DE102009021556A1

DE102009021556A1 - Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102009021556A1
Application number: DE200910021556
Authority: DE
Inventors: Dominik Dipl.-Phys. Samson; Martin Dipl.-Ing. Kluge; Thomas Dr.Ing. Becker; Josef Schalk
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2029-05-16
Also published as: DE102009021556B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung (10) zur Umwandlung einer Vibrationsenergie in elektrisch nutzbare Energie. Um eine bessere Ausbeute bei unterschiedlichen schwingenden Systemen zu erzielen, wird eine Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung (64) zur wählbaren Einstellung einer Resonanzfrequenz der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung (10) vorgeschlagen.

Description

Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft eine Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung zur Umwandlung einer Vibrationsenergie in elektrisch nutzbare Energie.
Solche Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtungen werden heutzutage in der Fachwelt auch oft Vibrations-Energie-Harvester oder einfacher Vibrations-Harvester genannt.
Technologischer Hintergrund
Vibrations-Harvester sind Geräte, welche aus vorhandenen Schwingungen in Systemen (vorzugsweise elektrisch) nutzbare Energie gewinnen. Jedes bewegte System schwingt und emittiert Vibrationen. Zum Beispiel gibt es in einem fahrenden Auto typische, von der Geschwindigkeit und Motordrehzahl abhängige, Schwingungen.
Vereinfacht dargestellt weist ein Vibrations-Harvester meist als wesentliches Element einen physikalischen harmonischen Oszillator auf. Um die oben genannten Schwingungen des Systems möglichst effektiv in elektrisch nutzbare Energie umwandeln zu können, sollte die Eigenfrequenz des Oszillators möglichst mit der typischen Schwingungsfrequenz des Systems zusammenfallen. Dadurch ist es möglich, dass sich die Energie im Vibrations-Harvester vermehrt. Diese gewonnene Schwingungsenergie wird dann mittels einer Spannungserzeugungseinrichtung mit einem entsprechenden Umwandlungsglied (das elektromagnetisch, elektrosta tisch oder piezoelektrisch arbeitend ausgebildet sein kann) in elektrischen Strom umgewandelt und steht zur weiteren Anwendungen zur Verfügung.
Typische Anwendungen für Vibrations-Harvester sind autonome Sensorknoten. An Stellen in komplexen Systemen (Auto, LKW, Luftfahrzeug, wie z. B. Flugzeug oder Drehflügler, Boot), an denen keine externe Energieversorgung möglich ist und der Einbau einer Batterie aus Wartungsgründen nicht gewünscht ist, können eventuell Vibrations-Harvester zum Einsatz kommen und die benötigte Energie bereitstellen. Ein konkretes Verwendungsbeispiel von Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung wie insbesondere Vibrations-Harvestern wäre zum Beispiel ein drahtloser Wasserstandfühler in der Bilge eines dieselgetriebenen Fischkutters, der durch die Schwingungen des Dieselmotors angeregt wird.
Für weitere Einzelheiten zu Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung und Vibrations-Harvestern der in Rede stehenden Art wird auf folgende Literaturstellen aus dem Stand der Technik verwiesen:

[1] Ing. Zdenik HADAS, MIKROGENERATOR JAKO MIKROMECHANIKA SOUSTAVA.
[2] Simulation of Vibration Power Generator, Hadas, Z.; Singule, V.; Ondrusek, C.; Kluge, M.; Published in 'Recent Advances in Mechatronics'; pp. 350–354, ISBN 978-3-540-73955-5 Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2007.

Darstellung der Erfindung:
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die universeller einsetzbar ist und eine größere Umwandlungsausbeute in unterschiedlichen Systemen zur Verfügung stellt.
Diese Aufgabe wird durch eine Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft eine Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung zur Umwandlung einer Vibrationsenergie in elektrisch nutzbare Energie, die gekennzeichnet ist durch eine Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung zur wählbaren Einstellung einer Resonanzfrequenz der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung.
Bei bekannten Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtungen ist eine fixe Resonanzfrequenz vorgesehen, welche den Betrieb der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung auf ein schmales Frequenzband beschränkt. Die bekannte Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung wird daher von vorneherein auf ein Frequenzband abgestimmt, in welchem wahrscheinlicherweise die umzuwandelnde Vibrationsenergie auftritt. Bei Systemen mit in unterschiedlichen Frequenzen auftretenden Schwingungen ist daher nur ein relativ geringer Umwandlungsgrad erzielbar.
Dies wird im Folgenden anhand des Beispiels eines vorteilhaften Verwendungszwecks einer erfindungsgemäßen Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung näher erläutert. Ein solcher möglicher Einsatzzweck von Vibrations-Harvestern, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung darstellen, liegt zum Beispiel im PKW-Bereich oder Schiffsbereich.
