ES2282255T3 - Generador piezo-electrico para detectores situados en el interior de neumaticos de vehiculo. - Google Patents
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Abstract
Sistema para generar energía eléctrica en un neumático (1) de vehículo, comprendiendo el sistema dicho neumático (1), que comprende una carcasa (2) y una banda de rodadura (3), y estando montado en una llanta de rueda de vehículo (8), comprendiendo además el sistema: - al menos un elemento piezoeléctrico (9; 109) asociado a dicho neumático (1), que genera energía eléctrica siempre que el mismo se deforma; - un circuito eléctrico que está aplicado en dicho neumático (1) y que no está en comunicación eléctrica con el vehículo, caracterizado por el hecho de que - dicho al menos un elemento piezoeléctrico (9; 109) es alargado, extendiéndose una longitud de dicho al menos un elemento piezoeléctrico en una dirección tangencial a lo largo de al menos una parte de una circunferencia, coaxial con el eje del neumático, de una superficie interior de la carcasa (2) de dicho neumático (1), y estando conectada eléctricamente a dicho circuito eléctrico, y - dicho al menos un elemento piezoeléctrico está adaptado para suministrar la energía eléctrica generada para alimentar un detector (18) distinto del al menos un elemento piezoeléctrico (9; 109) o para suministrar la energía eléctrica generada a un dispositivo (15) que almacena energía eléctrica.
Description
Generador piezo-eléctrico para
detectores situados en el interior de neumáticos de vehículo.
La presente invención se refiere a un sistema
para generar y utilizar energía eléctrica en un neumático de
vehículo y a un neumático equipado con este sistema.
Más específicamente, la presente invención se
refiere a un sistema para generar energía eléctrica mientras un
vehículo está en movimiento, pudiéndose almacenar asimismo esta
energía para su utilización en dicho neumático incluso cuando el
vehículo está detenido.
El documento US 4.504.761 da a conocer un
aparato de generación de electricidad que comprende
- -
- un vehículo automóvil que tiene un sistema eléctrico que comprende una batería y una pluralidad de conjuntos que comprenden una rueda y un neumático que tiene una cubierta de caucho que comprende una primera banda anular y una segunda banda anular que tiene una pluralidad de salientes situados cerca de la primera banda a efectos de moverse hacia la misma en respuesta a movimientos de rodadura del neumático; y
- -
- medios para generar electricidad en respuesta a movimientos del vehículo automóvil a lo largo de una carretera, que comprenden
- -
- una pluralidad de elementos piezoeléctricos fijados a la primera banda y dispuestos cerca de los salientes a efectos de acoplarse a los mismos durante el movimiento de rodadura del neumático para generar electricidad en respuesta al movimiento de rodadura de los neumáticos con respecto a la carretera; y
- -
- medios de interconexión de los elementos piezoeléctricos en un circuito con la batería para suministrar energía eléctrica, generada por los elementos piezoeléctricos, a la batería, teniendo dichos medios conductores de salida.
El sistema de generación de electricidad de esta
patente presenta muchas desventajas. Las bandas que llevan los
elementos piezoeléctricos y los salientes que los activan requieren
la presencia de una especie de cámara en el neumático. Esto hace
necesaria una profunda modificación de la estructura del neumático y
aumenta significativamente los costes de fabricación. También
aumenta el peso del neumático, lo cual afecta negativamente a su
rendimiento, por ejemplo, a la resistencia a la rodadura y al
confort.
Además, el montaje de los distintos elementos
piezoeléctricos en su banda y la formación de los sistemas
inductivos necesarios para transmitir la energía eléctrica producida
hacia la batería del vehículo automóvil son muy complejos y
caros.
También es conocido que se ha propuesto instalar
varios tipos de detectores en el neumático, por ejemplo, detectores
de presión, temperatura, fuerza, velocidad y similares, para
monitorizar y controlar el rendimiento del neumático y/o del
vehículo. Sin embargo, estos sistemas requieren un sistema de
suministro de energía eléctrica para el funcionamiento del detector
y/o del transmisor que transfiere hacia el exterior los datos y la
información recogidos por el detector.
