Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mechanischen Energiewandler,
insbesondere auf einen mechanisch-elektrischen Generator.The
The present invention relates to a mechanical energy converter,
in particular to a mechanical-electrical generator.
In
den letzten Jahren stiegen sowohl der Bedarf als auch die möglichen
Einsatzszenarien, kleiner, mobiler und/oder autarker Systeme stark
an. Mit dem Bedarf und dem Interesse stiegen so beispielsweise auch
die Anstrengungen im Bereich der Entwicklung von kabellosen (wireless)
Sensor- und Aktornetzwerken an. Potentielle Einsatzmöglichkeiten solcher
Netzwerke sind vielfältig.
Sie können
beispielsweise im Kfz-Bereich, in der Medizin-Technik, der Gebäudeüberwachung,
der Detektierung von Chemikalien, bei militärischen und anderen Bereichen
Anwendung finden. Aufgrund der fehlenden Kabelverbindung zu anderen
Komponenten erfordern diese Systeme jedoch eine dezentrale Energieversorgung.
Ein äußerst aussichtsreiches
Konzept für einen
Ersatz erschöpflicher
Energiespeicher, wie etwa Batterien, Akkus oder Brennstofftanks
mit entsprechenden Brennstoffzellen, stellen Energieversorgungssysteme
dar, die ein „ernten” von Energie (Energy-Harvesting)
aus der lokalen Umgebung ermöglichen.
Seit einigen Jahren wird hierbei insbesondere an der Wandlung von
kinetischer Energie in elektrische Energie geforscht.In
In recent years both demand and potential have increased
Deployment scenarios, small, mobile and / or self-sufficient systems strong
at. For example, so did the need and the interest
the efforts in the field of development of wireless (wireless)
Sensor and actuator networks. Potential uses of such
Networks are diverse.
You can
For example, in the automotive sector, in medical technology, building monitoring,
the detection of chemicals, military and other areas
Find application. Due to the missing cable connection to others
However, components require a decentralized power supply for these systems.
An extremely promising
Concept for one
Replacement exhaustible
Energy storage, such as batteries, rechargeable batteries or fuel tanks
with appropriate fuel cells, provide energy supply systems
representing a "harvesting" of energy (energy harvesting)
from the local environment.
For several years, this is particularly the conversion of
kinetic energy into electrical energy researched.
Miniaturisierte
Vibrationsgeneratoren sind im Allgemeinen als Feder-Masse-Dämpfer-System
ausgeführt.
Die Wandlung der kinetischen Energie, die einem solchen Feder-Masse-Dämpfer-System extern in
Form von Bewegungen zur Verfügung
gestellt wird, erfolgt hierbei meist im Rahmen einer induktiven
Wandlung, wobei das System so ausgelegt ist, dass die träge Masse
des Systems als Dauermagnet ausgeführt ist. Wird das System nun
durch Vibrationen angeregt, führt
die dadurch hervorgehobene Relativbewegung des Dauermagneten gegenüber einer Spule,
die mit dem Rest des Systems verbunden ist, zu einer Induktionsspannung.
Der durch die Induktionsspannung hervorgerufene Induktionsstrom
baut in der Spule seinerseits wiederum ein Magnetfeld auf, dass
der Bewegung des Dauermagneten entgegenwirkt und damit seine Bewegung
dämpft.
Die in der Dämpfung
dissipierte Energie entspricht hierbei in erster Näherung der
elektrisch generierten Energie. Als annähernd lineare Federelemente,
also als Federelemente mit einer linearen Kennlinie bzw. einer linearen
Kraft-Weg-Kennlinie, werden neben der klassischen Feder vor allem
in der Mikrosystemtechnik Balken und Membrane verwendet.miniaturized
Vibration generators are generally called a spring mass damper system
executed.
The conversion of kinetic energy external to such a spring mass damper system
Form of movements available
is usually made in the context of an inductive
Conversion, where the system is designed so that the inertial mass
of the system is designed as a permanent magnet. Will the system now
stimulated by vibrations leads
the resulting relative movement of the permanent magnet relative to a coil,
which is connected to the rest of the system, to an induction voltage.
The induced by the induction voltage induction current
in turn builds up a magnetic field in the coil that in turn
counteracts the movement of the permanent magnet and thus its movement
attenuates.
The in the damping
Dissipated energy corresponds to the first approximation of the
electrically generated energy. As approximately linear spring elements,
So as spring elements with a linear characteristic or a linear
Force-displacement curve, in addition to the classic spring, especially
used in microsystem beam and membrane.
Aufgrund
Ihrer Auslegung als Systeme mit Federn, einer (Schwung-)Masse und
einem Dämpfer stellen
diese Systeme resonante Systeme mit einer charakteristischen Resonanzfrequenz
bzw. Eigenfrequenz dar. Resonante Systeme besitzen jedoch charakteristische
Nachteile. Um eine möglichst
große Leistung
zu generieren, sollte das System eine möglichst kleine Dämpfung besitzen.
Dies bedeutet, dass der Generator dann allerdings relativ genau
mit seiner Resonanzfrequenz bzw. Eigenkreisfrequenz angeregt werden
muss, um eine ausreichend große
Relativbewegung des Magneten gegenüber der (Induktions-)Spule
zu gewährleisten.
Vibrationsquellen, die eine gleichbleibende und bekannte Vibrationsfrequenz
liefern, sind jedoch im Allgemeinen sehr schwer zu finden. Technisch
dominieren vielmehr Vibrationsquellen, deren Vibrationsfrequenzen
und Vibrationsamplituden zeitlichen Schwankungen unterworfen sind.
So führen
bereits kleine Abweichungen der Vibration von der Resonanzfrequenz
eines solchen resonanten Systems mit einer schwachen Dämpfung zu
erheblichen Einbußen
bezüglich
der von dem Generator generierbaren Leistung.by virtue of
Their design as systems with springs, a (fly) mass and
put a damper
these systems resonant systems with a characteristic resonant frequency
or natural frequency. However, resonant systems have characteristic
Disadvantage. To one as possible
great achievement
should the system have the smallest possible attenuation.
This means that the generator, however, then relatively accurate
be excited with its resonant frequency or natural angular frequency
needs to be big enough
Relative movement of the magnet relative to the (induction) coil
to ensure.
Vibration sources that have a consistent and known vibration frequency
but are generally very difficult to find. Technically
Rather dominate vibration sources, their vibration frequencies
and vibration amplitudes are subject to temporal variations.
To lead
already small deviations of the vibration from the resonance frequency
of such a resonant system with a weak damping
considerable losses
in terms of
the power that can be generated by the generator.
Grundsätzlich ist
es möglich,
diesem Effekt durch eine höhere
Bedämpfung
des Feder-Masse-Dämpfer-Systems
entgegen zu wirken. Mit größer werdender
Dämpfung
sinkt jedoch ebenfalls die maximal generierbare Energie wiederum,
was ebenfalls ungünstig
ist.Basically
it is possible
this effect by a higher
attenuation
of the spring mass damper system
counteract. With growing
damping
However, the maximum energy that can be generated also decreases again,
which is also unfavorable
is.
In
Mikrosystemtechnik hergestellte Generatoren weisen zudem aufgrund
der geringen Massen der in Mikrosystemtechnik hergestellten Komponenten
vergleichsweise hohe Resonanzfrequenzen bzw. Kennkreisfrequenzen
auf. Hierdurch verschärft
sich das oben geschilderte Problem der Anpassung der Resonanzfrequenzen
der Feder-Masse-Dämpfer-Systeme
an die Vibrationsfrequenzen zusätzlich, da
potentielle Vibrationsquellen im Allgemeinen mit Frequenzen schwingen,
die üblicherweise
wenigstens eine Größenordnung
geringer sind als die Resonanzfrequenzen von Generatoren, die mit
Hilfe der Mikrosystemtechnik erreicht werden können. Dies wird im weiteren
Verlauf der vorliegenden Anmeldung noch am Beispiel einer Vakuumpumpe
näher erläutert.In
Microsystems technology manufactured generators also show due
the low masses of microsystem components
comparatively high resonance frequencies or characteristic frequencies
on. This aggravates
the above-described problem of adaptation of the resonance frequencies
the spring-mass damper systems
in addition to the vibration frequencies, since
vibrate potential sources of vibration generally with frequencies,
the usual
at least an order of magnitude
are lower than the resonant frequencies of generators with
Help microsystem technology can be achieved. This will be further on
Course of the present application still using the example of a vacuum pump
explained in more detail.
Darüber hinaus
zeigen Vibrationsspektren typischerweise neben der Grundschwingung
auch Oberschwingungen mit einer nennenswerten Energie. Ein resonantes
System kann jedoch nur um eine bestimmte Frequenz, nämlich die
Resonanzfrequenz, kinetische Energie konvertieren.Furthermore
show vibration spectra typically in addition to the fundamental
also harmonics with a significant amount of energy. A resonant
However, system can only by a certain frequency, namely the
Resonant frequency, kinetic energy convert.
Darüber hinaus
sollte im Falle einer resonanten Konvertierung der Energie durch
einen Generator ein physischer Anschlag als Überlastungsschutz der Feder
vorgesehen werden. Schwingen die Magnete dauerhaft gegen diesen
Anschlag, führt
dies über kurz
oder lang ebenfalls zu einem Materialversagen, so dass die Lebensdauer
des Generators im Allgemeinen signifikant eingeschränkt wird.Furthermore
should in the case of a resonant conversion of the energy through
a generator a physical stop as overload protection of the spring
be provided. Swing the magnets permanently against this
Stop, leads
this over briefly
or long also to a material failure, so that the life
of the generator is generally significantly limited.
Die
meisten resonanten Vibrationsgeneratoren verwenden Federelemente,
die ein annähernd
lineares Verhalten, also eine lineare Kennlinie aufweisen. Es gibt
aber auch den Ansatz, die abstoßende Kraft
zweier entgegengesetzt gepolter Magnete als nicht-lineare Federkraft
zu verwenden. 4 zeigt ein Magnet-Translationssystem 800 mit
einer Hülse 810,
einem Schwingmagneten 820 und zweier Federmagnete 830-1, 830-2,
die mechanisch mit der Hülse 810 verbunden
und so ausgerichtet sind, dass im Inneren der Hülse 810 jeweils ein
Nordpol des Schwingmagneten 820 einem Nordpol des Federmagneten 830-1 und
ein Südpol
des Schwingmagneten 820 einem Südpol des Federmagneten 830-2 gegenüber liegen.
Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 4 eine Induktionsspule
des Magnet-Translationssystems 800 nicht eingezeichnet,
die beispielsweise mit der Hülse 810 verbunden
sein kann und auf eine Bewegung des Schwingmagneten 820 hin
in eine Induktionsspannung bereitstellen kann.The most resonant vibration generator Ren use spring elements that have an approximately linear behavior, ie a linear characteristic. But there is also the approach to use the repulsive force of two oppositely polarized magnets as a non-linear spring force. 4 shows a magnet translation system 800 with a sleeve 810 , a vibrating magnet 820 and two spring magnets 830-1 . 830-2 that mechanically with the sleeve 810 connected and aligned so that inside the sleeve 810 in each case a north pole of the oscillating magnet 820 a north pole of the spring magnet 830-1 and a south pole of the oscillating magnet 820 a south pole of the spring magnet 830-2 lie opposite. To simplify the illustration is in 4 an induction coil of the magnetic translation system 800 not shown, for example, with the sleeve 810 can be connected and on a movement of the vibrating magnet 820 back into an induction voltage can provide.
