DE10311569A1 - Seismic generator for supplying current from generators and communication units to mobile systems e.g. freight trains, has an electric switch connected to a piezoelectric body - Google Patents

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Abstract

The seismic generator has a seismic mass (1) and two piezoelectric bodies (2). A tensioning device (5) holds the seismic mass (1) under tension between the piezoelectric bodies (2). The respective sides of the two piezoelectric bodies in contact with the seismic mass have the same polarization. An electric circuit (6) is electrically connected to the piezoelectric body (2) from which electrical energy can be taken.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen seismischen Generator, insbesondere zur Stromversorgung mobiler Geräte.The invention relates to a seismic generator, especially for the power supply of mobile Equipment.

Die Stromversorgung von Geräten und Kommunikationseinrichtungen auf Güterwagen ist bisher nur unbefriedigend gelöst. Grundsätzlich ist es zwar möglich, von der Lokomotive aus mittels Kabeln elektrische Energie zu den Güterwagen zu übertragen, allerdings bedeuten diese Kabel zusätzlichen Aufwand beim Zusammenstellen und Trennen von Güterzügen und sie sind zudem anfällig gegenüber Witterungseinflüssen. Bis auf wenige Ausnahmen (Maschinenkühlwagen, Kippwagen usw.) werden Güterwagen nicht mit bordeigenen Stromversorgungen ausgestattet. Die Anforderungen an eine solche Stromversorgung wären folgendermaßen:

  • – eine Energiebereitstellung sollte für mindestens zwei Jahre gewährleistet sein,
  • – die Energiebereitstellung sollte während der Fahrt des Güterwagens und während des Stillstands erfolgen,
  • – es sollte sich um wartungsfreie Anordnungen für mindestens zwei Jahre handeln,
  • – es sollten standardisierte Spannungen abgegeben werden (P12V oder P24V DC),
  • – die Anordnungen sollten betriebsfähig bleiben unter den Einsatzbedingungen eines Güterwagens in Europa (–40°C bis 70°C) und
  • – es sollte eine einfache, vandalismus- und diebstahlsichere Montage an vorgegebenen Stellen möglich sein.
The power supply of devices and communication devices on freight wagons has so far only been solved unsatisfactorily. In principle, it is possible to transmit electrical energy from the locomotive to the freight wagons using cables, but these cables mean additional effort when assembling and separating freight trains and they are also susceptible to the effects of the weather. With a few exceptions (refrigerated trucks, dump trucks, etc.), freight cars are not equipped with on-board power supplies. The requirements for such a power supply would be as follows:
  • - energy supply should be guaranteed for at least two years,
  • - the energy supply should take place while the freight wagon is traveling and at a standstill,
  • - it should be a maintenance-free arrangement for at least two years,
  • - standardized voltages should be given (P12V or P24V DC),
  • - The arrangements should remain operational under the conditions of use of a freight car in Europe (–40 ° C to 70 ° C) and
  • - A simple, vandal-proof and theft-proof installation should be possible at specified points.

Bekannt sind dafür Lösungen in Form eines Achsgenerators für Kippwagen, eines Luftturbinengenerators an Güterwagen bis 160 km/Std., Solarzellengeneratoren in Verbindung mit Ortungs- und Kommunikationssystemen sowie auf elektromagnetischen Prinzipien beruhende seismische Generatoren, beispielsweise aus DE 195 20 521 .Solutions are known for this in the form of an axle generator for tipping wagons, an air turbine generator on goods wagons up to 160 km / h, solar cell generators in connection with location and communication systems, and seismic generators based on electromagnetic principles, for example from DE 195 20 521 ,

