DE102020212399A1

DE102020212399A1 - Rotierendes Element

Info

Publication number: DE102020212399A1
Application number: DE102020212399.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Spies; Tobias Dräger; Johannes Knauer; Henrik ZESSIN; Sandro Thalmann; Oliver Haala; Hendrik Rentzsch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2022-03-31
Also published as: EP4221925A1; WO2022069413A1; JP2023547780A

Abstract

Element, insbesondere rotierendes Element, mit folgenden Merkmalen: einer zusammen mit dem rotierenden Element bewegenden oder rotierenden Induktivität, die ausgebildet ist, bei Bewegung in einem Magnetfeld eine elektrische Energie bereitzustellen; und einem zusammen mit dem rotierenden Element bewegenden oder rotierenden Verbraucher, der durch die bereitgestellte elektrische Energie betreibbar ist.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Element, wie z.B. ein rotierendes Element, insbesondere ein (rotierendes) Element mit einer Art Energieversorgungsmitteln. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Bohrfutter oder Bohrerhalter. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Rotationsmaschine, insbesondere eine Bohr- oder Fräsmaschine mit einem rotierenden Element.
Ein Bohrfutter ist ein klassisches rotierendes Element, dem in erster Linie vor allem nur mechanische Aufgaben zukommen. Eine typische Aufgabe ist es, ein Werkzeug, wie zum Beispiel einen Bohrer, aufzunehmen und diesen mit der Rotationsenergie der Bohrmaschine anzutreiben. Im Stand der Technik kommen drei unterschiedliche Bohrfuttertypen beziehungsweise Bohrerverbindungen zum Einsatz. Entsprechend einer Variante kann ein Bohrfutter sowohl auf der rotierenden Antriebs- als auch auf der rotierenden Abtriebsseite Mittel zur Eingriffnahme aufweisen. Auf Antriebsseite wird dann das Bohrfutter an eine rotierende Welle der Bohrmaschine gekoppelt, während auf Abtriebsseite beispielsweise mittels einer Schnellspannverbindung ein Bohrer eingespannt werden kann. Alternativ wäre es auch denkbar, dass das Werkzeug beziehungsweise der Bohrer fest mit dem Bohrfutter verbunden ist und immer das gesamte Bohrfutter samt Werkzeug gewechselt wird. Entsprechend einer dritten Variante wäre es auch denkbar, dass das Bohrfutter fest mit der Bohrmaschine verbunden ist und das beispielsweise als Schnellspannbohrfutter ausgeführte Bohrfutter dann unterschiedliche Werkzeuge aufnehmen kann. Bei allen Varianten ist das Bohrfutter als eine Art Kupplung zwischen einer rotierenden Welle und einem rotierenden Werkzeug vorgesehen. Bezüglich der Automatisierung und Überwachung wird Sensorik vorgesehen, die teilweise auch in die rotierenden Bauteile eingebracht wird. Diese Elektronik kann beispielsweise mittels einer Batterie versorgt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, ein rotierendes Element, wie zum Beispiel ein Bohrfutter, mit Elektronik auszustatten.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Element, insbesondere rotierendes Element beziehungsweise rotierbares Element mit einer zusammen mit dem (rotierenden) Element bewegenden / rotierenden Induktivität sowie einem zusammen mit dem (rotierenden) Element bewegenden rotierenden Verbraucher. Die Induktivität ist ausgebildet, um bei Bewegung, wie zum Beispiel bei einer Rotationsbewegung in einem Magnetfeld, eine elektrische Energie bereitzustellen. Der Verbraucher wird durch die bereitgestellte elektrische Energie betrieben.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann der Verbraucher beispielsweise eine Elektronik aufweisen. Diese kann entsprechend Ausführungsbeispielen wiederum als Aktorik (beispielsweise Ultraschallaktor oder Stellglied) und/oder eine Sensorik, die ausgebildet ist, eine (Sensor-) Information auszugeben, umfassen. Als Sensorinformation kommt beispielsweise eine Information bezüglich einer Kraft, einer Schwingung, einer Akustik, einer mechanischen Spannung, einer Temperatur, einem Drehmoment, einer Drehzahl und/oder einer Beschleunigung infrage.
Entsprechend Ausführungsbeispielen handelt es sich bei der Bewegung um eine Rotationsbewegung durch Rotation des rotierenden Elements, wobei an dieser Stelle angemerkt sei, dass auch andere Arten von Bewegung, wie zum Beispiel eine zyklische Bewegung oder auch eine stoßartige Bewegung, entkoppelt von der Rotation des rotierbaren Elements zum Einsatz kommen.
