DE102009001163A1 - Piezoelektrischer Generator, Antriebsvorrichtung - Google Patents

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Jannis Stemmann
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Generator mit mindestens einer Piezoeinheit, die zur Erzeugung eines Wechselstroms periodisch verspannt wird, und mit einer antreibbaren, das periodische Verspannen steuernden Generatorwelle. Es ist vorgesehen, dass die Piezoeinheit (5-7; 17-20) im Wesentlichen radial zur Drehachse (12) der Generatorwelle (11) angeordnet und durch eine Exzentrizität (13) der Generatorwelle (11) periodisch verspannbar ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung eines Fahrzeugs.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Generator mit mindestens einer Piezoeinheit, die zur Erzeugung eines Wechselstroms periodisch verspannt wird, und mit einer antreibbaren, das periodische Verspannen steuernden Generatorwelle.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Brennkraftmaschine und mindestens einem Generator zur Stromerzeugung.
  • Stand der Technik
  • Piezoelektrische Generatoren sowie Antriebsvorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zur Energierückgewinnung, beispielsweise zum Aufladen eines Energiespeichers einer Hybridantriebsvorrichtung, sind unterschiedlichste Methoden bekannt. Im einfachsten und bekanntesten Fall wird im Antriebsstrang eine elektrische Maschine vorgesehen, die beim Abbremsen des Fahrzeugs generatorisch arbeitet und dadurch Energie gewinnt. Die Rückgewinnung der Energie beschränkt sich dabei jedoch auf den Abbau von kinetischer Energie des Fahrzeugs beziehungsweise der Antriebsvorrichtung.
  • Auch sind Überlegungen bekannt, die darauf beruhen, die im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine enthaltene Energie, die sonst ungenutzt als Wärme und Gasdruck an die Umwelt abgegeben wird, zur Energierückgewinnung zu nutzen. So wurde beispielsweise vorgeschlagen, an Generatoren gekoppelte Dampfturbinen oder Sterlingmotoren vorzusehen. Der benötigte Platzbedarf und die hohen Temperaturen des Abgases verhindern jedoch einen sinnvollen Einsatz insbesondere in Kraftfahrzeugen. Eine Energierückgewinnung aus dem Abgas mittels Seebeck-Elementen scheitert an den geringen Wirkungsgraden und den hohen Kosten.
  • Moderne Ansätze zur Erzeugung von Stromsignalen mittels der Krafteinwirkung auf Piezoelemente sind ebenso bekannt. So wird in der WO 02/103888 A3 ein piezoelektrischer Generator offenbart, bei dem mittels einer antreibbaren Generatorwelle ein komplizierter Aufbau aus mehreren Wellen und Hebeln zur Ausnutzung von Fliehkräften zum Beaufschlagen von Piezoeinheiten beschrieben wird. Abgesehen davon, dass diese Konstruktion keinen Betrieb bei hohen Drehzahlen ermöglicht, ist jedoch auch die hohe Anzahl von Einzelteilen sowie der benötigte Bauraumbedarf nachteilig.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass die Piezoeinheit im Wesentlichen radial zur Drehachse der Generatorwelle angeordnet und durch eine Exzentrizität der Generatorwelle periodisch verspannbar ist. Es ist also vorgesehen, dass die Piezoeinheit in ihrer Wirkrichtung radial beziehungsweise im Wesentlichen radial zur Generatorwelle angeordnet beziehungsweise ausgerichtet ist. Die Exzentrizität in der Generatorwelle führt im Betrieb, also währen einer Rotationsbewegung der Generatorwelle, dazu, dass die Piezoeinheit periodisch radial beaufschlagt und somit verspannt wird. Da sich die Exzentrizität der Generatorwelle nicht verändert, wird die Piezoeinheit mit jeder Umdrehung einmal, also periodisch beaufschlagt beziehungsweise verspannt. Natürlich können auch mehrere Exzentrizitäten über den Umfang der Generatorwelle verteilt angeordnet/ausgebildet sein, um die Anzahl der Verspannvorgänge pro Umdrehung zu erhöhen. Durch ihre radiale Ausrichtung beziehungsweise Anordnung zur Drehachse der Generatorwelle wird bei jedem Verspannen ein Stromsignal erzeugt. Vorzugsweise wird die Piezoeinheit durch die Exzentrizität um nur wenige Mikrometer in ihrer Länge gestaucht, wodurch Verschiebungsladungen erzwungen werden, die bei einer entsprechenden Beschaltung zu einem Ladungspumpen führen und damit als elektromotorische Kraft wirken, die einen Stromfluss erzeugt. Das Verspannen und Entspannen, beziehungsweise das Stauchen und Entlasten führt dabei im Wesentlichen zu einem ladungssaugenden und ladungsverdrängenden Prozess, und damit zu einem elektrischen Stromwechsel. Die Wirkung ist dabei einem Wechselstromgenerator äquivalent, sodass die be kannten Möglichkeiten der Aufbereitung der elektrischen Energie Anwendung finden können.
