CH713599A1 - Energieerzeugungseinheit mit Schwungmasse. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieerzeugungseinheit mit wenigstens einer Schwungmasse (5) zur Erzeugung von kinetischer Energie, einem Getriebe (6) zur Übertragung der kinetischen Energie, und einem elektromagnetischen Generator (7) zur Transformation der kinetischen Energie in elektrische Energie. Weiter ist wenigstens ein Magnetelement (10) derart neben der Schwungmasse vorgesehen, dass eine Magnetkraft beschleunigend auf die Schwungmasse (5) einwirkt.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Energieerzeugungseinheit mit einem Energiegenerator und einer Schwungmasse zur Erzeugung von elektrischer Energie, insbesondere mit einem elektromagnetischen Mikrogenerator zur Erzeugung von Energie für kleine Verbrauchsgeräte, wie z.B. Uhren.

[0002] Es ist weithin bekannt, für Geräte mit niedrigem Energieverbrauch, wie z.B. tragbare Uhren, Telefone, und Kleincomputer, natürliche Energiequellen, wie z.B. die Gravitationsenergie oder Bewegungsenergie nutzbar zu machen. Die natürliche mechanische Energie wird mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt. Hierfür sind piezoelektrische Generatoren oder elektromagnetische Generatoren bekannt. Vorzugsweise ist ein Energiespeicher vorgesehen, in dem nicht unmittelbar verbrauchte Energie gespeichert werden kann.

[0003] Aus der CH 692 875 ist beispielsweise ein Energiegenerator für eine sich selbst aufziehende, automatische Uhr bekannt, der eine Schwungmasse und ein Getriebe mit mehreren beweglichen Getriebeelementen umfasst, welche die Bewegungsenergie der Schwungmasse über eine Federeinheit umsetzen. Die Federeinheit weist eine Rutschkupplung auf, so dass mit jedem Federsprung Energie frei wird. Darüber hinaus ist in der CH 692 875 in dem Getriebe ein bewegliches Kupplungselement vorgesehen, dass bei übermässigem Krafteinfluss den Getriebestrang unterbricht. Bei diesem Energiegenerator wird überschüssige kinetische Energie jedoch nicht umgesetzt und geht für die Energieversorgung der Uhr verloren.

[0004] In der EP 1 821 163 As ist eine elektrische Uhr gezeigt, die einen elektrischen Generator aufweist, der über eine Schwungmasse mit Energie versorgt wird und diese in elektrische Energie umwandelt. Die Schwungmasse kann relativ zur Uhr frei um eine feste Achse rotieren und treibt dadurch den Generator an. An den Ausgang des Generators ist ein Energiespeicher angeschlossen, der vom Generator erzeugte elektrische Energie speichern kann und durch den die Uhr mit Energie versorgt wird. Wird die Uhr jedoch über längere Zeit nicht bewegt oder es wird kein Antriebsmechanismus für die Schwungmasse vorgesehen, ist es möglich, dass die Energie im Energiespeicher nicht ausreicht, um die Uhr dauerhaft mit elektrischer Energie zu versorgen.

[0005] Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Energieerzeugungseinheit bereit zu stellen, welche eine zuverlässige Versorgung von kleinen Verbrauchsgeräten mit elektrischer Energie ermöglicht, die Umsetzung von kinetischer Energie in elektrische Energie verbessert und eine kleine Bauweise aufweist.

[0006] Diese Aufgabe wird von der Erfindung durch eine Energieerzeugungseinheit nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

[0007] Eine Energieerzeugungseinheit nach der vorliegenden Erfindung weist wenigstens eine Schwungmasse zur Erzeugung von kinetischer Energie, ein Getriebe zur Übertragung der kinetischen Energie, und einen elektromagnetischen Generator zur Transformation der kinetischen Energie in elektrische Energie auf. Die Schwungmasse wird in üblicher Weise durch Gravitation oder einen mechanischen Mechanismus, insbesondere einen Aufziehmechanismus, in Bewegung versetzt. Das Getriebe kann mehrere Verzahnungsräder umfassen und ist an die Schwungmasse gekoppelt, so dass es durch dessen Bewegung angetrieben wird.