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Element, insbesondere einem rotierenden beziehungsweise rotierbaren Element zur Stromversorgung eines Verbrauchers in dem Element unter zu Hilfenahme einer Spule beziehungsweise allgemein einer Induktivität, eine elektrische Energie geharvestet werden kann, wenn das (rotierende bzw. rotierbare) Element sich in einem Magnetfeld bewegt. Denkbar wäre hierbei zum Beispiel, dass das Magnetfeld von extern anlegt, das heißt also, dass das Magnetfeld im Umfeld zu dem (rotierenden) Element erzeugt beziehungsweise bereitgestellt wird, so dass infolge der Bewegung des rotierenden Elements, z. B. einer Rotation in dem Magnetfeld, ein Strom induziert wird. Entsprechend Ausführungsbeispielen wäre es denkbar, dass Magnete zur Bereitstellung des Magnetfeldes am Gehäuse der Bohrmaschine im Bereich des Bohrfutters angeordnet sind. Vorteilhaft bei Ausführungsbeispielen ist, dass ein Verbraucher, der zusammen mit dem rotierenden Element rotiert, direkt über die rotierende Induktivität mit Strom versorgt werden kann. Somit entsteht kein Verkabelungsaufwand durch etwa Schleifer, um elektrische Energie bereitzustellen oder ein elektrisches Signal von dem nicht rotierenden auf das rotierende Element zu übertragen. Ferner werden Schnittstellenprobleme, falls das rotierende Element ausgetauscht werden soll, vermieden.
Entsprechend Ausführungsbeispielen weist das rotierende Element eine Energieversorgungsschaltung auf, die mit der Induktivität gekoppelt ist, um über diese elektrische Energie bereitzustellen. Hierbei kann die Energieversorgungsschaltung beispielweise einen Gleichrichter und/oder einen Pufferspeicher und/oder einen Kondensator und/oder einen Akku aufweisen. Die Energieversorgungsschaltung ermöglicht vorteilhafter Weise, relativ unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit (Umdrehungszahl), dem Verbraucher beziehungsweise der Elektronik ein kontinuierliches Energiesignal bereitzustellen. Auch kann im Falle eines Stillstandes durch eine Energieversorgungsschaltung mit einem Pufferspeicher eine kontinuierliche Energieversorgung des Verbrauchers sichergestellt werden.
Wie oben bereits erläutert, kann der Verbraucher entsprechend Ausführungsbeispielen als eine Art Sensorik oder als Aktorik ausgebildet sein. Hierbei wäre es denkbar, dass ein Drehzahlmesser, ein Beschleunigungsmesser, ein Kraftmesser oder ein Schwingungsmesser integriert ist. Entsprechend Ausführungsbeispielen fungiert die Induktivität als Sensorik. Das induzierte Signal, zum Beispiel induzierter Strom, wird als Messsignal verwendet, da er einen Rückschluss auf eine physikalische Größe, wie zum Beispiel die Drehzahl oder die Vibration, zulässt. Auch kann ein Aktor, z. B. ein Ultraschallaktor, zur Verbesserung der Spanbildung bei einem Bohrvorgang vorgesehen sein.
Die Sensorik kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen per Funk die gewonnene Information nach extern übermitteln. Analog hierzu kann mittels einem Funkmodul auch die Aktorik angesteuert werden. Alternativ zur Kommunikation der Information nach extern wäre es auch möglich, die Information direkt darzustellen, z. B. durch eine in das rotierende Element integrierte Anzeige. Diese kann beispielsweise durch farbcodierte LEDs (farbcodierte Statusinformationen) ausgebildet sein. Auch wäre eine Art akustische Anzeige durch einen Warnton, z. B. bei Überlast, denkbar.
