DE10054398A1 - Netzunabhängiges Energieversorgungssystem - Google Patents
Netzunabhängiges EnergieversorgungssystemInfo
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mittels des piezoelektrischen Effekts, mit mehreren piezoelektrischen Wandlern und einer die von den piezoelektrischen Wandlern erzeugte elektrische Spannung abgreifenden elektronischen Schaltung, wobei die Vorrichtung mindestens ein Betätigungsmittel aufweist, welches mit der Hand oder dem Fuß einer die Vorrichtung betätigenden Person betätigbar ist, wobei das Betätigungsmittel direkt oder über ein Getriebe die beweglichen Teile der Vorrichtung antreibt.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Erzeugung elektrischer Energie mittels des piezoelektri
schen Effekts, mit mehre ren piezoelektrischen Wandlern
und einer die von den piezoelektrischen Wandlern erzeugte
elektrische Spannung abgreifenden elektronischen Schal
tung, wobei die Vorrichtung mindestens ein Betätigungs
mittel aufweist, welches mit der Hand oder dem Fuß einer
die Vorrichtung betätigenden Person betätigbar ist, wobei
das Betätigungsmittel direkt oder über ein Getriebe die
beweglichen Teile der Vorrichtung antreibt.
Ein gattungsgemäßes Handgerät ist aus der PCT-
Patentanmeldung PCT/EP99/06517 bekannt. Bei diesem Hand
gerät wird mittels eines Betätigungsmittels direkt oder
über ein Getriebe mindestens ein piezoelektrischer Wand
ler druckbeaufschlagt, wobei mittels des Betätigungsmittels
mindestens eine Feder spannbar ist, und die in der
Feder gespeicherte Energie bei Bedarf zur Druckbeauf
schlagung des mindestens einen piezoelektrischen Wandlers
freigebbar ist, wobei die sich entspannende Feder eine
Welle antreibt, auf der mindestens ein Schlagelement ra
dial verschieblich gelagert ist. Jedes Schlagelement wird
von einer Feder radial nach außen druckbeaufschlagt. Mit
tels Führungsflächen, die entgegen der Kraft der Feder
beim Verdrehen der Welle die Schlagelemente radial nach
innen verschieben, werden die Federn, die die Schlagele
mente radial nach außen druckbeaufschlagen, gespannt. Die
Führungsflächen sind derart ausgebildet, daß beim Weiter
drehen der Welle die Schlagelemente in einem Winkelbe
reich freigegeben werden, so daß die jeweilige Feder das
Schlagelement radial nach außen beschleunigen kann. Am
Ende der Beschleunigungsstrecke sind in der Führungsflä
che piezoelektrische Wandler angeordnet, die von dem be
schleunigten Schlagelement kurzzeitig druckbeaufschlagt
werden und somit einen Spannungsimpuls erzeugen, der
durch die nachgeschaltete Elektronik zum Aufladen eines
elektrischen Energiespeichers verwendet wird. Die in der
PCT/EP99/06517 offenbarte Vorrichtung ist sehr gut zur
Erzeugung kleinerer elektrischer Energiemengen, wie sie
zum Beispiel für den Betrieb von Mobilfunkgeräten oder
ähnlichen elektrischen Apparaten benötigt werden, geeig
net. Die Vorrichtung besteht jedoch aus relativ vielen
beweglichen Teilen, wodurch sie relativ teuer in der Her
stellung und eventuell fehleranfällig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die gattungs
gemäße Vorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, daß
sie möglichst robust, einfach in ihrem Aufbau und kosten
günstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit jeweils einer Vor
richtung mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprü
che, 1, 3, 5, 10 und 14 gelöst.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen weisen sich durch be
sondere Robustheit, bedingt durch ihren einfachen Aufbau
und insbesondere ihre leichte Montage aus. Sie sind da
durch sehr kostengünstig in der Herstellung und weisen
eine lange Lebensdauer auf.
Vorteilhaft können bereits existierende piezoelektrische
Wandlerelemente, wie sie zum Beispiel in Feuerzeugen be
reits lange Jahre Verwendung finden, eingesetzt werden.
Allen erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist gemeinsam, daß
die piezoelektrischen Wandler in Ausnehmungen fest ein
liegen können. Es ist jedoch selbstverständlich ebenso
möglich, daß die Wandlerelemente in anders gearteter Art
und Weise In der Vorrichtung angeordnet sind.
Durch den vorteilhaften Einsatz von herkömmlichen piezo
elektrischen Wandlerelementen für Feuerzeuge, welche ins
besondere stabförmig ausgebildet sind und Kontaktflächen
zum Abgriff der elektrischen Spannung besitzen, können
z. B. in den Ausnehmungen für die piezoelektrischen Wand
ler entsprechende Kontakte vorgesehen werden, so daß die
fertigen piezoelektrischen Wandler lediglich in diese
Ausnehmungen eingesetzt werden müssen und keine weitere
Kontaktierung bzw. keine elektrischen Anschlüsse bzw.
