CN104245558B - 与起重机滑轮相关的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种与设置有滑轮***(1-80)的卷扬设备(1-20)中的滑轮***有关的用于收集能量的设备。所述设备包括至少一个发电机(2-50)，所述发电机包括转子(2-60)和至少一个定子(2-80)。所述转子(2-60)与所述滑轮***(1-80)的滑轮(2-21，2-22)刚性地连接，并且所述至少一个定子与所述滑轮***刚性地连接，使得当所述卷扬设备的负载上升或下降时所述至少一个滑轮(2-21，2-22)旋转，借此所述转子(2-60)同时旋转但所述定子(2-80)不旋转，借此在所述定子中感生出电能。所述设备还包括电能储存装置、用于改变感生出的电能并将该电能储存在电能储存装置中的装置、和用于将来自所述电能储存装置的能量供给到至少一个消耗装置(2-95)的装置。所述消耗装置可以例如是与所述滑轮***相关地安装的工作灯、传感器、测量装置、通信装置、信号装置、充电插头或其组合。

Description

与起重机滑轮相关的设备和方法
技术领域
本发明涉及这样的技术，即，通过该技术需要电力的设备可与滑轮、特别是随同吊钩或另一负载固定装置一起运动的滑轮相关地安装在诸如起重机等的卷扬机器上。本发明涉及一种起重机或卷扬机，其中吊钩等通过穿过至少一个滑轮的绳索或链上升和降下，借此所述滑轮又将绳索的线性运动转换为旋转运动。然而，本发明的用途不局限于随同吊钩等一起运动的滑轮，而是也可与其它滑轮联用。
背景技术
在以下描述中，术语“起重机”和“卷扬机器”或“卷扬设备”被用作同义词。相应地，术语“吊钩”用来指所有类型的负载固定装置。在本说明书中，“下”通常指重力趋于沿其拉引质量的方向，而“上”是与重力相反的方向。与起重机的组成部分相关地，“上”和“下”指起重机的正常运转状态。例如，常规吊钩通常向上开口并在下部闭合，即使在某些情况下吊钩位于偏离其正常位置的位置。在具有滑车——该滑车由水平梁(即，桥)支承地移动，并且承载吊钩的滑轮经由绳索或链自该滑车悬挂——的起重机中难以供给与吊钩相关的电力，这是因为当滑车和桥沿横向移动时吊钩相对于起重机滑车沿竖向移动且沿水平方向移动。如果吊钩或某种其它类型的挂钩需要电力供应，则所使用的电缆是定制的且因此昂贵。电缆还对磨损和应力敏感。此外，关于其结构，这种技术方案昂贵且难以实施，尽管在需要时、特别是在大型起重机中使用了此类方案。在较小的起重机中也会存在许多用于与吊钩相关的电力供应的应用，其中提供与吊钩相关的电力供应按起重机的价格比例来说将不合理地昂贵。
专利公开DE10001215A1披露了一种向位于伸缩式起重臂的端部的无线电发射机供给电流的发电机。该发电机以从自行车得知的方式在径向上安装在刚性结构上，但该结构伸缩式地伸出和缩回。
专利公开DE 102004027106A1披露了一种用于对负载称重的传感器，该传感器安装在位于起重机吊钩上方的齿轮箱上。专利公开DE102009036480A1和US 5071184也披露了各种用于向起重机结构供给能量的技术。
然而，将已知的结构应用于起重机牵涉一些特定问题。在以上文献中披露的技术中存在某些问题。例如，当起重机吊钩经由柔性结构、诸如缆绳或链靠在起重机框架上受支承时，从起重机的固定结构向吊钩供给能量相当麻烦。
此外，例如，与自行车相关地，通常已知例如利用与自行车车轮连接的发电机经由摩擦力来就地发电。如果通过以与自行车发电机相同的方式在径向上与滑轮连接的发电机生成能量，则该结构容易变脏且对水分和冻结敏感，这种情况下风险在于，发电机在冬季不会旋转或发电。
此外，起重机的使用在性质上并不规则，因此滑轮也不会连续旋转。甚至在起重机的运行瞬间之间也需要与吊钩或一般而言与滑轮相关的能量。如果期望将能量应用在与吊钩相关地安装的工作灯中，则例如工作灯仅在吊钩上升或下降时才工作将是不合理的。又一特定问题在于，起重机吊钩的竖向运动与例如自行车的速度相比极为缓慢。自行车通常每秒移动约6米(约20km/h)，而起重机吊钩的竖向速度通常为每分钟6米。除此之外，自行车发电机包括变速器，通过该变速器发电机的转速比车轮的与轮辋(边沿)的半径成比例的转速高约50倍。起重机滑轮的转速因此勉强达到自行车发电机的转速的1％。
因此，从起重机滑轮的运动生成可用的输出电力至少可以说是困难的。基于摩擦力的变速器本身会提供提高发电机的转速的容易的方式，但问题例如是由于发电机的冻结和因此造成的锁死导致的摩擦力的损失。因此，当该结构冻结时，发电机不会旋转或生成能量。另一方面，由于发电机与滑轮刚性连接，发电机的转速保持与滑轮的回转速度一样低，其通常仅为每分钟数转。
发明内容
本发明的目的是提供实施可通过其减缓已知技术方案的至少一个问题的方法的方法和设备。本发明的目的通过以独立权利要求中所陈述的内容为特征的方法和设备来实现。
从属权利要求和本专利说明书以及附图涉及特定实施例，其提供另一些优点和/或呈现特别优选的解决问题的方式。
本发明基于提供一种与设置有滑动***的卷扬设备中的滑轮***有关的用于收集能量的设备的思想。根据本发明的设备包括：
-至少一个发电机，其包括转子和至少一个定子；
-其中，所述转子与所述滑轮***的滑轮刚性地连接，并且所述至少一个定子与所述滑轮***刚性地连接，使得当所述卷扬设备的负载上升或下降时所述至少一个滑轮旋转，借此所述转子同时旋转但所述定子不旋转，借此在所述定子中感生出电压；
-能量储存装置；
-用于改变借助在所述定子中感生出的电压获得的电能并用于将该电能储存在所述能量储存装置中的装置；和
