CN101507008A - 机电旋转转换器及利用机电旋转转换器来生成电能的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种机电旋转转换器，其具有至少一个紧固装置、振荡元件、连接元件以及机电转换装置。紧固元件设计成将旋转转换器紧固到旋转体上。连接元件形成紧固元件与振荡元件之间的可移动连接，振荡元件的运动驱动机电转换器。紧固元件与振荡元件之间的连接使得振荡元件的质心沿着曲线路径运动，该曲线路径描绘出一表面的周界，该表面的法线与旋转轴形成小于90°大于0°的角。

Description

机电旋转转换器及利用机电旋转转换器来生成电能的方法
本发明涉及机电旋转转换器及利用旋转转换器来生成电能的方法。旋转部件—如轮轴、转轴、车轮、机械工具部件以及类似部件—通常要被监测，以便确定特定的参数，如它们的温度、内部压力、部分(portions)、膨胀、力等。这类参数可以借助于适当的传感器来测量。这些应用在将附着到如上所述的旋转部件的传感器所测得的值传送到外部时遇到困难。沿着导线传输是不可能的，尤其是在这些部件不是在某个方向上移动可预测的、有限的距离的情况下。当然，可以在慢速旋转的部件上采用滑动接触。然而，滑动接触存在缺陷：它们会因为不断的摩擦而受到磨损，并且高速旋转时，接触压力的减小会导致接触质量不足。专门设计的接触确实能够提供可靠的接触压力，但是随之而来的是高成本。
为此，通过无线电从旋转部件上的压力传感器发射信号的方法为人们所知已经有些年了。然而，无线电技术还需要电源，而且，在没有接触地发射电子信号的情况下，还必须是独立的电源。显而易见的解决方案是电池、蓄电池或者类似的装置。
对于简单而直接的情况而言，借助于电池、蓄电池或者类似的装置来提供能量是完全可行的解决方案。然而，如果难以连接到传感器，或者如果所测量的参数与旋转部件的工作安全有关，则电池和蓄电池通常是不适用的。特别不利的地方在于：如果电源电压，即电池电压突然降落，就不能再可靠地保证从测量传感器发射，这可能意味着不再能得到与安全有关的信息了。
为此，已经考虑了提供独立的能量发生器的想法。一般来说，采用太阳电池或其它或多或少常见的生成方法的解决方案似乎是合理的。申请人至少在私下里知道机电振动转换器的结构，其中，振荡锤设置在振荡臂上，而振荡臂设置在旋转元件上，使得振荡臂平行于旋转轴。振荡臂的一侧固定到旋转部件上，而振荡块处于另一端。每当旋转轴没有沿着重力方向时，旋转运动就促使振荡块振荡。由于旋转，振荡块在不同的时刻被重力沿不同的方向牵引，因而产生了振荡。特别是如果没有相反的力，振荡就得到加强。现在振荡块驱动机电能量转换器，由机械振动运动生成电振荡。然而，这种装置的缺陷是，当转速增加时，离心力的牵引使振荡块脱离它的路径，从而阻碍了振荡。
因此，本发明的目的是提供一种装置，其中，甚至在快速旋转系统或者具有高转速的系统中，都可以可靠地使用机电能量转换器而无需大的成本。
这项任务是根据本发明利用一种机电旋转转换器来完成，该机电旋转转换器具有：至少一个紧固装置、振荡元件、连接元件和电磁转换器，其中，紧固元件设计成将旋转转换器附着到旋转体上。连接元件构成紧固元件与振荡元件之间的可移动连接，而振荡元件的运动驱动机电转换器。这里，紧固元件与振荡元件之间的连接构造成使振荡元件的质心沿着曲线路径运动，该曲线路径描绘出一表面的周界，该表面的法线与旋转轴一起在它们之间围成小于90°大于0°的角。这意味着紧固元件与振荡元件之间的振荡元件包括相对于旋转轴倾斜的振荡臂。成角度的位置被选择为使离心力不阻碍振荡。
将机电转换装置实施为压电元件是有利的。压电元件具有固有的弹性，从而提供产生振荡所必需的返回力。使机电转换装置采取具有梯形几何形状的挠性转换器的形式的优点在于：在挠性转换器沿着弯曲路径偏移的过程中，力均匀地分布在整个挠性转换器上。
将电磁式发生器或磁致伸缩式发生器用作机电转换装置是非常经济的。
如果选择弹簧作为连接元件，则机电转换器不需要任何固有弹性来提供返回力。板簧是特别适用于这种应用的弹簧。作为替换，连接元件可以采取枢轴承的形式。那么，紧固装置包括旋转转换器的壳体的一部分是有利的。这里，当紧固到轮辋，如汽车轮缘时，使用带式或缆式元件是有利的。