Allgemein ist für eine solche Stromversorgung bisher die Energie von Primärzellen mit Lebensdauerzyklen von ca. bis zu 6 Monaten verwendet worden. Andere Verfahren, die ihre Primärenenergie anderen Quellen entnehmen, sind durch die Verwendung von Akkumulatoren gekennzeichnet. In der Regel besitzen die vorhandenen Einrichtungen für die Stromversorgung von Geräten und Kommunikationseinrichtungen auf Güterwagen ein ausgefeiltes Powermanagement, das den Leistungsbedarf und den Energiebedarf deutlich minimiert. Nur auf diese Weise sind mit handelsüblichen Primärbatterien Einschaltzeiten bis zu 6 Monaten erreichbar. Die bisherigen Anordnungen sind daher durch hohen technischen Aufwand und einen nicht unerheblichen Wartungsbedarf gekennzeichnet. Der Achsgenerator und die Luftturbine verursachen hohe Kosten, der Solargenerator ist wartungsintensiv. Die seismischen Generatoren nach magnetodynamischen Prinzip versprechen eine wartungsfreie Nutzung bei allerdings noch hohem technischem Aufwand für die Realisierung.General is for such a power supply so far the energy of primary cells with lifecycle of up to 6 months. Other processes that use their primary energy other sources are due to the use of accumulators characterized. As a rule, the existing facilities for power supply of devices and communication facilities on freight wagons a sophisticated power management, that significantly minimizes the power and energy requirements. This is the only way to use commercially available primary batteries Switch-on times can be reached up to 6 months. The previous orders are therefore due to high technical effort and a not inconsiderable need for maintenance characterized. The axle generator and the air turbine cause high costs, the solar generator is maintenance-intensive. The seismic generators according to the magnetodynamic principle promise maintenance-free use with still a high technical effort for the implementation.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen seismischen Generator anzugeben, mit dem eine preiswerte und einfach zu realisierende Stromversorgung für mobile Geräte, insbesondere für Güterwagen, erzielt wird.It is therefore the object of the invention specify a seismic generator with which an inexpensive and easy to implement power supply for mobile devices, in particular for freight cars, is achieved.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen seismischen Generator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The object is achieved by a seismic generator with the features of claim 1.

Der seismische Generator weist dabei einen piezoelektrischen Energiewandler auf, der aus einer in besonderer Weise mit Piezokörpern eingespannten seismischen Masse besteht. Die Energieumwandlung erfolgt allein durch die Umwandlung der ständig wechselnden Trägheitskräfte als Folge der Fahrbewegung des Fahrzeuges in elektrische Ladungen. Diese werden an den Polarisationsflächen der die seismische Masse einspannenden piezoelektrischen Materialien abgenommen und über geeignete elektrische Schaltungen (Wandler und Stabilisierungsschaltungen) als Konstantspannung an die Verbraucher abgegeben. Zweckmäßigerweise nutzt der seismische Generator die vertikalen Beschleunigungsänderungen während der Fahrt des Fahrzeuges (Vertikalschwingungen des Fahrzeuges).The seismic generator shows a piezoelectric energy converter based on a special Way with piezo bodies clamped seismic mass. The energy conversion takes place solely by converting the constantly changing inertial forces as Consequence of the vehicle's movement in electrical charges. This are on the polarization surfaces of the the seismic mass clamping piezoelectric materials taken off and over suitable electrical circuits (converters and stabilization circuits) given to consumers as constant voltage. Conveniently, the seismic generator uses the vertical changes in acceleration while the travel of the vehicle (vertical vibrations of the vehicle).

Gemäß Anspruch 2 wird in bevorzugter Weise vorgeschlagen, eine vierseitige Einspannung der seismischen Masse vorzunehmen. Damit werden die Trägheitskräfte in zwei Raumachsen über piezoelektrische Wandler in Ladungen umgesetzt. Dabei werden sowohl die Druckspannungsänderungen in den Piezokörpern bei vertikalen Trägheitskräften und vertikaler Einspannung als auch die Schubspannungsänderungen in den Piezokörpern bei vertikalen Trägheitskräften und horizontaler Einspannung genutzt.According to claim 2 is preferred Way suggested a four-sided clamping of the seismic Make mass. The inertial forces in two spatial axes are therefore piezoelectric Converters converted into charges. Both pressure changes in the piezo bodies vertical inertia and vertical clamping as well as the shear stress changes in the piezo bodies vertical inertia and horizontal clamping used.

Eine weitere Verbesserung lässt sich durch die sechsseitige Einspannung gemäß Anspruch 3 erreichen. Es erfolgt dabei eine Energiewandlung der Änderungen der Trägheitskräfte in allen drei Raumachsen. Bei von der Normalen abweichenden Wirkungslinien der Trägheitskräfte überlagern sich die Druck- und Schubspannungsänderungen in den Piezokörpern. Bei voneinander unabhängiger Ladungsabnahme an den Piezokörpern ist damit eine wirkungsvolle Energiewandlung möglich.Another improvement can be achieve by the six-sided clamping according to claim 3. It there is an energy conversion of the changes in the inertial forces in all three spatial axes. With lines of action deviating from the normal overlay the inertial forces the pressure and shear stress changes in the piezo bodies. at more independent of each other Decrease in charge on the piezo bodies an effective energy conversion is possible.