Abhängig von der Geschwindigkeit oder der Motordrehzahl treten hier jedoch unterschiedliche Schwingungen auf, die von einer Resonanzfrequenz des Harvesters nicht abgedeckt werden können. Bei bekannten Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtungen müsste dann entschieden werden, entweder die Resonanzkurve aufzuweichen, um für mehrere Frequenzen sensitiv zu werden, oder sich auf eine spezielle Frequenz festzulegen. Beides geht aber auf Kosten der Durchschnittsleistung des Harvesters.
Mit der erfindungsgemäßen Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung ist dagegen ein verbesserter Vibrations-Harvester mit verbreitertem Resonanzbereich möglich, innerhalb dem eine diskrete Resonanzfrequenz – auch eine schärfer definierte Resonanzfrequenz – wählbar einstellbar ist. Dadurch ist eine bessere Energieausbeute in Systemen möglich, in denen die Schwingungsfrequenz nicht konstant ist, z. B. in einem Auto bei unterschiedlichen Frequenzen und Motordrehzahlen, oder in einem (Kampf-)Hubschrauber bei Normalturbinenleistung und Not- oder Maximalturbinenleistung.
Die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung der erfindungsgemäßen Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Resonanzfrequenz aktiv während des Betriebs der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung änderbar ist.
Die Erfindung liefert somit eine verbesserte Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung, bei der es aufgrund der Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung insbesondere ermöglicht ist, ihre Resonanzfrequenz aktiv während des Betriebs zu ändern. Damit lässt sich stets die optimale Leistung aus der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung erzielen.
Vorzugsweise weist die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung eine aktive elektrische Steuereinheit zur Änderung der Resonanzfrequenz auf.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird weiter vorzugsweise z. B. einem im Wesentlichen aus einem Oszillator mit einer Spannungserzeugungseinrichtung gebildeten Vibrations-Harvester eine Lageeinstelleinrichtung hinzugefügt, mittels welcher – insbesondere über wenigstens ein Stellelement – eine Lage wenigstens eines Elements geändert werden kann, so dass durch Lageveränderung des Elements die Resonanzfrequenz der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung änderbar ist. In einer bevorzugten konkreten Ausgestaltung ist die Lageeinstelleinrichtung dazu ausgebildet, über Stellelemente und ein Schwenkgelenk – vorzugsweise in Form eines Scharniers oder dergleichen – an einem Schwungarm eines Schwingglieds des Oszillators eine Lage einer Schwungmasse und/oder die effektive Länge des Schwungarmes zu beeinflussen.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung ist eine aktive elektrische Steuereinheit zur Änderung des Schwingsystems der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung vorgesehen.
Weiter bevorzugt ist eine Resonanzfrequenzregeleinrichtung zum Regeln der Resonanzfrequenz der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung vorgesehen, die wenigstens einen Frequenzsensor (d. h. eine Frequenzerfassungseinrichtung) zur Erfassung einer Vibrationsfrequenz einer umzuwandelnden Vibrationsenergie und die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung zum Einstellen der Resonanzfrequenz auf die durch den Frequenzsensor erfasste Vibrationsfrequenz aufweist. Die Resonanzfrequenzregeleinrichtung kann insbesondere die aktive Steuereinheit aufweisen. Demnach wird eine aktive Steuerung implementiert, welche die Anregungsfrequenz (Vibrationsfrequenz) detektieren kann und – insbesondere durch Ansteuerung von Stellelementen – die Eigenfrequenz der Vibrationsenergieum wandlungsvorrichtung derart einstellt, dass sie einer erfassten geänderten Anregungsfrequenz entspricht.
In einer Ausgestaltung ist eine Vorspanneinrichtung zum Liefern einer Vorspannkraft vorgesehen, um einen Oszillator oder ein Schwingglied in seine Ruhelage vorzuspannen. Die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung derart ausgebildet, dass sie die Vorspanneinrichtung zum Ändern der Vorspannkraft einstellen kann. Gemäß einer konkreten Ausgestaltung kann beispielsweise eine magnetische Rückstellfeder als (Teil einer) Vorspanneinrichtung vorhanden sein. Vorzugsweise ist auch eine solche eventuell vorhandene magnetische Rückstellfeder mit wenigstens einem Stellelement oder mehreren Stellelementen versehen und einstellbar ausgebildet.
In bevorzugter Ausgestaltung bewirkt eine erfindungsgemäße Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung gegenüber bekannten Vibrations-Energie-Harvestern eine Verbesserung der Funktionsweise durch Hinzufügen einer aktiven Resonanzfrequenzanpassung.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung eine Steuereinheit und/oder eine Resonanzfrequenzregeleinrichtung auf, die die Anregungsfrequenz (insbesondere eine in dem System, in dem die Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung zur Vibrationsenergieumwandlung installiert ist, dominant vorherrschende Vibrationsfrequenz) detektiert und – vorzugsweise über einen Stellmechanismus – die Eigenfrequenz der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung anpasst.