Nachdem nun die Funktionalität des Verbrauchers im Detail erläutert wurde, wird nachfolgend auf die Implementierung der Energie-Harvesting-Funktion, also der Induktivitäten, eingegangen.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Induktivität durch eine oder mehrere Spulen gebildet sein. Hierbei kann optionaler Weise jede Spule mit einem Ferritkern oder einem anderen Kern ausgeführt sein. Entsprechend Ausführungsbeispielen sind als Induktivität mehrere Spulen vorhanden, die translatorisch um eine Rotationsachse des rotierenden Elements verteilt oder sogar gleich verteilt angeordnet sind. Die Spulen müssen dann elektrisch geeignet über eine elektronische Schaltung miteinander verbunden sein, um die einzelnen Energieerträge zu summieren und gesammelt einem Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Die translatorische Anordnung von mehreren Spulen ist vorteilhaft, da so eine höhere Energieausbeutung erreicht wird. Die bereitgestellte elektrische Energie hängt entsprechend Ausführungsbeispielen von der Anzahl der Induktivitäten ab. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die bereitgestellte Energie auch von Dimensionierung der Induktivitäten sowie von der Dimensionierung des das magnetfelderzeugenden Elements abhängen. In Längssicht, das heißt also entlang der Längsachse, können die Induktivitäten in einer ersten Hälfte angeordnet sein, während der Verbraucher beispielsweise in der zweiten Hälfte angeordnet ist. Die erste Hälfte ist beispielsweise die Seite, mit welcher das rotierende Element mit einem Abtrieb, z. B. der Bohrmaschine, verbunden wird. Insofern weist das rotierende Element entsprechend Ausführungsbeispielen in der ersten Hälfte eine Art Kupplung zur mechanischen Verbindung mit einer Rotationsmaschine auf. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann in der zweiten Hälfte das rotierende Element eine Werkzeugaufnahme für ein Werkzeug oder einen Bohrer aufweisen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Bohrfutter beziehungsweise einen Bohrerhalter mit einem rotierenden Element. Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Rotationsmaschine, insbesondere eine Bohrmaschine, mit einem rotierenden Element sowie einem rotierenden Abtrieb. Hierbei ist das rotierende Element mit dem rotierenden Abtrieb gekoppelt. Beispielsweise kann entsprechend Ausführungsbeispielen die Kupplung zwischen dem rotierenden Element und dem rotierenden Abtrieb durch eine Art Schnellverschluss ausgebildet sein. Das macht insbesondere dann Sinn, wenn das rotierende Element beim Werkzeugwechsel ausgetauscht wird. Derartige Vorrichtungen sind häufig in hochautomatisierten Bohr- beziehungsweise Fräsmaschinen vorgesehen, bei welchen mittels einem Werkzeugrevolver unterschiedliche Bohrköpfe verwendet werden können.
Bezüglich des magnetfelderzeugenden Elements sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen die Rotationsmaschine ein oder mehrere Magnete im Bereich des Abtriebs und/oder im Bereich der Induktivitäten des rotierenden Elements vorgesehen hat.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass die Magneten bei Rotation des rotierenden Elements in Ruhe verharren. Insofern wäre bei diesem Ausführungsbeispiel die Bewegung des rotierenden Elements, die eine Induktion von elektrischer Energie bewirkt, eine Rotationsbewegung. Entsprechend Ausführungsbeispielen sind die rotierenden Elemente rotatorisch um die Rotationsachse entlang angeordnet. Auch eine halbmondförmige Anordnung wäre denkbar. Eine derartige Anordnung ermöglicht vorteilhafter Weise, dass immer noch ein guter Zugriff auf diesen Bereich vorgesehen ist. Die Anordnung an der Bohrmaschine ist insgesamt vorteilhaft, da hier auch ein Retrofit, z. B. durch einen nachträglich angebrachten Halter, möglich ist. Entsprechend Ausführungsbeispielen sind die Magnete mit abwechselnder Polarität, z. B. in Form eines Halbach-Arrays, angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht ein sich stark wechselndes Magnetfeld, so dass insgesamt eine hohe elektrische Energie geharvestet werden kann.
Auch, wenn bei obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen wurde, dass das Element ein rotierendes Element beziehungsweise ein rotierbares Element ist, sei an dieser Stelle angemerkt, dass auch jegliche Arten von anderen Elementen zum Einsatz kommen. Deshalb schafft ein weiteres Ausführungsbeispiel ein Element mit einer zusammen mit dem Element bewegbaren oder rotierbaren Induktivität, die ausgebildet ist, bei Bewegung in einem Magnetfeld, eine elektrische Energie bereitzustellen, sowie ein zusammen mit dem Element bewegenden oder rotierenden Verbraucher, der durch die bereitgestellte elektrische Energie betreibbar ist.
Weitere Bildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild eines rotierenden Elements gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
2a und 2b eine schematische Darstellung eines rotierenden Elements gemäß einem erweiterten Ausführungsbeispiel; und
3a und 3b schematische Diagramme zur Illustration von möglichen Anordnungen von Spulen und Magnete sowie den resultierenden geharvesteten Leistungen.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar beziehungsweise austauschbar ist.
1 zeigt ein rotierendes Element 10, hier in Form eines Bohrfutters oder einer Bohreraufnahme, das von einem optionalen Abtrieb, hier einer Abtriebswelle 12, angetrieben wird. Das rotierende Element weist beispielsweise in einer oberen Hälfte ein oder mehrere Induktivitäten 14a beziehungsweise 14b auf. Neben den Induktivitäten 14a und 14b weist das rotierende Element einen Verbraucher 16 auf. An dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das rotierende Element nicht zwingend rotieren muss, aber im Regelfall rotierbar sein soll.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann sich das rotierende Element beispielsweise auch rund um die Rotationsachse herum (vgl. Bezugszeichen 10r) erstrecken.
