DE10025028A1 - Elektromagnetischer Festkörper-Spannungswandler - Google Patents
Elektromagnetischer Festkörper-SpannungswandlerInfo
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Abstract
Der äußerst kompakte Kleinleistungs-Spannungswandler für niederfrequente Impuls- und Wechselspannungen mit relativ hohem Wirkungsgrad sowie Übertragungsfaktoren bis zum 10000-fachen gewährleistet bei geringstem Isolationsaufwand auf engstem Raum eine sichere galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgangsseite. DOLLAR A Die praktische Umsetzung des völlig neuartigen Wandlerprinzips erfolgt durch einen rein translatorisch, im _m-Bereich arbeitenden Miniatur-Motorgenerator, welcher aus elektromechanischen Wandler (1), magnetomechanischen Wandler (2) und Isolator (3) besteht, die über eine feste Einspannung mechanisch direkt gekoppelt sind und eine in sich geschlossene Funktionseinheit bilden. Durch die gleichzeitige Ausnutzung zweier physikalischer Festkörpereffekte, einerseits den elektromechanischen Effekt sowie andererseits den magnetomechanischen Effekt, erfolgt die Umwandlung der Spannung. Dabei dehnt sich das im Motorbetrieb arbeitende aktive Wandlerelement (1 bzw. 2) durch Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie, wodurch das im Generatorbetrieb arbeitende Wandlerelement (2 bzw. 1) zwangsweise zusammengedrückt und mechanische Energie in elektrische umgeformt wird. DOLLAR A Bevorzugte Anwendungsgebiete sind Kleinstleistungs-Stromversorgungen für LED-Leuchtmittel, Standby-Schaltungen, Melder und Sensoren sowie Hochspannungs- und Zündimpulsgeneratoren.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Festkörper-Spannungswandler
für niederfrequente Impuls- und Wechselspannungen im Klein- und Kleinstlei
stungsbereich mit einer Leistungsübertragung von etwa 50 mW bis 50 W sowie
Übertragungsfaktoren bis zum 10.000-fachen. Durch die gleichzeitige Ausnut
zung von zwei physikalischen Festkörpereffekten, einerseits den elektromecha
nischen Effekt und andererseits den magnetomechanischen Effekt, erfolgt eine
Umwandlung der Spannung.
Der piezoelektrische Effekt sowie der magnetoelastische Effekt wird vielfach zur
Umwandlung von Kraft oder Druck in ein elektrisches Signal und der reziproke
Piezoeffekt sowie magnetostriktive Effekt wird vielfach zur Erzeugung von Druck
oder Kraft ausgenutzt.
Der elektromagnetische Festkörper Spannungswandler ermöglicht eine univer
selle Anwendbarkeit. Er wird sowohl als Aufwärtswandler zur Erzeugung von
Hochspannung als auch als Abwärtswandler zur Erzeugung von Kleinspannung
betrieben.
Allgemein übliche, aus dem Stand der Technik bekannte Spannungswandler
wie Transformatoren oder digitale Schaltregler als auch elektrisch ansteuerbare
Zündgeneratoren weisen den gemeinsamen Nachteil auf, daß diese Systeme
relativ groß und massig und somit materialintensiv sind. Nachteilig ist auch der
verhältnismäßig hohe Bauelementeaufwand und insbesondere bei Zündgene
ratoren der sehr hohe Isolationsaufwand, wodurch zusätzlich die Herstellungs
kosten nachteilig beeinflußt werden. Ein als Piezoelektrischer Resonanz-
Transformator /1/ bekannter Spannungswandler, der aus einem an drei Flächen
metallisierten piezoelektrischen Element besteht und in Form eines elektro
mechanischen Resonators realisiert ist, beseitigt zwar die Nachteile der bisher
bekannten technischen Lösungen, weist jedoch seinerseits wiederum den
Nachteil auf, daß er nur im Resonanzfall und als Aufwärtswandler wirtschaftlich
arbeitet.