Vorzugsweise weist der Stellmechanismus die oben bereits erwähnte Lageeinstelleinrichtung auf. Insbesondere weist der Stellmechanismus ein Stellgetriebeglied auf, welches die Schwungmasse eines Schwingglieds der Vibrationsenergie umwandlungsvorrichtung – vorzugsweise über ein Scharnier oder dergleichen Schwenkgelenk – nach vorne oder nach hinten, hin zu einer Schwungachse oder davon weg, bewegen kann, so dass sich die Eigenfrequenz der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung erniedrigt oder erhöht.
Mit der erfindungsgemäßen Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung wird eine Möglichkeit geschaffen, die Resonanzfrequenz eines Vibrations-Harvesters geänderten Anregungsfrequenzen nachzuführen. In vorteilhafter Ausgestaltung erfolgt dies über einen aktiven Regelkreis, welcher die Anregungsfrequenz detektiert und die Eigenfrequenz des Harvesters auf die detektierte Frequenz anpasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine linke Seitenansicht einer Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung mit einem Schwingglied und einer Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung zur aktiven Resonanzfrequenzanpassung;
2 eine rechte Seitenansicht der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung von 1 mit einer Resonanzfrequenzregeleinrichtung;
3 eine schematische Prinzipskizze einer bei der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung eingesetzten Vorspanneinrichtung;
4 eine Draufsicht auf das Schwingglied; und
5 ein schematisches Schaubild zur Veranschaulichung von Energieflüssen in der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung:
In den 1 und 2 ist eine Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung 10 zur Umwandlung einer Vibrationsenergie in elektrisch nutzbare Energie dargestellt. Die Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung 10 weist einen Oszillator 12 mit einem stationären Bereich 14, einem Schwingglied 16, einer Vorspanneinrichtung 18 und einer Spannungserzeugungseinrichtung 20 auf.
Der Oszillator 12 ist ein physikalischer, hier mechanischer, harmonischer Oszillator, der durch die umzuwandelnde mechanische Vibrationsenergie in Schwingung versetzbar ist. Diese Schwingungsenergie wird durch die Spannungserzeugungseinrichtung 20 in elektrisch nutzbare Energie umgewandelt, weswegen der Oszillator 12 auch als Vibrations-Energie-Harvester oder Vibrations-Harvester bezeichnet werden kann.
Der stationäre Bereich 14 weist eine Grundplatte 22, eine erste Halterung 23 zur Lagerung des Schwingglieds, eine zweite Halterung 24 für die Vorspanneinrichtung 18 und ein stationäres Teilelement 28 der Spannungserzeugungseinrichtung 20, hier mit einer Bodenplatte 29 und einem daran montierten Eingreifbereich 26 auf.
Das Schwingglied 16, das in Draufsicht in 4 dargestellt ist, weist einen Schwungarm 30, der an der ersten Halterung 22 um eine Schwungachse 32 hin und her schwingend schwenkbar gelagert ist, mit einer Schwungmasse 34 auf.
Die Spannungserzeugungseinrichtung 20 weist wenigstens ein Umwandlungsglied 36 zum Erzeugen eines elektrischen Stroms aus der Schwingungsbewegung des Oszillators 12 auf.
Das wenigstens eine Umwandlungsglied 36 kann ein elektromagnetisches, elektrostatisches oder piezoelektrisches Umwandlungsglied sein. In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist als konkretes Beispiel für das Umwandlungsglied 36 ein elektromagnetisches Umwandlungsglied gezeigt. Das Umwandlungsglied 36 umfasst als Teilelemente das stationärem Teilelement 28 und ein bewegliches Teilelement 38 an einem Endbereich 40 des Schwungarmes 30.
Das stationäre Teilelement 28 weist eine Induktionsschleife 44 auf, die in dem Ausführungsbeispiel durch den Eingreifbereich 26 und eine Induktionsspule 37 repräsentiert ist.
Das bewegliche Teilelement 38 des Umwandlungsglieds 36 weist mehrere Induktionsmagnete 42 und einen Magnethalter in Form eines massiven Ringgehäuses 46 auf, innerhalb dem die Induktionsmagnete 42 angeordnet sind. So bildet das bewegliche Teilelement 38 gleichzeitig den Hauptteil der Schwungmasse 34.
Der Eingreifbereich 26 greift in das Ringgehäuse 46 zwischen den dort eingesetzten Induktionsmagneten 42 ein. Durch Schwingung des Schwungarmes 30 um die Schwungachse 32 werden die Induktionsmagnete 42 relativ zu der Induktionsschleife 44 auf und ab bewegt. Dadurch wird in der Induktionsschleife 44 eine Spannung induziert und ein Strom erzeugt, der an dem stationären Teil 28 – hier dargestellt durch Abgriff an der Induktionsspule 37 – abgegriffen werden kann und auf eine Steuereinheit 50 geführt wird, wie dies näher in 2 dargestellt ist.