Wie
auch in der Dissertation mit dem Titel „Energiewandlersystem für den Betrieb
von autarken Sensoren in Fahrzeugen” von Gunther Naumann (Technische
Universität
Dresden, 2004) beschrieben und erläutert wurde, kommt es gerade
bei Schwingmagneten, wie dem Schwingmagnet 820 in 4, bei
einer linearen Führung
im Inneren der Hülse 810 zu
hohen Reibungskräften
des Schwingmagneten 820 an der Hülse 810 aufgrund eines
Kippmoments, das aufgrund der Orientierung der beiden Federmagnete 830-1, 830-2 und
dem Schwingmagneten 820 zueinander erzeugt wird. Aufgrund
der durch das Kippmoment hervorgerufenen hohen Reibungskräfte führt eine
lineare Führung
des Schwingmagneten 820 in der Hülse 810 bislang daher
zu hohen Verlusten.As also described and explained in the dissertation titled "Energy converter system for the operation of self-sufficient sensors in vehicles" by Gunther Naumann (Dresden University of Technology, 2004), oscillating magnets, such as the oscillating magnet, are involved 820 in 4 , with a linear guide inside the sleeve 810 To high frictional forces of the vibrating magnet 820 on the sleeve 810 due to a tilting moment due to the orientation of the two spring magnets 830-1 . 830-2 and the vibrating magnet 820 is generated to each other. Due to the high frictional forces caused by the tilting moment, a linear guidance of the oscillating magnet results 820 in the sleeve 810 So far, therefore, to high losses.
Genauer
gesagt kommt es aufgrund der gegenseitigen Abstoßung der Nordpole des Schwingmagneten 820 und
des Federmagneten 830-1 und der Südpole des Schwingmagneten 820 und
des Federmagneten 830-2 zu einem Kippmoment, das die beiden
Federmagnete 830-1, 830-2 auf den Schwingmagneten 820 ausüben, so
dass dieser gegenüber
der Hülse 810 bzw.
einer Rotationsachse der Hülse
um einen Winkel β verkippt
wird.More precisely, it comes because of the mutual repulsion of the north pole of the vibrating magnet 820 and the spring magnet 830-1 and the south pole of the vibrating magnet 820 and the spring magnet 830-2 at a tilting moment, which is the two spring magnets 830-1 . 830-2 on the vibrating magnets 820 exercise so that this opposite the sleeve 810 or a rotational axis of the sleeve is tilted by an angle β.
Aufgrund
des Kippmoments wirkt nun nicht nur eine Normalkraft FN zwischen
der Hülse 810 und dem
Schwingmagneten 820, wie dies an einem Punkt A in 4 dargestellt
ist, auf die Hülse 810 bzw.
den Schwingmagneten 820, sondern es wirkt zusätzlich eine
Magnetkraft-Komponente FMR zwischen dem
Schwingmagneten 820 und der Hülse 810. Aufgrund
der zusätzlichen
Magnetkraft-Komponente FMK kommt es zu einer
Vergrößerung einer
Reibungskraft FR, die die Hülse 810 auf
den Schwingmagneten 820 ausübt, im Vergleich zu dem Fall,
bei dem die Magnetkraft-Komponente FMK beispielsweise
aufgrund schwächerer
Magnete geringer oder gänzlich verschwinden
würde.Due to the overturning moment, not only a normal force F N between the sleeve is effective 810 and the vibrating magnet 820 like this at a point A in 4 is shown on the sleeve 810 or the oscillating magnet 820 but it also acts a magnetic force component F MR between the vibrating magnet 820 and the sleeve 810 , Due to the additional magnetic force component F MK , there is an increase in a frictional force F R , which is the sleeve 810 on the vibrating magnets 820 exerts, in comparison to the case in which the magnetic force component F MK would disappear less or completely, for example due to weaker magnets.
Im
Falle einer Bewegung des Schwingmagneten 820 gegenüber der
Hülse 810 führt die
Reibungskraft FR zu einem Leistungsverlust,
so dass die Energie, die ein Generator mit dem Magnet-Translationssystem 800 erzeugen
könnte,
reduziert wird. Die Reibungskraft FR tritt
jedoch auch bereits in einem stationären Zustand auf, bei dem sich
der Schwingmagnet 820 nicht bewegt. In diesem Fall handelt
es sich bei der Reibungskraft FR um eine
Haftreibungskraft, die zusammen mit den Kräften, die die beiden Federmagneten 830-1, 830-2 auf
den Schwingmagneten 820 ausüben, einer Schwerkraft Fg des Schwingmagneten 820 entgegenwirken.
Bei Verwendung einer Magnetfeder in Form der beiden Federmagnete 830-1, 830-2 und
des Schwingmagneten 820 sowie einer linearen Führung in
Form der Hülse 810 entstehen
also zusätzliche
Reibungskräfte,
die durch eine Verdrehung des Schwingmagneten 820 gegenüber der
Hülse 810 bzw.
der Symmetrieachse der Hülse 810 entstehen.In the case of a movement of the oscillating magnet 820 opposite the sleeve 810 The frictional force F R results in a loss of power, so the energy that a generator uses with the magnet translation system 800 could be reduced. However, the frictional force F R already occurs in a stationary state, in which the oscillating magnet 820 not moved. In this case, the frictional force F R is a static friction force which, together with the forces acting on the two spring magnets 830-1 . 830-2 on the vibrating magnets 820 exert a gravity F g of the vibrating magnet 820 counteract. When using a magnetic spring in the form of the two spring magnets 830-1 . 830-2 and the vibrating magnet 820 and a linear guide in the form of the sleeve 810 So additional friction forces caused by a rotation of the vibrating magnet 820 opposite the sleeve 810 or the axis of symmetry of the sleeve 810 arise.
Andere
Beispiele für
Generatoren mit translatorischen Energiewandlersystemen zeigen so
beispielsweise die US-5,347,786 A ,
die US 4,140,932 A und
die DE 19 758 164
A1 . Des weiteren zeigt die US 5,148,066 A einen Lineargenerator oder
Motor mit einer integrierten magnetischen Feder, bei der das Magnetsystem
Lager- und Führungsaufgaben
erfüllt. Die US 6,867,520 B2 zeigt
darüber
hinaus eine elektromechanische Batterie in Form eines magnetisch
in der Schwebe gehaltenen Schwungrades.Other examples of generators with translational energy conversion systems show such as the US 5,347,786 A. , the US 4,140,932 A and the DE 19 758 164 A1 , Furthermore, the shows US 5,148,066 A a linear generator or motor with an integrated magnetic spring, in which the magnet system fulfills bearing and guiding tasks. The US 6,867,520 B2 also shows an electromechanical battery in the form of a magnetically levitated flywheel.
Die
oben zitierte Dissertation von Gunther Naumann enthält darüber hinaus
eine Einführung
in den prinzipiellen Aufbau und Eigenschaften rotierender Energiewandlersysteme.The
In addition, Gunther Naumann's dissertation quoted above also contains
An introduction
in the basic structure and properties of rotating energy converter systems.
5 zeigt
einen Vibrationswandler 850 mit einem Körper 860, in den mehrere
Spulen 870 eingelassen sind, und der in dem Konferenzbeitrag „Novel non-resonant
vibration transducer for energy harvesting” der Konferenz Power Micro
Electronic Mechanical Systems 2005 in Tokio, Japan, von D. Spreemann,
B. Folkmer, D. Mintenbeck und Y. Manoli beschrieben ist. Der Vibrationswandler 850 weist
darüber
hinaus ein Rotationspendel 880 mit zwei Magneten 890 auf.
Das Rotationspendel 880 weist eine tropfenförmige Gestalt
auf und ist so mit einer Welle 900 an einem Aufhängungspunkt
verbunden, dass der Aufhängungspunkt
nicht mit einem Schwerpunkt des Rotationspendels 880 übereinstimmt.
Als Folge hängt
das Rotationspendel 880 in einem Ruhezustand nach „unten”, wenn
der Vibrationswandler 850 aufrecht steht. Die Welle 900 ist über ein
Kugellager 910 mit dem Körper 860 drehbar verbunden. 5 shows a vibration transducer 850 with a body 860 in which several coils 870 described in the conference contribution "Novel non-resonant vibration transducer for energy harvesting" of the conference Power Micro Electronic Mechanical Systems 2005 in Tokyo, Japan, by D. Spreemann, B. Folkmer, D. Mintenbeck and Y. Manoli , The vibration converter 850 also has a rotation pendulum 880 with two magnets 890 on. The rotation pendulum 880 has a teardrop-shaped shape and is so with a wave 900 connected at a suspension point, that the suspension point does not coincide with a center of gravity of the rotation pendulum 880 matches. As a result, the rotation pendulum hangs 880 in a resting state to "down" when the vibration transducer 850 stands upright. The wave 900 is about a ball bearing 910 with the body 860 rotatably connected.
Wird
nun, wie in 5 durch die beiden senkrechten
Pfeile angedeutet, der Vibrationswandler 850 vertikal bewegt,
beginnt aufgrund der Form des Rotationspendels 880 und
dem Aufhängungspunkt
das Rotationspendel 880 eine Rotation um eine Achse, die
mit der Welle 900 bezüglich
ihrer Lage übereinstimmt.
In 5 ist die Rotation durch einen Pfeil im Bereich
der Welle 900 angedeutet. Aufgrund der eintretenden Rotation
werden die Magnete 890 an den Spulen 870 vorbeigeführt, so
dass in den Spulen 870 aufgrund der Induktion eine Induktionsspannung
und damit ein Induktionsstrom hervorgerufen wird.Will now, as in 5 indicated by the two vertical arrows, the vibration wall ler 850 Moving vertically starts due to the shape of the rotation pendulum 880 and the suspension point, the rotation pendulum 880 a rotation about an axis coinciding with the shaft 900 according to their position. In 5 is the rotation by an arrow in the area of the shaft 900 indicated. Due to the incoming rotation, the magnets become 890 on the coils 870 passed so that in the coils 870 due to the induction of an induction voltage and thus an induction current is caused.
Die
drehbare Lagerung des Rotationspendels 880 in Form der
Welle 900 und des Kugellagers 910, sowie die tropfenförmige Ausgestaltung
des Rotationspendels 880 im Zusammenhang mit dem Aufhängungspunkt
ermöglichen
eine nicht-resonante Konvertierung kinetischer Energie in Form von
Vibrationen in elektrische Energie über die in den Spulen 870 erzeugten
Induktionsspannungen und Induktionsströme. Durch diese nicht-resonante
Konvertierung können
die oben beschriebenen Nachteile einer resonanten Konvertierung
weitgehend eliminiert werden.The rotatable mounting of the rotation pendulum 880 in the form of the wave 900 and the ball bearing 910 , as well as the teardrop-shaped design of the rotation pendulum 880 in connection with the suspension point allow a non-resonant conversion of kinetic energy in the form of vibrations into electrical energy over that in the coils 870 generated induction voltages and induction currents. By this non-resonant conversion, the above-described disadvantages of a resonant conversion can be largely eliminated.
