本發明與一般電磁發電機的領域相關，特別有關于一種以車輛的車輪行進機械能發電的輪框發電機。
背景技術：
美國專利第4229728號揭露一種安裝在車輛輪軸上的電磁發電機，其轉子具有一偏離旋轉軸的重心，使得該轉子具有保持在最低的垂直位置的傾向，而發電所需的驅動力便通過重力在一滾動旋轉的環境中自然地實現。
另一美國專利第7126233號亦采用偏置的重心通過重力發電，但其設置在一旋轉的參考框架內，特別的是完全不須與旋轉軸線作接觸。
上述兩件專利皆通過發電機磁路中的變動磁通量產生電動勢，因此受磁力的吸斥作用而產生一波動轉矩，不論發電機是否待機中或者關閉后皆然。
一種運轉較平順、輸出功率較高并且擁有強健特質的輪框發電機應是一共同的終極目標，但也似乎仍然存在著一層神秘的面紗尚未完全揭露，故有提供一種新穎且具有進步性的輪框發電機的必要。
技術實現要素：
本發明的目的在于為車輛的每一車輪提供個別的獨立電源，以便實現個別車輪的自主壓力調節。當某種輪胎觸地面偵測器亦得以實現之時，每個車輪的觸地面積便可依據車輛荷重的分布狀況作各自的最佳化。
為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
一種輪框發電裝置，包括：一輪框，包含一環形框面、一輪輻單元以及一旋轉軸線；一軸承，包含一外環與一內環，該內環套設在該環形框面的兩邊緣凸唇之間；一轉子，設置于該外環上，具有至少一永久磁鐵，與一偏離該旋轉軸線的重心；以及一定子，設置于該環形框面上，與該轉子共同形成至少一磁路，當跟隨該輪框轉動之時，能通過至少一磁路中的恒定以及變動磁通量二者之一以產生電動勢。
進一步的，
所述軸承、轉子以及定子均密封于一真空容置空間中。
所述軸承為一陶瓷滾珠軸承。
所述環形框面具有一向所述邊緣凸唇水平延伸的底環溝槽。
所述邊緣凸唇為可拆卸式。
所述環形框面具有至少兩氣嘴孔。
該輪框發電裝置還包含一儲能電池陣列、一抽氣增壓系統、一胎溫與胎壓偵測器、一輪框轉速與加速度偵測系統、一車輪荷重偵測系統、一無線傳輸接收單元、一功率因數校正電路、一直流對直流轉換器以及一整合控制電路系統。
本發明的優點是：
本發明的輪框發電裝置，通過軸承將定子和轉子可轉動地設于輪框，該轉子能通過相對于該定子運動而產生電動勢，如此，車輛的每一車輪提供個別的獨立電源，以便實現個別車輪的自主壓力調節。另外，當某種輪胎觸地面偵測器得以實現之時，每個車輪的觸地面積便可依據車輛荷重的分布狀況作各自的最佳化。
附圖說明
圖1是本發明的一最佳實施例示意圖；
圖2是本發明最佳實施例的重心偏離旋轉軸的轉子的示意圖；
圖3是本發明最佳實施例的第一變化例示意圖；
圖4是本發明最佳實施例的第二變化例示意圖；
圖5是圖4所示第二變化例設置在一輪框上的剖視圖；
圖6是圖4所示第二變化例的剖視圖。
具體實施方式
以下僅以實施例說明本發明可能的實施例，然并非用以限制本發明所欲保護的范疇。
本發明公開的輪框發電裝置，包括：一輪框，一軸承，一轉子，以及一定子。該輪框包含一環形框面、一輪輻單元以及一旋轉軸線；該軸承包含一外環與一內環，該內環套設在該環形框面的兩邊緣凸唇之間；該轉子設置于該外環上，具有至少一永久磁鐵，與一偏離該旋轉軸線的重心；該定子設置于該環形框面上，與該轉子共同形成至少一磁路，當跟隨該輪框轉動之時，能通過至少一磁路中的恒定以及變動磁通量二者之一以產生電動勢。
圖1及圖2呈現本發明的一最佳實施例。一輪框發電裝置100套設在一輪框91上，具有一環狀定子1、一環狀轉子2以及兩軸承3。在本最佳實施例中，環形框面以輪框91為例，該環形框面具有一向邊緣凸唇94水平延伸的一底環溝槽95，軸承以兩個軸承3為例，該轉子以環狀轉子2為例，該定子以環狀定子1為例。輪框91與一外胎92相互配合界定出一氣室93，輪框91、外胎92與氣室93構成一車輪9。
環狀定子1套設在輪框91上，與輪框91一同環繞一旋轉軸線l轉動，并且具有一電流導體繞線線圈11。
環狀轉子2以l為軸線環繞輪框91自由轉動，并且受兩套設在輪框91上的軸承3所支撐。環狀轉子2具有一偏離l的重心c，同時具有一可為永久磁鐵的磁性件21，當輪框91轉動之時能在電流導體繞線線圈11上產生電動勢。
l與c之間最短距離為d，作用在c上的重力為g；定義自l至c的最短距離方向為α，并且定義α與g的方向間的夾角為θ。是故發電轉矩可表示為g·d·sine(θ)，當θ等于+90°或-90°時，發電轉矩具有一最大值為g·d。
