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Die
Erfindung bezieht sich auf ein autarkes Energiemodul für mobile
Anwendungen. Ein solches Energiemodul soll für unterschiedliche technische Aufgaben
einsetzbar sein, insbesondere im Bereich der Telematiksysteme. Mit
dem Modul soll das Problem der Energieversorgung für langlebige
Nutzungen, insbesondere das Konzept und die Vorrichtung zum regenerativen
Wiederaufladen des Energiespeichers für die Telematiksysteme gelöst werden.
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Vom
Stand der Technik sind Kombinationen aus Energiespeicher und Vorrichtungen
zum Wiederaufladen bekannt. Als Energiespeicher können Akkumulatoren,
z.B. auf der Basis von Blei (Pb), Nickel/Cadmium (Ni/Cd), Nickel-Metallhydrid
(Ni/MH) oder Lithium (Li) Verwendung finden. Unter Umständen sind
für den
gleichen Zweck auch so genannte Super-Caps (SC) oder Doppelschichtkondensatoren (DKS)
geeignet.
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Als
Vorrichtung zur regenerativen Wiederaufladung von Energiespeichern
finden typischerweise Solarzellen Verwendung. Auch Windgeneratoren sind
für diesen
Zweck einsetzbar. Ebenso ist es möglich, Bewegungsenergie aus
Drehbewegungen in elektrische Energie zu wandeln und damit einen
Generator zu betreiben, was als Dynamoprinzip bekannt ist.
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Nachteilig
an allen Problemlösungen
mit Solarzellen ist deren Empfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse, wie
insbesondere Verschmutzung oder dergleichen. Speziell bei Bahnanwendungen
können
zusätzlich
Beschädigungen
durch Oberleitungsabrieb entstehen. Problemlösungen mit Dynamos besitzen den
Nachteil, dass sie direkt am Ort der Drehbewegung montiert werden
müssen
und eine Leitung zum Verbraucher, beispielsweise zu einer Telematikbox, benötigen.
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Vom
allgemeinen Stand der Technik sind bereits Lineargeneratoren zur
Erzeugung elektrischer Energie bekannt und finden beispielsweise
Verwendung in batterielosen Taschenlampen. Im Einzelnen wird unter
www.schuettellampe.de durch Ausnutzung des physikalischen Prinzips
der elektromagnetischen Induktion eine Schüttelbewegung dahingehend ausgenutzt,
um einen Permanentmagnetstab periodisch durch eine Spule zu bewegen
und dadurch einen Stromfluss zu induzieren. Die in einem Kondensator zwischengespeicherte
Ladung ist ausreichend, um die Taschenlampe für eine merkliche Zeit mit Energie zu
versorgen.
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Bei
letzterem Prinzip ist wesentlich, dass zur Erzeugung der elektrischen
Energie eine bewusste Bewegung, nämlich die erwähnte Schüttelbewegung, erfolgt.
Eine solche verlustbehaftete Bewegung wird nur zu einem geringen
Maße in
elektrische Energie gewandelt.
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Insbesondere
in der Bahntechnik, beispielsweise beim Transport von Gütern mittels
Eisenbahnen, werden zunehmend Telematiksysteme eingesetzt, die eine
Versorgungsenergie benötigen.
Dafür sollen
Versorgungssysteme geschaffen werden, die über lange Zeiträume arbeiten
und von den oben beschriebenen Prinzipien abweichen.
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Über obigen
Stand der Technik hinaus ist aus der
DE 195 20 521 A1 bereits eine Einrichtung
zum Umwandeln von Schwingungsbewegung in elektrische Energie bekannt,
welche Einrichtung insbesondere vorteilhaft in Verbindung mit mobilen
Ortungssystemen in einer energiearmen Umgebung benutzt werden soll.
Die mobilen Ortungssysteme können dabei
im Rahmen eines Fahrzeugverfolgungs- oder Überwachungssystems eingesetzt
werden. Damit werden Positionsinformationen der Fahrzeuge anhand
von Navigationsdaten bereitgestellt und einem existierenden Navigationssystem,
z.B. dem von Satelliten in einer Erdumlaufbahn gestützten GPS-System
(Global Position System) abgeleitet werden, womit sich Fahrzeug-Ortungsmöglichkeiten
in Echtzeit ergeben sollen. Zur Realisierung einer solchen Anordnung
ist im Einzelnen ein Gehäuse
mit ersten und zweiten gegenüberliegenden
Seitenwänden,
die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, vorhanden.
