DE10055908A1 - Vorrichtung zum Gewinnen elektrischer Energie - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Gewinnen von elektrischer Energie mit einer in oder an einem Träger (1) mittels Federelementen (6) schwingfähig angeordneten Schwungmasse (8) und einem Lineargenerator (20) zur Umwandlung der Energie der Schwingbewegungen der Schwungmasse (8) in elektrische Energie. Diese Vorrichtung weist Endlagenbegrenzungen (33) auf, welche einen Schwingbereich, in dem die Schwungmasse (8) in oder am Träger (1) hin- und herschwingt, auf einen Bruchteil eines maximal zulässigen Federwegs der Federelemente (6) begrenzen. Beim Abbremsen der Schwungmasse (8) speichern die Endlagenbegrenzungen (33) die aufgenommene kinetische Energie der Schwungmasse (8) weitgehend in Form von potentieller Energie zwischen und geben sie beim Zurückschwingen der Schwungmasse (8) wieder als kinetische Energie an die Schwungmasse (8) ab.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Gewinnen von elektrischer Energie mit einer in oder an einem Träger mittels Federelementen schwingfähig angeordneten Schwungmasse und einem Lineargenerator zur Umwandlung der Energie der Schwingbewegungen der Schwung­ masse in elektrische Energie. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Eine derartige Vorrichtung ist bereits in der DE 198 09 309 1 be­ schrieben. Die Vorrichtung dient hier zur Gewinnung von Strom auf Wasserfahrzeugen, insbesondere zum Laden von Akkumulatoren. Durch die aufgrund der Wellen verursachten Auf- und Abwärtsbewegungen des Wasserfahrzeugs wird die Schwungmasse im bzw. am Träger in Relativbewegungen versetzt. Die kinetische Energie der Schwungmasse wird mittels des Lineargenerators in elektrische Energie umgewandelt. Die Schwungmasse ist dabei im Träger an mehreren Schwingen ange­ ordnet und wird von Druckfedern unterstützt. Dieser Aufbau hat jedoch den Nachteil, dass die Reibung relativ hoch ist, sodass die Energieaus­ beute bei kleinen Schaukelbewegungen, beispielsweise bei Wellen im Küstenbereich, nur sehr gering ist.

Weitere Vorrichtungen der eingangs genannten Art werden in der US 3,696,251 beschrieben. Bei einer ersten dort beschriebenen Variante wird die Schwungmasse in einem Gestell auf parallel angeordneten Druckfedern gelagert. In einer anderen Variante dieser Schrift ist die Schwungmasse von obenseitig an der Schwungmasse angreifenden Zugfedern im Träger aufgehängt.

Sinnvollerweise sollte die Eigenfrequenz des Gesamtsystems möglichst gut an die Frequenz der erwarteten Wellenbewegungen, welche das ganze System anregen, angepasst sein. Bei der Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenenergie auf See ist dabei von relativ langen Perioden zwischen 1 und 10 Sekunden Dauer zu rechnen. Daher ist es erforderlich, dass Federelemente mit einer möglichst geringen Federkonstante bei einer relativ großen Schwungmasse verwendet werden, um eine möglichst geringe Eigenfrequenz zu erreichen.

Da die Federelemente bei entsprechenden Wellenbewegungen permanent von einer Endlage in die andere gebracht werden, unterliegen sie einer großen dynamischen Dauerbelastung. Insbesondere bei Verwendung einer großen Schwungmasse an Federelementen mit einer nur geringen Feder­ konstante führt diese Belastung zu einer starken Verringerung der Lebensdauer der Federelemente, sodass derartige Vorrichtungen mit großem Aufwand häufig gewartet werden müssen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu diesem Stand der Technik zu schaffen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, das die Vorrichtung Endlagen­ begrenzungen aufweist, welche den Schwingbereich, in dem die Schwungmasse in oder am Träger auf und abschwingt, auf einen Bruch­ teil eines maximal zulässigen Federwegs der Federelemente begrenzen, und welche beim Abbremsen der Schwungmasse die kinetische Energie der Schwungmasse weitgehend in Form von potentieller Energie zwischenspeichern und beim Zurückschwingen der Schwungmasse, von der jeweiligen Endlagenbegrenzung weg, als kinetische Energie wieder an die Schwungmasse abgeben.

Die Endlagenbegrenzungen sorgen dafür, dass unter Normalbedingungen, d. h. mit Ausnahme von extremen Stößen oder dergleichen, nur ein Teil des maximal zulässigen Federwegs der Federelemente, an denen die Schwungmasse aufgehängt ist, benutzt wird. Da die Federelemente nicht mehr regelmäßig in ihre extremen Endlagen, in denen die Federelemente stark gedehnt oder gestaucht werden, gebracht werden, wird ihre mechanische Beanspruchung stark reduziert. Dadurch kann trotz der dynamischen Dauerbelastung eine relativ lange Lebensdauer der Feder­ elemente erreicht werden. Da die Endlagenbegrenzungen die beim Abbremsen der Schwungmasse frei werdende kinetische Energie in Form von Verformungsenergie zwischenspeichern und beim Rückschwung wieder an die Schwungmasse zurückgeben, wird der Wirkungsgrad durch derartige Endlagenbegrenzungen, im Gegensatz zu rein dämpfenden Endlagenbegrenzungen nicht verringert. Durch eine Wahl besonders geeigneter Endlagenbegrenzungen ist eine Variation der Eigenfrequenz des Gesamtsystems möglich.

