JP2018182950A

JP2018182950A - ホイールリムジェネレータ

Info

Publication number: JP2018182950A
Application number: JP2017081924A
Authority: JP
Inventors: 林以専; Yi-Chuan Lin
Original assignee: Jonathan Livingston Eng Co Ltd; Jonathan Livingston Engineering Co Ltd
Current assignee: Jonathan Livingston Eng Co Ltd; Jonathan Livingston Engineering Co Ltd
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2018-11-15

Abstract

【課題】ホイールリムジェネレータを提供する。【解決手段】本発明のホイールリムジェネレータは、環状フレーム面と、スポークユニットと、回転軸線とを含むリムと、外輪及び内輪からなり、前記内輪は前記環状フレーム面の２つのリムフランジの間に覆設されるベアリングと、前記外輪に設置され、少なくとも１つの永久磁石及び前記回転軸線から偏位する重心を有するローターと、前記環状フレーム面に設置され、前記ローターと共に少なくとも１つの磁路を形成させ、前記リムに追随して回転する場合、前記少なくとも１つの磁路中の定磁束及び変動磁束の２つの内の１つにより起電力を発生させる固定子とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、一般的な電磁誘導（Electromagnetic induction）ジェネレータ（Power generator）の分野に関し、より詳しくは、自動車両の車輪の運動エネルギー（Kinetic energy）により発電を行うホイールリムジェネレータに関する。

従来の特許文献では、例えば、特許文献１に記載されている車両の車軸端点に装設されるジェネレータによれば、ローター（Rotor）は回転軸から偏位する重心を有し、前記ローターは最低の垂直位置に保持される傾向を有し、発電に必要な駆動力は重力が回転する環境において自然に発生する。しかしながら、車輪の外観が前記ジェネレータの存在により影響を受ける。特に、発電の出力力率（Output power）の増幅は狭小空間により制限され、前記狭小空間は車輪の固定ねじの余剰空間を遮蔽させてはならず、且つリムの幅及び全体の重心が大きく外へ変移する。これでは安全上の問題があるほか、最大力率も制限される。

また、特許文献２に記載されている発明案は、重心が偏って（offset）重力により発電を行い、回転する基準系（Reference frame）内にのみ設置され、特に回転軸線（Axis of rotation）と接触する必要が完全になくなる。前記特許には以下のような４つの欠点がある。まず、ベアリングには内輪（Inner race）及び外輪（Outer race）がなく、内表面（Internal surface）にボールを収納させるための加工が極めて難しい環状の中空円管が必要である。次に、出力力率を増幅させるとボールが非真円に変形して回転しなくなり、摩擦力が明らかに増加する。次いで、ボールは接続線及び磁路（Magnetic circuit）に平行する南北２つの極点を有するのみで最小の空隙（Air gap）を有し、最大磁束密度（Maximum available magnetic flux）が重大な制限を受ける。また、重心の偏りを発生させるため、低透磁率（Low magnetism permeability）のボールを連続的に設置させる必要があり、これでは磁束が改変されないため発電の効用はなく、ジェネレータの力率密度（Power density）が低下した。

米国特許出願公開第４２２９７２８号明細書米国特許出願公開第７１２６２３３号明細書米国特許出願公開第４１８０７９４号明細書

しかしながら、上述の２つの特許案には共通の欠点が存在する。すなわち、ジェネレータの磁路において変動磁束が誘導起電力（Induced electromotive force）を発生させるため、磁力が突然変化してトルク変動（Torque fluctuation）を生じる事態を回避できず、ジェネレータが待機（Standing by）中か停止（Disabled）後であっても、現在求められるスムーズさや快適さを達成できない。また、２つの特許案は共にリムが既設される様々な付加式結合を出発点とし（リムがない設計の製造に関しては、本案の取り外し可能なリムフランジ及び水平に延伸されるボトムリング溝部等において述べる）、ジェネレータはベアリングに専用のリムが緊密に覆設されて共に構成される単一の商品ではなく、よって車輪を過酷な作動条件下で運用するにはその能力が理想には達していない。

本発明は上述の欠点を完全に解決し、且つ発電効率も遜色のない耐振ホイールリムジェネレータの発明を提供する。本発明は電磁誘導ジェネレータ、ベアリング、振り子（Pendulum）、及びリムを統合させて初の一体式ホイールリムジェネレータを構成させ、様々な課題を解決させ、一刻も早く交通安全に役立て、省エネを達成させる車輪発電システムを提供する。