Los sistemas de suministro de energía propuestos
hasta la actualidad comprenden esencialmente dos tipos.
El primer tipo consiste en sistemas inductivos o
sistemas de contacto por deslizamiento, tales como los requeridos en
el documento US 4.504.761, excepto por el hecho de que la energía
eléctrica se transfiere desde la batería del vehículo hacia un
detector y/o transmisor situados en el neumático. Sin embargo, tal
como se ha observado anteriormente, estos sistemas presentan el
inconveniente de que son muy complicados y caros.
El segundo tipo consiste en una pila montada en
el interior del neumático. No obstante, incluso las pilas más
sofisticadas y caras acaban por agotarse, y el hecho de tener que
reemplazarlas por una nueva pila a instalar en el interior del
neumático resulta molesto y caro para el usuario del vehículo.
El documento FR 2 580 997 describe un
dispositivo para indicar que la presión de inflado en el interior
de un neumático está por debajo de cierto valor. Una presión de
inflado baja en el interior del neumático provoca una deformación
mayor del mismo. El dispositivo detecta una deformación de este
tipo, e indica al conductor del vehículo que la presión es baja. La
detección de la deformación se lleva a cabo mediante un dispositivo
piezoeléctrico PVF2. La transmisión de la información se lleva a
cabo mediante una conexión magnética.
Por lo tanto, la industria sigue siendo
altamente consciente de la necesidad de un sistema que pueda
alimentar un detector y/o un transmisor situados en el interior de
un neumático de una rueda de vehículo, que sea sencillo, barato y no
provoque inconvenientes al usuario del vehículo.
Los inventores han descubierto que este objetivo
puede alcanzarse mediante un elemento piezoeléctrico asociado a un
neumático sin necesidad de realizar ninguna modificación en la
estructura convencional del neumático.
En su primer aspecto, la presente invención se
refiere a un sistema para generar energía eléctrica en un neumático
de vehículo, comprendiendo el sistema el neumático, que comprende
una carcasa y una banda de rodadura, y estando montado en una
llanta de rueda de vehículo, comprendiendo además el sistema: al
menos un elemento piezoeléctrico asociado al neumático, que genera
energía eléctrica siempre que el mismo se deforma, un circuito
eléctrico que está aplicado en el neumático y que no está en
comunicación eléctrica con el vehículo, caracterizado por el hecho
de que el al menos un elemento piezoeléctrico es alargado,
extendiéndose una longitud del al menos un elemento piezoeléctrico
en una dirección tangencial a lo largo de al menos una parte de una
circunferencia, coaxial con el eje del neumático, de una superficie
interior de la carcasa del neumático, y estando conectada
eléctricamente al circuito eléctrico, y el al menos un elemento
piezoeléctrico está adaptado para suministrar la energía eléctrica
generada para alimentar un detector distinto del al menos un
elemento piezoeléctrico o para suministrar la energía eléctrica
generada a un dispositivo que almacena energía eléctrica.
En su segundo aspecto, la presente invención se
refiere a un neumático para un vehículo, comprendiendo el neumático
una carcasa y una banda de rodadura y al menos un elemento
piezoeléctrico que genera energía eléctrica siempre que el mismo se
deforma, un circuito eléctrico que está aplicado en el neumático y
que no está en comunicación eléctrica con el vehículo,
caracterizado por el hecho de que el al menos un elemento
piezoeléctrico es alargado, extendiéndose una longitud del al menos
un elemento piezoeléctrico en una dirección tangencial a lo largo
de al menos una parte de una circunferencia, coaxial con el eje del
neumático, de una superficie interior de la carcasa del neumático,
y estando conectada eléctricamente a dicho circuito eléctrico, y el
al menos un elemento piezoeléctrico está adaptado para suministrar
la energía eléctrica generada para alimentar un detector distinto
del al menos un elemento piezoeléctrico o para suministrar la
energía eléctrica generada a un dispositivo que almacena energía
eléctrica.
