Колесный узел со встроенным генератором
WHEEL ASSY WITH BUILT-IN GENERATOR

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники
Настоящее изобретение относится в целом к области индукционных генераторов, а в частности, к колесному узлу со встроенным генератором, приводимым в действие кинетической энергией движущегося колеса транспортного средства.
Уровень техники
В патенте США № 4229728 приведено описание электрогенератора, размещенного с наружной стороны колесного диска около конца колесной оси, центр тяжести ротора которого смещен от оси вращения колеса. Поскольку смещенный центр тяжести стремится к крайнему нижнему положению по вертикали, обеспечивая отсутствие вращения ротора вместе с колесом, то создание движущей силы, необходимой для производства электроэнергии, обеспечивается естественным образом, за счет силы тяжести (гравитации). Наличие электрогенератора на колесном диске оказывает неизбежное влияние на внешний вид колеса. Кроме того, ограничение диаметром окружности расположения болтов (диаметром расположения крепежных отверстий) на установочной пластине ступицы, обеспечивает возможность повышения выходной мощности такого генератора исключительно за счет увеличения его высоты. Это не только способствует увеличению общей ширины колеса, но и приводит к смещению центра тяжести колеса в сторону, поэтому выходная мощность генератора ограничена допустимым, с этой точки зрения, изменением.
В патенте США № 7126233 приведено описание другого генератора, нецентрально расположенного внутри вращающейся системы координат, что, в частности, позволяет устранить необходимость доступа к оси вращения. Очевидны четыре основных недостатка: отсутствие внутреннего или внешнего кольца подшипника, что требует наличия тонкостенной кольцевой трубки с труднообрабатываемой внутренней поверхностью, в которой содержатся все шарики подшипника, принимающие деформированную форму и не имеющие возможности вращаться, по причине дефицита выходной мощности, что способствует возникновению критического трения скольжения и критического износа; только северный и южный полюса шарика подшипника, соответствующие магнитной цепи, имеют наименьший воздушный зазор, значительно ограничивая имеющийся магнитный поток; хотя последовательное размещение шариков подшипников с низкими значениями магнитной проницаемости имеет важное значение для смещенного центра тяжести, тем не менее, плотность мощности генератора снижается, просто из-за отсутствия изменения магнитного потока, способного навести электродвижущую силу (эдс) на этом участке трубки.
В обоих рассмотренных выше патентах предусмотрено создание в магнитных цепях переменного магнитного потока, обеспечивающего производство электроэнергии, следовательно, присутствует нежелательная пульсация входного крутящего момента генератора, вызванная знакопеременными силами притяжения магнита, независимо от того находится ли генератор в состоянии готовности или отключен.
С точки зрения заявителя, необходимо создать эффективный, надежный и равномерно работающий электрогенератор, обладающий намного большей выходной мощностью. Из этого следует, что колесный диск, маятник, подшипник, и электромагнитная индукция объединены в новом генераторе по настоящему изобретению, встроенном в колесный узел, и позволяющем повысить надежность, комфортность и увеличить пробег даже современных пневматических шин.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в создании источника электроэнергии для каждого колеса транспортного средства с целью обеспечения независимого автоматического регулирования давления в шинах. При использовании датчика отпечатка шины (начиная с патента США № 4180794, эта задача является достижимой) давление воздуха в каждой шине можно далее менять до оптимального с точки зрения нагрузки на каждое колесо в отдельности.
Для решения вышеупомянутой и других задач, предложен колесный узел со встроенным генератором, который включает в себя: обод, диск и ось вращения; при этом генератор содержит подшипник, имеющий внешнее кольцо и внутреннее кольцо, расположенное вокруг указанного обода в пределах ширины обода; ротор, который выполнен с возможностью вращения вместе с указанным внешним кольцом и имеет по меньшей мере один постоянный магнит и центр тяжести, смещенный от указанной оси вращения; и статор, выполненный с возможностью вращения вместе с указанным ободом, образования по меньшей мере одной магнитной цепи с указанным ротором и наведения электродвижущей силы с помощью постоянного или переменного магнитного потока в указанной по меньшей мере одной магнитной цепи при вращении колесного узла.
Ниже приведено подробное описание настоящего изобретения, примеры осуществления которого и рисунки носят исключительно пояснительный характер.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показан предпочтительный пример осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 иллюстрирует смещенный центр тяжести ротора в соответствии с предпочтительным примером осуществления изобретения.
