DE10125059A1 - Induktiver Spannungsgenerator - Google Patents

Abstract

Spannungsgenerator (1) zur Umwandlung von nicht-elektrischer Primärenergie (PE) in ein Spannungssignal (USIG, USIG') mittels Induktion, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens aufweist DOLLAR A - einen mechanischen Energiespeicher (2) zur Aufnahme der Primärenergie (PE), der mindestens einen Umschlagpunkt (P) aufweist, DOLLAR A - mindestens ein Induktionssystem (3), das mit dem mechanischen Energiespeicher (2) koppelbar ist, DOLLAR A wobei der mechanische Energiespeicher (2) bei Erreichen des mindestens einen Umschlagpunktes (P) eine Bewegung ausführt, mittels der im Induktionssystem (3) ein Spannungssignal (USIG, USIG') induzierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Spannungsgenerator zur Umwandlung von nicht-elektrischer Primärenergie in ein Spannungssignal mittels Induktion, insbesondere geeignet für batterielose Sensoren und Meldesysteme, einen Schalter, eine Sensorsystem sowie ein Verfahren zur Spannungserzeugung nach dem Induktionsprinzip.

Aus WO 98/36395 ist eine Anordnung zur Erzeugung kodierter Hochfrequenzsignale bekannt, bei der ein Wandler zur Umwand­ lung nicht-elektrischer Primärenergie in niederfrequente e­ lektrische Energie vorhanden ist, unter anderem durch elekt­ rodynamische Wandlung von Schwingungs-/Beschleunigungs­ änderungs-Energie. Zur Erzeugung einer Piezospannung wird ei­ ne Über-Totpunkt-Feder beschrieben, die bei einer Belastung über den Totpunkt hinaus schlagartig auf den Wandler ein­ wirkt.

Bisher ist zur induktiven Wandlung mechanischer Primärenergie im wesentlichen ein Spannungsgenerator mit einem piezoelek­ trischen Element oder einem Kleindynamo bekannt. Die Dynamo­ lösung besteht aus einer Anordnung mit einer Induktionsspule mit Eisenkern und einem Dauermagneten der vor dem Eisenkern oszilliert; diese Anordnung ist vergleichsweise komplex und großvolumig.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Möglichkeit zur induktiven Spannungserzeugung mit hohem Wir­ kungsgrad bereitzustellen, welche insbesondere für batterie­ lose Sensoren und Meldesysteme geeignet ist.

Diese Aufgabe wird mittels eines Spannungsgenerators nach An­ spruch 1, eines Schalters nach Anspruch 4, eines Sensorsys­ tems nach Anspruch 5 und eines Verfahrens nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Dazu weist der Spannungsgenerator mindestens einen mechani­ schen Energiespeicher zur Aufnahme der nicht-elektrischen Primärenergie und mindestens ein damit koppelbares Indukti­ onssystem auf.

Die Primärenergie kann beispielsweise eine mechanische Pro­ zessenergie (z. B. (Finger)druck, Zug oder Vibration) und/oder eine Umgebungsenergie (z. B. eine Temperatur­ differenz) oder eine Kombination daraus sein. Die mechanische Prozessenergie kann beispielsweise durch eine manuelle Betä­ tigung, z. B. eines Schalters, bereitgestellt werden. Die thermische Umgebungsenergie kann beispielsweise über ein Ele­ ment mit temperaturabhängigem Dehnungsverhalten, z. B. einen Bimetallschalter oder einem sogenannten "Memory-Element", in den mechanischen Energiespeicher eingebracht werden.

Der mechanische Energiespeicher ist jedes System, das eine Energie durch Änderung mechanischer Kenngrößen (z. B. Druck, Zug, potentielle Energie, Verformung etc.) im wesentlichen reversibel speichern kann. So können eine Feder (Zugfeder, Biegeelement etc.) eine Dehnungsenergie oder ein Gewicht eine potentielle Energie speichern und, z. B. über einen Hub eines Stößels, wieder abgeben. Als mechanischer Energiespeicher wird beispielsweise auch eine pneumatische Feder angesehen, die eine Druckenergie über einen Stößel abgeben kann.