Nachteilig
an dem Vibrationswandler 850 ist jedoch, dass dieser auf
eine Rotation, also ein Kreisenn des Rotationspendels 880 um
die durch die Lage der Welle 900 gegebene Rotationsachse
angewiesen ist, um effizient elektrische Energie in Form von Induktionsspannungen
bereitzustellen. Mit anderen Worten muss, damit der Vibrationswandler 850 eine
ausreichende Leistung abgeben kann, das Rotationspendel 880 um
die Rotationsachse vollständige
Kreise beschreiben. Hieran ist insbesondere nachteilig, dass eine
Vibrationsamplitude des Vibrationswandlers einen kritischen Wert
zunächst übersteigen
muss, damit das Rotationspendel 880 überhaupt beginnen kann, Rotationen
auszuführen. Übersteigt
die Amplitude der Vibrationen nicht diesen kritischen Wert, so vollführt das
Rotationspendel 880 lediglich Schwingungen, um seine Ruhelage
aufgrund der Erdanziehung, also aufgrund der Masseverteilung des
Rotationspendels 880 und der Lage des Befestigungspunktes
der Welle 900 in dem Rotationspendel 880, was
letztlich dazu führt,
dass der Vibrationswandler 850 eine im Allgemeinen nicht
ausreichende elektrische Leistung abgeben kann. Dies ist sofort
einsichtig, da die in 5 gezeigten Spulen 870 in
diesem Fall nur einer vergleichsweise geringen Änderung des magnetischen Flusses
durch die Bewegung der Magnete 890 ausgesetzt sind.A disadvantage of the vibration converter 850 However, it is that this on a rotation, so a circle of the rotation pendulum 880 around by the location of the shaft 900 given rotational axis to efficiently provide electrical energy in the form of induction voltages. In other words, so that the vibration converter 850 can give sufficient power, the rotation pendulum 880 describe complete circles around the rotation axis. This is particularly disadvantageous in that a vibration amplitude of the vibration transducer must first exceed a critical value, so that the rotation pendulum 880 can even begin to perform rotations. If the amplitude of the vibrations does not exceed this critical value, then the rotation pendulum performs 880 only oscillations to its rest position due to gravity, ie due to the mass distribution of the rotation pendulum 880 and the location of the attachment point of the shaft 900 in the rotation pendulum 880 , which ultimately causes the vibration transducer 850 can generally deliver insufficient electrical power. This is immediately obvious, since the in 5 shown coils 870 in this case, only a comparatively small change in the magnetic flux due to the movement of the magnets 890 are exposed.
Die EP 1 429 444 A1 als
nächstkommender StdT
bezieht sich auf einen vibrationsbetriebenen Generator, der es ermöglicht,
Elektrizität
unter Verwendung von Vibrationen oder Schwingungen, die eine elektromagnetische
Induktion hervorrufen, zu erzeugen. Das Dokument beschreibt eine
Kombination einer Führung
mit einer konkaven Oberfläche
mit einem nicht magnetischen Material, einem Permanentmagneten,
der auf der konkaven Oberfläche
der Führung
derart angeordnet ist, dass der Magnet frei über die konkave Oberfläche rollen
kann, und elektromagnetische Induktionsspulen, die an Stellen angebracht
sind, so dass der magnetische Fluss, der von dem Permanentmagneten
hervorgerufen wird, diese durchdringt.The EP 1 429 444 A1 as nearest StdT refers to a vibration-driven generator that makes it possible to generate electricity using vibrations or vibrations that cause electromagnetic induction. The document describes a combination of a guide having a concave surface with a non-magnetic material, a permanent magnet disposed on the concave surface of the guide such that the magnet is free to roll over the concave surface, and electromagnetic induction coils attached to locations are so that the magnetic flux caused by the permanent magnet permeates them.
Die US 5,818,132 A bezieht
sich auf einen linearen Bewegungsgenerator für elektrische Energie, die
einer Arbeit einer intermittierenden Kraft entstammt. Ein bewegender
Magnet wird so geführt, dass
er sich bidirektional linear oder annähernd linear durch wenigstens
zwei Spulen bewegen kann. Die Spulen sind voneinander beabstandet
und elektrisch so miteinander verbunden, dass ein Strom, der in
einer ersten Spule als Resultat einer Bewegung des sich bewegenden
Magneten erzeugt wird, substantiell in Phase mit einem Strom ist,
der in der zweiten besagten Spule produziert wird.The US 5,818,132 A refers to a linear motion generator for electrical energy that comes from a work of intermittent force. A moving magnet is guided so that it can move bidirectionally linearly or approximately linearly through at least two coils. The coils are spaced apart and electrically interconnected such that a current generated in a first coil as a result of movement of the moving magnet is substantially in phase with a current produced in the second said coil.
Die DE 101 47 720 A1 bezieht
sich auf ein autarkes Energiegewinnungssystem und eine Vorrichtung
zur Erzeugung elektrischer Energie aus Bewegungsenergien mittels
eines Induktionssystems, wobei das Induktionssystem Magnete, Induktionsspulen
zum Abgreifen der induzierten Spannung und ein mechanisches Schwingsystem
aufweist. Die Vorrichtung basiert auf einer Minimierung der direkten Kraft-
oder Wegkopplung in dem Schwingsystem. Danach ist das mechanische
Schwingsystem zu translatorischen mechanischen Schwingungen anregbar
und das mechanische Schwingsystem weist eine Schwungmasse ohne direkte
mechanische Krafteinkopplung auf.The DE 101 47 720 A1 relates to a self-sufficient energy recovery system and a device for generating electrical energy from motive energies by means of an induction system, wherein the induction system comprises magnets, induction coils for tapping the induced voltage and a mechanical vibration system. The device is based on minimizing direct force or path coupling in the vibrating system. Thereafter, the mechanical vibration system can be excited to translational mechanical vibrations and the mechanical vibration system has a flywheel without direct mechanical force coupling.
Die US 3,696,251 A bezieht
sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Elektrizität und einen
elektrischen Generator, der elektrische Energie aus einer oszillatorischen
Bewegung, etwa einer Boje, eines Fahrzeugs oder eines Tiers ableiten
kann. Der Generator hat einen Stator und einen Anker, die über Federn
miteinander gekoppelt sind. Diese erzeugen einen Strom, wenn eine
körperliche
Bewegung des Generators durch Trägheitseffekte
eine relative Bewegung des Ankers und des Stators hervorrufen. Insbesondere
bezieht sich das Dokument auf eine Energieversorgung ozeanographischer
Bojen.The US 3,696,251 A relates to a method of generating electricity and an electrical generator that can derive electrical energy from an oscillatory motion, such as a buoy, a vehicle, or an animal. The generator has a stator and an armature, which are coupled together via springs. These generate a current when physical motion of the generator due to inertial effects causes relative movement of the armature and the stator. In particular, the document relates to a power supply of oceanographic buoys.
Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, einen mechanisch-elektrischen Generator und ein Verfahren
zur Generierung eines elektrischen Signals zu schaffen, die eine
effizientere Umsetzung einer mechanischen Vibration in ein elektrisches
Signal ermöglichen,
wobei eine explizite Anpassung an bestimmte Betriebsbedingungen
erfolgen kann.outgoing
from this prior art, the object of the present
Invention therein, a mechanical-electrical generator and a method
to create an electrical signal that generates a
more efficient conversion of a mechanical vibration into an electrical one
Enable signal
being an explicit adaptation to certain operating conditions
can be done.
Diese
Aufgabe wird durch einen mechanisch-elektrischen Generator nach
Anspruch 1 oder ein Verfahren zur Generierung eines elektrischen
Signals gemäß Anspruch
13 gelöst.This task is performed by a mecha A nisch-electric generator according to claim 1 or a method for generating an electrical signal according to claim 13 solved.
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine
effizientere Generierung eines elektrischen Signals aus einer mechanischen
Vibration heraus dadurch erzielt werden kann, indem einerseits ein
Schwingpendel so mit einer Basis verbunden wird, dass das Schwingpendel
auf eine Vibration des mechanisch-elektrischen Generators eine Drehschwingung
bezüglich
der Basis ausführen kann,
und dass das Schwingpendel und die Basis so mit einer Anschlageinrichtung
gekoppelt werden, dass eine komplette Drehschwingung unterbunden wird
und gleichzeitig die Anschlageinrichtung eine elastische Anschlagwirkung
auf das Schwingpendel ausübt,
wenn das Schwingpendel und die Anschlageinrichtung miteinander interagieren. Über eine
zusätzliche
Energiewandlereinrichtung wird die Drehschwingung des Schwingpendels
in ein elektrisches Signal umgewandelt, dass dann an einem elektrischen
Ausgang bereitgestellt wird.Of the
The present invention is based on the finding that a
more efficient generation of an electrical signal from a mechanical
Vibration can be achieved by, on the one hand, one
Swinging pendulum so connected to a base that the swinging pendulum
on a vibration of the mechanical-electrical generator, a torsional vibration
in terms of
the base can perform
and that the swinging pendulum and the base so with a stop device
coupled, that a complete torsional vibration is prevented
and at the same time the stop means an elastic stop action
on the swinging pendulum,
when the swinging pendulum and the stopper interact with each other. Over a
additional
Energiewandlereinrichtung is the torsional vibration of the oscillating pendulum
converted into an electrical signal that is then connected to an electrical
Output is provided.
Hierbei
wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter einer elastischen
bzw. teilelastischen Anschlagwirkung eine Wechselwirkung verstanden,
bei der typischerweise weniger als 50% und vorzugsweise weniger
als 20% der kinetischen Energie des Schwingpendels nicht in eine
potentielle Energie umgewandelt werden. Mit anderen Worten wird im
Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter einer elastischen bzw. teilelastischen
Anschlagwirkung eine Wechselwirkung verstanden, bei der tpyischerweise
weniger als 50% und vorzugsweise weniger als 20% der kinetischen
Energie „vernichet”, also
in Wärme,
eine plastische Verformung oder eine andere technisch nicht oder
nur schwierig weiter zu verwertende Energieform umgewandelt werden.in this connection
is in the context of the present application under an elastic
or partially elastic stop action understood an interaction,
typically less than 50% and preferably less
than 20% of the kinetic energy of the swinging pendulum is not in one
potential energy to be converted. In other words, in the
Frame of the present application under an elastic or partially elastic
Stop action understood an interaction, in which typically
less than 50% and preferably less than 20% of the kinetic
Energy "destroyed", so
in heat,
a plastic deformation or another not technically or
difficult to convert further usable form of energy.
Ein
weiterer Vorteil liegt darin, dass die Anschlageinrichtung so ausgebildet
sein kann, dass diese eine nicht-lineare
Kennlinie aufweist. Insbesondere ist es so möglich, für Ausschlagwinkel im Bereich
eines Gleichgewichtswinkels des Schwingpendels des mechanisch-elektrischen
Generators zunächst
eine vergleichsweise geringe Rückstellkraft auf
das Schwingpendel auszuüben,
wobei für
stärkere
Ausschlagwinkel die Rückstellkraft
betragsmäßig signifikant
ansteigt.One
Another advantage is that the stop device is formed
that may be a non-linear one
Has characteristic. In particular, it is possible for rash angles in the field
an equilibrium angle of the oscillating pendulum of the mechanical-electrical
Generator first
a comparatively low restoring force
to exercise the swinging pendulum,
being for
more
Raising angle the restoring force
significant in terms of amount
increases.
Dies
kann beispielsweise durch Verwendung von Magneten oder elektrostatischen
Systemen im Rahmen der Anschlageinrichtung erzielt werden. Ein großer Vorteil
der nicht-linearen Magnetfelder oder elektrostatischen Felder liegt
darin, dass die zunächst
flache Kennlinie der magnetischen bzw. elektrostatischen Interaktion
ausgenutzt werden kann, um auch bei einem kleinen Volumen des mechanisch-elektrischen
Generators kleine Vibrationsfrequenzen in ein elektrisches Signal
umzusetzen.This
For example, by using magnets or electrostatic
Systems can be achieved in the context of the anchor device. A big advantage
of non-linear magnetic fields or electrostatic fields
in that first
flat characteristic of the magnetic or electrostatic interaction
can be exploited even at a small volume of mechanical-electrical
Generator's small vibration frequencies into an electrical signal
implement.
Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die Anschlageinrichtung, beispielsweise
in Form von Federmagneten oder entsprechenden elektrostatischen Komponenten,
so ausgebildet sein kann, dass die Interaktion des Schwingpendels
mit der Basis einstellbar ist. Hierdurch kann ein erfindungsgemäßer mechanisch-elektrischer
Generator beispielsweise so ausgeführt werden, dass dieser an
bestimmte Betriebsbedingungen explizit angepasst werden kann.One
Another advantage is that the stop device, for example
in the form of spring magnets or corresponding electrostatic components,
can be designed such that the interaction of the oscillating pendulum
is adjustable with the base. As a result, an inventive mechanical-electrical
Generator, for example, be executed so that this
certain operating conditions can be explicitly adjusted.
