一种用于无电池胎压监测发射仪的发电装置的制作方法

本实用新型属于汽车配件领域，公开了一种用于无电池胎压监测发射仪的发电装置，适用于无电池胎压监测仪的研制和生产。

背景技术：

目前市场上的胎压监测仪基本上都采用锂电池供电，这种锂电池具有耐高温的要求，制造成本比较高，经过数年时间电池电量耗尽以后还需更换新电池，虽然随着电池技术的发展，锂电池的能量密度越来越高，或许终生都不需要更换电池，但这并不指的是通过自发电来供电的胎压监测仪没有市场，相反，只要自发电技术成熟，成本降低，无需内置电池，也永远不需更换电池的无电池胎压监测发射仪必将获得一席之地，特别是在小型汽车、工程汽车，载重汽车等特种车辆具有很好的的市场前景。这里无电池意思是胎压监测仪产品包括有发电装置，利用轮胎转动携带的动能自我发电，解决胎压监测仪内气压检测芯片和无线数据发射芯片的供电问题。

经典的电磁感应发电技术应当是目前无电池胎压监测发射仪最有前途的发电方式，目前的公开的典型结构技术是永磁体在线圈内做活塞运动发电，如果采用径向充磁的话，在线圈内感应电压存在两股方向相反的抵消电压，因此永磁体注定只能轴向充磁，当永磁体在线圈内往复运动时，磁力线整体呈直线运动状态，由于磁力线的密集处在两个端面，而不是直接与线圈交叉，磁力线在空间的回路比较长，永磁体必须完全移出线圈一段距离后，然后再完全移入线圈内，运动行程比较长，不利于小型化。

简单说来，就是采用永磁体在线圈内做活塞运动发电的方式本身没有什么问题，就是行程太长，选用粗矮的永磁体可缓解此问题但却不能根除。本实用新型的发明人认为，需要对活塞式切割磁力线的结构进行改进，最佳的方式是对永磁体发出的磁力线进行约束，以减少行程并改善切割磁力线的方式。由于胎压监测仪市场竞争十分激烈，发电的结构应当尽可能简单，使得降低工艺成本和制造成本成为可能，哪怕是局部的改进和效率轻微的提高，都有创新价值。

本实用新型的发明人认为，对上述线圈内置活塞运动的永磁体的发电结构进行改进的最佳的方式是用导磁体对磁场导向和约束，使磁通变化更为迅捷，根据法拉第电磁感应定律，我们知道感应电动势的大小与磁通变化的速度成正比，这对自发电装置很重要，提高感应电压峰值，就能降低后级整流、储电等处理的难度；与此同时，磁场导向还可以降低活塞行程，原因是磁场导向会改变永磁体发出磁力线在空间的回路，磁力线经过精心设计后，活塞运动不需要太长的路径就能达到和上述线圈切割活塞运动的永磁体的同样的发电效果。

本实用新型的发明人通过国内专利号cn201721758190.9公开了一种轮胎内自由运动的无电池汽车胎压监测发射器，这种发射器为球形且有一个配重块实际控制了球体在轮胎内的运动姿态，该专利采用的一种发电装置实际就是前面所述的感应线圈切割活塞运动的永磁体磁场方案。发明人在后续的研究过程中，发现该方案存在先前提到的缺点并意图进行改进。由于胎压监测仪市场竞争十分激烈，发电的结构应当尽可能简单，使得降低工艺成本和制造成本成为可能，虽然电磁感应的发电机理很简单，但是具有局部的有效改进，使其更加实用化是十分必要的。

技术实现要素：

本文将使用导磁体进行磁场约束，以实现对前述活塞运动式电磁感应发电装置的改进，在提出方案之前，下面先对导磁体做简单解释。

导磁体具有磁导率高、矫顽力低的特点，其磁阻很小，易于磁通通过，主要用来控制磁通的密度和方向，本文把“磁通”这种专业术语用更容易理解的磁力线来描述；导磁体通常有多种，常见的是电工纯铁制成的某种形状的小块。

