DE10025028A1

DE10025028A1 - Elektromagnetischer Festkörper-Spannungswandler

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Publication number: DE10025028A1
Application number: DE10025028A
Authority: DE
Inventors: Josef Roediger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-20
Filing date: 2000-05-20
Publication date: 2001-02-08
Anticipated expiration: 2020-05-21
Also published as: DE10025028C2; WO2001091519A1; AU6579401A; WO2001091276A1; WO2001091200A1; AU6579301A; AU6579501A

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.

Quellennachweis

/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

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

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

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.