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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische Generatoren zur Gewinnung elektrischer Energie aus mechanischer Schwingungsenergie, insbesondere zur autonomen Energieversorgung drahtloser Sensoren, sowie auf autonome Drahtlossensoren mit einem derartigen Generator.
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Ein elektromagnetischer Generator, der durch Muskelkraft erzeugte Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt, ist beispielsweise aus der Druckschrift
US 2008/0217926 bekannt. Dieser herkömmliche Generator besteht aus einem zylindrischen Gehäuse mit einer Spule, in der ein Permanentmagnet über zwei Spiralfedern beweglich aufgehängt ist. Wird das Gehäuse einer Beschleunigung ausgesetzt, in dem es beispielsweise geschüttelt wird, so wird der Permanentmagnet in Schwingung versetzt, wodurch eine Spannung in der Spule induziert wird, mit der ein elektrischer Verbraucher betrieben werden kann.
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Ein Generator, der elektrische Energie aus mechanischen Vibrationen gewinnen kann, ist aus der Druckschrift
WO 2009/039293 bekannt. Dieser herkömmliche Generator umfasst einen Stator in Form zweier Leiterplatten mit spulenförmigen Leiterbahnen sowie einen zwischen den beiden Leiterplatten schwingfähig gelagerten Translator, auf dem eine Vielzahl von Permanentmagneten angeordnet ist. Durch eine externe mechanische Anregung wird der Translator zu einer Schwingung parallel zur Oberfläche der Leiterplatten angeregt, wodurch eine Spannung in den Spulen des Stators induziert wird.
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Ein mikromechanischer Generator mit einem geschichteten Aufbau aus einer Flachspule, die zwischen zwei mit Permanentmagneten versehenen äußeren Schichten schwingfähig gelagert ist, ist auch aus der Druckschrift
US 2007/0007827 bekannt.
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Die bekannten Generatoren haben jedoch den Nachteil, dass sie nur durch Schwingungen in einer bestimmten Richtung anregbar sind, wodurch sich Beschränkungen hinsichtlich der Flexibilität der Anwendung und der Energieausbeute ergeben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen elektromagnetischer Generator zur Umwandlung mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie anzugeben, der flexibler einsetzbar ist.
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Dies wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, eine Mehrzahl von Spulen, die längs unterschiedlicher Raumrichtungen ausgerichtet sind, sowie zugehörige elektromagnetische Massen vorzusehen, wobei jeweils eine der Spulen und eine der elektromagnetischen Massen längs einer der unterschiedlichen Raumrichtung relativ zueinander beweglich sind und durch eine Relativbewegung derselben eine Spannung in der Spule induzierbar ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektromagnetischer Generator zur Umwandlung mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie zur Verfügung gestellt. Der elektromagnetische Generator umfasst eine Mehrzahl von Spulen, die längs unterschiedlicher Raumrichtungen ausgerichtet sind, eine Mehrzahl elektromagnetischer Massen, wobei jeweils eine der Spulen und eine der elektromagnetischen Massen längs einer der unterschiedlichen Richtungen relativ zueinander beweglich sind und durch eine Relativbewegung derselben eine Spannung der Spule induzierbar ist, sowie eine elektronische Schaltung mit einer Mehrzahl von Eingangsknoten, die jeweils mit einer der Spulen verbunden sind, um die dort durch Induktion erzeugte elektrische Energie zu sammeln, und einem Ausgangsknoten, an dem die gesammelte elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird.