Verbindungen zwischen den Betätigungselementen und den
Ausnehmungen bzw. der elektrischen Schaltung zur Umwand
lung der Spannungsimpulse mehr manuell hergestellt werden
müssen. Die vielfältig eingesetzten piezoelektrischen
Wandler bestehen meist aus zwei Gehäuseteilen, die inein
ander verschieblich gelagert sind, wobei eine Feder stets
versucht die beiden Gehäuseteile auseinander zu drücken
in eine Anfangsstellung zu drücken. Während die Gehäuse
teile zusammengedrückt werden, wird eine zweite Feder zu
sammengedrückt, welche nach einer bestimmten Wegstrecke
freigegeben wird, und sich entspannen kann. Die gespei
cherte Energie dieser Feder wird zum Druckbeaufschlagen
eines piezoelektrischen Elements verwendet, wobei die
durch die mechanische Verformung entstehende elektrische
Spannung an am Gehäuse außen anliegenden elektrischen
Kontaktstellen abgreifbar ist.
Bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind diese piezo
elektrischen Wandlerelemente mehrfach angeordnet und ins
besondere zueinander parallel geschaltet, so daß sich ei
ne Addition der Verschiebungsströme innerhalb der piezo
elektrischen Elemente und somit eine größere Energieaus
beute ergibt.
Wie bereits erläutert, weisen sich die erfindungsgemäßen
Vorrichtungen vorteilhaft durch einen mechanisch einfa
chen Aufbau aus. Dieser mechanisch einfache Aufbau wird
dadurch erzielt, daß die piezoelektrischen Wandler z. B.
fest in Aussparungen einliegen, wobei bei der erfindungs
gemäßen Vorrichtung gemäß des unabhängigen Anspruchs 1
ein Zahnrad mit seinen Zähnen durch Verdrehen des selbi
gen die piezoelektrischen Wandler wiederholt, insbesonde
re periodisch komprimiert werden. Die Ausgestaltung der
Zähne ist dabei vorteilhaft derart, daß die Zahnflanken,
welche um Komprimieren der piezoelektrischen Wandler die
nen, rund ausgestaltet sind, so daß sich möglichst gerin
ge Reibungskräfte zwischen der jeweiligen Zahnflanke und
dem piezoelektrischen Wandler ergeben. Die den piezoelek
trischen Wandler freigebende Flanke des gleichen Zahns
ist jeweils dergestalt, daß der piezoelektrische Wandler
sich schlagartig entspannen kann. Wird jedoch ein aus
Feuerzeugen bekannter piezoelektrischer Wandler verwen
det, ist die Gestaltung der jetzt beschriebenen Zahnflan
ke nicht ausschlaggebend, da die Deformation des piezo
elektrischen Elements des piezoelektrischen Wandlers dort
unabhängig von der Komprimierung der beiden Gehäuseteile
der piezoelektrischen Wandler erfolgt. Diese erfindungs
gemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß ledig
lich das Zahnrad bewegt werden muß. Ansonsten sind keine
beweglichen Teile zum Betätigen der piezoelektrischen
Wandler vonnöten. Selbstverständlich werden für das zwi
schen Betätigungselement und Welle des Zahnrads zwischen
geschaltete Getriebe bewegliche Teile benötigt. Diese
sind jedoch nicht so häufig größeren Kräften ausgesetzt,
wie zum Beispiel die in der PCT/EP99/06517 bekannten
Schlagelemente und unterliegen daher auch nur einem ge
ringeren Verschleiß. Die handelsüblichen piezoelektri
schen Wandlern können problemlos Verwendung finden und
sind leicht in der Vorrichtung zu montieren und bei Be
darf auch leicht zu ersetzen. Zum Auswechseln der Wand
lerelemente können z. B. die Aussparung sämtlicher erfin
dungsgemäßen Vorrichtungen gem. der unabhängigen Ansprü
che derart ausgebildet sein, daß sie durch Sackbohrungen
gebildet sind oder aber durch eine nutenförmige Ausspa
rung in einem Teil, welches mittels eines Deckels ver
schließbar ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die piezoelektrischen
Wandler nicht radial zur Achse des Zahnrads ausgerichtet
sind, sondern um einen Winkel α zur Radialen verdreht in
Umfangsrichtung um die Achse angeordnet sind. Hierdurch
läßt sich ein besseres Komprimieren und leichteres Freigeben
der piezoelektrischen Wandler bei relativ einfacher
Geometrie des Zahnrads erzielen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß des unabhän
gigen Anspruchs 3 und der auf ihn rückbezogenen Unteran
sprüche sind piezoelektrische Wandler um eine erste Achse
herum in einem äußeren Teil gelagert, wobei auf einer
Welle, die parallel bzw. exzentrisch zur ersten Achse an
geordnet ist, ein Antriebsteil gelagert ist, das durch
Rotation einen zwischen den piezoelektrischen Wandlern
und dem Antriebsteil angeordneten Ring in Schwingungen
und Rotation versetzt, wobei durch die Schwingungen und
Rotation des Rings die piezoelektrischen Wandler peri
odisch komprimiert werden.