Als Federelemente, mittels der die Schwungmasse an bzw. in dem Träger schwingfähig gehalten ist, werden vorzugsweise Schraubenfedern, bei­ spielsweise aus Stahl, eingesetzt. Im Prinzip können aber auch geeignete Gummibänder oder dergleichen verwendet werden.

Bei dem Träger kann es sich im einfachsten Fall um einen in einem Wasserfahrzeug oder einem sonstigen Schwimmkörper montierten Trag­ arm o. ä. handeln, an dem die Schwungmasse aufgehängt ist. Vorzugs­ weise handelt es sich aber um einen stabilen Rahmen, bzw. Gestell, oder sogar um ein geschlossenes Gehäuse in dem die Schwungmasse schwing­ fähig angeordnet ist. Im Folgenden wird von einer solchen Version aus­ gegangen.

Die Endlagenbegrenzungen sollten so aufgebaut sein, dass sie ein "Durchschlagen" der Schwungmasse in einen Bereich außerhalb der zulässigen Federweglänge der Federelemente auch unter Extrem­ bedingungen sicher verhindern. Insbesondere beim Einsatz einer solchen Vorrichtung auf See, an ortsfesten Positionen, beispielsweise in Signal­ tonnen, sollte die Vorrichtung zudem möglichst geräuscharm arbeiten, um die dort lebenden Tiere nicht zu stören. Das gleiche gilt beim Einsatz auf Wasserfahrzeugen, auf denen sich während des Betriebs ständig Personen aufhalten. Die Endlagenbegrenzungen sollten daher eine stark progressive Weg-Kraft-Funktion aufweisen.

Vorzugsweise sind die Endlagenbegrenzungen elastisch aufgebaut und bestehen beispielsweise im Wesentlichen aus geeigneten Druckfedern.

Alternativ können die Endlagenbegrenzungen ein Gaspolster aufweisen, welches beim Abbremsen der Schwungmasse komprimiert wird, indem beispielsweise ein mit der Schwungmasse gekoppelter Kolben in einem mit geeignetem Gas (wobei es sich auch um Luft handeln kann) gefüllten Zylinder verfahren wird.

Bei einer weiteren Alternative sind die Endlagenbegrenzungen, bzw. auch entsprechende Teile der Schwungmasse, so aufgebaut, dass die Schwungmasse in den beiden Endlagen magnetisch abgestoßen wird.

Selbstverständlich sind die genannten Variationen zum Aufbau der End­ lagenbegrenzungen auch untereinander kombinierbar.

Vorzugsweise ist die Schwungmasse an Federelementen, insbesondere Zugfedern, im Träger aufgehängt. Eine Konstruktion, bei der die Schwungmasse auf Druckfedern gelagert ist, ist im Rahmen dieser Er­ findung ebenso möglich. Um ein Umknicken der vorzugsweise langen Druckfedern zu verhindern, müssen diese jedoch in der Regel auf Führungsstangen oder in Führungsrohre geschoben sein.

Dies führt zu ständiger Reibung zwischen den Druckfedern und ihren Führungen, was sich leistungsmindernd auswirkt und außerdem den Verschleiß erhöht. Zudem führt die Reibung der Druckfedern an ihren Führungen zu unerwünschten Geräuschen.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Schwung­ masse an Federelementen, insbesondere Zugfedern, im Träger aufgehängt, welche zumindest teilweise von oben nach unten entlang der Schwung­ masse verlaufen und in einem unteren Bereich der Schwungmasse an dieser befestigt sind. Die Aufhängung im unteren bereich der Schwung­ masse ermöglicht trotz einer in Schwingrichtung relativ kurzen, stabilen Bauweise die Verwendung von relativ langen Zugfedern. Dadurch ist es auch möglich, große Schwungmassen an Federn mit besonders geringen Federkonstanten aufzuhängen. Bei kompaktem und stabilem Aufbau der Vorrichtung besteht daher die Möglichkeit, die Eigenfrequenz in einem weiten Bereich einzustellen. Aufgrund der Aufhängung an den Feder­ elementen sind die Reibung und die Geräuschentwicklung sehr gering.

Um die Reibung weiter zu minimieren und den Wirkungsgrad der Vor­ richtung zu verbessern, wird die Schwungmasse vorzugsweise entlang einer einzelnen Führung geführt, wobei diese Führung gleichzeitig entweder den Primärteil oder den Sekundärteil des Lineargenerators umfasst.

Unter dem Primärteil des Lineargenerators wird im Rahmen dieser Schrift der Teil des Lineargenerators verstanden, welcher das magnetische Feld aufbaut. Unter Sekundärteil wird der Teil des Lineargenerators ver­ standen, in dem mittels des vom Primärteil aufgebauten Magnetfelds eine elektrische Spannung induziert und an dem diese Spannung abgegriffen wird.

Sinngemäß ist an der Schwungmasse entsprechend der Sekundärteil bzw. der Primärteil des Lineargenerators angeordnet, welcher auf geeignete Weise zur Führung und zur Stromgewinnung mit der Führung zusammenwirkt. Das heißt, die gesamte Schwungmasse wird nur mit Hilfe des speziell aufgebauten Lineargenerators geführt. Durch diese alleinige Führung nur durch den Lineargenerator ist für ein Minimum an Reibung zugunsten eines besseren Wirkungsgrads gesorgt.