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Vorzugsweise umfasst der elektromagnetische Generator des Weiteren eine Mehrzahl federelastischer Elemente, insbesondere in Form von Spiralfedern, die die elektromagnetischen Massen mit den Spulen koppeln. Auf diese Weise können die elektromagnetischen Massen beispielsweise durch einen Stoß oder eine andere von außen verursachte Bewegung des elektromagnetischen Generators zu einer Schwingung angeregt werden, wobei die Schwingungsenergie durch elektromagnetische Induktion sukzessive in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Vorteilhafterweise umfasst der elektromagnetische Generator ein Gehäuse, wobei die Spulen starr mit dem Gehäuse verbunden sind und die elektromagnetischen Massen gegenüber dem Gehäuse beweglich gelagert sind. Dieser Ansatz ist im Vergleich zu der umgekehrten Möglichkeit, derzufolge die elektromagnetischen Massen mit dem Gehäuse starr verbunden werden und die Spulen beweglich gelagert sind, einfach zu realisieren, insbesondere, weil so die Problematik der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der beweglichen Spule und dem Gehäuse entfällt.
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Vorteilhafterweise sind darüber hinaus die elektromagnetischen Massen unabhängig voneinander beweglich gelagert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass durch äußere Stoß- oder Schwingungsanregungen jeweils die elektromagnetische Masse in Schwingung oder Bewegung versetzt wird, die in der Richtung der äußeren Anregung frei beweglich ist. Der gleiche Vorteil kann auch erzielt werden, wenn die elektromagnetischen Massen starr mit dem Gehäuse verbunden sind und stattdessen die Spulen voneinander unabhängig beweglich gelagert sind.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der elektromagnetische Generator zumindest eine erste und eine zweite Spule sowie eine zugehörige erste bzw. zweite elektromagnetische Masse, wobei die erste Spule die erste elektromagnetische Masse längs einer ersten Raumrichtung relativ zueinander beweglich sind und die zweite Spule und die zweite elektromagnetische Masse längs einer zweiten Raumrichtung relativ zueinander beweglich sind, wobei die erste Raumrichtung und die zweite Raumrichtung senkrecht aufeinander stehen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Energie einer externen Schwingungs- oder Stoßanregung optimal auf den elektromagnetischen Generator übertragen werden kann und zwar unabhängig davon, in welcher Richtung innerhalb der Ebene, die durch die erste und die zweite Raumrichtung aufgespannt wird, die externe Anregung erfolgt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der elektromagnetische Generator eine dritte Spule mit einer dritten elektromagnetischen Masse, wobei die dritte Spule und die dritte elektromagnetische Masse längs einer dritten Raumrichtung relativ zueinander beweglich sind und durch eine Relativbewegung derselben eine Spannung in der dritten Spule induzierbar ist, wobei die dritte Raumrichtung senkrecht auf der ersten und der zweiten Raumrichtung steht. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass jede externe Schwingungs- oder Stoßanregung unabhängig von ihrer Raumrichtung auf den elektromagnetischen Generator übertragen werden kann.
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Vorteilhafterweise umfasst die elektronische Schaltung des elektromagnetischen Generators für jede Spule einen zugehörigen Gleichrichter. Auf diese Weise können die in den einzelnen Spulen unabhängig voneinander induzierten Wechselspannungen unabhängig voneinander gleichgerichtet werden und die mit jeder dieser Spannungen verbundene elektrische Energie in einfacher Weise gesammelt werden.
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Bei den elektromagnetischen Massen handelt es sich vorzugsweise um Permanentmagnete. Bei geeigneter Ausrichtung der Polarisierung der Permanentmagnete und den zugehörigen Spulen kann die größtmögliche Änderung des magnetischen Flusses durch diese Spulen erzielt werden, wenn sich der Permanentmagnet relativ zur Spule bewegt. Die Größe der magnetischen Flussänderung bestimmt nach dem Induktionsgesetz unmittelbar die Höhe der induzierten Spannung und somit auch die durch den elektromagnetischen Generator gesammelte elektrische Energie.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektromagnetische Energiesammelvorrichtung mit einem elektromagnetischen Generator gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung und einer Speichereinrichtung zur Speicherung der durch den elektromagnetischen Generator erzeugten elektrischen Energie angegeben. Mit Hilfe dieser Speichereinrichtung kann die Erzeugung der elektromagnetischen Energie von dem Verbrauch der elektrischen Energie zeitlich entkoppelt werden. Insbesondere können auch kurzfristige Schwankungen in der Leistungsaufnahme eines etwaigen Verbrauchers mit Hilfe dieser Speichereinrichtung ausgeglichen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der elektromagnetischen Energiesammelvorrichtung umfasst die elektronische Schaltung einen Gleichspannungswandler, der eine von dem elektromagnetischen Generator ausgegebene Spannung auf ein Spannungsniveau der Speichervorrichtung wandelt und/oder das Spannungsniveau der Speichereinrichtung auf ein gewünschtes Ausgangsspannungsniveau wandelt.