Der in der Veröffentlichung DE 41 31 553 beschriebene piezoelektrische Trans
formator mit zwei mechanisch in Reihe geschalteten Piezoelementen, wobei ein
Element als Primärpiezo und ein zweites als Sekundärpiezo arbeitet, hat wegen
der minimal möglichen Schichtdicken bei Stapelaktoren von derzeit 0,1 mm und
den üblichen Feldstärken von 2 kV/mm, ebenso einen wesentlichen Nachteil. Ei
ne wirtschaftliche Spannungswandlung unter dem Aspekt der Leistungsübertra
gung ist nur oberhalb 100 V möglich, was eine Anwendung erheblich erschwert
bzw. einschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kleinen kompakten Span
nungswandler mit relativ hohem Wirkungsgrad für niederfrequente Impuls- und
Wechselspannungen im Klein- und Kleinstleistungsbereich mit einer übertragba
ren Leistung von etwa 50 mW bis 50 W und Übertragungsverhältnissen von 1 zu
10.000 und umgekehrt zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und einen hohen
Standard in der elektrischen Sicherheit garantiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein elektromechani
scher Wandler mit einem magnetomechanischen Wandler mechanisch direkt
gekoppelt ist und diese eine gemeinsame in sich geschlossene Funktionseinheit
bilden.
Das der Erfindung zugrundeliegende Wirkprinzip basiert auf dem gleichzeitigen
Zusammenwirken zweier physikalischer Festkörpereffekte, einerseits den piezo
elektrischen Effekt sowie reziproken Piezoeffekt und andererseits den magneto
striktiven sowie magnetoelastischen Effekt, deren praktische Umsetzung über
einen Miniatur-Motorgenerator eine Spannungswandlung ermöglicht.
Das Arbeitsvermögen des Miniatur-Motorgenerators beruht ursächlich auf der
Veränderung des Makrogefüges im Inneren der beiden Wandlerelemente, wobei
elektrische Energie unter geringen Verlusten in mechanische Energie und me
chanische Energie in elektrische umgewandelt wird. Dies geschieht über rein
translatorische Bewegungen im µm-Bereich, mit den sich gleichzeitig aufbauen
den Stellkräften. Allgemein wird dieses Verhalten auch als elektromechanischer
Effekt sowie magnetomechanischer Effekt bezeichnet.
Das Axiom der Umkehrbarkeit der beiden physikalischen Festkörpereffekte er
möglicht dabei desweiteren in vorteilhafter Weise, daß der elektromagnetische
Festkörper-Spannungswandler alternativ im Umkehrbetrieb arbeiten kann, so
daß zwei auf den Anwendungsfall optimierte Grundtypen des Motorgenerators
realisierbar sind. Einerseits unter Nutzung des reziproken Piezoeffekts im Zu
sammenwirken mit dem magnetoelastischen Effekt für die Umwandlung einer
Hoch- oder Niederspannung in eine Kleinspannung und andererseits unter Nut
zung des magnetostriktiven Effekts im Zusammenwirken mit dem direkten Pie
zoeffekt zur Umwandlung einer Kleinspannung in eine Hochspannung.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist die Realisierung eines universellen
Spannungswandlers mit einem äußerst kompakten Aufbau, welcher in einfach
ster Weise Übertragungsverhältnisse von 1 zu 10.000 und umgekehrt erreicht
und gleichzeitig einen hohen Standard in der elektrischen Sicherheit garantiert.
Der vorgeschlagene elektromagnetische Festkörper-Spannungswandler ge
währleistet auf engstem Raum bei nur geringer Erwärmung eine absolut sichere
galvanische Trennung von Hoch- bzw. Niederspannung und Kleinspannung.
Ebenso werden Spannungen von mehreren tausend Volt sicher beherrscht.
Mit einer sehr kleinen Ausführung des erfindungsgemäßen Festkörper-
Spannungswandlers, welcher eine Niederspannung in eine Kleinspannung um
setzt, wird erstmals die Möglichkeit zur Realisierung eines effizienten und äu
ßerst kompakten Standby-Schalters mit integriertem 230 V-Spannungswandler
geschaffen, der eine absolut sichere galvanische Trennung von Eingangs- und
Ausgangsspannung gewährleistet.
Besonders bei Sensoren und Meldern mit 230 V-Netz-Datenkopplern (Power-
Line), aber auch bei solchen mit Infrarot- oder Funkdatenübertragung bietet eine
Integration des Festkörper-Spannungswandlers den Vorteil des direkten Be
triebs an den fast überall vorhandenen 230 V Netzspannungsleitungen ohne zu
sätzliche Aufwendungen. Für abweichende Versorgungsspannungen in anderen
Ländern kann der elektromagnetische Festkörper-Spannungswandler problem
los angeglichen werden.
Mit dem vorgeschlagenen elektromagnetischen Festkörper-Spannungswandler
lassen sich Zündimpulsgeneratoren realisieren, mit denen modernste Konzepte
der Automobilindustrie für Zündanlagen von Verbrennungsmotoren umgesetzt
werden können. Der elektromagnetische Festkörper-Spannungswandler bietet
die Möglichkeit der Erzeugung von Einzel- und Mehrfachimpulsen sowie von
ganzen Impulsfolgen bei zeitlich genauer Steuerung von Funkenenergie und
Brenndauer des Funkens.
