电磁式发电机、电磁式发电机的安装方法以及内置有电磁式发电机的轮胎的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及安装于轮胎的内表面的电磁式发电机、该电磁式发电机的安装方法以 及安装有该电磁式发电机的轮胎。
【背景技术】
[0002] 传统地，已知具有钟摆结构的电磁式发电机为安装于轮胎的内表面的轮胎内发电 装置（例如，参见专利文献1)。
[0003] 该电磁式发电机被设计成当轮胎滚动时，永磁体相对于轮胎内部的线圈像钟摆一 样地摆动。特别地，在轮胎的接地开始点（踏入点）和接地结束点（蹬出点）、在线圈的两 端产生高电压，其中通过在该接地开始点和接地结束点处发生在轮胎内表面的周向上的前 后加速度使钟摆急剧加速。
[0004] 利用前述配置的电磁式发电机，已经采用缩短等效摆长的方式来减小钟摆部分的 惯性，以提高发电能力。
[0005] 现有技术文献
[0006] 专利文献
[0007] 专利文献1 :日本特开2011-239510号公报
【发明内容】
[0008] 发明要解决的问题
[0009] 然而，利用传统的电磁式发电机，当设定等效摆长时没有考虑轮胎尺寸。结果，存 在发电能力根据等效摆长与轮胎的运动半径彼此如何组合而下降的情况。
[0010] 本发明是鉴于这些传统问题作出的，并且本发明的目的在于提供能够在不用考虑 轮胎的类型的情况下提高发电能力的电磁式发电机、该电磁式发电机的安装方法以及安装 有该电磁式发电机的轮胎。
[0011] 用于解决问题的方案
[0012] 本发明提供一种电磁式发电机的安装方法，其为将具有钟摆结构的电磁式发电机 安装于轮胎的内表面的方法，该方法包括：以使得由所述电磁式发电机的等效摆长确定的 钟摆的周期的整数倍与所述轮胎的周长的整数倍以及通过所述轮胎的周长减去接地长度 所得到的所述轮胎的未接地部分的长度两者均不一致的方式、调整所述等效摆长，以及将 所述等效摆长被调整了的电磁式发电机安装于所述轮胎的内表面。
[0013] 注意的是，本文中使用的轮胎的未接地部分的长度为当安装于标准轮辋的轮胎处 在正规内压和正规载荷下时轮胎的未接地部分的长度。
[0014]此外，等效摆长1能够表达为I=V(M?d)，其中M为包括钟摆的刚性体的质量， d为转动轴和钟摆的重心之间的距离，I为绕着钟摆的转动轴的惯性力矩。
[0015] 理解的是，本发明的前述概要不必列举本发明的所有必要特征，并且本发明旨在 包括所有这些特征的子组合。
【附图说明】
[0016] 图1是示出根据本发明实施方式的钟摆型电磁式发电机的示意图。
[0017] 图2是示出轮胎滚动时的轮胎形状以及周向加速度的波形的图。
[0018] 图3是用于说明钟摆的加速状态的图。
[0019] 图4是示出周向加速度的波形和发电电压之间的关系的图（对于轮胎转动一圈而 言）。
[0020] 图5是示出钟摆的最低点、踏入位置和发电电压之间的关系的图。
[0021] 图6是示出2倍周长/波长的比和电压平均值之间的关系的图。
[0022] 图7是示出当未接地长度与钟摆波长（pendulumwavelength)的整数倍彼此一致 时的钟摆位置和发电电压之间的关系的图。
[0023] 图8是示出当未接地长度与钟摆波长的整数倍彼此不一致时的钟摆位置和发电 电压之间的关系的图。
[0024] 图9是示出未接地长度/波长的比与电压平均值之间的关系的图。
[0025] 图10是示出钟摆型电磁式发电机的另一示例的图。
【具体实施方式】
[0026] 图1的（a)和图1的（b)是示出根据本发明实施方式的钟摆型电磁式发电机（以 下称作发电机）10的示意图。图1的（a)是沿着垂直于轮胎轴向的平面截取的截面图，图 1的（b)是沿着垂直于轮胎径向截取的截面图。
[0027] 发电机10包括：平板状基台11，其安装在轮胎20内部；转动支撑构件12,其在基 台11的中央部向上立起；转动轴13,其中央部经由轴承12j可转动地安装在转动支撑构件 12的基台11所在侧的相反侧；一对钟摆14,各钟摆14均具有支撑杆14a和圆板状永磁体 14b，该支撑杆14的一端固定于转动轴13的端部，该圆板状永磁体14b安装于该支撑杆13 的另一端；圆板状线圈15,其装配在转动支撑构件12的基台11侧；整流电路16,其与线圈 15的两端连接；以及蓄电器17,其用于存储由线圈15产生的电荷。
[0028] 发电机10以使转动轴13的延长方向与轮胎转动轴线的方向平行的方式安装在胎 面21的背面侧的内衬层部22的轮胎气室23侧的大致中央部。此外，发电机10跟随轮胎 20的转动而转动。
[0029] 圆盘状永磁体14b相当于钟摆的锤坠（bob)。
[0030] 以使相反面的磁极彼此不同的方式使一对永磁体14b、14b磁化。另一方面，线圈 15是通过绕着与转动轴13的延长方向平行的轴缠绕被覆导线而形成的。此外，线圈15固 定在能够使其中心在作为钟摆14的锤坠的永磁体14b位于最低位置（轮胎径向外侧）时 与永磁体14b的中心大致一致的位置。
[0031] 整流电路16和蓄电器17位于基台11上的没有（clearof)诸如转动支撑构件12 和钟摆14等的部件的空间中。