[0008] Das Getriebe wiederum treibt einen Rotor des Generators an, der relativ zu einem Stator des Generators in Bewegung versetzt wird und in einer Generatorspule elektrische Energie erzeugt. Erfindungsgemäss ist wenigstens ein Magnetelement derart neben der Schwungmasse vorgesehen, dass eine Magnetkraft beschleunigend auf die Schwungmasse einwirkt. Durch die zusätzlich zur Gravitation oder zusätzlich zum mechanischen Mechanismus wirkende Magnetkraft, kann der Generator schnell angesteuert und betrieben werden, woraus eine erhöhte Energieerzeugung resultiert. Zudem unterstützt das wenigstens eine Magnetelement die Auslenkung der Schwungmasse und somit die Aufrechterhaltung der Antriebsbewegung der Schwungmasse. Die Energieerzeugungseinheit kann somit über einen längeren Zeitraum zuverlässig Energie erzeugen.

[0009] Vorzugsweise ist ein Energiespeicher an den Generator angeschlossen und speichert die vom Generator erzeugte elektrische Energie für den Betrieb eines Verbrauchsgeräts, wie etwa einer Uhr oder einem Taschencomputer. Damit kann sichergestellt werden, dass das Verbrauchsgerät auch dann mit Energie versorgt werden kann, wenn die Schwungmasse nur reduziert zur Energieerzeugung beiträgt.

[0010] In einer Ausführungsform der Energieerzeugungseinheit nach der Erfindung ist die wenigstens eine Schwungmasse rotierend um eine feste Rotationsachse gelagert ist. Dabei kann die Schwungmasse z.B. als Halbkreisscheibe ausgebildet sein. Bei einer Oszillationsbewegung schwingt die Schwungmasse um die Rotationsachse hin und her. In einer anderen Ausführungsform ist die wenigstens eine Schwungmasse linear oszillierend entlang einer festen Linearachse gelagert. [0011] Es können auch mehrere Schwungmassen vorgesehen werden, wobei auch eine Kombination aus einer rotierenden Schwungmasse und einer linearbeweglichen Schwungmasse möglich ist. Mehrere Schwungmassen haben den Vorteil, dass mehrere unabhängige Massen eine Rotation des Getriebes hervorrufen und somit eine grössere Energie bereitsteht. Dabei können die Rotationsachsen der Schwungmassen auch gewinkelt zueinander ausgerichtet sein. Die Verwendung einer Kombination aus rotierender und linearbeweglicher Schwungmasse hat den Vorteil, dass die Energieerzeugungseinheit in verschiedenen Orientierungen gute Schwungvoraussetzungen für zumindest eine der Schwungmassen vorsieht.

[0012] In einer Ausführungsform der Energieerzeugungseinheit ist das wenigstens eine Magnetelemente neben einem Maximalausschlag der Schwungmasse gelagert. Das Magnetelement unterstützt daher die Auslenkung der Schwungmasse im Bereich des Totpunkts der Oszillation und steigert somit die von der Schwungmasse erzeugte kinetische Energie. Sofern die Schwungmasse auf einen Gravitationsantrieb angewiesen ist, kann durch die zusätzliche Auslenkungskraft des wenigstens einen Magnetelements die Schwungzeit der Schwungmasse verlängert werden.

[0013] In einer anderen Ausführungsform der Energieerzeugungseinheit nach der vorliegenden Erfindung liegt das wenigstens eine Magnetelement ausserhalb der Bewegungsebene der wenigstes einen Schwungmasse; also entweder unter- oder oberhalb der Bewegungsebene. Dadurch können die Abmessungen der Energieerzeugungseinheit gering gehalten werden.

[0014] Vorteilhaft ist der Generator auf einer Seite des Getriebes und das wenigstens eine Magnetelement auf einer anderen, vorzugsweise gegenüberliegenden Seite des Getriebes angeordnet. Dadurch kann vermieden werden, dass das Magnetelement den Generator beeinträchtigt, insbesondere auf den Magnetrotor oder die Spule Einfluss nimmt.

[0015] Alternativ oder zusätzlich kann zur Erzeugung von kinetischer Energie, die von dem Generator in elektrische Energie transformiert wird, ein manueller Aufzugsmechanismus vorgesehen sein. Beispielsweise kann an einer Uhr ein drehbarer Knopf vorgesehen sein, der einen Aufzugsmechanismus aufzieht, der die beim Aufziehen gewonnene kinetische Energie speichert und an die Schwungmasse abgibt.