Die mittels des unabhängigen Anspruchs 5 und der auf ihn
rückbezogenen Unteransprüche beanspruchte Vorrichtung
weist sich vorteilhaft dadurch aus, daß viele piezoelek
trische Wandler auf kleinem Raum angeordnet sind, wodurch
sich große Verschiebeströme bei kleinen Verdrehwinkeln
der Teile erzielen lassen. Die Vorrichtung hat dazu ein
äußeres und ein inneres Teil, in dem jeweils um den Um
fang piezoelektrische Wandler verteilt angeordnet sind,
die in den Zwischenraum zwischen äußeren und inneren Teil
mit ihren freien Enden reichen. In dem Innenraum sind Ku
geln oder Walzen angeordnet, die beim Verdrehen des inne
ren gegenüber dem äußeren Teil die piezoelektrischen
Wandler jeweils komprimieren und wieder freigeben, so daß
bei einer Umdrehung des inneren Teils durch die Mitnahme
der Kugeln oder Walzen doppelt so viele piezoelektrische
Wandler wie bei der Vorrichtung gemäß des unabhängigen
Anspruchs 1 komprimierbar sind. Es ist möglich, die Ku
geln bzw. Walzen ortsfest am Gehäuse anzuordnen, wobei
dann das innere und äußere Teil jeweils in entgegengesetzte
Drehrichtungen verdreht werden. Es kann jedoch
auch nur entweder das innere oder äußere Teil bei dann
nicht ortsfest gelagerten Kugeln bzw. Wellen verdreht
werden. Auch hier ist es möglich, die piezoelektrischen
Wandler nicht radial anzuordnen, sondern in einem Winkel
zur Radialrichtung.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß des unabhän
gigen Anspruchs 10 und der auf ihn rückbezogenen Unteran
sprüche sind die piezoelektrischen Wandler um eine Achse
herum in einem inneren scheibenförmigen oder zylindri
schen Teil gelagert, wobei die piezoelektrischen Wandler
jeweils mit ihrem einen Ende aus dem inneren Teil im
nicht komprimierten Zustand herausragen. Rollen, Walzen
oder Kugeln sind über den äußeren Umfang des inneren
Teils drehbar gelagert angeordnet und liegen insbesondere
an dem inneren Teil an. Durch Verdrehen des inneren Teils
relativ zu den Rollen werden die piezoelektrischen Wand
ler durch die Walzen, Rollen bzw. Kugeln wiederholt bzw.
periodisch komprimiert. Auch diese erfindungsgemäße Vor
richtung weist sich durch ihren einfachen Aufbau und ihre
Robustheit aus. Um die Lager der Wellen bzw. Kugeln nicht
allzu großen Kräften auszusetzen, ist es von Vorteil, bei
dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung einen äußeren Ring
bzw. äußere Führungsflächen für die Rollen bzw. Kugeln
vorzusehen, die die Rollen bzw. Kugeln in radialer Posi
tion halten. Bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
es möglich, entweder die Rollen am Gehäuse ortsfest dreh
bar zu lagern, wobei dann das innere scheibenförmige Teil
mit den piezoelektrischen Wandlern verdreht wird. Hier
durch ist es jedoch notwendig, die von den piezoelektri
schen Wandlern erzeugte elektrische Energie über Schleif
kontakte zum Gehäuse abzuführen. Wesentlich einfacher ist
es, wenn statt des scheibenförmigen Teils, in dem die
piezoelektrischen Wandler angeordnet sind, die Rollen auf
einer Scheibe angeordnet sind und die Scheibe gegenüber
dem inneren Teil und dem Gehäuse verdreht wird. Hierdurch
ist es möglich, ohne Schleifkontakte die von den piezo
elektrischen Wandlern erzeugten Energie an die nachge
schaltete Elektronik weiterzuleiten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß des unabhängigen
Anspruchs 14 hebt sich erfinderisch von der in der
PCT/EP99/06517 dadurch ab, daß durch eine Hin- und Herbe
wegung eines Stabes, an dem Vorsprünge angeordnet sind,
piezoelektrische Wandler wiederholt bzw. periodisch kom
primiert werden. Die Hin- und Herbewegung läßt sich rela
tiv problemlos durch ein Exzentergetriebe über eine ex
zentrisch gelagerte Scheibe und eine Feder erzeugen. Es
ist jedoch auch denkbar, daß bei dieser erfindungsgemäßen
Vorrichtung das Betätigungsmittel der Vorrichtung direkt
an dem Stab angeordnet ist. Durch das Verschieben des
Stabes innerhalb des Gehäuses mittels einer Hin- und Her
bewegung des Betätigungselements werden dann die piezo
elektrischen Wandler periodisch bzw. mehrfach kompri
miert.
