DE102006013653A1 - Mechanical energy converting device for use in motor vehicle, has mechanical vibration system with spring guide and pot magnetic circuit movable translatory towards pot axis, where pot magnetic circuit is provided with permanent magnet - Google Patents

Mechanical energy converting device for use in motor vehicle, has mechanical vibration system with spring guide and pot magnetic circuit movable translatory towards pot axis, where pot magnetic circuit is provided with permanent magnet Download PDF

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Sebastian Hollatz
Norbert Zeike
Christoph SCHÄFFEL
Martin Sachs
Jens Zellmann
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Institut fur Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme Ggmbh
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Institut fur Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme Ggmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K35/00—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H02K35/02—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving magnets and stationary coil systems

Abstract

The device has a mechanical vibration system with a spring guide (5) movable translatory towards a pot axis. The mechanical vibration system is provided with a pot magnetic circuit. The pot magnetic circuit is provided with a permanent magnet (7). Mantle, base and cover sides of the pot magnetic circuit are provided with a magnetic good conducting material, where base side or cover side has an air gap (12). An induction pick-up coil (6) of an induction system is arranged fixedly in a housing (1) and is immersed in the circular shaped air gap.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem mechanischen Schwingsystem und einem Induktionssystem, wobei das Induktionssystem einen Permanentmagneten und eine Induktionsspule enthält und der Permanentmagnet Bestandteil des mechanischen Schwingsystems ist.The The invention relates to a device for the conversion of mechanical Energy into electrical energy with a mechanical vibration system and an induction system, wherein the induction system is a permanent magnet and an induction coil and the permanent magnet component of the mechanical vibration system is.

Derartige Anordnungen können als autarke Spannungsquellen verwendet werden und sind beispielsweise zum Betrieb von Low-Power-Komponenten geeignet, die keine von außen zugeführte elektrische Energie erfordern.such Arrangements can are used as self-sufficient voltage sources and are for example suitable for the operation of low-power components that do not require externally supplied electrical Require energy.

Im Stand der Technik sind verschiedene derartige Einrichtungen bekannt.in the State of the art, various such devices are known.

In US 59 49 749 ist ein elektrischer Generator beschrieben, der durch Vibrationen oder Luftkompressation elektrische Energie erzeugt. Die Vorrichtung dient zur Kontrolle pneumatischer Bremsanlagen an Eisenbahnwagen Hierbei ist ein magnetischer Kolben von einer Induktionsspule umschlossen, in der bei einer translatorischen Bewegung des Kolbens eine elektrische Spannung induziert wird. Der Kolben wird in einer zylindrischen Gleitführung bewegt. Nachteilig ist hierbei neben den großen Abmessungen der Gesamtanordnung, dass die Führung entweder mit hohem Fertigungsaufwand hergestellt werden muss oder sich größere Luftspalte ergeben, die nur einen geringen Wirkungsgrad der Anordnung ermöglichen.In US 59 49 749 An electric generator is described which generates electrical energy through vibrations or air compression. The device is used to control pneumatic brake systems on railway cars Here, a magnetic piston is enclosed by an induction coil in which an electrical voltage is induced in a translational movement of the piston. The piston is moved in a cylindrical sliding guide. The disadvantage here in addition to the large dimensions of the overall arrangement that the leadership must either be made with high manufacturing costs or larger air gaps arise that allow only a low efficiency of the arrangement.

Ferner ist in DE 101 47 720 A1 eine Anordnung für den Einsatz in Kraftfahrzeugen angegeben. Danach ist eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Bewegungsenergien mittels eines Induktionssystems bekannt, wobei das Induktionssystem Magnete, Induktionsspulen zum Abgreifen der induzierten Spannung und ein mechanisches Schwingsystem auf weist. Das mechanische Schwingungssystem ist zu translatorischen mechanischen Schwingungen anregbar und das mechanische Schwingungssystem weist eine Schwingmasse ohne direkte mechanische Krafteinkopplung auf.Furthermore, in DE 101 47 720 A1 an arrangement specified for use in motor vehicles. Thereafter, a device for generating electrical energy from motive energies by means of an induction system is known, wherein the induction system comprises magnets, induction coils for tapping the induced voltage and a mechanical vibration system. The mechanical vibration system can be excited to translational mechanical vibrations and the mechanical vibration system has a vibration mass without direct mechanical force coupling.

