DE102006024003A1

DE102006024003A1 - Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Nutzenergie mit Hilfe eines Piezo-Elements

Info

Publication number: DE102006024003A1
Application number: DE102006024003A
Authority: DE
Inventors: Thomas Haas; Franz Hillenmayer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2007-11-29
Also published as: WO2007134891A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Nutzenergie unter Verwendung eines zwischen einem festen Bauteil (5) und einem Gegenelement (7) angeordneten, an einem Trägerelement befestigten Piezo-Elements (6). Ein abgewinkeltes Blechteil (3) umfasst zwei Längsseiten (1, 2), wobei die erste Längsseite (1) des Blechteils mittels eines mechanischen Koppelelements (4) an dem festen Bauteil (5) befestigt ist und auf der zweiten Längsseite (2) das Piezo-Element (6) befestigt ist und durch ein mit dem freien Ende der zweiten Längsseite (2) verbundenes Gegenelement (7), das mit einem fest montierten mechanischen Dämpfungselement (8) verbunden ist. Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für die Energieversorgung für Reifendrucksysteme für Kraftfahrzeuge.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Nutzenergie mit Hilfe eines Piezo-Elements nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der DE 102 21 420 A1 ist eine Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Piezowandler bekannt. Der Piezowandler wird mit einem geometrischen Ende in einem schwingfähigen Masse-Federsystem derart in einer Halterung angeordnet, dass das andere geometrische Ende frei schwingt. Eine Auslenkung des frei schwingenden Endes führt zu einer elektrischen Spannung im Material, die von einem Verbraucher genutzt werden kann. An dem frei schwingenden Ende ist zusätzlich eine Masse befestigt, die auch zu einer Vorspannung des Piezoelements führt.
Nachteilig ist hierbei, dass die Vorspannung zu Verlusten bei der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie führt, da aufgrund der Vorspannung nicht mehr die materialbedingte vollständige Auslenkung zur Umwandlung genutzt wird. Vorrichtungen ohne Vorspannung haben zum Nachteil, dass kleine Auslenkungen in der Größenordnung von 10μm–500μm eines mechanischen Antriebs nicht mehr auf das Piezo-Element übertragen werden, da die Toleranz an der Schnittstelle Antrieb-Piezo bereits größer ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur mechanisch-elektrischen Energieumwandlung zu realisieren, die eine optimierte Nutzung der maximalen mechanischen Auslenkung eines Piezowandlers gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Nutzenergie, unter Verwendung eines zwischen einem festen Bauteil und einem Gegenelement angeordneten an einem Trägerelement befestigten Piezo-Elements vorgeschlagen. Ein abgewinkeltes Blechteil umfasst zwei Längsseiten wobei die erste Längsseite des Blechteils mittels eines mechanischen Koppelelements an dem festen Bauteil befestigt ist und auf der zweiten Längsseite das Piezoelement befestigt ist und durch ein mit dem freien Ende der zweiten Längsseite verbundenes Gegenelement, das mit einem fest montierten mechanischen Dämpfungselement verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Endstück der zweiten Längsseite über einen Stab bzw. ein ähnlich starres Verbindungselement oder direkt mit dem als Masse wirkenden Gegenelements verbunden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das feste Bauteil als Radeinheit eines Reifendruckmesssystems, als Leiterplatte, als Gehäuse, als Antenne oder dergleichen ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erste Längsseite ein Ausgleichssystem, welches Toleranzen kompensiert. Das Ausgleichssystem umfasst ein mechanisches Koppelement, das als Rutschkupplung ausgeführt ist. Darüber hinaus weist die erste Längsseite des Blechteils winkelnah bzw. im Winkelbereich eine Verjüngung in der Breite auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Dämpfungselement wenigstens ein Element, welches einen Pendelarm darstellt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (8) wenigstens ein Element umfasst, welches einen Verlauf einer Bahnkurve darstellt oder eine Relativbewegung zwischen der Masse (7) und dem festen Element (12) realisiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Dämpfungselement eine Blattfeder oder eine Element, welches eine Bahnkurve oder einen Pendelarm widerspiegelt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung zur Energieumwandlung eine Federanordnung über die die Kupplungsstärke zwischen der ersten Längsseite des Blechs und dem festen Bauteil einstellbar ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden in Bezugnahme auf die beigefügte Abbildung erläutert.
Darin zeigen schematisch:
1 eine Vorrichtung zur mechanisch-elektrischen Energieumwandlung; und
2 eine weitere Vorrichtung zur mechanischelektrischen Energieumwandlung.
Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine Vorrichtung zur mechanisch-elektrischen Energieumwandlung. Die Vorrichtung weist ein etwa rechtwinklig abgewinkeltes Blech 3 mit zwei Längsseiten 1, 2 auf, wobei die erste Längsseite 1 des Blechs mittels einer Rutschkupplung 4 an einem ortsfesten Bauteil 5 befestigt ist und auf der zweiten Längsseite 2 ein Piezoelement 6 befestigt ist. Das Endstück der zweiten Längsseite 2 ist mit einer Masse 7 verbunden, die mit einem fest montierten mechanischen Dämpfungselement 8 verbunden, welches an einem festen Element 12 montiert ist. Das Endstück der zweiten Längsseite 2 kann über einen Stab 9 oder direkt mit der Masse 7 verbunden sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Dämpfungselement 8 als Blattfeder ausgebildet. Durch die starre Verbindung des Piezoelements 6 mit der Masse 7 wird die Auslenkung der Masse 7 über die Blattfeder an das Piezoelement übertragen. Eine große am Piezoelement 6 wirkende Kraft wird durch die Rutschkupplung 4 begrenzt.
2 zeigt eine weitere Vorrichtung zur mechanischelektrischen Energieumwandlung. Die Vorrichtung weist ebenfalls ein etwa rechtwinklig abgewinkeltes Blech 3 mit zwei Längsseiten 1, 2 auf, wobei die erste Längsseite 1 des Blechs mittels einer Rutschkupplung 4 an einem festen Bauteil 5 befestigt ist und auf der zweiten Längsseite 2 ein Piezoelement 6 befestigt ist. Das Endstück der zweiten Längsseite 2 ist mit einer Masse 7 verbunden. Die zweite Längsseite 2 weist winkelnah oder im Winkelbereich eine Verjüngung 10 in der Breite des Blechs auf. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Federanordnung 11 auf, mit der die Kupplungsstärke oder der Reibwert zwischen der ersten Längsseite 1 des Blechs und dem festen Bauteil 5 eingestellt wird. Die Verjüngung 10 führt dazu, dass eine mögliche große Auslenkung des Piezoelements durch die erfolgte Reduzierung der Biegesteifigkeit an der Verjüngungsstelle 10 abgefedert wird und Toleranzen in Richtung einer Vorspannkraft durch die Federanordnung 11 nahezu kompensiert werden. Zusätzlich wird dadurch eine optimale Krafteinleitung in das Piezo-Element realisiert, ähnlich eines einseitig eingespannten Biegebalkens.
Durch die vorgeschlagene Erfindung mit ihren Ausführungsbeispielen werden folgende Vorteile erreicht:

• Entkopplung der dynamischen Auslenkung des Piezoelements von der statischen Auslenkung mittels einer Rutschkupplungsfunktion.
• Entkopplung der Zugkräfte vom Piezo-Element, die durch eine Generatormasse verursacht werden, mit Hilfe einer separaten Pendelaufhängung.
• Längentoleranzausgleich des montierten Piezo-Elements.
• Überlastschutz durch Reibschluss.
• Vermeidung einer S-Schlag Biegelinie der Piezo-Längsseite durch die Verjüngung in der zweiten Längsseite.
• Optimierte Biegelinie des Piezo-Elements zur Energieausbeute.

Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für die Energieversorgung für Reifendrucksysteme für Kraftfahrzeuge.

Claims

Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Nutzenergie, unter Verwendung eines zwischen einem festen Bauteil (5) und einem Gegenelement (7) angeordneten an einem Trägerelement befestigten Piezo-Elements (6), gekennzeichnet durch ein abgewinkeltes Blechteil (3) mit zwei Längsseiten (1, 2), wobei die erste Längsseite (1) des Blechteils mittels eines mechanischen Koppelelements (4) an dem festen Bauteil (5) befestigt ist und auf der zweiten Längsseite (2) das Piezoelement (6) befestigt ist und durch ein mit dem freien Ende der zweiten Längsseite (2) verbundenes Gegenelement (7), das mit einem fest montierten mechanischen Dämpfungselement (8) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück der zweiten Längsseite (2) über einen Stab (9) bzw. ein ähnliches starres Verbindungselement oder direkt mit dem als Masse wirkenden Gegenelements (7) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück der zweiten Längsseite (2) direkt mit dem als Masse wirkenden Gegenelement (7) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Bauteil (5) als Radeinheit eines Reifendruckmesssystems, als Gehäuse, als Antenne oder dergleichen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Längsseite (1) ein Ausgleichssystem umfasst, welches Toleranzen kompensiert.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichssystem ein mechanisches Koppelement (4), das als Rutschkupplung ausgeführt ist, umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichssystem auf der ersten Längsseite (1) des Blechs (3) winkelnah bzw. im Winkelbereich eine Verjüngung (10) in der Breite aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (8) wenigstens ein Element umfasst, welches einen Pendelarm darstellt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (8) wenigstens ein Element umfasst, welches einen Verlauf einer Bahnkurve darstellt oder eine Relativbewegung zwischen der Masse (7) und dem festen Element (12) realisiert.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (8) eine Blattfeder umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Federanordnung (11) die Kupplungsstärke oder der Reibwert zwischen der ersten Längsseite (1) des Blechs und dem festen Bauteil (5) eingestellt wird.