  • Im einfachsten Fall wird zur Bildung der Exzentrizität Letztere als eine Art Nocken auf die Generatorwelle aufgeschoben und dort in geeigneter Art und Weise arretiert. Alternativ kann dieser Nocken auch einstückig mit der Generatorwelle ausgebildet sein. Bevorzugt wird die Exzentrizität jedoch durch einen bereichsweise exzentrischen, insbesondere kurbelwellenartigen Verlauf der Generatorwelle gebildet. Damit weist die Generatorwelle in ihrem Längsverlauf zumindest einen Bereich auf, der nicht koaxial zur Drehachse ausgebildet, sondern eben exzentrisch dazu versetzt ausgebildet ist. Dieser Versatz beträgt zweckmäßigerweise nur wenige 10-μm, sodass ein entsprechendes Stauchen beziehungsweise Verspannen der Piezoeinheit erreicht wird.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass die Piezoeinheit zwischen einem koaxial zur Drehachse der Generatorwelle angeordneten Außenring und einem durch die Generatorwelle exzentrisch verlagerbaren Innenring angeordnet ist. Die Piezoeinheit ist also zwischen zwei Ringen, insbesondere Metallringen, zwischen dem Außenring und dem Innenring, angeordnet beziehungsweise gehalten. Der Außenring ist ortsfest und koaxial zur Drehachse der Generatorwelle angeordnet, während der Innenring zumindest exzentrisch verlagerbar ist. Zweckmäßigerweise wirkt der Innenring mit der Exzentrizität der Generatorwelle zusammen. Dazu ist der Innenring vorzugsweise auf dem die Exzentrizität der Generatorwelle aufweisenden Bereich angeordnet beziehungsweise auf die Exzentrizität der Generatorwelle oder den exzentrischen Bereich der Generatorwelle aufgeschoben. Bei einer Umdrehung der Generatorwelle wird somit der Innenring exzentrisch in dem Außenring verlagert. Durch dieses Verlagern wird die Piezoeinheit periodisch belastet. Der Innenring und der Außenring selbst sind jeweils bevorzugt kreisringförmig ausgebildet, sodass das Verspannen allein durch die Generatorwelle bewirkt wird. Das Vorsehen des Innenrings hat darüber hinaus den Vorteil, dass Reibkräfte, die zwischen der Piezoeinheit und der Generatorwelle ohne den Innenring wirken würden, verhindert werden. Bei heutigen Piezoeinheiten besteht in der Gleitreibung an den Grenzflächen ein wesentliches Problem, das durch die vorteilhafte Ausführung des piezoelektrischen Generators umgangen wird. Vorzugsweise ist der Innenring zumindest im Wesentlichen drehfest im Bezug auf den Außenring angeordnet, sodass die durch die Drehbewegung der Generator welle erzeugte Gleitreibung nur zwischen dem Innenring und der Generatorwelle erfolgt. Durch eine geeignete Materialwahl kann hier die Gleitreibung verringert werden. Auch ist es denkbar, den Innenring als Außenteil eines beispielsweise hydrostatischen Lagers für die Generatorwelle auszubilden, sodass eine besonders geringe Reibung zwischen Innenring und Generatorwelle entsteht.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Piezoeinheit zwischen dem Außenring und dem Innenring vorgespannt. Dadurch wird einer leichten Zerstörung der Piezoeinheit vorgebeugt. Insbesondere auf die Piezoeinheit wirkende Zugkräfte, die zu einer Schädigung der Piezoeinheit führen könnten, werden verhindert.
