JP2022043947A - 発電機及びタイヤ状態監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タイヤの回転エネルギーを有効活用して電気機器に給電できる発電機を提供すること。【解決手段】発電機１０は、タイヤホイール８１に固定されるステータ２０と、タイヤホイール８１と同軸上に配置されてステータ２０に回転可能に支持されるロータ３０とを有し、それらステータ２０とロータ３０との相対回転によって発電を行い、タイヤホイール８１に取り付けられる電気機器へと給電する。そして、発電機１０は、ロータ３０に固定されたブレード部５０と、ロータ３０又はステータ２０の何れか一方に固定されて、ブレード部５０を収容する容器部４０と、容器部４０に容器部４０の容積より少ない量収容され、ブレード部５０の少なくとも一部を浸す液体Ｌと、を備える。【選択図】図４

Description

本開示は、発電機及び発電機を有するタイヤ状態監視装置に関する。

従来より、タイヤホイールに電気機器とその電源を取り付ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

ＷＯ２０１９／１９４３０３（段落［００２４］、［００２６］、［００２７］等）

上述した従来の技術に対し、タイヤの回転エネルギーを有効活用して電気機器に給電できる技術の開発が求められている。

上記課題を解決するためになされた請求項１の発電機は、タイヤホイール（８１）に固定されるステータ（２０）と、前記タイヤホイール（８１）と同軸上に配置されて前記ステータ（２０）に回転可能に支持されるロータ（３０）とを有し、それらステータ（２０）とロータ（３０）との相対回転によって発電を行い、前記タイヤホイール（８１）に取り付けられる電気機器（９０）へと給電する発電機（１０）であって、前記ロータ（３０）に固定されたブレード部（５０，６０）と、前記ロータ（３０）又は前記ステータ（２０）の何れか一方に固定されて、前記ブレード部（５０，６０）を収容する容器部（４０）と、前記容器部（４０）に前記容器部（４０）の容積より少ない量収容され、前記ブレード部（５０，６０）の少なくとも一部を浸す液体（Ｌ）と、を備える発電機（１０）である。

請求項２の発電機は、前記容器部（４０）は、前記ステータ（２０）に固定され、前記ロータ（３０）に設けられて前記容器部（４０）を貫通する貫通部（３１）と、前記貫通部（３１）とそれが貫通する前記容器部（４０）の貫通孔（４６）の内面との間をシールするシール部（４８）と、を有する請求項１に記載の発電機（１０Ｖ）である。

請求項３の発電機は、前記ブレード部（６０）は、複数設けられて前記ロータ（３０）の回転中心から放射状に張り出し、前記容器部（４０）は、前記複数のブレード部（６０）の旋回半径より大きな半径の空間を有する円筒構造をなしている請求項２に記載の発電機（１０Ｖ）である。

請求項４の発電機は、前記容器部（４０）は、前記ロータ（３０）に固定され、前記ブレード部（５０）は、前記容器部（４０）の内面に一体形成されるか又は固定されている請求項１に記載の発電機（１０）である。

請求項５の発電機は、前記ブレード部（５０）は、複数設けられて前記容器部（４０）の内周面から回転中心側に張り出し、各前記ブレード部（５０）の側方には、前記容器部（４０）の周方向に、各前記ブレード部（５０）の両側の領域の間を前記液体（Ｌ）が自由に流れる連絡流路（４５）が備えられている請求項４に記載の発電機（１０）である。

請求項６の発電機は、前記容器部（４０）は、中空の円盤状をなしている請求項５に記載の発電機（１０）である。

請求項７のタイヤ状態監視装置は、請求項１から６の何れか１の請求項に記載の発電機（１０）と、前記タイヤホイール（８１）に固定され、タイヤ（８２）の内部に配置されるセンサ（９１）を有し、前記発電機（１０）から受電するタイヤ状態監視端末（９０）と、を有するタイヤ状態監視装置（１００）である。