Auf den Gehäusewänden ist
eine Magnetträgerstruktur
mit Magneten einerseits und zugehörigen Spulen andererseits angeordnet.
Dabei sind Aufhängungsmittel
zum Haltern der Trägerstruktur
in dem Gehäuse
derart angeordnet, dass entsprechende erste bzw. zweite Seitenwände einander
in einem vorbestimmten Abstand gegenüberstehen, wobei die Aufhängungsmittel
als Reaktion auf die Schwingungsbewegung eine Hin- und Herbewegung
der Trägerstruktur
relativ zu dem Gehäuse
und im Wesentlichen entlang der Schwingungsachse zulassen. Statt
der Aufhängungsmittel
können
auch Biegefedern zur Halterung der Spulenstruktur verwendet werden.
Wesentlich ist dabei, dass durch die Bewegung des Magneten jeweils
in die zugehörige
Spule aufgrund der magnetischen Flussänderung eine Spannung induziert
wird, welche einen elektrischen Strom zur Folge haben kann. Vorteilhafterweise
sollen sich dabei die Speicher- und Ladeeinrichtungen innerhalb
des Gehäuses
befinden.
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Die
aus der Beschreibung der
DE
195 20 521 A1 entnehmbare Anordnung ist vergleichsweise kompliziert
aufgebaut. Insbesondere kann dabei eine ungerichtete Bewegung in
allen drei Raumrichtungen erfolgen, so dass die Effektivität zur Erzeugung
elektrischer Energie vergleichsweise gering ist. Nachteilig ist
dabei weiterhin, dass die Spulen auf der Innenseite der äußeren Wandung
angeordnet sind und die Magnete daran linear vorbeigeführt werden.
Da die Speicheraufladung innerhalb des Gehäuses erfolgen soll, wird die
Energie innen benötigt,
wozu zum Energietransport verschleißbehaftete Leitungen im schwingenden
System notwendig sind.
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Des
weiteren sind aus der
DE
103 11 567 B3 ein sog. seismischer Generator und Fahrzeug
mit einem solchen seismischen Generator bekannt, bei dem in einem
Gehäuse
in senkrechter Richtung zur Bewegungsrichtung Magnete relativ zueinander
bewegt werden, wobei wenigstens ein Magnet eine Spule trägt, in die
aufgrund der Feld- bzw. Flussänderung
eine Spannung induziert wird, vorhanden ist.
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Ausgehend
von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber den
bekannten Einrichtungen vereinfachtes, autarkes Energiemodul zu
schaffen, das über
lange Zeiträume,
d.h. über
Jahre, arbeitsfähig
ist Es soll insbesondere Telematiksysteme wartungslos mit Energie
versorgen können.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
Weitere Ansprüche
beinhalten insbesondere auch unterschiedliche Anwendungen des Energiemoduls.
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Die
Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung zur autarken Energieversorgung
elektrischer und elektronischer Geräte, insbesondere für Telematikanwendungen.
Es arbeitet nach dem einfachen System der Schüttellampe, bei dem ein Magnet
insbesondere in die Spule und dadurch aufgrund großer Flussänderung
eine besonders hohe Effektivität
hat. Somit umgeht die erfindungsgemäße Einrichtung die Nachteile der
eingangs beschriebenen Systeme und ermöglicht insbesondere, die geringe
Beschleunigungsenergie von Fahrbewegungen nahezu reibungsfrei in elektrische
Energie zu wandeln und im elektrischen Energiespeicher zwischenzupuffern.
Dabei wird zwar vom bekannten Prinzip des Lineargenerators ausgegangen,
mit dem durch periodische Bewegung elektrische Energie erzeugt werden
kann. Nunmehr wird aber erreicht, dass die bei der mobilen Anwendung des
Systems durch die ungleichförmige
Bewegung in unterschiedlichen entstehende Abfallenergie gezielt ausgenutzt
wird und Quer-, Längs-
und Höhenbeschleunigungen
des Systems gezielt in elektrische Energie gewandelt werden („Energy
Havesting"). Insbesondere
bei allen Fortbewegungen von Systemen entstehen derartige Beschleunigungsanteile,
die beim Stand der Technik nicht genutzt wurden.