Gemäß Anspruch 4 ergibt sich eine besonders effektive Ladungsabnahme an den Piezokörpern dadurch, dass jeder Piezokörper gesondert zur Ladungsabnahme herangezogen wird und diese rückwirkungsfrei für alle anderen Piezokörper erfolgt.According to claim 4 there is a Particularly effective charge removal on the piezo bodies in that each piezo body is separate is used for the acceptance of the load and this without retroactive effect for all others piezo body he follows.

In besonders effizienter Weise lässt sich die elektrische Energiebereitstellung durch die Verwendung von Mehrwegegleichrichterschaltungen pro Piezokörper erreichen. Gemäß Anspruch 6 ergibt sich in einer bevorzugten Ausführungsform eine besonders geeignete Zurverfügungstellung von elektrischer Energie durch einen für alle Piezokörper gemeinsamen Kondensator.The electrical energy supply can be made particularly efficient by using multi-way rectifier circuits per Pi Reach ezo body. According to claim 6, in a preferred embodiment, there is a particularly suitable provision of electrical energy by a capacitor common to all piezo bodies.

In den Figuren der Zeichnung wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.In the figures of the drawing the invention using an exemplary embodiment explained in more detail.

Dabei zeigenShow

1 den schematischen Aufbau für eine zweiseitige Einspannung, 1 the schematic structure for a two-sided clamping,

2 den schematischen Aufbau für eine vierseitige Einspannung und 2 the schematic structure for a four-sided clamping and

3 einen Schaltplan für die Ladungsabnahme an den Piezokörpern. 3 a circuit diagram for the charge acceptance on the piezo bodies.

In 1 wird dargestellt, wie eine im wesentlichen quaderförmige seismische Masse 1 zwischen zwei Piezokörpern 2 mit Hilfe von einem ersten Einspannkörper 3 und einem zweiten Einspannkörper 4 sowie einer Verspanneinrichtung 5 eingespannt ist. Schematisch ist dabei noch eine elektrische Schaltung 6 zur Ladungsabnahme dargestellt. An den Piezokör pern 2 ist durch „+"- und „–"-Zeichen die jeweilige Polarisation der Piezokörper angegeben.In 1 is represented as an essentially cuboid seismic mass 1 between two piezo bodies 2 with the help of a first clamping body 3 and a second clamping body 4 and a tensioning device 5 is clamped. An electrical circuit is also schematic 6 shown for load acceptance. On the Piezokör body 2 the respective polarization of the piezo bodies is indicated by “+” and “-” signs.

In 2 ist eine entsprechende vierseitige Einspannung dargestellt. Zusätzlich zu den bereits aus 1 bekannten Angaben sind hier zusätzliche Piezokörper 7 sowie zusätzliche Einspannkörper 8 und 9 sowie eine zusätzliche Verspanneinrichtung 10 dargestellt. In entsprechender Weise können nun auch noch – nicht dargestellt – weitere Piezokörper mit weiteren Einspannkörpern und Verspanneinrichtungen für die dritte Raumachse vorgesehen werden.In 2 a corresponding four-sided clamping is shown. In addition to that already out 1 Known information here are additional piezo bodies 7 as well as additional clamping bodies 8th and 9 and an additional bracing device 10 shown. Correspondingly, further piezo bodies with further clamping bodies and clamping devices for the third spatial axis can now also be provided (not shown).

Die mit „–" und „+" bezeichneten Oberflächen des Piezokörpers sind jeweils metallisiert, so dass – wie in 3 dargestellt – eine Ladungsabnahme an den Piezokörpern 2, 7 erfolgen kann. Dabei zeigt 3 eine Mehrwegegleichrichterschaltung 11, die den durch die Ladungsträgertrennung an den Piezokörpern 2,7 hervorgerufenen Strom gleichrichtet und einem Energiespeicherkondensator 12, CL zuführt. Des Weiteren ist eine Stabilisierungsschaltung 13 dargestellt, die u. a. auch einen Akkuspeicher enthält und an der die elektrische Energie abgegriffen werden kann.The surfaces of the piezo body designated with “-” and “+” are each metallized, so that - as in 3 shown - a charge decrease on the piezo bodies 2 . 7 can be done. It shows 3 a multi-way rectifier circuit 11 that by the charge carrier separation on the piezo bodies 2 . 7 rectified current rectified and an energy storage capacitor 12, CL supplies. Furthermore, there is a stabilization circuit 13 shown, which also includes a battery storage and from which the electrical energy can be tapped.