  • Vorteilhafterweise weist die Piezoeinheit ein oder mehrere Piezoelemente auf. Bevorzugt ist das oder sind die Piezoelemente als Piezokeramik-Elemente ausgebildet. Diese haben sich zur Erzeugung des Stromsignals als vorteilhaft herausgestellt. Insbesondere hier wirkt die Vorspannung der Piezoeinheit vorteilhaft. Bei Druck auf die Keramik erfolgt eine Deformation auf molekularer Ebene, welche eine elektrische Polasierung erzwingt. Es entsteht ein elektrisches Potenzial, welches auf den Kontaktflächen der Piezokeramik-Elemente(n) bewirkt, dass dort Ladungen angesammelt beziehungsweise abgestoßen werden.
  • Die mehreren Piezoelemente der Piezoeinheit sind vorteilhafterweise schichtförmig, also radial übereinander angeordnet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Piezoeinheit und/oder die Piezoelemente kreisringsegmentförmig ausgebildet. Dadurch wird zum einen eine besonders günstige Kraftübertragung von dem Innenring auf die Piezoelemente sowie auf den Außenring gewährleistet, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erzeugt wird. Zum anderen erhöht die kreisringsegmentförmige Ausbildung die Stabilität des piezoelektrischen Generators.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Piezoeinheit als Piezo-Stack ausgebildet. Damit bildet die Piezoeinheit als Piezo-Stack eine leicht handhabbare Einheit, bei der die Piezoelemente von einer Hülse zumindest seitlich umschlossen sind. Aufgrund der exzentrischen Bewegung des Innenrings kann bei der radial angeordneten Piezoeinheit eine Scherbelastung auftreten. Die Hülse des Piezo-Stacks schützt die Piezoelemente vor einer Beschädigung durch eine derartige Scherbelastung. Alternativ ist es natürlich auch denkbar, beispielsweise in dem Außenring Vertiefungen vorzusehen, in denen die Piezoeinheiten einliegen, und dadurch seitlich durch den Außenring gestützt werden. Oder ein dritter Ring kann als Zwischenring zwischen dem Außenring und dem Innenring vorgesehen werden, welcher Aussparungen aufweist, in welchen die Piezoeinheit einliegt.
  • Vorzugsweise sind mehrere Piezoeinheiten zwischen dem Außenring und dem Innenring gleichmäßig verteilt, also gleichmäßig über den Umfang verteilt, angeordnet. Dadurch werden pro Umdrehung der Generatorwelle eine entsprechende Anzahl von Stromsingnalen erzeugt und der Wirkungsgrad des piezoelektrischen Generators erhöht. Zweckmäßigerweise sind die Piezoeinheiten gleichmäßig verteilt angeordnet, sodass insgesamt ein periodischer Spannungsverlauf durch den piezoelektrischen Generator erzeugt wird. So sind beispielsweise zwei um 180° versetzte oder drei um 120° zueinander versetzte Piezoeinheiten zwischen dem Außenring und dem Innenring vorgesehen.