Das Induktionssystem ist so gestaltet, dass es zur Abgabe ei­ ner Induktionsspannung geeignet ist und umfasst typischer­ weise mindestens eine Induktionsspule, gegebenenfalls mit ei­ nem magnetischen, im allgemeinen eisenhaltigen, Kern.

Das Induktionssystem ist mit dem mechanischen Energiespeicher so gekoppelt, dass es durch eine Bewegung des mechanischen Energiespeichers im Induktionssystem die Induktionsspannung induzierbar ist; die abgegebene mechanische Energie wird also mittels Induktion vom Induktionssystem in ein Spannungssignal überführt. Beispielsweise enthält der mechanische Energie­ speicher dazu einen Magneten, vorzugsweise einen Permanent­ magneten, der nach Erreichen eines Umschlagspunktes durch die freigesetzte mechanische Energie so bewegt wird, dass er im Bereich des Induktionssystems eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses Φ bewirkt. Der mechanische Energie­ speicher kann also auch als Transformator nicht-mechanischer Primärenergie in mechanische Bewegungsenergie dienen.

Der Spannungsgenerator weist mindestens einen Umschlagpunkt auf, bei dessen Erreichen mindestens ein Teil der mechanisch gespeicherten Energie in eine Bewegung zur induktiven Erzeu­ gung des Spannungssignals umgesetzt wird. Der Umschlagpunkt entspricht somit analog einem Schwellwert der gespeicherten mechanischen Energie. Vor Erreichen des Umschlagpunktes wird die dem mechanischen Energiespeicher zugeführte Primärenergie in diesem im wesentlichen nur gespeichert.

Der Umschlagpunkt kann anhängig von der Umgebung und vom In­ duktionssystem sein. Es ist vorteilhaft, wenn mehr als ein Umschlagpunkt vorhanden ist und/oder wenn der jeweilige Um­ schlagpunkt von zwei Seiten erreichbar ist, weil so eine Spannungserzeugung flexibel einstellbar ist. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Bewegung möglichst schlagartig erfolgt. Beispielsweise kann der Umschlagpunkt bei Verwendung einer Feder als Energiespeicher sowohl bei Druckbelastung als auch bei Zugbelastung erreicht werden, wobei die Höhe des Um­ schlagpunktes in beide Betätigungsrichtungen unterschiedlich sein kann.

Durch die Verwendung des mechanischen Energiespeichers mit Umschlagpunkt ergibt sich der Vorteil, dass der Verlauf der Magnetfeldänderung und damit der Induktionsspannung nicht von der zeitlichen Einwirkung der Primärenergie abhängt. Zudem ist die Höhe der umgeformten Energie im Wesentlichen kon­ stant.

Es wird bevorzugt, wenn die Primärenergie mittels eines Be­ dienelementes, z. B. eines Schalters, dem mechanischen Ener­ giespeicher zugeführt wird. Das Bedienelement kann auch Teil des mechanischen Energiespeichers sein.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird der Spannungs­ generator schematisch näher ausgeführt.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der Spannungserzeugung,

Fig. 2 zeigt ein Sensorsystem, das zur Energieversorgung den induktiven Spannungsgenerator enthält,

Fig. 3 zeigt verschiedene Positionen bei einer Betätigung des Spannungsgenerators

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild zur Spannungserzeugung.

Nicht-elektrische Primärenergie PE, die aus der Umgebung (z. B. einer Temperaturdifferenz AT) oder einem Prozess (z. B. einem Fingerdruck) verfügbar ist, wird in den mechani­ schen Energiespeicher 2 als Teil des Spannungsgenerators 1 eingespeist. Dessen mechanische Energie wird nach Erreichen des Umschlagpunkts P über eine Bewegung in das Induktionssys­ tem 3, das ebenfalls ein Teil des Spannungsgenerators 1 ist, eingekoppelt und dort zur Generierung eines Spannungssignals USIG verwendet. Das Spannungssignal USIG steht dann einem Verbraucher, hier: einem Sender 4 mit daran angeschlossenem Sensor 5, zur Verfügung. Insbesondere ist der Spannungsgene­ rator für batterielose Verbraucher geeignet, z. B. Knacksen­ soren und Funkfernschalter. Der Sender 4 kann z. B. ein Funk­ fernschalter sein und Sendetelegramme per Funk, IR etc. aus­ senden.

