly reciprocated linearly, and an efficient power generation operation can be realized.
Since the distance between the inner peripheral surface of the coil and the outer peripheral surface of the power generation magnet is set to 1/10 of the diameter of the power generation magnet, the leakage magnetic flux can be reduced and a high voltage can be generated.
Since a rectangular wire having a rectangular cross section is used as the winding of the coil, the winding resistance can be reduced and the number of turns can be increased, and the winding density can be improved, thereby increasing the power generation efficiency.
形態1
図1,2に示すように、本形態1に係るタイヤ内発電装置1は、ベース2と、発電用磁石の移動を案内するガイド棒3と、リニアベアリング4と、磁気ばねとして作用して発電用磁石を反発させる反発手段としての磁石(以下、反発用磁石5という)と、車両走行時のタイヤに加わる遠心力の変化に応じて直線往復移動可能に設けられた磁石(以下、発電用磁石6)と、ケース7と、発電用磁石6との電磁誘導作用により電流を発生するコイル8とを備える。
ベース2は、円板により形成される。ガイド棒3は、丸棒により形成される。
ガイド棒3は、ベース2を形成する円板の一方の円面18の円中心より円面と直交する方向に延長するように設けられる。このベース2及びガイド棒3は、一体に形成されたものでもよいし、個々の別体に形成されたものが互いに結合されて形成されたものでもよい。
反発用磁石5は、ガイド棒3が貫通する中心孔9を備えた円板形状に形成され、中心孔9にガイド棒3を通して円板面10とベース2とが接着される。反発用磁石5の円板の外周径はベース2の円板の外周径よりも小さい。
リニアベアリング4は、図示しないが、外筒と、外筒の内側に設けられた保持筒と、保持筒の内部に設けられた多数のボールとにより形成される。保持筒の内面には、筒の中心軸に沿った方向に延長する複数の溝が周方向に所定の間隔を隔てて形成されており、複数のボールが当該溝に沿って極めて円滑に無限循環運動を行う構造になっている。即ち、ガイド棒3が保持筒の筒孔を貫通するように、リニアベアリング4がガイド棒3に取付けられ、リニアベアリング4の保持筒の溝より露出するボールとガイド棒3の外周面とが摺動することで、ガイド棒3の外周面とボールとが転がり接触しながら低い転がり摩擦で相対移動を行うことができる。転がり摩擦係数μが0.005である。
発電用磁石6は、円の中心にリニアベアリング4の筒の外周面に嵌め込まれる中心孔11を備えた円板形状の磁石である。発電用磁石6の中心孔11がリニアベアリング4の筒の外周面に嵌め込まれて、発電用磁石6がリニアベアリング4と同心となるようにリニアベアリング4に固定される。これにより、車両走行時のタイヤに加わる遠心力の変化に応じて発電用磁石6がリニアベアリング4を介してガイド棒3上をガイド棒3の延長方向に直線往復移動可能に構成される。この場合、リニアベアリング4を備えているので、ガイド棒3との摩擦抵抗を少なくでき、発電用磁石6が精度良く直進往復運動を行う。発電用磁石6は、円の中心にリニアベアリング4の筒の外周面に嵌め込まれる中心孔11を備えた複数個の円板形状の単位磁石15がガイド棒3に沿った方向に積層された構成である。単位磁石15は、円板の一方の円面16側が「N」極に着磁され、円板の他方の円面側が「S」極に着磁されたものである。発電用磁石6は、図1に示すように、例えば、2枚の単位磁石15の一方の円面16同士、又は、他方の円面同士が接着されて形成される。即ち、単位磁石15同士は、同極に着磁された面同士が接着されて発電用磁石6を構成する。発電用磁石6と反発用磁石5との互いに向かい合う円面同士は同極に形成され、これにより、発電用磁石6が反発用磁石5に近づいた場合に発電用磁石6が反発用磁石5により反発して反発用磁石5より離れる方向に移動する。
ケース7は、一端開放他端閉塞の有底の同径筒状に形成される。ケース7の筒の内周径は、発電用磁石6の外周径及び反発用磁石5の外周径よりも大きく、ケース7の筒の外周径は、ベース2の外周径よりも小さい。
コイル8は、ケース7の筒の内周面14に固定される。コイル8は、ケース7の内周面14の周方向にN回(例えば100回)巻き回された構成である。ケース7に固定されたコイル8の内周径は、発電用磁石6の外周径よりも大きい。
ケース7の一端開放端面とベースの一方の円面18とを接触させ、ケース7の他端閉塞蓋19の内面に形成されたガイド棒支持孔20にガイド棒3の他端を嵌め込むことによって、ケース7とベース2とで形成された閉空間21内に、ガイド棒3、発電用磁石6、反発用磁石5、コイル8が収納されたタイヤ内発電装置1が構成される。
Form 1
As shown in FIGS. 1 and 2, the in-tire power generation device 1 according to the present embodiment 1 generates power by acting as a
The
The
The
Although not shown, the
The power generation magnet 6 is a disc-shaped magnet having a