請求項１の発電機では、タイヤホイールにステータが固定され、ステータに回転可能に支持されたロータがタイヤホイールと同軸上に配置される。そして、ステータ又はロータの何れかに固定された容器部に、容器部の容積より少ない量、液体が収容される。また、容器部には、ロータに固定されたブレード部が収容され、ブレード部は、容器部内の液体に少なくとも一部が浸される。ここで、液体は、タイヤホイールが回転し始めたときに、慣性により容器部内で位置を留めようとする。従って、タイヤホイールが回転し始めても、液体とブレード部との抵抗により、ブレード部、即ちロータの回転を抑え易くすることが可能となる。その結果、タイヤホイールに固定されたステータとロータとを相対回転させて発電することができ、タイヤの回転エネルギーを有効活用して電気機器へ給電することができる。なお、タイヤホイールが高速回転した際には、ロータが共回りする可能性があるが、この場合、液体が遠心力で容器部の外周部に寄って行き、容器部の周方向全体に配置されることが可能となるので、ロータの回転によりタイヤホイールのバランスが崩れることを抑制可能となる。

請求項２の発電機のように、容器部がステータに固定されてもよい。この場合、ロータのうちブレード部が固定される貫通部と、その貫通部が貫通する容器部の貫通孔の内面と、の間をシールするシール部を設ければよい。

請求項３の発電機では、ブレード部は、複数設けられてロータの回転中心から放射状に張り出すので、１つだけ設けられる場合に比べて、液体に対する抵抗を大きくすることができる。これにより、ロータの回転を抑えやすくすることができ、ステータとロータを相対回転させやすくすることができる。また、容器部の内径が、ブレード部の旋回半径よりも大きくなっているので、容器部の内周面とブレード部との間に隙間が形成される。従って、タイヤホイールが高速回転してロータが共回りした場合に、液体がその隙間を通って容器部の周方向に移動し易くなり、液体が周方向全体に配置されやすくなる。その結果、ロータの回転によりタイヤホイールのバランスが崩れることをより抑制可能となる。

請求項４の発電機のように、容器部がロータに固定されてもよい。この場合、ブレード部を、容器部の内面に一体形成するか又は固定すればよい。

請求項５の発電機では、ブレード部は、複数設けられて、ロータに固定された容器部の内周面から回転中心側に張り出した構成となっている。これにより、ブレード部と液体との間の抵抗を大きくすることができ、ロータの回転を抑えてステータに対するロータの相対回転を大きくすることが可能となる。また、ブレード部の側方に連絡流路が設けられるので、タイヤホイールが高速回転してロータが共回りした場合に、液体が連絡流路を通って容器部の周方向に移動し易くなり、液体が周方向全体に配置されやすくなる。その結果、ロータの回転によりタイヤホイールのバランスが崩れることをより抑制可能となる。

請求項６の発電機では、容器部が中空な円盤状をなしているので、タイヤホイールが高速回転してロータが共回りした場合に、ロータの回転によってタイヤホイールのバランスが崩れることをより生じ難くすることが可能となる。

発電機を、タイヤの内部に配置されるセンサを有すると共に、発電機から受電するタイヤ状態監視端末を有するタイヤ状態監視装置に備えてもよい（請求項７）。

本開示の第１実施形態に係る発電機が取り付けられたタイヤホイールの斜視図 発電機が取り付けられたタイヤホイールの断面図 発電機の一部破断斜視図 （Ａ）容器部の正断面図、（Ｂ）発電機の側断面図 ロータがステータと共回りしたときの容器部内の液体の断面図 第２実施形態に係る発電機の一部破断斜視図 （Ａ）容器部の正断面図、（Ｂ）発電機の側断面図 ロータがステータと共回りしたときの容器部内の液体の断面図 他の実施形態に係る発電機の容器部の正断面図

［第１実施形態］
図１及び図２には、本実施形態の発電機１０が示されている。発電機１０は、車両８０のタイヤホイール８１に組付けられる。具体的には、発電機１０は、タイヤホイール８１に固定されるステータ２０（図４（Ｂ）参照）と、ステータ２０に回転可能に支持されたロータ３０と、を備えたモータで構成される。そして、発電機１０は、ステータ２０とロータ３０の相対回転により、発電可能となっている。

