DE102006013237A1

DE102006013237A1 - Mechanisch-Elektrischer Generator

Info

Publication number: DE102006013237A1
Application number: DE102006013237A
Authority: DE
Inventors: Dirk Spreemann; Bernd Folkmer
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: HAHN-SCHICKARD INTERNATIONAL GMBH, DE
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: DE102006013237B4

Abstract

Es wird ein mechanisch-elektrischer Generator mit einer Basis, einem Schwingpendel, das so mit der Basis verbunden ist, dass das Schwingpendel auf eine Vibration des mechanisch-elektrischen Generators hin eine Drehschwingung, bezogen auf die Basis, ausführen kann, eine Anschlageinrichtung, die mit dem Schwingpendel und der Basis so gekoppelt ist, dass eine komplette Drehschwingung unterbunden ist, und die Anschlageinrichtung ausgebildet ist, um eine elastische Anschlagwirkung auf das Schwingpendel auszuüben, wenn das Schwingpendel und die Anschlageinrichtung interagieren, einer Energiewandlereinrichtung, die ausgebildet ist, um die Drehschwingung des Schwingpendels in ein elektrisches Signal umzuwandeln, und mit einem elektrischen Ausgang, um das elektrische Signal auszukoppeln, mit dem eine Last koppelbar ist, beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mechanischen Energiewandler, insbesondere auf einen mechanischelektrischen Generator.
In den letzten Jahren stiegen sowohl der Bedarf als auch die möglichen Einsatzszenarien, kleiner, mobiler und/oder autarker Systeme stark an. Mit dem Bedarf und dem Interesse stiegen so beispielsweise auch die Anstrengungen im Bereich der Entwicklung von kabellosen (wireless) Sensor- und Aktornetzwerken an. Potentielle Einsatzmöglichkeiten solcher Netzwerke sind vielfältig. Sie können beispielsweise im Kfz-Bereich, in der Medizin-Technik, der Gebäudeüberwachung, der Detektierung von Chemikalien, bei militärischen und anderen Bereichen Anwendung finden. Aufgrund der fehlenden Kabelverbindung zu anderen Komponenten erfordern diese Systeme jedoch eine dezentrale Energieversorgung. Ein äußerst aussichtsreiches Konzept für einen Ersatz erschöpflicher Energiespeicher, wie etwa Batterien, Akkus oder Brennstofftanks mit entsprechenden Brennstoffzellen, stellen Energieversorgungssysteme dar, die ein „ernten" von Energie (Energy-Harvesting) aus der lokalen Umgebung ermöglichen. Seit einigen Jahren wird hierbei insbesondere an der Wandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie geforscht.
Miniaturisierte Vibrationsgeneratoren sind im Allgemeinen als Feder-Masse-Dämpfer-System ausgeführt. Die Wandlung der kinetischen Energie, die einem solchen Feder-Masse-Dämpfer-System extern in Form von Bewegungen zur Verfügung gestellt wird, erfolgt hierbei meist im Rahmen einer induktiven Wandlung, wobei das System so ausgelegt ist, dass die träge Masse des Systems als Dauermagnet ausgeführt ist. Wird das System nun durch Vibrationen angeregt, führt die dadurch hervorgehobene Relativbewegung des Dauermagneten gegenüber einer Spule, die mit dem Rest des Systems verbunden ist, zu einer Induktionsspannung. Der durch die Induktionsspannung hervorgerufene Induktionsstrom baut in der Spule seinerseits wiederum ein Magnetfeld auf, dass der Bewegung des Dauermagneten entgegenwirkt und damit seine Bewegung dämpft. Die in der Dämpfung dissipierte Energie entspricht hierbei in erster Näherung der elektrisch generierten Energie. Als annähernd lineare Fehlerelemente, also als Federelemente mit einer linearen Kennlinie bzw. einer linearen Kraft-Weg-Kennlinie, werden neben der klassischen Feder vor allem in der Mikrosystemtechnik Balken und Membrane verwendet.
Aufgrund Ihrer Auslegung als Systeme mit Federn, einer (Schwung-) Masse und einem Dämpfer stellen diese Systeme resonante Systeme mit einer charakteristischen Resonanzfrequenz bzw. Eigenfrequenz dar. Resonante Systeme besitzen jedoch charakteristische Nachteile. Um eine möglichst große Leistung zu generieren, sollte das System eine möglichst kleine Dämpfung besitzen. Dies bedeutet, dass der Generator dann allerdings relativ genau mit seiner Resonanzfrequenz bzw. Eigenkreisfrequenz angeregt werden muss, um eine ausreichend große Relativbewegung des Magneten gegenüber der (Induktions-) Spule zu gewährleisten. Vibrationsquellen, die eine gleichbleibende und bekannte Vibrationsfrequenz liefern, sind jedoch im Allgemeinen sehr schwer zu finden. Technisch dominieren vielmehr Vibrationsquellen, deren Vibrationsfrequenzen und Vibrationsamplituden zeitlichen Schwankungen unterworfen sind. So führen bereits kleine Abweichungen der Vibration von der Resonanzfrequenz eines solchen resonanten Systems mit einer schwachen Dämpfung zu erheblichen Einbußen bezüglich der von dem Generator generierbaren Leistung.
Grundsätzlich ist es möglich, diesem Effekt durch eine höhere Bedämpfung des Feder-Masse-Dämpfer-Systems entgegen zu wirken. Mit größer werdender Dämpfung sinkt jedoch ebenfalls die maximal generierbare Energie wiederum, was ebenfalls ungünstig ist.
In Mikrosystemtechnik hergestellte Generatoren weisen zudem aufgrund der geringen Massen der in Mikrosystemtechnik hergestellten Komponenten vergleichsweise hohen Resonanzfrequenzen bzw. Kennkreisfrequenzen auf. Hierdurch verschärft sich das oben geschilderte Problem der Anpassung der Resonanzfrequenzen der Feder-Masse-Dämpfer-Systeme an die Vibrationsfrequenzen zusätzlich, da potentielle Vibrationsquellen im Allgemeinen mit Frequenzen schwingen, die üblicherweise wenigstens eine Größenordnung geringer sind als die Resonanzfrequenzen von Generatoren, die mit Hilfe der Mikrosystemtechnik erreicht werden können. Dies wird im weiteren Verlauf der vorliegenden Anmeldung noch am Beispiel einer Vakuumpumpe näher erläutert.
Darüber hinaus zeigen Vibrationsspektren typischerweise neben der Grundschwingung auch Oberschwingungen mit einer nennenswerten Energie. Ein resonantes System kann jedoch nur um eine bestimmte Frequenz, nämlich die Resonanzfrequenz, kinetische Energie konvertieren.
Darüber hinaus sollte im Falle einer resonanten Konvertierung der Energie durch einen Generator ein physischer Anschlag als Überlastungsschutz der Feder vorgesehen werden. Schwingen die Magnete dauerhaft gegen diesen Anschlag, führt dies zu dem über kurz oder lang ebenfalls zu einem Materialversagen, so dass die Lebensdauer des Generators im Allgemeinen signifikant eingeschränkt wird.