  • Vorteilhafterweise bilden die eine oder die mehreren Piezoeinheiten, der Außenring und der Innenring zusammen eine piezoelektrische Generatoreinheit. Diese Generatoreinheit kann bei der Montage auf einfache Art und Weise gehandhabt und verbaut werden. Durch die nur kleine notwendige Exzentrizität der Generatorwelle, die zum Beaufschlagen der Piezoelemente erforderlich ist, ist es möglich, eine derartige Generatoreinheit über die Generatorwelle bis auf die Exzentrizität beziehungsweise auf den exzentrischen Bereich der Generatorwelle zu schieben. Die Toleranzen zwischen der Generatorwelle und der Generatoreinheit werden entsprechend gewählt. Da der Innenring nicht drehfest an der Generatorwelle angeordnet ist, können die Toleranzen entsprechend groß gewählt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Generatorwelle mehrere Exzentrizitäten auf, denen jeweils mindestens eine piezoelektrische Generatoreinheit zugeordnet ist. So kann der piezoelektrische Generator mehrere hintereinander auf der Generatorwelle angeordnete Generatoreinheiten aufweisen, die mit jeweils einer Exzentrizität der Generatorwelle zusammenwirken.
  • Bevorzugt sind die Exzentrizitäten gleichmäßig versetzt an der Generatorwelle angeordnet. So kann die durch die jeweilige Exzentrizität definierte Unwucht der Generatorwelle ausgeglichen beziehungsweise kompensiert werden.
  • Schließlich ist vorgesehen, dass die Generatorwelle mit einer Turbine, insbesondere Abgasturbine, wirkverbunden ist. Vorzugsweise ist die Turbine drehfest auf der Generatorwelle angeordnet. Die im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltene Energie wird somit als Antriebsenergie für den piezoelektrischen Generator genutzt. Dadurch, dass in dem piezoelektrischen Generator nur eine geringe mechanische Leistung zur Stromerzeugung erbracht werden muss, ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad für den piezoelektrischen Abgas-Generator.
  • Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kennzeichnet sich durch einen Generator wie er oben beschrieben wurde aus. Bevorzugt ist dabei eine Abgasturbine in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet und mit der Generatorwelle des piezoelektrischen Generators wirkverbunden.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dazu zeigen
  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften piezoelektrischen Generatoreinheit
  • 2 einen piezoelektrischen Generator mit der piezoelektrischen Generatoreinheit,
  • 3a bis c unterschiedliche Ausführungsformen einer vorteilhaften Generatorwelle und
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften piezoelektrischen Generatoreinheit.
  • Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht (axial) auf eine piezoelektrische Generatoreinheit 1 eines piezoelektrischen Generators 2. Die ringförmige Generatoreinheit 1 weist einen kreisringförmigen Außenring 3 sowie einen darin angeordneten kreisringförmigen Innenring 4 auf. Zwischen dem Außenring 3 und dem Innenring 4 sind gleichmäßig über den Umfang verteilt drei Piezoeinheiten 5, 6, 7 angeordnet. Jede der Piezoeinheiten 5 bis 7 weist mehrere schichtförmig übereinander angeordnete Piezoelemente 8 auf, die als Piezo-Keramikelemente 9 ausgebildet sind. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind hier nur einige der Piezoelemente 8 mit Bezugszeichen versehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Piezoeinheiten 5, 6, 7 jeweils als Piezo-Stack 10 ausgebildet, der sich dadurch kennzeichnet, dass eine Hülse vorgesehen ist, welche die Piezoelemente 8 seitlich zumindest im Wesentlichen umfasst und dadurch stützt.
  • Die drei Piezoeinheiten 5 bis 7 sind jeweils um 120° zueinander versetzt angeordnet. Die Dimensionen der Piezoeinheiten 5 bis 6 und des Außenrings 3 und des Innenrings 4 sind derart gewählt, dass die Piezoeinheiten 5 bis 7 zwischen dem Außenring 3 und dem Innenring 4 vorgespannt sind.