Dabei ist es im Prinzip möglich, dass die Führung selbst nur den Primärteil beziehungsweise nur den Sekundärteil des Lineargenerators umfasst und das entsprechende Gegenteil an der Schwungmasse befestigt ist. Im Prinzip ist es selbstverständlich aber auch möglich, einen entlang der Schwingrichtung unterteilten Lineargenerator zu verwenden, bei dem abschnittsweise die Führung ein Primärteil und ein Sekundärteil aufweist und jeweils in bzw. an der Schwungmasse entsprechende Abschnitte angeordnet sind.

Um ein Auftreten von Reibungskräften durch ein Verkanten oder Ver­ kippen der Schwungmasse gegenüber der Führung zu vermeiden, läuft die durch die Führung gebildete Führungsachse vorzugsweise durch den Schwerpunkt der Schwungmasse. Hierbei bezieht sich der Schwerpunkt auf die gesamte Schwungmasse, welche an den Feder­ elementen hängt; das heißt einschließlich Gewichten, Halterungen bzw. Träger für Gewichte, Primär- bzw. Sekundärteil des Lineargenerators etc. Bei symmetrischem Aufbau läuft die Führungsachse genau zentrisch durch die Schwungmasse.

Insbesondere wird ein vorteilhafter Aufbau erreicht, wenn die Schwung­ masse an mehreren symmetrisch um die Führung verteilt angeordneten, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Führung verlaufenden Feder­ elementen aufgehängt ist.

Die Federelemente verlaufen dabei in einem Abstand parallel neben der Führung. Dies hat zusätzlich zur Folge, das bei einer Verdrehung der Schwungmasse um die Führungsachse, automatisch eine rückstellende Kraftkomponente durch die Zugkraft der Federelemente hervorgerufen wird. Diese rückstellende Komponente wächst mit dem Verschwenk­ winkel. Die Schwungmasse kann daher nur in begrenztem Maße um die Führung verschwenkt werden. Bei einem bevorzugten Ausführungs­ beispiel weist die Vorrichtung noch spezielle Schwenkbegrenzungen auf, welche eine Verdrehung der Schwungmasse um die Führungsachse zu­ sätzlich begrenzen. Beispielsweise kann es sich hierbei um elektrisch leitende Bänder oder dergleichen handeln, durch die die gewonnene elektrische Energie am gegebenenfalls an der Schwungmasse befindlichen Sekundärteil abgegriffen werden kann. Es kann sich auch um Gummi­ bänder oder Ähnliches handeln, welche noch eine zusätzliche Rückstellkraft aufbringen.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird eine Führung verwendet, welche aus einem Führungsrohr besteht, das zumindest teilweise mit permanentmagnetischem Material befüllt ist.

Das befüllte Führungsrohr ist sehr stabil, wodurch eine unempfindliche Führung erreicht wird. Außerdem ist mit einem derartigen, zumindest teilweise mit permanentmagnetischem Material befüllten Führungsrohr eine sehr hohe Leistungsdichte erreichbar. Das Führungsrohr bildet somit einen äußerst leistungsfähigen Primärteil. Die Verwendung eines solchen, zumindest teilweise mit permanentmagnetischem Material befüllten Führungsrohrs bildet einen eigenständigen Erfindungsgedanken, der auch in Verbindung mit anderen Konstruktionen, welche ohne Endlagenbegrenzungen arbeiten, sinnvoll ist.

Im Einzelnen kann das Führungsrohr schichtweise mit Permanentmagnet­ scheiben von unterschiedlicher Polarität bestückt sein. Hierbei sind zwei verschiedene Aufbauten möglich. Zum einen kann es sich um diametral magnetische Scheiben handeln. In diesem Fall können z. B. die Magnet­ scheiben direkt übereinander gelegt werden. Zum anderen kann es sich aber auch um axial magnetische Scheiben handeln. In diesem Fall werden jeweils zwischen den Magnetscheiben Scheiben aus magnetisierbarem Material, z. B. ferromagnetischem Material wie Weicheisen, angeordnet, welche die magnetischen Feldlinien entsprechend ausrichten.

Selbstverständlich ist es auch möglich, im Führungsrohr zwischen den einzelnen Magnetscheiben bzw. Scheiben aus magnetisierbaren Material an beliebeigen Stellen Distanzhalterscheiben aus nichtmagnetisierbarem Material anzuordnen. Damit kann die Leistungsdichteverteilung entlang des Führungsrohrs beliebig eingestellt werden, wobei auch lokal unter­ schiedliche Bereiche mit verschiedener Leistungsdichte möglich sind.

Bei einer ersten Variante dieses Ausführungsbeispiels ist das als Primär­ teil des Lineargenerators ausgebildete Führungsrohr ortsfest im Träger angeordnet. Die Schwungmasse weist dabei den Sekundärteil des Linear­ generators auf und enthält einen Spulenkörper, welcher zur Führung der Schwungmasse das Führungsrohr umgreift. Dieser Spulenkörper weist als Spulenträger einen Eisenkern auf, auf dem die Spule angeordnet ist.