Die meisten resonanten Vibrationsgeneratoren verwenden Federelemente, die ein annähernd lineares Verhalten, also eine lineare Kennlinie aufweisen. Es gibt aber auch den Ansatz, die abstoßende Kraft zweier entgegengesetzt gepolter Magnete als nicht-lineare Federkraft zu verwenden. 4 zeigt ein Magnet-Translationssystem 800 mit einer Hülse 810, einem Schwingmagneten 820 und zweier Federmagnete 830-1, 830-2, die mechanisch mit der Hülse 810 verbunden und so ausgerichtet sind, dass im Inneren der Hülse 810 jeweils ein Nordpol des Schwingmagneten 820 einem Nordpol des Federmagneten 830-1 und ein Südpol des Schwingmagneten 820 einem Südpol des Federmagneten 830-2 gegenüber liegen. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 4 eine Induktionsspule des Magnet-Translationssystems 800 nicht eingezeichnet, die beispielsweise mit der Hülse 810 verbunden sein kann und auf eine Bewegung des Schwingmagneten 820 hin in eine Induktionsspannung bereitstellen kann.
Wie auch in der Dissertation mit dem Titel „Energiewandlersystem für den Betrieb von autarken Sensoren in Fahrzeugen" von Gunther Naumann (Technische Universität Dresden, 2004) beschrieben und erläutert wurde, kommt es gerade bei Schwingmagneten, wie dem Schwingmagnet 820 in 4, bei einer linearen Führung im Inneren der Hülse 810 zu hohen Reibungskräften des Schwingmagneten 820 an der Hülse 810 aufgrund eines Kippmoments, das aufgrund der Orientierung der beiden Federmagnete 830-1, 830-2 und dem Schwingmagneten 820 zueinander erzeugt wird. Aufgrund der durch das Kippmoment hervorgerufenen hohen Reibungskräfte führt eine lineare Führung des Schwingmagneten 820 in der Hülse 810 bislang daher zu hohen Verlusten.
Genauer gesagt kommt es aufgrund der gegenseitigen Abstoßung der Nordpole des Schwingmagneten 820 und des Federmagneten 830-1 und der Südpole des Schwingmagneten 820 und des Federmagneten 830-2 zu einem Kippmoment, das die beiden Federmagnete 830-1, 830-2 auf den Schwingmagneten 820 ausüben, so dass dieser gegenüber der Hülse 810 bzw. einer Rotationsachse der Hülse um einen Winkel β verkippt wird.
Aufgrund des Kippmoments wirkt nun nicht nur eine Normalkraft F_N zwischen der Hülse 810 und dem Schwingmagneten 820, wie dies an einem Punkt A in 4 dargestellt ist, auf die Hülse 810 bzw. den Schwingmagneten 820, sondern es wird zusätzlich eine Magnetkraft-Komponente F_MR zwischen dem Schwingmagneten 820 und der Hülse 810. Aufgrund der zusätzlichen Magnetkraft-Komponente F_MK kommt es zu einer Vergrößerung einer Reibungskraft F_R, die die Hülse 810 auf den Schwingmagneten 820 ausübt, im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Magnetkraft-Komponente F_MK beispielsweise aufgrund schwächerer Magnete geringer oder gänzlich verschwinden würde.
Im Falle einer Bewegung des Schwingmagneten 820 gegenüber der Hülse 810 führt die Reibungskraft F_R zu einem Leistungsverlust, so dass die Energie, die ein Generator mit dem Magnet-Translationssystem 800 erzeugen könnte, reduziert wird. Die Reibungskraft F_R tritt jedoch auch bereits in einem stationären Zustand auf, bei dem sich der Schwingmagnet 820 nicht bewegt. In diesem Fall handelt es sich bei der Reibungskraft F_R um eine Haftreibungskraft, die zusammen mit den Kräften, die die beiden Federmagneten 830-1, 830-2 auf den Schwingmagneten 820 ausüben, einer Schwerkraft F_g des Schwingmagneten 820 entgegenwirken. Bei Verwendung einer Magnetfeder in Form der beiden Federmagnete 830-1, 830-2 und des Schwingmagneten 820 sowie einer linearen Führung in Form der Hülse 810 entstehen also zusätzliche Reibungskräfte, die durch eine Verdrehung des Schwingmagneten 820 gegenüber der Hülse 810 bzw. der Symmetrieachse der Hülse 810 entstehen.
Andere Beispiele für Generatoren mit translatorischen Energiewandlersystemen zeigen so beispielsweise die US-5,347,86, die US 4,140,932 und die DE 19 758 164 A1 . Des weiteren zeigt die US 5,148,066 einen Lineargenerator oder Motor mit einer integrierten magnetischen Feder, bei der das Magnetsystem Lager- und Führungsaufgaben erfüllt. Die US 6,867,520 B2 zeigt darüber hinaus eine elektromechanische Batterie in Form eines magnetisch in der Schwebe gehaltenen Schwungrades.
Die oben zitierte Dissertation von Gunther Naumann enthält darüber hinaus eine Einführung in den prinzipiellen Aufbau und Eigenschaften rotierender Energiewandlersysteme.
5 zeigt einen Vibrationswandler 850 mit einem Körper 860, in den mehrere Spulen 870 eingelassen sind, und der in dem Konferenzbeitrag „Novel non-resonant vibration transducer for energy harvesting" der Konferenz Power Micro Electronic Mechanical Systems 2005 in Tokio, Japan, von D. Spreemann, B. Folkmer, D. Mintenbeck und Y. Manoli beschrieben ist. Der Vibrationswandler 850 weist darüber hinaus ein Rotationspendel 880 mit zwei Magneten 890 auf. Das Rotationspendel 880 weist eine tropfenförmige Gestalt auf und ist so mit einer Welle 900 an einem Aufhängungspunkt verbunden, dass der Aufhängungspunkt nicht mit einem Schwerpunkt des Rotationspendels 880 übereinstimmt. Als Folge hängt das Rotationspendel 880 in einem Ruhezustand nach „unten", wenn der Vibrationswandler 850 aufrecht steht. Die Welle 900 ist über ein Kugellager 910 mit dem Körper 860 drehbar verbunden.
Wird nun, wie in 5 durch die beiden senkrechten Pfeile angedeutet, der Vibrationswandler 850 vertikal bewegt, beginnt aufgrund der Form des Rotationspendels 880 und dem Aufhängungspunkt das Rotationspendel 880 eine Rotation um eine Achse, die mit der Welle 900 bezüglich ihrer Lage übereinstimmt. In 5 ist die Rotation durch einen Pfeil im Bereich der Welle 900 angedeutet. Aufgrund der eintretenden Rotation werden die Magnete 890 an den Spulen 870 vorbeigeführt, so dass in den Spulen 870 aufgrund der Induktion eine Induktionsspannung und damit ein Induktionsstrom hervorgerufen wird.
Die drehbare Lagerung des Rotationspendels 880 in Form der Welle 900 und des Kugellagers 910, sowie die tropfenförmige Ausgestaltung des Rotationspendels 880 im Zusammenhang mit dem Aufhängungspunkt ermöglichen eine nicht-resonante Konvertierung kinetischer Energie in Form von Vibrationen in elektrische Energie über die in den Spulen 870 erzeugten Induktionsspannungen und Induktionsströme. Durch diese nicht-resonante Konvertierung können die oben beschriebenen Nachteile einer resonanten Konvertierung weitgehend eliminiert werden.