На фиг. 3 показан первый вариант предпочтительного примера осуществления изобретения.
На фиг. 4 показан второй вариант предпочтительного примера осуществления изобретения.
На фиг. 5 показан вид в разрезе колесного узла по второму варианту предпочтительного примера осуществления изобретения; а
На фиг. 6 показан вид в разрезе второго варианта предпочтительного примера осуществления изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предметом настоящего изобретения является колесный узел со встроенным генератором, включающий обод и диск, причем генератор включает подшипник, ротор и статор.
Колесный узел состоит из обода, диска и оси вращения. Подшипник имеет внешнее кольцо и внутреннее кольцо; расположенное вокруг обода в пределах его ширины. Ротор выполнен с возможностью вращения вместе с указанным внешним кольцом и имеет по меньшей мере один постоянный магнит и центр тяжести, смещенный от оси вращения. Статор выполнен с возможностью вращения вместе с ободом, образования по меньшей мере одной магнитной цепи с ротором и наведения электродвижущей силы с помощью постоянного или переменного магнитного потока в указанной по меньшей мере одной магнитной цепи при вращении колесного узла.
На фиг. 1 и 2 показан предпочтительный пример осуществления настоящего изобретения. Электрогенератор 100 расположен вокруг обода 91 для установки шины, имеет один кольцевой статор 1, один кольцевой ротор 2 и два шарикоподшипника 3. В предпочтительном примере осуществления изобретения обод представлен ободом 91 для установки шины, имеет один плоский глубокий участок 95 (фиг. 3), проходящий параллельно оси вращения L к одной закраине 94 (фиг. 3) обода 91 для установки шины; подшипник состоит из двух шарикоподшипников 3, ротор представляет собой кольцевой ротор 2, статор выполнен в виде кольцевого статора 1. Обод 91 для установки шины и шина 92 образуют герметичную камеру 93; а обод 91 для установки шины, шина 92 и герметичная камера 93 вместе образуют участок 9 поддержки шины транспортного средства.
Кольцевой статор 1 расположен вокруг обода 91 для установки шины с возможностью вращения вместе с ободом 91 для установки шины вокруг оси вращения L и содержит одну обмотку 11 из проводящей жилы.
Кольцевой ротор 2 выполнен с возможностью свободного вращения вокруг L на ободе 91 для установки шины с помощью двух шарикоподшипников 3, расположенных вокруг обода 91 для установки шины.
Кольцевой ротор 2 имеет центр тяжести C, смещенный относительно L, управление смещением которого от L может осуществляться регулировочным грузиком 22 (фиг. 3); включает в себя по меньшей мере один постоянный магнит 21 и выполнен с возможностью наведения электродвижущей силы в обмотке 11 из проводящей жилы при вращении участка 9 поддержки шины.
Кратчайшее расстояние между L и C есть D, тянущая сила тяжести, действующая на C, есть G; обозначим направление отрезка LC, имеющего длину D, как α, а угол между α и направлением G, как Θ. Следовательно, крутящий момент, обеспечивающий производство электроэнергии, выражается как G•D•Sin (Θ), где G•D имеет максимальное значение при Θ, равном +90° или -90°.
На фиг. 3 показан первый вариант предпочтительного примера осуществления изобретения, в котором кольцевой статор 1 электрогенератора 200 расположен вокруг обода 91 для установки шины. Кольцевой ротор 2 электрогенератора 200 выполнен с возможностью вращения вместе с внешним кольцом 32' шарикоподшипника 3', а несколько шариков подшипника 33' расположены между внутренним кольцом 31' и внешним кольцом 32'. Цепь 51 регулировки крутящего момента подключена к кольцевому статору 1 и присоединена к ободу 91 для установки шины, кроме того, она устанавливает Θ в пределах +90° и -90° посредством регулирования выходного тока обмотки 11 из проводящей жилы, в зависимости от направления движения участка 9 поддержки шины. Цепь 51 регулировки крутящего момента выполнена с возможностью регулирования Θ с помощью координации одного блока 58 коррекции коэффициента мощности и одного преобразователя постоянного тока в постоянный, тот же самый принцип применим также к предпочтительному примеру осуществления настоящего изобретения.