Die Vorspanneinrichtung 18 ist näher in 3 dargestellt. Sie weist ein Rückstellfederelement 54 zum Liefern einer Rückstellkraft als Vorspannkraft auf, die das Schwingglied 16 in seine Ruhelage vorspannt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Rückstellfederelement 54 magnetisch ausgebildet und weist einen ersten stationären Magneten 56 an der Grundplatte 22 und einen durch die zweite Halterung 24 gehaltenen zweiten stationären Magneten 58 sowie einen ersten beweglichen Magneten 60 und einen zweiten beweglichen Magneten 62 an entgegen gesetzten Seiten des Schwungarmes 30 auf. Der erste bewegliche Magnet 60 ist dabei zu dem ersten stationären Magneten 56 mit einem mittleren Abstand x dazwischen gerichtet, so dass sich die beiden ersten Magneten 56, 60 abstoßen. Desgleichen ist der zweite bewegliche Magnet 62 zu dem zweiten stationären Magneten 58 mit einem mittleren Abstand x dazwischen gerichtet, so dass sich die beiden zweiten Magneten 58, 62 abstoßen.
Die Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung 10 ist weiter mit einer Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung 64 versehen, mittels welcher die Eigenfrequenz des Oszillators 12 und damit die Resonanzfrequenz der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung 10 wählbar einstellbar ist. Insbesondere ist damit die Resonanzfrequenz an eine sich im Betrieb ändernde Anregungsfrequenz der umzuwandelnden Vibrationsenergie anpassbar.
Die Anpassung der Resonanzfrequenz an die neue Anregungsfrequenz ist über mehrere Methoden möglich; zwei mögliche Methoden sind als Beispiel in dem Ausführungsbeispiel der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung 10 implementiert.
Eine erste Methode betrifft eine Veränderung der Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung 18. Dies lässt sich beispielsweise durch eine Veränderung der (Magnet-)Federkonstanten des Rückstellfederelements 54 erreichen. In dem Ausführungs beispiel wird dies durch eine Veränderung des Abstandes der stationären Magnete 56, 58 zum Schwungarm erreicht. Eine Vergrößerung des Abstands der stationären Magnete 56, 58 zum Schwungarm resultiert in einer geänderten (verringerten) Resonanzfrequenz, ebenso vice versa. Dieser Abstand lässt sich durch den Einbau eines ersten Stellelements 66 und/oder eines zweiten Stellelements 68 regelbar gestalten.
Eine zweite Methode betrifft eine Veränderung einer Lage der Schwungmasse 34. Dies lässt sich beispielsweise durch eine Veränderung einer effektiven Schwungarmlänge des Schwungarms 30 erreichen. Durch eine Änderung der Schwungarmlänge ergibt sich z. B. bei Reduzierung der effektiven Länge eine Erhöhung der Resonanzfrequenz, ebenso vice versa. Die Änderung der effektiven Schwunglänge im Betrieb lässt sich ebenfalls über Stellelemente realisieren, hierzu ist in dem Ausführungsbeispiel ein drittes Stellelement 70 und gegebenenfalls ein viertes Stellelement 72 vorgesehen.
Beide Methoden lassen sich somit durch Veränderung einer die Resonanzfrequenz beeinflussenden Lage von Elementen der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung 10 durchführen. Zum Durchführen solcher Lageveränderungen ist die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung 64 mit einer Lageeinstelleinrichtung 74 versehen, die insbesondere die Stellelemente 66, 68, 70 und 72 aufweist. Weiter weist die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung 64 die Steuereinheit 50 auf, die auch zur Ansteuerung der Stellelemente 66, 68, 70 und 72 ausgebildet ist.
Die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung 64 ist insbesondere Teil einer Resonanzfrequenzregeleinrichtung 76, mittels der sich die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von einer erfassten Anregungsfrequenz regeln lässt und die in 2 durch strichpunktierte Linien dargestellt ist. Die Resonanzfrequenzregeleinrichtung 76 weist neben der Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung 64 insbesondere noch wenigstens einen Frequenzsensor auf. In dem konkreten Ausführungsbeispiel sind zur Darstellung unterschiedlicher Frequenzsensortypen beispielhaft ein erster Frequenzsensor 78 und ein zweiter Frequenzsensor 80 dargestellt. Damit wird die als Anregungsfrequenz wirkende dominante Vibrationsfrequenz der umzuwandelnden Vibrationsenergie erfasst und ein Sensorsignal erzeugt, das in die Steuereinheit 52 eingegeben wird, um so mittels der Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung 64 die Resonanzfrequenz der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung 10 zu regeln.