  • Durch radiales also exzentrisches Verlagern des Innenrings 4 können die Piezoeinheiten 5 bis 7 radial beaufschlagt und somit gegen den Außenring 3 verspannt werden. Durch periodisches Verspannen wird mittels der Piezoelemente 8 ein Stromfluss erzeugt. Die oben beschriebene Vorspannung der Piezoeinheiten 5 bis 7 dient lediglich zur Stabilisierung und zum Schutz der Piezoeinheiten 5 bis 7. Bei Druck auf die Piezo-Keramikelemente erfolgt eine Deformation auf molekularer Ebene, welche eine elektrische Polarisierung erzwingt. Es entsteht ein elektrisches Potenzial, welches auf den Kontaktflächen der Piezo-Keramikelemente derart wirkt, dass dort Ladungen angesammelt beziehungsweise abgestoßen werden. Durch eine entsprechende Beschaltung kann dies zum Erzeugen eines Stromflusses genutzt werden. Für eine erhebliche Verschiebungsladung sind dabei nur geringe Hubbewegungen beziehungsweise Stauchungen/Verspannungen der Piezoeinheiten 5 bis 7 im Bereich von wenigen 10-μm erforderlich (etwa 40 bis 50 μm).
  • Die 2 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung den piezoelektrischen Generator 2 mit der piezoelektrischen Generatoreinheit 1, wobei der Innenring 4 mit einer Generatorwelle 11 zusammenwirkt. Der Außenring 3 ist koaxial zur Drehachse 12 der Generatorwelle 11 angeordnet. Der Innenring 4 wird durch eine Exzentrizität 13 der Generatorwelle 11 exzentrisch beziehungsweise radial zu dem Außenring 3 verlagert. Entsprechend der Größe der Exzentrizität 13 der Generatorwelle 11 kann der Innenring 4 maximal um einen Weg s (in der Figur zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt) radial verlagert werden. Durch eine Rotation der Generatorwelle 11 in Richtung des Pfeils 14 werden aufgrund der Exzentrizität 13 die Piezoeinheiten 5 bis 7 nacheinander durch den Innenring 4 periodisch verspannt beziehungsweise gestaucht und wieder entlastet. Die Wirkung der periodisch verspannten Piezoeinheiten 5 bis 7 ist dabei einem Wechselstromgenerator äquivalent, sodass die bekannten Möglichkeiten zur Aufbereitung der elektrischen Energie Anwendung finden können. Das periodische Verspannen führt zu einem elektrischen Stromwechsel. Steigt die Anzahl der Hübe beziehungsweise der Verspannungen pro Zeiteinheit, wird entsprechend mehr Energie erzeugt. Die Resonanzfrequenz bekannter Piezo-Stacks liegt bei technisch sinnvollen Erzeugnissen im Bereich mehrerer Kilohertz. Nutzt man diese Hubfrequenzen (Verspannungen), sind Drehzahlen der Generatorwelle 11 von mehr als 200.000 Umdrehungen pro Minute möglich. Damit ist der piezoelektrische Generator insbesondere für eine Kopplung an einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine tauglich. Zweckmäßigerweise ist dabei die Generatorwelle 11 mit einer Abgasturbine wirkverbunden, sodass der Generator 2 durch die Abgase der Brennkraftmaschine angetrieben wird.
  • Wird der Innenring 4 wie oben beschrieben exzenterförmig verlagert, wirken die Piezoeinheiten 5 bis 7 wie eine rückstellende Feder vom Außenring 3 auf den Innenring 4. An den Seitenflächen der Piezoeinheiten 5 bis 7 kann über Kontaktflächen die elektrische Energie über Leitungen entnommen werden. Der Verspannweg s ist – wie gesagt – relativ klein, die auf den Innenring 4 wirkenden Rückstellkräfte jedoch sehr hoch. Aufgrund der exzentrischen Bewegung des Innenrings 4 kann eine Scherbelastung der Piezoeinheiten 5 bis 7 auftreten. Bei ungeschützten Piezoeinheiten 5 bis 7 könnte dies zu Beschädigungen führen. Daher ist es vorteilhaft, die Piezoeinheiten 5 bis 7 wie oben beschrieben als Piezo-Stack 10 auszubilden.