En una primera realización preferida, dicho
circuito eléctrico comprende un detector para monitorizar y
controlar el rendimiento del neumático y/o del vehículo.
Normalmente, dicho detector e selecciona de
entre detectores de presión, temperatura, fuerza, velocidad y
similares.
En una segunda realización preferida, dicho
circuito eléctrico comprende un transmisor que transmite hacia el
exterior del neumático los datos recogidos por dicho detector.
Preferiblemente, dicho transmisor está conectado
funcionalmente a un receptor instalado en el vehículo. De este
modo, los datos adquiridos por los detectores que funcionan en el
interior del neumático son procesados mediante dispositivos
adecuados instalados en el vehículo a efectos de iniciar acciones
diseñadas para regular/optimizar el comportamiento del vehículo en
movimiento al tomar una curva y/o al desplazarse en línea recta, tal
como se describe en las solicitudes de patente europea número
99830714.4, presentada el 18 de noviembre de 1999, y número
00830041.0, presentada el 25 de enero de 2000, a nombre del presente
solicitante.
Normalmente, dicho transmisor es un
radiotransmisor.
En una tercera realización preferida, dicho
circuito eléctrico incluye un dispositivo que almacena la energía
eléctrica producida por dicho elemento piezoeléctrico.
Ventajosamente, dicho dispositivo de
almacenamiento de energía es un conjunto de condensador/batería
recargable que actúa como batería compensadora.
La disposición de dicho elemento piezoeléctrico
alargado y su longitud no son de importancia crítica. No obstante,
es preferible fijarlo a una superficie interior de dicha carcasa del
neumático, ya que fijarlo en dicha posición resulta muy
económico.
Todavía más preferiblemente, dicho elemento
piezoeléctrico alargado está dispuesto en un recorrido ondulado a lo
largo de la circunferencia del neumático. Esto hace posible tener un
suministro continuo de energía.
Un ejemplo típico de elemento piezoeléctrico
alargado según la invención es un cable piezoeléctrico coaxial que
comprende un núcleo central de material conductor eléctrico, una
capa de material aislante hecha de un polímero piezoeléctrico, un
conductor trenzado hecho de un material conductor eléctrico, y una
funda.
Preferiblemente, dicho circuito eléctrico y sus
componentes también están fijados a una superficie interior de dicha
carcasa por las razones que se han explicado anteriormente con
respecto a dicho elemento piezoeléctrico alargado.
En la presente descripción y en las
reivindicaciones, la expresión "elemento piezoeléctrico
alargado" se utiliza para indicar un elemento piezoeléctrico cuya
longitud es al menos 2 veces, preferiblemente al menos 3 veces, y
todavía más preferiblemente al menos 5 veces mayor que su anchura o
diámetro. La longitud de dicho "elemento piezoeléctrico
alargado" es preferiblemente de al menos 30 mm, ya que de otro
modo no tendría una sensibilidad suficiente a las variaciones de
deformación que se producen en cualquier parte del neumático durante
su giro.
A continuación se explicarán las características
y ventajas de la invención, haciendo referencia a una realización
mostrada a modo de ejemplo no limitativo en las figuras que se
acompañan, en las que:
la figura 1 muestra un sistema para generar
energía eléctrica que comprende un elemento piezoeléctrico asociado
a un neumático de vehículo y producido según la invención,
mostrándose el neumático en perspectiva y en una sección por la
mitad según un plano ecuatorial;
la figura 2 es una sección transversal a través
del neumático de la figura 1;
la figura 3 muestra una variante del neumático
de la figura 1;
la figura 4 es una vista extrema en perspectiva,
a una escala ampliada, del elemento piezoeléctrico de la figura
1;
la figura 5 es una vista lateral del elemento
piezoeléctrico de la figura 4;
las figuras 6 y 7 muestran esquemáticamente
varios componentes de un circuito eléctrico aplicado en el neumático
de la figura 1;
la figura 8 es un gráfico que muestra la
diferencia de potencial generada por el elemento piezoeléctrico de
la figura 1 en relación con el tiempo; y
la figura 9 es un gráfico que muestra el voltaje
generado por el elemento piezoeléctrico de la figura 1 en relación
con la velocidad del vehículo.