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Im
Gegensatz zur
DE 195
20 521 A1 wird bei der Erfindung durch die in eine Richtung
geführte
Bewegung des Lineargene rators und durch das Eintauchen des Magneten
in die Spulenwicklung unmittelbar eine elektrische Spannung induziert,
so dass ein elektrischer Strom abgenommen werden kann. Insbesondere
sind bei der Erfindung keine Bewegung von Gehäuseteilen oder zusätzlicher
Massen notwendig.
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Bei
der Erfindung lädt
der elektrische Strom über
eine Ladeeinrichtung die aufladbare Batterie. Werden als Batterie
ein oder mehrere Doppelschichtkondensatoren verwendet, ergibt sich
ein besonders effektiv arbeitendes Energiemodul. Die Anforderung, über lange
Zeiträume
ohne Austausch der Batterie für
eine geeignete Versorgung der Telematikeinrichtungen, insbesondere
auch im Zusammenhang mit GPS, zu sorgen, wird damit vorteilhaft
erfüllt.
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Durch
das Schwingen eines einzigen Magneten innerhalb der Spulenwicklung
lässt sich
in vorteilhafter Weise eine Bewegung in senkrechter Richtung zur
Fortbewegungsrichtung ausnutzen. Werden zwei Lineargeneratoren dieser
Art relativ zueinander senkrecht angeordnet, ergibt sich die Möglichkeit,
die Beschleunigungsenergie in zwei gegenüber der Fahrtrichtung zueinander
senkrechten Richtungen zu erfassen. Dies ist beispielsweise in einem
schienen-/radgeführten
System vorteilhaft, indem bei der Fortbewegung mit weitgehend konstanter
Geschwindigkeit Beschleunigungsenergie in vertikaler Richtung durch
die Unebenheiten in der Schienenoberfläche einerseits und Beschleunigungsenergie
in horizontaler Richtung durch das Schlingern des Radkranzes in
der Spur andererseits vorhanden ist. Beide ansonsten vergeudete
Energieformen lassen sich in vorteilhafter Weise nützen („Energy
Havesting").
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Die
Erfindung wird also vorteilhafterweise bei bewegten Ladesystemen,
beispielsweise bei Frachtcontainern oder aber bei spurgeführten Güterwaggons
genutzt. Insbesondere Container werden alternativ auf Bahnsystemen
mittels Zugmaschinen auf Straßen
oder aber auch auf Schiffen transportiert, wobei in allen Fällen die
oben erwähnten
unterschiedlichen Beschleunigungskräfte auftreten.
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Die
Erfindung kann aber gegebenenfalls aber auch bei bewegten Sensorsystemen
genutzt werden, beispielsweise bei Diebstahl-Warnsystemen. Auch eine Nutzung bei
Smart-Cards oder bei Fahrrädern
ist möglich.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender
Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines Energiemoduls mit einem Lineargenerator,
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2 eine
Prinzipdarstellung der mit Telematikeinrichtungen erfolgten Informationsübertragung
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3 der
in 1 verwendete Lineargenerator in vertikaler Aufhängung,
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4 einen
Lineargenerator in horizontaler Aufhängung,
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5 schematisch
das Prinzip der Bewegungsrichtungsumkehrung,
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6 die
Verwendung letzteren Prinzips bei einer Rad-Schienenbewegung, bei dem die Querbewegung
des Radkranzes gezielt ausgenutzt wird,
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7 die
technische Umsetzung mit zwei Lineargeneratoren und
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8 eine
Anordnung mit einem kreisförmigen
Spulen-/Magnetsystem.
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In 1 ist
eine Energiemodul 1 dargestellt: Das Energiemodul 1 besteht
aus einem Energiewandler und zwar speziell aus einem Lineargenerator 2.