Ein besonders hervorzuhebender, sicherheitsrelevanter Vorteil ist der direkte
Betrieb von LEDs an einer Hochspannung, um Gefahren am Entstehungsort
sichtbar anzuzeigen. Mit dem elektromagnetischen Festkörper
Spannungswandler kann schon unmittelbar an der Hochspannungszuleitung in
elektrischen Betriebsstätten signalisiert werden, daß z. B. die Stromschienen
unter Hochspannung stehen oder der Stromabnehmer an der Oberleitung liegt.
Die wenigen konstruktiven Restriktionen, die für die technisch-technologische
Umsetzung des Wirkprinzips notwendig sind, sowie der einfache und modulare
Aufbau des vorgeschlagenen Festkörper-Spannungswandlers schaffen optimale
Voraussetzungen für eine vollautomatische Massenfertigung, was die Herstel
lungskosten erheblich reduziert.
Neben den schon aufgezeigten Anwendungsgebieten läßt sich das vorgeschla
gene Wirkprinzip gerade wegen seiner Universalität und der problemlosen Mi
niaturisierung auch in der Mikrosystemtechnik einsetzen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand des zugrundeliegenden Wirkprinzips
näher erläutert und seine vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten sollen anhand
von repräsentativen Ausführungsbeispielen deutlich gemacht werden.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen dabei:
Fig. 1 eine Darstellung des WIRKPRINZIPS;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Motorgenerators als AB
WÄRTSWANDLER, teilweise geschnittene Ansicht des elektromagne
tischen Generators 2.1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Motorgenerators als AUF
WÄRTSWANDLER, teilweise geschnittene Ansicht des elektromagne
tischen Aktors 2.2;
Fig. 4 Schnittdarstellung eines 230 V-LED-LEUCHTMITTELS, etwa 3-fach
vergrößert;
Fig. 5 Seitenansicht eines 230 V-STANDBY-WANDLERS in offener Ausfüh
rung, teilweise geschnittene Ansicht des elektromagnetischen Gene
rators, etwa 3-fach vergrößert;
Fig. 6 Schnittdarstellung eines 15 kV Hochleistungs-ZÜNDMODULS in ge
schlossener Ausführung, etwa 2-fach vergrößert;
Fig. 7 Seitenansicht eines Low-Cost ZÜNDMODULS in offener Ausführung,
teilweise geschnittene Ansicht des elektromagnetischen Aktors, etwa
3-fach vergrößert.
Fig. 1 zeigt in vereinfachter Form die grundlegenden Wandlerelemente 1, 2
und 3 des elektromagnetischen Festkörper-Spannungswandlers sowie deren
Anordnung und ihr Zusammenwirken.
Zur Erzielung der beabsichtigten Wirkung ist ein elektromechanischer Wandler 1
mit einem magnetomechanischen Wandler 2 über eine feste unnachgiebige
Einspannung, hier mit der wirkenden Spannkraft F(+) und F(-) vereinfacht dar
gestellt, mechanisch in Reihe geschaltet. Um einen Kurzschluß der Elektroden
des elektromechanischen Wandlers 1 zu vermeiden, sind die beiden Wand
lerelemente 1, 2 über einen Isolierplatte 3 mechanisch direkt gekoppelt.
Unter gleichzeitiger Ausnutzung zweier physikalischer Festkörpereffekte, einer
seits den piezoelektrischen Effekt sowie reziproken Piezoeffekt und anderer
seits den magnetostriktiven sowie magnetoelastischen Effekt, wird mit der zuvor
beschriebenen Anordnung ein Miniatur-Motorgenerator realisiert. Dabei dehnt
sich das im Motorbetrieb arbeitende aktive Wandlerelement 1 bzw. 2 durch
Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie aus, wodurch das im Ge
neratorbetrieb arbeitende Wandlerelement 2 bzw. 1 zwangsweise zusammen
gedrückt wird und dabei mechanische in elektrische Energie umformt. Die me
chanische Energie wird mittels direkter Kraftkopplung übertragen, wobei die
Ausdehnung des aktiven Wandlerelements von Schubkräften begleitet wird,
welche einen Druck auf das passive Wandlerelement ausüben und dieses zu
sammendrücken.