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Vorzugsweise ist die elektronische Schaltung außerdem dazu eingerichtet, den elektromagnetischen Generator an einem Arbeitspunkt mit maximaler Leistungsabgabe zu betreiben. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad bzw. die durch die elektromagnetische Energiesammelvorrichtung gelieferte elektrische Ausgangsleistung optimiert werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein autonomer Drahtlossensor zur Verfügung gestellt. Der autonome Drahtlossensor umfasst eine elektromagnetische Energiesammelvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zur Erfassung von Daten und eine Drahtlosvorrichtung zur drahtlosen Übertragung der von dem Sensor erfassten Daten, wobei der Sensor und die Drahtlosvorrichtung durch die elektromagnetische Energiesammelvorrichtung mit Energie versorgt werden.
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Ein derartiger autonomer Drahtlossensor besitzt eine ganze Reihe von Vorteilen, die beispielsweise dann zum Tragen kommen, wenn die Sensoren an schwer zugänglichen Stellen oder unter Umgebungsbedingungen, die eine Verkabelung erschweren oder verhindern, eingesetzt werden sollen. Vorteile können sich auch ergeben, wenn eine große Zahl derartiger Sensoren eingesetzt werden soll und entsprechende Kosten für die Verkabelung herkömmlicher drahtgebundener Sensoren anfallen. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Energiesammelvorrichtung entfällt zudem die Notwendigkeit einer externen Energieversorgung, bzw. der Aufwand und die Kosten, die mit dem Einsatz und der Wartung herkömmlicher Batterien verbunden wären.
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Bei dem Sensor kann es sich insbesondere um einen Temperatur-, Druck- oder Lichtsensor handeln. Der Sensor kann aber auch dazu eingerichtet sein, Vitalparameter, insbesondere Herzfrequenz, Atemfrequenz, Sauersättigung im Blut eines Lebewesens, insbesondere eines Menschen, zu messen. Der erfindungsgemäße autonome Drahtlossensor ist daher insbesondere für den Einsatz im medizinisch-technischen Bereich geeignet.
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Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Abbildungen ersichtlich, in denen:
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1A einen schematischen Querschnitt durch einen elektromagnetischen Generator zur Umwandlung mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
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1B einen schematischen Querschnitt durch einen elektromagnetischen Generator zur Umwandlung mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
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2A den schematischen Aufbau eines elektromagnetischen Generators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
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2B den schematischen Aufbau eines elektromagnetischen Generators gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
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3 den schematischen Aufbau einer elektromagnetischen Energiesammelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
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4 den schematischen Aufbau eines autonomen Drahtlossensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und
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5 eine detailliertere Ansicht des schematischen Aufbaus eines autonomen Drahtlossensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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1A zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnitts durch einen elektromagnetischen Generator zur Umwandlung mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der elektromagnetische Generator umfasst ein Gehäuse 1 mit einer Vielzahl von Spulen 5, 6, 8, 9, 11, 12, die entlang unterschiedlicher Raumrichtungen ausgerichtet sind. Dargestellt sind insbesondere in der Figur vertikal ausgerichtete Spulen (5, 6), horizontal ausgerichtete Spulen (12) und diagonal ausgerichtete Spulen (10). Zusätzlich können Spulen vorgesehen sein, die beispielsweise senkrecht zur Zeichnungsebene ausgerichtet sind (nicht gezeigt).