Электрогенератор 200 также предпочтительно содержит один главный блок 56 управления и обработки данных, по меньшей мере одну батарею 53, один датчик 54 давления воздуха и температуры, одну систему 52 воздушного насоса и клапанов, один акселерометр 55, один датчик 57 отпечатка шины, один блок 58 коррекции коэффициента мощности и один преобразователь 59 постоянного тока в постоянный, функционально связанных с кольцевым статором 1.
Главный блок 56 управления и обработки данных обладает аппаратными и программными средствами, совместно обеспечивающими возможность вычисления, и встроено в запоминающее устройство и беспроводной передатчик 60. Система 52 воздушного насоса и системы клапанов предполагает наличие второго воздушного клапана.
Датчик 57 отпечатка шины обеспечивает перпендикулярное проектирование луча света от обода 91 для установки шины в точку на средней линии герметизирующего слоя шины, и выявляет быстрые и значительные изменения обратного отражения, вызванные прогибом отпечатка шины, в частности, когда указанная точка находится на поверхности отпечатка шины и прекращает нахождение на ней. Анализируя отраженный сигнал, обращенный на 180 градусов относительно проецируемого сигнала, отпечаток шины, в дополнение к цикличному периоду вращения участка 9 поддержки шины, можно характеризовать двумя моментами времени: нахождения указанной точки на поверхности отпечатка шины и прекращения нахождения на ней. Таким образом определяют центральный угол отпечатка шины, позволяющий, в свою очередь, определить площадь отпечатка шины и нагрузку на колесо для расчета значения давления шины.
Фиг. 4-6 иллюстрируют второй вариант предпочтительного примера осуществления настоящего изобретения, согласно которому сущность изобретения преобразуется из использования вращательного движения для производства электроэнергии в линейное движение, и его размер уменьшается для обеспечения возможности применения в воздушном клапане. В ободе 91 для установки шины выполнены по меньшей мере два отверстия 96 для штока клапана; электрогенератор 300, имеющий один шток 8 клапана (например, воздушного клапана), установлен на ободе 91 для установки шины, и содержит один статор 1' и один ротор 2'. Ротор 2', имеющий по меньшей мере один постоянный магнит 21, образует вместе со статором 1' магнитную цепь и выполнен с возможностью свободного скользящего перемещения между двумя крайними положениями статора 1'. Статор 1' содержит одну обмотку 11 из проводящей жилы, выполненную с возможностью наведения электродвижущей силы, при совершении ротором 2' возвратно-поступательного движения в статоре 1' за счет силы тяжести при вращении участка 9 поддержки шины.
Ниже будут более подробно рассмотрены технические и теоретические проблемы (задачи) настоящего изобретения.
Во-первых, так как сопротивление воздуха, действующее на указанный ротор внутри шины, возрастает со скоростью движения по экспоненциальному закону, то крайне важно, чтобы указанный подшипник, указанный ротор и указанный статор были загерметизированы в вакуумном пространстве на плоском глубоком участке 95 указанного обода, с помощью специально разработанного уплотняющего обода, закрывающего плоский глубокий участок 95. Во-вторых, для размещения указанного подшипника, указанного статора и указанного уплотняющего обода вокруг указанного обода, плоский глубокий участок 95 должен проходить параллельно оси вращения L до одной закраины 94 указанного обода, имеющей винтовое отверстие или разъемное болтовое соединение.
Для наведения электродвижущей силы согласно закону Фарадея при постоянном магнитном потоке в магнитной цепи, продольный прямолинейный проводник длиной l перемещается перпендикулярно плоской поверхности со скоростью υ(расстояние/Δ времени) в плоскопоперечном магнитном поле с постоянной плотностью магнитного потока B, при этом разность потенциалов между двумя концами прямого провода составит l•υ•B. Пусть магнитное поле направлено вертикально (от земли до неба), а прямолинейный проводник, направленный с юга на север, помещен в магнитное поле; тогда движение проводника в магнитном поле под прямым углом к направлению поля со скоростью υ приводит к изменению закрытой рабочей области l•υ. В результате скорость изменения магнитного потока l•υ•B просто представляет собой эквивалентное изменение привычной формулы электромагнитной индукции:
эдс=l•расстояние•(B /Δвремени).