Beim magnetomechanischen Wandlerelement 2 geschieht die Umwandlung von
mechanischer in elektrische Energie und umgekehrt unter Ausnutzung des ma
gnetoelastischen sowie magnetostriktiven Effekts mit Hilfe einer Induktions-
bzw. Feldspule, in der durch die Änderung des umgebenden Magnetfeldes eine
Spannung induziert bzw. durch Bestromung eine Feldänderung erzeugt wird.
Der elektromechanische Wandler 1 ermöglicht durch den piezoelektrischen Ef
fekt sowie den reziproken Piezoeffekt die direkte Umwandlung von mechani
scher Energie in elektrische Energie und umgekehrt.
Der in Fig. 2 schematisch dargestellte Motorgenerator, bei dem die erfin
dungsgemäße Anordnung als Abwärtswandler betrieben wird, besteht im we
sentlichen aus einem als piezoelektrischen Aktor 1.1 wirkenden elektromechani
schen Wandler, bei dem die Umwandlung von elektrischer in mechanische
Energie erfolgt und einem als elektromagnetischen Generator 2.1 wirkenden
magnetomechanischen Wandler, bei dem die Umwandlung von mechanischer
in elektrische Energie erfolgt.
Dabei sind die beiden mechanisch in Reihe geschalteten Wandlerelemente, der
piezoelektrische Aktor 1.1 und der elektromagnetische Generator 2.1, über ei
nen Isolator 3 direkt gekoppelt. Die feste unnachgiebige, hier nicht näher be
schriebene Einspannung der hintereinander angeordneten Einzelelemente be
wirkt, daß die im Betriebsfall erzeugte mechanische Energie über den Isolator 3
mittels direkter Kraftkopplung übertragen wird.
Wird an den pieozoelektrischen Aktor 1.1, hier als Multilayer dargestellt, eine
Spannung angelegt, so ändern sich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes
seine Abmessungen. Bei einem translatorischen Aktor ist dieses Formände
rungsverhalten auf maximale Längendehnung ausgelegt. Bei einer festen Ein
spannung wirkt nun diese Ausdehnung von +ΔI mit der gleichzeitig einherge
henden Schubkraft als Druckkraft auf den magnetoelastischen Kern 2.1.1 des
elektromagnetischen Wandlers 2.1, wodurch der magnetoelastische Kern 2.1.1
zusammengedrückt wird. Diese Formänderung bzw. Verkürzung um -ΔI des ma
gnetoelastischen Kerns 2.1.1 führt zur Änderung des Makrogefüges - die
Weiß'schen Bezirke orientieren sich neu in diesem - was eine Änderung des
umgebenden Magnetfeldes zur Folge hat. Diese Feldänderung bewirkt durch
die damit verbundene zeitliche Veränderung des Magnetflusses, daß in der In
duktionsspule 2.1.2 eine elektrische Spannung induziert wird. Durchsetzt nun
der magnetische Fluß mehrere Windungen, wie es bei einer Spule der Fall ist,
so addieren sich die induzierten Spannungen entsprechend der Anzahl der
Windungen.
Ein Abbau der angelegten Spannung am piezoelektrischen Aktor 1.1 läßt den
zuvor beschriebenen Prozeß rückwärts ablaufen. Der piezoelektrische Aktor 1.1
verkürzt sich entsprechend der Spannungsabnahme an seinen Elektroden und
nimmt letztendlich seine Ausgangsform wieder an. Die dabei abnehmende
Druckkraft auf den magnetoelastischen Kern 2.1.1 erlaubt dessen Dehnung
wieder bis zu seiner Ursprungslänge. Diese Formänderung des magnetoelasti
schen Kerns 2.1.1 führt wieder zur Rückstellung der Weiß'schen Bezirke mit
den einhergehenden Folgen einer daraus resultierenden Feldänderung und der
dadurch induzierten Spannung in der Induktionsspule.
In einem weiteren in Fig. 3 dargestellten Motorgenerator wird die vorgeschla
gene Anordnung als Aufwärtswandler betrieben, wobei hier der magnetome
chanische Wandler als elektromagnetischer Aktor 2.2 und der elektromechani
sche Wandler als piezoelektrischer Generator 1.2 arbeitet.