Im übrigen wird auf die Offenbarung der PCT/EP99/06517
bezüglich der Speicherung von mechanischer Energie zum
Antrieb des Komprimierungselements wie zum Beispiel dem
Zahnrad, dem Stab mit den daran angeordneten Vorsprüngen
etc. verwiesen. Derartige Antriebe und Speicherungen von
mechanischer Energie sind ohne weiteres problemlos bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorsehbar. Im übrigen
wird der diesbezügliche Offenbarungsgehalt zum Offenba
rungsgehalt dieser Anmeldung gemacht.
Nachfolgend werden anhand von Figuren mögliche Ausfüh
rungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen näher er
läutert.
Es zeigen:
Fig. 1: Anordnung der piezoelektrischen Wandler
mit einem innenliegenden Zahnrad;
Fig. 2: eine Seitenansicht und Teilquerschnitts
darstellung durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung mit Betätigungselement, Ge
triebe und piezoelektrischen Elementen;
Fig. 3: eine Querschnittsdarstellung durch eine
mögliche Ausführungsform mit einem äußeren
und einem inneren piezoelektrische Wand
lerelemente aufweisenden Teil;
Fig. 4: eine Ausführungsform mit Schwingring;
Fig. 5: in oder auf einer Scheibe befestigte pie
zoelektrische Wandler, welche von außen an
der Scheibe anliegenden Rollen beim Ver
drehen der Scheibe komprimiert werden;
Fig. 6: Vorrichtung mit prinzipiell gleichem Auf
bau wie Vorrichtung gemäß Fig. 5, jedoch
sind hier die piezoelektrischen Wandler
ortsfest zum Gehäuse angeordnet und die
Rollen laufen um die Scheibe herum und
komprimieren die piezoelektrischen Wand
ler;
Fig. 7: Vorrichtung mit hin- und herverschiebli
chem Stab, der dabei mehrere Piezoelektrische
Wandler wiederholt kompri
miert.
Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei
der an einem insbesondere kreisförmigen Teil piezoelek
trische Wandler 1 um eine Achse herum angeordnet sind.
Auf der Achse ist ein Zahnrad 2 mit Zähnen 4 angeordnet.
Die piezoelektrischen Wandler 1 ragen mit ihren freien
Enden 1a im nicht komprimierten Zustand derart in die
Lücken zwischen den Zähnen des Zahnrads 2, so daß beim
Verdrehen in Pfeilrichtung des Zahnrads 2 die Flanken 4a
der Zähne 4 die Enden 1a der piezoelektrischen Wandler 1
druckbeaufschlagen und hierdurch komprimieren. Durch die
Kompression wird entweder ein piezoelektrisches Element,
welches sich im piezoelektrischen Wandler 1 befindet, di
rekt komprimiert oder aber es wird eine Feder gespannt,
die nach einer bestimmten Wegstrecke der Komprimierung
freigegeben und durch die Federkraft schlagartig ein pie
zoelektrisches Element im piezoelektrischen Wandler 1
komprimiert wird.
Beim Einsatz von piezoelektrischen Wandlerelementen, bei
denen das Freigeben der piezoelektrischen Wandler 1 al
lein durch die Zähne 4 erfolgt, muß gewährleistet sein,
daß die Wandler sich schlagartig nach der maximalen Kom
primierung durch die Zähne ausdehnen können. Hierzu sind
die Flanken 4b derart geformt, daß nach Verlassen des
freien Endes 1a der Spitze des jeweiligen Zahns 4 das
freie Ende 1a radial nach innen verfahren kann. Bei der
Vorrichtung gemäß der Fig. 1 sind die piezoelektrischen
Wandler 1 um einen Winkel α von der Radialrichtung ver
schwenkt. Hierdurch wird ein leichteres Komprimieren bei
entsprechender Zahnform möglich.
