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Die
Erfindung betrifft einen Generator zum Erzeugen elektrischer Energie
mit einem Permanentmagneten, der in einem Gehäuse beweglich geführt ist,
auf dem wenigstens eine Induktionsspule angeordnet ist, in der beim
Einwirken von Beschleunigungs- oder Verzögerungskräften auf das Gehäuse infolge
einer Lageränderung
des Permanentmagneten im Gehäuse
ein elektrischer Strom induzierbar ist.
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Ein
derartiger Generator ist aus der US 2004/0104623 A1 bekannt und
gestattet es, Vibrationen auszunutzen, um elektrische Energie zu
erzeugen. Bei der bekannten Vorrichtung ist ein Gehäuse vorgesehen,
das über
einen Innenraum verfügt,
in dem eine permanentmagnetische Scheibe auf einem konkaven Boden
abrollen kann. Der Boden im Innern des Gehäuses hat eine Breite, die etwa
der Dicke der Magnetscheibe entspricht und erstreckt sich in Rollrichtung
der magnetischen Scheibe über
eine Strecke, die ein Vielfaches des Durchmessers der Scheibe beträgt. Die
Scheibe muss zum Betrieb zusammen mit dem Gehäuse in eine vertikale Ebene
gebracht werden, so dass sie sich entlang dem konkaven Boden des
schmalen Gehäuses
hin- und herbewegen und in außen
auf dem Gehäuse
angebrachten Induktionsspulen Spannungen erzeugen kann.
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Nachteilig
bei der bekannten Vorrichtung ist es, dass diese im wesentlichen
nur auf Bewegungen in einer Richtung anspricht, und daher im allgemeinen
drei Vibrationsgeneratoren erforderlich sind, um alle Bewegungen
nutzen zu können.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen Generator der eingangs genannten Art zu schaffen, der es gestattet,
beliebige Bewegungen und Vibrationen eines Gegenstandes mit möglichst
hohem Wirkungsgrad zur Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer
Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
der Permanentmagnet als massiver kugelförmiger Dauermagnet mit wenigstem
einem Magnetpolpaar ausgebildet ist, der im Innern eines als ballonförmiger Hohlkörper ausgebildeten
Gehäuses in
allen drei Raumachsen entlang der gewölbten Innenwandung des Hohlkörpers frei
rollbar geführt
ist.
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Im
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Hohlkörper
eine Hohlkugel mit einer elastischen Wandung, so dass beim Auftreffen
des kugelförmigen
Dauermagneten auf die Hohlkugelwand eine möglichst verlustfreie Umlenkung
des kugelförmigen Dauermagneten
oder aber ein Abrollen erfolgt. Insbesondere kann die Hohlkugel
die Größe und die
Materialeigenschaften eines Tischtennisballes aufweisen, der sich
durch eine dünne
Wandung und hohe Elastizität
auszeichnet.
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Der
kugelförmige
Dauermagnet kann einen Durchmesser zwischen 10 bis 90 Prozent des
Innendurchmessers des Hohlkörpers
und insbesondere der Hohlkugel aufweisen. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser
des kugelförmigen
Dauermagneten etwa 50 Prozent des Hohlraumdurchmessers des Gehäuses.
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Auf
dem Gehäuse
des Generators sind vorzugsweise drei Induktionsspulen vorgesehen,
deren Wicklungen sich in Ebenen erstrecken, die rechtwinklig zueinander
verlaufen. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, lediglich zwei Induktionsspulen
auf dem Gehäuse
vorzusehen, deren Achsen rechtwinklig zueinander verlaufen.
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Die
Wicklungsbreite jeder Induktionsspule kann zwischen 15 und 35 Prozent
des Durchmessers des Hohlkörpers
aufweisen.
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Um
Bewegungen des Gehäuses
möglichst verlustfrei
in Drehbewegungen des kugelförmigen Dauermagneten
umzusetzen, ist es zweckmäßig, wenn
die Oberfläche
des kugelförmigen
Permanentmagneten und die Innenseite des Hohlkörpers jeweils eine rutschfeste
Oberfläche
aufweisen.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist der Hohlkörper
nicht als Hohlkugel, sondern als hohles gebogenes Rohr ausgebildet,
wobei der Durchmesser des Rohres entlang seiner Länge im wesentlichen
konstant bleibt.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
ist der Hohlkörper
elliptisch oder linsenförmig
ausgebildet.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Beleuchtungseinrichtung mit wenigstens
einem Generator der vorstehend erörterten Art, bei dem jede Induktionsspule
mit wenigstens zwei entgegengesetzt gepolten Leuchtdioden hoher
Leuchtkraft verbunden ist.