Wird die Feldspule 2.2.2 des magnetostriktiven Kerns 2.2.1 bestromt, so ändern
sich unter dem Einfluß des magnetischen Feldes seine Abmessungen. Das Ma
gnetfeld bewirkt ein Ausrichten der Weiß'schen Bezirke entsprechend dem
Feldlinienverlauf, wodurch der magnetostriktive Kern 2.2.1 maßgeblich eine
Längenänderung in Magnetisierungsrichtung erfährt. Bei einer festen Einspan
nung wirkt nun diese Längsdehnung von +ΔI mit der gleichzeitig einhergehen
den Schubkraft auf den piezoelektrischen Generator 1.2, wodurch dieser zu
sammengedrückt wird. Die Deformation um -ΔI bewirkt eine Ausrichtung der
elektrischen Dipole in den Domänen des piezoelektrischen Generators 1.2, was
zu einer Ladungsverschiebung führt und somit eine Spannung an den beiden
Elektroden erzeugt. Die Größe der erzeugten Spannung wird hauptsächlich von
der einwirkenden Kraft, von der Länge und dem Querschnitt sowie der piezo
elektrischen Spannungskonstante, der für die Energieumwandlung maßgebli
chen Materialkonstante des piezoelektrischen Generators 1.2 bestimmt.
Ein Abbau des Stromes in der Feldspule 2.2.2 des magnetostriktiven Kerns
2.2.1 läßt den zuvor beschriebenen Prozeß wieder rückwärts ablaufen. Die dar
aus resultierende Verkürzung von -ΔM des magnetostriktiven Kerns 2.2.1 führt
wieder zu einer mechanischen Entlastung und somit zu einer Verlängerung des
piezoelektrischen Generators 1.2 um +ΔI, was wiederum die Rückstellung der
elektrischen Dipole mit der einhergehenden Ladungsverschiebung hervorruft.
Die durch aufgebrachten Druck erzeugten Ladungen und Spannungen haben
entgegengesetzte Polarität wie die Ladungen und Spannungen, die bei der
Entlastung entstehen. Ebenso ist die momentane Spannung an den Elektroden
von der Beschaltung des Ausgangs abhängig.
Bei der Nutzung als Zündspannungsgenerator ist eine entsprechende Funken
strecke parallelgeschaltet, über die bei Erreichen der Durchbruchspannung ein
Ladungsausgleich stattfindet, wobei der Zündgenerator während der Entladung
mit dem Widerstand der leitenden Funkenstrecke belastet wird. Eine Funken
entladung kann, abhängig von der erreichbaren Spannung am unbelasteten
Ausgang sowie der Höhe der Durchbruchspannung, ein oder mehrmals beim
Zusammendrücken und genauso oft bei seiner Entlastung stattfinden.
Beim Betrieb als Hochspannungsgenerator kann über die Parallelschaltung ei
nes angepaßten Lastwiderstandes die durch periodische Druck und Entspan
nung des piezoelektrischen Generators erzeugte Wechselspannung optimal
ausgenutzt werden.
In Fig. 4 wird anhand eines anspruchsvollen Ausführungsbeispiels veran
schaulicht, wie man mit dem vorgeschlagenen Elektromagnetischen Festkörper-
Spannungswandler ein neues hochwertiges Produkt entwickelt und welche
technisch-technologischen Möglichkeiten sich damit eröffnen.
Bei dem dargestellten 230 V-LED-LEUCHTMITTEL wird deutlich gemacht, wie
auf engstem Raum eine betriebssichere Spannungswandlung bei geringer Er
wärmung und sicherer Trennung vom Primärnetz realisiert wird. Für eine opti
male Umsetzung von 230 V Wechselspannung in eine Kleinspannung ist als
elektromechanischer Wandler ein piezoelektrischer Aktor 1.1, welcher als Sta
pelaktor ausgebildet ist, eingesetzt. Der magnetomechanische Wandler ist als
elektromagnetischer Generator 2.1 ausgebildet und der Isolator 3 besteht aus
einer druckfesten Keramikscheibe. Der elektromagnetische Generator ist aus
einem magnetoelastischen Kern 2.1.1, aus einer supermagnetostriktiven Legie
rung wie zum Beispiel Terfenol-D, einer Induktionsspule 2.1.2 und einem Per
manentmagnet 2.1.3 zusammengesetzt. Durch das stationäre Feld des Perma
nentmagneten 2.1.3 erfährt der magnetoelastische Kern 2.1.1 eine Längenän
derung in Magnetisierungsrichtung. Damit wird eine Verdopplung des Deforma
tionsweges bei den selben Größenverhältnissen erreicht, ohne die zulässige
Druckspannung zu überschreiten. Die Verdopplung wird durch mechanische
Rückstellung der Ausdehnung des magnetoelastischen Kerns 2.1.1 bis zu sei
ner Ursprungslänge und den Deformationsweg bis zur maximal zulässigen
Druckbelastung erreicht, was eine Verdopplung des Leistungsumsatzes des
elektromagnetischen Wandlers mit sich bringt.
