DE102006039936A1

DE102006039936A1 - Elektromechanischer Rotationswandler und Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie mitttels eines elektromechanischen Rotationswandlers

Info

Publication number: DE102006039936A1
Application number: DE102006039936A
Authority: DE
Inventors: Frank Schmidt
Original assignee: Enocean GmbH
Current assignee: Enocean GmbH
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2026-08-26
Also published as: DE102006039936B4; JP5054771B2; US7830072B2; CN101507008B; DE602007006207D1; JP2009545943A; EP2054954B1; KR20090037502A; US20090218915A1; EP2054954A1; KR101061692B1; CN101507008A; WO2008022931A1

Abstract

Es ist ein elektromechanischer Rotationswandler vorgesehen, mit zumindest einer Befestigungseinrichtung, einem Schwingelement, einem Verbindungselement und einer elektromechanischen Wandlereinrichtung. Dabei ist die Befestigungseinrichtung zum Befestigen des Rotationswandlers an einem rotierenden Körper ausgebildet. Das Verbindungselement bildet eine bewegliche Verbindung zwischen der Befestigungseinrichtung und dem Schwingelement, und die Bewegung des Schwingelementes treibt den elektromechanischen Wandler an. Die Verbindung zwischen Befestigungselement und Schwingelement ist derart ausgebildet, dass der Massenmittelpunkt des Schwingelementes auf einer gekrümmten Bahn derart ausgeführt wird, dass die Bahn eine Fläche aufspannt, deren Flächennormale einen Winkel zur Rotationsachse aufweist, der kleiner 90 Grad und größer null Grad ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Rotationswandler und ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie mittels eines Rotationswandlers. Rotierende Teile wie Radachsen, Wellen, Fahrzeugräder, Werkzeugmaschinenteile und Ähnliches müssen oft auf bestimmte Messgrößen hin überwacht werden, wie beispielsweise ihrer Temperatur, Innendrücke, Torsionen, Dehnungen, Kräfte und so weiter. Derartige Messgrößen sind mittels eines entsprechenden Sensors aufnehmbar. Dabei zeigt sich, dass bei rotierenden Teilen, wie sie zuvor aufgeführt wurden, die Schwierigkeit besteht Messwerte des Sensors, der mit dem rotierenden Teil verbunden ist, weiterzuleiten. Eine leitungsgebundene Übermittlung scheidet insbesondere bei Anordnungen aus, die sich nicht absehbar lange in eine Richtung bewegen. Sicherlich ist es denkbar, bei sich langsam drehenden Teilen über Schleifkontakte zu arbeiten. Schleifkontakte weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie durch die andauernde Reibung Abnutzungen ausgesetzt sind und dass bei hohen Drehgeschwindigkeiten aufgrund sinkenden Andrucks die Kontakte unzureichend sind. Spezielle Kontakte gewährleisten zwar einen sicheren Andruck, dies ist jedoch mit hohen Kosten verbunden.
Aus diesem Grund ist es seit einigen Jahren bekannt, die Signalübertragung von einem Messsensor an rotierenden Teilen mittels Funktechnik vorzunehmen. Funktechnik benötigt jedoch auch eine Stromversorgung, und wenn keine Kontakte vorhanden sind, welche elektronische Signale weiterleiten, ist eine eigene Energieversorgung notwendig. Dabei wird zunächst auf Batterien, Akkumulatoren oder ähnliches zurückgegriffen.
Die Energieversorgung mit Batterien, Akkumulatoren oder ähnlichem herzustellen ist zunächst eine durchaus praktikable Lösung, wenn jedoch der Sensor schlecht zugänglich ist oder der gemessene Parameter für den Betrieb des rotierenden Teiles eine Sicherheitsrelevanz aufweist, sind Batterie beziehungsweise Akkumulatorlösungen häufig ungeeignet. Der Nachteil ist darin zu sehen, dass bei einem plötzlichen Unterschreiten der Versorgungsspannung, das heißt der Batteriespannung, kein zuverlässiger Sendebetrieb vom Messsensor her gewährleistet ist und somit gegebenenfalls sicherheitsrelevante Informationen nicht mehr geliefert werden.