Bei einer zweiten bevorzugten, genau umgekehrt arbeitenden Variante ist das als Primärteil des Lineargenerators ausgebildete Führungsrohr wesentlicher Teil der Schwungmasse. Der Sekundärteil des Linear­ generators ist dagegen ortsfest im Träger angeordnet. Auch hier weist der Sekundärteil einen Spulenkörper mit Eisenkern auf, welcher zur Führung der Schwungmasse das Führungsrohr umgreift.

Dadurch, dass ein hülsenförmiger Spulenkörper das Führungsrohr um­ greift, ist eine sehr stabile Führung gewährleistet, wobei sinnvollerweise der Spulenkörper auf der Außenwandung des Führungsrohrs mittels entsprechender Lagerelemente, wie beispielsweise Kugellager oder Gleitlager, gelagert ist, um die Reibung zu mininieren. Diese Führungs­ elemente befinden sich jeweils in einem axialen Abstand zueinander, vorzugsweise oberhalb und unterhalb - bezogen auf die Schwing­ richtung - der eigentlichen Wicklungen des Sekundärteils. am Spulen­ körper, wodurch die Führung besonders stabil ist.

In einen zweiten vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird eine Führung verwendet, welche aus einer säulenartigen Innenführung und einer rohr­ förmigen Außenführung besteht. Auf der säulenartigen Innenführung sind ebenso permanentmagnetische Ringe und Distanzringe angebracht wie in der rohrförmigen Außenführung, und zwar so, dass sich jeweils ein permanentmagnetischer Ring auf der säulenförmigen Innenführung und ein permanentmagnetischer Ring in der Außenführung mit einem Abstand zwischen ihrem Außen- und Innendurchmesser, radial einander gegenüber befinden. Zwischen dem Außendurchmesser der Ringe auf der säulen­ förmigen Innenführung und dem Innendurchmesser der Ringe in der rohrförmigen Außenführung besteht also ein ringförmiger Luftspalt.

Ein eisenloser, ringförmiger Spulenkörper wird zwischen den Ringen auf der Innenführung und den Ringen in der Außenführung mit geringem Ab­ stand zu den Ringen in Richtung der Längsachse der Zentralführung bewegt.

Die Führung bildet auch in diesem Ausführungsbeispiel den Primärteil des Lineargenerators.

Diese Anordnung bildet ebenfalls eine sehr stabile Führung und einen sehr leistungsfähigen Lineargenerator. Ein besonderer Vorteil der be­ schriebenen Anordnung ist darin zu sehen, dass die Magnetkräfte, sofern sie sich nicht im Lineargenerator neutralisierenden - was leider nur unter absolut idealen Bedingungen der Fall ist - nur innerhalb des Teils wirken, welcher die Magnete enthält, und nicht auf den anderen, relativ dazu beweglichen Teil. Sollten sich die Magnetkräfte aufgrund beliebiger Um­ stände, zum Beispiel Exzentrizität der Bauteile zueinander oder inhomo­ gener Strukturen im Permanentmagnetmaterial, nicht gegenseitig neutra­ lisieren, so kann die auftretende Differenzkraft folglich nicht auf die Führung zwischen Primärteil und Sekundärteil einwirken. Zudem ist in vorteilhafter Weise durch die feste Position der Magnetringe zueinander, die beiderseits eines eisenlosen Spulenkörpers angeordnet sind, sicher­ gestellt, dass Relativbewegungen in Längsrichtung der Führung zwischen Primärteil und Sekundärteil kein auf die Wirkung der Magnetkräfte zurückzuführender Widerstand entgegengesetzt wird. Die Verwendung einer solchen Anordnung, welche aus einer säulen­ artigen Innenführung, auf der permanentmagnetische Ringe und Distanz­ ringe angebracht sind, und einer rohrförmigen Außenführung, in der permanentmagnetische Ringe und Distanzringe so angebracht sind, dass sich jeweils ein permanentmagnetischer Ring auf der säulenartigen Innen­ führung und ein permanentmagnetischer Ring in der röhrenförmigen Außenführung mit einem Abstand zwischen Innen- und Außenringen radial einander gegenüber befinden und in deren ringförmigen Luftspalt zwischen den Ringen ein ebenfalls ringförmiger, eisenloser Spulenkörper mit geringem Abstand zu den Ringen in Richtung der gemeinsamen Längsachse der säulenartigen Innenführung und der röhrenförmigen Außenführung bewegt wird, besteht, bildet einen eigenständigen Erfindungsgedanken, der auch in Verbindung mit anderen Konstruk­ tionen, welche ohne Endlagenbegrenzungen arbeiten, sinnvoll ist.

Wie beim ersten vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist auch hier in einer ersten Variante die Innen- und Aussenführung mit dem Träger fest ver­ bunden. Die Schwungmasse weist auch hier den Sekundärteil des Linear­ generators auf und enthält einen Spulenkörper, der jedoch bei dieser Variante eisenlos ist. Der Spulenkörper ist ringförmig und wird in dem seinerseits ringförmigen Luftspalt zwischen den Ringen auf der Innen­ führung und den Ringen in der Außenführung mit geringem Abstand zu den Ringen in Richtung der Längsachse der Führung bewegt. Der Spulenkörper ist mit Führungselementen verbunden, welche die säulenartige Innenführung und/oder die rohrförmige Außenführung in axialem Abstand zueinander umschließen.