Die Fig. 2 zeigt eine Seiten- und Querschnittsdarstellung
durch eine erfindungsgemäße Gesamtvorrichtung, beinhal
tend ein Betätigungselement B, ein Sperrelement 7, ein
Getriebe 8 und eine Spiralfeder 6 als mechanischen Ener
giespeicher, welche im Gehäuse G angeordnet ist. Im Ge
häuse G sind zusätzlich die piezoelektrischen Elemente 1
sowie das Zahnrad 2 angeordnet. Mittels des Betätigungs
elements B, insbesondere eines Handrads oder eines Knop
fes ist eine Welle 6a in eine bestimmte Richtung verdreh
bar. Durch Verdrehen in Aufzugsrichtung wird die Spiral
feder 6 gespannt. Der Rastmechanismus 8 mit dem Arre
tierelement bzw. Sperrelement 7 dient dazu, daß die ein
mal gespannte Feder 6 sich nicht ungewollt entspannen
kann. Mittels des Sperrelements 7 ist es möglich, die
Sperrung aufzuheben, wobei dann die Welle 6a angetrieben
durch die gespannte Feder 6 das Zahnrad 2, welches eben
falls auf der Welle 6a angeordnet ist, entgegen der Auf
zugsrichtung, welche zum Spannen der Feder diente, ver
dreht. Durch das Verdrehen des Zahnrads 2 komprimieren
die Zähne 4 des Zahnrads 2 die piezoelektrischen Wandler
1 - der Aufbau entspricht dem der Fig. 1 - wiederholt
bzw. periodisch. Mittels einer nicht dargestellten Elek
tronik werden die an den piezoelektrischen Wandlern abge
griffenen Spannungen zum Antrieb eines elektrischen Ver
brauchers oder zum Aufladen eines Akkumulators verwendet.
Es ist selbstverständlich möglich, ein Getriebe zwischen
der Feder 6 und dem Zahnrad 2 vorzusehen, damit zum Bei
spiel möglichst hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten des
Zahnrads erzielbar sind.
Fig. 3 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der an einem oder in
einem äußeren und an einem oder in einem inneren Teil 9
bzw. 11 piezoelektrische Wandler 10 angeordnet sind. Das
innere Teil 11 liegt dabei in einer Ausnehmung 9a des äu
ßeren Teils 9 ein. Die piezoelektrischen Wandler 10 ragen
mit ihren freien Enden 10a in den Innenraum 9a hinein.
Zwischen dem äußeren 9 und inneren Teil 11 sind Kugeln
oder Walzen 12 angeordnet, deren Durchmesser dem Abstand
zwischen dem äußeren Umfang des inneren Teils 11 und dem
inneren Umfang des äußeren Teils 9 entspricht. Hierdurch
bewegen sich die Rollen bzw. Kugeln 12 beim Verdrehen von
äußeren und innerem Teil 9 und 11 zueinander entlang der
Innenfläche des Teils 9 bzw. der Außenfläche des Teils 11
und komprimieren dabei die piezoelektrischen Wandler 10.
Je nach Verhältnis der Durchmesser des inneren Teils und
der Walzen bzw. Kugeln zueinander werden dann bei einer
Umdrehung des äußeren Teils oder des inneren Teils eine
Mehrzahl von piezoelektrischen Wandlern 10 komprimiert.
Die Zahl der verwendeten piezoelektrischen Wandler ist
dabei je nach Anforderung zu wählen. Dabei ist darauf zu
achten, daß bei einer höheren Anzahl von piezoelektri
schen Wandlern größere Kräfte für das Verdrehen von äuße
rem Teil 9 zu innerem Teil 11 benötigt wird. Eine größere
aufgebrachte mechanische Kraft bedeutet allerdings auch
eine größere erzeugte elektrische Ladung mittels der er
findungsgemäßen Vorrichtung. Dies gilt im übrigen für
sämtliche Ausführungsformen der hier offenbarten erfin
dungsgemäßen Vorrichtungen.
Die Fig. 4 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hierbei sind piezoelektri
sche Wandler 14 radial in Umfangsrichtung an bzw. in ei
nem äußeren Teil 16 angeordnet. Die piezoelektrischen
Wandler 14 ragen mit ihren freien Enden 14a in den Innen
raum 16a des Teils 16 hinein. Exzentrisch zum Teil 16 ist
ein Trägerteil 17 um eine Achse 17a drehbar gelagert. An
dem Trägerteil 17 sind Kugellager 18 an den äußeren Enden
gelagert. Durch insbesondere schnelles Verdrehen des Trä
gerteils 17 wird ein im Innenraum 16a einliegender Ring
19 in Schwingung und Rotation versetzt, wobei er die
freien Enden 14a der piezoelektrischen Wandler 14 peri
odisch druckbeaufschlagt und die piezoelektrischen Wand
ler 14 komprimiert. Die Auskopplung der gewonnen elektri
schen Energie erfolgt auch bei dieser Ausführungsform
durch eine - nicht dargestellte - elektrische Schaltung.