Ebenfalls um die Rotationsachse herum sind hier externe, das heißt nicht zu dem rotierenden Element gehörende Magnete 18, geordnet, die ein Magnetfeld M bereitstellen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass es nicht darauf ankommt, wie das Magnetfeld M durch die Magnete 18 bereitgestellt wird, sondern, dass dieses Magnetfeld M vorhanden ist und zwar bevorzugter Weise in einem Bereich, in welchem sich die Spulen 14a und 14b bewegen können.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass hier das rotierende Element 10 beispielsweise ein Bohrfutter sein kann, wie anhand des Bohrers 11 illustriert ist. Dieser rotiert auf der Rotationsachse 10r in Richtung R. Die Rotation in Richtung R stellt eine Bewegung dar, wobei an dieser Stelle darauf hingewiesen ist, dass die Bewegung nicht zwingend rotorisch sein muss. Durch die Bewegung R der Spulen 14a und 14b, die translatorisch um die Rotationsachse 10r angeordnet sein können, erfolgt eine Bewegung der Spulen 14a und 14b in dem Magnetfeld M. Daraus resultiert ein induzierter Strom, der dem Verbraucher 16 bereitgestellt wird. Dieser induzierte Strom stellt eine geharvestete Energie E dar.
Somit wird vorteilhafter Weise, ausgehend von der Rotationsbewegung, eine Energie erzeugt, so dass die in dem rotierenden Element 10 eingebettete Elektronik energieautark agieren kann. Bei der Elektronik kann es sich beispielsweise um Sensorik und/oder Aktorik und/oder auch Kommunikationsmittel, wie zum Beispiel ein Funkkommunikationsmittel, handeln, die dann mit Energie versorgt werden. Somit ist der Verbraucher 16 kabellos mit Energie versorgbar, so dass auf Schleifkontakte zur Spannungsversorgung verzichtet werden kann.
Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen das rotierende Element 10 als eine Art Bohr- oder Fräswerkzeug erläutert wurde, sei darauf hingewiesen, dass auch andere Anwendungen, wie zum Beispiel in Form von Turbinen oder Windrädern, möglich wären. Wenn man beispielsweise davon ausgeht, dass das rotierende Element 10 die Nabe einer Turbine oder eines Windrades darstellt, kann hier eine Elektronik, z. B. eine Drehzahlsensorik oder auch eine Aktorik, zur Verstellung der Turbinenräder vorgesehen sein. Auch wäre eine Anwendung in Förderbändern, z. B. in Rollenförderern, denkbar. Hierbei wird dann in ein Lagerelement des Rollenförderers das rotierende Element eingebettet, so dass hier ein Überwachen des Förderbandes oder auch ein Antrieb des Förderbandes denkbar ist. Weitere Anwendungen sind die Integration in ein Lager, Antriebsräder, beziehungsweise Räder allgemein. Wichtig ist bei diesem Ausführungsbeispiel, dass ein externes Magnetfeld bereitgestellt werden kann. Das ist bei den gerade angesprochenen Turbinen, Windrädern, Förderbändern oder Lagern möglich, da die Magnete beispielsweise am entsprechenden Lagerbock angebracht werden können. Auch bei Antrieben oder einem Rad wäre es beispielsweise denkbar, dass die Magnete im Bereich von eventuellen Bremseinrichtungen oder Aufhängungen vorgesehen sind.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel bezieht sich auf eine Kupplung, wie zum Beispiel eine Rutschkupplung oder ähnliches, die intern sensiert oder gesteuert werden soll. Eine Kupplung hat die Aufgabe, zwei rotierende Elemente miteinander zu verbinden, beziehungsweise allgemeine Rotationsenergie zu übertragen, was auch hier beim Ausführungsbeispiel aus 1 der Fall ist. Hierbei wird ein Rotationselement von dem Abtrieb 12 auf den Bohrer 11 übertragen. Das rotierende Element 10 stellt dabei die Kupplung dar.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 2a und 2b ein erweitertes Ausführungsbeispiel eines Bohrfutters erläutert.
2a zeigt das rotierende Element 10' in einem nicht eingerasteten Zustand, wobei das rotierende Element 10' in 2b entsprechend eingerastet ist. Das Einrasten bezieht sich auf die Abtriebsseite, die mit den Bezugszeichen 12', 12g' und 18 versehen ist.