当应用于机动车的轮胎时，将旋转转换器附着到轮辋上的阀紧固件是有利的。如果在这种情况下它在与阀的某个距离处具有两个接触点，则旋转转换器的壳体可以适当地对着旋转中心。这在接触点位于与阀或阀紧固件的不同距离处时特别适合。
还公开了一种借助于机电转换装置来生成电能的方法，其中转换器装置由振荡元件来驱动，振荡元件在旋转运动过程中关于静止位置振荡，因此沿曲线路径运动。这里，所述曲线路径描绘出一表面的周界，该表面的法线与旋转轴一起在它们之间围成小于90°大于0°的角。
以下，借助于实施例的实例并参考附图来详细说明本发明。
在附图中：
图1是机电旋转转换器的侧视图；
图2是图1中所示的旋转转换器沿着线A-A的横截面；
图3是图1中所示的旋转转换器的透视图；
图4是说明旋转转换器的原理的说明性简图；
图5是旋转转换器的壳体的实施例。
在附图中，相同的元件或者具有相同效果的元件使用同一个标号。
图1是机电旋转转换器R的侧视图。提供了紧固装置1，该紧固装置设计成使其能够附着到旋转体上。包括了振荡元件2，在所说明的实施例中，该振荡元件的特征是具有振荡块2a。因为这个振荡块2a与振荡元件分开制造从而能与其分开，所以同一尺寸的振荡元件可以装配不同的振荡块。
压电转换器4作为机电转换装置设置在振荡元件2与紧固装置1之间。振荡元件的振荡方向由箭头Z指示。这种振荡使压电元件4沿着它的纵轴弯曲，从而使压电元件内的电荷分开，当发生振荡时，该压电元件在电极(未示出)处生成交变电压，所述电极在紧固装置内附着到压电元件4上。
图2是图1中所示的旋转转换器沿着剖线A-A的横截面视图。
压电转换器4的视图在这个图示中被省略。可以看到紧固装置1和振荡元件2。由两个板簧固定器8a和8b夹住的两个板簧3位于它们之间。
板簧固定器8a和8b的倾斜的几何结构得到由线9所指示的振荡臂，该线9通过振荡元件2的质心M。
图3是图1中所示的旋转转换器的透视图。特别想要示出的是压电转换器4的梯形形状。正是由于这种形状，振荡元件沿着如箭头Z所示的振荡路径的偏移(excursion)导致呈均匀分布的弯曲。所述弯曲的均匀分布使压电晶体受到均匀分布的力，从而使得电荷均匀地分开。这又具有使电荷在压电晶体之内不被抵消(offset)的效果。结果，使压电转换器4的效率得以优化。在图3中还可以清楚地看到，压电转换器4被限制在振荡元件2中的缝隙10内。这表明振荡元件如何带着压电转换器4进行振荡运动，从而在压电转换器4中产生偏移。能够沿着缝隙10自由运动意味着一端在紧固装置中被夹住的压电晶体，在由振荡元件引导的一端不会由于垂直于振荡元件的运动方向的离心力而产生任何相对于振荡元件的偏斜。结果，压电元件晶体只是在想要的有利方向上偏斜。
图4用来说明图1到图3中所说明的旋转转换器的工作方式。图中示出了绕旋转轴R旋转的旋转体。这个圆柱体的表面上的一点标记为1，以表示紧固装置1要画在这里。振荡臂9从这一点以一角度通过质心M。现在，质心M沿着曲线路径运动，该曲线的形状取决于连接元件的形式。
除了由旋转所引起的振荡之外，旋转转换器还能够将旋转体自身的振荡转换成电能。对此的要求是：旋转体的振荡的一个运动分量在曲线路径的方向上。
在图1到图3所说明的实施例中包括作为连接元件的成一角度的板簧，与这些实施例相对照，也可以使用具有同样成一角度取向的枢转通道(pivoting access)的铰链或接头。在这样的振荡元件的运动被限制在旋转轴的周围的情况下，振荡元件2的质心的路径是一个圆。为了完整性而应当说明的是，在将如上所述的铰链或接头用作连接元件的情况下，应当包括另外的弹簧来提供返回力。在铰链采用扭杆的形式的配置中，利用其自身的返回力也是可行的。
再一次考虑图4，可以看到质心M的运动发生在具有法线N的表面内。这个法线N的取向被确定成与旋转体的旋转轴R成α角。与本发明相关而且重要的是，这个角度α大于0°而小于90°，其大小取决于具体的配置。只有这样才能够防止离心力阻碍振荡运动的进行。
图5说明具有旋转转换器的旋转体的实施例。从图中可以看到，旋转体采用的是轮辋5的形式。轮辋上的阀通常设置成使阀紧固件垂直于旋转中心，从而使轮胎处于平衡状态。