Dies
kann beispielsweise auch während
des Betriebs geschehen im Rahmen einer Optimierung der abgegebenen
Leistung. Werden also beispielsweise die Federmagnete oder die entsprechenden elektrostatischen
Komponenten in der Weise angebracht und angeordnet, dass sie gegeneinander
verstellbar sind, so kann die nicht-lineare Kennlinie der Anschlageinrichtung
weiter ausgenutzt werden, um den Generator an die jeweiligen Einsatzbedingungen optimaler
anzupassen.This
for example, during
of the operation happen in the context of an optimization of the delivered
Power. Thus, for example, the spring magnets or the corresponding electrostatic
Components are attached and arranged in the way that they are against each other
are adjustable, so the non-linear characteristic of the anchor device
be further exploited to the generator to the particular conditions of use more optimal
adapt.
Darüber hinaus
können
aufgrund der nicht-linearen Kennlinie der Anschlageinrichtung in
Bezug auf die Interaktion mit dem Schwingpendel auch technisch sonst
schwer verwertbare und schwer beherrschbare Vibrationen geringer
Frequenz verwertet werden. Insbesondere ergibt sich hierdurch der
Vorteil, dass der mechanisch-elektrische Generator nicht nur für Vibrationsfrequenzen
in der Nähe
einer Resonanzfrequenz, sondern für idealerweise alle Frequenzen,
also insbesondere auch für
häufig
energiereiche Oberwellen von Schwingungen und Vibrationen eingesetzt
werden kann. Darüber
hinaus ergibt sich so ein einstellbarer Vibrationsgenerator, der auch
stochastisch auftretende Stöße verwerten kann.
Der erfindungsgemäße mechanisch-elektrische
Generator eignet sich daher insbesondere auch, um stochastische
Stöße und niedrige
Frequenzen von typischerweise weniger als 125 Hz und vorzugsweise
weniger als 75 Hz, die nicht exakt vorherbestimmt und bekannt sind,
in elektrische Signale zu konvertieren.Furthermore
can
due to the non-linear characteristic of the anchor device in
Regarding the interaction with the swinging pendulum also technically otherwise
difficult to use and difficult to control vibrations lower
Frequency be recycled. In particular, this results in the
Advantage that the mechanical-electrical generator not only for vibration frequencies
near
a resonant frequency, but ideally all frequencies,
So in particular for
often
high-energy harmonics of vibrations and vibrations used
can be. About that
In addition, this results in an adjustable vibration generator, which also
can utilize stochastically occurring shocks.
The inventive mechanical-electrical
Generator is therefore particularly suitable to stochastic
Shocks and low
Frequencies of typically less than 125 Hz and preferably
less than 75 Hz, which are not exactly predetermined and known,
to convert into electrical signals.
Im
Falle einer Verwendung einer auf Magneten arbeitenden Anschlageinrichtung,
bei der das Schwingpendel einen Schwingmagneten umfasst, kann dieser
als zusätzliches
Gewicht für
das Schwingpendel eingesetzt werden, um eine in allen mechanischen
Systemen vorhandene Resonanzfrequenz weiter in den Bereichen tiefer
und damit technisch relevanter Vibrationsfrequenzen zu verschieben.in the
Case of using a solenoid-operated stopper,
in which the swinging pendulum comprises a vibrating magnet, this can
as additional
Weight for
The swinging pendulum can be used to make one in all mechanical
Systems existing resonant frequency further in the areas deeper
and thus shift technically relevant vibration frequencies.
Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass durch Verwendung eines Schwingpendels im Vergleich zu
einem translatorischen Energiewandlersystem, wie es in den einführenden
Abschnitten der vorliegenden Anmeldung beschrieben wurde, nicht
nur Vibrationen bezüglich
einer Raumrichtung in elektrische Signale umgewandelt werden können, sondern
dass aufgrund der Auslegung eines Schwingpendels Vibrationen bezüglich zweier
Raumrichtungen, also Vibrationen in einer Ebene ausgenutzt werden
können.Another significant advantage of the present invention is that by using a vibrating pendulum as compared to a translational energy conversion system, as described in the introductory paragraphs of the present message has been described, not only vibrations with respect to a spatial direction can be converted into electrical signals, but that due to the design of a swinging pendulum vibration with respect to two spatial directions, ie vibrations in a plane can be exploited.
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:preferred
embodiments
The present invention will be described below with reference to FIG
the enclosed drawings closer
explained.
Show it:
1a eine
schematische Übersichtszeichnung
eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen
Generators; 1a a schematic overview drawing of a first embodiment of a mechanical-electrical generator according to the invention;
1b eine
Teilexplosionszeichnung des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen
Generators; 1b a partial explosion drawing of the first embodiment of a mechanical-electrical generator according to the invention;
2 ein
Beispiel eines Vibrationsspektrums einer Vakuumpumpe an verschiedenen
Bereichen des Gehäuses
der Vakuumpumpe; 2 an example of a vibration spectrum of a vacuum pump at different areas of the housing of the vacuum pump;
3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen
Generators in Form eines mikromechanischen Systems; 3 A second embodiment of a mechanical-electrical generator according to the invention in the form of a micromechanical system;
4 ein
Magnet-Translationssystem nach dem Stand der Technik; und 4 a magnetic translation system according to the prior art; and
5 ein
Vibrationswandler nach dem Stand der Technik. 5 a vibration transducer according to the prior art.
Bezug
nehmend auf die 1 bis 3 wird nun
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Generators
beschrieben. In den 1 bis 3 werden
für Objekte mit ähnlichen
funktionalen Eigenschaften ähnliche Bezugszeichen
verwendet.Referring to the 1 to 3 Now, a first embodiment of a mechanical-electric generator according to the invention will be described. In the 1 to 3 Similar reference numbers are used for objects with similar functional characteristics.
1a zeigt
eine Übersichtsdarstellung
eines einstellbaren, feinmechanischen Vibrationsgenerators zur induktiven
Konvertierung kinetischer Energie in Form von Vibrationen und stochastischen
Stößen 100 als
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen
Generators. 1b zeigt in Form einer Teilexplosionszeichnung
einen Schnitt durch den in 1a gezeigten
erfindungsgemäßen Vibrationsgenerator 100.
Der Vibrationsgenerators 100 wird anhand der 1a und 1b näher erläutert und
beschrieben. 1a shows an overview of an adjustable, precision mechanical vibration generator for the inductive conversion of kinetic energy in the form of vibrations and stochastic shocks 100 as a first embodiment of a mechanical-electrical generator according to the invention. 1b shows in the form of a partial explosion drawing a section through the in 1a shown vibration generator according to the invention 100 , The vibration generator 100 is determined by the 1a and 1b explained and described in detail.
Der
Vibrationsgenerator 100 weist so eine Basis bzw. ein Gehäuse 110 auf,
das bei dem in 1 gezeigten, speziellen
Ausführungsbeispielen dreiteilig
ausgeführt
ist. Die Teile des Gehäuses 110 werden über vier
Kombinationen von Schrauben 120 und Muttern 130 miteinander
verbunden. In das Gehäuse 110 ist
zur drehbaren Lagerung eines Schwingpendels 140 ein Kugellager 150 eingepasst, dass
mit einer Welle 160 verbunden ist. Die Welle 160 ist
darüber
hinaus mit dem Schwingpendel 140 verbunden. Das Gehäuse 110 weist
in jedem seiner drei Teile eine entsprechende Ausnehmung 170 auf, die
es dem Schwingpendel 140 ermöglicht, im Inneren des Gehäuses 110 eine
entsprechende Drehschwingung bezüglich
einer durch die Welle 160 bestimmten Drehachse auszuführen. Das
Schwingpendel 140 weist darüber hinaus einen Schwingmagneten 180 auf,
der bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
zylinderförmig
ausgebildet ist.The vibration generator 100 has such a base or a housing 110 on that in the in 1 shown, special embodiments is carried out in three parts. The parts of the case 110 Be about four combinations of screws 120 and nuts 130 connected with each other. In the case 110 is for rotatably supporting a swinging pendulum 140 a ball bearing 150 fitted that with a shaft 160 connected is. The wave 160 is beyond that with the swinging pendulum 140 connected. The housing 110 has a corresponding recess in each of its three parts 170 on it, it's the swinging pendulum 140 allows inside the case 110 a corresponding torsional vibration with respect to a through the shaft 160 to execute certain axis of rotation. The swinging pendulum 140 also has a vibrating magnet 180 at the in 1 shown embodiment is cylindrical.
Des
weiteren weist das Gehäuse 110 zwei weitere
Ausnehmungen 190 auf, die zumindest teilweise ein Gewinde
aufweisen. In die Gewinde der Ausnehmung 190 kann jeweils
eine Madenschraube 200, die ihrerseits mit einem Federmagneten 210 verbunden
ist, in das Gehäuse 110 eingeschraubt werden.
Insbesondere ermöglichen
die beiden Madenschrauben 200 eine individuelle Positionierung der
Federmagnete 210 bezüglich
des Schwingmagneten 180, der mit dem Schwingpendel 140 verbunden
ist.Furthermore, the housing has 110 two more recesses 190 on, which at least partially have a thread. In the thread of the recess 190 can each have a grub screw 200 , in turn, with a spring magnet 210 is connected in the housing 110 be screwed. In particular, the two grub screws allow 200 an individual positioning of the spring magnets 210 with respect to the vibrating magnet 180 that with the swinging pendulum 140 connected is.
Die
beiden Federmagneten 210 sind hierbei bezüglich des
Schwingmagneten 180 so orientiert, dass jeweils zwischen
einem der beiden Federmagneten 210 und dem Schwingmagneten 180 eine
abstoßende
bzw. rücktreibende
Kraft auftritt. Mit anderen Worten sind die beiden Federmagneten 210 bezüglich des
Schwingmagneten 180 so orientiert, dass einem Nordpol des
Schwingmagneten 180 auch ein Nordpol eines der beiden Federmagneten 210 gegenübersteht.
Analog steht einem Südpol
des Schwingmagneten 180 auch ein Südpol des anderen Federmagneten 210 gegenüber.The two spring magnets 210 are here with respect to the vibrating magnet 180 oriented so that in each case between one of the two spring magnets 210 and the vibrating magnet 180 a repulsive or repulsive force occurs. In other words, the two spring magnets 210 with respect to the vibrating magnet 180 oriented so that a north pole of the vibrating magnet 180 also a north pole of one of the two spring magnets 210 faces. Analog stands to a south pole of the oscillating magnet 180 also a south pole of the other spring magnet 210 across from.
In
der Ausnehmung 170 des Gehäuses 110 sind darüber hinaus
zwei Induktionsspulen 220 integriert, die jeweils eine
Bohrung aufweisen, so dass der Schwingmagnet 180 zumindest
teilweise in die Bohrungen der beiden Induktionsspulen 220 eintauchen
kann.In the recess 170 of the housing 110 are also two induction coils 220 integrated, each having a bore, so that the oscillating magnet 180 at least partially into the holes of the two induction coils 220 can dive.
Die
beiden Spulen sind darüber
hinaus mit einem elektrischen Anschluss in Form zweier Kontaktstifte 230 verbunden,
was jedoch der besseren Übersicht
halber in 1b nicht dargestellt ist. Die elektrische
Verbindung der Induktionsspulen 220 und der Kontaktstifte 230 kann
hierbei, je nach Anwendungsszenario, parallel oder seriell erfolgen.