ステータ２０は、例えば、タイヤホイール８１のうち車輪軸８３に固定されたハブ８４（図２参照）における車幅方向外側の部分に固定され、ロータ３０を囲むように配置される。ロータ３０は、例えば円柱状をなし、図示しないベアリングを介してステータ２０に支持され、タイヤホイール８１と（車輪軸８３と）同軸上に配置される。なお、発電機１０を構成するモータとしては、例えばステッピングモータ等が挙げられるが、これに限定されるものではなく、各種の発電に適したモータを用いることができる。

図４（Ｂ）に示すように、ロータ３０のうち車幅方向外側を向く面の中心からは、タイヤホイール８１と同軸上に中心シャフト３１が突出している。そして、中心シャフト３１の先端部には、容器部４０が固定されている。

容器部４０は、中空な円盤状をなしていて、その中心が中心シャフト３１に固定されている。そして、容器部４０は、中心シャフト３１と（即ちロータ３０と）一体回転可能になっている。詳細には、容器部４０は、中心シャフト３１に中心が固定される円形板状のベース壁４１と、ベース壁４１の外縁部からロータ３０から離れる側に突出する周壁４２と、周壁４２をロータ３０と反対側から閉塞する先端壁４３と、を有している。そして、それらベース壁４１、周壁４２及び先端壁４３により囲まれた部分に密閉空間が形成されている。

図３及び図４（Ａ）に示すように、容器部４０の上記密閉空間には、液体Ｌが収容されている。具体的には、液体Ｌは、容器部４０に容器部４０の容積より少ない量だけ収容されていて、本実施形態の例では、容器部４０が静止状態のときに、液体Ｌの液面がタイヤホイール８１の回転中心よりも下側になるように、液体Ｌの量は、容器部４０の容積の半分未満になっている。なお、液体Ｌとしては、例えば不凍液等が挙げられる。

ここで、発電機１０には、ロータ３０に固定されたブレード部５０が、容器部４０内に収容されている。ブレード部５０は、液体Ｌに少なくとも一部が浸るように配置される。本実施形態では、ブレード部５０は、容器部４０の周壁４２の内周面から容器部４０の中心（回転中心）側に張り出している。また、ブレード部５０は、複数（例えば８つ）設けられ、例えば容器部４０の周方向に等間隔に配置されている。本実施形態では、それらブレード部５０のうちの複数のブレード部５０が、ロータ３０が静止状態のときに液体Ｌに全体が浸っている。なお、本実施形態の例では、ブレード部５０は、ロータ３０の中心軸方向に見ると、容器部４０の中心に向かうにつれて先細りする細長い二等辺三角形状に形成されている。本実施形態では、ブレード部５０は、容器部４０のベース壁４１及び周壁４２と一体形成されているが、容器部４０と別体で形成され、容器部４０に固定されるものであってもよい。

図４（Ｂ）に示すように、本実施形態の例では、容器部４０の先端壁４３とブレード部５０との間には、隙間が形成されている。そして、この隙間は、液体Ｌが容器部４０の周方向でブレード部５０の両側の領域間を自由に流れる連絡流路４５を構成している。

さて、車両８０が走り出す際に、タイヤホイール８１が回転すると、ステータ２０はタイヤホイール８１と一体回転する。このとき、液体Ｌは、慣性により容器部４０内の位置を留めようとする。ここで、容器部４０内に配置されてロータ３０に固定されたブレード部５０は、液体Ｌに少なくとも一部が浸される。従って、液体Ｌとブレード部５０との抵抗により、タイヤホイール８１が回転し始めても、ブレード部５０、即ちロータ３０の回転を抑え易くすることが可能となる。その結果、タイヤホイール８１が回転したときに、ステータとロータとを相対回転させて発電することができる。これにより、タイヤの回転エネルギーを有効活用して電気機器へ給電することができる。本実施形態の発電機１０では、液体Ｌに浸るブレード部５０が設けられることで、ブレード部５０が設けられない場合に比べて、ロータ３０がタイヤホイール８１と共回りすることを抑えることができる。