Die zweite bevorzugte Variante dieses zweiten Ausführungsbeispiels wirkt wieder genau umkehrt wie die erste Variante. Eine als Primärteil des Lineargenerators ausgebildete Innen- und Außenführung ist wieder wesentlicher Teil der Schwungmasse. Der Sekundärteil des Linear­ generators, der den in dieser Variante eisenlosen, ringförmigen Spulen­ körper enthält, ist ortsfest mit dem Träger verbunden. Der Spulen­ körper ist mit Führungselementen verbunden, welche die säulenartige Innenführung und/oder die rohrförmige Außenführung in axialem Abstand zueinander umschließen.

Bei einem Aufbau gemäß den ersten Varianten der beiden Ausführungs­ beispiele, bei dem sich der Sekundärteil des Lineargenerators, an dem die Spannung abgegriffen wird, an der Schwungmasse befindet, ist es be­ sonders vorteilhaft, wenn die Akkumulatoren zur Speicherung der Energie Teil der Schwungmasse sind. In diesem Fall wird das Gesamtgewicht reduziert, da zusätzliche Ballastmasse eingespart werden kann. Bei einer Verwendung der Vorrichtung auf Wasserfahrzeugen hat dies insbesondere den Vorteil, dass durch die Vorrichtung die Nutzlast nicht unnötig verringert wird.

Bei einem Aufbau gemäß der zweiten Varianten der beiden beschriebenen Ausführungsbeispiele, bei denen der Sekundärteil fest mit dem Träger Verbunden ist, ist es besonders vorteilhaft, dass zur Stromabnahme eine Festverdrahtung verwendet werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet ihren Einsatz vorzugsweise bei der Umwandlung von Wellenenergie in elektrische Energie. Insbesondere ist hierbei ein Einsatz zur autarken Energieversorgung von einzelnen Geräten oder Wasserfahrzeugen, wie Segelyachten, Signaltonnen, Mess­ bojen oder dergleichen sinnvoll, bei denen nur geringere Energiemengen benötigt werden. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, bei ent­ sprechender Auslegung und Anpassung der Größe der Vorrichtung und/oder durch Verbund mehrerer Vorrichtungen größere Energiemengen zu gewinnen und diese zum Beispiel über geeignete Seekabel an Land zu führen.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dort dargestellten Merkmale können nicht nur in den genannten Kombi­ nationen, sondern auch einzeln oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Außerdem wird ausdrücklich darauf hinge­ wiesen, dass auch Merkmale, die nur bezüglich der Vorrichtung ausge­ führt werden, auch bezüglich des Verfahrens zum Betrieb der Vorrichtung erfindungswesentlich sein können und umgekehrt. Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungs­ gemäße Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel entlang der Schnittlinie C-D der Fig. 2;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Schnittlinie A-B;

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung durch die Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 entlang der Schnittlinie E-F in Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungs­ beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang einer Schnitt­ linie G-H in Fig. 5;

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung durch die Vorrichtung gemäß der Fig. 4 entlang der Schnittlinie I-J in Fig. 4;

Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungs­ beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Bei dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung als Träger 1 ein im wesentlichen quaderförmiges, ge­ schlossenes Gehäuse 1 mit einer Bodenplatte 3, einer parallel obenseitig angeordneten Deckenplatte 2 sowie rings umlaufenden Wänden 4 auf. Durch das geschlossene Gehäuse 1 ist die Vorrichtung gegen Eingriffe von außen und gegen Seewasser weitgehend geschützt.

Senkrecht in der Mitte des Gehäuses 1 erstreckt sich von der Boden­ platte 3 zur Deckenplatte 2 die Führung 10, welche aus der Innenführung und der Außenführung 12 besteht.

Die Innenführung 11 trägt abwechselnd geschichtet innere Permanent­ magnetringe 14 und innere Distanzringe 17, die Außenführung ent­ sprechend geschichtet äußere Permanentmagnetringe 15 und äußere Distanzringe 18.

Die Führung 10 mit der Innenführung 11, den inneren Permanent­ magnetringen 14 und den inneren Distanzringen 17 sowie der Außen­ führung 12 mit den äußeren Permanentmagnetringen 15 und den äußeren Distanzringen 18 bildet den Primärteil 9 des Lineargenerators 20.

Der Sekundärteil 21 des Lineargenerators 20 weist einen ringförmigen Spulenkörper 23 mit einem in diesem Ausführungsbeispiel eisenlosen Spulenträger auf, auf welchem sich entsprechende Wicklungen befinden. Dieser Spulenkörper ist mit einem Führungsring 24 versehen, der seiner­ seits in eine Führungshülse 25 eingesetzt ist. In den Führungsring 24 und die Führungshülse 25 sind Führungselemente 28 eingesetzt, die die Innenführung 11 bzw. die Außenführung 12 umgreifen. Durch diese An­ ordnung bedingt, wird der Spulenkörper 23 bei Relativbewegungen in Richtung der Längsachse L der Führung 10 mit jeweils geringem Abstand zwischen dem inneren Magnetringen 14 und den äußeren Magnetringen 15 bewegt, wodurch in den Wicklungen des Spulenkörpers 23 eine elektrische Spannung induziert wird.

