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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Energiewandler zur Umsetzung mechanischer
Energie in elektrische Energie.
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Piezoelektrische
Aktoren können
angesteuert werden, um mechanische Arbeit zu verrichten. Umgekehrt
können
Piezoelektrische Aktoren auch eingesetzt werden, um mechanische
Arbeit in elektrische Energie umzusetzen. Wird beispielsweise eine geeignet
kontaktierte Piezokeramik mechanisch deformiert, so werden auf Grund
des piezoelektrischen Effekts Ladungen verschoben und es entsteht
an Elektroden, zwischen denen die Piezokeramik angeordnet ist, eine
Spannung, die abgegriffen werden kann. Dies ermöglicht die Umsetzung von mechanischer
Arbeit in elektrischer Energie.
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Eine
denkbare Konfiguration, um eine Energieumsetzung zu ermöglichen,
ist die eines Biegewandlers. Bei dieser können zwei Keramikschichten mit
dazwischen angeordneter, gemeinsamer Elektrode zusammen laminiert
werden. Die Polarisation der beiden Schichten ist dabei entgegengesetzt.
Wird nur eine der beiden Biegewandlerhälften elektrisch angesteuert,
so verkürzt
sich diese in Längsrichtung und
führt zusammen
mit der unveränderten,
anderen Schicht zu einer Biegung. Je nachdem, welche der beiden
Schichten angesteuert wird, kann so eine Biegung in die eine oder
in die andere Richtung erzeugt werden. Wird dann solch ein Biegewandler
durch eine externe, mechanische Last gebogen, so werden in seinen
Schichten Ladungen verschoben, die eine elektrische Spannung erzeugen,
welche an einem elektronischen System elektrisch Arbeit verrichten kann,
bis die Ladungen über
einen elektrischen Strom abgeflossen sind.
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Nachteilig
bei solch einer Aktorkonfiguration ist allerdings, dass die mechanische
Anregung an den Biegewandler angepasst werden muss beziehungsweise,
dass der Wirkungsgrad relativ gering ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Energiewandler
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein größerer Anwendungsbereich
ermöglicht ist.
Speziell besteht der Vorteil, dass die Freiheit in Bezug auf die
mechanische Anregung des Energiewandlers vergrößert ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
Energiewandlers möglich.
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Bei
der Ausgestaltung des Energiewandlers sind mehrere Umfangssegmente,
das heißt
zwei, drei oder mehr Umfangssegmente, vorgesehen.
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In
vorteilhafter Weise teilen die Umfangssegmente einen Querschnitt
des Generatorkörpers
ohne gegenseitige Überlappung
auf. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass vier oder mehr Umfangssegmente vorgesehen
sind, die vorzugsweise zumindest näherungsweise gleich groß ausgestaltet
sind. Hierdurch wird eine vorteilhafte Ausnutzung des Querschnitts des
Generatorkörpers
ermöglicht,
wobei unabhängig von
der Biegerichtung eine elektrische Spannung erzeugt wird. Hierbei
ist es vorteilhaft, dass ein anderer Teil der Elektroden zusammengeschaltet
ist und eine Referenzelektrode bildet. Ferner ist es vorteilhaft, dass
die Elektroden, die zusammen auf ein Umfangssegment aufgeteilt sind,
zusammengeschaltet sind. Hierbei kann bei einer Biegung des Generatorkörpers eine
elektrische Spannung zwischen zumindest einem Umfangssegment und
der Referenzelektrode erzeugt werden. Bei einer symmetrischen Anordnung der
Umfangssegmente kann eine entsprechende Spannung mit umgekehrten
Vorzeichen zwischen den Elektroden des gegenüberliegenden Umfangssegments
in Bezug auf die Referenzelektrode erzeugt werden.
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In
vorteilhafter Weise ist der Generatorkörper als Rollgenerator oder
konzentrischer Generator ausgestaltet, wobei die Elektroden entlang
der Längsachse
und umfänglich
ausgedehnt sind. Bei einer Ausgestaltung als Rollgenerator ist es
ferner vorteilhaft, dass ein gerolltes oder gewickeltes Schichtsystem
zur Ausbildung des Rollgenerators vorgesehen ist, welches eine erste
piezoelektrische Schicht, die aus dem piezoelektrischen Material
gebildet ist, eine zumindest im Wesentlichen vollflächige Elektrodenschicht,
die eine Referenzelektrode bildet, eine zweite piezoelektrische
Schicht, die aus dem piezoelektrischen Material gebildet ist, und
eine segmentierte Elektrodenschicht aufweist, die den auf die Umfangssegmente
aufgeteilten Teil der Elektroden bildet. Bei der Energieumwandlung
kann hierbei eine Dehnung quer zur Polarisationsrichtung ausgenutzt werden.