-用于将来自所述能量储存装置的能量供给到至少一个消耗装置的装置。
与诸如上述自行车发电机的连接形成对照，将定子与滑动***刚性地连接在本发明中意味着非滑动连接。这样，可以避免诸如发电机的连接的严重问题，即，连接(结构)在接触面湿润、冻结和/或变脏时的滑动。如果以合适的方式实现带与带轮的连接，则可例如借助直接联接、齿轮或带或其它类型的带来实现非滑动连接。因此，非滑动连接不排除在一些实施例中的这样的可能，即，在滑轮与发电机之间存在提高发电机的转速的变速器、用于将往复运动变换为单向运动的棘轮机构和/或用于机械能的储存装置——所述储存装置接收和储存机械能以将所储存的比一阈值(该阈值例如是如下文所述的开启扣紧装置所需的阈值)大的机械能成批地释放至发电机。
根据本发明的用于收集能量的设备可以在制造时已经安装在卷扬设备上。替代地，所述收集能量的设备可被设计成用于针对已有的卷扬设备进行改造。因此，本发明的一个方案是能量收集设备本身，另一个方案是包括能量收集设备的卷扬设备。本发明的第三个方案是用于收集与卷扬设备的滑轮***有关的能量的方法。
在以下说明中，术语“起重机”被用作根据本发明的能量收集器可以安装在其上的卷扬设备或机器的示例。从本发明的观点来看，要求该卷扬设备存在至少一个滑轮，其中绳索的直线运动引起滑轮旋转。根据本发明，能量收集器安装在关于负载固定装置定位的滑轮上。负载固定装置可以是例如由滑轮支承的吊钩、抓钩、抓斗、铲斗挂钩、另一种挂钩或电磁体，所述滑轮在吊钩被提升或降下时旋转。本领域的技术人员将理解的是，本实施例中的重要特征是经由滑轮提升或降下负载的固定点，并且术语“挂钩”被用作一般性术语以指代所有类型的负载固定装置。
根据优选实施例，收集能量基于永磁轴向磁通发电机，其与径向磁通机器相比的一个优点是例如更大的功率密度。更大的功率密度使得能利用一定尺寸的发电机生成更多能量，或相反而言，利用比在径向磁通机器的情况下小的发电机生成相同能量。与径向磁通机器相比的第二个优点是单位面积(flat size)，其有利于根据本发明的与滑轮***相关的能量收集器关于滑轮***定位。
轴向磁通发电机的转子由转子板和附接在其上的永磁体形成。在滑轮的情况下，磁体也可直接附接在滑轮上。定子侧具有绕组，所述绕组在滑轮旋转且因此磁体也旋转时感生出电压，从而引起发电机生成电流。
起重机中已经存在的滑轮可例如改造成用作发电机的转子体部并提供现成的附接表面和轴承。滑轮轴可为发电机提供可用于以对由于表面变得潮湿或变脏或冻结而引起的滑动不敏感的方式生成用于发电机的驱动力的轴。因而，空间需求和滑轮支承结构本身可以更小的尺寸实现而不必为提升能力做出让步。较小的尺寸通常提供这样的优点，即，使吊钩体的高度也较小，借此可以使提升高度本身最大化。小的吊钩体还在提升过程中形成更小的视觉障碍，这提高了安全性。此外，共用的轴承和控制表面减少了机械损失，借此电输出本身更大。
在定子侧，例如以与能量收集器连接的装置/设备和蓄能器的充电电压所需的方式通过整流和滤波来改变能量。
起重机的使用不规则，因此滑轮不会连续旋转，从而需要进行能量储存。此外，一般而言，甚至在起重机的运行瞬间之间，也需要吊钩或滑轮中的能量。为此，能量收集器设置有能量储存装置，例如蓄能器、超级电容器等。以上述方式实施的能量收集器生成大量能量。例如，甚至空载吊钩也可生成数瓦的能量，而在加载时其生成明显更多的能量。这使得能够将能量从吊钩供给到其它装置/设备用于这些装置/设备的操作和用于对蓄能器充电。发电机可以在滑轮的两个旋转方向上、即在吊钩提升时和降下时都可生成电力。
吊钩的加载对能量生成的影响在于空载吊钩的重量在绳索与滑轮之间生成充分的摩擦。发电机通过经由其电磁力阻止滑轮的运动同时感生电压来获得其能量，如果发电机的尺寸被设计得过大，则绳索将不能拉动滑轮移动。根据实施例，可以动态地调整所述加载，这种情况下可以在移动期间对与挂钩连接的负载进行测量，并且可以基于所承载的负载的大小来增加输入功率。
能量储存装置的能量可用于实现与滑轮相关、特别是与吊钩相关的多个功能。例如，各种传感器可与吊钩连接以测量负载和/或吊钩或负载与障碍物的距离。代替传感器或除传感器之外，可安装计算处理单元以储存和处理数据。此外，数据和测量结果可从吊钩无线地发送到起重机的自动化***和/或直接发送到设备的信息***，借此可利用附接在吊钩上的传感器容易地实施负载的测量。负载测量也可控制能量收集器。基于负载，可例如确定能量是否被收集。
能量收集器必须针对典型的负载而确定尺寸，所述典型的负载可以是空载吊钩的重量或要通过起重机提升的典型负载的重量。负载越大，能量输出也越大。在下降运动中，主要能量源为势能。在升起运动中，能量源为卷扬电动机(起重电动机，提升电动机)，其轴经受使能量收集器的发电机旋转所需的附加转矩。该附加转矩与提升所需的转矩相比通常相对低。附加转矩的量取决于发电机的电负载和小的机械损失。
如果收集器针对比空载吊钩的负载重的负载确定尺寸，则不能收集能量，除非吊钩被提供了足够重的负荷。为了检测滑动，重量传感器的关于负载的数据可以用在吊钩中。当负载的质量足够大时，可以开始能量回收。例如可以这样的方式检测滑轮的滑动，即，使得起重机无线地通知能量收集器占主导的提升速度。因此，通过监视例如由能量收集器给出的电压的形式，可推断出滑轮运动的速度和方向。将起重机的提升速度与测定的滑轮速度进行比较允许检测滑动。该数据还可用于控制发电机，换言之，通过提取了多少电力可以实现动态调节加载(量)。