Der Abtrieb setzt sich im Wesentlichen aus zwei Elementen zusammen, nämlich einem statischen Teil, zugehörig zu einer Spindel 12g' und einer Spindel 12', die das rotierende Teil der Werkzeugmaschine darstellt. Der Abtrieb beziehungsweise die Abtriebswelle 12' ist in einer Art Lager/Lagerbock/Gehäuse 12g' beziehungsweise allgemein in dem statischen Teil 12g' gelagert. Mit dem statischen Teil 12g' sind die Magnete verbunden. Diese sind beispielsweise rotationssymmetrisch oder auch nur halbkreisförmig um die Rotationsachse 10r angeordnet.
Das rotierende Element 10' weist eine Zylinderform auf, wobei in der ersten Hälfte des Zylinders eine Art Eingriffnahmeabschnitt 10k1' ausgebildet wird, über welchen das rotierende Element 10' mit der rotierenden Spindel 12' der Werkzeugmaschine verbunden ist (vgl. 2b). In der zweiten Hälfte kann ein weiterer Eingriffnahmeabschnitt 10k2' vorhanden sein, um das Werkzeug 11 anzukoppeln. In diesem Ausführungsbeispiel ist dieser zweite Eingriffnahmeabschnitt 10k2' durch eine Schraube beziehungsweise Madenschraube realisiert, die eine Kraft senkrecht zur Rotationsachse 10r' auf das in das Bohrfutter 10' eingeführte Werkzeug 11 ausübt und dieses dadurch fixiert.
In elektronischer Hinsicht umfasst das rotierende Element 10' zumindest eine oder mehrere Induktivitäten 14 zum Energie Harvesting. Diese sind in der ersten Hälfte (vgl. Kupplung 10k1') angeordnet und zwar so, dass sie in axialer Hinsicht in derselben Höhe beziehungsweise in dem Bereich der Magnete 18 angeordnet sind (vgl. 2b), wenn das rotierende Element 10' mit der Spindel 12' gekoppelt ist. Zusätzlich weist das rotierende Element 10' auch noch einen Energieverbraucher auf. Hier umfasst der Energieverbraucher drei Elemente, wobei auch andere Konfigurationen entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen zum Einsatz kommen können. Die drei Elemente sind Antenne und Funkmodul 16f', Steuerelektronik und Datenaufbereitung 16p' (allgemein Prozessor) sowie Sensorik 16s'. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Sensorik im Bereich der Kupplung 10k2' angeordnet und dient zur Überwachung des Werkzeuges 11. Beispielsweise könnte ein übertragendes Drehmoment, eine Vibration, eine Temperatur, usw. überwacht werden. Die mit dem Sensor 16s' erhaltenen Daten werden dann mit dem Prozessor 16p' aufbereitet und per Funk mit dem Funkmodul 16f', das auch eine Antenne integriert hat, nach extern übertragen. Die Stromversorgung aller drei Elemente 16f', 16p' und 16s' erfolgt über die Induktivitäten 14. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Induktivitäten 14 auch noch mit einem Stromversorgungselement (Teil der Elektronik) verbunden sein können, das eine Aufbereitung der elektrischen Energie, z. B. durch Gleichrichtung, Zwischenspeicherung oder Pufferung, vorsieht und Summierung der einzelnen Erträge der Induktivitäten ausführt. Der Pufferung kommt eine bedeutende Rolle zu, wenn keine Bewegung r der Induktivitäten 14 in dem durch die Magnete 18 bereitgestellten Magnetfeld M erfolgt. Somit können auch kurz nach dem Energie harvesten die Komponenten 16t', 16p' und 16s' mit Energie versorgt werden.
Bezüglich der Bewegung R sei angemerkt, dass auch bei diesem Ausführungsbeispiel davon ausgegangen wird, dass die Induktivitäten 14 sich in dem Magnetfeld M der Magnete 18 rotorisch bewegen. Eine derartige Bewegung und Energie Harvesting ist bei Generatoren typisch, wobei im Unterschied zu Generatoren hier die Energie von den Spulen 14 nicht nach extern übertragen wird, sondern intern in dem rotorischen Element 10' verbraucht wird. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist es nicht zwingend erforderlich, dass eine Rotationsbewegung 10r erfolgt. Wenn man beispielsweise von einer Schlagbohrmaschine ausgeht, kann die Rotationsbewegung auch einen Hubanteil entlang der Rotationsachse 10r aufweisen. Insofern ist allgemein von einer zyklischen Bewegung auszugehen. Im Extremfall kann der Rotationsanteil sogar vollkommen entfallen, wie es beispielsweise bei einem Meißel oder einem Nietgerät der Fall ist. Allen Varianten rotorischer Bewegung 10r, rotorischer Bewegung mit Hubanteil oder nur Hubanteil, ist gemein, dass die Induktivitäten 14 sich in dem Magnetfeld M, das durch die Magnete 18 bereitgestellt wird, bewegen. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann von einer zyklischen Bewegung ausgegangen werden, wobei die Bewegung nicht zwingend regelmäßig sein muss. Das Energie Harvesting ist hier mit dem Pfeil in 2b angedeutet.