Durch die Nutzung der Multilayer-Technik kann der piezoelektrische Aktor 1.1
schon mit der im 230 V-Wechselspannungsnetz auftretenden Spitzenspannung
von 325 V seine maximale Ausdehnung erreichen. In Abhängigkeit vom einge
setzten Piezomaterial und der damit verbundenen zulässigen Feldstärke in Po
larisierungsrichtung von mehr als 2 kV/mm für den Betrieb mit einer Gleichspan
nung sowie der zulässigen Feldstärke von bis zu 1,2 kV/mm entgegen der Pola
risationsrichtung für den Betrieb mit Wechselspannung ergibt sich eine Schicht
dicke für einen einzelnen Layer von etwa 0,15 bis 0,3 mm.
Für eine feste unnachgiebige Einspannung sorgen hier der Schraubsockel
(Spannhülse) 5 mit fest eingebundener Isolator- und Druckplatte 4 und die
Spannschraube 6, welche die freie Druck- und Isolationsplatte 7 mit Lagesiche
rung 7.1 gegen die hintereinander angeordneten Funktionselemente 1.1, 2.1.1
und 3 drückt. Die Festigkeit der Spannelemente 4, 5, 6 und 7 muß hinreichend
hoch sein, damit eine unerwünschte Dehnung, bedingt durch die inneren Kräfte,
auf ein Minimum reduziert wird.
Über die Kontaktfedern 8 erfolgt die Spannungszufuhr für die Hauptelektroden
des piezoelektrischen Aktors 1.1. Die Anschlüsse 9 der Induktionsspule 2.1.2
leiten die erzeugte Kleinspannung zur Hochleistungs-Multichip-LED 10 weiter.
Wird nun an die Elektroden des piezoelektrischen Aktors 1.1 eine Spannung
gelegt, so dehnt sich dieser aus und drückt zwangsläufig den magnetoelasti
schen Kern 2.1.1 zusammen, was eine Feldänderung im Magnetkreis bewirkt.
Dadurch wird eine Spannung in der Induktionsspule 2.1.2 induziert, welche die
Multichip-LED 10 zum Leuchten anregt. Eine Klarsicht-Abdeckkappe 11 schützt
die empfindliche Multichip-LED 10 und sorgt gleichzeitig für die gewünschte
Lichtverteilung.
Um alle Vorteile der Multilayer-Technik im 230 V-Wechselspannungsnetz/50 Hz
optimal zu nutzen, ist die Erzeugung einer pulsierenden Gleichspannung mit ei
ner Graetzbrücke notwendig, wodurch eine Frequenzverdopplung erzielt wird.
Das bewirkt eine Verdopplung des Leistungsumsatzes beim Stapelaktor sowie
beim magnetoelastischen Kern und verhindert gleichzeitig eine Depolarisation
der piezoelektrischen Keramik. Da der Gleichrichter nur einen gerichteten
Stromfluß zuläßt, muß noch über einen gesonderten Strompfad ein periodischer
Spannungsabbau möglich gemacht werden. Diese Bauelemente können im
Sockelbereich integriert werden.
In Fig. 5 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein sehr einfach aufgebauter
230 V-STANDBY-WANDLER mit dem vorgeschlagenen elektromagnetischen
Festkörper-Spannungswandler, welcher als Abwärtswandler arbeitet, dargestellt.
Diese äußerst kompakte Low-Cost Version eignet sich in idealer Weise zur Er
zeugung einer Versorgungsspannung für Standby-Schaltungen, Melder und
Sensoren, da ein effektiver Energieumsatz auch im Kleinstleistungsbereich ge
geben und eine problemlose Integration in Elektronikkomponenten erfolgen
kann.
Hier werden die hintereinander angeordneten Wandlerelemente 1.1, 2.1.1 und 3
mit Hilfe eines einfachen Spannrings 5.1, der Druck- und Isolationsplatte 4 so
wie der Spannschraube 6 zusammengehalten. Die Druck- und Isolationsplatte 4
liegt formschlüssig im Spannring 5.1, wodurch eine Weiterleitung des Drehmo
mentes beim Spannen verhindert wird. Über die Anschlußleitung 8 erfolgt die
Zuführung der Netzspannung und die Anschlußleitung 9 stellt die Niederspan
nung zur Vertilgung.
Die Funktionsabläufe dieses Miniatur-Motorgenerators unterscheiden sich nicht
vom vorhergehenden Ausführungsbeispiel.