当已经可以在不使用单独的导体的情况下生成电能时，与吊钩或滑轮相关的测量是可行的。相应地，滑轮的致动器可以与起重机的其它装置/设备无线连接，借此测量和状态数据可在起重机的各种部件之间组合。例如，起重机的卷扬电动机和吊钩之间的无线连接可因此双向地并以两种不同的意义起作用。因而，负载传感器可控制收集器电路并防止在不满足负荷要求、即驱动滑轮的转矩不够高的情况下收集能量。可对转矩进行测量，并且测量结果能被用作用于激活能量收集器的收集器电路的一个替代方案。
在能量收集器中，也可容易地利用能量储存装置的充电量的测量，并在能量储存装置充满时防止过度充电，借此能量收集器被控制成停止使用或在灯具等中消耗由该能量收集器生成的能量，从而防止蓄能器被过度充电。
由于适当地确定尺寸的能量收集器能够生成足够量的能量，所以吊钩甚至可设置有工作灯、诸如LED，其照亮吊钩的周围环境、特别是吊钩下方的区域。这样，可以有利于使用起重机进行工作，和/或可以警告外来人员不要去已被举升起来的负载下方。
此外，起重机可在运转期间向与吊钩连接的无线电模块发送消息，这种情况下无线电模块可以控制例如与吊钩连接的警告灯。也可以通过声音信号进行警告。例如，如果起重机知道障碍物的位置且能够测量它们，则灯可以用来传达关于过于靠近的障碍物的信息。代替这一点或除这一点之外，吊钩可对起重机正在移动的方向进行照明。如果与负载固定装置相关地安装，则能量收集器和储存装置能够使用合适的传感器测量起重机的使用并对用于起重机构件的状态监视执行测量，以及可能地处理可能性和/或安装无线电连接用于这些目的。为了具备这种处理可能性，所述设备可包括例如可编程的微处理器，或永久或半永久地编程的逻辑电路、即所谓的FPGA(“现场可编程门阵列”)，或其它对应的技术方案。
也可基于发电机的电流脉冲测量绳索的移行距离，并且该数据可例如用于监视绳索的状态。可将测定的距离与缠绳筒给送的距离进行比较，借此可基于可能的长度变化发现绳索的伸展和除此之外的绳索直径的变化或指示绳索状态的另一变量。代替绳索，当然也可使用另一柔性元件，例如链或带。
吊钩也可设置有用于对其蓄能器充电的便携设备。此类设备的示例包括起重机的无线电控制器、手电筒和便携式电子设备——例如移动电话、PDA或无线传感器等。此外，能量收集器和储存装置可提供用于将其它装置/设备与起重机的信息***连接的接口/界面。该设备包括一个标准连接器或一些标准连接器，例如USB连接器，移动电话可经由其例如与该设备连接。于是，该设备可以从自动化***无线地读取起重机上的数据并且经由USB连接器将它们发送到移动电话，可以经由无线电路径(GPRS、3G、4G、WLAN、蓝牙等)将它们从移动电话发送到例如客户的信息***或负责维护起重机的公司的信息***。要发送的数据可包括例如起重机的维修数据、状态监视测量结果或分析结果等。
此外，用于操作人员的用户界面可与吊钩连接。显示器可将测量数据显示在起重机上(例如，吊钩的负载和/或位置或它离目标点的距离)，并且它也可以经由用户界面执行影响起重机的运转的配置。
能量收集器包括发电机，其设置成利用通过起重机吊钩的竖向运动生成的机械能并生成电能。发电机优选包括轴向磁通发电机。除包括利用起重机吊钩的运动的主发电机之外或代替它，能量收集器还可包括一个或多个辅助发电机，辅助发电机在起重机长期不移动时也保持能量储存装置的电量和/或向优先级较高的能量消耗装置/设备送电。这种辅助发电机可包括例如太阳电池板和/或风力发电机。
能量储存装置优选包括在电化学电量变化时储存能量的一个或多个蓄能器。该蓄能器可属于通常使用的任意类型，例如锂离子电池、锂聚合物(LiPo)电池、镍金属混合物(NiMH)电池、镍镉电池、铅蓄电池等。能量消耗装置包括各种传感器、测量装置、摄像机、通信装置、灯、声信号装置、警告灯等。发送声音信号的吊钩体例如能够为旁站人员(旁观人员)提供关于逼近的危险的比代表现有技术并来自起重机的上部结构的声音信号更精确的信号。
控制器的一个任务是以与智能蓄能器充电器的情况下相同的方式控制能量储存装置的电量。除控制能量储存装置的电量外，优选将控制器设置成将能量消耗装置按优先级分类，并且在电量低时限制向低优先类别的能量消耗装置送电。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明，在附图中相同的附图标记或符号表示相同的元件。两部分附图标记(例如1-10)中的第一个数字表示在其上下文中第一次描述由该附图标记表示的元件并且不会结合后面的图重复该描述。附图和相关说明意在图解而不是限制本发明。在附图中：
图1示出起重机的主要部分；
图2示出根据本发明实施例的能量收集器的各部分在设置有滑轮的负载固定装置中的位置；
图3示出根据本发明的能量收集器的电气部分的框图；
图4示出轴向磁通发电机的截面；
图5示出轴向磁通发电机中的转子的一些可行的构型；
图6和图7示出轴向磁通发电机的建模和优化；
图8A更详细地示出作为建模的结果选择的轴向磁通发电机的原型，且特别是定子槽的几何形状；
图8B更详细地示出定子槽的几何形状；
图9A至图9B示出分别从侧面和从上方看的固定吊钩和定位传感器的示例；
图9C通过示例的方式示出在截面中从侧面看的与滑轮的轴承相关的磁体、对应的定子和位于它们之间的防尘密封件、例如双面V形唇缘密封件；
图9D是图9C的实施例的改型，其中V形唇缘密封件为单侧的；
图9E是图9D的实施例的改型，其中密封件为刷式密封件；
图9F示出将磁体定位在滑轮上的示例；
图9G示出以半圆定位定子的示例；
图9H和图9I示出将绕组定位在U形磁体上的示例；
图9J和图9K示出从侧面看的将磁体定位和分布在滑轮上的示例；
图9L示出改进的保护的示例；
图10示出通过具有不同的绕组线厚度的轴向磁通发电机的原型生成的输出功率；