Weiter weist das Getriebe der Energieerzeugungseinheit vorteilhaft eine Sprungfeder zur Energieübertragung an den Generator auf. Die Sprungfeder wird von der Schwungmasse über das Getriebe aufgezogen und transformiert die Oszillationsbewegung der Schwungmasse in eine Einwegrotation des Generatorrotors. Durch die Auswahl der Spannkraft der Sprungfeder, kann die Kraftübertragung der mechanischen Schwungkraft kontrolliert werden.

[0016] Die erfindungsgemässe Erweiterung des herkömmlichen Schwungmasse-Getriebe-Generator-Aufbaus für die Energieerzeugungseinheit ermöglicht eine verbesserte Ausnutzung der vorhandenen mechanischen Oszillation der Schwungmasse und eine verlängerte Bereitstellung der Schwungkraft.

[0017] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren dargestellt, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. Aus den Zeichnungen offenbar werdende Merkmale der Erfindung sollen einzeln und in jeder Kombination als zur Offenbarung der Erfindung gehörend betrachtet werden. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines kleinen Verbrauchsgeräts mit einer ersten Variante einer Energieerzeugungseinheit nach der vorliegenden Erfindung mit einer rotierenden Schwungmasse,

Fig. 2: eine zweite Variante einer Energieerzeugungseinheit mit zwei rotierenden Schwungmassen,

Fig. 3: eine dritte Variante einer Energieerzeugungseinheit mit einer linear beweglichen Schwungmasse und

Fig. 4: eine vierte Variante einer Energieerzeugungseinheit im Einsatz mit einem Aufziehmechanismus eines Uhrwerks einer Uhr als Kleinverbraucher.

[0018] In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines kleinen Verbrauchsgerät gezeigt, das eine Energieerzeugungseinheit 1, einen Speicher 2, eine Mutterplatine 3, und eine elektrische betriebene Anzeige 4 umfasst.

[0019] Die Energieerzeugungseinheit 1 weist eine metallische Schwungmasse 5 in Form einer Halbscheibe, ein Getriebe 6 und einen Generator 7 in Form eines Mikrogenerators auf. Das Getriebe umfasst zwei Zahngetriebeeinheiten 6a und 6b, und eine Feder 8 als Aufziehfeder auf. Ein Rotor 9 des Generators 7 ist mit der Getriebeeinheit 6b gekoppelt und wird somit durch das Getriebe rotierend angetrieben. Durch die Rotation des Rotors 9 relative zu einem Stator des Generators wird in einer Spule des Generators elektrische Energie erzeugt.

[0020] Erfindungsgemäss ist an einem Ende der Schwungmasse 5 unterhalb der Schwingungsebene ein Magnet 10 angeordnet. Der Magnet 10 wirkt mit seiner Magnetkraft auf die metallische Schwungmasse 5 ein und unterstützt damit die Oszillationsauslenkung der Schwungmasse 5. Die magnetische Energie wird in kinetische Energie übergeführt und an den Generator 7 zur Umwandlung in elektrische Energie weiter geleitet. Der Magnet verbessert somit die Wirkung der Schwungmasse und den Wirkungsgrad der Energieerzeugungseinheit 1.

[0021] Der Generator 7 ist an den Energiespeicher 2 angeschlossen, in dem die elektrische Energie gespeichert werden kann. Aus dem Speicher 2 wird die Mutterplatine 3 mit Energie versorgt, die wiederum die Anzeige 4 ansteuert und antreibt.

[0022] In Fig. 2 ist eine Variante der Energieerzeugungseinheit 1 mit zwei metallischen Schwungmassen 5a und 5b gezeigt. Die beiden Schwungmassen sind unabhängig voneinander mit dem Getriebe 6 gekoppelt und tragen jeweils zum Antrieb des Getriebes bei. Weiter sind unterhalb der Schwungmasse 5b an deren einem Ende ein Magnet 10a und oberhalb der Schwungmasse 5a an deren gegenüberliegendem ende ein Magnet 10b angeordnet. Damit wird die in das Getriebe eingeleitete kinetische Energie erhöht. Der übrige Aufbau entspricht dem aus Fig. 1.