The case 7 is formed in a cylindrical shape with a bottom having one end open and the other end closed. The inner peripheral diameter of the cylinder of the case 7 is larger than the outer peripheral diameter of the power generation magnet 6 and the outer peripheral diameter of the
The
By bringing one end open end surface of the case 7 into contact with one
ケース7には、筒の内周面14と外周面とを貫通する空気逃がし孔22が形成される。空気逃がし孔22は、発電用磁石6の平衡位置よりもベース2側に少なくとも1つ、発電用磁石6の平衡位置よりも他端閉塞蓋19側に少なくとも1つ設けられる。これにより、ケース7の内周面14と発電用磁石6の外周面23との間の距離を小さくしても、タイヤの遠心力によって発電用磁石6が直線往復移動する際の空気抵抗が少なくなり、発電用磁石6をスムーズに直線往復移動させることができるようになり、効率的な発電作用を実現できる。
The case 7 is formed with an
以上のように構成されたタイヤ内発電装置1は、ベース2の他方の円面がタイヤ気室内の例えばトレッド面裏面に相当する位置に固定される。そして、車を走行させると、タイヤ内振動でもっともエネルギーの高い遠心力の変動により、発電用磁石6がガイド棒3の延長方向に直線往復移動を行う。タイヤ内の遠心力F=m×V2/r(mはタイヤ内発電装置1の質量、Vは車輪速度、rはタイヤ半径)は、接地時以外においては、V2/rにより決まり、接地時には0になる。これにより、発電用磁石6がガイド棒3の延長方向に直線往復移動を行う。そして、発電用磁石6がコイル8を横切るたびに、電圧が発生する。この電圧が整流回路25を通して充電回路26に充電され、デバイス27に供給される。
In the in-tire power generation device 1 configured as described above, the other circular surface of the
形態1によれば、発電用磁石6が、同極同士を接着してガイド棒3の棒に沿った方向に積層された複数個の単位磁石15により構成されたので、磁束密度が上がり、高電圧を発生するタイヤ内発電装置1を提供できる。
According to the first aspect, the power generation magnet 6 is composed of the plurality of
形態1によれば、コイル8をケース7の内側に固定したので、発電用磁石6とコイル8との距離を近くでき、漏洩磁束を少なくできて、高電圧を発生できるようになる。
According to the first aspect, since the
形態1によれば、発電用磁石6が、リニアベアリング4に保持され、ガイド棒3に沿って直線往復移動可能に構成されたので、リニアベアリング4により発電用磁石6が移動する際の摩擦抵抗を少なくでき、かつ、ガイド棒3により発電用磁石6が精度よく直線往復移動を行うので、発電用磁石6がスムーズに直線往復移動し、効率的に高電圧を発生できる高品質のタイヤ内発電装置1を提供できる。
According to the first aspect, since the power generation magnet 6 is held by the
形態1によれば、反発用磁石5を備えたので、タイヤの遠心力のON/OFFにより発電用磁石6を直線往復移動させることができるので、効率的に高電圧を発生できる。また、発電用磁石6がリニアベアリング4により保持されているため、互いに向かい合う反発用磁石5と発電用磁石6との面を平行に保てるため、最大の反発力を得ることができる。
According to the first aspect, since the
形態1において、好ましくは、ガイド棒3の外周面、発電用磁石6の外周面23、コイル8の内周面24、ケース7の内周面14は、ガイド棒3の中心線と平行となるように構成する。これにより、発電用磁石6がスムーズに直線往復移動し、効率的な発電作用を実現できる。
In the first embodiment, preferably, the outer peripheral surface of the
形態1において、好ましくは、図2に示すように、発電用磁石6の外周面23とコイル8の内周面との最短距離aを、発電用磁石の円の外径寸法の10%以下程度に形成する。これにより、漏洩磁束を少なくできて、高電圧を発生できるようになる。
In the first embodiment, preferably, as shown in FIG. 2, the shortest distance a between the outer
形態1において、好ましくは、コイルの巻線として、断面矩形状の平角線を用いる。これにより、巻線抵抗減少と巻数増加が図れ、巻線密度を向上できるので、発電効率が高まる。 In the first aspect, a rectangular wire having a rectangular cross section is preferably used as the coil winding. As a result, the winding resistance can be reduced and the number of turns can be increased, and the winding density can be improved, thus increasing the power generation efficiency.