Mit dem Lineargenerator 2 wird Beschleunigungsenergie in
elektrische Energie gewandelt, was vom Stand der Technik an unterschiedlichen
Systemen bekannt ist. Dem Lineargenerator 2 ist eine Ladeelektronikschaltung 3 nachgeschaltet, über die elektrische
Energie auf einen Speicher 4 gegeben wird. Der elektrische
Speicher 4 kann vorteilhafterweise ein Doppelschichtkondensator
(DSK), aber auch eine übliche
wiederaufladbare Batterie (AKKU) sein. Der Speicher 4 hat
elektrische Anschlüsse 5 und 6.
Durch geeignete Verschaltung sind Anschlüsse 15 und 16 am
Energiemodul 1 vorhanden.
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Die
Ladeelektronik ist in bekannter Weise ausgebildet. Üblicherweise
wird dafür
eine nicht weiter erläuterte
Diodenschaltung verwendet.
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In 2 ist
gezeigt, wie ein Telematiksystem mit autarker Energieversorgung
arbeit. Das Telematiksystem ist mit 100 bezeichnet und beinhaltet
das Energiemodul 1 aus 1. Im Beispiel
ist diese System 100 in einem Anhänger 111 oder Container
eines Zuggespanns 110 eingebaut.
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Das
Telematiksystem 100 verfügt über eine Signalverarbeitung
mit Mikroprozessor und ist in der Lage, GPS-Signale zu verarbeiten
und eine Positionsbestimmung herbeizuführen, Dazu sind in 2 GPS-Satelliten 120, 120' und 120'' angedeutet.
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Im
Zuggespann 110 kann vom Anhänger 111 oder Container
eine Positions- und Datenübertragung
zur Zugmaschin 112 zwecks On-Board-Diagnose erfolgen. Wesentlich
ist weiterhin, dass eine Mobilfunkübertragung von Positionsdaten
an eine externe Leitstelle erfolgt, wofür die etablierte Mobilfunktechnologie
genutzt wird. In 2 ist dafür eine GSM-Sende- und Empfangsstation 130 angedeutet.
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Vorteilhaft
ist bei dieser Anwendung, dass das Energiemodul aus 1 für den rauen
Praxisbetrieb geeignet ist. Äußere Einflüsse, wie
insbesondere die Witterungsbedingungen, spielen keine Rolle.
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In 3 ist
die Arbeitsweise des hier verwendeten Lineargenerators 2 verdeutlicht.
Der Lineargenerator 20 besteht aus einer rohrartigen Bewegungsführung 21,
die eine Spule 22 mit Anschlüssen 23 und 24 trägt. Über eine
Feder 25 ist ein Permanentmagnet 26 aufgehängt, der
in Pfeilrichtung I hin- und herschwingen kann und damit die Bewegungsrichtung
definiert.
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Die
Anordnung gemäß 3 wird
durch jede beschleunigte Bewegung des Systems aktiviert. Der an
der Feder 25 aufgehängte
Permanentmagnet 26 schwingt innerhalb der elektrischen
Spule 22 und induziert einen Strom, der über die
Anschlüsse 23 und 24 abgreifbar
ist.
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Eine
entsprechende Anordnung ist in 4 wiedergegeben.
Der Lineargenerator 30 ist hier aber horizontal ausgerichtet,
wobei ein Magnet 36 an einer horizontalen Stange angebracht
ist, der über
zwei flexible Aufhängungen 35 kraftfrei
an einer äußeren Einrichtung
befestigt ist. Es können
somit Beschleunigungsenergien aus einer horizontalen Bewegungsrichtung
in einen elektrischen Strom umgesetzt werden. Die elektrische Spule 32 entspricht
dabei mit den Anschlüssen 33 und 34 im
Wesentlichen der Spule 22 aus 2.
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In 5 ist
angedeutet, dass ein Tragstab 47 bei einer horizontalen
Auslenkung gegen eine Feder 42 mit Bewegungsanschlag 43 einwirkt,
wodurch nach Spannen der Feder und umgekehrter Kraftfreisetzung
eine Bewegungsumkehr des Tragstabes 47 erfolgt.
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Eine
bevorzugte Anwendung des beschriebenen Energiemoduls in Kombination
mit der Telematikeinrichtung liegt bei Rad/Schienen-geführten Transportsystemen.