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Bei
einer Beleuchtungseinrichtung, die über einen Generator mit zwei
Induktionsspulen verfügt, ist
es zweckmäßig, wenn
diese über
eine Brückengleichrichterschaltung
mit einer ersten Leuchtdiodenanordnung und einer zweiten Leuchtdiodenanordnung
verbunden sind, um möglichst
eine hohe Energieausbeute zu erzielen.
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Dabei
ist es zweckmäßig, wenn
die Leuchtdioden beziehungsweise die Leuchtdiodenanordnungen superhelle
InGaN/SiC-Leuchtdioden
sind.
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Eine
Beleuchtungseinrichtung mit seismischen Generatoren der vorstehend
erörterten
Art kann insbesondere bei Fahrrädern verwendet
werden, um eine Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, die unabhängig von
einem Dynamo oder einer Batterie Licht erzeugt, die im allgemeinen
außerhalb der
Beleuchtungseinrichtung angeordnet sind, und mit dieser über störende Kabel
verbunden werden.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
für einen
Generator zum Erzeugen elektrischer Energie mit einer Hohlkugel,
in der ein kugelförmiger
Dauermagnet eingeschlossen ist und in zwei rechtwinklig zueinander
angeordneten Induktionsspulen elektrische Spannungen erzeugt,
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2 einen
Generator gemäß 1,
der mit einer dritten Induktionsspule versehen ist, deren Achse
rechtwinklig zu den Achsen der beiden anderen Induktionsspulen verläuft,
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem der Hohlkörper
als gekrümmter Rohrabschnitt
ausgebildet ist,
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4 ein
elektrisches Schaltbild zur Veranschaulichung der Verbindung zwischen
einer Induktionswicklung und zwei entgegengesetzt gepolten Leuchtdioden,
und
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5 eine
elektrische Schaltung zum Anschluss eines Generators mit zwei Induktionsspulen an
zwei Leuchtdioden über
einen Brückengleichrichter.
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In 1 erkennt
man in schematischer Darstellungsweise den Aufbau eines seismischen
Generators 1, der es gestattet, mit wenigen Bauteilen Änderungen
in Bewegungsabläufen
oder Erschütterungen
eines mit dem Generator 1 verbundenen Gegenstandes auszunutzen,
um elektrische Energie zu erzeugen, mit deren Hilfe auf einfache
Weise Stromverbraucher mit elektrischer Energie ohne aufwändige Verkabelung
versorgt werden können.
Solche Stromverbraucher können
Lampen, und insbesondere Lampen für Fahrräder, Taschenlampen, Markierungslampen
und leuchtende Schlüsselanhänger oder
auch Sensoren und Sender auf bewegten Maschinenteilen sein. Eine
weitere Anwendung für
seismische Generatoren 1 besteht in Erschütterungsmessungen
bei Schienenfahrzeugen sowie Bewegungsmeldern bei Alarmanlagen und
Diebstahlsicherungen.
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Der
in 1 ohne seine elektrischen Ableitungen dargestellte
seismische Generator 1 verfügt über ein hohlkugelförmiges Gehäuse 3,
welches beispielsweise in seiner Größe einem Tischtennisball entspricht
und aus dem gleichen Material wie ein Tischtennisball bestehen kann.
Die Wandstärke
des hohlkugelförmigen
Gehäuses 3 ist
somit einerseits sehr dünn,
und andererseits ist die Wand des Gehäuses 3 robust und
elastisch verformbar.
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Das
Gehäuse 3 kann
insbesondere ein speziell gefertigter Kunststoffkörper beziehungsweise Spulenkörper sein,
welcher innen einen Hohlraum hat und außen entsprechende Formen und
Führungen
aufweist, um direkt und maschinell mit einem Spulendraht bewickelt
zu werden.