[0032] 随着轮胎20在接地的状态下滚动，发电机10的钟摆14在如图2的（a)所示的称 作踏入点的接地开始点F和称作蹬出点的接地结束点K处产生如图2的（b)所示的周向加 速度。因此，使钟摆14以绕着转动轴13的钟摆运动加速。结果，改变了穿透线圈15的磁 通密度，从而在线圈15的两端产生了电压（感应电动势）。该感应电动势通过构成整流电 路16的整流机和平滑电容器被整流并且在蓄电器17中蓄电。
[0033] 图3是示出周向加速度和线圈15两端的电压（发电电压）随时间改变的图。钟 摆14在踏入时和蹬出时的周向加速度的影响下加快它们的运动速度，由此提升了发电电 压。即，在图3的左手侧，因为钟摆14未充分加速，所以钟摆14的振幅小并且发电电压低。 然而，钟摆14随着轮胎每转动一周而在周向加速度的影响下获得加速。因而，钟摆14的振 幅逐渐变大，并且在图3的右手侧，钟摆14进行了从钟摆运动至高速转动运动的转变，其结 果是提升了发电电压。
[0034] 钟摆14的钟摆运动的周期T能够表达为T= 2Jr(1/G)1/2,其中1为钟摆14的等 效摆长，G为重力加速度。
[0035] 其中，与作为锤坠的永磁体14b的质量mb相比，支撑杆14a的质量ma可以忽略不 计，钟摆14的等效摆长1与永磁体14b的中心和转动轴13之间的距离大致相等。然而，通 常地，I=V(M?d)，其中I为绕着钟摆14的转动轴13的惯性力矩，M(M=ma+mb)为钟摆 14的质量，d为钟摆14的重心P和转动轴13的中心Q之间的距离。
[0036] 此外，作为在钟摆14的单个摆动周期期间轮胎滚动的距离的钟摆波长X为A= VT(V为轮胎的转动速度）。
[0037] 此外，由于发电机10安装于具有运动半径（movingradius)R的轮胎的内表面，所 以重力加速度G随着轮胎的转动速度V而变化，并且可以表达为G= (V/R2)1/2。注意的是， 如图1的（a)所示，在本文中，作为轮胎滚动时的半径的轮胎运动半径R近似为轮胎转动轴 线的中心0和带束层24之间的距离。
[0038] 因而，当将具有等效摆长为1的钟摆14的发电机10安装在运动半径为R的轮胎 20内部并且使车辆以轮胎转动速度V行驶时，钟摆波长为A= 2JT(R* 1)1/2。
[0039] 即，如图4所示，钟摆14在固有波长X的钟摆运动下摆动，其中在不考虑轮胎转 动速度V的情况下，固有波长X由运动半径R和等效摆长1确定。
[0040] 另一方面，轮胎转动一圈的周长L为L= 2JIR，其中R为安装有发电机10的轮胎 20的运动半径。
[0041] 此时，如果发电机10的固有波长A的整数倍与周长L的整数倍相等、即n?入= m?R(n和m为正整数），则发电机10的钟摆运动的相位相对于轮胎20的m圈转动的距离 是固定的。由于发电机10的钟摆运动的表现类似于驻波（standingwave)，所以接收发生 在踏入时和蹬出时的周向加速度的位置和次数也是固定的。
[0042] 在本配置中，存在如下最佳位置：在该最佳位置处，由钟摆14的加速产生高电压。 如图5的（a)和图5的（b)中的粗虚线所示，该最佳位置比踏入位置落入钟摆14的最低位 置所在的位置略靠前（这里，大约靠前〇. 〇3_)。
[0043] 当钟摆14的最低位置经过最佳位置时，钟摆14经受最大周向加速度。因此，钟摆 14的最低位置经过最佳位置的次数越多，钟摆14将被间歇加速转动得越快，并且线圈15的 两端产生的电压也将越高。
[0044] 图5的（a)是示出当发电机10的固有波长A的整数倍与周长L的整数倍一致时， 钟摆的最低点、踏入位置和发电电压之间的关系的图。如果钟摆运动的相位是固定的，则钟 摆的在即将踏入时的最低点与最佳位置不一致。结果，钟摆14不能被加速，并且发电电压 变低。即，不能通过周向加速度使钟摆14被有效地加速，导致了较低的发电电压。
[0045] 相比于此，如果发电机10的固有波长A的整数倍与周长L的整数倍不一致，即如 果轮胎20的运动半径R和等效摆长1的关系为（R?I)1/2=p?R(p为正的非整数），则钟 摆运动的相位是不固定的。结果，如图5的（b)所示，随着轮胎20的每圈转动、钟摆运动的 相位相对于轮胎20 -点点地移位。因而，钟摆14能够多次经过它们能够被显著地加速的 最佳位置。因此，钟摆14通过被间歇地加速而以高速转动，因而能够在线圈15的两端产生 高电压。
[0046] 图6是示出2倍轮胎周长L、固有波长X和发电电压之间的关系的图。横轴表示 2倍轮胎周向与波长之比（2L/X)，纵轴表示发电电压的平均值。如图6清楚地所示，发电 电压的平均值随着发电机10的11倍固有波长A靠近2倍轮胎周长L而降低，并且随着发 电机10的11倍固有波长A远离2倍轮胎周长L而上升。
[0047] 因而，轮胎20与发电机10的组合应当以使轮胎20的运动半径R的整数倍与等效 摆长1的整数倍不一致的方式设计。那么不仅能够防止由于钟摆运动变成驻波而使发电电 压下降，此外还能够由于钟摆14能够多次经过钟摆14被显著地加速的最佳位置而有效地 加速钟摆14。因此，能够通过钟摆14的高速转动运动来使发电电压上升，这确保了为安装 在轮胎内的传感器、装置甚至无线装置稳定地