Der stabile Sekundärteil 21 des Lineargenerators 20 ist mit einem Auf­ nahmegestell 29 fest verbunden, in welchem an zwei sich radial gegen­ überliegenden Seiten jeweils ein Akkumulator 30 untergebracht ist.

Oberhalb des einen Akkumulators 30 befindet sich außerdem im Auf­ nahmegestell 29 eine Ladeelektronik 31. Oberhalb des anderen Akku­ mulators 30 befindet sich ein entsprechendes Ausgleichsgewicht 32, sodass insgesamt die durch den Sekundärteil 21 des Lineargenerators 20, das Aufnahmegestell 29, die Akkumulatoren 30, die Ladeelektronik 31 und das Ausgleichsgewicht 32 gebildete Schwungmasse 8 ihren Schwer­ punkt auf der von der Führung 10 gebildeten Führungsachse L hat.

An den radial sich gegenüberliegenden, jeweils senkrecht zu den Akkumulatoren 30 liegenden Seiten des Sekundärteils 21 verlaufen jeweils mehrere parallel nebeneinander angeordnete Zugfedern 6. Diese Zugfedern 6 sind mit an deren oberen Enden angeformten Haken 7 an geeigneten Authängebolzen 5 in der Deckenplatte 2 des Gehäuses 1 der Vorrichtung aufgehängt. Untenseitig ist in entsprechende Haken 7 an den Zugfedern 6 die gesamte Schwungmasse 8 mit den am Aufnahmegestell 29 befestigten Aufnahmebolzen 5 eingehängt.

Die Zugfedern 6 erstrecken sich somit von der Unterkannte der Schwungmasse 8 über die gesamte Höhe der Schwungmasse 8 nach oben hinaus bis zur Deckenplatte 2 des Gehäuses 1. Aufgrund der Länge der Zugfedern 6 ist es möglich, einen langen Vorspannweg zuzulassen und Federn mit geringer Federkonstante zu verwenden. Aufgrund des langen Vorspannweges kann trotzdem eine relativ schwere Schwungmasse 8 getragen werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Schwungmasse 8 von insgesamt zehn Zugfedern 6 gehalten.

An der Bodenplatte 3 und der Deckenplatte 2, jeweils koaxial zur Führung 10, ist jeweils eine Endlagenbegrenzung 33 in Form einer Druckfeder 33 angebracht. Diese Druckfedern 33 sorgen dafür, dass nur ein Bruchteil - hier etwa ein Drittel - des maximal zulässigen Federweges der Zugfedern 6 benutzt wird. Auf diese Weise kann trotz der hohen dynamischen Belastung eine relativ lange Lebensdauer der Zugfedern 6 erreicht werden. Durch die Verwendung geeigneter Druckfedern 33 als elastische Endlagendämpfung 33 wird erreicht, dass die beim Anlauf der Schwungmasse 8 an die Druckfedern 33 abgegeben Energie nach Um­ kehrung der Bewegungsrichtung der Schwungmasse 8 fast vollständig als kinetische Energie an die Schwungmasse 8 zurückgegeben wird.

Da die Schwungmasse 8 symmetrisch zu Längsachse L der Führung 10 aufgebaut ist, kann im normalen Ablauf keine Kraft auftreten, die die Schwungmasse 8 um die Längsachse L zu verschwenken sucht. Geringe, zufällige Verschwenkungen der Schwungmasse 8 um die Längsachse L werden in der Regel selbsttätig begrenzt und revidiert, da in dem Fall durch die parallel zur Längsachse L verlaufenden Zugfedern 6 eine rückstellende Kraftkomponente aufgebaut wird, welche mit der Größe des Verschwenkwinkels und zunehmender Dehnung der Zug­ federn 6 wächst.

Zur zusätzlichen Sicherung ist das Aufnahmegestell 29 jeweils an den beiden äußeren Stirnenden der Akkumulatoren 30 durch Schwenkbe­ grenzungen 34 mit dem Gehäuse 1 verbunden. Die Längen der Schwenk­ begrenzungen 34 und die Abstände des Aufnahmegestells 29 zu dem Gehäuse 1 sind so gewählt, dass einerseits die Vertikalbewegungen der Schwungmasse 8 nicht behindert werden, andererseits das Aufnahmege­ stell 29 nicht am Gehäuse 1 anstoßen kann. Vorteilhafterweise können die Schwenkbegrenzungen 34 zum Leiten elektrischen Stromes von und zu den Akkumulatoren 30 verwendet werden.

In den Fig. 4 und 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Auch dieses Ausführungsbeispiel weist als Träger 1 ein geschlossenes Gehäuse 1 mit einer Bodenplatte 3, einer Deckenplatte 2 und um­ laufenden Wänden 4 auf. Es handelt sich hierbei jedoch um ein zylindrisches Gehäuse 1.

Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, enthält das Primärteil 9 dieses Ausführungsbeispiels ein zumindest teilweise mit Permanent­ magnetscheiben 16 und Distanzscheiben 19 befülltes Führungsrohr 13.