Aus diesem Grund wurde auch bereits angedacht, eine eigene Energieerzeugung vorzusehen. Grundsätzlich sind hierzu durchaus auch Lösungen denkbar, die auf Solarzellen zurückgreifen oder auf einen mehr oder weniger üblichen Generator. Den Anmeldern ist zumindest intern ein Aufbau eines elektromechanischen Schwingungswandlers bekannt, bei dem eine Schwingmasse an einem schwingenden Arm angeordnet ist, der auf einem rotierenden Element derart angeordnet ist, dass der Schwingarm parallel zur Rotationsachse ausgerichtet ist. Der Schwingarm ist an einer Seite mit dem rotierenden Teil befestigt und hat am anderen Ende die Schwingmasse. Durch die Drehbewegung kommt es immer dann, wenn die Drehachse nicht in Richtung der Schwerkraft ausgerichtet ist zu einer Schwingbewegung der Schwingmasse. Dadurch, dass die Schwingmasse auf ihrer Drehbewegung in Abhängigkeit vom zeitlich abhängigen Ort in unterschiedliche Richtungen durch die Gravitation abgelenkt wird, kommt es zum Entstehen einer Schwingung. Dies wird insbesondere dann unterstützt, wenn es keine zurücktreibende Kraft gibt. Nunmehr treibt die schwingende Schwingmasse einen elektromechanischen Energiewandler an, der aus der mechanischen Schwingbewegung eine elektrische Schwingung erzeugt. Nachteil dieser Anordnung ist es jedoch, dass mit zunehmender Drehbewegung, die Fliehkraft die Schwingmasse aus ihrer Bahn bewegt und die Schwingung unterbindet.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung vorzusehen, bei der auch bei schnell drehenden Anordnungen beziehungsweise bei Anordnungen mit hoher Drehgeschwindigkeit auf zuverlässige Weise mit geringem Aufwand ein elektromechanischer Energiewandler einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem elektromechanischen Rotationswandler gelöst, mit zumindest einer Befestigungseinrichtung, einem Schwingelement, einem Verbindungselement und einer elektromechanischen Wandlereinrichtung, wobei das Befestigungselement zum Befestigen des Rotationswandlers an einem rotierenden Körper ausgebildet ist. Das Verbindungselement bildet eine bewegliche Verbindung zwischen dem Befestigungselement und dem Schwingelement und die Bewegung des Schwingelementes treibt den elektromechanischen Wandler an. Die Verbindung zwischen Befestigungselement und Schwingelement ist dabei derart ausgebildet, dass der Massenmittelpunkt des Schwingelementes auf einer gekrümmten Bahn derart geführt wird, dass die Bahn eine Fläche aufspannt, deren Fläche normal einen Winkel zur Rotationsachse aufweist, die kleiner 90 Grad und größer als null Grad ist. Dies bedeutet, dass das Schwingelement zwischen Befestigungselement und Schwingelement einen Schwingarm darstellt, der in Relation zur Rotationsachse schräg angestellt ist. Durch die geeignete Auswahl der Schrägstellung ist es ermöglicht, dass die Fliehkraft nicht die Schwingbewegung behindert.
In vorteilhafter Weise ist eine elektromechanische Wandlereinrichtung mittels eines Piezoelementes ausgebildet. Ein Piezoelement weist eine Eigenelastizität auf und stellt somit eine Rückstellkraft zur Verfügung, die für das Ausbilden einer Schwingung notwendig ist. Ist die elektromechanische Wandlereinrichtung als Biegewandler mit trapezförmiger Geometrie ausgebildet, so ist darin der Vorteil zu sehen, dass bei der Auslenkung entlang des Biegeweges die Kraft gleichmäßig über den ganzen Biegewandler verteilt ist.