また、本実施形態の発電機１０では、ブレード部５０は、複数設けられて、ロータ３０に固定された容器部４０の内周面から回転中心側に張り出した構成となっている。これにより、ブレード部５０と液体Ｌとの間の抵抗を大きくすることができ、ロータ３０の回転を抑えてステータ２０に対するロータ３０の相対回転を大きくすることが可能となる。

なお、発電機１０を例えばステッピングモータで構成すれば、液体Ｌの揺れによるロータ３０の細かい相対回転を利用して発電することも可能となり、液体Ｌの継続的な揺れを利用して継続的に発電することが可能となる。また、発電機１０の極数やスロット数を多くするほど、液体Ｌの揺れ等によるロータ３０の微小な回転でも発電することが可能となる。

ここで、タイヤホイール８１が高速回転した際には、ベアリングの摩擦等により、ロータ３０が共回りする可能性がある。しかしながら、この場合、液体Ｌが遠心力で容器部４０の外周部に寄って行き、容器部４０の周方向全体に配置されることが可能となるので（図５参照）、ロータ３０の回転によりタイヤホイール８１のバランスが崩れることを抑制可能となる。なお、液体Ｌの代わりに、ロータ３０の回転中心から偏心した固体の錘をロータ３０に固定して、ロータ３０とステータ２０を相対回転させる構成が考えられるが、この構成では、ロータ３０がタイヤホイール８１と共回りした場合に、タイヤホイール８１のバランスが悪くなる。これに対し、本実施形態の発電機１０では、上述のように容器部４０内に液体Ｌを収容することで、このようなバランスの悪化を防ぐことが可能となる。

また、本実施形態では、ブレード部５０の基端部の側方に連絡流路４５が設けられるので、タイヤホイール８１が高速回転してロータ３０が共回りした場合に、液体Ｌが連絡流路４５を通って容器部４０の周方向に移動し易くなり、液体Ｌが周方向全体に配置されやすくなる。その結果、ロータ３０の回転によりアンバランスが生じることをより抑制可能となる。また、発電機１０では、容器部４０が中空な円盤状をなしているので、タイヤホイール８１が高速回転してロータ３０が共回りした場合に、ロータ３０の回転によるアンバランスをより生じ難くすることが可能となる。また、容器部４０が円盤状をなすことで、発電機１０をロータ３０の回転軸方向でコンパクトにすることが可能となる。

ところで、タイヤホイール８１の高速回転時に、ステータ２０とロータ３０の相対回転が速くなりすぎると、ステータ２０とロータ３０の間のベアリングの許容回転数を超えてベアリングが壊れる虞がある。これに対して、発電機１０では、ステータ２０とロータ３０の相対回転の回転速度が、所定値を超えたときには、ロータ３０をステータ２０（タイヤホイール８１）とあえて共回りさせる共回り手段を備えている。具体的には、この共回り手段は、例えば、発電機１０と発電機１０から受電する電気機器とが接続されてなる発電回路に、この電気機器と直列に接続された負荷変更部（例えば可変抵抗）を備えている。そして、共回り手段は、負荷変更部の負荷を変更することで（例えば可変抵抗の抵抗値を上げて上記発電回路の電流を小さくすることで）、ロータ３０とステータ２０を共回りさせることができる。このように、ロータ３０とステータ２０の間に、上記発電回路の負荷に応じて、共回りするためのトルクを発生させることも可能となる。

図２に示すように、本実施形態の発電機１０は、例えばタイヤ８２の状態を監視するタイヤ状態監視装置１００に備えられる。タイヤ状態監視装置１００には、発電機１０と接続されて発電機１０から受電するタイヤ状態監視端末９０が設けられている。タイヤ状態監視端末９０は、タイヤホイール８１に固定され、タイヤ８２内にセンサ９１を備え、そのセンサ９１の検出結果を、例えば無線等により外部の受信機に送信する。センサ９１としては、例えば、タイヤ８２の内圧を検出するセンサや、温度センサ等が挙げられる。また、例えば、タイヤ状態監視端末９０は、タイヤホイール８１に取り付けられるタイヤバルブ８９等に取り付けられる。なお、発電機１０の発電回路に、充電バッテリを設けてもよい。