首先，简单解释一下为什么普通的永磁体在线圈内做活塞运动发电的方式存在活塞运动行程过长的原因。如图1所示，永磁体按上下方式运动，圆形截面代表线圈的横截面，假定永磁体不动，虚线圆和实线圆分别代表线圈相对于永磁体的两个极限位置，要切割磁力线，需要的行程是h1；对比图2，永磁体仍然按上下方式运动，但永磁体的磁力线方式与永磁体活塞运动方式垂直，线圈切割磁力线很密集，所需的行程是h2，显然h2小于h1，这个结果通过磁通量变化分析也可以得到，但是不如我们用图1和图2看的那么简单直接。“h2小于h1”这个结论表明了普通的永磁体在线圈内做活塞运动发电的方式发电的行程长，不利于产品小型化。那么关于能否直接采用图2的充磁方式的问题，答案是不行，因为每匝线圈内部存在两股极性相反而互相抵消的感应电动势。

其次，我们简单解释一下磁场回路为什么需要约束，普通永磁体的磁力线从n极出发，四面向空中发散、弯曲后并从另一极s极回来，这是没有约束的情况，围绕充磁轴线，磁力线在永磁体的所有侧面其分布是均匀的；反之，如果的主要磁力线从某一侧进出，次要磁力线从另一侧进入，那么围绕充磁轴线，磁力线在永磁体的所有侧面其分布就不是均匀的，就是我们所说的有约束的情况，有约束的磁力线有利于发电，下面参考附图3和附图4解释为何磁力线多数从下方进入会有利于磁通量的快速变化。参见图3，为便于理解，我们假定两个永磁体的磁力线根数都是1，且均集中从下方回来，只有一匝的线圈相对于永磁体的位置存在实线、细虚线和粗虚线三处；在截面为实线处和细虚线处时，线圈的磁通量均为0；当线圈截面为粗虚线处时，磁通量为2且达到最大，显然，最大的磁通量变化为2；再参见图4，两个永磁体的磁力线的根数是还是1，但没有磁力线的集中，分别从上下两处回来，每路是0.5，当线圈在截面为实线处和细虚线处时，线圈的磁通量均为0；线圈在截面为细虚线和粗虚线时，线圈的磁通量都为1，显然，最大磁通总变化量为1。在磁通量变化方面，图3比图4的要高一倍，即磁力线被经过约束后在空间中从一侧回流会有助于磁通量的变化，有助于提高感应电压。实际中，由于磁力线不像图3和图4中那样泾渭分明，线圈也有很多匝不可能尺寸很小，实线、细虚线和粗虚线三个位置不是一个点，而是一个运动区间，使得图3比图4的磁通量变化达不到理论的2倍。

在理解上面两个段落的前提下，阐述我们要改进的设想。为便于理解，我们假定永磁体在上下做活塞运动，改进要体现在以下两点：

（1）从图1~图2所示的那样，改变磁力线从上下两端出入为从侧面出入，即改变磁力线在永磁体内的方向与运动方向相同改为与运动方向垂直，使线圈在磁力线密集的地方切割，缩短永磁体行程；

（2）从图3~图4所示的那样，我们要改变磁力线在空中的四面发散为非均匀性分布，即磁力线的主要部分从永磁体的某一侧回来而次要部分从其他侧回来，实现这种非均匀性分布的方法是永磁体的布局和导磁体的使用。

上面对本方案背后的技术原理进行了比较充分和简明扼要的阐述，下面阐述本实用新型的目的和方案。

本实用新型的目的是对普通线圈内置活塞运动的永磁体的发电结构进行改进，提出一种使用导磁体进行磁场约束的活塞运动式电磁感应发电装置，能缩小活塞运动行程，缩小装置的体积，并提高发电效率。

为达到上述目的，采用以下技术方案：

一种用于无电池胎压监测发射仪的发电装置，包括线包、永磁体、空心管、导磁体和弹簧，被固定地安装于球形无电池胎压监测发射仪中并为其提供工作电能，球形无电池胎压监测发射仪的重心远离球心且重心位于所述线包的轴上；线包被固定在空心管的外壁上且两者共轴；空心管两端封闭，内部设有所述的永磁体、导磁体和弹簧；封闭的空心管限制了固结在一起做活塞运动的永磁体和导磁体的行程；当空心管以竖立姿态被观察时，导磁体为轴对称体，其横向尺寸即水平方向的尺寸小于纵向尺寸即垂直方向的尺寸，与空心管共轴；导磁体纵向尺寸方向的末端之侧面设有吸附永磁体的平面或者凹台；永磁体的数量≥2，永磁体均布地吸附在导磁体同一末端或两个末端之侧面，其n极和s极的连线与空心管轴线垂直而位于水平面内，位于导磁体同一末端的永磁体的极性依轴对称且该末端的中央留有缝隙；弹簧的一端顶住永磁体或导磁体，使两者弹性地立于空心管内，另一端与空心管的封闭面相抵。