Darüber hinaus
kann unabhängig
davon, ob die Verschaltung der beiden Induktionsspulen 220 parallel
oder seriell erfolgt, die Verschaltung der beiden Induktionsspulen bezüglich einer
Windungsorientierung sowohl parallel wie auch antiparallel erfolgen.
Die beiden Induktionsspulen 220 können also optional die gleiche
oder die entgegengesetzte Wicklungsorientierung aufweisen. Die beiden
Induktionsspulen 220 bilden somit zusammen mit dem Schwingmagneten 180 des Schwingpendels 140 eine
Energiewandlereinrichtung, mit der die kinetische Energie einer
Drehschwingung, die das Schwingpendel 140 ausführt, in ein
elektrisches Signal umgewandelt werden kann.The two coils are also equipped with an electrical connection in the form of two contact pins 230 connected, but for the sake of clarity in 1b not shown. The electrical connection of the induction coils 220 and the contact pins 230 This can be parallel or serial, depending on the application scenario. In addition, regardless of whether the interconnection of the two inductors 220 takes place parallel or serially, the interconnection of the two induction coils with respect to a winding orientation both parallel and antiparallel done. The two induction coils 220 Thus, optionally, the same or the opposite winding orientation can aufwei sen. The two induction coils 220 thus form together with the vibrating magnet 180 the swinging pendulum 140 a Energiewandereinrichtung, with the kinetic energy of a torsional vibration, the swinging pendulum 140 can be converted into an electrical signal.
Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
eines mechanisch-elektrischen Generators 100, bei dem es
sich genauer gesagt, um einen feinmechanischen Vibrationsgenerator 100 handelt,
umfasst die Anschlageinrichtung die beiden Federmagneten 210 und
den Schwingmagneten 180. Diese Auslegung der Anschlageinrichtung
bietet, wie bereits oben angedeutet wurde, mehrere, signifikante Vorteile.At the in 1 shown embodiment of a mechanical-electric generator 100 which, more specifically, is a precision mechanical vibration generator 100 acts, the stopper comprises the two spring magnets 210 and the vibrating magnet 180 , This design of the stop device offers, as already indicated above, several significant advantages.
Einen
wesentlichen Vorteil stellt zunächst
die Tatsache dar, dass aufgrund der Verwendung von Magneten die
Anschlagwirkung eine nicht-lineare Kennlinie bzw. Charakteristik
aufweist, wobei im Bereich um eine Gleichgewichtsstellung des Schwingpendels 140 zunächst eine
flache Kennlinie mit geringen Rückstellkräften vorliegt.
Zusammen mit der vergleichsweise großen Masse des Schwingpendels 140,
die sich als Folge des Schwingmagneten 180 ergibt, liegt
somit die Resonanzfrequenz des Schwingpendels 140 bezüglich dem
als Basis wirkenden Gehäuse 110 bei
vergleichsweise niedrigen Frequenzen. Hierdurch ist es möglich, auch
Vibrationen in elektrische Signale umzusetzen, die bei technologisch
relevanten niedrigen Frequenzen des Vibrationsspektrums auftreten,
wobei gleichzeitig das Volumen des Vibrationsgenerators 100 vergleichsweise klein
gehalten werden kann. Für
große
Auslenkungen des Schwingpendels 140 nimmt die Federkraft durch
die Wechselwirkung der Federmagnete 210 und des Schwingmagneten 180 aufgrund
der nicht-linearen Kennlinie überproportional
zu, so dass der Schwingmagnet 180 und damit das Schwingpendel 140 so
eine gewisse „Endlagendämpfung” erfährt. Ein
physischer Anschlag, etwa in Form eines aus Gummi oder Plastik bestehenden
mechanischen Anschlags, wird so bei einer korrekten Auslegung des Vibrationsgenerators 100 eher
selten beansprucht und kann daher ggf. vollständig entfallen.A significant advantage is the fact that due to the use of magnets, the stop action has a non-linear characteristic or characteristic, wherein in the region around an equilibrium position of the oscillating pendulum 140 initially a flat characteristic with low restoring forces is present. Together with the comparatively large mass of the oscillating pendulum 140 arising as a result of the vibrating magnet 180 results, thus lies the resonant frequency of the oscillating pendulum 140 with respect to the case acting as a base 110 at comparatively low frequencies. This makes it possible to also convert vibrations into electrical signals that occur at technologically relevant low frequencies of the vibration spectrum, at the same time the volume of the vibration generator 100 can be kept comparatively small. For large deflections of the swinging pendulum 140 takes the spring force through the interaction of the spring magnets 210 and the vibrating magnet 180 due to the non-linear characteristic disproportionately too, so that the oscillating magnet 180 and thus the swinging pendulum 140 so experiences a certain "cushioning". A physical stop, such as in the form of a rubber or plastic mechanical stop, is so in a correct design of the vibration generator 100 rather rarely claimed and therefore may be completely eliminated.
Dadurch,
dass ein physischer Anschlag nicht notwendigerweise mit implementiert
werden muss, bietet der Vibrationsgenerator 100 darüber hinaus den
weiteren wesentlichen Vorteil, dass dieser durch Vibrationen mit
einer großen
Vibrationsamplitude dauerhaft nicht beschädigt wird, sondern dass die Energie
dieser Vibrationen besser in elektrische Signale und damit in elektrische
Energie umgewandelt werden kann. Dies liegt daran, dass eine magnetische
Anschlageinrichtung, wie sie der in 1 gezeigte
Vibrationsgenerator 100 aufweist, auch bei hohen Auslenkwinkeln
noch eine elastische Anschlagwirkung ermöglicht. Im Unterschied zu mechanischen
Anschlägen,
etwa in Form von Gummipuffern, wird so erheblich weniger Energie
der Vibration in technisch kaum verwertbare Energieformen, wie etwa
Wärme oder
plastische Verformungen, umgewandelt. Typischerweise geht so weniger
als 50% der in der Vibration enthaltenen Energie in technisch kaum
verwertbare Energieformen verloren. Vorzugsweise ermöglicht die
Anschlageinrichtung es sogar, dass weniger als 20% der in der Vibration
enthaltenen Energie „verloren” geht.Because a physical stop does not necessarily have to be implemented, the vibration generator provides 100 In addition, the further significant advantage that it is permanently damaged by vibrations with a large vibration amplitude, but that the energy of these vibrations can be better converted into electrical signals and thus into electrical energy. This is because a magnetic stop device, such as the one in 1 shown vibration generator 100 has, even at high deflection angles still allows an elastic stop action. In contrast to mechanical attacks, such as in the form of rubber buffers, so much less energy of vibration is converted into technically hardly usable forms of energy, such as heat or plastic deformation. Typically, less than 50% of the energy contained in the vibration is lost in technically hardly usable forms of energy. Preferably, the stopper even allows less than 20% of the energy contained in the vibration to be "lost."
Ein
weiterer wesentlicher Vorzug des Vibrationsgenerators 100,
wie er in 1 beispielhaft gezeigt ist,
besteht darin, dass die Federmagnete 210 in einer solchen
Weise angebracht werden können, dass
sie verstellbar sind, so dass die nicht lineare Kennlinie der magnetischen
Wechselwirkung zwischen den Federmagneten 210 und dem Schwingmagneten 180 weiter
ausgenutzt bzw. optimiert werden kann, um den Generator 100 an
verschiedene Einsatzbedingungen anpassen zu können. Bei dem in 1 gezeigten Vibrationsgenerator 100 stellen somit
die beiden Madenschrauben 200 eine Einstelleinrichtung
dar, die es einem Benutzer des Vibrationsgenerators 100 ermöglicht,
die Charakteristik des Vibrationsgenerators 100 auf verschiedenste Einsatzbedingungen
abzustimmen, was einen wesentlichen Vorteil und ein Novum darstellt,
das bislang nicht erkannt wurde.Another essential advantage of the vibration generator 100 as he is in 1 is exemplified, is that the spring magnets 210 can be mounted in such a way that they are adjustable, so that the non-linear characteristic of the magnetic interaction between the spring magnets 210 and the vibrating magnet 180 can be further exploited or optimized to the generator 100 to adapt to different conditions of use. At the in 1 shown vibration generator 100 thus put the two grub screws 200 an adjusting device that allows a user of the vibration generator 100 allows the characteristics of the vibration generator 100 to agree on a wide variety of operating conditions, which represents a significant advantage and a novelty that has not been recognized so far.
Der
erfindungsgemäße Vibrationsgenerator 100 bzw.
ein erfindungsgemäßer mechanisch-elektrischer
Generator 100 unterscheidet sich somit von den bisherigen
Konzepten im Wesentlichen in den Folgenden Punkten. Anstatt einer
linearen Führung, wie
sie in den einführenden
Abschnitten der vorliegenden Anmeldung erläutert wurde, werden die oder der
Schwingmagnet 180 über
ein Schwingpendel 140 rotatorisch gelagert. Die bei linear
geführten
Systemen normalerweise auftretenden hohen Reibungsverluste, die
auf ein Verkanten des Schwingmagneten zurückzuführen sind, können so
auf die signifikant geringeren Rollreibungsverluste des (Miniatur-)Kugellagers 150 reduziert
werden. Dies führt
zu einem System mit einer äußerst geringen
mechanischen Dämpfung,
was einen erzielbaren Wirkungsgrad des Vibrationsgenerators 100 signifikant
verbessert.The vibration generator according to the invention 100 or a mechanical-electrical generator according to the invention 100 differs from the previous concepts essentially in the following points. Instead of a linear guide, as has been explained in the introductory sections of the present application, the or the vibrating magnet 180 via a swinging pendulum 140 rotatory stored. The high friction losses normally associated with linear guided systems due to tilting of the vibrating magnet can thus affect the significantly lower rolling friction losses of the (miniature) ball bearing 150 be reduced. This leads to a system with an extremely low mechanical damping, which achieves an achievable efficiency of the vibration generator 100 significantly improved.
Darüber hinaus
kann dadurch, dass die Magnete bzw. der Schwingmagnet 180 auf
einer Kreisbahn in die (Induktions-)Spulen 220 eintauchen kann,
eine größere magnetische
Flussänderung
in den Induktionsspulen 220 erzeugt werden, was die maximal
generierbare Spannung an den Kontaktstiften 230 des Vibrationsgenerators 100 im
Vergleich zu einem Generator, bei dem der Schwingmagnet nicht in
die Spulen eindringen kann, erheblich steigert.In addition, the fact that the magnets or the vibrating magnet 180 on a circular path in the (induction) coils 220 can submerge, a larger magnetic flux change in the induction coils 220 to be generated, which is the maximum voltage that can be generated at the contact pins 230 the vibration generator 100 Compared to a generator in which the vibrating magnet can not penetrate into the coils, significantly increases.
Darüber hinaus
ermöglicht
es der Vibrationsgenerator 100, die Positionen der Federmagnete bzw.
des Feldmagneten 210 durch den Benutzer aktiv einzustellen.
Hierzu kann der Benutzer des Generators 100 die beiden
Madenschrauben 200 entsprechend verstellen. Hierdurch kann
die differenzielle Steigung der durch die Kombination der Federmagnete 210 und
des Schwingmagneten 180 erzeugte Federkennlinie so beeinflusst
werden, dass der Vibrationsgenerator 100 an die entsprechenden
Vibrationsfrequenzen einer Vibrationsquelle gezielt adaptiert werden
kann.In addition, it allows the vibration generator 100 , the positions of the spring magnets and the field magnet 210 to be actively set by the user. For this purpose, the user of the generator 100 the two grub screws 200 adjust accordingly. This allows the differential slope of the combination of spring magnets 210 and the vibrating magnet 180 generated spring characteristic can be influenced so that the vibration generator 100 can be adapted to the corresponding vibration frequencies of a vibration source targeted.