Die Lageeinstelleinrichtung 74 weist einen in 3 näher dargestellten ersten Bereich 82 zur Einstellung der Vorspanneinrichtung 18 und einen in 4 näher dargestellten zweiten Bereich 84 zur Einstellung des Schwingglieds 16, und mehr insbesondere zur Einstellung der Lage der Schwungmasse 34 und der Schwungarmlänge auf.
Der zweite Bereich 84 der Lageeinstelleinrichtung 74 weist ein Drehgelenk 86 zum Ausschwenken der Schwungmasse 34 auf. Hierzu ist das bewegliche Teilelement 38 des Umwandlungsgliedes 36 im Schwungarm 30 an einer Seite mit einem hier als Klappscharnier ausgebildeten Scharnier 88 versehen. Durch das dritte Stellelement 70 ist die Stellung des Scharniers 88 und somit die Lage des Schwerpunkts 90 des Schwungarms 30 nun aktiv steuerbar.
Um ein Verkanten des beweglichen und des stationären Teilelements 28, 38 des Umwandlungsgliedes 36 zu vermeiden, ist bei elektro-magnetischen oder elektrostatischen Harvestern auch die Induktionsschleife 37 am Boden steuerbar und verstellbar gelagert. Hierzu weist der zweite Bereich 84 der Lageeinstelleinrichtung 74 ein zweites Scharnier am stationären Bereich 14 auf, dessen Einstellung mittels des synchron zu dem dritten Stellelement 70 anzusteuernden vierten Stellelements 72 einstellbar ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel verbindet das zweite Scharnier 92 die Grundplatte 22 und die Bodenplatte 29 schwenkbar miteinander.
Die oben genannten Methoden der Resonanzfrequenzänderung funktionieren selbstverständlich auch bei hier nicht näher dargestellten weiteren Ausführungsformen der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung 10 mit piezoelektrischen oder elektrostatischen Harvestern, allerdings besitzt ein Piezo-Harvester keine Rückstellfeder im klassischen Sinn, das Piezoelement ist entweder selbst die Rückstellfeder oder es ist auf einem flexiblen Schwungarm aufgebracht. Im Weiteren wird deshalb nur noch allgemein von der Spannungserzeugungseinrichtung 20 gesprochen, dies beinhaltet wenigstens (aber nicht ausschließlich) die drei genannten Methoden (elektromagnetisch, elektrostatisch und piezoelektrisch) zur Erzeugung von Spannungen.
Im Folgenden wird anhand der Darstellung von 3 die variable Vorspanneinrichtung 18 und insbesondere deren variables Rückstellfederelement 54 näher erläutert.
Wie oben bereits erwähnt, besteht eine Möglichkeit der Änderung der Eigenfrequenz des Oszillators 12 darin, ein Rückstellfederelement 54 zu variieren. Besonders bei Magnetfeldern ist dies durchaus leicht möglich, da über den Abstand der Magnete 56, 60 und 58, 62 eine Änderung in der Federkonstante erzielt werden kann.
Es gilt für die Kraft zwischen zwei Magneten:
wobei p die magnetische Polstärke (oder magnetischer Fluss Φ), μ₀ die magnetische Feldkonstante und r der Abstand der Magnete ist. Somit gilt für die Federkonstante D(r), r = x₀ – x':
Bezeichnen wir den mittleren Abstand der beiden Magnete als x, so können wir folgende Abhängigkeit der Resonanzfrequenz f vom mittleren Abstand feststellen:
Gleichung (3) sagt nun aus, dass eine Änderung des mittleren Abstandes der Magnete 56, 60 und 58, 62 des durch die Vorspanneinrichtung 18 gebildeten Rückstellgliedes sich mit einer
Abhängigkeit auf die Resonanzfrequenz auswirkt. Somit ergibt sich hier die Möglichkeit, auf die Resonanzfrequenz Einfluss zu nehmen.
Die Änderung des Abstandes der Rückstellmagnete – genauer des Abstands zwischen dem ersten stationären Magnet 56 und dem ersten beweglichen Magnet 60 einerseits und des Abstands zwischen dem zweiten stationären Magnet 58 und dem zweiten beweglichen Magnet 62 andererseits – lässt sich am einfachsten über den Einbau von Stellelementen bewerkstelligen, welche je nach angelegter Spannung den Abstand zwischen den Magneten 56, 60, 58, 62 vergrößern oder verkleinern können. Hierzu sind das erste Stellelement 66 und das zweite Stellelement 68 vorgesehen. Einen genaueren Überblick über die Idee liefert 3.
3 zeigt eine Detailzeichnung zum Einbau einer veränderlichen Rückstellfeder als Rückstellfederelement 54 der Vorspanneinrichtung 18. Insbesondere stellt 3 eine detailliertere prinzipielle Einbauskizze zum Einbau des ersten und zweiten Stellelements 66, 68 zur Verstellung des Rückstellfederelements 54 und zur dadurch bedingten Verstellung der Resonanzfrequenz dar. Über eine durch die Steuereinheit 50 auf das erste und das zweite Stellelement 66, 68 auferlegte Steuerspannung ist eine Änderung des Abstandes zwischen den ersten Magneten 56, 60 bzw. zwischen den zweiten Magneten 58, 62 möglich.