圖3是本最佳實施例的第一變化例。輪框發電裝置200的環狀定子1套設在一軸承3′的一內環31′上，內環31′進一步套設在輪框91上。輪框發電裝置200的環狀轉子2套設在軸承3′的一外環32′上，內環31′與外環32′之間具有一滾珠33′。一發電轉矩控制系統51電連接環狀定子1且設置在內環31′上，通過調節電流導體繞線線圈11的輸出電流控制θ在+90°與-90°之間，依輪框91的行進方向而定。發電轉矩控制系統51可協同一功率因數校正電路58與一直流對直流轉換器59實行對θ的控制，此一原理同樣適用于本最佳實施例。
輪框發電裝置200理想上還應包括一整合控制電路系統56、一儲能電池陣列53、一胎溫與胎壓偵測器54、一抽氣增壓系統52、一輪框轉速與加速度偵測系統55、一車輪荷重偵測系統57、功率因數校正電路58以及直流對直流轉換器59，以上率皆與環狀定子1具有電氣連結關系。
整合控制電路系統56具有硬件與軟件組合的運算能力，可內建記憶體與無線傳輸接收單元60。抽氣增壓系統52具有一第二氣閥的需求，輪框轉速與加速度偵測系統55亦可簡化為一加速度傳感器。
車輪荷重偵測系統57自輪框91上向輪胎內壁上一點垂直投射一光束，并且偵測光束的反射遇輪胎觸地面則因胎面變形所生的劇烈變化。通過分析與光束的投射方向相反的反射所對應的一量測訊號，觸地面即可依據內壁上一點觸地與離地的兩時間瞬間，與輪框91的旋轉周期而界定。計算上首先以兩時間瞬間之差，除以旋轉周期而獲得觸地面的圓心角，然后計算觸地面面積，后者乘以胎壓即得車輪荷重。
圖4至6呈現本發明最佳實施例的第二變化例，本發明由回轉式擴展至直線反復式重力發電，并且具體地實施在一氣嘴上。環形框面具有至少兩供氣嘴裝設的氣嘴孔96，具有一閥體8(例如氣嘴)的一輪框發電裝置300設置在輪框91上，包含一定子1′與一轉子2′。轉子2′與定子1′共同形成一磁路，并且可在定子1′的兩個邊限位置之間自由滑動。定子1′具有一導體繞線線圈，當轉子2′隨著輪框91轉動而受重力作用在兩個邊限位置之間反復變換時，能在導體繞線線圈上建立電動勢。
以下詳細說明重要的工程考量與理論分析。
首先，由于輪胎內部作用在轉子上的風阻隨著車速成指數型式增加，軸承、轉子以及定子理想上應通過一專設的環形閉蓋真空密封在環狀框面的底環溝槽中。其次，為便于套設軸承、定子以及環形閉蓋，底環溝槽應向環狀框面的一邊緣凸唇水平延伸，并且邊緣凸唇應為可通過螺紋或者螺栓固定的可拆卸式。
欲依據法拉第定律(faraday′slaw)通過磁路中恒定的磁通量產生電動勢，可移動與磁場垂直的長度1的導線以速度υ橫越磁通密度b的磁場，則該導線兩端的電位差為1·υ·b。如此意味圖3中的磁路間隙(airgap)需保持一致不變，故環形定子1的橫截面亦維持一致不變。因此以細導線纏繞環形定子1，便是減少擴增磁路間隙的較佳恒定磁通發電方案。
θ的控制首先須將軸承的摩擦力列入考量。已知軸承摩擦力tbearing＝kbearing·(kvisc·n)(2/3)，其中kbearing為特定軸承相關系數，kvisc為軸承潤滑油的粘度，n為軸承的轉速(rpm)。茲以效率為念，可令
kbearing·(kvisc·nmax)(2/3)＝0.1g·d，
其中nmax為該設計的最高轉速額定。故，kvisc＝((0.1g·d/kbearing)/nmax(2/3))(3/2)；是以共有kvisc、g以及d等三個自由度可作調節以滿足前式，所以在額定轉速內的最大凈發電轉矩皆等于或大于0.9g·d。
進一步定義ω為上例的發電機角速度，eff為發電效率，并且假設tbearing可自實務設計中忽略。故依能量守恒原理，發電機的機械輸入與電氣輸出之間可建立一關系式如下：
vout，rms·iout，rms＝ω·g·d·sine(θ)·eff
所以，θ＝inversesine(iour，rms·(vout，rms/ω)/(g·d·eff))
其中，vout，rms/ω與eff在任意操作點附近皆可視為定值，因此可知θ主要受發電機的輸出電流所控制而與行駛速度無關。
但因g具有慣性，會在車輛緊急煞車時向前沖(θ由正轉負)，因此必須在θ的控制函數中額外導入一抵減量以便抵消或減低這個不利的效應，該抵減量可簡單地與ω的時變量成一比例但正負相反即可。
以上所述是本發明的較佳實施例及其所運用的技術原理，對于本領域的技術人員來說，在不背離本發明的精神和范圍的情況下，任何基于本發明技術方案基礎上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本發明保護范圍之內。