Die Fig. 5 zeigt eine weitere mögliche erfindungsgemäße
Vorrichtung, bei der ein scheibenförmiges Teil 1 drehbar
um eine Welle 23 gelagert ist. Auf dem scheibenförmigen
oder in diesem scheibenförmigen Teil 21 sind piezoelek
trische Wandler 20 radial um die Welle 23 angeordnet. Die
piezoelektrischen Wandler 20 ragen mit ihren Enden 20a
über den Rand der Scheibe 21. Um die Scheibe 21 herum
sind drehbar gelagerte Walzen 22 angeordnet, die an dem
äußeren Rand der Scheibe 21 anliegen. Sobald die Scheibe
21 und mit ihr die piezoelektrischen Wandler 20 verdreht
werden, kommen die freien Enden 20a der piezoelektrischen
Wandler in den Bereich der Wellen bzw. Walzen 22 und wer
den durch sie in die Scheibe 21 hineingedrückt bzw. kom
primiert, wodurch die piezoelektrischen Wandler 20 je
weils eine elektrische Spannung erzeugen. Es ist selbst
verständlich möglich, mehr als vier piezoelektrische
Wandler 20 auf der Scheibe 21 vorgesehen werden. Die Zahl
der piezoelektrischen Wandler 20 muß nicht identisch mit
der Zahl der Walzen 22 sein.
Um die Lager der Walzen 22 zu entlasten oder aber um auf
diese Lager vollständig verzichten zu können, kann - wie
in Fig. 5 beispielhaft dargestellt - ein äußerer Ring 25
vorgesehen werden. Zwischen diesem Ring 25 und dem äuße
ren Rand der Scheibe 21 können die Rollen 22 frei gelagert
sein, wobei der Durchmesser der Rollen bzw. Walzen
22 insbesondere größer als der Abstand zwischen dem äuße
ren Rand der Scheibe 21 und dem Innendurchmesser des
Rings 25 sein sollte. Hierdurch wird gewährleistet, daß
die Rollen bzw. Walzen 22 durch Verdrehen des äußeren
Rings 25 oder aber der Scheibe 21 am äußeren Rand der
Scheibe 21 entlang laufen und hierdurch die piezoelektri
schen Wandler wiederholt komprimiert werden. Die Rollen
und/oder die Oberflächen der Teile 21 und 25 sind dabei
so auszugestalten, daß einerseits möglichst geringe Roll
bzw. Gleitkräfte auftreten, aber andererseits auch ge
währleistet ist, daß die Rollen an den Oberflächen ent
langrollen.
Die Fig. 6 zeigt einen prinzipiell gleichen Aufbau wie
die Fig. 5. Dies wird durch die gestrichenen Bezugszei
chen zum Ausdruck gebracht. Bei dieser Ausführungsform
dient der Ring 25' als direktes Betätigungselement für
die Vorrichtung. Durch Verdrehen des äußeren Rings 25' in
Pfeilrichtung werden die zwischen der Scheibe 21' und dem
Ring 25' befindlichen und insbesondere eingeklemmten Rol
len 22' um die Scheibe 21' herum bewegt und komprimieren
dabei die piezoelektrischen Wandler 20'. Die Scheibe 21'
ist dabei fest mit dem übrigen Gehäuse der Vorrichtung in
Verbindung. Der äußere Ring 25' kann dabei zum Beispiel
ein Rad sein, welches über eine Tisch oder über ein Ho
senbein hin- und hergerollt werden kann, wodurch dann
mittels der Rollen 22' die piezoelektrischen Wandler 22'
wiederholt komprimiert werden und die gewünschte elektri
sche Energie mittels der Vorrichtung erzeugt wird. Hier
bei ist auf eine geeignete, insbesondere haftende äußere
Oberfläche des Teils 25' zu achten.
Die Fig. 7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrich
tung, bei der ein Stab 27 in Pfeilrichtung hin- und her
bewegt wird. Die Hin- und Herbewegung des Stabes 27 wird
dabei mittels einer exzentrisch gelagerten Scheibe 28
realisiert. Es ist jedoch ebenso denkbar, statt einer
kreisförmigen runden Scheibe 28 eine Nockenscheibe zu
verwenden. Die Kreisscheibe 28 drückt mit ihrer äußeren
Umrandung gegen ein Kugellager 29, welches insbesondere
drehbar auf dem einen Ende des Stabes 27 gelagert ist.
Das andere Ende des Stabes 27 liegt an einer Druckfeder
32 an, welche sich wiederum mit ihrem anderen Ende an der
Innenseite eines Gehäuseteils 33 abstützt. Die Feder 32
dient dazu, den Stab 27 mittels des Kugellagers 29 an den
äußeren Umfang der Kreisscheibe 28 anzudrücken. Sofern
der Stab 26 jedoch mittels einer Führungskurve von einer
rotierenden Scheiben oder von einem rotierenden Nocken
hin- und herbewegt wird, kann auf die Feder 32 eventuell
verzichtet werden. Auf dem Stab sind mehrere Vorsprünge
in Form von Kugellagern 31 angeordnet, die die in dem
Teil 33 angeordneten piezoelektrischen Wandler 26 beim
Hin- und Herbewegen des Stabes 27 komprimieren und wieder
freigeben. Der Stab 27 ist durch das Teil 33 geführt. In
Fig. 7 ist jedem Wandler 26 genau ein Vorsprung in Form
eines Kugellagers zugeordnet. Es ist jedoch möglich, daß
bei der Bewegung von einer Endstellung in die andere End
stellung ein Vorsprung jeweils mehrere dicht beieinander
angeordnete Wandler komprimiert und wieder freigibt.