图11示出在结合图6至图8描述的本发明的原型的情况中输出电压对转速的依赖性；
图12A和图12B示出用于将改变转速的变速器布置在滑轮与发电机之间的技术的示例；以及
图13是促进从短的提升或下降运动中收集能量的技术的示意图。
具体实施方式
图1示出示例性起重机的主要部分。卷扬机器总体由附图标记100表示。在该示例中，起重机框架包括梁1-10，由电动机1-30驱动的滑车(小车)1-20沿所述梁的纵向移行。滑车的体部1-50支承卷扬电动机1-60，该电动机1-60通过索具/绳索1-70使总体以附图标记1-75表示的组成部分升起和降下，所述组成部分包括滑轮装置1-80和随该滑轮装置一起上升和降下的负载固定装置1-90——例如吊钩、抓斗/挖斗或挂钩/抓钩。卷扬机器的许多常规组成部分——诸如不同的缠绳筒——不会进行更详细的描述。从本发明的角度看，最令人感兴趣的组成部分为图2中的更详细描述的滑轮装置1-80。附图标记1-85表示滑轮***的轴。
图2示出根据本发明实施例的能量收集器的各部分在设置有滑轮的负载固定装置中的设置。图2示出滑轮***1-80的俯视图。在这个示例中，滑轮***包括框架2-10和由其支承的轴1-85。轴1-85支承两个滑轮2-21和2-22。在本示例中，在滑轮2-22的沿轴1-85的方向的两侧上具有总体以附图标记2-50表示的发电机。根据能量需求和发电机的容量，发电机2-50可位于一个或多个滑轮的一侧或两侧上。发电机2-50的主要部分是转子2-60、定子2-80和使转子定子分离的气隙2-70。在本示例中，转子2-60刚性地附接至滑轮2-22。定子2-80相应地刚性附接至滑轮***的框架2-10。刚性(地)附接意味着转子随同滑轮2-22一起旋转并非像在诸如自行车发电机的技术方案中那样仅仅基于摩擦。然而，刚性紧固并不排除发电机2-50——即，转子2-60和定子2-80——可改装和例如为了维护而可拆卸的可能性。
在本示例中，发电机2-50为轴向磁通发电机，这表示它们的主磁通沿着转子的回转轴线的方向通过。对于本发明而言，与径向磁通机器相比，轴向磁通发电机的主要优点是更大的功率密度和单位面积(flat size)。轴向磁通发电机的转子2-60由转子板2-61和附接至该转子板的总体以附图标记2-65表示的永磁体形成。在滑轮的情况中，磁体2-65可替代地直接附接至滑轮2-22。
定子2-80具有绕组，当滑轮2-22且同时磁体2-65旋转时在所述绕组中感生出电压，该电压进而形成由发电机2-50产生的电流。以与能量收集器和/或蓄能器连接的设备的充电电压所要求的方式修改(整流)由发电机产生的能量。这种修改可以包括例如充电电压的整流、滤波和调节。
附图标记2-95总体表示与挂钩相关地设置的能量消耗装置，例如各种传感器、数据获取设备、控制器、灯、信号装置、通信装置、充电插头，等等。
图3示出根据本发明实施例的能量收集器的电气部分的框图。能量收集器包括控制器3-10，该控制器包括至少一个充电控制器3-30。充电控制器接收来自一个或多个发电机2-50的经整流3-12和滤波3-14的电能。充电控制器向电能储存装置/电能储存器3-16——其在本示例中包括一个或多个蓄能器——供给电力。代替蓄能器或除蓄能器之外，例如，可使用超级电容器作为电能储存装置。蓄能器3-16向控制器3-10的其它可能的组成部分供给电力，所述其它可能的组成部分可例如包括优先逻辑电路3-40和/或智能控制器3-80。优先逻辑电路3-40监控蓄能器3-16的电量(充电水平)。基于蓄能器的电量，优先逻辑电路3-40可控制开关3-51…3-53，并藉由所述开关将一个或多个***总线3-61…3-63中的电力进给接通。传感器、计量表、通信装置等可与***总线3-61…3-63连接。附图标记3-71…3-73总体表示具有优先类别1至3的消耗装置。***总线3-6x、开关3-5x等的数目——在本示例中为3——当然仅仅是任意的示例。当蓄能器3-16具有高电量时，优先逻辑电路3-40控制开关3-51…3-53以向所有***总线3-61…3-63馈送电力。当蓄能器的电量下降时，可中断或可例如周期性地限制***总线3-61…3-63的电力馈送。一个示例由摄像机和发射机代表，所述摄像机和发射机与吊钩1-90(未单独示出)相关地安装且在电量高时连续拍摄且连续发送吊钩1-90下方的视图。当电量下降时，拍摄和发送图像可以变为周期性地发生；而当电量进一步下降时，拍摄和发送图像可以完全停止。第二示例由工作灯代表，所述工作灯与吊钩1-90相关地安装，且该工作灯的能量供给可以在蓄能器的电量下降时停止。
第三示例由与吊钩1-90的滑轮装置1-80相关的负载-重量传感器代表。在吊钩中使用重量传感器给出了比藉由起重机的上部电气化结构进行的测量更准确的称重结果，这是因为与吊钩相关地定位重量传感器排除了若干误差源，例如负载的摆动、变化的绳角度、绳的不受支承的长度，等等。
作为第四示例，可以对能够测量多个方向上的加速度的加速度传感器进行监控。通过加速度传感器产生的测量数据可以无线地发送至起重机控制***(未示出)，该起重机控制***控制起重机在纵向和横向上的运动。这种设置结构使所谓的防负载晃动成为可能。此外，加速度传感器允许测量吊钩遭受的撞击，并且数据可记录在集成于吊钩结构本身中的数据获取设备中，或替代地，所述数据可以被发送至起重机控制***和/或远程监控(***)。
又一示例由状态监视器表示，所述状态监视器对传送至起重机控制***的无线数据进行监视。由于可从电能储存装置获得电能，所以状态监视器可以在与起重机控制***的连接在给予起重机控制***本身的电力供应已经断开的情况下断开时发出警报。因而，可以迅速呼叫电工以使昂贵的生产停机时间尽量短。