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、ホイールリムジェネレータを提供することを目的とする。すなわち、車両の車輪に個別の独立した電源を提供し、各車輪が単独で自動圧力調節（Automatic pressure regulation）を実現させる。何れかのタイヤフットプリントセンサー（Tire footprint sensor）により実現される場合（特許文献３参照）、全ての車輪の空気圧は掛かる負荷の差異に基づいて、各車輪の最適なスイートスポット（Sweet spot）に自動的に充填される。以上の２点は、環境保護及び省エネ化による二酸化炭素排出量削減が実現可能な世界初の新規の解決方法である。

そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に到った。

上述した課題を解決し、上記目的を達成するため、本発明に係るホイールリムジェネレータの特徴は、環状フレーム面と、ホイールディスク（Wheel disk）と、回転軸線とを含むリムと、外輪及び内輪からなり、前記内輪は前記環状フレーム面の２つのリムフランジ（Rim flange）の間に覆設されるベアリングと、前記外輪に設置され、少なくとも１つの永久磁石及び前記回転軸線から偏位する重心を有するローターと、前記環状フレーム面に設置され、前記ローターと共に少なくとも１つの磁路を形成させ、前記リムに追随して回転する場合、前記少なくとも１つの磁路中の定磁束及び変動磁束の２つの内の１つにより起電力を発生させる固定子（Stator）とを備える。

本発明の好ましい実施形態に係るホイールリムジェネレータを示す。本発明の好ましい実施形態の重心が回転軸から偏位するローターを示す概略図である。本発明の好ましい実施形態に係るホイールリムジェネレータの第一変化例である。本発明の好ましい実施形態に係るホイールリムジェネレータの第二変化例である。図４に示す第二変化例がリムに設置される断面図である。図４に示す第二変化例の断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係るホイールリムジェネレータの実施形態について説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。

実施形態

まず、図１〜６を参照しながら、本発明の具体的な実施形態をさらに詳しく説明する。本発明のホイールリムジェネレータは、リムと、ベアリングと、ローターと、固定子とを備える。前記リムは、環状フレーム面と、ホイールディスクと、回転軸線とを含む。前記ベアリングは外輪及び内輪からなり、前記内輪は前記環状フレーム面の２つのリムフランジの間に覆設される。前記ローターは前記外輪に設置され、少なくとも１つの永久磁石及び前記回転軸線から偏位する重心を有する。前記固定子は前記環状フレーム面に設置され、前記ローターと共に少なくとも１つの磁路を形成させ、前記リムに追随して回転する場合、前記少なくとも１つの磁路中の定磁束及び変動磁束の２つの内の１つにより起電力を発生させる。

図１及び図２は本発明の好ましい実施形態である。ホイールリムジェネレータ１００はリム９１に覆設され、環状固定子１と、環状ローター２と、２つのベアリング３とを有する。最も好ましい本実施形態では、環状フレーム面はリム９１を例とし、前記環状フレーム面はリムフランジ９４（図３）に向けて水平に延伸されるボトムリング溝部９５を有する（図３）。ベアリングは２つのベアリング３を例とし、ローターは環状ローター２を例とし、固定子は環状固定子１を例とする。リム９１及びタイヤ９２が共にエアチャンバ９３を画定させ、リム９１、タイヤ９２及びエアチャンバ９３により車輪９が構成される。

環状固定子１はリム９１に覆設され、リム９１と共に回転軸線Ｌの周りを回転し、且つ電流導体巻きコイル（Conductor wire windings）１１を有する。

環状ローター２はＬを回転軸線としてリム９１の周りを自由回転し、且つリム９１に覆設される２つのベアリング３により支持される。環状ローター２はＬから偏位する重心Ｃを有し、前記重心Ｃはウエート２２（図３参照）により調節され、且つ永久磁石である磁性体部材２１を有し、リム９１が回転すると電流導体巻きコイル１１上で起電力が発生する。

ＬとＣとの間の最短距離をＤとし、Ｃに作用する重力はＧとする。ＬからＣまでの最短距離方向はαと定義され、且つαとＧの方向との間の夾角はΘと定義される。よって発電トルクはＧ・Ｄ・Ｓｉｎｅ（Θ）と表示され、Θが＋９０^°または−９０^°になる場合、発電トルクは最大値がＧ・Ｄとなる。