Bleibt dabei die Anzahl der Vorsprünge konstant, d. h. es
sind mehr Wandler als Vorsprünge vorhanden, so ist die
Ausbeute an elektrischer Energie bei gleichem Kraftauf
wand größer. Der Stab muß zudem nicht so oft hin- und
herbewegt werden, wodurch die Mechanik geringeren Bela
stungen ausgesetzt ist.
Claims (17)
1. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit
tels des piezoelektrischen Effekts, mit mehreren pie
zoelektrischen Wandlern und einer die von den piezo
elektrischen Wandlern erzeugte elektrische Spannung
abgreifenden elektronischen Schaltung, wobei die Vor
richtung mindestens ein Betätigungsmittel aufweist,
welches mit der Hand oder dem Fuß einer die Vorrich
tung betätigenden Person betätigbar ist, wobei das
Betätigungsmittel direkt oder über ein Getriebe die
beweglichen Teile der Vorrichtung antreibt, da
durch gekennzeichnet, daß die piezo
elektrischen Wandler (1) um ein auf einer Welle gela
gertes Zahnrad (2) herum in einem äußeren Teil (3)
angeordnet sind, und daß die Zähne (4) des Zahnrads
(2) beim Verdrehen der Welle die piezoelektrischen.
Wandler (1) periodisch und/oder wiederholt komprimie
ren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Form der Zähne (4)
des Zahnrads (2) derart ausgebildet ist, daß die
Flanken (4a) der Zähne (4), welche die piezoelektri
schen Wandler (1) komprimieren, rund geformt sind,
und daß die abfallenden Flanken (4b) der Zähne (4)
derart, insbesondere gerade geformt sind, so daß die
piezoelektrischen Wandler (1) sich ungehindert ent
spannen können.
3. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit
tels des piezoelektrischen Effekts, mit mehreren pie
zoelektrischen Wandlern und einer die von den piezo
elektrischen Wandlern erzeugte elektrische Spannung
abgreifenden elektronischen Schaltung, wobei die Vor
richtung mindestens ein Betätigungsmittel aufweist,
welches mit der Hand oder dem Fuß einer die Vorrich
tung betätigenden Person betätigbar ist, wobei das
Betätigungsmittel direkt oder über ein Getriebe die
beweglichen Teile der Vorrichtung antreibt, da
durch gekennzeichnet, daß die piezo
elektrischen Wandler (14) um eine erste Achse (15)
herum in einem äußeren Teil (16) gelagert sind, und
daß ein auf einer Weile (17a), die parallel bzw. ex
zentrisch zur ersten Achse (15) angeordnet ist, ein
Antriebsteil (17) gelagert ist, und daß durch Rotati
on des Antriebsteils (17) eine zwischen den piezo
elektrischen Wandlern (14) und dem Antriebsteil (17)
angeordneter Ring (19) in Schwingung und Rotation
versetzt wird, derart, daß der Ring (19) die piezo
elektrischen Wandler (14) periodisch komprimiert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Antriebsteil ein Trä
gerteil (17) aufweist, auf dem mindestens eine Rolle
oder mindestens ein Kugellager (18) gelagert ist, wo
bei das Trägerteil (17) an der Welle (17a) befestigt
oder mit dieser einstückig ist.
5. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit
tels des piezoelektrischen Effekts, mit mehreren piezoelektrischen
Wandlern und einer die von den piezo
elektrischen Wandlern erzeugte elektrische Spannung
abgreifenden elektronischen Schaltung, wobei die Vor
richtung mindestens ein Betätigungsmittel aufweist,
welches mit der Hand oder dem Fuß einer die Vorrich
tung betätigenden Person betätigbar ist, wobei das
Betätigungsmittel direkt oder über ein Getriebe die
beweglichen Teile der Vorrichtung antreibt, da
durch gekennzeichnet, daß die piezo
elektrischen Wandler (10) um eine Achse (13) herum in
einem äußeren ring- oder hülsenförmigen Teil (9) ge
lagert sind, wobei die piezoelektrischen Wandler (10)
mit ihrem einen freien Ende (10a) jeweils nach innen
in den Innenraum (9a) hineinragen, und daß in einem
zweiten inneren Teil (22), welches im Innenraum (9a)
des äußeren Teils (9) angeordnet ist, weitere piezo
elektrische Wandler (10) angeordnet sind, wobei des
sen piezoelektrische Wandler mit ihrem einen Ende
(10a) jeweils nach außen in den Innenraum (9a) ragen,
wobei zwischen dem inneren und äußeren Teil (9, 11)
mindestens eine Kugel oder Rolle (12) gelagert ist,
derart, daß beim Verdrehen der beiden Teile (9, 11)
zueinander, die Rollen bzw. Kugeln (12) die piezo
elektrischen Wandler (10) periodisch und/oder wieder
holt komprimieren.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die in den Innenraum (9a)
hineinragenden Enden (10a) der piezoelektrischen
Wandler (10) derart geformt sind, daß die Rollen bzw.