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Im
Innern 5 des Gehäuses 3 ist
ein massiver kugelförmiger
Dauermagnet 7 eingeschlossen, der über mehrere Magnetpole 9, 11 verfügt. Der
kugelförmige
Dauermagnet 7 kann beispielsweise einen Durchmesser von
18 Millimetern aufweisen, wobei das Innere 5 des Gehäuses 3 einen
Durchmesser aufweist, der so groß ist, dass der massive kugelförmige Dauermagnet 7 sich
im Innern 5 des Gehäuses 3 je
nach den Bewegungen gut drehen und abrollen kann oder von der Wand
des Gehäuses 3 elastisch zurückgestoßen wird.
Auf diese Weise werden Schwingungen des kugelförmigen Dauermagneten 7 weniger
durch die Kollisionen mit der Gehäusewand gedämpft und ein besserer Wirkungsgrad
erzielt.
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Auf
dem als Hohlkugel ausgebildeten Gehäuse 3 sind bei dem
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste Induktionsspule 13 und
eine zweite Induktionsspule 15 angeordnet. Die Induktionsspulen
können
aus einem dünnen
Kupferdraht mit mehreren tausend Windungen, insbesondere mit einer
Windungszahl von etwa 10.000 Windungen, hergestellt sein. Dabei
ist es vorteilhaft, wenn die beiden Induktionsspulen 13, 15 rechtwinklig
zueinander verlaufen und als Ringspulen ausgebildet sind.
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Um
Erschütterungen
oder Bewegungen des Gehäuses 3 möglichst
gut auf den kugelförmigen Dauermagneten 7 übertragen
zu können,
ist es zweckmäßig, wenn
die Oberfläche
des kugelförmigen
Dauermagneten 7 sowie die Innenseite 17 des Gehäuses 3 rutschmindernd
oder möglichst
rutschfest ausgebildet sind. Dies kann beispielsweise mit Hilfe
rauer Oberflächen
oder aber einer rutschfesten Beschichtung erreicht werden. Insbesondere
kann eine Beschichtung mit einem elastischen Material vorgesehen
sein.
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Es
ist auch zweckmäßig, wenn
der kugelförmige
Dauermagnet 7 bei seinen Roll- und Drehbewegungen mit seinem
Magnetfeld möglichst
nahe an die Induktionsspulen 13 und 15 gelangt,
ohne dass seine Rotation im Innern 5 des Gehäuses 3 beeinträchtigt wird.
Die Beweglichkeit des kugelförmigen
Dauermagnetes 7 ist besonders dann hoch, wenn die Krümmung des
Gehäuses 3 wesentlich
kleiner als die Oberflächenkrümmung des
kugelförmi gen
Dauermagneten 7 ist. Dies führt jedoch dazu, dass bei dem
in 1 dargestellten Fall beispielsweise bei einer
Bewegung des kugelförmigen
Dauermagneten 7 in der zweiten Induktionsspule 15 im
in 1 unteren Bereich hohe Feldstärkenveränderungen erreicht werden können, während jedoch
in entfernter liegenden Spulenbereichen der Induktionsspulen 13 und 15 eine
geringere Induktion erfolgt. Wenn zur Kompensation der Durchmesser
des Gehäuses 3 verkleinert oder
der Durchmesser des kugelförmigen
Dauermagneten 7 vergrößert wird,
so erfolgt jedoch eine Reduzierung der Beweglichkeit des kugelförmigen Dauermagneten,
die insbesondere dann sehr stark ist, wenn der Durchmesser des kugelförmigen Dauermagneten 7 fast
dem Durchmesser des Innenraumes 5 des Gehäuses 3 entspricht.
In diesem extremen Fall führen
Erschütterungen
und gewisse Bewegungen nicht mehr zu einem Abrollen des kugelförmigen Dauermagneten 7 auf
der Innenseite 7 des Gehäuses 3, sondern lassen
nur noch Vibrationen zu. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, wenn
der Durchmesser des kugelförmigen
Dauermagneten 7 zwischen 10 Prozent und 90 Prozent, vorzugsweise etwa
50 Prozent, des Durchmessers des Innenraumes 5 hat.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt ein seismischer
Generator 21 zusätzlich
zu dem vorbeschriebenen Gehäuse 3,
dem kugelförmigen
Dauermagneten 7 und der ersten Induktionsspule 13 und
der zweiten Induktionsspule 15 über eine dritte Induktionsspule 23.