図３は本発明の好ましい実施形態の第一変化例である。ホイールリムジェネレータ２００の環状固定子１はリム９１に覆設される。ホイールリムジェネレータ２００の環状ローター２はベアリング３の外輪３２′に覆設され、内輪３１′と外輪３２′との間にはボール３３′を有する。発電トルク制御システム５１は環状固定子１に電気的に接続されると共にリム９１に設置され、電流導体巻きコイル１１の出力電流が調節されることによりΘが＋９０^°と−９０^°との間になるように制御され、リム９１の進行方向に従って決定される。発電トルク制御システム５１は力率補正回路（Power factor correction circuitry）５８及びＤＣ−ＤＣコンバータ（DC-DC converter）５９と共にΘに対する制御を実行させ、この原理は同様に本発明の最も好ましい実施形態に適用される。

好ましくは、ホイールリムジェネレータ２００は、統合制御回路システム（Master control circuitry）５６と、ストレージセルアレイ（Storage cell-array）５３と、タイヤ温度および空気圧検知器（Tire temperature and pressure sensor）５４と、空気ポンプおよびバルブシステム（Air pump and valve system）５２と、リム回転速度および加速度検出システム（Speed and acceleration sensing system）５５と、ホイール負荷感知システム（Wheel load sensing system）５７と、力率補正回路５８と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５９とを備え、以上は全て環状固定子１との電気的接続関係を有する。

統合制御回路システム５６はハードウェア及びソフトウェアを組み合わせた演算能力を有し、メモリ及び無線送信受信ユニット６０が内蔵される。空気ポンプおよびバルブシステム５２は第二バルブステムホール（Valve stem hole）を具備させる必要があるため、リム回転速度および加速度検出システム５５は簡略化されて加速度計（Accelerometer）となる。

ホイール負荷感知システム５７はリム９１からタイヤの内壁の一点に向けてビームが垂直に投射され、且つ前記ビームの反射によりタイヤが接地させた際のタイヤ面の変形により生じた劇的な変化を検知させる。前記ビームの投射方向とは反対の反射が対応する計測信号を分析することで、前記タイヤの接地面が前記ビームの投射点の接地及び離地の２つの時間点に基づいて、リム９１の回転周期と共に画定される。計算上は先ず前記２つの時間点の差を前記回転周期で除算し、前記タイヤの接地面の中心角を獲得させ、その後にタイヤ接地面の面積を計算し、後者をタイヤ空気圧で乗算すると車輪の荷重の近似値が得られる。

図４乃至図６は本発明の好ましい実施形態の第二変化例である。本発明は回転式から直線反復式の重力発電に拡張され、且つ具体的な応用としてバルブに実施される。リム９１はエアバルブの装設に用いられる少なくとも２つのバルブステムホール９６を有し、弁体８（例えば、シュラダーバルブ（Schrader valve））を有するホイールリムジェネレータ３００はリム９１に設置され、固定子１′及びローター２′を備える。ローター２′及び固定子１′が共に磁路を形成させ、且つ固定子１′の２つの辺の間で位置が限定されて自由滑動を行う。固定子１′は導体巻きコイルを有し、ローター２′がリム９１に追随して回転して重力を受けて２つの前記辺の間で位置を限定されて反復変換を行う場合、前記導体巻きコイル上で起電力が発生する。

以下では重要な工程の考慮及び理論的分析を詳しく説明する。先ず、タイヤ内部の前記ローター２′に作用する空気抵抗が車両の速度に従って指数形式で増加し、前記ベアリング３、前記ローター２′及び前記固定子１′は理想的には専用に設置される環状閉じ蓋により、前記環状フレーム面のボトムリング溝部９５中に真空密封される。次いで、前記ベアリング３、前記固定子１′及び前記環状閉じ蓋の覆設に利するように、ボトムリング溝部９５は前記環状フレーム面のリムフランジ９４に向けて水平に延伸され、且つリムフランジ９４はねじ山またはボルトにより固定されて取り外し可能になる。