Las figuras 1 y 2 muestran un neumático de
vehículo 1 que comprende una carcasa 2, una banda de rodadura 3,
capas de bandas (conjunto de bandas) 4, paredes laterales 5 y
talones 6. La carcasa 2 tiene una superficie interior 7, cubierta
opcionalmente con un forro. El neumático 1 está montado en una
llanta de rueda 8. Según la invención, un elemento piezoeléctrico 9
formado por un cable piezoeléctrico coaxial 10 está asociado al
neumático 1. El cable piezoeléctrico 10 está fijado a la superficie
interior 7 de la carcasa 2. El cable 10 se extiende por toda la
circunferencia ecuatorial de la superficie interior de la carcasa en
una dirección longitudinal (dirección X, ortogonal al plano YZ), es
decir, en la dirección en la que el vehículo se desplaza. El cable
piezoeléctrico 10 también puede extenderse circunferencialmente a lo
largo de una pared lateral 5 del neumático 1, o solamente a lo largo
de una parte de la circunferencia (un arco de la
circunferencia).
La figura 3 muestra un elemento piezoeléctrico
alargado 109 formado por un cable piezoeléctrico coaxial 10 que se
extiende a lo largo de la circunferencia ecuatorial, siguiendo un
recorrido
ondulado.
ondulado.
Tal como se muestra en las figuras 4 y 5, el
cable piezoeléctrico 10 comprende un núcleo central 11 de material
conductor eléctrico, una capa aislante eléctrica 12 y un conductor
trenzado 13, hecho también de material conductor eléctrico. El
núcleo 11 puede estar hecho, por ejemplo, de filamentos de cable de
acero recubierto de latón, mientras que el conductor 13 es de
cobre. La capa aislante eléctrica 12 está dispuesta entre el núcleo
11 y el conductor 13, y consiste en un polímero piezoeléctrico, tal
como, por ejemplo, un polivinilideno fluorado (PVDF). Sobre el
conductor 13 está dispuesta una funda de recubrimiento exterior de
protección 14 de material elastoplástico, por ejemplo, polietileno o
caucho halobutilo. El cable piezoeléctrico 10 tiene un diámetro de,
por ejemplo, aproximadamente 3 mm.
En las realizaciones mostradas en las figuras 1,
2 y 3, el cable piezoeléctrico 10 está fijado a la superficie
interior 7 de la carcasa 2, pero también puede estar insertado en la
carcasa 2, donde puede reemplazar uno de los cables de la capa de
la carcasa 2, en el interior de la banda 4, donde puede reemplazar
un cable de la banda, o en la banda de rodadura 3, donde puede
estar aplicado en el interior de una ranura circunferencial de la
banda de rodadura 3, preferiblemente en el fondo de una ranura.
Cuando la capa piezoeléctrica 12 se deforma a
cierta velocidad, la misma genera una diferencia de potencial entre
el núcleo central 11 y el conductor 13. Esta diferencia de potencial
es proporcional, normalmente de manera lineal, a la variación de
deformación que se produce en 12. Más específicamente, la diferencia
de potencial depende de la velocidad de deformación de la capa
piezoeléctrica 12.
Este estado de deformación de la capa
piezoeléctrica 12 ocurre cada vez que un desplazamiento de la parte
del neumático a la está fijado el cable piezoeléctrico 10 o en la
que el mismo está insertado se propaga hacia el cable 10 y, por lo
tanto, hacia la capa 12.