Ein solches System ist in 6 angedeutet.
Wesentlich ist dabei, dass auf dem Schienensystem 50 mit
parallelen Schienen 51, 51' ein Radsystem 55 aus über eine
Achse 57 verbundenen Rädern
geführt
wird, wobei der Radkranz auf dem Schienensystem 50 in Querrichtung
zur Fortbewegungsrichtung Horizontalbewegungen ausführen kann.
Diese Horizontalbewegungen verlaufen als im Wesentlichen rechtwinkelig
zur Fortbewegung des Systems und beinhalten Beschleunigungskräfte. Außerdem kann
das Radsystem durch Unebenheiten im Schienensystem auch Vertikalbewegungen
durchführen,
die ebenfalls Beschleunigungskräfte
beinhalten. Beide Beschleunigungskräfte werden in einem dafür angepassten
Modul erfasst.
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Eine
Realisierung ist anhand der 7 verdeutlicht.
Es sind zwei Lineargeneratoren 20 und 30 vorhanden,
wobei der Aufbau des ersten Lineargenerators dem Lineargenerator 20 entsprechend 2 entspricht
und der Aufbau des zweiten Lineargenerators dem Lineargenerator 30 in 3 entspricht.
Beide Lineargeneratoren 20 und 30 steuern eine
Einheit 65 mit Speicher und Ladeschaltung an. Am Koordinatensystem
ist ersichtlich, dass bei einer Bewegung die in X-Richtung die Y-
und Z-Richtung entstandenen Beschleunigungskräfte aufgenommen werden.
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Anhand 8 ist
verdeutlicht, dass ein Beschleunigungsgenerator auch in einer nichtlinearen Anordnung
möglich
ist. Dargestellt ist ein Rohr 71 als Bewegungsführung, auf
dem beispielsweise vier identische Magnetspulen 72 bis 72''' gewickelt
sind. Ein Magnet 73 wird auf dem Rohr entsprechend einer Kreisbahn
reibungslos geführt
und induziert in die Spulen 72 bis 72''' jeweils
elektrische Spannungen, so dass an den Spulenanschlüssen ein
elektrischer Strom abgegriffen werden kann.
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Bei
der technischen Realisierung des Energiemoduls ist auf eine reibungsfreie
Bewegung des Permanentmagneten in der Spule zu achten. Hier sind
geeignete Mittel, wie Wälzlager,
Linearkugellager oder Gleitlager zu verwenden. Für die Impulsumlenker sind ebenfalls
geeignete Mittel, wie Metall- oder Gasfedern, zu verwenden.
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Die
anhand der 1 bis 7 beschriebenen
Beispiele zeigen, dass bei der Erfindung bei beliebigen Bewegungen
zwangsläufig
entstehende Beschleunigungsenergien als Abfallenergie (Energy Havesting)
genutzt werden können
und zum Aufladen der Energiemodule dienen. Berechnungen haben gezeigt,
dass durch die Aufladung der Energiemodule hinreichend Energie für insbesondere
Telematiksysteme bereitgestellt wird. Solche Telematiksysteme benötigen im
Allgemeinen eine Leistung im Bereich von 1 mW bis 1 W, wobei sich
für die
Erfindung Akkumulatoren mit einer Kapazität zwischen 1 Wh bis 1000 Wh
verwen den lassen. Sofern Doppelschichtkondensatoren verwendet werden,
haben sich Kondensatoren mit einer Kapazität von einigen Farad als geeignet
erwiesen. Die Doppelschichtkondensatoren müssen also eine Kapazität zwischen
1 F und 1 KF haben.
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Neben
der Anwendung in Transportsystemen sind auch Anwendungen für bewegte
Sensorsysteme, mobile Diebstahlwarnsysteme für Smart-Cards oder dergleichen
möglich.
Wesentlich ist wieder, dass die bei der bestimmungsgemäßen Anwendung über die
Bewegung erzeugte Beschleunigungsenergie ausgenutzt wird. Beispielsweise auch
bei Fahrrädern
lässt sich
dieses System anwenden, da unabhängig
von der im Idealfall gleichförmigen
Fortbewegung Querbeschleunigungen vorhanden sind.