Nachteilig an dem Vibrationswandler 850 ist jedoch, dass dieser auf eine Rotation, also ein Kreisenn des Rotationspendels 880 um die durch die Lage der Welle 900 gegebene Rotationsachse angewiesen ist, um effizient elektrische Energie in Form von Induktionsspannungen bereitzustellen. Mit anderen Worten muss, damit der Vibrationswandler 850 eine ausreichende Leistung abgeben kann, das Rotationspendel 880 um die Rotationsachse vollständige Kreise beschreiben. Hieran ist insbesondere nachteilig, dass eine Vibrationsamplitude des Vibrationswandlers einen kritischen Wert zunächst übersteigen muss, damit das Rotationspendel 880 überhaupt beginnen kann, Rotationen auszuführen. Übersteigt die Amplitude der Vibrationen nicht diesen kritischen Wert, so vollführt das Rotationspendel 880 lediglich Schwingungen, um seine Ruhelage aufgrund der Erdanziehung, also aufgrund der Masseverteilung des Rotationspendels 880 und der Lage des Befestigungspunktes der Welle 900 in dem Rotationspendel 880, was letztlich dazu führt, dass der Vibrationswandler 850 eine im Allgemeinen nicht ausreichende elektrische Leistung abgeben kann. Dies ist sofort einsichtig, da die in 5 gezeigten Spulen 870 in diesem Fall nur einer vergleichsweise geringen Änderung des magnetischen Flusses durch die Bewegung der Magnete 890 ausgesetzt sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen mechanischelektrischen Generator und ein Verfahren zur Generierung eines elektrischen Signals zu schaffen, die eine effizientere Umsetzung einer mechanischen Vibration in ein elektrisches Signal ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch einen mechanisch-elektrischen Generator nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Generierung eines elektrischen Signals gemäß Anspruch 12 oder ein Computer-Programm-Produkt gemäß Anspruch 13 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine effizientere Generierung eines elektrischen Signals aus einer mechanischen Vibration heraus dadurch erzielt werden kann, indem einerseits ein Schwingpendel so mit einer Basis verbunden wird, dass das Schwingpendel auf eine Vibration des mechanisch-elektrischen Generators eine Drehschwingung bezüglich der Basis ausführen kann, und dass das Schwingpendel und die Basis so mit einer Anschlageinrichtung gekoppelt werden, dass eine komplette Drehschwingung unterbunden wird und gleichzeitig die Anschlageinrichtung eine elastische Anschlagwirkung auf das Schwingpendel ausübt, wenn das Schwingpendel und die Anschlageinrichtung miteinander interagieren. Über eine zusätzliche Energiewandlereinrichtung wird die Drehschwingung des Schwingpendels in ein elektrisches Signal umgewandelt, dass dann an einem elektrischen Ausgang bereitgestellt wird.
Hierbei wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter einer elastischen bzw. teilelastischen Anschlagwirkung eine Wechselwirkung verstanden, bei der typischerweise weniger als 50 % und vorzugsweise weniger als 20 % der kinetischen Energie des Schwingpendels nicht in eine potentielle Energie umgewandelt werden. Mit anderen Worten wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter einer elastischen bzw. teilelastischen Anschlagwirkung eine Wechselwirkung verstanden, bei der tpyischerweise weniger als 50 % und vorzugsweise weniger als 20 % der kinetischen Energie „vernichet", also in Wärme, eine plastische Verformung oder eine andere technisch nicht oder nur schwierig weiter zu verwertende Energieform umgewandelt werden.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Anschlageinrichtung so ausgebildet sein kann, dass diese eine nicht lineare Kennlinie aufweist. Insbesondere ist es so möglich, für Ausschlagwinkel im Bereich eines Gleichgewichtswinkels des Schwingpendels des mechanisch-elektrischen Generators zunächst eine vergleichsweise geringe Rückstellkraft auf das Schwingpendel auszuüben, wobei für stärkere Ausschlagwinkel die Rückstellkraft betragsmäßig signifikant ansteigt.
Dies kann beispielsweise durch Verwendung von Magneten oder elektrostatischen Systemen im Rahmen der Anschlageinrichtung erzielt werden. Ein großer Vorteil der nicht-linearen Magnetfelder oder elektrostatischen Felder liegt darin, dass die zunächst flache Kennlinie der magnetischen bzw. elektrostatischen Interaktion ausgenutzt werden kann, um auch bei einem kleinen Volumen des mechanisch-elektrischen Generators kleine Vibrationsfrequenzen in ein elektrisches Signal umzusetzen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Anschlageinrichtung, beispielsweise in Form von Federmagneten oder entsprechenden elektrostatischen Komponenten, so ausgebildet sein kann, dass die Interaktion des Schwingpendels mit der Basis einstellbar ist. Hierdurch kann ein erfindungsgemäßer mechanisch-elektrischer Generator beispielsweise so ausgeführt werden, dass dieser an bestimmte Betriebsbedingungen explizit angepasst werden kann.
Dies kann beispielsweise auch während des Betriebs geschehen im Rahmen einer Optimierung der abgegebenen Leistung. Werden also beispielsweise die Federmagnete oder die entsprechenden elektrostatischen Komponenten in der Weise angebracht und angeordnet, dass sie gegeneinander verstellbar sind, so kann die nicht-lineare Kennlinie der Anschlageinrichtung weiter ausgenutzt werden, um den Generator an die jeweiligen Einsatzbedingungen optimaler anzupassen.
Darüber hinaus können aufgrund der nicht-linearen Kennlinie der Anschlageinrichtung in Bezug auf die Interaktion mit dem Schwingpendel auch technisch sonst schwer verwertbare und schwer beherrschbare Vibrationen geringer Frequenz verwertet werden. Insbesondere ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass der mechanisch-elektrische Generator nicht nur für Vibrationsfrequenzen in der Nähe einer Resonanzfrequenz, sondern für Idealerweise alle Frequenzen, also insbesondere auch für häufig energiereiche Oberwellen von Schwingungen und Vibrationen eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ergibt sich so ein einstellbarer Vibrationsgenerator, der auch stochastisch auftretende Stöße verwerten kann. Der erfindungsgemäße mechanisch-elektrische Generator eignet sich daher insbesondere auch, um stochastische Stöße und niedrige Frequenzen von typischerweise weniger als 125 Hz und vorzugsweise weniger als 75 Hz, die nicht exakt vorherbestimmt und bekannt sind, in elektrische Signale zu konvertieren.
Im Falle einer Verwendung einer auf Magneten arbeitenden Anschlageinrichtung, bei der das Schwingpendel einen Schwingmagneten umfasst, kann dieser als zusätzliches Gewicht für das Schwingpendel eingesetzt werden, um eine in allen mechanischen Systemen vorhandene Resonanzfrequenz weiter in den Bereichen tiefer und damit technisch relevanter Vibrationsfrequenzen zu verschieben.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch Verwendung eines Schwingpendels im Vergleich zu einem translatorischen Energiewandlersystem, wie es in den einführenden Abschnitten der vorliegenden Anmeldung beschrieben wurde, nicht nur Vibrationen bezüglich einer Raumrichtung in elektrische Signale umgewandelt werden können, sondern dass aufgrund der Auslegung eines Schwingpendels Vibrationen bezüglich zweier Raumrichtungen, also Vibrationen in einer Ebene ausgenutzt werden können.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a eine schematische Übersichtszeichnung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Generators;
1b eine Teilexplosionszeichnung des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Generators;
2 ein Beispiel eines Vibrationsspektrums einer Vakuumpumpe an verschiedenen Bereichen des Gehäuses der Vakuumpumpe;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Generators in Form eines mikromechanischen Systems;
4 ein Magnet-Translationssystem nach dem Stand der Technik; und
5 ein Vibrationswandler nach dem Stand der Technik.