Die Verwendung eines elektromagnetischen Generators oder eines magnetostriktiven Generators als elektromechanische Wandlereinrichtung ist sehr kostengünstig.
Wird als Verbindungselement eine Feder gewählt, so benötigt der elektromechanische Wandler keine eigene Elastizität zum Aufbringen der Rückstellkraft. Besonders geeignet als Feder ist eine Blattfeder. Alternativ kann das Verbindungselement als Drehlager ausgebildet sein. Es ist dabei von Vorteil, wenn die Befestigungseinrichtung Teil eines aufnehmenden Gehäuses für den Rotationswandler ist. Dabei wird in vorteilhafter Weise beim Befestigen an einer Felge, wie beispielsweise einer Autofelge die Verwendung eines band- beziehungsweise eines seilförmigen Elementes verwendet.
Für die Verwendung an Kraftfahrzeugsreifen kann der Rotationswandler in vorteilhafter Weise an der Ventilbefestigung der Reifenfelge angebracht werden. Weist er dabei zwei Anlagepunkte auf, die von dem Ventil beabstandet sind, ist das Gehäuse des Rotationswandler in geeigneter Weise zum Drehmittelpunkt ausrichtbar. Insbesondere wenn die Anlagepunkte verschieden weit vom Ventil beziehungsweise der Ventilbefestigung beabstandet sind.
Weiterhin ist ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie mittels einer elektromechanischen Wandlereinrichtung derart vorgesehen, dass die Wandlereinrichtung von einem Schwingelement angetrieben wird und das Schwingelement bei einer Rotationsbewegung um einen Ruhepunkt schwingt und dabei auf einer gekrümmten Bahn geführt wird. Die gekrümmte Bahn spannt dabei eine Fläche auf, deren Flächen normal einen Winkel zur Rotationsachse bildet, der kleiner 90 Grad und größer als null Grad ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen erläutert.
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines elektromechanischen Rotationswandlers,
2 einen Schnitt durch den in 1 dargestellten Rotationswandler entlang der Linie A-A,
3 eine Perspektivansicht des in 1 dargestellten Rotationswandlers,
4 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Rotationswandlers,
5 ein Ausführungsbeispiel des Gehäuses eines Rotationswandlers, dabei werden in den Zeichnungen gleiche beziehungsweise gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt einen elektromechanischen Rotationswandler R in einer Seitenansicht. Dabei ist eine Befestigungseinrichtung 1 vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, mit einem rotierenden Körper befestigt zu werden. Es ist ein Schwingelement 2 vorgesehen, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Schwingmasse 2a aufweist. Dadurch, dass diese Schwingmasse 2a vom Schwingelement separat und damit trennbar hergestellt ist, kann das Schwingelement bei gleicher Baugröße mit unterschiedlicher Schwingmasse versehen werden.
Zwischen dem Schwingelement 2 und der Befestigungseinrichtung 1 ist ein Piezowandler 4 als elektromechanische Wandlereinrichtung angeordnet. Die Schwingrichtung des Schwingelementes ist durch den Pfeil Z angedeutet. Eine derartige Schwingbewegung führt zu einem Verbiegen des Piezoelementes 4 entlang seiner Längserstreckung, so dass im Piezoelement eine Ladungstrennung erfolgt, die bei einem Schwingungsvorgang zum Entstehen einer Wechselspannung an Elektroden, die am Piezoelement 4 innerhalb der Befestigungseinrichtung in nicht dargestellter Weise angebracht sind, führt.
2 zeigt einen Schnitt durch den in 1 dargestellten Rotationswandler R entlang der Schnittlinie A- A. In dieser Darstellung entfällt die Ansicht des Piezowandlers 4. Es ist zum Einen die Befestigungseinrichtung 1 und das Schwingelement 2 zu erkennen. Zwischen diesen befinden sich zwei Blattfedern 3, die von zwei Blattfederhaltern 8a und 8b eingespannt sind.