Fig. 2 zeigt in Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungs­ form eines Spannungsgenerators 1.

In dieser Figur wird eine (evtl. auch vorgespannte) Feder 6 als mechanischer Energiespeicher 2 eingesetzt wird.

Die Feder 6 ist mit ihrem rechten Ende an einem Dauermagneten 7 befestigt. Der Dauermagnet 7 liegt in dieser Stellung auf einem von einer Induktionsspule 8 umschlossenen Eisenkern 9 auf; Induktionsspule 8 und Eisenkern 9 sind Teil des Indukti­ onssystems 3. Statt der mechanischen Zugfeder 6 sind als me­ chanischer Energiespeicher 2 beispielsweise auch eine rotie­ rende Feder, ein Gewicht oder eine pneumatische Feder ein­ setzbar.

Mit der Induktionsspule 8 ist über einen elektrischen An­ schluss 10 ein Verbraucher in Form eines Senders 4 verbunden, welcher einen Sensor 5 und eine Hochfrequenz-Sendestufe um­ fasst.

Das linke Ende der Feder 6 ist mit einer Betätigungseinheit zur Betätigung der Feder 6 verbunden (hier nicht darge­ stellt), z. B. einem Ende eines Kippschalters.

Fig. 3 zeigt in den Teilbildern a) bis d) einen Betätigungs- und Rückstellvorgang der Vorrichtung aus Fig. 2.

In Fig. 3a wird die Feder 6 an ihrem linken Ende in Pfeil­ richtung gespannt. Mit sich vergrößernder Zugspannung wird in der Feder 6 zunehmend mechanische Energie gespeichert. In dieser Figur ist die Spannung der Feder 6 noch nicht hoch ge­ nug, um die magnetische Haftung des Dauermagneten 7 vom Ei­ senkern 9 zu lösen.

In Fig. 3b ist die Zugspannung der Feder 6 so hoch geworden, dass sich der Dauermagnet 7 vom Eisenkern 9 gelöst hat. Durch die Bewegung des Dauermagneten 7 wird der magnetische Fluss Φ zeitlich geändert, wodurch in der Induktionsspule 8 eine Spannung USIG induziert wird; es erfolgt also eine Umwandlung der mechanisch gespeicherten Energie in elektrische Energie.

Der Umschlagpunkt ("mechanischer Totpunkt"), an dem die Tren­ nung erfolgt, ist nur abhängig von der Spannung der Feder 6. Der Umschlagpunkt ist vorteilhafterweise z. B. auch durch die Stärke des Magnetfeldes selbst definiert.

In Fig. 3c wird nun die Feder 6 in umgekehrter Richtung be­ tätigt. Die Geschwindigkeit der Annäherung des Dauermagneten 7 an den Eisenkern 9 wird durch den Betätigungsvorgang und die Anziehungskraft zwischen Dauermagneten 7 und Eisenkern 9 bestimmt. Mit zunehmender Anziehungskraft erhöht sich auch die Geschwindigkeit des Dauermagneten 6. Durch dessen ent­ gegengesetzt gerichtete Bewegung wird ebenfalls ein Span­ nungssignal USIG' in der Induktionsspule induziert. Im Ver­ braucher kann vorteilhafterweise die Bewegungsrichtung des mechanischen Energiespeichers 2 festgestellt werden, z. B. durch Detektion der Polung der Spannungssignale USIG, USIG'. Dadurch kann z. B. ein Anschalten eines Schalters von seinem Ausschalten unterschieden werden.

Fig. 3d zeigt die Anordnung in Ruhestellung nach Rückkehr in die Ausgangsposition.