其中，所述线包为漆包线绕制的多匝线圈，匝数不少于1500。

其中，永磁体由硬磁材料制成，比如钕铁硼。

其中，导磁体由软磁材料制成，比如纯铁、软铁合金、铁氧体。

进一步地，线包数量为1，永磁体的数量为2或2的整数倍数，所有永磁体均吸附在导磁体的一个末端之侧面，导磁体的另一个末端并无永磁体吸附；线包在安装位置上与永磁体等高。

进一步地，线包数量为2，永磁体的数量为4或4的整数倍数，所有永磁体为按数量均分为上下两层，分别吸附在导磁体的两个末端之侧面，层间永磁体的极性相反；两个线包在空心管外壁一上一下，位于上面的线包在安装位置上与上层永磁体等高，位于下面的线包在安装位置上与下层永磁体等高，两个线包的引出线相串联。

其中，极性相反指的两层中，一层永磁体的n极均朝内，另一层永磁体的n极均朝外，朝内指的是n极面向导磁体轴线，朝外指的是n极背对导磁体轴线。

可见，本实用新型实际包含两个方案，第一个方案中，只用一个线包，永磁体都处于一层上，即围绕导磁体的纵向尺寸的某一端的侧面紧贴吸附；第二个方案中，永磁体平均分为两层，分别围绕导磁体的纵向尺寸的全部两端的侧面紧贴吸附，与此对应，线包也包含两个。

可见，本方案在典型的永磁体线圈内做活塞运动的基础上，仅保留了活塞运动部分，对永磁体的数量，安装方式，磁场布局均做出了大幅度改进，并且增加了导磁体对多个永磁体发出的磁力线进行导向。本实用新型带来的有益效果是：（1）磁力线改为水平而出，可使得线圈能在磁力线最密集的地方集中切割磁力线，缩短活塞运动的行程，而这在普通的永磁体在线圈内做活塞运动发电的方式中是做不到的，本方案采用组内永磁体对称布局以及导磁体的导磁作用使其成为可能；（2）如果两组线包同时发电的话，发出的电动势能叠加，从而使得发电电压更高；（3）在一个空心管上同时安排一上一下两组能同时发电的线圈之结构，充分利用了空间，使得发电装置的体积做的更小。因此本实用新型方案能获得三个方面的效益：缩小行程、缩小体积、提高发电效率。

需要注意的是：为了简明扼要说明问题，图1~图4的磁力线都做了一定程度的简化和抽象。另外，本文中n极和s极的极性定义是为了原理说明的需要，并非一定是图中的那样，而是可以相互交换的；还有，本文的“上方”、“下方”仅仅是为了结合附图对技术方案进行说明，并没有特别所指这种结构必须有上下之分或者不可颠倒，由于电磁感应原理相当简单，本领域技术人员应当无歧义理解发明人的阐述。

附图说明

此处附图包括用于说明本实用新型方案的实施例和运用方法示例，这些示意性的实施例及其说明的主要用于解释本实用新型的技术方案以增进理解，在构成本申请的一部分的同时，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1线圈切割轴向充磁磁场时，线圈相对于永磁体的行程为h1，由于切割处的磁力线已经发散，所需行程较长。

图2线圈切割径向充磁磁场时，线圈相对于永磁体的行程为h2，由于切割处的磁力线十分密集，所需行程较短。

图3磁场线从一侧回来时，磁通量变化率的最大值为2，说明了合理引导磁场回路对发电有重要指导意义。

图4磁场线从两侧回来时，磁通量变化率的最大值为1。

图5实施例1的结构示意图，本例中，永磁体只有2个，且所有的永磁体都在导磁体的上端，导磁体的下端并没有其他永磁体，这是一种非对称结构，图中出示了磁力线的回路，重点标注了多数磁力线的回路和少数磁力线的回路，导磁体对多数磁力线回路有引导作用。