Durch die dritte Induktionsspule 23 kann mit dem seismischen
Generator 21 gegenüber
dem seismischen Generator 1 ein höherer Wirkungsgrad, und damit
eine bessere Stromversorgung erzielt werden.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich
die dritte Induktionsspule 23 mit ihrer Spulenebene rechtwinklig
zu den beiden ihrerseits bereits rechtwinklig zueinander angeordneten
ersten Induktionsspule 13 und zweiten Induktionsspule 15.
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Die
Windungszahlen in den drei Induktionsspulen 13, 15, 23 können übereinstimmen,
jedoch kann es zweckmäßig sein,
wenn die dritte Induktionsspule 23 über eine größere Windungszahl verfügt als die
beiden näher
am Gehäuse 3 angeordneten
Induktionsspulen 13 und 15. Die Wicklungsbreiten
der Induktionsspulen 13, 15 und 23 können zwischen
15 und 35 Prozent des Durchmessers des Gehäuses 3 betragen.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen
seismischen Generator 31 dargestellt. Wie die vorbeschriebenen
seismischen Generatoren 1 und 1 und 21 verfügt der seismische
Generator 31 über
einen kugelförmigen
Dauermagneten 7 mit mehreren Magnetpolen 9, 11,
der in einem Hohlkörper
frei rollbar geführt
ist und sich dabei insbesondere in allen drei Raumachsen bewegen
kann sowie um sich selbst drehbar ist.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein rohrförmiges Gehäuses 33 vorgesehen,
das gebogen ist, wobei der Biegedurchmesser des Rohres 33 ein
Vielfaches des Rohrdurchmessers ist.
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Wie
in 3 veranschaulicht, ist der kugelförmige Dauermagnet 7 im
Innern des rohrförmigen Gehäuses 33 frei
beweglich, wobei ein kleiner Luftspalt zwischen dem kugelförmigen Dauermagneten 7 und
der Wand des dünnwandigen
rohrförmigen Gehäuses 33 zweckmäßig ist,
um hohe Induktionsspannungen in einer rohrförmigen Induktionsspule 35 zu
erzeugen, die in 3 teilweise aufgeschnitten dargestellt
ist. Das rohrförmige
Gehäuse 33 ist
an seinen beiden Enden vorzugsweise verschlossen oder mit einer
Arretierung versehen, die ein Herausrollen des kugelförmigen Dauermagneten 7 verhindert.
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Die
beiden Enden der Wicklungen der Induktionsspule 35 werden
zur Stromentnahme ebenso wie die Wicklungsenden der Induktionsspulen 13 oder 15 im
einfachsten Fall gemäß dem in 4 dargestellten
Schaltbild mit entgegengesetzt gepolten superhellen InGaN/SiC-Leuchtdioden 37, 39 verbunden.
Je nach der Polarität
der gerade anliegenden Phase der vom seismischen Generator 1, 21 oder 31 erzeugten
Spannung leuchtet dabei die erste Leuchtdiode 37 oder die
zweite Leuchtdiode 39, die bei dem in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
unmittelbar mit den Enden der rohrförmigen Induktionsspule 35 oder
aber mit den Enden der Induktionsspulen 13 oder 15 verbunden
sind.
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In 5 ist
ein Ausführungsbeispiel
für eine Schaltung
dargestellt, die die von den Induktionsspulen 13 und 15 des
seismischen Generators 1, 21 oder 31 gelieferten
Wechselspannungen in einer Brückengleichrichterschaltung
gleichrichtet. Die Brückengleichrichterschaltung
verfügt über eine
erste Diode 41, eine zweite Diode 42, eine dritte
Diode 43 und eine vierte Diode 44, um zu erreichen,
dass sämtliche Halbwellen
der Induktionsspannungen zur Lichterzeugung ausgenutzt werden.
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Wie
man in 5 erkennt, können
die Leuchtdioden 37 und 39 mit einem Kondensator überbrückt sein,
der Helligkeitsschwankungen der Leuchtdioden mindert, indem sie
zur Glättung
der im Brückengleichrichter
erzeugten Gleichspannung dienen oder aber bei einer besonders hohen
Kapazität in
Gestalt eines Superkondensators ähnlich
einem Akkumulator wirken können.