Bei dieser Vorrichtung ist nachteilig, dass die Anordnung einen geringen Wirkungsgrad aufweist, weil nur schwache Magnetfelder die Induktionsspule durchfließen und die Bewegung des mechanischen Schwingsystems ungenau und unkontrolliert ist.at This device is disadvantageous in that the arrangement has a low Efficiency, because only weak magnetic fields flow through the induction coil and the movement of the mechanical vibration system inaccurate and uncontrolled is.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die bei geringer Baugröße einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht und den autarken Betrieb von einer elektronischen Einheit ermöglicht.Of the Invention is the object of a device of the initially specify the type mentioned, the small size high efficiency allows and enables autonomous operation of an electronic unit.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.The The object is achieved according to the invention with a device which has the features specified in claim 1, solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments are specified in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält ein mechanisches Schwingsystem, das von einem Topfmagnetkreis gebildet wird. Der Topfmagnetkreis enthält im Kern einen zylindrischen Permanentmagneten, dessen magnetischer Fluss über Mantel-, Grund und Deckseite des Topfmagnetkreises, welche aus magnetisch gut leitendem Material bestehen, geführt wird. Die Grundfläche oder die Deckfläche weist einen ringförmigen Luftspalt auf, in dem die gestellfest angeordnete Induktionsspule eintaucht und translatorisch gegenüber dem Magnetkreis beweglich ist. Die Relativbewegung zwischen Induktionsspule und Magnetkreis wird durch eine Federführung ermöglicht, mit welcher der Magnetkreis exakt geführt wird.The inventive device contains one mechanical vibration system formed by a pot magnetic circuit becomes. The pot magnetic circuit contains in the core a cylindrical permanent magnet whose magnetic River over Sheath, base and top side of the pot magnetic circuit, which are made of magnetic well conductive material, is guided. The base area or the top surface has an annular Air gap, in which the frame fixedly arranged induction coil immersed and translationally movable relative to the magnetic circuit is. The relative movement between induction coil and magnetic circuit is by a spring leadership allows with which the magnetic circuit is exactly guided.

Die Federführung ermöglicht bei geringen Herstellungskosten eine exakte Bewegung der Spule im Luftspalt. Durch diese Führung kann ein kleiner Luftspalt verwendet werden, der nahezu vollständig von der Spule ausge füllt wird. In Verbindung mit der kompakten und streuflussarmen Anordnung des magnetischen Kreises wird bei geringer Baugröße ein hoher Wirkungsgrad erzielt.The leadership allows at low production costs an exact movement of the coil in the Air gap. Through this leadership a small air gap can be used that is almost completely off the coil filled out becomes. In conjunction with the compact and low-leakage arrangement the magnetic circuit is achieved with a small size high efficiency.

Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass der Luftspalt zylindrisch ausgebildet ist und die Spule die Form eines Hohlzylinders aufweist, dessen äußerer Durchmesser geringfügig kleiner als der äußere Durchmesser des Luftspaltes und dessen innerer Durchmesser geringfügig größer als der innere Durchmesser des Luftspaltes ist.A advantageous embodiment provides that the air gap is cylindrical and the Coil has the shape of a hollow cylinder whose outer diameter slight smaller than the outer diameter of the air gap and its inner diameter slightly larger than the inner diameter of the air gap is.