形態1において、好ましくは、リニアベアリング4を非磁性の材料により形成する。これにより、反発用磁石5と発電用磁石6との間に引力が生じるのを防止でき、反発用磁石5による反発力を最大にできるので、反発用磁石5と発電用磁石6とが接触して発電用磁石6がコイル8を横切らなくなって発電されない状態となることを防止できる。
In the first embodiment, the
形態1において、好ましくは、リニアベアリング4のボールを、非磁性体、例えば、セラミックや樹脂により形成する。これにより、ボールの動きが磁石の磁力によって妨げられることを防止でき、発電用磁石6をスムーズに直線往復移動させることができるようになる。
In the first embodiment, the ball of the
形態1において、好ましくは、ガイド棒3を、非磁性の材料により形成する。これにより、ガイド棒3と磁石とが引き合うのを防止できて、発電用磁石6をスムーズに直線往復移動させることができるようになる。
In the first embodiment, the
形態1において、好ましくは、ガイド棒3を、非導電性の材料により形成する。これにより、ガイド棒3に発生する渦電流をなくすことができ、ガイド棒3による力学的損失をなくすことができる。
In the first embodiment, the
形態1において、好ましくは、ケースを、非磁性かつ非導電性の材料により形成する。例えば、PEEK、ABS等の樹脂により形成する。これによれば、ケース7と磁石とが引き合うのを防止できて、発電用磁石6をスムーズに直線往復移動させることができるようになり、また、ケース7に発生する渦電流をなくすことができて、ケースによる力学的損失をなくすことができる。 In form 1, preferably, the case is formed of a nonmagnetic and nonconductive material. For example, it is formed of a resin such as PEEK or ABS. According to this, it is possible to prevent the case 7 and the magnet from attracting each other, and the power generating magnet 6 can be smoothly reciprocated linearly, and the eddy current generated in the case 7 can be eliminated. The mechanical loss due to the case can be eliminated.
形態1において、好ましくは、反発用磁石5、発電用磁石6を、残留磁束密度の高いネオジウム磁石により形成する。これにより、大きい反発力、安定した高電圧を得ることができる。
In the first embodiment, the
形態2
図3に示すように、発電用磁石6は、反発用磁石5に近い側に位置される単位磁石15の円板の厚さcが、反発用磁石5に遠い側に位置される単位磁石15の円板の厚さdよりも厚いもの、例えば、5/3程度のものを用いる。これにより、発電用磁石6と反発用磁石5との間に作用する反発力が大きくなるので、タイヤ内発電装置1が取付けられているタイヤの内面の裏側に位置するトレッド面が接地している時(遠心力OFF時)の位置エネルギーを最大限に稼ぐことができ、遠心力発生時に発電用磁石6がコイル8を横切る速度を速くできるので、高い電圧を発生できるようになる。
As shown in FIG. 3, the power generation magnet 6 has a
コイル8と対向する単位磁石15のガイド棒3に沿った方向の厚さがコイル8のガイド棒3に沿った方向の厚さよりも薄いと、他の単位磁石15の影響を受けて平均磁束が減少する。そこで、形態1又は形態2の反発用磁石5を形成する単位磁石のガイド棒3に沿った方向の厚さの最小値は、コイル8のガイド棒3に沿った方向の厚さよりも厚くする。これにより、磁束密度を大きくでき、高電圧を発生できる。
If the thickness of the
タイヤに遠心力が加わった状態においては、発電用磁石6は、反発用磁石5から数mm程度離れた位置を平衡位置として直線往復移動を繰り返す。そこで、形態1又は形態2において、好ましくは、図4に示すように、反発用磁石5の発電用磁石6側の円面とガイド棒3に沿った方向でのコイル8の反発用磁石5側の一端との間の最短距離bを、単位磁石15の円板の厚さの最小値に相当する長さに設定する。これにより、発電用磁石6の直線往復移動位置とコイル8の位置とを一致させることができるので、漏洩磁束を少なくできて、高電圧を発生できるようになる。
In a state where centrifugal force is applied to the tire, the power generation magnet 6 repeats linear reciprocating movement with the position away from the
実施例
・タイヤサイズ;225/55R17を用いた。
・反発用磁石5、発電用磁石6としてφ10mmの円板形状のネオジウム磁石を用いた。発電用磁石6は、2個の単位磁石15を積層したものを用い、反発用磁石5に近い側の単位磁石15として厚さ6mmのものを使用し、もう一方の単位磁石15として厚さ2mmのものを用いた。
・コイル8は内径10.5mm、外径12.5mmとした。巻線は平角線を用い、二層巻とした。
・非磁性のセラミック製のボールを備えたリニアベアリングを用いた。
・走行速度30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、70km/hで定常走行して、充電回路に充電される電圧が安定するまで走行した。
・安定した電圧とデバイスの負荷(R=300Ω)とにより、発電量(W=V2/R)を算出した。
・実施例による発電量と車両速度との関係を図5に示した。
・図5から、安定して連続的に数mW以上の充電を行えることがわかる。
Example and tire size: 225 / 55R17 was used.