Während der Fahrt eines Fahrzeuges, beispielsweise eines Güterwagons, treten nun vor allem vertikale Beschleunigungsänderungen auf. Diese Vertikalschwingungen des Fahrzeuges führen bei einer horizontalen Ausrichtung der Piezokörper 2 gemäß 1 dazu, dass eine Ladungstrennung an den Piezokörpern 2 auftritt. Diese gespeicherten Ladungen werden verlustarm über Schaltwandler und getaktete Stabilisierungsschaltungen in eine Konstantspannung überführt und zur Nutzung bereitgestellt. Bei einer vierseitigen Einspannung gemäß 2 lassen sich sowohl Druckspannungsänderungen in den Piezo körpern 2 bei vertikaler Trägheitskraft und vertikaler Einspannung als auch Schubspannungsänderungen in den zusätzlichen Piezokörpern 7 bei vertikalen Trägheitskräften und horizontaler Einspannung nutzen. Bei einer sogar sechsseitigen Einspannung erfolgt eine Energiewandlung der Änderung der Trägheitskräfte in allen drei Raumachsen. Dabei werden Druckspannungsänderungen in den Piezokörpern bei Trägheitskräften in Richtung der normalen Piezokörper und Schubspannungsänderungen in den Piezokörpern bei Trägheitskräften in Richtung der tangentialen Piezokörper genutzt. Beide Änderungen sind gleichzeitig verfügbar und bei entsprechender Ladungsabnahme an den Piezokörpern als Beitrag zur Energiewandlung (Stromversorgung) nutzbar. Bei von der normalen abweichenden Wirkungslinien der Trägheitskräfte überlagern sich Druck- und Schubspannungsänderungen in den Piezokörpern. Durch eine unabhängige Ladungsabnahme an den Piezokörpern kann damit eine wirkungsvolle Energiewandlung erfolgen.When a vehicle, for example a freight wagon, is traveling, vertical acceleration changes now occur in particular. These vertical vibrations of the vehicle lead to a horizontal alignment of the piezo bodies 2 according to 1 cause a charge separation on the piezo bodies 2 occurs. These stored charges are converted into a constant voltage via switching converters and clocked stabilizing circuits and made available for use. With four-sided clamping according to 2 both pressure stress changes in the piezo can be embodyed 2 with vertical inertia and vertical clamping as well as shear stress changes in the additional piezo bodies 7 use with vertical inertial forces and horizontal clamping. With even six-sided clamping, the change in the inertia forces in all three spatial axes is converted into energy. Compressive stress changes in the piezo bodies with inertial forces in the direction of the normal piezo bodies and shear stress changes in the piezo bodies with inertial forces in the direction of the tangential piezo bodies are used. Both changes are available at the same time and can be used as a contribution to energy conversion (power supply) if the charge on the piezo bodies is reduced accordingly. If the lines of action of the inertial forces deviate from the normal, pressure and shear stress changes overlap in the piezo bodies. Effective energy conversion can take place by means of an independent charge removal on the piezo bodies.

Die Form der seismischen Masse 1 ist dabei nicht notwendigerweise quaderförmig, sondern kann in Abhängigkeit von der Form der Piezokörper 2, 7 auch andere Formen aufweisen.The shape of the seismic mass 1 is not necessarily cuboid, but can, depending on the shape of the piezo body 2 . 7 also have other shapes.

Bei der Realisierung des seismischen Generators ist darauf zu achten, dass die Einspannkräfte der zweiseitigen, vierseitigen oder sechsseitigen Einspannung der Piezokörper der seismischen Masse mindestens den doppelten Betrag der höchsten jeweils zu erzielende Trägheitskraft in der jeweiligen Raumachse aufweisen müssen. Die Einspannkräfte und maximalen Trägheitskräfte dürfen nur so hoch sein, wie es die elastische Verformungsgrößen der Piezokörper erlaubt. Die Trägheitskräfte sind durch die Wahl der Größe der seismischen Masse anpassbar. Das Ziel ist dabei, die seismische Masse so groß zu wählen, dass eine vorgegebene Energieausbeute er reicht wird, aber keine Schäden in den Piezokörpern entstehen.When realizing the seismic Make sure that the clamping forces of the two-sided, four-sided or six-sided clamping of the piezo body seismic mass at least double the highest each inertia to be achieved must have in the respective spatial axis. The clamping forces and maximum inertial forces may only be as high as the elastic deformation quantities of the piezo body allow. The inertial forces are by choosing the size of the seismic Customizable dimensions. The goal is to choose the seismic mass so large that a predetermined energy yield is achieved, but no damage in the piezo bodies arise.