Durch die schräge Geometrie der Blattfederhalterung 8a und 8b entsteht ein Schwingarm der durch die Linie 9 angedeutet ist und durch den Massenmittelpunkt M des Schwingelementes 2 führt.
In 3 ist eine Perspektivansicht des in 1 dargestellten Rotationswandlers zu sehen. Dabei sei das Augenmerk insbesondere auf die Trapezform des Piezowandlers 4 gerichtet. Diese führt dazu, dass bei einem Auslenken des Schwingelementes entlang des Schwingweges, der durch den Pfeil Z angedeutet ist zu einem gleichmäßigen Verbiegen erfolgt. Durch das gleichmäßige Verbiegen werden die Piezokristalle mit einer gleichmäßigen Kraftverteilung beaufschlagt, was zu einer gleichmäßig verteilten Ladungstrennung führt. Dies wiederum hat zur Folge, dass kein Ladungsausgleich innerhalb des Piezokristalles erfolgt. Diese Maßnahme optimiert den Wirkungsgrad des Piezowandlers 4. Weiterhin ist in 3 gut erkennbar, dass der Piezowandler 4 innerhalb eines Schlitzes 10 in dem Schwingelement 2 geführt wird. Dies zeigt, dass das Schwingelement somit den Piezowandler 4 auf seinem Weg entlang der Schwingbewegung mitführt und somit zur Auslenkung des Piezowandlers 4 führt. Die freie Beweglichkeit entlang des Schlitzes 10 ermöglicht es, dass der in der Befestigungseinrichtung einseitig eingespannte Piezokristall an der im Schwingelement quer zur Bewegungsrichtung des Piezokristalls geführten Seite keine fliehkraftbedingte Auslenkung durch das Schwingelement erfährt. Damit wird der Piezokristall nur in der bevorzugt vorgesehenen Richtung ausgelenkt.
4 soll die Funktionsweise des in den 1 bis 3 dargestellten Rotationswandlers erläutern. Es ist ein rotierender Körper dargestellt, der sich um die Rotationsachse R rotierend bewegt. An der Mantelfläche dieses zylindrischen Körpers ist ein Punkt mit dem Bezugszeichen 1 versehen, was bedeutet, dass hier die Befestigungseinrichtung 1 vorzustellen ist. Von diesem Punkt geht der Schwingarm 9 schräg angestellt durch den Massenmittelpunkt M hindurch. Der Massenmittelpunkt M bewegt sich nunmehr auf einer gekrümmten Bahn, wobei die Krümmung von der Ausgestaltung des Verbindungselementes abhängt.
Zusätzlich zu der durch die Rotation angeregten Schwingung ist der Rotationswandler auch in der Lage Schwingungen des rotierenden Körpers in elektrische Energie zu wandeln. Hierzu ist Vorraussetzung, das die Schwingung des rotierenden Körpers eine Bewegungskomponente in Richtung der gekrümmten Bahn aufweist.
Gegenüber dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem eine schräg eingespannte Blattfeder als Verbindungselement vorgesehen ist, wäre auch ein Scharnier beziehungsweise Gelenk mit einer Drehachse, die wiederum schräg angestellt ist möglich. In einem solchen Fall, bei dem die Bewegung des Schwingelementes um eine Drehachse läuft, wäre der Weg des Massenmittelpunktes des Schwingelementes 2 eine Kreisbahn. Der Vollständigkeit halber sei zunächst ergänzt, dass in den Fällen, wo als Verbindungselement ein wie vorher beschriebenes Scharnier beziehungsweise Gelenk verwendet wird, zusätzliche Federn als Rückstellkräfte vorgesehen wären, denkbar sind dabei auch Ausgestaltungen, dass das Scharnier als Stab ausgebildet ist, der verwunden wird und damit eine eigene Rückstellkraft entwickelt.