A disc-shaped neodymium magnet having a diameter of 10 mm was used as the
The
• Linear bearings with non-magnetic ceramic balls were used.
-The vehicle traveled at a traveling speed of 30 km / h, 40 km / h, 50 km / h, 60 km / h, and 70 km / h until the voltage charged in the charging circuit was stabilized.
The power generation amount (W = V 2 / R) was calculated from the stable voltage and the device load (R = 300Ω).
The relationship between the power generation amount and the vehicle speed according to the example is shown in FIG.
FIG. 5 shows that charging of several mW or more can be performed stably and continuously.
形態3
ケース7とベース2とで形成され、ガイド棒3、反発用磁石5、発電用磁石6、コイル8が収納される閉空間21内を真空に形成すれば、ケース7に空気逃がし孔22を形成することなく、発電用磁石6をスムーズに直線往復移動させることができるようになり、効率的な発電作用を実現できる。
If the inside of the closed
形態4
図6に示すように、反発用磁石5の代わりに、コイルばねのような弾性体29によって発電用磁石6とベース2とを連結し、遠心力によって弾性体29が伸縮することで、発電用磁石6がガイド棒3に沿って直線往復移動可能なように構成されたタイヤ内発電装置1としてもよい。この場合において、ケース7を用いない場合は、図6に示すように、ベース2に取付けられた支持部材30でコイル8を支持するようにしてもよい。
尚、コイルばねのような弾性体29は、減衰の要因となるので、発電量の少ない40km/h以下走行時に反発用磁石5と発電用磁石6とが接触しないものを選定する。
As shown in FIG. 6, instead of the
The
形態5
発電用磁石6の移動をケース7の内周面14でガイドするように構成されたタイヤ内発電装置1としてもよい。
The in-tire power generator 1 configured to guide the movement of the power generating magnet 6 by the inner
形態6
異極に着磁された面同士が接着されて積層された複数の単位磁石15により発電用磁石6を構成してもよい。
Form 6
The power generation magnet 6 may be configured by a plurality of
本発明のタイヤ内発電装置1によれば、タイヤ内の温度や圧力等のタイヤ情報、例えば、タイヤにかかる圧力、路面の滑りやすさを検出し、これらタイヤの動的な状態を連続送信するために高電力を必要とするデバイスに安定して電力を供給できるようになる。 According to the in-tire power generator 1 of the present invention, tire information such as temperature and pressure in the tire, for example, pressure applied to the tire and slipperiness of the road surface is detected, and the dynamic state of these tires is continuously transmitted. Therefore, power can be stably supplied to a device that requires high power.
1 タイヤ内発電装置、2 ベース、3 ガイド棒(ガイド)、
5 反発用磁石(反発手段)、6 発電用磁石、7 ケース、8 コイル、
14 内周面、15 単位磁石、21 閉空間、22 空気逃がし孔、
23 発電用磁石の外周面、24 コイルの内周面。
1 Power generator in tire, 2 base, 3 guide rod (guide),
5 Repulsion magnet (Repulsion means), 6 Power generation magnet, 7 Case, 8 Coil,
14 inner peripheral surface, 15 unit magnet, 21 closed space, 22 air escape hole,
23 The outer peripheral surface of the power generating magnet, 24 The inner peripheral surface of the coil.
Claims (8)
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