[0023] In Fig. 3 ist eine weitere Variante der Energieerzeugungseinheit 1 gezeigt, die eine linear bewegliche Schwungmasse 15 aufweist. Die Linearschwungmasse 15 ist geradlinig auf einer Linearachse oszillierend hin und her beweglich.

An einem Endpunkt der Oszillationsbewegung ist auf der Linearachse ein Magnet 10c angeordnet, durch den der Oszillationsbewegung Energie zugeführt wird. Die Linearschwungmasse 15 ist z.B. über eine Zahnreihe mit dem Getriebe 6 gekoppelt und somit der Generator angetrieben. Der übrige Aufbau entspricht dem aus Fig. 1.

[0024] In Fig. 4 ist noch eine weitere Variante der Energieerzeugungseinheit 1 gezeigt, bei der die Schwungmasse durch einen mechanischen Aufziehmechanismus 20 angetrieben wird, wie er aus der Uhrentechnik bekannt ist. Der Aufziehmechanismus treibt das Getriebe 6 an. Ein Magnet innerhalb des Aufziehmechanismus 20 ist derart angeordnet, dass die Magnetkraft die Federkraft einer aufgezogenen Aufziehfeder unterstützt und somit zusätzliche kinetische Energie zur Verfügung stellt.

[0025] Die erzeugte Energie bei den Varianten der Fig. 1 bis 3 ist abhängig von der eingeleiteten Gravitationsenergie und somit davon, wie viel der Energieerzeugungseinheit bewegt wird. Ist das Verbrauchsgerät z.B. durch eine Armbanduhr gegeben, werden von einem Träger der Uhr durchschnittlich 4000 Umdrehungen der Schwungmasse hervorgerufen. Diese können 17000 Freigaben der aufgezogenen Getriebefeder auslösen, wodurch eine Energie bis zu 2 Joule erzielt werden kann.

Bezugszeichenlegende [0026] 1 Energieerzeugungseinheit 2 Speicher 3 Mutterplatine 4 Anzeige 5 Schwungmasse 5a Schwungmasse 5b Schwungmasse 6 Getriebe 6a Getriebeeinheit 6b Getriebeeinheit 7 Generator 8 Feder 9 Rotor 10 Magnet 10a Magnet 10b Magnet 10c Magnet 15 Linearschwungmasse 20 Aufziehmechanismus

Claims (10)

Patentansprüche

1. Energieerzeugungseinheit mit wenigstens einer Schwungmasse (5; 15) zur Erzeugung von kinetischer Energie, einem Getriebe (6) zur Übertragung der kinetischen Energie, und einem elektromagnetischen Generator (7) zur Transformation der kinetischen Energie in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Magnetelement (10) derart neben der Schwungmasse vorgesehen ist, dass eine Magnetkraft beschleunigend auf die Schwungmasse (5; 15) einwirkt.

2. Energieerzeugungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeicher (2) an den Generator angeschlossen ist.

3. Energieerzeugungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schwungmasse (5) rotierend um eine feste Rotationsachse gelagert ist.

4. Energieerzeugungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schwungmasse (15) linear oszillierend entlang einer festen Linearachse gelagert ist.

5. Energieerzeugungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Magnetelemente (10) neben einem Maximalausschlag der Schwungmasse (; 15) gelagert sind.

6. Energieerzeugungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Magnetelement (10) ausserhalb der Bewegungsebene der wenigstes einen Schwungmasse (5; 15) liegt.

7. Energieerzeugungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (7) auf einer Seite des Getriebes (6) und das wenigstens eine Magnetelement (10) auf einer anderen, vorzugsweise gegenüberliegenden Seite des Getriebes (6) angeordnet ist.

8. Energieerzeugungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (6) eine Sprungfeder (8) zur Energieübertragung an den Generator (7) umfasst.

9. Energieerzeugungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von kinetischer Energie ein manueller Aufzugsmechanismus vorgesehen ist.

10. Energieerzeugungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schwungmasse (4) als Halbkreisscheibe ausgebildet und rotierend um eine feste Rotationsachse gelagert ist.