Wie anhand von 2a und 2b gezeigt wurde, wird also durch die Kombination der Elemente 14 und 18 eine Energieumwandlung einer Rotationsbewegung in elektrische Energie ermöglicht. Hierbei formen die Elemente 14 und 18 zusammen einen elektrodynamischen Generator. Dieser ermöglicht es beispielsweise eine Funksensorik mit Energie zu versorgen, so dass diese autark und kabellos in einem rotierenden Element, wie zum Beispiel einem Spanfutter, eingesetzt werden kann. Für die Funkübertragung aus dem rotierenden, metallischen System kommen unterschiedliche Funkstandards (z.B. UWIN, Bluetooth, BLE, Analogfunk oder andere Varianten) zum Einsatz.
Auch wenn in obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen wurde, dass das Element 16s' als Sensorik fungiert, so sei an dieser Stelle angemerkt, dass auch eine Aktorik, wie zum Beispiel eine Piezoaktorik, zum Einsatz kommt. Bei der Aktorik ist der Energiebedarf höher, wobei nachfolgend erläutert werden wird, wie der höhere Energiebedarf durch die Kombination von den Elementen 14 und 18 gedeckt werden kann. Der höhere Energiebedarf hängt einerseits von anderen Anwendungen, aber andererseits auch von unterschiedlichen Größen des rotierenden Elements 10' ab.
Wie im Zusammenhang mit 1 schon erläutert wurde, ist entsprechend einer bevorzugten Variante die Anordnung der Induktivitäten 14 beziehungsweise 14a und b derart gestaltet, dass diese sich translatorisch um die Rotationsachse erstrecken. Wenn man beispielsweise von zwei oder drei Spulen 14 ausgeht, so erstreckt sich also der jeweilige Spulenkern entsprechend einem Ausführungsbeispiel senkrecht zu der Rotationsachse 10r. Bevorzugter Weise sind bei zwei Spulen dann die Achsen der Spulen im 180°-Winkel angeordnet, während bei drei Spulen dann eine 120°-Anordnung möglich wäre. Über die Anzahl der Spulen lässt sich der unterschiedliche Energiebedarf anpassen. Somit kann bei einem kleinen rotierenden Element 10' mit den gleichen Magneten 18 eine niedrigere Energie geharvestet werden, als mit einem großen rotierenden Element, bei welchem mehr Spulen integriert werden. Entsprechend weiteren Ausführungsbespielen wäre alternativ oder additiv auch eine Dimensionierung der Spule variierbar. Eine weitere Variationsmöglichkeit, um die effektive elektrische Leistung zu variieren, besteht in der Anordnung und Dimensionierung der Magnete 18. In 3b ist die effektive Leistung in einer Spule für unterschiedliche Drehzahlen in unterschiedlichen Magnethöhen mit insgesamt sechs Diagrammen dargestellt. Ein weiterer Variationsfaktor (vgl. X-Achse) ist die Anzahl der genutzten Kurvenwinkel. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Magnete über verschiedene Kurvenwinkel angebracht sind. Wie zu erkennen ist, nimmt die abgegebene Leistung mit der Nutzung von zusätzlichen Kurvenwinkeln zu. Ebenso nimmt die elektrische Leistung mit höheren Drehzahlen zu. Ebenso nimmt die elektrische Leistung mit der Magnethöhe zu. Wenn man beispielsweise davon ausgeht, dass je Spule beispielsweise 18 Watt (vgl. 16 mm-Magnet bei 9000 Umdrehungen und genutzten Kurvenwinkeln von 240°) generiert werden, so kann bei der Verwendung von 18 Spulen eine Leistung von bis zu 200 Watt geharvestet werden.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass nicht nur der ausgenutzte Raumwinkel entscheidend ist, sondern auch die Anzahl der Magnete. Hier wurde davon ausgegangen, dass zwölf Magnete bei 240° Raumwinkel verwendet werden. Selbstverständlich ist auch eine andere Zahl denkbar. Ferner ist auch ein Raumwinkel von > 240°, z. B. 360°, denkbar. Alle diese Faktoren tragen dazu bei, die elektrisch übertragene Leistung entsprechend skalieren zu können.
An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, dass die Magnete nicht beliebig eng aneinander angeordnet werden können, wie in Bezug auf 3a deutlich wird.