Die Stellelemente 66, 68 werden von der Steuereinheit 50 mit Spannung versorgt und der durch wenigstens einen der Frequenzsensoren 78, 80 erfassten Anregungsfrequenz angepasst.
Diese Methode der Anpassung eines Rükstellfederelements 54 funktioniert nicht bei piezoelektrischen Harvestern, da dort keine Rückstellfeder im klassischen Sinn verbaut ist.
Als zweite Möglichkeit wird die Änderung der effektiven Schwungarmlänge vorgeschlagen. Ähnlich zum Physikalischen Pendel hängt die Eigenfrequenz des Oszillators 12 vom Trägheitsmoment des Schwungarms 30 ab: f ~ √J (4) J = mr2 (5) ⇒ f ~ r, (6)wobei J das Trägheitsmoment, m die Masse (Schwungmasse 34) und r der Abstand zwischen dem Schwerpunkt 90 und der Schwungachse 32 ist. Da diese Masse des Schwungarmes 30 (fast) komplett in der Spannungserzeugungseinrichtung 20 am Endbereich 40 des Schwungarms 30 sitzt, kann die Formel (6) in erster Nahrung als treffend angenommen werden. Über eine Änderung der Länge des Schwungarmes 30 ist somit eine sogar lineare Änderung des Resonanzverhaltens des Oszillators 12 zu erwarten.
Die Änderung der Länge des Schwungarms 30 wird nun über das als Klappscharnier ausgebildete erste Scharnier 88 an einer Seite der Spannungserzeugungseinrichtung 20 erreicht. Diese Spannungserzeugungseinrichtung 20 lässt sich über Stellelemente – hier repräsentiert durch das dritte Stellelement 70 – vor- oder zurückschieben und kann so den Schwungarm 30 verkürzen oder verlängern. Gesteuert wird dies ebenfalls von der Steuereinheit 50.
Dies wird im Folgenden näher anhand der Darstellung in 4 näher erläutert, welche eine Detailzeichnung zur veränderbaren Schwungarmlänge darstellt.
Die Änderung der Schwungarmlänge ist über eine scharniergelagerte Spannungserzeugungseinrichtung 20 möglich. In bevorzugter Ausgestaltung ist sowohl das bewegliche Teilelement 38 (schwingender Teil) als auch das stationäre Teilelement 28 (stehender Teil) der Spannungserzeugungseinrichtung 20 schwenkbar gelagert, damit sich die relative Position der Teilelemente 38, 28 zueinander beibehalten lässt. Hierzu sind die Teilelemente 38, 38 in der dargestellten Ausführungsform um eine durch das die beiden Scharniere 88 und 92 aufweisende Drehgelenk 86 definierte Schwenkachse 96 schwenkbar. Die Schwenkachse 96 liegt im Wesentlichen senkrecht zu der Schwungachse 32.
Allerdings funktioniert die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung 64 auch, wenn nur das bewegliche Teilelement 38 geschwenkt oder gedreht wird, denn nur dieses beeinflusst die Resonanzfrequenz. Dann ist allerdings darauf zu achten, dass die Spannungserzeugungseinrichtung 20 auch bei Verschwenkung des beweglichen Teilelements 38 relativ zum Boden zuverlässig funktioniert und nicht mechanisch verklemmt. Dies könnte beispielsweise durch eine entsprechend große Induktionsschleife 44 am Boden erreicht werden, die auch durch einen verschwenktes bewegliches Teilelement 38 noch überstrichen wird, und eventuell auch ohne Eingreifelement 26 auskommt.
4 zeigt in Draufsicht eine detaillierte Entwurfsskizze zum Einbau eines Scharniers 88 mit Stellelement 70 zur aktiven Verstellung der Schwungarmlänge und somit der Resonanzfrequenz. Das hier dargestellte dritte Stellelement kann über eine durch eine Spannung von der Steuereinheit 50 gesteuerte Längenänderung den Schwerpunkt 90 vor oder zurück bewegen und kann so die effektive Schwungarmlänge beeinflussen.
Diese Methode der aktiven Frequenzbeeinflussung mittels Veränderung der Lage einer Schwungmasse 30 funktioniert bei allen drei oben genannten spannungserzeugenden Methoden.
Im Folgenden wird anhand der Darstellung in 2 die Resonanzfrequenzregeleinrichtung 76 und die Steuereinheit 50 näher erläutert.