图6实施例1的爆炸图。

图7实施例2的结构示意图，本例中，永磁体分上下两层，不但导磁体的上端有永磁体，而且导磁体的下端也有导磁体，这是一种对称结构，图中出示了磁力线的回路，箭头表示磁力线的方向，可见磁力线经过约束后形成一个良好的回路，两个线包均能切割磁力线发电，只要把两个线包的感应电压同相相加，就能得到高的发电电压，并且能更好地利用空间，即在一个狭小的尺寸里放置更多的线圈和永磁体。

图8实施例2的爆炸图。

图9本实用新型实施例在无电池胎压监测发射仪中的典型运用示例，特别说明发射仪的重心在安装本实用新型实施例时是需要考虑的重要因素。

图中：

1—线包、2—永磁体、3—空心管、4—导磁体、5—弹簧、3a—封闭空心管的盖子；

10—本实用新型的实施例、20—配重块、30—开有透气孔且具有弹性的空心球壳、40—胎压监测仪的其他电路部分、50—无电池胎压监测仪、60—轮胎；

101—大多数磁力线从导磁体下方回来、102—少量的磁力线从导磁体上方回来、103—导磁体内回流的磁力线。

具体实施方式

下面结合附图尽可能通过实施例对本实用新型的技术方案尽可能清晰扼要的阐述。

本实用新型包含2个方案，分别用实施例1和实施例2来阐述。两个方案中一些相同的部分，可能只在一个实施例中表述，由于电磁感应技术属于基础电子技术，起点并不高，本领域的普通技术人员应当能正确了解并不会产生歧义。

在下面的阐述中，为方便描述，我们把空心管以竖立姿态放置，下面“上”“下”、“水平”等关于位置的词汇与此关联，这些词汇只用于说明位置关系，并无其他明示和暗示的意义。

实施例1

本实施例由线包1、永磁体2、空心管3、导磁体4、弹簧5组成。本例中，线包1有只有1个，被固定在空心管3外壁的上部，正如图5所示的那样，这是为了和永磁体2的位置对应，两者应处于等高的位置。永磁体2有2个，这是本实用新型最少要求使用的永磁体数量，它们对称地吸附在导磁体4上端的侧面，导磁体4下端的侧面则没有永磁体相贴，注意永磁体2与导磁体4的吸合面为平面，该平面位于导磁体4的上端，为便于永磁体2吸合及防止滑动，可以在导磁体4上部设置微小台阶；永磁体2的n极和s极的连线与空心管3轴线垂直，如图5中显示的处于水平面内；另外注意到两个永磁体2的n极均朝外，s极均朝内，这是满足方案中导磁体末端的永磁体极性依轴对称的要求。导磁体4为u型状的纯铁，其横向尺寸即宽度尺寸小于纵向尺寸即高度尺寸，看起来像长条状，顶部有开口即方案所述的缝隙，开口的作用是提供一个磁隙以增大导磁体4径向磁阻而保持轴线磁阻最小，如此有利于磁力线转折。

处于静止不动时，从图5中可见线包1和导磁体4等高，当受到颠振时，顶在永磁体2下方的弹簧5有助于使得永磁体2和导磁体4的结合体在空心管内上下做活塞运动，线包1的线圈因而切割上下运动的磁力线发电，通过前面图1~图4的说明，我们可清楚知道这是一种比较高效的切割磁场线的方式，既切割了密集的磁力线，也使多数磁力线从一侧回来增大了磁通变化率。图5中，大多数磁力线从导磁体下方回来101，少量的磁场线从导磁体的上方回来102，导磁体的下部起到了导磁的作用，就是引导回来的磁力线经过导磁体4回流，图5中可见导磁体内回流的磁力线103在导磁体内的低磁阻路径往上回流。