［第２実施形態］
図６には、第２実施形態の発電機１０Ｖが示されている。本実施形態の発電機１０Ｖは、上記第１実施形態の発電機１０に対して、ロータ３０にブレード部が固定されている点は同様であるが、容器部４０が、ロータ３０ではなくステータ２０に固定されている点が、異なる。容器部４０には、上記第１実施形態と同様に、容器部４０の容積より少ない量だけ液体Ｌが収容されている。

図７（Ｂ）に示すように、本実施形態では、ステータ２０に容器部４０のベース壁４１が固定されている。そして、ベース壁４１の中心部には、貫通孔４６が形成され、その貫通孔４６に、ロータ３０の中心シャフト３１が貫通している。ベース壁４１の貫通孔４６の内面には、環状のシール部４８が固定されている。シール部４８は、ベース壁４１の貫通孔４６の内面と中心シャフト３１との間をシールする。中心シャフト３１は、シール部４８に挿通された状態で回転可能となっている。

図６及び図７（Ａ）に示すように、中心シャフト３１の先端部からは、ブレード部６０が容器部４０の径方向に張り出している。本実施形態の例では、ブレード部６０は、複数設けられ、それらブレード部６０は、ロータ３０の回転中心から放射状に張り出している。例えば、それらブレード部６０は、容器部４０の周方向で等間隔に配置される。図７（Ａ）に示す例では、ブレード部６０は４つ設けられ、４つのブレード部６０群は、十字状に配置されている。

各ブレード部６０の長さ（即ち旋回半径）は、容器部４０内の密閉空間の半径（周壁４２の内径の半分）よりも小さくなっている。従って、ブレード部６０の先端と容器部４０の周壁４２との間には、周方向に液体Ｌが自由に通過可能な連絡流路４９が形成されている。また、容器部４０のベース壁４１と各ブレード部６０との間、及び、先端壁４３と各ブレード部６０との間にも、液体Ｌが通過可能な隙間が形成されている（図７（Ｂ）参照）。

本実施形態の発電機１０Ｖによっても、上記第１実施形態の発電機１０と同様の効果を奏することが可能となる。即ち、発電機１０Ｖでは、車両８０が走り出す際に、タイヤホイール８１が回転すると、ステータ２０及び容器部４０が一体回転する。このとき、液体Ｌは、慣性により容器部４０内で同じ位置に留まろうとする。ここで、ロータ３０に固定されて容器部４０内に配置されたブレード部６０は、液体Ｌに少なくとも一部が浸る。従って、液体Ｌとブレード部６０との間の抵抗により、ブレード部６０（即ちロータ３０）の回転を抑えることが可能となる。これにより、ステータ２０とロータ３０を相対回転させて発電することができる。

また、発電機１０Ｖでは、ブレード部６０は、複数設けられてロータ３０の回転中心から放射状に張り出すので、ブレード部６０と液体との抵抗を大きくすることができる。これにより、ロータ３０の回転を抑えやすくすることができ、ステータ２０とロータ３０を相対回転させやすくすることができる。また、容器部４０内の空間の半径が、ブレード部６０の旋回半径よりも大きくなっているので、容器部４０の内周面とブレード部６０との間に隙間が形成される。従って、タイヤホイールが高速回転してロータが共回りした場合に、液体Ｌがその隙間を通って容器部４０の周方向に移動し易くなり、液体Ｌが周方向全体に配置されやすくなる（図８参照）。その結果、ロータの回転によりタイヤホイール８１のバランスが崩れることをより抑制可能となる。

なお、本実施形態の発電機１０Ｖも、上記第１実施形態と同様に、タイヤ状態監視装置１００に備えられてもよい。

［他の実施形態］
（１）上記実施形態では、発電機１０から受電する装置が、タイヤ状態監視装置１００であったが、これに限定されるものではなく、例えば、タイヤホイール８１に取り付けられる発光装置等であってもよい。