Por lo tanto, cuando el vehículo se está
desplazando y el neumático 1 está rodando sobre una superficie, se
produce un voltaje eléctrico (diferencia de potencial) en el cable
10 que es proporcional a las variaciones de sus deformaciones. En
el gráfico de la figura 8, se muestra la amplitud (milivoltios) del
voltaje en relación con el tiempo (segundos) para un cable
piezoeléctrico 10 que tiene una capacitancia eléctrica igual a 700
pF/m (picofaradios por metro) y un coeficiente piezoeléctrico d3h de
0,15 pC/N (picoculombios por newton), fijado a un neumático que
rueda a una velocidad de 80 km/h.
El cable piezoeléctrico 10 está conectado
eléctricamente mediante unos conductores 16 a un dispositivo 15 que
puede almacenar la energía eléctrica producida (figura 6). El
dispositivo 15 puede consistir, por ejemplo, en un
condensador/batería recargable que actúa como batería compensadora,
y que está montado en la superficie interior 7 de la carcasa
(figura 2) o en el interior de la llanta 8. De este modo, en este
último caso, el circuito eléctrico se fija no solamente al
neumático, sino también a la llanta 8.
Esto permite obtener una fuente de energía
constante, ya que el cable piezoeléctrico 10 se utiliza como una
"dínamo" que genera energía eléctrica, y la energía producida
se almacena en el condensador/batería recargable 15.
El núcleo central 11 y el conductor 13 del cable
10 están conectados eléctricamente no solamente al
condensador/batería recargable 15, sino también a otros componentes
de un circuito eléctrico. Estos componentes, que utilizan la
energía eléctrica generada por el cable 10, consisten en detectores,
transmisores o detectores/transmisores, uno de los cuales se indica
como 18 en la figura 7.
La figura 9 muestra la amplitud del voltaje
(voltios) generada por dos tipos de cable piezoeléctrico dispuestos
alineados a lo largo de la circunferencia ecuatorial interna de un
neumático a medida que la velocidad de giro (km/h) varía. En el caso
de la curva a, el cable piezoeléctrico presentó una
capacitancia eléctrica de 800 pF/m y un coeficiente piezoeléctrico
d3h de 1,5 pC/N. En el caso de la curva b, el cable
piezoeléctrico presentó una capacitancia eléctrica de 700 pF/m y un
coeficiente piezoeléctrico d3h de 0,15 pC/N.
Claims (20)
1. Sistema para generar energía eléctrica en
un neumático (1) de vehículo, comprendiendo el sistema dicho
neumático (1), que comprende una carcasa (2) y una banda de rodadura
(3), y estando montado en una llanta de rueda de vehículo (8),
comprendiendo además el sistema:
- -
- al menos un elemento piezoeléctrico (9; 109) asociado a dicho neumático (1), que genera energía eléctrica siempre que el mismo se deforma;
- -
- un circuito eléctrico que está aplicado en dicho neumático (1) y que no está en comunicación eléctrica con el vehículo,
caracterizado por el hecho
de
que
- -
- dicho al menos un elemento piezoeléctrico (9; 109) es alargado, extendiéndose una longitud de dicho al menos un elemento piezoeléctrico en una dirección tangencial a lo largo de al menos una parte de una circunferencia, coaxial con el eje del neumático, de una superficie interior de la carcasa (2) de dicho neumático (1), y estando conectada eléctricamente a dicho circuito eléctrico, y
- -
- dicho al menos un elemento piezoeléctrico está adaptado para suministrar la energía eléctrica generada para alimentar un detector (18) distinto del al menos un elemento piezoeléctrico (9; 109) o para suministrar la energía eléctrica generada a un dispositivo (15) que almacena energía eléctrica.
2. Sistema, según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que dicho circuito eléctrico
comprende dicho detector (18) para monitorizar y controlar el
rendimiento del neumático y/o del vehículo.
3. Sistema, según la reivindicación 2,
caracterizado por el hecho de que dicho detector (18) se
selecciona de entre detectores de presión, temperatura, fuerza,
velocidad y similares.
4. Sistema, según la reivindicación 2,
caracterizado por el hecho de que dicho circuito eléctrico
comprende un transmisor (18) que transmite hacia el exterior del
neumático los datos recogidos por dicho detector.