Das Führungsrohr 13 erstreckt sich nicht - wie die Zentralführung 10 im ersten Ausführungsbeispiel - von der Bodenplatte 3 bis zur Decken­ platte 2 des Gehäuses 1, sondern ist mindestens um die maximale Länge der Längsbewegung, die die Schwungmasse 8 relativ zum Ge­ häuse 1 ausführen kann, kürzer als die innere Länge des Gehäuses 1. An seiner unteren Stirnseite ist am Führungsrohr 13 eine Anlauf und Befestigungsscheibe 35 angeordnet.

Diese Anlauf und Befestigungsscheibe 35 weist Authängebolzen 5 auf, mit denen die Anlauf und Befestigungsscheibe 35 mit den an den unteren Enden der Zugfedern 6 angeformten Haken 7 eingehängt ist. Die Zug­ federn 6 verlaufen parallel zum Führungsrohr 13 nach oben über dieses hinaus und sind mit den an ihren oberen Enden angeformten Haken 7 an der Deckenplatte 2 des Gehäuses 1 eingehängt. An der oberen Stirnseite des Führungsrohres 13 befindet sich eine ringförmige Anlaufscheibe 36.

Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden folglich das zumindest teilweise mit Permanentmagnetscheiben 16 und Distanzscheiben 19 befüllte Führungsrohr 13, die untere Anlauf und Befestigungsscheibe 35 und die obere Anlaufscheibe 36 die federnd aufgehängte Schwungmasse 8.

Stattdessen ist der Sekundärteil 21 des Lineargenerators 20 fest im Gehäuse 1 der Vorrichtung angebracht. Anders als beim Ausführungs­ beispiel 1 schwingt im diesen Ausführungsbeispiel also der Primärteil 9 innerhalb des Sekundärteils 21 auf und ab.

Der Sekundärteil 21 besteht aus einem Spulenkörper 23, oben und unten angeordneten Führungsringen 24, einem umlaufenden Generatorgehäuse­ mantel 26 und in den Führungsringen 24 befindlichen Führungselementen, beispielsweise Gleit- oder Kugellagern.

Über an den Führungsringen 24 angreifende Traversen 27 ist der Sekundärteil 21 im Gehäuse 1 an den Wänden 4 befestigt. Die Zugfedern, welche die Schwungmasse 8 tragen, laufen seitlich an den Traversen 27 vorbei. Es handelt sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel um acht in zwei Vierergruppen symmetrisch in etwa halbkreisförmig um die Längs­ achse L angeordnete Zugfedern 6 (siehe Fig. 5).

Auch diese Ausführungsform weist jeweils an der Bodenplatte 3 und an der Deckenplatte 2 eine koaxial zur Längsachse L angeordnete Endlagen­ begrenzung 33 in Form einer Druckfeder 33 auf, gegen welche die An­ lauf und Befestigungsscheibe 35 bzw. die Anlaufscheibe 36 der Schwungmasse 8 laufen. Diese Endlagenbegrenzungen erfüllen die gleiche Funktion wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 3.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, dass im Wesentlichen dem in den Fig. 4 und 5 gezeigten Aufbau entspricht. Jedoch sind hier die End­ lagenbegrenzungen dadurch realisiert, dass einerseits jeweils außen an der Anlauf und Befestigungsscheibe 35 und der Bodenplatte 3 sowie andererseits jeweils außen an der Anlaufscheibe 36 und der Deckenplatte 2 koaxial zur Längsachse L Permanentmagnetplatten 37 ange­ ordnet sind, die sich gegenseitig abstoßen. Auf diese Weise wird die Schwungmasse 8 jeweils aus ihren Endlagen weggedrückt. Dieser Aufbau arbeitet besonders verschleiß- und geräuscharm. Eine Kombination von Druckfedern 33 und Permanentmagnetscheiben 37 ist natürlich ebenso zu verwenden wie in Prinzip jedes andere feder­ elastische Element.

Der Aufbau entsprechend den Fig. 4 bis 6 ist länger und schmaler als der Aufbau gemäß den Fig. 1 bis 3. Da der Sekundärteil 21 relativ zum Gehäuse 1 feststehend ist, kann hier vorteilhafterweise eine Fest­ verkabelung zur Ableitung des elektrischen Stromes verwendet werden.

Durch den relativ hohen Aufbau können noch längere Zugfedern 6 als beim ersten Ausführungsbeispiel eingesetzt werden, wodurch noch geringere Eigenfrequenzen zu erreichen sind. Es wird jedoch zusätzlicher Raum für die Akkumulatoren benötigt und zur Vergrößerung der Schwungmasse 8 muß ggf. reine Ballastmasse eingesetzt werden. Wie die Akkumulatoren ist auch die Ladeelektronik außerhalb des Gehäuses 1 unterzubringen. Insgesamt eignet sich diese Ausführungsform daher ins­ besondere für den Einsatz in Signaltonnen, Messbojen und dergleichen, in denen ausrechend Platz zur Unterbringung der benötigten Komponenten zur Verfügung steht und es nicht auf die Nutzlast, sondern auf die ideale Abstimmung an die Wellenbedingungen am jeweiligen Liegeplatz ankommt.