本例中线包1为漆包线绕制的多匝线圈，线包被绕制好再套于空心管上或者直接绕制于空心管上；漆包线可采用普通漆包线、醇粘漆包线或热粘漆包线，线径为0.02mm~0.1mm之间，匝数应不小于1500；建议采用0.05mm线径的漆包线绕制3000匝以上。永磁体2优先选择强磁钕铁硼，本例中永磁体为长方形是为了使永磁体体积较大，较大的体积指的是更高的磁场，有利于提高发电电压。导磁体4的材料为磁导率高、矫顽力低的软磁性材料，包括纯铁、软铁合金、铁氧体，本例中采用电工铁dt4c的铁片用模具压制；本例使用的弹簧5为普通弹簧，目的是使得永磁体更易于在空心管3内做活塞运动，如此使得永磁体2和导磁体4的结合体能更容易吸收轮胎颠振能力从而更容易做功发电，注意弹簧5优选不锈钢弹簧，不要选碳素钢弹簧，以避免阻挡磁力线回流，降低导磁体4的导磁作用。

装配时，可在空心管3内部涂上少量润滑脂或润滑油，弹簧5、永磁体2与导磁体4的结合部可用长效胶粘剂加以辅助固定。

从图5可见本实施例为单线包方案，或者说是非对称结构方案，这里的非对称指的是导磁体的上端侧面贴有永磁体而下端侧面没有。

图6为实施例1的爆炸图，结合图5，更容易地看清本方案的结构特征，注意本例的空心管的截面为园矩形，就是边角为圆角的矩形。

实施例2

本实施例阐述的是本实用新型的第二个方案，与第一个方案的区别是导磁体4的两端侧面都贴有永磁体，且使用了两个线包，两个线包同时发电，串联后可使得发出的电压接近翻倍。

参考图7，本实施例仍然由线包1、永磁体2、空心管3、导磁体4、弹簧5组成。本例中，线包1有2个，分别被固定在空心管3外壁的上部和下部，每个线包1有两根引线，两个线包1的电连接关系为串联，目的是把两个线包1内的感应电压同相叠加以提高输出感应电压，后面我们将更加详细说明。空心管3两端封闭，图中可以看到空心管3的封闭是用了一个端盖3a，当然也可以用两个端盖或其他别的形式，只要把空心管3两端封闭起来就可以。

本方案要求永磁体的数量为4或4的整数倍数，本例中永磁体个数为8个，即采用了8个相同的永磁体；图7视图只显示了其中4个，剩下4个可通过图8可以看得清楚。永磁体2按均等的数量分为上下两层，每层使用了4个永磁体，上层永磁体按导磁体4轴线在径向上均布且固定于导磁体4的上部之侧面，上下两层永磁体2在高度方向上分别与上下两个线包1一致，如图7中显示的那样；下层永磁体2也按导磁体4轴线在径向上均布且固定于导磁体4的下部之侧面，一般来说上下层相邻的永磁体2是对齐的，但不对齐也是允许的，本例中是对齐的。层内永磁体2的极性相同，层间永磁体2之间的极性相反，极性相同指的是每层永磁体2的n极均朝内或者朝外，朝内指的是n极面向导磁体4轴线，朝外指的是n极背对导磁体4轴线，比如图7中，上层的永磁体2的极性均朝外，下层永磁体2的极性均朝内。磁力线的绝大部分从上层永磁体2的n极发出，水平地向空心管3外侧喷出，经过空间发散弯曲之后从空心管3的外侧水平地进入到下层永磁体2的s极，最终会经过导磁体4回到出发点，正如图7中三股磁力线101所示的那样，磁力线的方向在图中用箭头表示；注意在导磁体4内部，磁力线从下向上，最终回到上层永磁体2的s极，再回到出发点n极，这些绝大部分的环形磁力线对发电有贡献；磁力线的少量部分经过空心管3两端的空间直接回到导磁体4的上下两端，图7中这部分少量磁力线回路没有画出，因为在图5中我们用一股磁力线102出示过，为避免重复，就不再绘出，这些少量部分磁力线对发电没有贡献，没有贡献指的是线包切割这部分磁力线发出的电力微弱，甚至达不到最低要求的门限，可以被忽略，这里的门限指的是后级处理的最低要求，比如整流管压降或者后级电压变换门限。