Die Resonanzfrequenzregeleinrichtung 76 mit der Steuereinheit 50 ist eine zentrale Einrichtung des hier dargestellten Ausführungsbeispiels der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung 10. Sie detektiert die anliegende Anregungsfrequenz, wandelt die durch den Oszillator 12 erzeugte Spannung in eine Arbeitsspannung für die Stellelemente 66, 68, 70, 72 um und steuert die Länge der Stellelemente 66, 68, 70, 72 auf die benötigte Länge ein. Die Steuerelemente 66, 68, 70, 72 sind beispielsweise als Piezoelemente, insbesondere Piezoaktoren, ausgebildet. Ein bevorzugtes Merkmal der Steuereinheit 50 ist, dass sie selbstverständlich weniger Strom für die Steuerung verbraucht als vom Harvester – dem Oszillator 12 – generiert wird. Der Energiefluss wird schematisch in 5 dargestellt.
5 zeigt in Form eines Energieverlaufdiagramms den schematischen Energiefluss innerhalb der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung 10. Die Energie aus der Spannungserzeugungseinrichtung 20 geht in die Steuereinheit 50, wird dort transformiert und aufgeteilt in Stellenergie und Verbrauchenergie. Die Breite der Pfeile in dem Diagramm von 5 symbolisiert dabei die fließende Energiemenge.
Die Detektion der anliegenden Frequenz ist auf verschiedene Arten möglich. Einerseits ist eine Regelung mit der Ausgangsspannung selbst möglich (z. B. PLL-Regelung), andererseits wäre es auch möglich, mit einem Beschleunigungssensor die Anregungsfrequenz zu detektieren. Vor- und Nachteile beider Ideen (weniger Gewicht, geringerer Stromverbrauch ⇔ eventuelles Erfassen von Nebenmaxima und vice versa) sind vorhanden, es ist für die jeweilige Anwendung zu entscheiden welche Steuerung gewählt wird.
Um beide möglichen Verfahren zur Frequenzerfassung darzustellen, weist das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel den ersten Frequenzsensor 78 und den zweiten Frequenzsensor 80 auf.
Der hier schematisch als Block dargestellte erste Frequenzsensor 78 erfasst die Ausgangsspannung der Spule und ermittelt daraus die Frequenz, mit der der Oszillator 12 derzeit schwingt und damit die Anregungsfrequenz, mit der der Oszillator 12 angeregt wird. Der erste Frequenzsensor 78 könnte auch durch Software innerhalb der Steuereinheit 50 implementiert sein.
Der zweite Frequenzsensor 80 weist einen Beschleunigungssensor 94 am Schwingglied 16 auf, aus dessen Signal er die Frequenz, mit der der Oszillator 12 zur Zeit schwingt, ermittelt.
Weitere mögliche Ausführungsformen:
Wenngleich die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert worden ist, so ist sie nicht darauf beschränkt und eine Vielzahl von weiteren Ausführungsbeispielen ist denkbar.
Eine der hier dargestellten Ideen betrifft eine elektronisch geregelte Einstellung der Resonanzfrequenz der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung 10. Zur Realisierung ist in dem obigen Ausführungsbeispiel stets auf Stellelemente 66, 68, 70, 72 verwiesen worden. Die Stellelemente 66, 68, 70, 72 sind kontinuierlich als Synonym für elektrisch regelbare Abstandshalter zu sehen. Zum Beispiel wäre eine vergleichbare Konstruktion mit der Verwendung von Bimetallen möglich, oder mit Polymeren, die bei Stromfluss die Länge ändern, ebenso mit Piezoelementen, die unter Spannung die Länge ändern, sowie mit mikromechanischen Stellgetrieben, die von einem miniaturisierten Elektromotor angetrieben werden.

10: Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung
12: Oszillator
14: stationärer Bereich
16: Schwingglied
18: Vorspanneinrichtung
20: Spannungserzeugungseinrichtung
22: Grundplatte
23: erste Halterung
24: zweite Halterung
26: Eingreifbereich
28: stationäres Teilelement
29: Bodenplatte
30: Schwungarm
32: Schwungachse
34: Schwungmasse
36: Umwandlungsglied
37: Induktionsspule
38: bewegliches Teilelement
40: Endbereich
42: Induktionsmagnete
44: Induktionsschleife
46: Ringgehäuse
50: Steuereinheit
54: Rückstellfederelement
56: erster stationärer Magnet
58: zweiter stationärer Magnet
60: erster beweglicher Magnet
62: zweiter beweglicher Magnet
64: Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung
66: erstes Stellelement
68: zweites Stellelement
70: drittes Stellelement
72: viertes Stellelement
74: Lageeinstelleinrichtung
76: Resonanzfrequenzregeleinrichtung
78: erster Frequenzsensor
80: zweiter Frequenzsensor
82: erster Bereich
84: zweiter Bereich
86: Drehgelenk
88: Scharnier
90: Schwerpunkt
92: zweites Scharnier
94: Beschleunigungssensor
96: Schwenkachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Ing. Zdenik HADAS, MIKROGENERATOR JAKO MIKROMECHANIKA SOUSTAVA [0006]
- Simulation of Vibration Power Generator, Hadas, Z.; Singule, V.; Ondrusek, C.; Kluge, M.; Published in 'Recent Advances in Mechatronics'; pp. 350–354, ISBN 978-3-540-73955-5 Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2007 [0006]

Claims

Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung (10) zur Umwandlung einer Vibrationsenergie in elektrisch nutzbare Energie, gekennzeichnet durch eine Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung (64) zur wählbaren Einstellung einer Resonanzfrequenz der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung (10).