因为主要考虑到汽车行业的接受，对轮辋没有制作另外的紧固件，所以，如图5所示，旋转转换器的壳体6与阀紧固件设置在一起。对图4的解释说明了振动元件的质心所描绘出的表面的法线的取向如何必须被确定成与旋转轴成一角度。这就是说，当处于静止状态时，振荡臂9的投影沿着旋转轴对准。因为阀或阀紧固件被设置成使其在旋转轴的上方垂直延伸，这意味着，当将壳体6与阀紧固件组装在一起时，必须将旋转转换器设置在阀旁边，具有一偏移量(offset)。图5示意性地示出了振动元件2和压电转换器4以及用于所述阀的开口，而且这些还必须对着旋转中心。为了使这一点成为可能，壳体具有两个接触点或者脚A，壳体6在这里被保持在轮辋5的圆周上。因为这意味着壳体不是位于阀紧固件的紧固点处，旋转转换器与它的壳体6也能够对着轮辋的旋转轴。这通过对A的适当选择来实现，或者通过对脚A与阀的紧固点之间的距离的适当选择来实现。这意味着选择脚A与紧固点B在箭头X方向上的距离，以便提供针对不同辋直径的高度灵活性。同样，脚A可以具有不同的长度，或者具有例如通过拧松和锁紧来实现的可调长度。最后，图5示出了一种变形，其中，壳体6是借助于条式或缆式元件7紧固到轮辋5上的。壳体6由此被推到阀或阀紧固件上，并借助于这个缆式元件7来紧固。

Claims (15)

1.一种机电旋转转换器，具有：
至少一个紧固装置(1)、振荡元件(2)、连接元件(3)以及机电转换装置(4)，
其中，所述紧固元件(1)设计成将旋转转换器紧固到旋转体上，
所述连接元件(3)形成所述紧固元件(1)与所述振荡元件(2)之间的可移动连接，所述振荡元件的运动驱动所述机电转换器(4)，
其中，所述紧固元件(1)与所述振荡元件(2)之间的连接使得所述振荡元件(2)的质心(M)沿着曲线路径运动，从而使所述曲线路径描绘出一表面的周界，所述表面的法线(N)与旋转轴(R)形成小于90°大于0°的角。
2.根据权利要求1所述的机电旋转转换器，其中，所述机电转换器装置(4)由压电元件形成。
3.根据权利要求2所述的机电旋转转换器，其中，所述机电转换器装置(4)采取具有梯形几何形状的挠性转换器的形式。
4.根据权利要求1所述的机电旋转转换器，其中，所述机电转换器装置(4)采取电磁式发生器的形式。
5.根据权利要求1所述的机电旋转转换器，其中，所述机电转换器装置(4)采取磁致伸缩式发生器的形式。
6.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的机电旋转转换器，其中，所述连接元件(3)包括至少一个弹簧。
7.根据权利要求6所述的机电旋转转换器，其中，所述弹簧包括板簧。
8.根据权利要求1到6中的一个权利要求所述的机电转换器，其中，所述连接元件(3)包括至少一个轴承。
9.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的机电旋转转换器，其中，所述紧固装置(1)包括容纳所述旋转转换器的壳体(6)的至少一部分。
10.根据权利要求9所述的机电旋转转换器，其中，所述壳体能够借助于绕辋设置的条式或缆式元件(7)紧固到所述辋上。
11.根据权利要求9所述的机电旋转转换器，其中，所述壳体(6)能够借助于阀紧固件(B)紧固到轮辋上，并且，所述壳体(6)具有至少两个接触点(A)，借助于所述两个接触点，所述壳体以适合于它的取向设置在所述轮辋(5)上。
12.根据权利要求10所述的机电旋转转换器，其中，所述接触点(A)位于与所述阀紧固件(B)的不同距离处。
13.一种借助于机电转换装置(4)来生成电能的方法，其中，由振荡元件(2)来驱动所述转换装置，并且通过旋转运动使所述振荡元件关于静止点振荡，在旋转运动中，所述振荡元件被引导着沿描绘出一表面的周界的曲线路径运动，所述表面的法线与旋转轴形成小于90°大于0°的角。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过旋转体的旋转运动使所述振荡元件振荡。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述旋转体自身振荡时，它的一个运动分量在所述旋转运动的方向上，并且这个分量驱动所述振荡元件。
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