Bezug nehmend auf die 1 bis 3 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mechanischelektrischen Generators beschreiben. In den 1 bis 3 werden für Objekte mit ähnlichen funktionalen Eigenschaften ähnliche Bezugszeichen verwendet.
1a zeigt eine Übersichtsdarstellung eines einstellbaren, feinmechanischen Vibrationsgenerators zur induktiven Konvertierung kinetischer Energie in Form von Vibrationen und stochastischen Stößen 100 als erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Generators. 1b zeigt in Form einer Teilexplosionszeichnung einen Schnitt durch den in 1a gezeigten erfindungsge mäßen Vibrationsgenerator 100. Der Vibrationsgenerators 100 wird anhand der 1a und 1b näher erläutert und beschrieben.
Der Vibrationsgenerator 100 weist so eine Basis bzw. ein Gehäuse 110 auf, das bei dem in 1 gezeigten, speziellen Ausführungsbeispielen dreiteilig ausgeführt ist. Die Teile des Gehäuses 110 werden über vier Kombinationen von Schrauben 120 und Muttern 130 miteinander verbunden. In das Gehäuse 110 ist zur drehbaren Lagerung eines Schwingpendels 140 ein Kugellager 150 eingepasst, dass mit einer Welle 160 verbunden ist. Die Welle 160 ist darüber hinaus mit dem Schwingpendel 140 verbunden. Das Gehäuse 110 weist in jedem seiner drei Teile eine entsprechende Ausnehmung 170 auf, die es dem Schwingpendel 140 ermöglicht, im Inneren des Gehäuses 110 eine entsprechende Drehschwingung bezüglich einer durch die Welle 160 bestimmten Drehachse auszuführen. Das Schwingpendel 140 weist darüber hinaus einen Schwingmagneten 180 auf, der bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel zylinderförmig ausgebildet ist.
Des weiteren weist das Gehäuse 110 zwei weitere Ausnehmungen 190 auf, die zumindest teilweise ein Gewinde aufweisen. In die Gewinde der Ausnehmung 190 kann jeweils eine Madenschraube 200, die ihrerseits mit einem Feldmagneten 210 verbunden ist, in das Gehäuse 110 eingeschraubt werden. Insbesondere ermöglichen die beiden Madenschrauben 200 eine individuelle Positionierung der Feldmagnete 210 bezüglich des Schwingmagneten 180, der mit dem Schwingpendel 140 verbunden ist.
Die beiden Feldmagneten 210 sind hierbei bezüglich des Schwingmagneten 180 so orientiert, dass jeweils zwischen einem der beiden Feldmagneten 210 und dem Schwingmagneten 180 eine abstoßende bzw. rücktreibende Kraft auftritt. Mit anderen Worten sind die beiden Feldmagneten 210 bezüglich des Schwingmagneten 180 so orientiert, dass einem Nordpol des Schwingmagneten 180 auch ein Nordpol eines der beiden Feldmagneten 210 gegenübersteht. Analog steht einem Südpol des Schwingmagneten 180 auch ein Südpol des anderen Feldmagneten 210 gegenüber.
In der Ausnehmung 170 des Gehäuses 110 sind darüber hinaus zwei Induktionsspulen 220 integriert, die jeweils eine Bohrung aufweisen, so dass der Schwingmagnet 180 zumindest teilweise in die Bohrungen der beiden Induktionsspulen 220 eintauchen kann.
Die beiden Spulen sind darüber hinaus mit einem elektrischen Anschluss in Form zweier Kontaktstifte 230 verbunden, was jedoch der besseren Übersicht halber in 1b nicht dargestellt ist. Die elektrische Verbindung der Induktionsspulen 220 und der Kontaktstifte 230 kann hierbei, je nach Anwendungsszenario, parallel oder seriell erfolgen. Darüber hinaus kann unabhängig davon, ob die Verschaltung der beiden Induktionsspulen 220 parallel oder seriell erfolgt, die Verschaltung der beiden Induktionsspulen bezüglich einer Windungsorientierung sowohl parallel wie auch antiparallel erfolgen. Die beiden Induktionsspulen 220 können also optional die gleiche oder die entgegengesetzte Wicklungsorientierung aufweisen. Die beiden Induktionsspulen 220 bilden somit zusammen mit dem Schwingmagneten 180 des Schwingpendels 140 eine Energiewandlereinrichtung, mit der die kinetische Energie einer Drehschwingung, die das Schwingpendel 140 ausführt, in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines mechanisch-elektrischen Generators 100, bei dem es sich genauer gesagt, um einen feinmechanischen Vibrationsgenerator 100 handelt, umfasst die Anschlageinrichtung die beiden Feldmagneten 210 und den Schwingmagneten 180. Diese Auslegung der Anschlageinrichtung bietet, wie bereits oben angedeutet wurde, mehrere, signifikante Vorteile.
Einen wesentlichen Vorteil stellt zunächst die Tatsache dar, dass aufgrund der Verwendung von Magneten die Anschlagwirkung eine nicht-lineare Kennlinie bzw. Charakteristik aufweist, wobei im Bereich um eine Gleichgewichtsstellung des Schwingpendels 140 zunächst eine flache Kennlinie mit geringen Rückstellkräften vorliegt. Zusammen mit der vergleichsweise großen Masse des Schwingpendels 140, die sich als Folge des Schwingmagneten 180 ergibt, liegt somit die Resonanzfrequenz des Schwingpendels 140 bezüglich dem als Basis wirkenden Gehäuse 110 bei vergleichsweise niedrigen Frequenzen. Hierdurch ist es möglich, auch Vibrationen in elektrische Signale umzusetzen, die bei technologisch relevanten niedrigen Frequenzen des Vibrationsspektrums auftreten, wobei gleichzeitig das Volumen des Vibrationsgenerators 100 vergleichsweise klein gehalten werden kann. Für große Auslenkungen des Schwingpendels 140 nimmt die Federkraft durch die Wechselwirkung der Feldmagnete 210 und des Schwingmagneten 180 aufgrund der nicht-linearen Kennlinie überproportional zu, so dass der Schwingmagnet 180 und damit das Schwingpendel 140 so eine gewisse „Entlagendämpfung" erfährt. Ein physischer Anschlag, etwa in Form eines aus Gummi oder Plastik bestehenden mechanischen Anschlags, wird so bei einer korrekten Auslegung des Vibrationsgenerators 100 eher selten beansprucht und kann daher ggf. vollständig entfallen.