3a zeigt eine Sicht in axialer Richtung auf die Magnete 18a, 18b und 18c, die mit einer Spule 14 interagieren. Die Magnete 18a, 18b und 18c bilden jeweils Magnetlinien M aus, die hier über die Fläche entsprechend dargestellt sind. In dem Magnetfeld M bewegt sich die Spule, die tangential in dem Werkzeughalter aus Eisen angeordnet ist. Die Spule kann beispielsweise einen Ferritkern aufweisen. Über die Graustufen ist die magnetische Flussdichte gezeigt, wobei die weißen Linien das magnetische Vektorpotenzial in Z-Richtung (in Wb/m) darstellen.
3b zeigt den Betrag der Flussdichte. Bei dem Ausführungsbeispiel aus 3b wird davon ausgegangen, dass die Magnete abwechselnd orientiert sind, was die magnetische Flussänderung maximiert. Auch weitere Anordnungen/Ausrichtungen wären denkbar, beispielsweise in Form eines Halbach Arrays, was den magnetischen Fluss im Bereich der Induktivitäten maximieren würde oder eine gleich orientierte Anordnung.
Bei obigem Ausführungsbeispiel wurde insbesondere davon ausgegangen, dass eine Rotationsbewegung vorliegt. Wie bereits erläutert wurde, sind auch andere Bewegungen, zum Beispiel zyklische Bewegungen oder unkorrelierte Bewegungen, denkbar. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel muss es sich bei dem rotierenden Element gar nicht um ein rotierendes Element, sondern um ein einfaches Element handeln, das beispielsweise nur eine Hubbewegung, z. B. entlang der Achse 10r aus 1, ausführt. Bei einer derartigen zyklischen Hubbewegung werden ebenfalls die Spulen 14a und 14b in dem durch die Magnete 18 bereitgestellten Magnetfeld bewegt, so dass es zu einer Induzierung von Strom in dem bewegten Element kommt.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass nicht zwingend Magnete, sondern auch andere magnetfelderzeugende Elemente, wie zum Beispiel Elektromagnete, verwendet werden können, was es vorteilhafter Weise ermöglicht, die Magnetstärke zu steuern.
Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde erläutert, dass eine Energieversorgungsschaltung, z. B. mit einem Kondensator oder einem Akku, vorgesehen sein kann. Der Akku kann auch entsprechend groß dimensioniert sein, dass durch kurzzeitige Bewegung eine Aufladung erfolgt, und die Leistungsdimmension des Akkus in Relation zum potentiellen Verbrauch hoch ist. Das ist insbesondere bei den Verbrauchern mit niedriger verbrauchter Leistung möglich, wie zum Beispiel Sensorik.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschreibt die Erzeugung elektrischer Energie aus Rotation ohne Stator, insbesondere die Erzeugung elektrischer Energie an einem rotierenden Objekt zur Versorgung von Funksensoren. Dafür wird eine Induktivität genutzt, die relativ zu einem festen Magnet bewegt wird. Die Induktivität besteht aus ein oder mehreren Drahtwindungen und ist mit einem Gleichrichter und einer Energieversorgungseinheit verbunden. Der Magnet befindet sich auf dem rotierenden Objekt, ist aber so gelagert, dass eine Relativbewegung zur Induktivität stattfinden kann. Die Energieversorgungseinheit kann einen Sensor, Aktor oder ein Funkmodul versorgen. Der Sensor erfasst Information auf dem rotierenden Objekt und überträgt diese Informationen drahtlos. Das Funkmodul kann auch Daten empfangen, um damit den Aktor anzusteuern. Das System kann beispielsweise auf Bohrfuttern, Kopplungen oder Achsen eingesetzt werden.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass obige Ausführungsbeispiele nur illustrativ sind und der Schutzbereich durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird.
Bezugszeichenliste

(12, 12'): Abtrieb
(10, 10'): Rotorisches Element
(18): Magnet
(14, 14a, 14b): Induktivität
(11): Werkzeug
(10k1'): Erste Hälfte
(10k2'): Zweite Hälfte
(R): Bewegung
(10r): Rotationsache
(16): Verbraucher
(M): Magnetfeld
(E): Energie
(16f'): Funkmodul
(16s'): Sensor

Claims

Element (10, 10'), insbesondere rotierendes Element (10, 10'), mit folgenden Merkmalen: einer zusammen mit dem Element (10, 10') bewegenden oder rotierenden Induktivität (14, 14a, 14b), die ausgebildet ist, bei Bewegung (R) in einem Magnetfeld (M) eine elektrische Energie (E) bereitzustellen; und einem zusammen mit dem Element (10, 10') bewegenden oder rotierenden Verbraucher (16), der durch die bereitgestellte elektrische Energie (E) betreibbar ist.
Element (10, 10') gemäß Anspruch 1, wobei der Verbraucher (16) eine Elektronik umfasst.