Mit Fig. 6 wird als weiteres Ausführungsbeispiel einen äußerst leistungsfähiger
ZÜNDSPANNUNGSGENERATOR; bei dem der elektromagnetische Festkörper
Spannungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, vorgestellt. In diesem Fall ar
beitet der elektromagnetische Aktor im Motorbetrieb und der piezoelektrische
Generator 1.2 im Generatorbetrieb. Die feste Einspannung der Wandlerele
mente 1.2, 2.2.1 und 3 wird hier ebenfalls mittels einer Spannhülse 5.2, der
Druck- und Isolationsplatte 4 und einer Spannschraube 6 erreicht. Über eine
Lagesicherungsscheibe 7.2 wird das beim Anziehen der Spannschraube auf
tretende Drehmoment abgefangen.
Wird nun die Feldspule 2.2.2 des elektromagnetischen Aktors bestromt, so er
folgt unter dem Einfluß des magnetischen Feldes eine Ausrichtung der
Weiß'schen Bezirke im magnetostriktiven Kern 2.2.1 entsprechend dem Feldli
nienverlauf, wodurch dieser maßgeblich eine Längenänderung in Magnetisie
rungsrichtung erfährt. Bei der festen Einspannung erzwingt die Längsdehnung
des magnetostriktive Kerns 2.2.1 mit der gleichzeitig einhergehenden Schub
kraft ein Zusammendrücken des piezoelektrischen Generators 1.2 um den glei
chen Betrag. Die Deformation bewirkt eine Ausrichtung der elektrischen Dipole
in den Domänen des piezoelektrischen Generators 1.2, was zu einer Ladungs
verschiebung führt und somit eine Spannung an den beiden Elektroden erzeugt.
Ein Abbau des Stromes in der Feldspule 2.2.2 des magnetostriktiven Aktors
2.2.1 läßt den zuvor beschriebenen Prozeß wieder umgekehrt ablaufen.
Bei diesem Zünd- und Hochspannungsgenerator ist eine einfache Ansteuerung
mit der im jeweiligen Anwendungsbereich benutzten Kleinspannung sowie im
Automobilbereich zur Verfügung stehenden Bordspannung möglich. In der
Schnittdarstellung wird besonders deutlich, wie mit geringstem Aufwand Span
nungen von mehreren tausend Volt sicher beherrscht werden.
In Fig. 7 ist als abschließendes Ausführungsbeispiel ein sehr einfach aufge
bauter HOCHSPANNUNGSGENERATOR mit dem vorgeschlagenen elektroma
gnetischen Festkörper-Spannungswandler, welcher als Aufwärtswandler arbei
tet, dargestellt. Bei dieser Low-Cost Version wurde schon allein durch die kon
struktive Gestaltung der Isolationsaufwand äußerst gering gehalten.
Die hintereinander angeordneten Wandlerelemente 1.2 und 2.2.1 werden mit
Hilfe eines einfachen Spannrings 5.2 und der Spannschraube 6 mechanisch
gekoppelt. Der Weicheisenkörper 2.2.3 liegt formschlüssig im Spannring 5.2 und
verhindert die Weiterleitung des Drehmoments beim Spannen.
Der piezoelektrische Generator 1.2 besteht hier aus zwei mechanisch in Reihe
und elektrisch parallel geschalteten Piezoelementen. Dabei liegen die Elektro
den mit demselben Potential einmal direkt aneinander und die mit entgegenge
setzter Polarität jeweils direkt auf Masse. Über die Anschlußleitung 9 wird die
Feldspule 2.2.2 bestromt, wodurch eine Feldänderung im elektromagnetischen
Aktor hervorgerufen wird, was wiederum eine Ausdehnung des magnetostrikti
ven Kerns 2.2.1 zur Folge hat. Die sich dabei aufbauenden Stellkräfte drücken
den piezoelektrischen Generator 1.2 zusammen, was zu einer Ausrichtung der
elektrischen Dipole in den Domänen und zwangsweise zu einer Ladungsver
schiebung führt. Die an den beiden Elektroden erzeugte Spannung kann dann
zwischen der Kontaktfeder 8 und einem beliebigen Massepunkt abgegriffen
werden. Durch den Aufbau mit zwei Elementen, welche mechanisch in Reihe
und elektrisch parallel geschaltet sind, ist ein Kurzschluß über die Einspannung
ausgeschlossen.
Die Wirkungsweise dieses Miniatur-Motorgenerators entspricht im weiteren dem
vorhergehenden Ausführungsbeispiel.
Der relativ einfache und modulare Aufbau des vorgeschlagenen elektromagneti
schen Festkörper Spannungswandlers, die wenigen konstruktiven Restriktionen,
die für die Umsetzung des Wandlerprinzips notwendig sind, seine Anwendbar
keit und. Abwandelbarkeit schaffen ideale Voraussetzungen für die Entwicklung
und wirtschaftliche Herstellung neuartiger, an den Erfordernissen des Marktes
orientierter Massenprodukte.