Die
neuen beschriebenen Eigenschaften konnten bereits durch erste Prototypen
des beschriebenen feinmechanischen Vibrationsgenerators 100 bestätigt werden.
So konnte beispielsweise bereits mit einem ersten feinmechanischen
Prototyp eines erfindungsgemäßen Vibrationsgenerators 100,
der auch als LFTT (LFTT = Low Frequency tunable transducer = einstellbarer
Niederfrequenzwandler) bezeichnet wird, nachgewiesen werden, dass
durch unterschiedlichste Anregungen, beispielsweise in Form von
Vibrationen einer Vakuumpumpe, Wacklern (Shaker) und kleinerer Stöße, ein
Prozessor vom Typ MSP 430 F 437 mit einer so großen Energiemenge versorgt werden
konnte, dass dieser alternierend die momentane Uhrzeit, den HSG-Schriftzug
der Hahn-Schickard-Gesellschaft und eine gemessene Temperatur auf
einer Anzeige oder einem Display anzeigen konnte. Diese Versuche
wurden unter anderem an einer Vakuumdrehschieberpumpe durchgeführt, deren
Vibrationsspektren verschiedene Orte an der Pumpe in 2 gezeigt
sind.The new properties described were already possible with the first prototypes of the described precision mechanical vibration generator 100 beeing confirmed. For example, a first precision mechanical prototype of a vibration generator according to the invention could already be used 100 Also referred to as LFTT (LFTT = low frequency tunable transducer), it can be demonstrated that a variety of excitations, such as vibrations of a vacuum pump, shakers and minor shocks, a MSP 430 F 437 could be supplied with such a large amount of energy that it could alternately display the current time, the HSG logo of the Hahn-Schickard-Gesellschaft and a measured temperature on a display or a display. These experiments were carried out, inter alia, on a vacuum rotary vane pump whose vibration spectra different locations on the pump in 2 are shown.
Genauer
gesagt, zeigt hierbei 2 fünf Vibrationsspektren in Form
einer Auftragung einer gemessenen Beschleunigung, die auf die Erdbeschleunigung
g normiert sind, über
einer Frequenz. Die Vibrationsspektren sind hierbei an einer Oberseite,
einer Vorderseite, einer linken Seite, an einem Schaltergehäuse und
einem Flansch der Vakuumdrehschieberpumpe gemessen worden. Wie 2 zeigt, weisen
die Spektren bei etwa 25 Hz, etwa 50 Hz und etwa 100 Hz zum Teil
erhebliche Beschleunigungswerte von zum Teil über 0,35 g auf. Insbesondere
illustriert 2 auch, dass nicht nur bei einer
Grundschwingung bzw. Grundfrequenz, sondern auch bei höheren harmonischen
signifikante Schwingungsbeiträge
der Vibrationen auftreten.More specifically, shows here 2 five vibration spectra in the form of a plot of measured acceleration normalized to gravitational acceleration g over one frequency. The vibration spectra have been measured on an upper side, a front side, a left side, a switch housing and a flange of the vacuum rotary vane pump. As 2 shows, the spectra at about 25 Hz, about 50 Hz and about 100 Hz in some cases considerable acceleration values of more than 0.35 g. In particular, illustrated 2 Also, that occur not only at a fundamental or fundamental frequency, but also at higher harmonic significant vibration contributions of the vibrations.
Darüber hinaus
ist es möglich,
beispielsweise mit Hilfe des gleichen Vibrationsgenerators 100 diesen
nacheinander auf verschiedene Anwendungsgebiete bzw. verschiedene
Vibrationsquellen einzustellen. So ist es beispielsweise möglich, durch eine
Variation der Anordnung bzw. Position der Federmagnete 210 über die
Madenschrauben 200 den Vibrationsgenerator 100 zunächst an
die beschriebene Vakuumpumpe anzupassen, um ihn anschließend beispielsweise
an einem Kfz-Motor zur Erzeugung einer elektrischen Spannung oder
eines elektrischen Stroms heranzuziehen. Ebenso kann nach einer
weiteren Anpassung der gleiche Vibrationsgenerator 100 an
einer anderen Vibrationsquelle zur Erzeugung elektrischer Energie
verwendet werden.In addition, it is possible, for example, with the help of the same vibration generator 100 to adjust this successively to different fields of application or different sources of vibration. For example, it is possible by a variation of the arrangement or position of the spring magnets 210 over the grub screws 200 the vibration generator 100 initially to adapt to the described vacuum pump to then use it for example on a motor vehicle to generate an electrical voltage or an electric current. Likewise, after a further adjustment of the same vibration generator 100 be used at another vibration source for generating electrical energy.
Durch
eine weitere Modellierung, Simulation, Optimierung und Miniaturisierung
des feinmechanischen Generators kann die Leistungsabgabe des Vibrationsgenerators 100 weiter
gesteigert werden.By further modeling, simulation, optimization and miniaturization of the precision mechanical generator, the power output of the vibration generator 100 be further increased.
Abweichend
von dem oben geschilderten Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Vibrationsgenerators 100 kann
beispielsweise auch ein anderes Lager, als das beschriebene Kugellager 150 verwendet
werden. Anstelle des beschriebenen Kugellagers 150 kann
so beispielsweise auch eine andere Form eines Wälzlagers, beispielsweise ein
Rolllager oder ein Nadellager zum Einsatz. Ebenso kann auch ein
Gleitlager verwendet werden, das beispielsweise Komponenten aus
einem Kunststoff (z. B. Teflon®), einem Metall oder einer
Metalllegierung aufweist. Ebenso kann im Rahmen eines Gleitlagers oder
eines Wälzlagers
optional ein Schmiermittel, beispielsweise ein Öl, Wasser oder auch Gold verwendet
werden. Nicht zuletzt kann auch ein Magnetlager oder, beispielsweise
im Falle einer sehr kleinen Implementierung des erfindungsgemäßen mechanischen-elektrischen
Generators, ein Rubinlager verwendet werden, wie es beispielsweise
im Bereich des Uhrenbaus verwendet wird.Notwithstanding the above-described embodiment of a vibration generator according to the invention 100 For example, a different bearing than the described ball bearing 150 be used. Instead of the described ball bearing 150 For example, it is also possible to use another form of rolling bearing, for example a rolling bearing or a needle bearing. Likewise, it is also possible to use a slide bearing which, for example, has components made of a plastic (eg Teflon® ), a metal or a metal alloy. Likewise, in the context of a sliding bearing or a rolling bearing optionally a lubricant, such as an oil, water or gold can be used. Not least, a magnetic bearing or, for example, in the case of a very small implementation of the mechanical-electrical generator according to the invention, a ruby bearing can be used, as used for example in the field of watchmaking.
Wie
allein die Aufzählung
der möglichen
Lagertypen gezeigt hat, sind die Einzelheiten und Details des oben
geschilderten Ausführungsbeispiels nicht
als einschränkend
zu verstehen. So kann beispielsweise auch das Gehäuse 110 abweichend
von dem geschilderten dreiteiligen Aufbau, das mit Hilfe von Schrauben 120 und
Muttern 130 fixiert wird, anders aufgebaut sein. So kann
beispielsweise das Gehäuse 110 mehr
oder weniger als 3 Teile aufweisen. Bezüglich der Materialwahl kann
sowohl ein Metall, als auch ein Kunststoff oder ein anderer Werkstoff verwendet
werden. Ebenso kann eine andere Fixierung einzelner Teile des Gehäuses als
mit Hilfe einer Schraube und einer Mutter verwendet werden. Eine Verklebung
stellt nur ein weiteres Ausführungsbeispiel
in diesem Zusammenhang dar.As the list of possible types of storage alone has shown, the details and details of the above-described embodiment are not to be understood as limiting. So, for example, the housing 110 Deviating from the described three-part structure, with the help of screws 120 and nuts 130 is fixed, be differently structured. For example, the case 110 more or less than 3 parts. Regarding the choice of material, both a metal, as well as a plastic or other material can be used. Likewise, a different fixation of individual parts of the housing can be used as with the help of a screw and a nut. An adhesive bond is just another embodiment in this context.
Auch
der elektrische Anschluss kann in einer anderen Form als der der
beschriebenen Kontaktstifte 230 implementiert sein. Neben
einer anderen Steckverbindung, beispielsweise in Form eines Steckers
oder einer Buchse, können
so auch federbeaufschlagte Kontaktstifte oder andere Kontaktflächen verwendet
werden. Grundsätzlich
ist auch eine kontaktlose Übermittlung
der Energie, beispielsweise durch eine magnetische Übermittlung
im Rahmen eines Transformators denkbar.Also, the electrical connection may be in a different form than the described contact pins 230 be implemented. In addition to another plug connection, for example in the form of a plug or a socket, spring-loaded contact pins or other contact surfaces can also be used. Basically, a contactless transmission of energy, for example, by a magnetic transmission in the context of a transformer is conceivable.
Auch
bezüglich
der Energiewandlereinrichtung, also insbesondere der Induktionsspulen 220 ist das
beschriebene Ausführungsbeispiel
nicht als einschränkend
zu verstehen. So kann vielmehr der Zahl der Induktionsspulen, ihre
räumliche
Anordnung, ihre konkrete Ausgestaltung und andere Merkmale variiert
werden. Auch ist es nicht zwingend, dass der Schwungmagnet 180 in
der Lage ist, in die Spulen 220 einzudringen, auch wenn
dies die geschilderten Vorteile mit sich bringt. So kann eine oder
mehrere Induktionsspulen auch mit dem Schwingpendel 140 verbunden
sein.Also with regard to the energy conversion device, ie in particular the induction coils 220 the embodiment described is not intended to be limiting. Thus, the number of induction coils, their spatial arrangement, their concrete design and other features can be varied. Also, it is not mandatory that the flywheel magnet 180 is able to get into the coils 220 penetrate, even if this brings the benefits outlined. Thus, one or more induction coils can also be used with the oscillating pendulum 140 be connected.
Darüber kann
beispielsweise auch mehr als ein Schwingmagnet 180 an dem
Schwingpendel 140 verwendet werden. So kann beispielsweise
an dem Schwingpendel 140 an beiden Seiten, die den Induktionsspulen 220 zugewandt
sind, einzelne oder mehrere Magneten angebracht werden.In addition, for example, more than one vibrating magnet 180 on the swinging pendulum 140 be used. For example, on the swinging pendulum 140 on both sides, the induction coils 220 facing, single or multiple magnets are attached.
Auch
die beschriebene Ausgestaltung der Federmagnete 210 sowie
ihre Befestigung an den Madenschrauben 200 ist nicht als
einschränkend
zu verstehen. So kann durchaus eine andere geometrische Anordnung
der Federmagnete mit einer größeren oder
kleineren Anzahl an Federmagneten gewählt werden. Auch die Ausprägung der
Einstelleinrichtung in Form der Madenschrauben 200 im Zusammenhang
mit den entsprechenden Gewindebohrungen in dem Gehäuse 110 stellen
nur eine Möglichkeit
und damit ein Ausführungsbeispiel
für eine
Einstelleinrichtung dar. So kann beispielsweise auch eine andere
Möglichkeit
gewählt
werden, die Federmagnete bezüglich
des Schwingpegels 140 anzuordnen und einstellbar zu machen.
Ein Beispiel hierfür stellt
eine Hebelkonstruktion dar, die eine Justage der Positionen der
Federmagnete 210 ermöglicht.