Claims (25)

1. Vorrichtung zum Gewinnen von elektrischer Energie mit einer an einem Träger (1) mittels Federelementen (6) schwingfähig ange­ ordneten Schwungmasse (8) und einem Lineargenerator (20) zur Umwandlung der Schwingbewegungsenergie der Schwungmasse (8) in elektrische Energie, gekennzeichnet durch Endlagenbegrenzungen (33, 37), welche einen Schwingbereich in dem die Schwungmasse (8) auf und abschwingt, auf einen Bruchteil eines maximal zuläs­ sigen Federwegs der Federelemente (6) begrenzen und die die beim Abbremsen der Schwungmasse (8) frei werdende kinetische Energie in Form von potentieller Energie zwischenspeichern und sie beim Zurückschwingen der Schwungmasse (8), aus einer Endlage heraus, als kinetische Energie an die Schwungmasse (8) wieder abgeben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlagenbegrenzungen (33) elastisch aufgebaut sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlagenbegrenzungen (33) Druckfedern (33) aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlagenbegrenzungen (33) ein Gaspolster aufweisen, welches beim Abbremsen der Schwungmasse (8) komprimiert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlagenbegrenzungen (33) die Schwungmasse (8) magnetisch abstoßen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schwungmasse (8) an Federelementen (6) im oder am Träger (1) aufgehängt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (6) zumindest teilweise von oben nach unten entlang der Schwungmasse (8) verlaufen und in einem unteren Bereich der Schwungmasse (8) an dieser befestigt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis S. dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schwungmasse auf Federelementen im oder am Träger gelagert ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse (8) entlang einer einzelnen Führung (10, 13) geführt wird und die Führung (10, 13) einen Primärteil (9) und/oder einen Sekundärteil (21) des Linear­ generators (20) umfasst und an der Schwungmasse (8) entsprechend ein Sekundärteil (21) und/oder ein Primärteil (9) des Linear­ generators (20) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die Führung (10, 13) gebildete Längsachse (L) durch den Schwerpunkt der Schwung­ masse (8) verläuft.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse (8) an mehreren, symmetrisch um die Führung (10, 13) verteilt angeordneten, im wesentlichen parallel zur Führ­ ung (10, 13) verlaufenden Federelementen (6) aufgehängt ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch ein Führungsrohr (13), welches zumindest teilweise mit permanentmagnetischem Material (16) befühlt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Führungsrohr (13) schichtweise Permanentmagnetscheiben (16) unterschiedlicher Polarität angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekenn­ zeichnet, dass im Führungsrohr (13) zwischen den Permanent­ magnetscheiben (16) Distanzscheiben (19) aus magnetisierbarem und/oder aus magnetisch isolierendem Material angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärteil (21) des Lineargenerators (20) einen Spulenkörper (23) aufweist, welcher zur Führung der Schwungmasse (8) das Führungsrohr (13) umgreift.

16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Innenführung (11) an und/oder in welcher zumindest bereichsweise innere Permanentmagnetringe (14) und/oder Permanentmagnetscheiben (16) angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11 oder 16, gekennzeichnet durch eine Außenführung (12) an und/oder in welcher zumindest bereichsweise äußere Permanentmagnetringe (15) angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der Innenführung (11) zwischen den inneren Permanent­ magnetringen (14) und/oder Permanentmagnetscheiben innere Distanzringe (17) und/oder Distanzscheiben (19) und/oder in der Außenführung (12) zwischen den äußeren Permanentmagnetringen (15) äußere Distanzringe (18) aus magnetisierbarem Material und/oder aus magnetisch isolierendem Material angeordnet sind.

19. Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Permanentmagnetringe (14) und/oder Permanentmagnetscheiben und/oder die äußeren Permanentmagnetringe (15) aus mehreren Teilsegmenten zusammengesetzt sind.

20. Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenführung (11) mit den inneren Permanentmagnetringen (14) und/oder den Permanentmagnet­ scheiben und den inneren Distanzringen (17) und/oder Distanz­ scheiben sowie die Außenführung (12) mit den äußeren Permanent­ magnetringen (15) und den äußeren Distanzringen (18) so einander zugeordnet sind, dass jeweils innere Permanentmagnetringe (14) und/oder Permanentmagnetscheiben und äußere Permanentmagnet­ ringe (15) sich einander gegenüber befinden und zwischen den inneren Permanentmagnetringen (14) und/oder Permanentmagnet­ scheiben und den äußeren Permanentmagnetringen (15) ein ring­ förmiger Abstand verbleibt, in welchem ein ringförmiger Spulen­ körper (23) bewegt wird.

21. Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, das der Spulenkörper (23) einen Spulenträger auf­ weist, welcher die Spule (22) trägt und welcher ausschließlich aus nicht magnetisierbaren Materialien besteht.

22. Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die als Primärteil (9) des Lineargenerators (20) ausgebildete Führung (10, 13) ortsfest im oder am Träger (1) ange­ ordnet ist und die Schwungmasse (8) den Sekundärteil (21) des Lineargenerators (20) mit einem Spulenkörper (22) aufweist.

23. Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse (8) die als Primärteil (9) des Lineargenerators (20) ausgebildete Führung (10, 13) aufweist und der Sekundärteil (21) des Lineargenerators (20) ortsfest im oder am Träger (1) angeordnet ist..

24. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine Schwenkbegrenzung (34) welche eine Verdreh­ ung der Schwungmasse (8) um die Führungsachse (L) begrenzt.

25. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, die Schwungmasse (8) einen Akkumulator (30) zum Speichern der gewonnenen elektrischen Energie umfasst.