Dadurch, dass ein physischer Anschlag nicht notwendigerweise mit implementiert werden muss, bietet der Vibrationsgenerator 100 darüber hinaus den weiteren wesentlichen Vorteil, dass dieser nicht nur Vibrationen mit einer großen Vibrationsamplitude dauerhaft nicht beschädigt wird, sondern dass die Energie dieser Vibrationen besser in elektrische Signale und damit in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Dies liegt daran, dass eine magnetische Anschlageinrichtung, wie sie der in 1 gezeigten Vibrationsgenerator 100 aufweist, auch bei hohen Auslenkwinkeln noch eine elastische Anschlagwirkung ermöglicht. Im Unterschied zu mechanischen Anschlägen, etwa in Form von Gummi puffern, wird so erheblich weniger Energie der Vibration in technisch kaum verwertbare Energieformen, wie etwa Wärme oder plastische Verformungen, umgewandelt. Typischerweise geht so weniger als 50 % der in der Vibration enthaltenen Energie in technisch kaum verwertbare Energieformen verloren. Vorzugsweise ermöglicht die Anschlageinrichtung es sogar, dass weniger als 20 % der in der Vibration enthaltenen Energie „verloren" geht.
Ein weiterer wesentlicher Vorzug des Vibrationsgenerators 100, wie er in 1 beispielhaft gezeigt ist, besteht darin, dass die Federmagnete 210 in einer solchen Weise angebracht werden können, dass sie verstellbar sind, so dass die nicht lineare Kennlinie der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Feldmagneten 210 und dem Schwingmagneten 180 weiter ausgenutzt bzw. optimiert werden kann, um den Generator 100 an verschiedene Einsatzbedingungen anpassen zu können. Bei dem in 1 gezeigten Vibrationsgenerator 100 stellen somit die beiden Madenschrauben 200 eine Einstelleinrichtung dar, die es einem Benutzer des Vibrationsgenerators 100 ermöglicht, die Charakteristik des Vibrationsgenerators 100 auf verschiedenste Einsatzbedingungen abzustimmen, was einen wesentlichen Vorteil und ein Novum darstellt, das bislang nicht erkannt wurde.
Der erfindungsgemäße Vibrationsgenerator 100 bzw. ein erfindungsgemäßer mechanisch-elektrischer Generator 100 unterscheidet sich somit von den bisherigen Konzepten im Wesentlichen in den Folgenden Punkten. Anstatt einer linearen Führung, wie sie in den einführenden Abschnitten der vorliegenden Anmeldung erläutert wurde, werden die oder der Schwingmagnet 180 über ein Schwingpendel 140 rotatorisch gelagert. Die bei linear geführten Systemen normalerweise auftretenden hohen Reibungsverluste, die auf ein Verkanten des Schwingmagneten zurückzuführen sind, können so auf die signifikant geringeren Rollreibungsverluste des (Miniatur-) Kugellagers 150 reduziert werden. Dies führt zu einem System mit einer äußerst geringen mechanischen Dämpfung, was einen erzielbaren Wirkungsgrad des Vibrationsgenerators 100 signifikant verbessert.
Darüber hinaus kann dadurch, dass die Magnete bzw. der Schwingmagnet 180 auf einer Kreisbahn in die (Induktions-) Spulen 220 eintauchen kann, eine größere magnetische Flussänderung in den Induktionsspulen 220 erzeugt werden, was die maximal generierbare Spannung an den Kontaktstiften 230 des Vibrationsgenerators 100 im Vergleich zu einem Generator, bei dem der Schwingmagnet nicht in die Spulen eindringen kann, erheblich steigert.
Darüber hinaus ermöglicht es der Vibrationsgenerator 100, die Positionen der Federmagnete bzw. des Feldmagneten 210 durch den Benutzer aktiv einzustellen. Hierzu kann der Benutzer des Generators 100 die beiden Madenschrauben 200 entsprechend verstellen. Hierdurch kann die differenzielle Steigung der durch die Kombination der Feldmagnete 210 und des Schwingmagneten 180 erzeugte Federkennlinie so beeinflusst werden, dass der Vibrationsgenerator 100 an die entsprechenden Vibrationsfrequenzen einer Vibrationsquelle gezielt adaptiert werden kann.
Die neuen beschriebenen Eigenschaften konnten bereits durch erste Prototypen des beschriebenen feinmechanischen Vibrationsgenerators 100 bestätigt werden. So konnte beispielsweise bereits mit einem ersten feinmechanischen Prototyp eines erfindungsgemäßen Vibrationsgenerators 100, der auch als LFTT (LFTT = Low Frequency tunable transducer = einstellbarer Niederfrequenzwandler) bezeichnet wird, nachgewiesen werden, dass durch unterschiedlichste Anregungen, beispielsweise in Form von Vibrationen einer Vakuumpumpe, Wacklern (Shaker) und kleinerer Stöße, ein Prozessor vom Typ MSP 430 F 437 mit einer so großen Energiemenge versorgt werden konnte, dass dieser alternierend die momentane Uhrzeit, den HSG-Schriftzug der Hahn-Schickard-Gesellschaft und eine gemessene Temperatur auf einer Anzeige oder einem Display anzeigen konnte. Diese Versuche wurden unter ande rem an einer Vakuumdrehschieberpumpe durchgeführt, deren Vibrationsspektren verschiedene Orte an der Pumpe in 2 gezeigt sind.
Genauer gesagt, zeigt hierbei 2 fünf Vibrationsspektren in Form einer Auftragung einer gemessenen Beschleunigung, die auf die Erdbeschleunigung g normiert sind, über einer Frequenz. Die Vibrationsspektren sind hierbei an einer Oberseite, einer Vorderseite, einer linken Seite, an einem Schaltergehäuse und einem Flansch der Vakuumdrehschieberpumpe gemessen worden. Wie 2 zeigt, weisen die Spektren bei etwa 25 Hz, etwa 50 Hz und etwa 100 Hz zum Teil erhebliche Beschleunigungswerte von zum Teil über 0,35 g auf. Insbesondere illustriert 2 auch, dass nicht nur bei einer Grundschwingung bzw. Grundfrequenz, sondern auch bei höheren harmonischen signifikante Schwingungsbeiträge der Vibrationen auftreten.
Darüber hinaus ist es möglich, beispielsweise mit Hilfe des gleichen Vibrationsgenerators 100 diesen nacheinander auf verschiedene Anwendungsgebiete bzw. verschiedene Vibrationsquellen einzustellen. So ist es beispielsweise möglich, durch eine Variation der Anordnung bzw. Position der Feldmagnete 210 über die Madenschrauben 200 den Vibrationsgenerator 100 zunächst an die beschriebene Vakuumpumpe anzupassen, um ihn anschließend beispielsweise an einem Kfz-Motor zur Erzeugung einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stroms heranzuziehen. Ebenso kann nach einer weiteren Anpassung der gleiche Vibrationsgenerator 100 an einer anderen Vibrationsquelle zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden.
Durch eine weitere Modellierung, Simulation, Optimierung und Miniaturisierung des feinmechanischen Generators kann die Leistungsabgabe des Vibrationsgenerators 100 weiter gesteigert werden.
Abweichend von dem oben geschilderten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vibrationsgenerators 100 kann beispielsweise auch ein anderes Lager, als das beschriebene Kugellager 150 verwendet werden. Anstelle des beschriebenen Kugellagers 150 kann so beispielsweise auch eine andere Form eines Wälzlagers, beispielsweise ein Rolllager oder ein Nadellager zum Einsatz. Ebenso kann auch ein Gleitlager verwendet werden, das beispielsweise Komponenten aus einem Kunststoff (z. B. Teflon^®), einem Metall oder einer Metalllegierung aufweist. Ebenso kann im Rahmen eines Gleitlagers oder eines Wälzlagers optional ein Schmiermittel, beispielsweise ein Öl, Wasser oder auch Gold verwendet werden. Nicht zuletzt kann auch ein Magnetlager oder, beispielsweise im Falle einer sehr kleinen Implementierung des erfindungsgemäßen mechanischen-elektrischen Generators, ein Rubinlager verwendet werden, wie es beispielsweise im Bereich des Uhrenbaus verwendet wird.