Eine besonders genaue und leichtgängige Führung entsteht dadurch, dass die Federführung als Parallelfederführung ausgebildet ist.A particularly accurate and smooth-running guidance arises in that the spring guide as a parallel spring guide is trained.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.The Invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the accompanying drawing demonstrate:

1 einen Längsschnitt durch die Anordnung, wobei sich das Schwingsystem in unterer Position befindet, 1 a longitudinal section through the assembly, wherein the oscillating system is in the lower position,

2 die Draufsicht auf die Anordnung mit Kennzeichnung des Schnittverlaufs für die in 1 dargestellte Anordnung, 2 the top view of the arrangement with marking of the cutting profile for in 1 illustrated arrangement,

3 einen Längsschnitt durch die Anordnung, wobei sich das Schwingsystem in oberer Position befindet, 3 a longitudinal section through the assembly, wherein the oscillating system is in the upper position,

4 die Draufsicht auf die Anordnung mit Kennzeichnung des Schnittverlaufs für die in den 3 und 5 dargestellte Anordnung, 4 the top view of the arrangement with marking of the cutting profile for in the 3 and 5 illustrated arrangement,

5 einen Schnitt in Richtung C-C
und 5 a cut in the direction of CC
and

6 eine Explosionsdarstellung der Anordnung. 6 an exploded view of the arrangement.

Wie aus den 1 bis 6 ersichtlich, weist die Anordnung ein Gehäuse 1 auf, welches mit einem Gehäusedeckel 2 verschlossen wird. Die Befestigung von Gehäuse 1 und Gehäusedeckel 2 erfolgt durch drei Deckelschrauben 11. Im Gehäuse 1 kann das Schwingsystem eine translatorische Bewegung ausführen. Das Schwingsystem wird von dem Topfmagnetkreis gebildet, der aus der Flussführung 3, dem oberen Flussführungsteil 4 und dem zylindrischen Permanentmagnet 7 besteht. Zwischen der Flussführung 3 und dem oberen Flussführungsteil 4 befindet sich ein Luftspalt 12, der die Relativbewegung des Schwingsystems gegenüber der Induktionsspule 6 ermöglicht. Die Bewegung des Schwingsystems wird durch die an der Ober- und an der Unterseite der Anordnung angebrachten Blattfedern 5 geführt. Die Blattfedern 5 sind jeweils mittels zweier Befestigungsschrauben 8 am Gehäuse 1 und mittels zweier weiter Befestigungsschrauben 9 am Schwingsystem befestigt. Hierzu sind Buchsen 10 angeordnet, die den Abstand zwischen Flussführung 3 und Blattfedern 5 bestimmen.Like from the 1 to 6 it can be seen, the arrangement comprises a housing 1 on, which with a housing cover 2 is closed. The attachment of housing 1 and housing cover 2 done by three cover screws 11 , In the case 1 the oscillating system can perform a translatory movement. The oscillating system is formed by the pot magnetic circuit, which comes from the flux guide 3 , the upper flow guide part 4 and the cylindrical permanent magnet 7 consists. Between the river guidance 3 and the upper flow guide part 4 there is an air gap 12 , which is the relative movement of the oscillating system relative to the induction coil 6 allows. The movement of the vibrating system is by the mounted on the top and at the bottom of the assembly leaf springs 5 guided. The leaf springs 5 are each by means of two screws 8th on the housing 1 and by means of two further fastening screws 9 attached to the vibration system. These are jacks 10 arranged the distance between flow guidance 3 and leaf springs 5 determine.

Wird die Anordnung in Vibrationsbewegungen versetzt, so führt das Schwingsystem infolge seiner Massenträgheit eine Relativbewegung gegenüber dem Gehäuse 1 aus. Damit bewegt sich der Magnetkreis, welcher das Schwingsystem bildet, relativ zur gehäusefest angeordneten Induktionsspule 6, so dass in dieser eine elektrische Spannung induziert wird. Dabei ist es möglich, dass die Vorrichtung neben der Erzeugung einer elektrischen Spannung auch zur Detektion von Schwingung dient. Die Vorrichtung kann zur Spannungsversorgung und als Schwingungssensor für eine autarke Auswerteelektronik eingesetzt werden.If the arrangement is put into vibratory movements, the oscillating system, due to its inertia, performs a relative movement with respect to the housing 1 out. Thus, the magnetic circuit, which forms the oscillating system, moves relative to the induction coil fixed to the housing 6 , so that in this an electrical voltage is induced. It is possible that the device is used in addition to the generation of an electrical voltage for the detection of vibration. The device can be used for power supply and as a vibration sensor for a self-sufficient evaluation.