Zurück zur 4 ist nunmehr erkennbar, dass die Bewegung des Massenmittelpunktes M innerhalb einer aufgespannten Fläche liegt, die eine Flächennormale N aufweist. Diese Flächennormale N wiederum weist einen Winkel α zur Rotationsachse R des sich rotierenden Körpers auf. Wichtig beziehungsweise erfindungsrelevant ist, dass dieser Winkel α je nach Gegebenheiten größer als null Grad und kleiner als 90 Grad ist. Nur in diesen Fällen, kann verhindert werden, dass die Fliehkraft das Ausbilden der Schwingbewegung verhindert.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines rotierenden Körpers mit dem Rotationswandler dargestellt. Dabei ist der rotierende Körper in Form einer Reifenfelge 5 angedeutet. Typischerweise ist bei Reifenfelgen das Ventil so angeordnet, dass die Ventilbefestigung senkrecht zum Rotationsmittelpunkt ausgerichtet ist, so dass ein Entwuchten des Reifens möglich ist.
Dadurch, dass keine zusätzliche Befestigung an der Felge vorzusehen ist, was die Akzeptanz innerhalb der Automobilindustrie im Wesentlichen bestimmt, ist gemäß 5 das Gehäuse 6 für den Rotationswandler zusammen mit der Ventilbefestigung angeordnet. Aus den Erläuterungen zu 4 war zu entnehmen, dass die Flächennormale des vom Massenmittelpunkt des Schwingelementes aufgespannte Fläche zur Rotationsachse ausgerichtet sein muss. Dies bedeutet, dass im ruhenden Zustand die Projektion des Schwingarmes 9 auf die Rotationsachse erfolgt. Da das Ventil beziehungsweise die Ventilhalterung derart ausgerichtet ist, dass sie senkrecht oberhalb der Drehachse verläuft bedeutet dies, dass bei einer Montage des Gehäuses 6 zusammen mit der Ventilbefestigung, der Rotationswandler versetzt neben dem Ventil angeordnet werden muss. In 5 ist neben der Durchführung für das Ventil das Schwingelement 2 und der Piezowandler 4 angedeutet, die ebenfalls zum Drehmittelpunkt ausgerichtet sein müssen. Um dies zu ermöglichen, weist das Gehäuse zwei Auflagepunkte beziehungsweise Füße A auf, mit denen das Gehäuse 6 auf dem Umfang der Reifenfelge 5 aufliegt. Da somit das Gehäuse nicht am Befestigungspunkt der Ventilbefestigung aufliegt, ist der Rotationswandler mit dem Gehäuse 6 ebenfalls zur Rotationsachse der Reifenfelge ausrichtbar. Dies erfolgt durch geeignete Wahl von A, beziehungsweise des Abstands des Fuß A vom Befestigungspunkt des Ventils. Dies bedeutet, dass in geeigneter Weise um eine hohe Flexibilität für unterschiedliche Felgendurchmesser zu erzeugen, der Abstand des Fußes A vom Befestigungspunkt B in Pfeilrichtung X vorgesehen ist. Gleichfalls kann der Fuß A in unterschiedlichen Längen oder in der Länge veränderbar beispielsweise durch Herausschrauben und Arretieren ausgebildet sein. In 5 ist schließlich als Variante erkennbar, dass das Gehäuse 6 mittels eines band- oder seilförmigen Elementes 7 an der Reifenfelge 5 befestigt ist. Es ist also das Gehäuse 6 auf das Ventil beziehungsweise die Ventilbefestigung aufgesteckt und durch dieses seilförmige Element 7 befestigt.