ファラデーの法則（Faraday's law）に基づくと、磁路中では定磁束により誘導起電力が発生し、縦方向の磁場（磁束密度はＢとする）、長さはιとする縦方向の直線状導線が速度υ（Distance/Δtime）で横方向に前記磁場を走査し、前記直線状導線の両端の電位差はι・υ・Ｂとなる。例えば、均一で不変な磁場が地面から垂直に空に向かって発生し、長さιの直線状導線が南北方向に前記磁場中に設置される。前記導線は速度υで西から東に向け、南北方向へ水平に移動するように維持されると、恒磁場中で有効的な横断面の面積における時間変化率（Time rate of change of effective enclosed area）ι・υを発生させる。これにより誘発される磁束の時間変化率ι・υ・Ｂ及び横断面の面積は一定となるが、垂直磁束密度は線形時間変化率を有する状況と同じであり、数学的には完全に相違しない（B・ (ι・distance/Δtime) =ι・distance ・(B/Δtime)）。

いわゆる均一で不変な磁場とは、環状ローター２上の磁極（Magnet、即ち磁性体部材２１）及び環状固定子１の磁性伝導コア（Magnetism-conducting core、電流導体巻きコイル１１内に被覆される）の間の磁路空隙が不変に保持され、これにより前記磁性伝導コアの横断面も環状固定子１の円周方位の変化により変化されないことを意味する。このような磁路により、最適化された薄板状（Thin sheet alike）の空隙が永久的に保持され、磁気抵抗（Magnetic resistance）が可能な限り最小値に維持され、磁束が自然に可能な限り最大値となり、ローターの磁極と固定子の磁性伝導コアとの間の磁気引力も不変に維持される。

仮に直径０．２ｍｍの細い導線が横断面の矩形を呈する前記磁性伝導コアに１層巻かれ、且つ環状ローター２及び前記磁極の横断面も矩形となる。前記薄板状の空隙の厚さが１ｍｍである場合、磁極とコイルとの間の間隔は０．８ｍｍとなる。よって、定磁束発電方式の１つは、細い導線が固定子全周に１層または極わずかの層に巻かれる高圧低電流形式である。従来の設計方式では、多くは前記磁性伝導コアに間隔が等しい中心角の多くの導線埋め込み溝（Winding slot）が設置され、相対的に低圧大電流形式の変動磁束発電方式となる。

Θの制御について、先ずベアリングの摩擦力を考慮する。既知のベアリングの摩擦トルクはＴ_{ｂｅａｒｉｎｇ}＝Ｋ_{ｂｅａｒｉｎｇ}・（Ｋ_ｖｉｓｃ・Ｎ）^{（２／３）}であり、Ｋ_{ｂｅａｒｉｎｇ}は特定のベアリングに関する係数であり、Ｋ_ｖｉｓｃはベアリング潤滑油の粘度であり、Ｎはベアリングの回転速度（rpm）である。効率を重視すると、Ｋ_{ｂｅａｒｉｎｇ}・（Ｋ_ｖｉｓｃ・Ｎ_ｍａｘ）^{（２／３）}＝０．１Ｇ・Ｄとなり、Ｎ_ｍａｘは前記設計の最高回転速度により決定される。故に、Ｋ_ｖｉｓｃ＝（（０．１Ｇ・Ｄ／Ｋ_{ｂｅａｒｉｎｇ}）／Ｎ_ｍａｘ ^{（２／３）}）^{（３／２）}となる。Ｋ_ｖｉｓｃ、Ｇ及びＤ等の３つの選択自由度を共有して調節を行い、設計要求を満たし、定格回転速度内の最大正味発電トルクが全て０．９Ｇ・Ｄに等しいかより大きくなるように保証される。

ωが上述のジェネレータの角速度、Ｅｆｆが発電効率と更に定義され、且つ仮のＴ_{ｂｅａｒｉｎｇ}が実際の設計において無視される。よって、エネルギー保存の法則に基づくと、ジェネレータの機械入力と電気出力との間の関係は以下のようになる。Ｖ_{ｏｕｔ．ｒｍｓ}・Ｉ_{ｏｕｔ．ｒｍｓ}＝ω・Ｇ・Ｄ・Ｓｉｎｅ（Θ）・Ｅｆｆ。よって、Θ＝ＩｎｖｅｒｓｅＳｉｎｅ（Ｉ_{ｏｕｔ．ｒｍｓ}・（Ｖ_{ｏｕｔ．ｒｍｓ}／ω）／（Ｇ・Ｄ・Ｅｆｆ））となる。ここでは、Ｖ_{ｏｕｔ．ｒｍｓ}／ω及びＥｆｆは任意の操作点（Operating point）付近では全て一定値と見做せ、このため、Θは主にジェネレータの出力電流を受けて制御され、走行速度とは無関係であることが分かる。