Durch die Wandstärke
des Generatorkörpers
kann direkt die erzeugte Ladungsmenge und damit die ausgegebene
elektrische Energie des Energiewandlers bestimmt werden. Erfordert
der Verbraucher, insbesondere eine elektrische Schaltung, eine niedrige
elektrische Spannung, dann kann dies durch eine geringe Schichtdicke
erzielt werden. Umgekehrt kann den Anforderungen einer relativ hohen
elektrischen Spannung durch eine entsprechend große Schichtdicke
entsprochen werden. Dadurch ist eine breite Anwendbarkeit gegeben.
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Außerdem ist
es bei einer Ausgestaltung als Rollgenerator vorteilhaft, dass die
Elektrodenschicht, die die Referenzelektrode bildet, an einer ersten Stirnseite
des Generatorkörpers
kontaktiert ist, und dass die segmentierte Elektrodenschicht, die
den auf die Umfangssegmente aufgeteilten Teil der Elektroden bildet,
an einer von der ersten Stirnseiten abgewandten zweiten Stirnseite
mit einer segmentierten Außenelektrodenanbindung
kontaktiert ist. Hierdurch kann mit relativ geringem Aufwand eine
zuverlässige Kontaktierung
der Elektroden des Generatorkörpers erfolgen.
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Vorteilhaft
ist es allerdings auch, dass der Generatorkörper als Vielschichtgenerator
ausgestaltet ist, der aus einer Vielzahl entlang der Längsachse aufeinander
geschichteten piezoelektrischen Schichten mit dazwischen angeordneten
Elektrodenschichten gebildet ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass
die Schichtstärken
durch den Vielschichtaufbau angepasst werden können. Bei vergleichbarem Querschnitt
führt ein
Vielschichtaufbau zu einer Erhöhung
der elektrischen Kapazität
und somit zu erhöhten
elektrischen Strömen
bei geringeren elektrischen Spannungen. Auch wenn die elektrische
Leistung hiervon unverändert
ist, erlaubt der Vielschichtaufbau jedoch die gezielte Anpassung
des Generators des Energiewandlers an die Anforderungen des nachgeschalteten
Verbrauchers, insbesondere der nachgeschalteten Elektronik und den
entsprechenden elektrischen Zwischenspeichern, beispielsweise Kondensatoren.
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Gleichzeitig
kann der Generator des Energiewandlers durch einen solchen Vielschichtaufbau auch
noch von seinen mechanischen Eigenschaften optimal auf den Einsatzfall
abgestimmt werden. Hier spielen unter anderem mechanische Beständigkeit gegenüber der
auftretenden Schwingbelastung, aber auch die Möglichkeit, über die Parameter Wandstärke, Quer-
und Längsabmessungen,
die für
die Ausprägung
der Schwingungen relevanten Eigenfrequenzen zu beeinflussen, eine
Rolle. Bei der Ausführung
als Rollgenerator oder konzentrischer Generator sind die Parameter
Wandstärke
und Schichtdicke entkoppelt, wodurch das System in Bezug auf Spannung
und Ladungsmenge an die Anforderungen angepasst werden kann. Bei
der Ausgestaltung als Vielschichtgenerator besteht auch der Vorteil,
dass die Schichtstärke
der keramischen Schichten von der Wandstärke entkoppelt ist, so dass
beide separat und unabhängig
voneinander ausgelegt werden können.