图4示出轴向磁通发电机的截面。轴向磁通发电机与代表更常见类型的径向磁通发电机的不同之处在于，轴向磁通发电机的磁通量在机器的轴向上。优点是可以将轴向磁通发电机装配在小的空间中。图4示出轴向磁通发电机实施为具有两个侧面(即，是双面的)，借此一个转子板2-80使两个定子2-70磁化。显然，轴向磁通发电机也可实施为具有一个侧面，借此省去定子2-70中的一个。在本示例中，定子绕组4-10是形成在槽中的常规绕组。附图标记4-20示出绕组的“齿”，绕组环绕所述齿形成。转子的不同实施方案在图5中示出。
由分图5(a)、5(b)和5(c)组成的图5示出轴向磁通发电机2-80的转子的一些可行的构型。N和S表示磁体5-11、5-12，其中磁体的北极或南极分别面向观察者。在图5(a)中，磁体具有圆环的扇段的形状(“梯形”)，在图5(b)中具有圆形的形状，而在图5(c)中具有半圆形的形状。磁体5-11、5-12可以嵌入转子板中或安装在该转子板的表面上。
图6和图7示出轴向磁通发电机的建模和优化。图6示出三维建模，图7示出二维建模。可以从电机、如这种情况下从轴向磁通发电机对若干参数——例如磁路、槽的杂散磁通、绕组突出部的杂散磁通等——建模。与实施本发明的原型相关地，对由机器生成的反电动势(EMF)建模。可以通过例如使轴向磁通发电机的转子旋转并通过计算或测量定子的绕组中感生的EMF来对EMF建模。作为建模的结果，选择六(磁)极机器，其具有约1mm的绕组线强度。附图标记6-10表示定子槽，定子绕组4-10安装在该定子槽中。
图8A更详细地示出作为建模的结果选择的轴向磁通发电机的原型，且特别示出了定子槽6-10的几何形状。在该原型中，轴向磁通发电机具有6个(磁)极，并且安装在转子表面上的磁体5-11、5-12是圆环的扇段(“梯形”)，如图5(a)中所示。定子槽6-10具有椭圆形/扁圆形/卵形形状。
图8B更详细地示出定子槽6-10的几何形状。在图8B中，“空气(Air)”指气隙，“PM”指永磁体(图5至8中的元件5-11和5-12)。在该原型中，极对数目np＝6，其它主要尺寸如下：
外径Dout＝210mm
内径Din＝145mm
定子线Cu，φ＝1mm，匝数2,300，R1＝20Ω
永磁体的高度hm＝5mm
转子板厚度hr＝20mm
定子高度＝74.4mm
槽尺寸：h＝37.2mm；h1＝11.15mm；h2＝37.2mm；b3＝46.5mm；b4＝55.8mm。
在该原型中，定子体部由钢制成，所述钢是M-27型；且转子体部是钢板层压束，该钢是US Steel S-2型。
参考图9A和图9B，可应用于测量负载的一个示例性结构可利用多个重量传感器实现，例如利用与吊钩臂9-11的轴承相关地定位的3个或4个应变仪传感器来实现。即使吊钩9-10的加载是偏心的，仍可以借助定位在有吊钩臂9-11或另一类型的悬挂装置保持在其内的多边形的角部处的多个传感器9-20来实现可靠的测量。这意味着即使在偏心加载的情况下，重量传感器的测量结果的总和也对应于负载的重量。更精确地，重量传感器的测量结果的总和对应于负载和吊钩的组合重量，但可通过校准或后处理来减去吊钩或其它负载固定装置的重量。
传感器9-20优选以这样的方式选择，即，商业传感器可布置在轴承环9-30中的针对所述商业传感器成形的空心部9-21中。传感器类型通常可以是标准化的，并根据吊钩9-10的尺寸对具有针对传感器成形的空心部9-21的传感器承载轴承环9-30进行机加工。因此，可以使对其各个工作阶段以及关于尺寸的定制最小化。此外，可以利用已有的吊钩9-10而无需对其进行任何改变，吊钩9-10通常是锻造部件且因此是有价值的部件。这种结构不会导致所使用的提升高度的任何实质变化，因为负载固定装置的外部尺寸在实践中保持相同。在传感器9-20放置在轴承环9-30上之后，安装轴承9-31，且此后安装锁环9-32。吊钩臂9-11设置成穿过所有这些部件，并且当吊钩9-10由于负载的重力而被加载时吊钩臂上部的凸缘9-12从上方对锁环9-32施以负载。此外，传感器9-20受到保护以防外部压凹。在吊钩9-10旋转时，传感器的(电)线9-22不受该旋转运动影响地保持固定不动。
在将发电机2-50定位在承载吊钩的框架2-10中时，优选利用位于滑轮2-21与2-22之间的空间。关于该中间空间，优选利用滑轮的轴1-85上方的空间，借此不必实质上扩大框架2-10的外部尺寸例如超出滑轮2-21、2-22的宽度。滑轮2-21与2-22之间的位于轴1-85下方的空间主要为吊钩9-10和支承负载的结构而保留。
参考图9C至图9K，以下结构可例如用在发电机2-50中。在转子2-60中，磁体2-65可位于转子2-60的整个边沿上，覆盖360度的完整圆弧，并且自然考虑了磁体之间保留的空置空间。如上文关于承载吊钩9-10的框架2-10的空间的使用所描述的，定子4-10/4-20可位于滑轮的轴1-85上方的空间内，例如在约180度的空间内以形成半圆。因此，该上部空间中用于电线9-16的从定子2-80本身到电能储存装置3-16和消耗装置2-95的传输距离短——这是因为这些装置大部分也位于所述上部空间内。短的电线有助于确保小的电压损失。
参考图9J和图9K，为了使由发电机2-50的旋转引起的周期旋转阻力(cyclicrotation resistance)均匀，转子磁体2-65和定子极4-10/4-20也可位于基本上同心的多个边沿上。例如，外边沿上的磁体2-65A可以定位成使得其接近内边沿的磁体2-65B之间的空间。因此，可以使周期步骤(cyclic steps)不那么明显，并且发电机2-50的运转(旋转)更均匀。此外，多个磁体-定子对可定位在边沿上，借此可以增加发电量。借助相同的交错原理，磁体-定子对可位于多于两个的同心边沿上。