（２）上記実施形態では、ブレード部５０（６０）と容器部４０の先端壁４３との間に液体Ｌが通過可能な隙間が形成されていたが、隙間が形成されずにブレード部５０と先端壁４３とが一体になっていてもよい。

（３）上記第１実施形態において、ブレード部５０を、図９に示すブレード部５０Ｗに変更してもよい。同図に示す発電機１０Ｗでは、ブレード部５０Ｗは、容器部４０のベース壁４１又は先端壁４３と一体化している。そして、ブレード部５０Ｗと容器部４０の周壁４２との間には、液体Ｌが通過可能な隙間が形成されている。この場合、ブレード部５０同士は、容器部４０の中心部で離れていてもよいし、連絡していてもよい。また、ブレード部５０は、ベース壁４１及び先端壁４３の両方と一体化していてもよいし、ベース壁４１と先端壁４３の何れか一方と一体化している場合には他方と離れていてもよい。また、図９に示す発電機１０Ｗの容器部４０内のうち周方向におけるブレード部５０Ｗ同士の間に、上記第１実施形態と同様に周壁４２から張り出したブレード部５０を設けてもよい。

１０ 発電機
２０ ステータ
３０ ロータ
４０ 容器部
５０ ブレード部
６０ ブレード部
１００ タイヤ状態監視装置
Ｌ 液体

Claims (7)

1. タイヤホイール（８１）に固定されるステータ（２０）と、前記タイヤホイール（８１）と同軸上に配置されて前記ステータ（２０）に回転可能に支持されるロータ（３０）とを有し、それらステータ（２０）とロータ（３０）との相対回転によって発電を行い、前記タイヤホイール（８１）に取り付けられる電気機器（９０）へと給電する発電機（１０）であって、
   前記ロータ（３０）に固定されたブレード部（５０，６０）と、
   前記ロータ（３０）又は前記ステータ（２０）の何れか一方に固定されて、前記ブレード部（５０，６０）を収容する容器部（４０）と、
   前記容器部（４０）に前記容器部（４０）の容積より少ない量収容され、前記ブレード部（５０，６０）の少なくとも一部を浸す液体（Ｌ）と、を備える発電機（１０）。
2. 前記容器部（４０）は、前記ステータ（２０）に固定され、
   前記ロータ（３０）に設けられて前記容器部（４０）を貫通する貫通部（３１）と、
   前記貫通部（３１）とそれが貫通する前記容器部（４０）の貫通孔（４６）の内面との間をシールするシール部（４８）と、を有する請求項１に記載の発電機（１０Ｖ）。
3. 前記ブレード部（６０）は、複数設けられて前記ロータ（３０）の回転中心から放射状に張り出し、
   前記容器部（４０）は、前記複数のブレード部（６０）の旋回半径より大きな半径の空間を有する円筒構造をなしている請求項２に記載の発電機（１０Ｖ）。
4. 前記容器部（４０）は、前記ロータ（３０）に固定され、
   前記ブレード部（５０）は、前記容器部（４０）の内面に一体形成されるか又は固定されている請求項１に記載の発電機（１０）。
5. 前記ブレード部（５０）は、複数設けられて前記容器部（４０）の内周面から回転中心側に張り出し、
   各前記ブレード部（５０）の側方には、前記容器部（４０）の周方向に、各前記ブレード部（５０）の両側の領域の間を前記液体（Ｌ）が自由に流れる連絡流路（４５）が備えられている請求項４に記載の発電機（１０）。
6. 前記容器部（４０）は、中空の円盤状をなしている請求項５に記載の発電機（１０）。
7. 請求項１から６の何れか１の請求項に記載の発電機（１０）と、
   前記タイヤホイール（８１）に固定され、タイヤ（８２）の内部に配置されるセンサ（９１）を有し、前記発電機（１０）から受電するタイヤ状態監視端末（９０）と、を有するタイヤ状態監視装置（１００）。

Images