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Bei
der Ausgestaltung des Generators als Vielschichtgenerator ist es
außerdem
vorteilhaft, dass zumindest ein Teil der Elektrodenschichten, der den
auf die Umfangssegmente aufgeteilten Teil der Elektroden bildet,
als segmentierte Elektrodenschichten ausgestaltet ist. Ferner kann
ein anderer Teil der Elektrodenschichten, der zu einer Referenzelektrode
zusammengeschaltete Elektroden bildet, zumindest im Wesentlichen
vollflächig
ausgestaltet sein. Allerdings können
auch alle Elektrodenschichten als segmentierte Elektrodenschichten
ausgestaltet sein. Die segmentierten Elektrodenschichten können beispielsweise
durch an der Außenseite
des Generatorkörpers
vorgesehene Elektrodenanbindungen kontaktiert werden.
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In
vorteilhafter Weise ist ein Masseelement vorgesehen, das an einem
Ende des Generatorkörpers
angeordnet ist. Dieses Masseelement kann als seismische Masse dienen.
Die seismische Masse kann so angeregt werden, dass ein Punkt auf
der Längsachse
des Generatorkörpers
im Bereich des Masseelements zumindest näherungsweise eine elliptische,
insbesondere kreisförmige,
Kurve beschreibt. Allerdings ist auch eine Anregung möglich, bei
der solch ein Punkt in einer Ebene schwingt. Hierbei besteht der
Vorteil, dass die externe Anregung der seismischen Masse nicht auf
eine Hauptachse beschränkt
ist beziehungsweise nur auf dieser optimal ist und ansonsten zu
einem erheblich reduzierten Wirkungsgrad führt. Denn durch die Aufteilung
auf Umfangssegmente ist weitgehend unabhängig von der Anregung zumindest
näherungsweise
immer etwa der gleiche Wirkungsgrad und somit die gleiche Ausgangsleistung
erzeugbar. Hierdurch eignet sich der Energiewandler auch für den Einsatz
in dynamischen Anwendungen, wie zum Beispiel in rotierenden Teilen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der
beigefügten
Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
piezoelektrische Schicht mit einer segmentierten Elektrodenschicht
zur Herstellung eines Energiewandlers entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 einen
schematischen Schnitt durch den Energiewandler des ersten Ausführungsbeispiels;
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3 eine
auszugsweise Explosionsdarstellung eines Schichtaufbaus eines Energiewandlers entsprechend
einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
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4 eine
auszugsweise Explosionsdarstellung eines Schichtaufbaus eines Energiewandlers entsprechend
einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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5 einen
Energiewandler mit einer seismischen Masse entsprechend einer möglichen
Ausgestaltung der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
einen Schichtaufbau 1, der zur Herstellung eines Energiewandlers 2 (5)
dient. Der Schichtaufbau 1 weist eine piezoelektrische Schicht 3 auf,
die aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist. Auf die beiden
Seiten der piezoelektrischen Schicht 3 sind Elektrodenschichten
aufgebracht. In diesem Ausführungsbeispiel
ist auf eine Seite der piezoelektrischen Schicht 3 eine
segmentierte Elektrodenschicht 4 aufgebracht, durch die Elektroden 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G, 4H, 4I gebildet
sind. Auf die andere Seite der piezoelektrischen Schicht 3 ist
eine durchgehende, das heißt
nicht segmentierte, Elektrodenschicht 5 (2)
aufgebracht. Die Elektrodenschicht 5 ist dadurch zumindest
im Wesentlichen vollflächig
ausgestaltet. Ferner ist eine weitere piezoelektrische Schicht 3' vorgesehen.
Der Schichtaufbau 1 ist in einer Wickel- oder Rollrichtung 6 aufgewickelt
oder aufgerollt, um einen Generator (Generatorkörper) 7, des Energiewandlers 2 zu
bilden, wie es anhand der 2 im weiteren
Detail beschrieben ist.
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Die
segmentierte Elektrodenschicht 4 ist in einem Bereich 8 von
einer Stirnseite 9 des Generators 7 beabstandet,
um eine Kontaktierung der Elektrodenschicht 5 an der Stirnseite 9 zu ermöglichen. Entsprechend
ist die segmentierte Elektrodenschicht 4 bis zu einer Stirnseite 10 geführt, während die
Elektrodenschicht 5 von der Stirnseite 10 beabstandet
ist, um die Elektroden 4A bis 4I der segmentierten
Elektrodenschicht 4 an der Stirnseite 10 zu kontaktieren. Die
Kontaktierung an der Stirnseite 10 erfolgt dabei durch
eine segmentierte Elektrodenanbindung.