也可以定子-磁体对不定位成很精确地相位一致的方式使定子和转子不会几乎同时地引起旋转阻力来降低周期性。也可如前文所述地利用在多个边沿上的定位。因此可以通过使得能量脉冲可至少部分地相对于彼此交错的方式交互地定位发电机的能量生成元件来物理地实现最小化周期性。
参考图9I，可以在定子的结构中例如使用这样的结构，即，其中单独的绕组4-10已经过U形磁体9-50的两个分支。磁体9-50代表在图4的情形中描述的定子极或齿4-20的一个可行的实施方案，易于以模块化的方式环绕所述定子极或齿布置绕组4-10。绕组4-10成形为环绕U形磁体9-50的分支的截面安装。绕组4-10因此是与电能储存装置3-16电连接的现成模块(组件)。U形磁体9-50因此可由钢板制成。当磁体-定子对模块化(组件化)时，可以根据情况借助模块(组件)的数目来选择期望的电能输出水平。
参考图9C至图9E，为使转子2-80旋转，发电机2-50在转子磁体2-65与定子2-80之间具有小的气隙2-70。箭头A和B表示相对于气隙分别位于转子侧和位于定子侧的元件。为了保护气隙2-70并同时保护电能储存装置3-16，优选为发电机2-50提供防尘保护装置，其可例如以圆的形状来实施。防尘保护器(防尘保护装置)可以是例如具有V形截面的唇缘密封件9-61。图9C和图9D分别示出双侧和单侧的V形唇缘密封件9-61。图9E示出单侧的刷式密封件9-62，其中刷毛基本上沿轴向延伸。单侧密封件足以防止来自外部的杂质。双侧密封件还为防范轴承油脂提供保护，所述轴承油脂例如可自轴1-85的方向——即，从结构的内部，例如从用附图标记9-65表示的轴承——挤入气隙中。
V形唇缘密封件主要为防范工业灰尘以及污垢、油脂和从卷扬设备的绳索上脱落的金属垢而提供保护，换言之，主要为防范来自外部的杂质而提供保护，以使杂质不能进入气隙2-70中。结构也可增加使用第二V形唇缘密封件或刷式密封件，其用于防范可能从轴或轴承到达的油脂等而提供保护。所述保护允许杂质自气隙沿径向向外或远离气隙地沿轴向移行，且同时所述保护趋于防止杂质进入例如气隙中。应注意的是，滑轮***的框架2-10通常承受该框架的尺寸所能耐受的外部和内部的力、温度变化、冲击等。在这种环境中安装尽管存在应力和暴露仍精确地工作、不需要特殊维护且提供可靠的运转的机械是复杂的。保护装置例如安装在滑轮2-21、2-22中的连接板的一侧或两侧上。为滑轮2-21、2-22提供作为易于在已有的起重机中改造的准备好的元件的保护装置是可行的。附接所述保护装置可以通过例如胶水或双面胶带来进行。
参考图9L，可拆卸的保护器9-101可布置在框架2-10周围用以尤其保护上部空间。保护器9-101可完全拆卸用于辅助设备的维护、测试或安装，或者保护器可例如铰接成使得其可以在降下位置处于开启状态。提前为保护器提供例如穿透的开口以便能够附接稍后将要安装的辅助设备是可行的。
图10由具有随着匝数变化的不同的绕组线厚度的轴向磁通发电机的原型生成的输出功率，其它尺寸与图8B中相同。根据特定实施例，发电机的运转是自适应的，其中本地控制器的逻辑电路可基于例如可用能量的量和/或能量要求(用于使用或储存)。合适的结构和控制允许利用适合的步骤在最小量与最大量之间控制输出。此外，可以在结构中执行两相充电，使得低输出发电机提供用于致动器的足够高的电流和功率以选择更高输出的发电机开启时的点。低输出发电机相应地对滑轮***中的滑轮给出小的阻力。能量输出因此基于检测阈值功率，并且使用智能致动器的检测相应地基于可直接地或经由能量储存装置获得能量的事实。连接发电机以产生电能可通过位于发电机之间的自由轮离合器、电磁体和/或螺线管来完成。这些用于连接的装置进而可电绝缘和/或磁绝缘，以使发电机的运转将不会受到干扰，并且相应地使发电机将不会干扰用于连接的装置。此外，增加或计算极对的数目可例如借助电子设备用于发电机的功率控制。因此，即使仅一个发电机运转，也可以进行功率控制。当然，极对数目的变化和连接多个发电机可同时发生，换言之它们不互相排斥。因此，可以在宽的控制范围内控制功率。
确定电功率受到例如极对的数目和定子线的选择的影响。定子线越厚，则定子中的功率损失越小。另一方面，更厚的定子线需要更大的定子槽。此外，增加匝数增大了所获得的输出功率。可以从下式计算用于单相机器的输出功率：
P out = ( E f - R 1 I 1 ) I 1 = E f I 1 - R 1 I 1 2
E、I和R是特定相的变量，且n相机器的功率是单相机器的功率的n倍。
图11示出在结合图6至图8B描述的本发明的原型的情况下所感生的电压对转速的依赖性。电压与转子的转速成正比。如果转子与滑轮刚性地附接，则转子的转速与滑轮的转速相同，滑轮的转速又由负载的升起或下降速度、滑轮的有效半径和索具的传动比(1：2、1：4等)确定。
根据实施例，可以在滑轮与转子之间布置非滑动式变速器，其例如实施为齿轮或齿条。这种非滑动式变速器可增大转子的转速并进而增加电能的输出。特别是关于将根据本发明的能量收集器改装在现有的起重机中，优选以这样的方式实施发电机，即，使得安装发电机不会明显改变吊钩的重心，借此即使在空载时吊钩体也可竖直地悬垂。