Im vorliegenden Anwendungsbeispiel weist der Dauermagnet 7 somit zwei definierte Endstellungen auf, in denen er in einem stabilen Zustand gehalten wird. Bei Einwirken der Primär­ energie speichert die Feder 6 solange mechanische Energie, bis die bei Erreichen mindestens eines Umschlagpunktes der Dauermagnet 7 in seine andere stabile Endstellung schnappt, wobei die mechanische Energie von der Feder 6 zumindest teil­ weise in das Spannungssignal USIG, USIG' umgewandelt wird.

Dieser Spannungsgenerator lässt sich sehr kompakt aufbauen, arbeitet mit einem relativ hohen Wirkungsgrad, ist einfach in der Herstellung und weist außerdem den Vorteil eines mechanisch definierten Schaltpunktes auf. Statt einer aufwendigen oszillierenden Magnetbewegung ist nur eine einfache Schnapp­ bewegung erforderlich.

Die Erfindung betrifft auch Schalter und Sensorsysteme, die den Spannungsgenerator aufweisen, z. B. Knacksensoren, Licht­ schalter etc., insbesondere batterielose Schalter und Senso­ rensysteme, die Nachrichten per Funk aussenden und empfangen können. Als Anwendungsbeispiele für den Spannungsgenerator wird auf WO 98/36395 verwiesen, insbesondere zur Verwendung von Schaltern und Sensoren in einem "Powerline Communication" ("PLC")-System, siehe beispielsweise Süddeutsche Zeitung Nr. 74 vom 29. März 2001, S. 27. Selbstverständlich ist der Spannungsgenerator nicht auf diese Anwendungsbeispiele einge­ schränkt.

Claims (8)

1. Spannungsgenerator (1) zur Umwandlung von nicht-elektri­ scher Primärenergie (PE) in ein Spannungssignal (USIG, USIG') mittels Induktion, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens aufweist
einen mechanischen Energiespeicher (2) zur Aufnahme der Primärenergie (PE), der mindestens einen Umschlagpunkt (P) aufweist,
mindestens ein Induktionssystem (3), das mit dem mecha­ nischen Energiespeicher (2) koppelbar ist,
wobei der mechanische Energiespeicher (2) bei Erreichen des mindestens einen Umschlagpunktes (P) eine Bewegung ausführt, mittels der im Induktionssystem (3) ein Span­ nungssignal (USIG, USIG') induzierbar ist.

2. Spannungsgenerator (1) nach Anspruch 1, bei dem der mechanische Energiespeicher (2) eine Feder (6) beinhal­ tet, an der ein Magnet, insbesondere ein Dauermagnet (7), be­ festigt ist.

3. Spannungsgenerator (1) nach Anspruch 2, bei dem das Induktionssystem (3) eine Induktionsspule (8) mit einem ferromagnetischen Kern (9) umfasst, wobei der Magnet auf den ferroelektrischen Kern aufsetzbar ist.

4. Schalter, insbesondere zur mechanischen Betätigung, auf­ weisend einen Spannungsgenerator (1) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche.

5. Sensorsystem, aufweisend einen Spannungsgenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie mindestens einen Sensor (5).

6. Verfahren zur induktiven Spannungserzeugung, bei dem
Primärenergie (PE) in einem mechanischen Energiespeicher (2) solange gespeichert wird, bis sein mindestens einer Umschlagpunkt (P) erreicht ist,
sich der mechanische Energiespeicher (2) bei Erreichen des Umschlagpunktes (P) so bewegt, dass in einem mit dem mechanischen Energiespeicher (2) gekoppelten Induktions­ system (3) ein Spannungssignal (USIG, USIG') erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Primärenergie (PE) durch Dehnung oder Verformung des me­ chanischen Energiespeichers (2) in diesem gespeichert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem bei Erreichen des Umschlagpunktes (P) ein Magnet, insbeson­ dere ein Dauermagnet (7), so bewegt wird, dass mittels einer Änderung eines magnetischen Flusses (Φ) im Bereich einer In­ duktionsspule (8) des Induktionssystems (3) eine Indukti­ onsspannung (USIG, USIG') erzeugt wird.