Die 1 zeigt eine Phase, bei sich das Schwingsystem in der untersten Position befindet und die Induktionsspule 6 nur teilweise in den Luftspalt 12 eintaucht.The 1 shows a phase in which the vibrating system is in the lowest position and the induction coil 6 only partially in the air gap 12 dips.

In 3 ist die Phase dargestellt, bei der sich das Schwingsystem seiner obersten Position befindet und die Induktionsspule 6 vollständig in den Luftspalt 12 eintaucht.In 3 shows the phase in which the oscillating system is in its uppermost position and the induction coil 6 completely in the air gap 12 dips.

11
Gehäusecasing
22
Gehäusedeckelhousing cover
33
Flussführungriver guide
44
Oberes Flussführungsteilupper River guide part
55
Blattfederleaf spring
66
Induktionsspuleinduction coil
77
Permanentmagnetpermanent magnet
88th
Befestigungsschraube am Gehäusefixing screw on the housing
99
Befestigungsschraube am Schwingsystemfixing screw at the vibration system
1010
BuchseRifle
1111
Deckelschraubecover screw
1212
Luftspaltair gap

Claims (4)

Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem mechanischen Schwingsystem und einem Induktionssystem, wobei das Induktionssystem einen Permanentmagnet (7) und eine Induktionsspule (6) enthält und der Permanentmagnet (7) Bestandteil des mechanischen Schwingsystems ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das mechanische Schwingsystem aus einem Topfmagnetkreis besteht, – wobei der Topfmagnetkreis im Kern einen Permanentmagneten (7) enthält und die Mantel-, Grund und Deckseiten des Topfmagnetkreises aus magnetisch gut leitendem Material bestehen, – die Grundseite oder die Deckseite einen Luftspalt (12) aufweist, – das mechanische Schwingsystem mit einer Federführung (5) translatorisch in Richtung der Topfachse beweglich ist und – die Induktionsspule (6) gehäusefest angeordnet ist und in den ringförmigen Luftspalt (12) eintaucht.Device for converting mechanical energy into electrical energy with a mechanical vibration system and an induction system, wherein the induction system is a permanent magnet ( 7 ) and an induction coil ( 6 ) and the permanent magnet ( 7 ) Is part of the mechanical vibration system, characterized in that - the mechanical vibration system consists of a pot magnetic circuit, - wherein the pot magnetic circuit in the core a permanent magnet ( 7 ) and the mantle, base and top sides of the pot magnetic circuit consist of magnetically highly conductive material, - the base side or the cover side an air gap ( 12 ), - the mechanical oscillating system with a spring guide ( 5 ) is translationally movable in the direction of the Topfachse and - the induction coil ( 6 ) is fixed to the housing and into the annular air gap ( 12 immersed). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (12) die Form eines Kreisringes aufweist und die Induktionsspule (6) als Hohlzylinder ausgebildet ist, dessen äußerer Durchmesser geringfügig kleiner als der äußere Durchmesser des Luftspaltes (12) und dessen innerer Durchmesser geringfügig größer als der innere Durchmesser des Luftspaltes (12) ist.Device according to claim 1, characterized in that the air gap ( 12 ) has the shape of a circular ring and the induction coil ( 6 ) is designed as a hollow cylinder whose outer diameter is slightly smaller than the outer diameter of the air gap ( 12 ) and its inner diameter slightly larger than the inner diameter of the air gap ( 12 ). Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (12) maximal 1 mm breiter ist, als die radiale Breite der Induktionsspule (6).Device according to claim 2, characterized in that the air gap ( 12 ) is at most 1 mm wider than the radial width of the induction coil ( 6 ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federführung aus Blattfedern (5) besteht und als Parallelfederführung ausgebildet ist, wobei die Blattfedern (5) oberhalb und unterhalb des Schwingsystems angeordnet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the spring guide of leaf springs ( 5 ) and is designed as a parallel spring guide, wherein the leaf springs ( 5 ) above and below the vibration system are ordered.
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