Element (10, 10') gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Induktivität (14, 14a, 14b) mit einer Energieversorgungsschaltung gekoppelt ist, über die die elektrische Energie (E) bereitgestellt wird; oder wobei die Induktivität (14, 14a, 14b) mit einer Energieversorgungsschaltung gekoppelt ist, über die die elektrische Energie (E) bereitgestellt wird, wobei die Energieversorgungsschaltung einen Gleichrichter und/oder einen Pufferspeicher und/oder einen Kondensator und/oder einen Akku aufweist.
Element (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Verbraucher (16) eine Aktorik, einen Ultraschallaktor und/oder ein Stellglied aufweist.
Element (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der elektrische Verbraucher (16) eine Sensorik aufweist, die ausgebildet ist, eine Information auszugeben; oder wobei der elektrische Verbraucher (16) eine Sensorik (16s') aufweist, die ausgebildet ist, eine Information auszugeben, wobei die Sensorik (16s') ausgebildet ist, eine Kraft, eine Schwingung, eine Akustik, eine mechanische Spannung, eine Temperatur, ein Drehmoment, eine Drehzahl und/oder eine Beschleunigung zu detektieren; und/oder wobei die Induktivität (14, 14a, 14b) ausgebildet ist, um als Sensorik (16s') zu fungieren und/oder ausgehend von einem induzierten Signal in der Induktivität (14, 14a, 14b) ein Messsignal Induktivität (14, 14a, 14b) bereitzustellen, das einen Rückschluss auf einen physikalische Größe, insbesondere eine Drehzahl oder Vibrationen zulässt.
Element (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, das ferner ein Funkmodul (16f') aufweist, das ausgebildet ist, eine in dem Element (10, 10') gewonnene Information nach extern zu übermitteln.
Element (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Induktivität (14, 14a, 14b) durch eine oder mehrere Spulen gebildet ist oder wobei die Induktivität (14, 14a, 14b) durch eine oder mehrere Spulen mit einem Ferritkern; oder wobei die Induktivität (14, 14a, 14b) durch mehrere Spulen gebildet ist, die translatorisch um eine Rotationsachse (1 0r) des Elements (10, 10') verteilt sind oder gleich verteilt sind; und/oder wobei die bereitgestellte elektrische Energie (E) von der Anzahl der Induktivitäten (14, 14a, 14b) und/oder von der Dimension der Induktivitäten (14, 14a, 14b) und des vorhandenen Magnetfeldes (M) abhängt.
Element (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Induktivität (14, 14a, 14b) in einer ersten Hälfte entlang der Längsachse angeordnet ist, und/oder wobei der Verbraucher (16) in der zweiten Hälfte entlang der Längsachse angeordnet ist.
Element (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Element (10, 10') eine Werkzeugaufnahme für ein Werkzeug (11) und/oder einen Bohrer in einer zweiten Hälfte entlang der Längsachse aufweist.
Element (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Element (10, 10') eine Kupplung zur mechanischen Verbindung mit einer Rotationsmaschine in einer ersten Hälfte entlang der Längsachse aufweist.
Element (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Element (10, 10') eine Anzeige, insbesondere farbige Anzeige oder LED, die ausgebildet ist, eine Statusinformation oder farbkodierte Statusinformation auszugeben, oder wobei das Element (10, 10') eine Anzeige, insbesondere akustische Anzeige aufweist, die ausgebildet ist, eine Statusinformation oder akustische Statusinformation auszugeben.
Bohrfutter oder Bohrerhalter mit einem Element (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
Rotationsmaschine, insbesondere Bohrmaschine, mit einem rotierenden Abtrieb (12, 12') sowie einem Element (10, 10') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Element (10, 10') mit dem rotierenden Abtrieb (12, 12') gekoppelt ist.
Rotationsmaschine gemäß Anspruch 13, wobei die Kupplung zwischen dem Element (10, 10') und dem rotierenden Abtrieb (12, 12') durch eine Schnellverbindung ausgebildet ist.
Rotationsmaschine gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei ein oder mehrere Magnete (18) im Bereich des Abtriebs (12, 12') und/oder im Bereich der Induktivitäten (14, 14a, 14b) des Elements (10, 10') an der Rotationsmaschine angeordnet sind, so dass die Magnete (18) bei Rotation des Elements (10, 10') in Ruhe verharren.
Rotationsmaschine gemäß Anspruch 15, wobei mehrere Magnete (18) um die Rotationsachse (10r) des Elements (10, 10') oder halbkreisförmig um die Rotationsachse (10r) des Elements (10, 10') angeordnet sind.
Rotationsmaschine gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei mehrere Magnete (18) mit abwechselnder Polarität und/oder in Form eines Halbach-Arrays angeordnet sind.