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2 zeigt
einen Schnitt durch den Generator 7 des Energiewandlers 2 des
ersten Ausführungsbeispiels,
der aus dem aufgerollten Schichtaufbau 1 hergestellt ist.
Hierbei ist die Elektrodenschicht 5 zwischen den piezoelektrischen
Schichten 3, 3' angeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Elektroden der segmentierten Elektrodenschicht 4 auf vier
verschiedene Umfangssegmente 11, 12, 13, 14 aufgeteilt,
wobei zur Vereinfachung der Darstellung nur die Elektroden 4F, 4G, 4H, 4I gekennzeichnet sind.
Für die
Aufteilung der Elektroden 4A bis 4I auf die Umfangssegmente 11 bis 14 nimmt
dabei die in der Wickel- oder Rollrichtung 6 betrachtete
Breite der Elektroden 4A bis 4I in der Wickel-
oder Rollrichtung 6 von innen nach außen zu.
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Bei
der in 2 dargestellten Ausgestaltung des Generators 7 kann
zusätzlich
auch die Elektrodenschicht 5 bezüglich der Umfangssegmente 11, 12, 13, 14 aufgeteilt
sein. Die Aufteilung der Elektrodenschichten 4, 5 kann
durch segmentierte Elektrodenschichten 4, 5 realisiert
werden.
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3 zeigt
einen schematischen, auszugsweisen Schichtaufbau 1 eines
Generators 7 eines Energiewandlers 2 in einer
Explosionsdarstellung. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Vielzahl
von piezoelektrischen Schichten 3A, 3B, 3C, 3D vorgesehen,
zwischen denen Elektrodenschichten 4, 4', 5, 5' angeordnet
sind. Hierbei sind die Elektrodenschichten 5, 5' als zumindest
im Wesentlichen vollflächige Elektrodenschichten
ausgestaltet. Die Elektrodenschichten 4, 4' sind als segmentierte
Elektrodenschichten ausgestaltet. Die segmentierte Elektrodenschicht 4 ist
beispielsweise so segmentiert, dass im Wesentlichen gleich große Elektroden 4A, 4B, 4C, 4D gebildet
sind, die jeweils näherungsweise
als ein Viertel einer Kreisfläche
ausgestaltet sind. Entsprechend sind auch die Elektroden der segmentierten Elektrodenschicht 4' ausgestaltet.
Die Elektrodenschichten 4, 4', 5, 5' sind jeweils
an eine Außenseite 15 geführt. Dabei
ist jede der Elektroden 4A, 4B, 4C, 4D der
segmentierten Elektrodenschicht 4 an die Außenseite 15 geführt. Beispielsweise
ist die Elektrode 4C an einer Stelle 16 an die
Außenseite 15 geführt, um
die Elektrode 4C zu kontaktieren. Eine Elektrode 4D der
segmentierten Elektrodenschicht 4' ist an einer entsprechenden Stelle 16' an die Außenseite 15 geführt. Dadurch
können
die Elektroden 4C, 4D der segmentierten Elektrodenschichten 4, 4' mittels einer Außenelektrode
zusammengeschaltet werden. Entsprechend können die Elektroden 5, 5' zusammengeschaltet
werden. Außerdem
können
in entsprechender Weise auch die weiteren Elektroden der segmentierten
Elektrodenschichten 4, 4' zusammengeschaltet werden.
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4 zeigt
einen schematischen, auszugsweisen Schichtaufbau 1 eines
Generators 7 eines Energiewandlers 2 entsprechend
einem dritten Ausführungsbeispiel
in einer Explosionsdarstellung. In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl
die Elektrodenschichten 4, 4' als segmentierte Elektrodenschichten 4, 4' als auch die
Elektrodenschichten 5, 5' als segmentierte Elektrodenschichten 5, 5' ausgestaltet.
Beispielsweise ist die segmentierte Elektrodenschicht 5 so
unterteilt, dass die Elektroden 5A, 5B, 5C, 5D gebildet
sind, die entsprechend den Elektroden 4A, 4B, 4C, 4D der Elektrodenschicht 4 ausgestaltet
sind.
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Bei
den anhand der 3 und 4 beschriebenen
Ausgestaltungen können
die Elektrodenschichten 5, 5' als Bezugselektroden dienen. Bei dem
anhand der 1 und 2 beschriebenem Ausführungsbeispiel
kann die Elektrodenschicht 5 als Bezugselektrode dienen.