变速器可以这样的方式构成，即，转子在与滑轮相同的轴或轴线的延伸部上旋转，或者转子的旋转中心偏离滑轮的旋转中心。变速器可优选利用例如塑料齿轮来实施。一个实施方案是这样的技术方案，即，其中可存在与滑轮边沿平行的、与转子轴连接的内齿边沿。传动比满足对提高转速的要求。该技术方案还允许保持轴向结构尽量窄。围绕滑轮的结构及其保护装置/保护器在优选的情况下可以这样的方式成形，即，使得发电机变速器、能量储存装置(电能储存装置和机械能储存装置)和安装在其内的消耗装置定位成与支承绳索平衡，以使即使在空载时吊钩体也可竖直地悬垂。应注意的是，设备本身不会使重心大幅偏斜，但保护该设备的外部结构和该结构的成形对定位重心有更大的意义。
当使用可在滑轮凹槽中滑动的绳索时，发电机的最大输出功率受绳索与滑轮之间的摩擦限制，该摩擦又取决于例如起重机的负载——即，负载的质量。将发电机的轴(输出)功率减去阻力损耗和其它损耗成分得到从发电机获得的功率：
Pout＝Pelm-RI2 A
当针对轴假设给定的摩擦系数和负载质量时，可以计算轴上的机械功率。同时，这也是发电机的轴(输出)功率。
μ＝0.3
m＝20kg
v = 6 m / min ⇒ P out ≈ 3 W
最合适地，可以例如借助以下特性将新特征设置在已有的滑轮中。能量收集器的各部分，即，发电机、控制器和能量储存装置，可以是模块化/组件化的。磁体可以例如由具有合适的直径的可移动的载体——诸如箔/薄金属片，等——现成地提供，借此移动和通过例如胶水或双面胶带附接磁体相对容易。为了最大限度地减小滑轮的数目，可对用于不同尺寸的滑轮轴的内套管使用有限的直径数目。关于价格，内套管不昂贵。此外，在滑轮或吊钩的情况下，整个吊钩体(吊钩及其滑轮)可以由其中集成有能量收集器及其辅助设备的改型完全替换。关于安装速度，该替换可以快速完成，因为在优选的情况下吊钩体由通过拆卸滑轮轴而在绳索中下垂的U形连结件替换。替代地，吊钩体被提升到上部位置——例如提升到桥式起重机上，绳索与其固定端分离，绳索被从旧的吊钩体上旋拧下来，并用新的吊钩体替换旧的吊钩体。绳索重新附接到固定端的附接结构上。替换吊钩体当然也与替换绳索相关。
图12A和图12B示出用于在滑轮与发电机之间设置改变转速的变速器的技术的示例。改变转速的变速器是已知的，但在本文中的特殊之处主要是利用滑轮的截面轮廓中的空置空间来实现紧凑的结构。附图标记不以“12-”开始的元件已经在前图的情形中描述，且不重复详细描述。
图12A仅示出滑轮2-21的轮廓的位于图中轴1-85上方的部分。在本示例中，发电机2-50的轴12-10设置有轮12-15，例如齿轮，该齿轮通过与滑轮2-21连接的并且在示例性的齿轮12-15的情形中可以是例如齿边沿的边沿12-20进行旋转。齿边沿12-20的半径r1与齿轮12-15的半径r2之比确定了改变转速的传动比，其优选在2：1至10：1的范围内、最优选地约4：1至6：1。换言之，滑轮旋转一圈使发电机旋转2至10圈、最优选地4至6圈。
在图12B的示例中，发电机2-50的轴12-10设置有由带12-35操作的带轮12-25，所述带又由与滑轮2-21连接的更大的带轮或边沿12-30操作。以与图12A的示例中相同的方式确定传动比r1：r2。
在一些情况下，余下问题可能是从很短的升起或下降运动中收集电能。该余下问题可通过储存待从很短的运动机械地收集的能量并且该机械地储存的能量以较大的批次释放至发电机来解决。
图13是促进从短的升起或下降运动中收集能量的技术的原理示意图。如前描述的组成部分是绳索1-70、轴1-85、滑轮2-21和发电机2-50。由与滑轮2-21相关的虚线双向箭头13-15表示滑轮2-21可进行一些短的往复运动。从短距离的往复运动收集能量是不够的。为了促进能量收集，滑轮2-21布置成使棘轮机构13-20旋转，在该棘轮机构的第二侧上仍存在如箭头13-25所示的短的急动(急促而猛烈的动作)，但该运动(即，急动)在一个方向上而不是往复的。棘轮机构13-20进而使在图13中显示为螺旋弹簧的机械能储存装置13-30旋转。在该情形中，与在发电机之后安装且通常具有蓄能器的电能储存装置形成对照，“机械”能储存装置意味着能量在转化成电的形式之前被储存。
当已在机械能储存装置13-30中蓄积一定能量时，蓄积的能量被释放以使发电机2-50旋转，由所述发电机生成的电能可电力地储存，如结合图3所述的。在图13的示例中，这仅以这样的方式发生，即，当由机械能储存装置产生的力超过发电机2-50的静摩擦力时，蓄积在弹簧或其它机械能储存装置13-30中的能量(此处指机械能)被释放至发电机2-50。在实践中，机械能的释放在指向滑轮***的冲击或晃动使发电机移动时发生。
替代地，在机械能储存装置13-30与发电机2-50之间可具有扣紧机构，其防止机械能储存装置的释放和发电机的旋转，直至由机械能储存装置产生的力超过开启扣紧装置/机构所需的阈值。这种扣紧机构可机械地或电力地操作。
本领域技术人员将理解的是，也可以使用其它类型的能量储存装置。一个替代方案为扭力弹簧，即轴1-85的弹性部分。能量也可以储存在气体或液体的压力中和/或储存在管接头(piece)或液体的势能中。收集势能的一个示例为质量，所述质量周期地移动或旋转并通过短的急动朝向势能的最大值传递质量，该质量自动地从势能的最大值传向最小值。
本领域的技术人员将理解的是，可以使用齿轮***代替棘轮机构13-20，所述齿轮***将起重机的升起和下降运动转换为单向旋转运动。但是，棘轮机构除了其简单性之外还具有一些出乎意料的优点。如果棘轮机构以在负载的下降方向上收集能量的方式安装，则可以“免费”获得能量，因为否则将难以利用负载的势能。另一方面，一个余留问题可能是不带任何负载的空置滑轮***的重量不会产生与绳索1-70的充分的摩擦以收集能量。这种情况下，更优选以这样的方式安装棘轮机构13-20，即，在负载的升高方向上收集能量，以使能量收集器将不会使空置滑轮***的下降更困难。