5. Sistema, según la reivindicación 4,
caracterizado porque dicho transmisor (18) está conectado
funcionalmente a un receptor instalado en el vehículo.
6. Sistema, según la reivindicación 5,
caracterizado por el hecho de que dicho transmisor (18) es un
radiotransmisor.
7. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que
dicho dispositivo (15) que almacena energía eléctrica es un
conjunto de condensador/batería recargable que actúa como batería
compensadora.
8. Sistema, según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que dicho al menos un elemento
piezoeléctrico alargado (9; 109) se extiende alrededor de la
circunferencia ecuatorial de la superficie interior de dicha carcasa
(2) en una dirección tangencial.
9. Sistema, según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que dicho al menos un elemento
piezoeléctrico alargado (109) está dispuesto en un recorrido
ondulado a lo largo de la circunferencia ecuatorial de dicho
neumático (1).
10. Sistema, según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que dicho al menos un elemento
piezoeléctrico alargado (9; 109) se extiende tangencialmente a lo
largo de una pared lateral (5) del neumático (1).
11. Neumático (1) para un vehículo,
comprendiendo el neumático (1) una carcasa (2) y una banda de
rodadura (3) y al menos un elemento piezoeléctrico (9; 109) que
genera energía eléctrica siempre que el mismo se deforma, un
circuito eléctrico que está aplicado en dicho neumático (1) y que no
está en comunicación eléctrica con el vehículo, caracterizado
por el hecho de que
- -
- dicho al menos un elemento piezoeléctrico (9; 109) es alargado, extendiéndose una longitud de dicho al menos un elemento piezoeléctrico en una dirección tangencial a lo largo de al menos una parte de una circunferencia, coaxial con el eje del neumático, de una superficie interior de la carcasa (2) de dicho neumático (1), y estando conectada eléctricamente a dicho circuito eléctrico, y
- -
- dicho al menos un elemento piezoeléctrico (9; 109) está adaptado para suministrar la energía eléctrica generada para alimentar un detector (18) distinto del al menos un elemento piezoeléctrico (9; 109) o para suministrar la energía eléctrica generada a un dispositivo (15) que almacena energía eléctrica.
12. Neumático (1), según la reivindicación 11,
caracterizado por el hecho de que dicho circuito eléctrico
comprende dicho detector (18) para monitorizar y controlar el
rendimiento del neumático y/o del vehículo.
13. Neumático (1), según la reivindicación 12,
caracterizado por el hecho de que dicho detector (18) se
selecciona de entre detectores de presión, temperatura, fuerza,
velocidad y similares.
14. Neumático (1), según la reivindicación 12,
caracterizado por el hecho de que dicho circuito eléctrico
comprende un transmisor (18) que transmite hacia el exterior del
neumático los datos recogidos por dicho detector.
15. Neumático (1), según la reivindicación 14,
caracterizado porque dicho transmisor (18) está conectado
funcionalmente a un receptor instalado en el vehículo.
16. Neumático (1), según la reivindicación 15,
caracterizado por el hecho de que dicho transmisor (18) es un
radiotransmisor.
17. Neumático (1), según cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 16, caracterizado por el hecho de que
dicho dispositivo (15) que almacena energía eléctrica es un
conjunto de condensador/batería recargable que actúa como batería
compensadora.
18. Neumático (1), según la reivindicación 11,
caracterizado por el hecho de que dicho al menos un elemento
piezoeléctrico alargado (9; 109) se extiende alrededor de la
circunferencia ecuatorial de la superficie interior de dicha
carcasa (2) en una dirección tangencial.
19. Neumático (1), según la reivindicación 11,
caracterizado por el hecho de que dicho al menos un elemento
piezoeléctrico alargado (109) está dispuesto en un recorrido
ondulado a lo largo de la circunferencia ecuatorial de dicho
neumático (1).
20. Neumático (1), según la reivindicación 11,
caracterizado por el hecho de que dicho al menos un elemento
piezoeléctrico alargado (9; 109) se extiende tangencialmente a lo
largo de una pared lateral (5) del neumático (1).
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