Durch die vorgeschlagene erfindungsgemäße Anordnung ist eine äußerst einfache und völlig auf bewegte Teile verzichtende Konstruktion gegeben. Durch die feste Einspannung der seismischen Masse zwischen den entgegengesetzt polarisierten piezoelektrischen Materialien findet praktisch keine Bewegung der seismischen Masse statt. Allein die federnden Eigenschaften der Piezomaterialien erzeugen kleine Auslenkungen der seismischen Masse, die aber keine zusätzlichen mechanischen Befestigungsglieder erfordern, im Gegensatz zu den magnetodynamischen seismischen Generatoren.Through the proposed arrangement according to the invention is an extremely simple one and completely construction without moving parts. Through the fixed Clamping the seismic mass between the oppositely polarized ones Piezoelectric materials find practically no movement of the seismic mass instead. The resilient properties of the Piezo materials create small deflections of the seismic mass, but no additional mechanical fasteners, unlike the magnetodynamic seismic generators.

Claims (6)

Seismischer Generator mit einer seismischen Masse (1), mit zwei Piezokörpern (2), mit einer Verspanneinrichtung (5), mittels derer die seismische Masse (1) an zwei gegenüberliegenden Seiten zwischen den Piezokörpern (2) eingespannt ist, wobei die jeweilige mit der seismischen Masse (1) in Kontakt stehende Seite der beiden Piezokörper (2) die gleiche Polarisation aufweist, und mit einer mit den Piezokörpern (2) elektrisch verbundenen elektrischen Schaltung (6), an der elektrische Energie abnehmbar ist.Seismic generator with a seismic mass ( 1 ), with two piezo bodies ( 2 ), with a tensioning device ( 5 ), by means of which the seismic mass ( 1 ) on two opposite sides between the piezo bodies ( 2 ) is clamped, whereby the respective with the seismic mass ( 1 ) the contacting side of the two piezo bodies ( 2 ) has the same polarization, and with one with the piezo bodies ( 2 ) electrically connected electrical circuit ( 6 ), from which electrical energy is removable. Seismischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an zwei weiteren sich gegenüberliegenden Seiten der seismischen Masse (1) zwei weitere Piezokörper (7) dergestalt eingespannt sind, dass die jeweilige mit der seismischen Masse (1) in Kontakt stehende Seite der beiden weiteren Piezokörper (7) die gleiche Polarisation aufweist, und dass die weiteren Piezokörper (7) mit der elektrischen Schaltung (6) verbunden sind.Seismic generator according to claim 1, characterized in that on two further opposite sides of the seismic mass ( 1 ) two more piezo bodies ( 7 ) are clamped in such a way that the respective with the seismic mass ( 1 ) the contacting side of the two other piezo bodies ( 7 ) has the same polarization and that the further piezo bodies ( 7 ) with the electrical circuit ( 6 ) are connected. Seismischer Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an zwei zusätzlichen sich gegenüberliegenden Seiten der seismischen Masse (1) zwei zusätzliche Piezokörper dergestalt eingespannt sind, dass die jeweilige mit der seismischen Masse (1) in Kontakt stehende Seite der beiden zusätzlichen Piezokörper die gleiche Polarisation aufweist, und dass die zusätzlichen Piezokörper mit der elektrischen Schaltung (6) verbunden sind.Seismic generator according to claim 2, characterized in that on two additional opposite sides of the seismic mass ( 1 ) two additional piezo bodies are clamped in such a way that the respective one with the seismic mass ( 1 ) the contacting side of the two additional piezo bodies has the same polarization, and that the additional piezo bodies with the electrical circuit ( 6 ) are connected. Seismischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die elektrische Schaltung (6) derartig ausgebildet ist, dass die einzelnen Piezokörper (2, 7) gesondert zur Ladungsabnahme herangezogen werden.Seismic generator according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the electrical circuit ( 6 ) is designed such that the individual piezo bodies ( 2 . 7 ) are used separately for the acceptance of the load. Seismischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (6) pro Piezokörper (2, 7) eine Mehrwegegleichrichterschaltung (11) aufweist.Seismic generator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrical circuit ( 6 ) per piezo body ( 2 . 7 ) a multi-way rectifier circuit ( 11 ) having. Seismischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (6) einen Kondensator (12, CL) als für alle Piezokörper (2, 7) gemeinsamen Energiespeicher aufweist.Seismic generator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrical circuit ( 6 ) a capacitor ( 12 , CL) than for all piezo bodies ( 2 . 7 ) has common energy storage.
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