Wie allein die Aufzählung der möglichen Lagertypen gezeigt hat, sind die Einzelheiten und Details des oben geschilderten Ausführungsbeispiels nicht als einschränkend zu verstehen. So kann beispielsweise auch das Gehäuse 110 abweichend von dem geschilderten dreiteiligen Aufbau, das mit Hilfe von Schrauben 120 und Muttern 130 fixiert wird, anders aufgebaut sein. So kann beispielsweise das Gehäuse 110 mehr oder weniger als 3 Teile aufweisen. Bezüglich der Materialwahl kann sowohl ein Metall, als auch ein Kunststoff oder ein anderer Werkstoff verwendet werden. Ebenso kann eine andere Fixierung einzelner Teile des Gehäuses als mit Hilfe einer Schraube und einer Mutter verwendet werden. Eine Verklebung stellt nur ein weiteres Ausführungsbeispiel in diesem Zusammenhang dar.
Auch der elektrische Anschluss kann in einer anderen Form als der der beschriebenen Kontaktstifte 230 implementiert sein. Neben einer anderen Steckverbindung, beispielsweise in Form eines Steckers oder einer Buchse, können so auch federbeaufschlagte Kontaktstifte oder andere Kontaktflächen verwendet werden. Grundsätzlich ist auch eine kontaktlose Übermittlung der Energie, beispielsweise durch eine magnetische Übermittlung im Rahmen eines Transformators denkbar.
Auch bezüglich der Energiewandlereinrichtung, also insbesondere der Induktionsspulen 220 ist das beschriebene Ausführungsbeispiel nicht als einschränkend zu verstehen. So kann vielmehr der Zahl der Induktionsspulen, ihre räumliche Anordnung, ihre konkrete Ausgestaltung und andere Merkmale variiert werden. Auch ist es nicht zwingend, dass der Schwungmagnet 180 in der Lage ist, in die Spulen 220 einzudringen, auch wenn dies die geschilderten Vorteile mit sich bringt. So kann eine oder mehrere Induktionsspulen auch mit dem Schwingpendel 140 verbunden sein.
Darüber kann beispielsweise auch mehr als ein Schwingmagnet 180 an dem Schwingpendel 140 verwendet werden. So kann beispielsweise an dem Schwingpendel 140 an beiden Seiten, die den Induktionsspulen 220 zugewandt sind, einzelne oder mehrere Magneten angebracht werden.
Auch die beschriebene Ausgestaltung der Feldmagnete 210 sowie ihre Befestigung an den Madenschrauben 200 ist nicht als einschränkend zu verstehen. So kann durchaus eine andere geometrische Anordnung der Feldmagnete mit einer größeren oder kleineren Anzahl an Feldmagneten gewählt werden. Auch die Ausprägung der Einstelleinrichtung in Form der Madenschrauben 200 im Zusammenhang mit den entsprechenden Gewindebohrungen in dem Gehäuse 110 stellen nur eine Möglichkeit und damit ein Ausführungsbeispiel für eine Einstelleinrichtung dar. So kann beispielsweise auch eine andere Möglichkeit gewählt werden, die Feldmagnete bezüglich des Schwingpegels 140 anzuordnen und einstellbar zu machen. Ein Beispiel hierfür stellt eine Hebelkonstruktion dar, die eine Justage der Positionen der Feldmagnete 210 ermöglicht. Darüber hinaus ist es selbstverständlich auch möglich, keine Einstelleinrichtung zu implementieren und so die An schlageinrichtung in Form der Feldmagnete 210 nicht justierbar zu machen.
Grundsätzlich ist es darüber hinaus auch möglich, die Anschlageinrichtung nicht auf einer magnetischen Wechselwirkung, sondern beispielsweise auf einer elektrostatischen Wechselwirkung aufbauen zu lassen. In diesem Fall können beispielsweise die Feldmagneten 210 gegen entsprechende elektrostatische Komponenten ebenso so ausgetauscht werden, wie etwa der Schwingmagnet 180. Eine mögliche elektrostatische Realisierung umfasst in diesem Fall ein Material, das eine elektrostatische Polarisation aufweisen. Beispiele hierfür stellen sog. Hoch-ε-Materialien (z.B. Bariumtitanat oder Bleititanat) oder andere Electred-Materialien dar. All diese Materialien können so hergestellt oder präpariert werden, dass sie eine permanente elektrostatische Polarisation aufweisen und damit ein „elektrostatisches Äquivalent" eines Permanentmagneten darstellen. In diesem Fall können sowohl die Feldmagnete 210 als auch der Schwingmagnet 180 durch entsprechende elektrostatische Pendants ersetzt werden. In diesem Fall sind diese so anzuordnen, dass auch hier wiederum eine abstoßende, also rücktreibende Kraft auf die betreffenden Komponenten ausgeübt wird, wenn diese sich räumlich nähern.
Ebenso kann die Energiewandlereinrichtung nicht nur auf magnetischen Systemen mittels Induktionsspulen realisiert werden, sondern beispielsweise auch durch elektrostatische Wandler, wie sie im folgenden Ausführungsbeispiel, bei dem es sich um eine mikromechanische Umsetzung eines erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Generators handelt.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Generators in Form eines mikromechanisch hergestellten Vibrationsgenerators 300. Wie bereits zu Beginn der Beschreibung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels angedeutet wurde, werden bei der Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels für Objekte, die funktionsgleiche oder funktionsähnliche Eigenschaften und Merkmale aufweisen, ähnliche Bezugszeichen verwendet, die sich um 200 unterscheiden.
Der in 3 gezeigte mikromechanisch hergestellte Vibrationsgenerator 300 weist so als Basis ein Substrat bzw. einen Stator 310 auf. Auch der Vibrationsgenerator 300 weist ein Schwingpendel 340 auf, dass mit einer Welle 360 verbunden ist. Der Stator 310 weist darüber hinaus eine Ausnehmung 370 auf, die hier ein Teil der Energiewandlereinrichtung des Vibrationsgenerators 300 ist und an ihrem Umfang eine zahnförmige Struktur aufweist. Im Inneren der Ausnehmung 370 ist ein Rotor 375 angeordnet, der mit dem Schwingpendel 340 verbunden und ebenfalls ein Tel der Energiewandlereinrichtung ist. Mit dem Schwingpendel 340 ist darüber hinaus ein Schwingmagnet 380 mechanisch verbunden, der über einen Nordpol und einen Südpol verfügt. Auf dem Stator 310 sind zwei Feldmagnete angebracht, die bezüglich ihrer Position auf dem Stator 310 einstellbar sind. Die Federmagnete 410 sind hierbei so auf dem Stator 310 angeordnet, dass diese mit einem Nordpol dem Nordpol des Schwingmagneten 380 und mit einem Südpol dem Südpol des Schwingmagneten 380 zugewandt sind. Dadurch, dass die Federmagnete 410 bezüglich des Stators 310 in ihrer Position verschiebbar sind, kann die Federkennlinie, die sich aufgrund der magnetischen Wechselwirkung der Feldmagnete 410 und des Schwingmagneten 380 ergibt, eingestellt werden, ist also auch in diesem Ausführungsbeispiel einstellbar.