但し、Ｇが慣性を有するため、車両が緊急停車を行って前に向けて衝撃が発生するため（ Θ は正から負に変換される）、Θの制御関数中に低減量（Offset）を別途導入させてこの不利益な効果を相殺または低減させる。前記低減量は単純にωの経時変化量を比率とし、正負の符号を反対にするのみでよい。

本発明は水力発電（Hydroelectric power generation）の位置エネルギー（Potential energy）を運動エネルギーに変換する原理により発電を行い、同じ回転式相対運動をジェネレータの唯一の運動機制とし、同様に低摩擦、高耐荷性のベアリングをリムとローターとの間の回転インターフェース（Rolling interface）として採用する。形式上固定子がリムを兼ね、ローターが振り子を兼ねる概念に変換されるが、実質的な工程の変更は極わずかである。このため、力率密度及び発電効率は、特に信頼度において市場に存在する類似の電気規格のジェネレータと大差はない。さらには、車輪の外観、幅、全体的な重心、及びトルクの滑らかさ（Smoothness）は影響を受けず、ベアリングも車軸上での十分な耐振特性を証明しており、ウエートを使用して偏位する重心を調節させて出力力率を増減させることができるため利便性も高く、本発明は前記技術分野において重要な様々な面において技術的に突出している。

従って、本明細書に開示された実施例は、本発明を限定するものではなく、説明するためのものであり、このような実施例によって本発明の思想と範囲が限定されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲により解釈すべきであり、それと同等の範囲内にある全ての技術は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈すべきである。

１００ホイールリムジェネレータ
１環状固定子
１′ 固定子
１１電流導体巻きコイル
２００ホイールリムジェネレータ
２環状ローター
２１磁性体部材
２′ ローター
２２ウエート
３００ホイールリムジェネレータ
３ベアリング
３′ベアリング
３１′ 内輪
３２′ 外輪
３３′ ボール
５１発電トルク制御システム
５２空気ポンプおよびバルブシステム
５３ストレージセルアレイ
５４タイヤ温度および空気圧検知器
５５リム回転速度および加速度検出システム
５６統合制御回路システム
５７ホイール負荷感知システム
５８力率補正回路
５９ＤＣ−ＤＣコンバータ
６０無線送信受信ユニット
８弁体
９車輪
９１リム
９２タイヤ
９３エアチャンバ
９４フランジ
９５ボトムリング溝部
９６バルブステムホール
Ｃ重心
Ｄ最短距離
Ｇ重力とその方向
Ｌ回転軸
α 接続方向
Θ 角度

Claims

環状フレーム面と、スポークユニットと、回転軸線とを含むリムと、
外輪及び内輪からなり、前記内輪は前記環状フレーム面の２つのリムフランジの間に覆設されるベアリングと、
前記外輪に設置され、少なくとも１つの永久磁石及び前記回転軸線から偏位する重心を有するローターと、
前記環状フレーム面に設置され、前記ローターと共に少なくとも１つの磁路を形成させ、前記リムに追随して回転する場合、前記少なくとも１つの磁路中の定磁束及び変動磁束の２つの内の１つにより起電力を発生させる固定子とを備えることを特徴とするホイールリムジェネレータ。
前記ベアリング、前記ローター、及び前記固定子は全て真空収納空間中に密封されることを特徴とする、請求項１に記載のホイールリムジェネレータ。
前記ベアリングはセラミックボールベアリングであることを特徴とする、請求項１に記載のホイールリムジェネレータ。
前記環状フレーム面は前記リムフランジに向けて水平に延伸されるボトムリング溝部を有することを特徴とする、請求項１に記載のホイールリムジェネレータ。
前記リムフランジは取り外し可能であることを特徴とする、請求項１に記載のホイールリムジェネレータ。
前記環状フレーム面は少なくとも２つのバルブを有することを特徴とする、請求項１に記載のホイールリムジェネレータ。