Kugeln (22) über diese hinweg gelangen und dabei die
Wandler (10) komprimieren.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das äußere Teil mit
dem Gehäuse der Vorrichtung fest verbunden ist, und
daß ein Antrieb das innere Teil um eine Achse ver
dreht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das innere Teil mit
dem Gehäuse der Vorrichtung fest verbunden ist, und
daß ein Antrieb das äußere Teil um eine Achse ver
dreht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rollen oder Ku
geln am Gehäuse der Vorrichtung drehbar gelagert
sind, und daß ein Antrieb das innere und das äußere
Teil um eine gemeinsame Achse in entgegengesetzte
oder gleiche Richtung verdreht.
10. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit
tels des piezoelektrischen Effekts, mit mehreren pie
zoelektrischen Wandlern und einer die von den piezo
elektrischen Wandlern erzeugte elektrische Spannung
abgreifenden elektronischen Schaltung, wobei die Vor
richtung mindestens ein Betätigungsmittel aufweist,
welches mit der Hand oder dem Fuß einer die Vorrich
tung betätigenden Person betätigbar ist, wobei das
Betätigungsmittel direkt oder über ein Getriebe die
beweglichen Teile der Vorrichtung antreibt, da
durch gekennzeichnet, daß die piezo
elektrischen Wandler (20, 20') um eine Achse herum in
einem inneren scheibenförmigen oder zylindrischen
Teil (21, 21') gelagert sind, wobei die Wandler (20,
20') jeweils mit ihrem einen Ende (20a, 20a') aus dem
inneren Teil (21, 21') im nicht komprimierten Zustand
herausragen, und daß Rollen (22, 22') um ihre Achse
jeweils drehbar gelagert um den äußeren Umfang des
inneren Teils (21, 21') angeordnet sind und insbeson
dere an dem inneren Teil anliegen, wobei durch Ver
drehen des inneren Teils (21, 21') relativ zu den
Rollen (22, 22') die piezoelektrischen Wandler (20,
20') periodisch komprimiert werden.
11. Vorrichtung nach einem Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rollen drehbar am
Gehäuse der Vorrichtung angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rollen auf einer
Trägerscheibe gelagert sind, welche ihrerseits im
oder am Gehäuse drehbar gelagert ist, und daß das in
nere Teil am Gehäuse befestigt oder mit diesem ein
stückig ist, wobei ein Antrieb die Trägerscheibe um
ihre Achse verdreht.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß ein
äußerer Zylinder, welcher insbesondere am Gehäuse an
geformt ist, die Rollen von außen umfaßt, und als Be
tätigungsmittel der Vorrichtung dient.
14. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit
tels des piezoelektrischen Effekts, mit mehreren pie
zoelektrischen Wandlern und einer die von den piezo
elektrischen Wandlern erzeugte elektrische Spannung
abgreifenden elektronischen Schaltung, wobei die Vor
richtung mindestens ein Betätigungsmittel aufweist,
welches mit der Hand oder dem Fuß einer die Vorrich
tung betätigenden Person betätigbar ist, wobei das
Betätigungsmittel direkt oder über ein Getriebe die
beweglichen Teile der Vorrichtung antreibt, da
durch gekennzeichnet, daß ein Stab
(27) zwischen einer Feder (32) und einer exzentrisch
gelagerten Scheibe (28) angeordnet ist, wobei durch
Verdrehen der Scheibe (28) der Stab (27) entgegen der
Federkraft in Richtung der Feder (32) verstellt wird,
und die Feder den Stab permanent in Richtung der
Scheibe (28) druckbeaufschlagt, und daß der Stab (27)
mehrere Vorsprünge (31) hat, die bei der Hin- und
Herbewegung des Stabes (27) mehrere piezoelektrische
Wandler (26) komprimieren und wieder freigeben.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Vorsprünge durch
drehbeweglich am Stab gelagerte Rollen gebildet sind.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Betätigungsmittel eine Kurbel oder ein Handrad ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß mit
tels des Betätigungsmittels ein mechanischer Energie
speicher, insbesondere in Form einer Feder, aufladbar
bzw. spannbar ist, wobei die mechanisch gespeicherte
Energie bei Bedarf mittels eines Getriebes zum An
trieb der beweglichen Teile verwendbar ist.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE10054398A DE10054398A1 (de) | 2000-11-02 | 2000-11-02 | Netzunabhängiges Energieversorgungssystem |
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