Darüber
hinaus ist es selbstverständlich
auch möglich, keine
Einstelleinrichtung zu implementieren und so die Anschlageinrichtung
in Form der Federmagnete 210 nicht justierbar zu machen.Also, the described embodiment of the spring magnets 210 and their attachment to the grub screws 200 is not meant to be limiting. So quite another geometric arrangement of the spring magnets can be selected with a larger or smaller number of spring magnets. The expression of the adjustment in the form of grub screws 200 in connection with the corresponding threaded holes in the housing 110 represent only one possibility and thus an embodiment of an adjustment. Thus, for example, another possibility can be selected, the spring magnets with respect to the swinging level 140 to arrange and to make adjustable. An example of this is a lever construction, which is an adjustment of the positions of the spring magnets 210 allows. In addition, it is of course also possible to implement no adjustment and so the stopper in the form of the spring magnets 210 not to be adjusted.
Grundsätzlich ist
es darüber
hinaus auch möglich,
die Anschlageinrichtung nicht auf einer magnetischen Wechselwirkung,
sondern beispielsweise auf einer elektrostatischen Wechselwirkung
aufbauen zu lassen. In diesem Fall können beispielsweise die Federmagneten 210 gegen
entsprechende elektrostatische Komponenten ebenso ausgetauscht werden,
wie etwa der Schwingmagnet 180. Eine mögliche elektrostatische Realisierung
umfasst in diesem Fall ein Material, das eine elektrostatische Polarisation
aufweist. Beispiele hierfür
stellen sog. Hoch-ε-Materialien
(z. B. Bariumtitanat oder Bleititanat) oder andere Electred-Materialien
dar. All diese Materialien können
so hergestellt oder präpariert werden,
dass sie eine permanente elektrostatische Polarisation aufweisen
und damit ein „elektrostatisches Äquivalent” eines
Permanentmagneten darstellen. In diesem Fall können sowohl die Federmagnete 210 als
auch der Schwingmagnet 180durch entsprechende elektrostatische
Pendants ersetzt werden. In diesem Fall sind diese so anzuordnen,
dass auch hier wiederum eine abstoßende, also rücktreibende
Kraft auf die betreffenden Komponenten ausgeübt wird, wenn diese sich räumlich nähern.In principle, moreover, it is also possible to have the stop device not based on a magnetic interaction but, for example, on an electrostatic interaction. In this case, for example, the spring magnets 210 be exchanged for corresponding electrostatic components as well, such as the vibrating magnet 180 , A possible electrostatic realization in this case comprises a material which has an electrostatic polarization. Examples of these are so-called high-ε materials (eg barium titanate or lead titanate) or other electred materials. All of these materials can be prepared or prepared in such a way that they have a permanent electrostatic polarization and thus an "electrostatic equivalent". represent a permanent magnet. In this case, both the spring magnets 210 as well as the vibrating magnet 180 be replaced by appropriate electrostatic pendants. In this case, these are to be arranged so that here again a repulsive, ie restoring force is exerted on the components in question, as they approach each other spatially.
Ebenso
kann die Energiewandlereinrichtung nicht nur auf magnetischen Systemen
mittels Induktionsspulen realisiert werden, sondern beispielsweise auch
durch elektrostatische Wandler, wie im folgenden Ausführungsbeispiel,
bei dem es sich um eine mikromechanische Umsetzung eines erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen
Generators handelt.As well
The energy conversion device can not only on magnetic systems
be realized by means of induction coils, but for example also
by electrostatic transducers, as in the following embodiment,
in which it is a micromechanical implementation of a mechanical-electrical
Generator acts.
3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Generators
in Form eines mikromechanisch hergestellten Vibrationsgenerators 300.
Wie bereits zu Beginn der Beschreibung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels
angedeutet wurde, werden bei der Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels
für Objekte,
die funktionsgleiche oder funktionsähnliche Eigenschaften und Merkmale
aufweisen, ähnliche Bezugszeichen
verwendet, die sich um 200 unterscheiden. 3 shows a second embodiment of a mechanical-electrical generator according to the invention in the form of a micromechanically produced vibration generator 300 , As already at the beginning of the description of in 1 has been indicated in the description of this embodiment for objects that have functionally identical or functionally similar properties and features, similar reference numerals, which are to 200 differ.
Der
in 3 gezeigte mikromechanisch hergestellte Vibrationsgenerator 300 weist
als Basis ein Substrat bzw. einen Stator 310 auf. Auch
der Vibrationsgenerator 300 weist ein Schwingpendel 340 auf, dass
mit einer Welle 360 verbunden ist. Der Stator 310 weist
darüber
hinaus eine Ausnehmung 370 auf, die hier ein Teil der Energiewandlereinrichtung
des Vibrationsgenerators 300 ist und an ihrem Umfang eine
zahnförmige
Struktur aufweist. Im Inneren der Ausnehmung 370 ist ein
Rotor 375 angeordnet, der mit dem Schwingpendel 340 verbunden
und ebenfalls ein Tel der Energiewandlereinrichtung ist. Mit dem
Schwingpendel 340 ist darüber hinaus ein Schwingmagnet 380 mechanisch
verbunden, der über
einen Nordpol und einen Südpol
verfügt.
Auf dem Stator 310 sind zwei Federmagnete (410)
angebracht, die bezüglich
ihrer Position auf dem Stator 310 einstellbar sind. Die
Federmagnete 410 sind hierbei so auf dem Stator 310 angeordnet,
dass diese mit einem Nordpol dem Nordpol des Schwingmagneten 380 und
mit einem Südpol
dem Südpol
des Schwingmagneten 380 zugewandt sind. Dadurch, dass die
Federmagnete 410 bezüglich
des Stators 310 in ihrer Position verschiebbar sind, kann
die Federkennlinie, die sich aufgrund der magnetischen Wechselwirkung
der Federmagnete 410 und des Schwingmagneten 380 ergibt,
eingestellt werden, ist also auch in diesem Ausführungsbeispiel einstellbar.The in 3 shown micromechanically produced vibration generator 300 has as base a substrate or a stator 310 on. Also the vibration generator 300 has a swinging pendulum 340 on that with a wave 360 connected is. The stator 310 also has a recess 370 on, here a part of the energy conversion device of the vibration generator 300 is and has at its periphery a tooth-shaped structure. Inside the recess 370 is a rotor 375 arranged with the swinging pendulum 340 connected and also a Tel the energy conversion device is. With the swinging pendulum 340 is also a vibrating magnet 380 mechanically connected, which has a north pole and a south pole. On the stator 310 are two spring magnets ( 410 ), which are relative to their position on the stator 310 are adjustable. The spring magnets 410 are here on the stator 310 arranged that these with a north pole the north pole of the oscillating magnet 380 and with a south pole the south pole of the oscillating magnet 380 are facing. Because of the spring magnets 410 with respect to the stator 310 can be displaced in their position, the spring characteristic, which is due to the magnetic interaction of the spring magnets 410 and the vibrating magnet 380 results, can be adjusted, so it is adjustable in this embodiment.
Die
Funktionsweise des mikromechanisch hergestellten Vibrationsgenerators 300,
dessen prinzipieller Aufbau in 3 gezeigt
ist, und der die kinetische Energie einer Vibration elektrostatisch
in ein elektrisches Signal konvertiert, unterscheidet sich von der
Funktionsweise des in 1 gezeigten
mechanisch-elektrischen Generators 100 nur geringfügig. Wird
der Vibrationsgenerator 300 beispielsweise durch einen
Stoß oder
eine Vibration mit einer bestimmten Vibrationsfrequenz angeregt,
wird aufgrund der Trägheit
der Masse des Schwingpendels 340 dieses aus einer Ruhelage
bzw. einer Gleichgewichtslage ausgelenkt. Hierdurch kommt es zu
einer Verdrehung bzw. Auslenkung des Schwingpendels 340,
des Schwingmagneten 380 und des Rotors 375. Aufgrund
der Orientierung der Federmagnete 410 zu dem Schwingmagneten 380 üben diese
wiederum eine rückstellende
Kraft auf das Schwingpendel 340 aus.The mode of operation of the micromechanically produced vibration generator 300 , whose basic structure in 3 shown and the kine The static energy of a vibration that is electrostatically converted into an electrical signal differs from that of the in 1 shown mechanical-electric generator 100 only slightly. Becomes the vibration generator 300 For example, stimulated by a shock or a vibration with a certain vibration frequency is due to the inertia of the mass of the oscillating pendulum 340 this deflected from a rest position or an equilibrium position. This leads to a rotation or deflection of the oscillating pendulum 340 , the vibrating magnet 380 and the rotor 375 , Due to the orientation of the spring magnets 410 to the vibrating magnet 380 these in turn exert a restoring force on the swinging pendulum 340 out.
Auch
bei dem in 3 gezeigten Vibrationsgenerators 300 in
mikromechanischer Herstellung kann so über einstellbare Federmagneten 410 die
resultierende Kennlinie der Anschlageinrichtung, die durch die Federmagnete 410 und
den Schwingmagneten 380 gebildet wird, eingestellt werden.
Durch die Möglichkeit
dieser Einstellung, die beispielsweise ebenfalls in mikromechanischer
Technik ausgeführt werden
kann, ist es auch bei dem Vibrationsgenerator 300 einem
Benutzer möglich,
die Charakteristik der Konversion von mechanischen Vibrationen und stochastischen
Stößen in elektrische
Signale durch den Vibrationsgenerator 300 an die jeweiligen
Einsatzgebiete gezielt anzupassen. Auch hier verläuft zunächst die
Kennlinie im Bereich kleiner Ausschlagwinkel um die Gleichgewichtsposition
herum zunächst
sehr flach, so dass der Vibrationsgenerator 300 zunächst eine
geringe Resonanzfrequenz aufweist. Nähern sich der Schwingmagnet 380 und
die Federmagneten 410 weiter, so steigt wiederum die Kraft überproportional
an, so dass auch hier eine gewisse „Endlagendämpfung” realisiert werden kann.Also at the in 3 shown vibration generator 300 In micromechanical production can be so via adjustable spring magnets 410 the resulting characteristic of the stop device, by the spring magnets 410 and the vibrating magnet 380 is set to be set. Due to the possibility of this adjustment, which can also be performed, for example, in micromechanical technology, it is also in the vibration generator 300 a user possible, the characteristics of the conversion of mechanical vibration and stochastic shocks into electrical signals through the vibration generator 300 adapted to the respective application areas. Here, too, the characteristic initially runs very flat in the range of small deflection angles around the equilibrium position, so that the vibration generator 300 initially has a low resonance frequency. Approach the vibrating magnet 380 and the spring magnets 410 In addition, the force increases again disproportionately, so that here too a certain "end position damping" can be realized.
Eine
weitere Reduzierung der Resonanzfrequenz des mikromechanischen Vibrationsgenerators 300 kann
dadurch realisiert werden, dass ein für mikromechanische Bauelemente
vergleichsweise schwerer Schwingmagnet 380 mit dem Schwingpendel 340 gekoppelt
wird. Zusammen mit der durch die magnetische Wechselwirkung gegebene
vergleichsweise „flache” Kennlinie
bezüglich
der Anschlagwirkung der Anschlageinrichtung kann so die Resonanzfrequenz
des mikromechanischen Generators 300 weiter zu tieferen
Frequenzen verlagert werden, was einem Nachteil entgegenwirkt, der
gerade bei mikromechanischen Vibrationsgeneratoren auftritt. Herkömmliche
in Mikromechaniktechnik hergestellte Vibrationsgeneratoren weisen
so aufgrund der kleinen, bewegten Massen der mikromechanischen Bauelemente
normalerweise Resonanzfrequenzen auf, die weit oberhalb technisch
verwertbarer Vibrationsfrequenzen liegen. Der erfindungsgemäße mikromechanische
Vibrationsgenerator 300 ermöglicht es so, aufgrund seiner
Konzeption mit dem am äußeren Ende
des Schwingpendels 340 befestigten Schwingmagneten 380,
die Resonanzfrequenz des mikromechanischen Vibrationsgenerators 300 in
Bereiche der Resonanzfrequenz zu verlagern, die normalerweise nur
feinmechanischen Vibrationsgeneratoren zugänglich sind.A further reduction of the resonance frequency of the micromechanical vibration generator 300 can be realized that a comparatively heavy vibrating magnet for micromechanical components 380 with the swinging pendulum 340 is coupled. Together with the given by the magnetic interaction comparatively "flat" curve with respect to the stop action of the stopper so the resonance frequency of the micromechanical generator 300 be further shifted to lower frequencies, which counteracts a disadvantage that occurs just in micromechanical vibration generators. Conventional vibration generators produced in micromechanical technology usually have resonance frequencies that are far above technically usable vibration frequencies due to the small, moving masses of the micromechanical components. The micromechanical vibration generator according to the invention 300 makes it possible, due to its conception with the outer end of the swinging pendulum 340 attached vibrating magnets 380 , the resonant frequency of the micromechanical vibration generator 300 to shift into areas of resonance frequency, which are normally accessible only to precision mechanical vibration generators.