/1/ Piezoxide (PXE) Eigenschaften und Anwendungen von J. Koch
6.10 PXE-Transformatoren, Seite 163,
Valvo Unternehmensbereich Bauelemente der Philips GmbH, Dr. Alfred Hüthing Verlag GmbH
Valvo Unternehmensbereich Bauelemente der Philips GmbH, Dr. Alfred Hüthing Verlag GmbH
1
elektromechanischer Wandler
1.1
piezoelektrischer Aktor (Motor)
1.2
piezoelektrischer Generator
2
magnetomechanischer Wandler
2.1
elektromagnetischer Generator
2.1.1
magnetoelastischer Kern
2.1.2
Induktionsspule
2.1.3
Permanentmagnet
2.2
elektromagnetischer Aktor (Motor)
2.2.1
magnetostriktiver Kern
2.2.2
Feldspule
2.2.3
Weicheisenkörper
3
Isolator
4
Isolator- und Druckplatte
5
Schraubsockel (Spannhülse)
5.1
Spannring
5.2
Spannhülse, Spannring
6
Spannschraube
7
Druck- und Isolationsplatte
7.1
Lagesicherung
7.2
Lagesicherungsscheibe
8
Kontaktfedern, Anschlußleitung
9
Anschlußleitung
10
Hochleistungs-Multichip-LED
11
Klarsicht-Abdeckkappe
Claims (10)
1. Elektromagnetischer Festkörper-Spannungswandler für niederfrequente
Impuls- und Wechselspannungen im Klein- und Kleinstleistungsbereich, da
durch gekennzeichnet, daß ein elektromechanischer Wandler (1) unter
Nutzung des direkten sowie reziproken Piezoeffekts mit einem magneto
mechanischen Wandler (2) unter Nutzung des magnetoelastischen sowie
magnetostriktiven Effekts über einen Isolator (3) mechanisch direkt gekop
pelt sind und eine gemeinsame in sich geschlossene Funktionseinheit bil
den.
2. Elektromagnetischer Festkörper-Spannungswandler nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler (1) als piezo
elektrischer Aktor (1.1) und der magnetomechanische Wandler (2) als elek
tromagnetischer Generator (2.1) ausgebildet ist und als Abwärtswandler ar
beitet.
3. Elektromagnetischer Festkörper-Spannungswandler nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß der magnetomechanische Wandler (2) als
elektromagnetischer Aktor (2.2) und der elektromechanische Wandler (1)
als piezoelektrischer Generator (1.2) ausgebildet ist und als Aufwärts
wandler arbeitet.
4. Elektromagnetischer Festkörper-Spannungswandler nach Anspruch 1, 2
und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (3) als druckfeste Kera
mikscheibe ausgebildet ist.
5. Elektromagnetischer Festkörper-Spannungswandler nach Anspruch 1 und
2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Aktor (1.1) als Sta
pelaktor ausgebildet ist.
6. Elektromagnetischer Festkörper-Spannungswandler nach Anspruch 1, 2
und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Generator
(2.1) aus einem magnetoelastischen Kern (2.2.1), einer diesen umgeben
den Induktionsspule (2.2.2) und einem Permanentmagnet (2.2.3) besteht.
7. Elektromagnetischer Festkörper-Spannungswandler nach Anspruch 1, 2
und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Aktor (2.2)
aus einem magnetostriktiven Kern (2.2.1), einer diesen umgebenden Feld
spule (2.2.2) und einem Weicheisenkörper (2.2.3) besteht.
8. Elektromagnetischer Festkörper-Spannungswandler nach Anspruch 1, 6
und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetoelastischen Kern (2.2.1)
und der magnetostriktive Kern (2.2.1) aus einer supermagnetostriktiven Le
gierung, wie zum Beispiel Terfenol-D, besteht.
9. Elektromagnetischer Festkörper-Spannungswandler nach Anspruch 1 und 3
dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Generator (1.2) aus
mindestens zwei elektrisch in Reihe oder parallel geschalteten Piezoele
menten besteht.
10. Elektromagnetischer Festkörper-Spannungswandler nach Anspruch 1 bis 9
dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler (1), der
magnetomechanische Wandler (2) und der dazwischen angeordnete Iso
lator (3) von einer Spannhülse bzw. einem Spannring (5) umgeben und in
axialer Richtung mit einem Spannelement (6) verspannt sind.
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