  • Der Innenring 4 kann darüber hinaus als Außenteil eines zum Beispiel hydrostatischen Lagers der Generatorwelle verwendet werden, die im Lagerbereich exzentrisch ausgeführt ist. Die exzentrische Ausführung kann dabei auch dadurch erreicht werden, dass die Generatorwelle nicht ausgewuchtet ist. Eine Exzentrizität von mehreren 10-μm ist zum Erreichen von Spannungen von mehreren 100 Volt, die Ströme in einem handhabbaren Bereich um beispielsweise circa 20 Ampere, ausreichend.
  • Die 3A bis 3C zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Generatorwelle 11 mit der Exzentrizität 13. Gemäß 3A kann die Exzentrizität 13 mittels einer auf die Generatorwelle 11 aufgeschobenen Exzenterbuchse 15 gebildet werden.
  • Da, wie oben beschrieben, jedoch nur eine kleine Exzentrizität 13 beziehungsweise eine kleine Verspannung s von wenigen 10-μm erforderlich ist, könnte die Herstellung einer derartigen Hülse schwierig werden. 3B zeigt eine vorteilhaftere Ausführungsform der Generatorwelle 11, bei der die Exzentrizität 13 direkt von der Generatorwelle 11 selbst gebildet wird beziehungsweise einstückig mit dieser ausgebildet ist.
  • Nach 3C wird die Exzentrizität 13 durch einen bereichsweise exzentrischen Verlauf der Generatorwelle 11 gebildet. Auch wenn der Versatz des exzentrischen Bereichs zu der Drehachse 12 sehr gering ist, ist der Verlauf der Generatorwelle 11 prinzipiell mit dem einer Kurbelwelle vergleichbar. Durch den geringen notwendigen Hub, beziehungsweise die kleine Exzentrizität 13, und durch die Verwendung als (Gleit-)Lager kann die Generatoreinheit 1 problemlos auf die Generatorwelle 11 aufgeschoben werden.
  • Die 4 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Generatoreinheit 16, wobei bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, sodass insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Die Generatoreinheit 16 unterscheidet sich von der Generatoreinheit 1 dahingehend, dass die Piezoeinheiten und damit auch die Piezoelemente beziehungsweise Piezo-Keramikelemente kreisringsegmentförmig ausgebildet sind. Wobei jede der Piezoeinheiten 17, 18, 19, 20 der Generatoreinheit 16 ein Kreisringsegment von 90° bilden. Die Piezoeinheiten 17 bis 20 sind lediglich durch elektrisch nicht leitfähige Trennstege 21 voneinander getrennt. Pfeile 22 deuten hier die Vorspannung der zwischen den Innenring 4 und Außenring 3 angeordneten Piezoeinheiten 17 bis 20 an. Die piezoelektrische Generatoreinheit 16 kann anstelle der Generatoreinheit 1 in dem piezoelektrischen Generator 2 verwendet werden.
  • Vorteilhafterweise weist die Generatorwelle 11 mehrere Exzentrizitäten 13 auf, die gleichmäßig versetzt zueinander verteilt ausgerichtet sind, sodass ihre erzeugten Unwuchten sich gegenseitig kompensieren. Jeder der Exzentrizitäten ist dann vorteilhafterweise eine piezoelektrische Generatoreinheit 1 und/oder 16 zugeordnet. In dem Fall sind die Exzentrizitäten natürlich axial – in Bezug auf die Generatorwelle – beabstandet oder benachbart zueinander angeordnet/ausgebildet. Die jeweilige piezoelektrische Generatoreinheit 1 oder 16 wirkt als hochfrequente Ladungspumpe und damit als elektrischer Stromgenerator. Mittels des vorteilhaften piezoelektrischen Generators ist es möglich, aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine unter einem hohen Wirkungsgrad Energie zu entnehmen und in erhebliche elektrische Energie umzusetzen, um sie beispielsweise einem Energiespeicher oder direkt einem elektrischen Motor oder Zusatzaggregat zuzuführen.