对本领域技术人员来说将明显的是，作为技术进步，可采用许多不同的方式来实现本发明的基本思想。本发明及其实施例因而不局限于上述示例，而是可在权利要求的范围内改变。

Claims (16)

1.一种与设置有滑轮***的卷扬设备中的滑轮***有关的用于收集能量的设备，所述设备包括：
-至少一个发电机，其包括转子和至少一个定子；
-其中，所述转子与所述滑轮***的滑轮刚性地连接，并且所述至少一个定子与所述滑轮***刚性地连接，使得当所述卷扬设备的负载上升或下降时所述至少一个滑轮旋转，借此所述转子同时旋转但所述定子不旋转，借此在所述定子中感生出电能；
-电能储存装置；
-用于改变在所述定子中感生出的电能并用于将所述电能储存在所述电能储存装置中的装置；和
-用于将能量从所述电能储存装置供给到至少一个消耗装置的装置，
其特征在于，所述至少一个发电机包括轴向磁通发电机，其中所述转子的磁通量指向所述滑轮***的回转轴线的方向。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个发电机是双面的，使得一个转子使两个定子磁化。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个发电机包括位于多个同心的边沿上的转子磁体，使得位于不同边沿上的磁体在所述滑轮的旋转运动的不同阶段在定子中感生出电能。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，单独的发电机与多个滑轮中的每一个滑轮连接。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述单独的发电机产生不同的旋转阻力。
6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述单独的发电机包括第一发电机和第二发电机，其中所述第二发电机具有比所述第一发电机大的功率输出和旋转阻力，并且所述设备还包括选择装置，该选择装置在取决于负载质量的摩擦允许的情况下从所述第一发电机提取电力以起动所述第二发电机。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，以下数据项中的至少一者用于起动所述第二发电机：绳索与所述滑轮之间不存在滑动；所述滑轮的速度；所述滑轮的转矩；和所述负载上的重量数据。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括太阳电池板和/或风力发电机，其用于无论所述滑轮***的运动如何都对所述电能储存装置充电。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于将来自所述电能储存装置的能量供给至多个消耗装置的装置，并且还包括用于将所述多个消耗装置分为多个优先类别的装置，以使得当所述电能储存装置耗尽时限制或完全阻止较低优先类别的消耗装置的电流供给。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括以下能量消耗装置中的至少一者：声信号装置、警告灯、工作灯、加速度传感器、重量传感器、移动电话、摄像机、通信装置、用于电器的充电插头、显示器、用户界面、数据收集器。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于确定负载的重量的至少三个重量传感器，其中所述至少三个重量传感器界定出多边形，在该多边形内部保持负载固定装置的悬挂点。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括保护装置，该保护装置用于防止杂质移行至所述转子与至少一个定子之间的气隙。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述保护装置设置成防止杂质从所述滑轮***的回转轴线上的轴承移行至所述转子与至少一个定子之间的所述气隙。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括变速器，该变速器以使得所述发电机的转速比所述滑轮的转速大的方式安装在所述滑轮与所述发电机之间。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括机械能储存装置，该机械能储存装置安装在所述滑轮与所述发电机之间，并且设置成用于接收和储存来自所述滑轮的多个运动的机械能并用于将储存的比一阈值大的机械能成批地供给至所述发电机。
16.一种与设置有滑轮***的卷扬设备中的滑轮***有关的用于收集能量的方法，所述方法包括：
-通过具有包括转子和至少一个定子的至少一个发电机的滑轮***的运动生成电能；
-其中，所述转子与所述滑轮***的滑轮刚性地连接，并且所述至少一个定子与所述滑轮***刚性地连接，使得当所述卷扬设备的负载上升或下降时所述至少一个滑轮旋转，借此所述转子同时旋转但所述定子不旋转，借此在所述定子中感生出电能；
-改变所述定子中感生出的电能并将该电能储存在电能储存装置中；以及
-将储存在所述电能储存装置中的电能供给到至少一个消耗装置，
其特征在于，
-所述至少一个发电机包括轴向磁通发电机，其中所述转子的磁通量指向所述滑轮***的回转轴线的方向。
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