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung (64) eine aktive elektrische Steuereinheit (50) zur Änderung der Resonanzfrequenz aufweist.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Resonanzfrequenzregeleinrichtung (76) zum Regeln der Resonanzfrequenz der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung (10) vorgesehen ist, die einen Frequenzsensor (78, 80) zur Erfassung einer Vibrationsfrequenz einer umzuwandelnden Vibrationsenergie und die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung (64) zum Einstellen der Resonanzfrequenz auf die durch den Frequenzsensor (78, 80) erfasste Vibrationsfrequenz aufweist.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung (64) eine Lageeinstelleinrichtung (74) mit wenigstens einem steuerbaren Stellelement (66, 68, 70) zur Veränderung einer die Resonanzfrequenz der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung beein flussenden Lage eines Elements der Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung (10) aufweist.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach den Ansprüchen 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Stellelement (66, 68, 70, 72) durch die Steuereinheit (50) ansteuerbar ist, welches die Steuerung des Stellelements (66, 68, 70, 72) abhängig von einem Sensorsignal des Frequenzsensors (78, 80) durchführt, um die Resonanzfrequenz zu regeln.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageeinstelleinrichtung (74) ein Drehgelenk (86), insbesondere ein Scharnier (88) zum durch das wenigstens eine Stellelement (66, 68, 70, 72) betätigbaren Verschwenken des in der Lage einzustellenden Elements um eine Schwenkachse (96) aufweist.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mechanischen Oszillator (12), der durch eine Vibrationsenergie in Schwingungsbewegung versetzbar ist und eine Spannungserzeugungseinrichtung (20) mit wenigstens einem Umwandlungsglied (36) zum Erzeugen eines elektrischen Stroms aus der Schwingungsbewegung des Oszillators (12), wobei die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung (64) zur Einstellung einer Eigenfrequenz des Oszillators (12) ausgebildet ist.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Umwandlungsglied (36) ausgewählt ist aus einer Gruppe, die wenigstens ein elektromagnetisches Umwandlungsglied, wenigstens ein elektrostatisches Umwandlungsglied und wenigstens ein piezoelektrisches Umwandlungsglied aufweist.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein durch die Vibrationsenergie in Schwingung versetzbares Schwingglied (16) mit wenigstens einer Schwungmasse (34) und eine Vorspanneinrichtung (18) zur Bereitstellung einer Vorspannkraft, mittels der das Schwingglied (16) in eine Ruhelage vorspannbar ist, vorgesehen ist.
Vibrationsenergieumwandlungseinrichtung nach Anspruch 9 und nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse (34) zu einem Großteil durch das wenigstens eine Umwandlungsglied (36) gebildet wird.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung (64) zur Einstellung der Lage der wenigstens einen Schwungmasse (34) des Schwingglieds (16) und/oder zur Einstellung der Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung (18) ausgebildet ist.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 11 und nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schwungmasse (34) das wenigstens eine durch die Lageeinstelleinrichtung einstellbare Element oder eines von mehreren durch die Lageeinstelleinrichtung einstellbaren Elementen ist.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingglied (16) wenigstens einen Schwungarm (30) aufweist, dessen Schwungarmlänge durch die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung (64) einstellbar ist.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 13 und nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungarmlänge durch Verschwenken eines insbesondere das Umwandlungsglied (36) oder die Spannungserzeugungseinrichtung (20) oder zumindest einen Großteil der Schwungmasse (34) aufweisenden Endbereich (40) des Schwungarms (30) mittels des Scharniers (88) um die Schwenkachse (96) einstellbar ist, wobei die Schwenkachse (96) vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu einer Schwungachse (32), um welche der Schwungarm (30) schwingt, angeordnet ist.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (18) ein Rückstellfederelement (54) aufweist, dessen Federkonstante durch die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung (64) einstellbar ist.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (18) wenigstens einen Magneten (56, 58, 60, 62) aufweist, um eine Magnetkraft als Vorspannkraft auf das Schwingglied (16) auszuüben, wobei die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung (64) zur Einstellung der Magnetkraft ausgebildet ist.
Vibrationsenergieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenzeinstelleinrichtung (64) zur Einstellung der Lage des wenigstens einen Magneten (56, 58, 60, 62) ausgebildet ist.