Для сохранения постоянства магнитного потока в магнитной цепи необходимо, чтобы воздушный зазор между по меньшей мере одним постоянным магнитом 21 и сердечником трансформатора, на который намотана обмотка 11 из проводящей жилы (например, фиг.3), оставался такой же тонкой прослойкой в течение неопределенного срока. Это подразумевает, что профиль (сечение) кольцевого статора 1 всегда одинаков, независимо от его углового положения. Если магнитное сопротивление воздушного зазора сохраняется на нижнем пределе, обеспечивая, таким образом, максимальный магнитный поток в магнитной цепи, то магнитное притяжение между по меньшей мере одним постоянным магнитом 21 и кольцевым статором 1 должно оставаться таким же сильным без отклонений.
Допустим, что кольцевой статор 1 имеет прямоугольное сечение и образован намоткой в один слой провода диаметром 0,2 мм, а сечение по меньшей мере одного постоянного магнита 21 также является прямоугольным; тогда, если толщина тонкого воздушного зазора составляет 1 мм, то по меньшей мере один постоянный магнит 21 и обмотка 11 из проводящей жилы будут отстоять друг от друга только на 0,8 мм. Таким образом, одним примером электрогенератора с постоянным магнитным потоком может служить намотка в один или несколько слоев тонкого стандартного провода по всей длине кольцевого статора 1 для получения высокого выходного напряжения и низкого выходного тока. С другой стороны, обычная конструкция, в которой вокруг кольцевого статора 1 выполнено большое количество пазов для укладки обмотки, представляет собой электрогенератор с переменным магнитным потоком для получения низкого напряжения и большого тока.
подш
подш
подш
подш
max
max
подш
max
подш
вых. средн
вых.средн.
вых. средн
вых. средн
(2/3
(2/3)
(2/3)
(3/2)
Регулировка Θ должна сначала осуществляться с учетом момента сил трения подшипника. Момент сил трения подшипника имеет вид T=K • (V•N) ), где K - коэффициент, характеризующий подшипник, V - вязкость смазки для подшипника, и N - скорость вращения подшипника в оборотах в минуту. Пусть для конструкции, осуществленной на практике, K•(V•N)=0.1G•D при максимальной скорости вращения N, тогда: V=((0.1G•D/ K)/ N). Каждый из членов V, G, и D обозначает степень свободы, удовлетворяющую последнему уравнению, следовательно, максимальный эффективный крутящий момент, используемый для производства электроэнергии, гарантированно будет равным или большим изначально предусмотренного значения 0.9 G•D. Далее, обозначим ω угловую скорость как ω и КПД электрогенератора как Е, и для простоты пренебрежем величиной T, тогда, согласно закону сохранения энергии, электрическая выходная мощность генератора составляет лишь часть его подводимой механической мощности: V•I=ω•G•D•Sin(Θ)•E; Θ=Arcsin (I•(V/ω)/(G•D•E)). Зная заданное значение в режиме генератора (генерации), Vвых. средн / ω и E можно считать двумя постоянными (смоделированными с нарушениями), поэтому регулирование Θ, главным образом, осуществляют выходным током, независимо от числа оборотов объекта настоящего изобретения.
Однако, по-прежнему замедление транспортного средства, например, в случае экстренного торможения, является важной проблемой в отношении регулирования Θ; необходимо противодействие инерции движения вперед С для предотвращения его раскачивания вперед. Простое решение состоит во введении дополнительного члена смещения в уравнение управления Θ, который пропорционален и противоположен по знаку ускорению при разгоне или замедлении ω; также можно осуществить более сложную компенсацию посредством замкнутой обратной связи при дополнительных затратах на дополнительные датчики.
В настоящем изобретении использован тот же самый принцип преобразования потенциальной энергии в кинетическую энергию, что и в гидроэнергетике, работа осуществляется в той же надежной технике вращательного движения, а объект изобретения эксплуатируется на том же идеальном подшипнике, что и поверхность (элемент) качения. Так как только концептуальные преобразования имеют место в действительности: статор электрогенератора в точности повторяет узел обода и диска, а ротор в точности повторяет маятник; вследствие чего ни плотность мощности, ни КПД и надежность не должны ухудшаться в той или иной степени.
Кроме того, внешний вид, ширина, общий центр тяжести, и плавность вращения колеса могут подвергаться изменениям наряду с простотой и свободой выбора изменения мощности на выходе генератора, посредством регулировки веса 22, таким образом, можно сказать, что настоящее изобретение превосходит большинство прототипов в отношении технологических вопросов (проблем) в контексте применения их на практике.