Im
Unterschied zu dem in 1 gezeigten feinmechanischen
Vibrationsgenerator 100 erfolgt bei dem in 3 gezeigten
mikromechanischen Vibrationsgenerator 300 die Konversion
der kinetischen Energie in Form von Vibrationen und Stößen in elektrische
Signale über
eine elektrostatische Umsetzung. Bei dem in 3 gezeigten
Vibrationsgenerator 300umfasst so die Energiewandlereinrichtung
sowohl den Stator 310 als auch den Rotor 375,
die beide über
eine zahnförmige äußere bzw.
innere Struktur verfügen.
Kommt es nun aufgrund einer Vibration zu einer Auslenkung des Schwingpendels 340,
werden aufgrund der mechanischen Verbindung des Rotors 375 mit
dem Schwingpendel 340 die zahnförmigen Strukturen des Rotors 375 und
des Stators 310 gegeneinander verschoben. Hierdurch kommt
es zu einer Modulation eines Abstands zwischen dem Stator 310 und
dem Rotor 375, die in einer Spannungsänderung oder eine Stromänderung überführt werden
kann.Unlike the in 1 shown fine mechanical vibration generator 100 takes place at the in 3 shown micromechanical vibration generator 300 the conversion of kinetic energy in the form of vibrations and shocks into electrical signals via electrostatic conversion. At the in 3 shown vibration generator 300 Thus, the Energiewandlereinrichtung includes both the stator 310 as well as the rotor 375 Both have a tooth-shaped outer or inner structure. Is it due to a vibration to a deflection of the oscillating pendulum 340 , are due to the mechanical connection of the rotor 375 with the swinging pendulum 340 the tooth-shaped structures of the rotor 375 and the stator 310 shifted against each other. This results in a modulation of a distance between the stator 310 and the rotor 375 which can be converted into a voltage change or a current change.
Genauer
gesagt bilden der Stator 310 und der Rotor 375 zwei
Elektroden einer Kapazität
bzw. eines Kondensators. Aufgrund der oben beschriebenen Änderung
des Abstands des Rotors 375 von dem Stator 310 kommt
es so zu einer Änderung
des elektrischen Kapazitätswerts,
die, je nach Auslegung der Energiewandlereinrichtung in einen elektrischen Strom
oder eine Änderung
einer elektrischen Spannung umgesetzt werden kann. Wird beispielsweise der
Stator 310 mit einem ersten Anschluss eines Electred-Bauelements
und der Rotor 375 mit einem zweiten Anschluss eines Electred-Bauelements
verbunden, so liegt aufgrund der Eigenschaften des Electred-Bauelements,
also insbesondere aufgrund der „eingefrorenen” elektrischen
Polarisation in dem Electred-Material
des Bauelements, eine konstante elektrische Spannung zwischen dem
ersten und dem zweiten Anschluss und damit zwischen dem Stator 310 und
dem Rotor 375 an. In diesem Fall bewirkt eine Änderung
des Abstands zwischen dem Stator 310 und dem Rotor 375 eine Änderung
des Kapazitätswertes
und damit der Ladung auf dem Kondensator, den der Stator 310 und
der Rotor 375 bilden, so dass in diesem Fall ein elektrischer
Storm zwischen dem Stator 310 und dem Rotor 375 zu
fließen
beginnt.More specifically, make the stator 310 and the rotor 375 two electrodes of a capacitor or a capacitor. Due to the above-described change in the pitch of the rotor 375 from the stator 310 There is thus a change in the electrical capacitance value, which, depending on the design of the energy conversion device can be converted into an electric current or a change in an electrical voltage. For example, the stator 310 with a first connection of an Electred device and the rotor 375 connected to a second terminal of an Electred device, so is due to the properties of the Electred device, so in particular due to the "frozen" electrical polarization in the Electred material of the device, a constant electrical voltage between the first and the second terminal and thus between the stator 310 and the rotor 375 at. In this case causes a change in the distance between the stator 310 and the rotor 375 a change in the capacitance value and hence the charge on the capacitor, the stator 310 and the rotor 375 form, so that in this case an electric current between the stator 310 and the rotor 375 begins to flow.
Eine
weitere Möglichkeit,
einen elektrostatischen Energiewandler zu realisieren, besteht darin, den
Stator 310 und/oder den Rotor 375 aus einem Electred-Material
oder einem Hoch-ε-Material
zu fertigen. In diesem Fall ist es möglich, durch eine geeignete
Vorbehandlung des Electred-Materials
bzw. des Hoch-ε-Materials
eine elektrostatische Polarisation in den verschiedenen Komponenten „einzufrieren”, so dass
der Kondensator, der durch den Rotor 375 und den Stator 310 gebildet
ist, eine konstante Ladung aufweist. Kommt es nun aufgrund einer
Auslenkung des Schwingpendels 340 zu einer Änderung
des Abstandes des Stators 310 und des Rotors 375 zueinander,
führt dies
zu einer Änderung
der zwischen diesen beiden anliegenden Spannung.Another way to realize an electrostatic energy converter is to use the stator 310 and / or the rotor 375 from an Electred material or a high-ε material to fer term. In this case, it is possible to "freeze" an electrostatic polarization in the various components by means of a suitable pretreatment of the Electred material or the high-ε material, so that the capacitor passing through the rotor 375 and the stator 310 is formed, has a constant charge. Is it due to a deflection of the oscillating pendulum? 340 to a change in the distance of the stator 310 and the rotor 375 to each other, this leads to a change in the voltage applied between these two.
Wie
das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel in Form eines
mikromechanischen Vibrationsgenerators 300 zeigt, kann
ein erfindungsgemäßer mechanisch-elektrischer
Generator nicht nur in einer mechanischen bzw. feinmechanischen
Form hergestellt werden, sondern es bietet sich auch die Möglichkeit,
einen solchen Vibrationsgenerator im Rahmen einer mikromechanischen
Herstellung zu fertigen. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit,
beispielweise einen solchen mikromechanischen Vibrationsgenerator
in integrierte Schaltungen (IC = integrated circiut) oder andere
Halbleiterbauelemente zu integrieren, so dass auf eine externe Energiezuführung ggf.
verzichtet werden kann.Like that in 3 shown embodiment in the form of a micromechanical vibration generator 300 shows, a mechanical-electrical generator according to the invention can be produced not only in a mechanical or fine mechanical form, but it also offers the possibility to manufacture such a vibration generator in the context of a micromechanical production. This results in the possibility, for example, of integrating such a micromechanical vibration generator in integrated circuits (IC = integrated circiut) or other semiconductor components, so that an external energy supply can possibly be dispensed with.
Auch
bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Vibrationsgenerators 300 sind
die beschriebenen Merkmale dieser speziellen Ausführungsform
nicht als einschränkend
zu verstehen. So kann beispielsweise auch hier die Anschlageinrichtung,
die bei dem Vibrationsgenerator 300 den Schwingmagneten 380 und die
beiden Federmagneten 410 umfasst, beispielsweise mit Hilfe
von Elektret-Materialien bzw. Hoch-ε-Materialien auf elektrostatischem
Wege realisiert werden. Darüber
hinaus kann auch hier wiederum im Falle einer magnetischen Anschlageinrichtung die
Zahl der verwendeten Schwingmagnete 380 angepasst werden.
Ebenso ist eine Anpassung der Zahl und der Anordnung der Federmagnete 410 denkbar. Darüber hinaus
kann es ratsam sein, mehr als einen Vibrationsgenerator 100, 300 in einer
seriellen, parallelen oder gemischten Konfiguration zu betreiben, um
beispielsweise einer Erhöhung
einer Spannung des an dem elektrischen Ausgang abgegeben elektrischen
Signals und/oder eine Erhöhung
des an dem elektrischen Ausgang bereitgestellten Stroms zu realisieren.Also at the in 3 shown embodiment of a vibration generator according to the invention 300 the described features of this particular embodiment are not intended to be limiting. Thus, for example, here too the stop device, in the vibration generator 300 the vibrating magnet 380 and the two spring magnets 410 includes, for example, by means of electret materials or high-ε-materials can be realized by electrostatic means. In addition, here again in the case of a magnetic stop device, the number of oscillating magnets used 380 be adjusted. Likewise, an adjustment of the number and the arrangement of the spring magnets 410 conceivable. In addition, it may be advisable to have more than one vibration generator 100 . 300 in a serial, parallel or mixed configuration to realize, for example, an increase in a voltage of the electrical signal output at the electrical output and / or an increase in the current provided at the electrical output.
Darüber hinaus
kann es je nach anvisiertem Einsatzgebiet ratsam sein, einem jeden
Vibrationsgenerator bzw. mechanisch-elektrischen Generator 100, 300 oder
einer Mehrzahl von Vibrationsgeneratoren, sofern eine solche Mehrzahl
einzusetzen ratsam erscheint, durch eine oder mehrere Verarbeitungsschaltungen
zu ergänzen.
Eine solche Verarbeitungsschaltung kann beispielsweise eine Gleichrichterschaltung
umfassen, die die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignale, die
die Vibrationsgeneratoren an ihren Ausgängen bereitstellen, gleichrichtet.
Ebenso kann es ratsam erscheinen, eine einen Spannungswert ändernde
Verarbeitungsschaltung, beispielsweise in Form eines Transformators,
mit zu implementieren.In addition, depending on the intended application, it may be advisable for each vibration generator or mechanical-electric generator 100 . 300 or a plurality of vibration generators, if such a plurality appears advisable to supplement by one or more processing circuits. Such processing circuitry may include, for example, a rectifier circuit that rectifies the AC signals that the vibration generators provide at their outputs. It may also be advisable to implement a voltage varying processing circuit, for example in the form of a transformer.
Abhängig von
den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Generieren
eines elektrischen Signals in Hardware oder in Software implementiert
werden. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium,
insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen
erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken
können,
dass das erfindungsgemäße Verfahren
zum Generieren eines elektrischen Signals ausgeführt. Allgemein besteht die
Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit einem
auf einem maschinenlesbaren Träger
gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wenn das Computer-Programm-Produkt
auf einem Rechner abläuft.
In anderen Worten ausgedrückt,
kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur
Durchführung
des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf
einem Computer abläuft.Depending on
the circumstances, the inventive method for generating
an electrical signal implemented in hardware or in software
become. The implementation can be done on a digital storage medium,
in particular a floppy disk or CD with electronically readable control signals
done so interact with a programmable computer system
can,
that the inventive method
executed to generate an electrical signal. Generally there is the
Invention thus also in a computer program product with a
on a machine-readable carrier
stored program code for carrying out the method according to the invention,
if the computer program product
runs on a computer.
In other words,
The invention can thus be used as a computer program with a program code for
execution
the process can be realized when the computer program is up
a computer expires.