Die Funktionsweise des mikromechanisch hergestellten Vibrationsgenerators 300, dessen prinzipieller Aufbau in 3 gezeigt ist, und der die kinetische Energie einer Vibration elektrostatisch in ein elektrisches Signal konvertiert, unterscheidet sich von der Funktionsweise des in 1 gezeigten mechanisch-elektrischen Generators 100 nur geringfügig. Wird der Vibrationsgenerator 300 beispielsweise durch einen Stoß oder eine Vibration mit einer bestimmten Vibrationsfrequenz angeregt, wird aufgrund der Trägheit der Masse des Schwingpendels 340 dieses aus einer Ruhelage bzw. einer Gleichgewichtslage ausgelenkt. Hierdurch kommt es zu einer Verdrehung bzw. Auslenkung des Schwingpendels 340, des Schwingmagneten 380 und des Rotors 375. Aufgrund der Orientierung der Feldmagnete 410 zu dem Schwingmagneten 380 üben diese wiederum eine rückstellende Kraft auf das Schwingpendel 340 aus.
Auch bei dem in 3 gezeigten Vibrationsgenerators 300 in mikromechanischer Herstellung kann so über einstellbare Feldmagneten 410 die resultierende Kennlinie der Anschlageinrichtung, die durch die Feldmagnete 410 und den Schwingmagneten 380 gebildet wird, eingestellt werden. Durch die Möglichkeit dieser Einstellung, die beispielsweise ebenfalls in mikromechanischer Technik ausgeführt werden kann, ist es auch bei dem Vibrationsgenerator 300 einem Benutzer möglich, die Charakteristik der Konversion von mechanischen Vibrationen und stochastischen Stößen in elektrische Signale durch den Vibrationsgenerator 300 an die jeweiligen Einsatzgebiete gezielt anzupassen. Auch hier verläuft zunächst die Kennlinie im Bereich kleiner Ausschlagwinkel um die Gleichgewichtsposition herum zunächst sehr flach, so dass der Vibrationsgenerator 300 zunächst eine geringe Resonanzfrequenz aufweist. Nähern sich der Schwingmagnet 380 und die Feldmagneten 410 weiter, so steigt wiederum die Kraft überproportional an, so dass auch hier eine gewisse „Entlagendämpfung" realisiert werden kann.
Eine weitere Reduzierung der Resonanzfrequenz des mikromechanischen Vibrationsgenerators 300 kann dadurch realisiert werden, dass ein für mikromechanische Bauelemente vergleichsweise schwerer Schwingmagnet 380 mit dem Schwingpendel 340 gekoppelt wird. Zusammen mit der durch die magnetische Wechselwirkung gegebene vergleichsweise „flache" Kennlinie bezüglich der Anschlagwirkung der Anschlageinrichtung kann so die Resonanzfrequenz des mikromechanischen Generators 300 weiter zu tieferen Frequenzen verlagert werden, was einem Nachteil entgegenwirkt, der gerade bei mikrome chanischen Vibrationsgeneratoren auftritt. Herkömmliche in Mikromechaniktechnik hergestellte Vibrationsgeneratoren weisen so aufgrund der kleinen, bewegten Massen der mikromechanischen Bauelemente normalerweise Resonanzfrequenzen auf, die weit oberhalb technisch verwertbarer Vibrationsfrequenzen liegen. Der erfindungsgemäße mikromechanische Vibrationsgenerator 300 ermöglicht es so, aufgrund seiner Konzeption mit dem am äußeren Ende des Schwingpendels 340 befestigten Schwingmagneten 380, die Resonanzfrequenz des mikromechanischen Vibrationsgenerators 300 in Bereiche der Resonanzfrequenz zu verlagern, die normalerweise nur feinmechanischen Vibrationsgeneratoren zugänglich sind.
Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten feinmechanischen Vibrationsgenerator 100 erfolgt bei dem in 3 gezeigten mikromechanischen Vibrationsgenerator 300 die Konversion der kinetischen Energie in Form von Vibrationen und Stößen in elektrische Signale über eine elektrostatische Umsetzung. Bei dem in 3 gezeigten Vibrationsgenerator 300 umfasst so die Energiewandlereinrichtung sowohl den Stator 310 als auch den Rotor 375, die beide über eine zahnförmige äußere bzw. innere Struktur verfügen. Kommt es nun aufgrund einer Vibration zu einer Auslenkung des Schwingpendels 340, werden aufgrund der mechanischen Verbindung des Rotors 375 mit dem Schwingpendel 340 die zahnförmigen Strukturen des Rotors 375 und des Stators 310 gegeneinander verschoben. Hierdurch kommt es zu einer Modulation eines Abstands zwischen dem Stator 310 und dem Rotor 375, die in einer Spannungsänderung oder eine Stromänderung überführt werden kann.
Genauer gesagt bilden der Stator 310 und der Rotor 375 zwei Elektroden einer Kapazität bzw. eines Kondensators. Aufgrund der oben beschriebenen Änderung des Abstands des Rotors 375 von dem Stator 310 kommt es so zu einer Änderung des elektrischen Kapazitätswerts, die, je nach Auslegung der Energiewandlereinrichtung in einen elektrischen Strom oder eine Änderung einer elektrischen Spannung umgesetzt werden kann. Wird beispielsweise der Stator 310 mit einem ersten Anschluss eines Electred-Bauelements und der Rotor 375 mit einem zweiten Anschluss eines Electred-Bauelements verbunden, so liegt aufgrund der Eigenschaften des Electred-Bauelements, also insbesondere aufgrund der „eingefrorenen" elektrischen Polarisation in dem Electred-Material des Bauelements, eine konstante elektrische Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss und damit zwischen dem Stator 310 und dem Rotor 375 an. In diesem Fall bewirkt eine Änderung des Abstands zwischen dem Stator 310 und dem Rotor 375 eine Änderung des Kapazitätswertes und damit der Ladung auf dem Kondensator, den der Stator 310 und der Rotor 375 bilden, so dass in diesem Fall ein elektrischer Storm zwischen dem Stator 310 und dem Rotor 375 zu fließen beginnt.
Eine weitere Möglichkeit, einen elektrostatischen Energiewandler zu realisieren, besteht darin, den Stator 310 und/oder den Rotor 375 aus einem Electred-Material oder einem Hoch-ε-Material zu fertigen. In diesem Fall ist es möglich, durch eine geeignete Vorbehandlung des Electred-Materials bzw. des Hoch-ε-Materials eine elektrostatische Polarisation in den verschiedenen Komponenten „einzufrieren", so dass der Kondensator, der durch den Rotor 375 und den Stator 310 gebildet ist, eine konstante Ladung aufweist. Kommt es nun aufgrund einer Auslenkung des Schwingpendels 340 zu einer Änderung des Abstandes des Stators 310 und des Rotors 375 zueinander, führt dies zu einer Änderung der zwischen diesen beiden anliegenden Spannung.