  • Wesentliche Vorteile wären beispielsweise die effiziente Nutzung eines Hybridantriebs auch auf Autobahnstrecken und die mögliche zusätzliche Energierückgewinnung im Kilowattbereich aus dem Abgasstrom. Bei vergleichsweise geringen Herstellungskosten führt dies zu einer nicht unerheblichen Kraftstoffeinsparung. Die Bauform kann bereits bei handtellergroßen Aufbauten im Multikilowattbereich liegen. Die kleine Exzentrizität 13 beeinflusst die mechanische Stabilität nur unwesentlich. Die erzeugte Spannung ist jedoch bereits in einem Bereich der typischen Traktionsnetzspannung von Hybridantrieben von Kraftfahrzeugen und kann damit einfach und kostengünstig in nutzbare Spannungen gewandelt oder auch direkt genutzt werden. Die auftretenden Ströme sind durch die hohe Spannung noch in handhabbaren Größenordnungen und bedingen damit keine übermäßig hohe Leitungsquerschnitte. Der piezoelektrische Generator 2 stellt damit eine ideale Rekuperationsenergiequelle für Abgasstränge beispielsweise von Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb dar und macht eine Rekuperation unabhängig von beispielsweise einer Bremsleistung möglich. Der piezoelektrische Generator 2 kann sogar bei Fahrzeugen mit einem konventionellen Antriebskonzept, beispielsweise mit nur einer Brennkraftmaschine, die sonst übliche Lichtmaschine ersetzen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 02/103888 A3 [0005]

Claims (17)

  1. Piezoelektrischer Generator mit mindestens einer Piezoeinheit, die zur Erzeugung eines Wechselstroms periodisch verspannt wird, und mit einer antreibbaren, das periodische Verspannen steuernden Generatorwelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoeinheit (57; 1720) im Wesentlichen radial zur Drehachse (12) der Generatorwelle (11) angeordnet und durch eine Exzentrizität (13) der Generatorwelle (11) periodisch verspannbar ist.
  2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität (13) durch einen bereichsweise exzentrischen, insbesondere kurbelwellenartigen Verlauf der Generatorwelle (11) gebildet wird.
  3. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoeinheit (57; 1720) zwischen einem koaxial zur Drehachse (12) der Generatorwelle (11) angeordneten Außenring (3) und einem durch die Generatorwelle (11) exzentrisch verlagerbaren Innenring (4) angeordnet ist.
  4. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (4) und der Außenring (3) kreisringförmig ausgebildet sind.
  5. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoeinheit (57; 1720) zwischen dem Außenring (3) und dem Innenring (4) vorgespannt ist.
  6. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoeinheit (57; 1720) ein oder mehrere Piezoelemente (8) aufweist.
  7. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (8) als Piezo-Keramikelemente (9) ausgebildet sind.
  8. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoeinheit (57; 1720) als Piezo-Stack (10) ausgebildet ist.
  9. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Piezoelemente (8) der Piezoeinheit (57; 1720) schichtförmig angeordnet sind.
  10. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoeinheit (1720) und/oder die Piezoelemente (8) kreisringsegmentförmig ausgebildet sind.
  11. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Piezoeinheiten (57; 1720) zwischen dem Außenring (3) und dem Innenring (4) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
  12. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Piezoeinheiten (57; 1720), der Außenring (3) und der Innenring (4) zusammen eine piezoelektrische Generatoreinheit (1, 16) bilden.
  13. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatorwelle (11) mehrere Exzentrizitäten (13) aufweist, denen jeweils mindestens eine piezoelektrische Generatoreinheit (1, 16) zugeordnet ist.
  14. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizitäten (13) gleichmäßig versetzt an der Generatorwelle (11) ausgerichtet sind.
  15. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatorwelle (11) mit einer Turbine, insbesondere Abgasturbine, wirkverbunden ist.
  16. Antriebsvorrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Brennkraftmaschine und mindestens einem Generator (1) zur Stromerzeugung, gekennzeichnet durch einen Generator (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
  17. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnete Abgasturbine, die mit der Generatorwelle (11) des Generators (2) wirkverbunden ist.
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