导磁体4为轴对称结构体，参考图7，导磁体4像一个哑铃，上下两端的侧面设有吸附永磁体2的机械面，机械面通常是平面或者凹的台阶，本实施例中机械面只是一个平面，利用磁吸的力量直接把永磁体2吸附在导磁体4侧面，为了使永磁体2安装牢固，可以动用胶粘剂或者在上下两层永磁体2之间增加一个支撑用的塑料环；导磁体4的轴线与空心管3的轴线共线；导磁体4的上下端面的中心有孔，孔的作用是安装弹簧5以及提供一个磁隙以增大导磁体4径向上的磁阻而保持轴线上的磁阻最小。

本例中导磁体4用纯铁热压成形，也可以用铁氧体烧结成形，由于纯铁饱和磁通大，优选前者。

线包1为漆包线绕制的多匝线圈；本例中使用了两个线包，两个线包的匝数相同，当一个线包顺时针绕线时而另一个线包逆时针绕线时，两个线包的引线直接像电阻一样串联；当两个线包都是顺时针或都是逆时针绕制时，交换一个线包的线头后再按普通方式串联，如此保证两个线包的电压同相相加而不是抵消。当永磁体2和导磁体4的联合体在空心管3内做活塞运动时，一个线包1的磁通量变大，另一个线包1的磁通量同步变小，因此，当两个线包的绕制方向相同时，两个线包所得的感应电压的电动势相反，需要交换其中一个线圈的两个线头后再串联。漆包线可采用普通漆包线、醇粘漆包线或热粘漆包线，线径为0.02mm~0.1mm之间，匝数应不小于1500；建议采用0.05mm线径的漆包线绕制，每个线包2000匝。由于我们使用两个2000匝的线圈，相当于方案1中的4000匝，而且方案2使用的永磁体2数量是方案1的两倍，显然，与方案1相比，在体积相同时，方案2发电有明显的优势，但制造成本会上升。

本例中弹簧5为宝塔弹簧，顶部有一小段直立弹簧，直立弹簧部分被塞入到永磁体2的中央孔内并固定。弹簧5的作用是使永磁体2更易于在空心管3内做活塞运动，如此使得永磁体2和导磁体4的结合体能更容易吸收轮胎颠振能力以及更容易做功发电。

可见本实施例为双线包方案，或者说是对称结构方案。这里的对称指的是导磁体的上部和下部的侧面都有贴有永磁体，相比非对称结构方案，对称结构方案具有更强的磁场，采用双线包同时发电，因此，在同等发电要求的情况下，对称结构方案有更小的体积。

图8为实施例2的爆炸图，结合图7，更容易地看清本方案的结构特征。

以上通过实施例阐述了本实用新型的两种方案，下面简单描述一下本实用新型的应用示范。

图9出示了本实用新型在无电池胎压监测发射仪中的一种典型应用例，无电池胎压监测发射仪50被自由地放置在轮胎60中，有一个开有透气孔且具有弹性的空心球壳30作为外壳，一个虚框表示的配重块20来控制其重心，使重心不在球心而是偏向球心的某一侧；本实用新型的实施例10的安装须保证发射仪50的重心位于本实用新型任意实施例10之空心管3的轴线上，如此当轮胎60以中高速转动起来后，在离心力的作用下，无电池胎压监测发射仪50之球壳30靠近重心的一侧与轮胎60的内壁接触，并以此为支点紧贴在轮胎60的内壁上晃动摇摆并伴随有上下颠振，这种颠振在胎面触地的时候非常明显，汽车行驶过程中，发射仪50的重心与球心的连线与空心管3的轴线基本保持共线关系，这样就能使本实用新型良好地工作起来。本实用新型实施例10的大小在球体内大致如图9所示，留出的其他地方用于布局胎压监测仪的其他电路部分40，如图9中的虚框所示。

至于配重块20的材料可以是比重比较大且不导磁原料，也可以是胎压监测发生器的某个零部件组成，只要能使整个球体的重心远离圆心，比如当本实用新型的实施例比较重而其他部分相对较轻的情况下，实施例本身的重量就起到了控制重心的作用，不再需要其他配重块，控制重心的方案，本实用新型不必也不能在此做出限定。

需要注意的是，上面关于本实用新型的典型应用的描述说明，其目的仅限于对本实用新型的进一步说明，即通过应用场景举例帮助阅读者加深对技术方案的理解，并不构成对本实用新型发明用途的不当限制。