Wie das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel in Form eines mikromechanischen Vibrationsgenerators 300 zeigt, kann ein erfindungsgemäßer mechanisch-elektrischer Generator nicht nur in einer mechanischen bzw. feinmechanischen Form hergestellt werden, sondern es bietet sich auch die Möglichkeit, einen solchen Vibrationsgenerator im Rahmen einer mikromechanischen Herstellung zu fertigen. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, beispielweise einen solchen mikrome chanischen Vibrationsgenerator in integrierte Schaltungen (IC = integrated circiut) oder andere Halbleiterbauelemente zu integrieren, so dass auf eine externe Energiezuführung ggf. verzichtet werden kann.
Auch bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vibrationsgenerators 300 sind die beschriebenen Merkmale dieser speziellen Ausführungsform nicht als einschränkend zu verstehen. So kann beispielsweise auch hier die Anschlageinrichtung, die bei dem Vibrationsgenerator 300 den Schwingmagneten 380 und die beiden Feldmagneten 410 umfasst, beispielsweise mit Hilfe von Electred-Materialien bzw. Hoch-ε-Materialien auf elektrostatischem Wege realisiert werden. Darüber hinaus kann auch hier wiederum im Falle einer magnetischen Anschlageinrichtung die Zahl der verwendeten Schwingmagnete 380 angepasst werden. Ebenso ist eine Anpassung der Zahl und der Anordnung der Schwingmagnete 410 denkbar. Darüber hinaus kann es ratsam sein, mehr als einen Vibrationsgenerator 100, 300 in einer seriellen, parallelen oder gemischten Konfiguration zu betreiben, um beispielsweise einer Erhöhung einer Spannung des an dem elektrischen Ausgang abgegeben elektrischen Signals und/oder eine Erhöhung des an dem elektrischen Ausgang bereitgestellten Stroms zu realisieren.
Darüber hinaus kann es je nach anvisiertem Einsatzgebiet ratsam sein, einem jeden Vibrationsgenerator bzw. mechanisch-elektrischen Generator 100, 300 oder einer Mehrzahl von Vibrationsgeneratoren, sofern eine solche Mehrzahl einzusetzen ratsam erscheint, durch eine oder mehrere Verarbeitungsschaltungen zu ergänzen. Eine solche Verarbeitungsschaltung kann beispielsweise eine Gleichrichterschaltung umfassen, die die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignale, die die Vibrationsgeneratoren an ihren Ausgängen bereitstellen, gleichrichtet. Ebenso kann es ratsam erscheinen, eine einen Spannungswert ändernde Verarbeitungsschaltung, beispielsweise in Form eines Transformators, mit zu implementieren.
Abhängig von den Gegebenheiten kann dass erfindungsgemäße Verfahren zum Generieren eines elektrischen Signals in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Generieren eines elektrischen Signals ausgeführt. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.

Claims

Mechanisch-elektrischer Generator (100; 300) mit folgenden Merkmalen: einer Basis (110; 310); einem Schwingpendel (140; 340), das so mit der Basis (110; 310) verbunden ist, dass das Schwingpendel (140; 340) auf eine Vibration des mechanischelektrischen Generators (100; 300) eine Drehschwingung bezogen auf die Basis (110; 310) ausführen kann; eine Anschlageinrichtung (180, 210; 380, 410), die mit dem Schwingpendel (140; 340) so gekoppelt ist, dass eine komplette Drehschwingung unterbunden ist, und die Anschlageinrichtung (180, 210; 380, 410) ausgebildet ist, um eine elastische Anschlagwirkung auf das Schwingpendel (140; 340) auszuüben, wenn das Schwingpendel (140; 340) und die Anschlageinrichtung (180, 210; 380, 410) interagieren; eine Energiewandlereinrichtung (180, 220; 375, 310), die ausgebildet ist, um die Drehschwingung des Schwingpendels (140; 340) in ein elektrisches Signal umzuwandeln; und einem elektrischen Ausgang (230), um das elektrische Signal auszukoppeln, mit dem eine elektrische Last koppelbar ist.
Mechanisch-elektrischer Generator (100; 300) nach Anspruch 1, bei dem die Anschlageinrichtung (180, 210; 380, 410) eine bezogen auf einen Gleichgewichtswinkel bezogenen Ausschlagwinkel nicht-lineare Rückstellkraft aufweist.
Mechanisch-elektrischer Generator (100; 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Anschlageinrichtung (180, 210; 380, 410) so ausgebildet ist, dass 50 % oder mehr einer kinetischen Energie des Schwingpendels (140; 340) durch die elastische Interaktion in eine potentielle Energie umgewandelt wird.
Mechanisch-elektrischer Generator (100; 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anschlageinrichtung (180, 210; 380, 410) einen Schwingmagneten (180; 380), der mit dem Schwingpendel (140; 340) gekoppelt ist, und einen Federmagneten (210; 410) aufweist, der mit der Basis (110; 310) gekoppelt ist, und die so zueinander orientiert sind, dass bei einer Annäherung des Schwingmagneten (180; 380) an den Federmagneten (210; 410) der Schwingmagnet (180; 380) und der Feldmagnet (210; 410) eine abstoßende Kraft aufeinander ausüben.
Mechanisch-elektrischer Generator (100; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Schwingpendel (140; 340) eine erste elektrostatische Komponente aufweist und eine zweite elektrostatische Komponente mit der Basis (110; 310) so gekoppelt ist, dass bei einer Annäherung des Schwingpendels (140; 340) an die zweite elektrostatische Komponente diese und die erste elektrostatische Komponente aufeinander eine abstoßende Kraft ausüben.
Mechanisch-elektrischer Generator (100; 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine Einstelleinrichtung (200) aufweist, die mit der Anschlageinrichtung (180, 210; 380, 410) gekoppelt ist, und bei dem die Anschlageinrichtung (180, 210; 380, 410) ausgebildet ist, um auf eine Einstellung eines Benutzers an der Einstelleinrichtung (200) die elastische Anschlagwirkung einstellbar zu machen.
Mechanisch-elektrischer Generator (100; 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Feldmagnet (210; 410) bezogen auf die Basis (110; 310) bezüglich seiner Position veränderbar ist.
Mechanisch-elektrischer Generator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Energiewandlereinrichtung (180; 220) eine Induktionsspule (220) und einen Magneten (180) aufweisen, so dass das elektrische Signal induktiv gewonnen wird.
Mechanisch-elektrischer Generator (100) nach Anspruch 8, bei der die Spule (220) mit der Basis (110) und der Magnet (180) mit dem Schwingpendel (140) gekoppelt sind.
Mechanisch-elektrischer Generator (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Energiewandlereinrichtung (310; 375) ausgebildet ist, um das elektrische Signal auf elektrostatischem Wege über einen veränderlichen Kapazitätswert zu gewinnen.
Mechanisch-elektrischer Generator (100; 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schwingpendel (140; 340) und die Anschlageinrichtung (180, 210; 380, 410) ausgebildet sind, um auf die Vibration mit einer Frequenz von weniger als 125 Hz das Schwingpendel (140; 340) zu der Drehschwingung zu veranlassen.
Verfahren zum Generieren eines elektrischen Signals mit folgenden Schritten: Ausführen einer Drehschwingung auf eine Vibration hin; Ausüben einer elastischen Anschlagwirkung, so dass eine komplette Drehschwingung unterbunden ist; Wandeln der Drehschwingung in ein elektrisches Signal; und Auskoppeln des elektrischen Signals.
Computer-Programm mit einem Programmcode zum Durchführen des Verfahrens zum Generieren eines elektrischen Signals nach Anspruch 12, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.