R: elektromechanischer Rotationswandler
1: Befestigungseinrichtung
2: Schwingelement
3: Verbindungselement, Blattfeder
4: Wandlereinrichtung, Piezowandler,
5: rotierender Körper, Reifenfelge,
6: Gehäuse,
7: band- oder seilförmiges Element,
8a, 8b: Federhalterung,
9: Schwingarm,
10: Schlitz,
A: Fuß,
B: Ventilbefestigungspunkt,
X: Pfeil,
Z: Auslenkrichtung,
α: Winkel,
N: Flächennormale,
M: Massenmittelpunkt

Claims

Elektromechanischer Rotationswandler mit: Zumindest jeweils einer Befestigungseinrichtung (1), einem Schwingelement (2), einem Verbindungselement (3) und einer elektromechanischen Wandlereinrichtung (4), wobei das Befestigungselement (1) zum Befestigen des Rotationswandlers an einem rotierenden Körper ausgebildet ist, das Verbindungselement (3) eine bewegliche Verbindung zwischen Befestigungselement (1) und Schwingelement (2) bildet und die Bewegung des Schwingelementes den elektromechanischen Wandler (4) antreibt, wobei die Verbindung zwischen Befestigungselement (1) und Schwingelement (2) derart ausgebildet ist, dass der Massemittelpunkt (M) des Schwingelements (2) auf einer gekrümmten Bahn derart geführt wird, dass die Bahn eine Fläche aufspannt, deren Flächennormale (N) einen Winkel zur Rotationsachse (R) aufweist, der kleiner 90° und größer als 0° ist.
Elektromechanischer Rotationswandler nach Anspruch 1 bei dem die elektromechanische Wandlereinrichtung (4) mittels eines Piezoelementes ausgebildet ist.
Elektromechanischer Rotationswandler nach Anspruch 2 bei dem die elektromechanische Wandlereinrichtung (4) als Biegewandler mit trapezförmiger Geometrie ausgebildet ist.
Elektromechanischer Rotationswandler nach Anspruch 1, bei dem der die elektromechanische Wandlereinrichtung (4) mittels eines elektromagnetischen Generators ausgebildet ist.
Elektromagnetischer Rotationswandler nach Anspruch 1, bei dem die elektromechanische Wandlereinrichtung mittels eines magnetostriktiven Generators ausgebildet ist.
Elektromechanischer Rotationswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verbindungselement (3) mittels zumindest einer Feder gebildet ist.
Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 6, bei dem die Feder als eine Blattfeder ausgebildet ist.
Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Verbindungselement (3) mittels zumindest eines Lagers gebildet ist.
Elektromechanischer Rotationswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Befestigungseinrichtung (1) zumindest Teil eines den Rotationswandler aufnehmenden Gehäuses (6) ist.
Elektromechanischer Rotationswandler nach Anspruch 9, bei dem das Gehäuse mittels eines band- oder seilförmigen Elementes (7), das um die Felge läuft und an der Felge befestigbar ist.
Elektromechanischer Rotationswandler nach Anspruch 9, bei dem das Gehäuse (6) mittels einer Ventilbefestigung (B) an einer Reifenfelge befestigbar ist und zumindest zwei Anlagepunkte (A) aufweist, mit denen das Gehäuse in seiner Einbaulage auf der Reifenfelge (5) aufliegt.
Elektromechanischer Rotationswandler nach Anspruch 10, bei dem die Anlagepunkte (A) verschieden weit von der Ventilbefestigung (B) beanstandet sind.
Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie mittels einer elektromechanischen Wandlereinrichtung (4), bei dem die Wandlereinrichtung von einem Schwingelement (2) angetrieben wird und das Schwingelement bei einer Rotationsbewegung um einen Ruhepunkt schwingt und dabei auf einer gekrümmten Bahn geführt wird, die eine Fläche aufspannt, deren Flächennormale einen Winkel zur Rotationsachse bildet, der kleiner 90° und größer als 0° ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Schwingelement durch die Rotationsbewegung eines rotierenden Körpers angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der rotierende Körper eine Eigenschwingung mit einer Bewegungskomponente in Richtung der Rotationsbewegung aufweist und diese Komponente das Schwingelement antreibt.