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5 zeigt
einen Energiewandler 2 entsprechend einer möglichen
Ausgestaltung der Erfindung. Hierbei ist der Generator 7 an
einer Seite 17 mit einem Grundkörper 18 verbunden,
so dass die Seite 17 des Generators 7 ortsfest
gelagert ist. Ferner ist eine seismische Masse 19 vorgesehen.
In Bezug auf eine Längsachse 20 des
Generators 7 kann die seismische Masse 19 beispielsweise
in einer ersten Richtung 21 und entgegen der ersten Richtung 21 angeregt
werden. Die erste Richtung 21 ist dabei senkrecht zu der
Längsachse 20 orientiert.
Ferner kann die seismische Masse 19 auch in einer zweiten
Richtung 22 und entgegen der zweiten Richtung 22 angeregt
werden. Die zweite Richtung 22 ist zum einen senkrecht
zu der Längsachse 20 und
zum anderen senkrecht zu der ersten Richtung 21 orientiert.
Beliebige Anregungen der seismischen Masse 19 können als Überlagerung
von Anregungen in und entgegen der Richtungen 21, 22 angesehen
werden. Beispielsweise kann ein Mittelpunkt 23 auf einer
Stirnseite 24 der seismischen Masse 19 eine Bewegung
entlang eines ellipsenförmigen,
insbesondere kreisförmigen, Weges
um die Längsachse 20 vollziehen.
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Durch
die Unterteilung der Elektrodenschicht 4 beziehungsweise
der Elektrodenschichten 4, 4' kann bei beliebigen Anregungen
der seismischen Masse 19, insbesondere in der ersten Richtung 21 oder
der zweiten Richtung 22, eine elektrische Ladung in Bezug
auf zumindest ein Umfangssegment 11 bis 14 hervorgerufen
werden. Hierdurch kommt es zu einer vorteilhaften Umsetzung der
bei der Anregung der seismischen Masse 19 aufgebrachten
Energie in elektrische Energie. Insbesondere wird ein hoher Wirkungsgrad
erzielt.
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Bei
der Ausgestaltung des Energiewandlers 2 ist es auch möglich, auf
eine seismische Masse 19 zu verzichten und nur die Eigenschwingungen
des Generators 7 zur Energiegewinnung zu nutzen. Durch
die seismische Masse 19 ist allerdings eine vorteilhafte
Anregung von Biegeschwingungen des Generators 7 möglich. Die
seismische Masse 19 ist dabei vorzugsweise an einem freien
Ende 24 des Generators 7 angebracht, das der fixierten
Seite 17 des Generators 7 abgewandt ist.
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Speziell
bei einer Ausgestaltung ohne eine seismische Masse 19 kann
der Grundkörper 18 bewegt
werden, wobei sich die an dem Grundkörper 18 fixierte Seite 17 des
Generators 7 mit dem Grundkörper 18 bewegt. Da
der Grundkörper 18 an
dem freien Ende 24 frei ist, wird der Grundkörper 18 bei
dieser Bewegung zum Schwingen angeregt. Dadurch schwingt insbesondere
das freie Ende 24 des Generators 7 auch ohne eine
seismische Masse 19. Allerdings kann die Anregung bei dieser
Bewegung durch eine an dem freien Ende 24 vorgesehene seismische Masse 19 verstärkt werden.
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Durch
eine vollflächige
Ausgestaltung der Elektrodenschichten 5, 5' kommt es zu
einem Ausgleich der elektrischen Ladungen innerhalb der Elektrodenschichten 5, 5'. Bei einer
vollständigen
Segmentierung aller Elektrodenschichten 4, 4', 5, 5' wird ein solcher
Ladungsausgleich verhindert. Dadurch ist eine erhöhte Ausbeute
möglich,
die im Idealfall doppelt so groß ist.
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Die
piezoelektrischen Schichten 3, 3' sind aus einem piezoelektrischen
Material gebildet. Als piezoelektrisches Material kann ein piezokeramisches Material
oder ein Material aus elektroaktiven Polymeren dienen.
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Die
Außenkontur
des Generators 7 kann kreisförmig, aber auch oval oder auf
andere Weise ausgestaltet sein.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.