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Der elektromagnetische Generator aus 1A umfasst des Weiteren eine Vielzahl elektromagnetischer Massen (Permanentmagnete) 2, die mit Hilfe von Federelementen 3, 4 relativ zu den Spulen beweglich aufgehängt sind. Durch eine externe Stoß- oder Schwingungsanregung können die elektromagnetischen Massen in Schwingung versetzt werden, wodurch eine Änderung des magnetischen Flusses durch die jeweils zugeordnete Spule bewirkt wird, die wiederum zur Induktion einer Spannung in dieser Spule führt. Erfindungsgemäß sind die einzelnen Systeme aus einer Spule und der zugehörigen elektromagnetischen Masse entlang unterschiedlicher Raumrichtung ausgerichtet, so dass der elektromagnetische Generator durch externe Stöße oder Schwingungen entlang dieser Richtungen anregbar ist.
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In dem in 1A gezeigt Beispiel ist das System aus dem Permanentmagneten 2, den Federn 3, 4 und der Spule 5, 6 insbesondere durch externe Schwingungen in vertikaler Richtung anregbar, wohingegen das mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnete System durch horizontale Schwingungen anregbar ist.
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Der erfindungsgemäße elektromagnetische Generator hat daher den Vorteil, dass er Energie nicht nur aus einer Schwingung entlang einer Raumachse gewinnen kann, sondern aus mehreren Schwingungen in mehreren unterschiedlichen Raumrichtungen. Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße elektromagnetische Generator flexibler einsetzbar, da beispielsweise bei der Montage des Generators nicht darauf geachtet werden muss, dass die Orientierung des Generators mit der vorherrschenden Schwingungsrichtung des Untergrunds, auf dem der Generator montiert wird, übereinstimmt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Generators liegt darin, dass die Effizienz, mit der Energie gesammelt wird, erhalten bleibt, auch wenn sich die Hauptschwingungsrichtung des Untergrunds mit der Zeit verändern sollte.
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Der erfindungsgemäße elektromagnetische Generator kann außerdem eine Abschirmung 7 aus einem hochpermeablen Material mit niedriger Remanenz umfassen, mit dem statische und niederfrequente Magnetfelder abgeschirmt werden können. Auf diese Weise wird eine Beeinflussung der in dem Generator befindlichen Permanentmagnete durch externe magnetische Felder bzw. eine gegenseitige Beeinflussung der in dem Generator befindlichen Permanentmagnete vermieden.
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Der erfindungsgemäße elektromagnetische Generator umfasst des Weiteren eine elektronische Schaltung (nicht gezeigt), mit der die in den einzelnen Spulen induzierten elektrischen Spannungen gesammelt werden und gemeinsam an einem Ausgangsknoten zur Verfügung gestellt werden. Im einfachsten Fall umfasst die elektronische Schaltung für jede Spule einen eigenen Gleichrichter, vorzugsweise einen Vierwege-Gleichrichter, mit dem die in der Wechselspule induzierte Wechselspannung gleichgerichtet wird. Die gleichgerichteten Spannungen können so in einfacher Weise kombiniert werden, ohne auf etwaige Phasenunterschiede in den induzierten Wechselspannungen Rücksicht nehmen zu müssen.
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In der Ausführungsform aus 1A sind die Spulen starr mit dem Gehäuse des Generators 1 verbunden und die elektromagnetischen Massen sind relativ zu den Spulen über Federelemente beweglich gelagert. Die gleichen Vorteile können aber auch erzielt werden, wenn umgekehrt die elektromagnetischen Massen starr mit dem Gehäuse verbunden sind und die Spulen über Federelemente beweglich aufgehängt sind. Sowohl die Spulen als auch die elektromagnetischen Massen können jedoch auch in anderer Weise beweglich zueinander angeordnet sein, insbesondere können die elektromagnetischen Massen innerhalb der Spulen in zumindest einer Raumrichtung frei beweglich sein. Der Aufbau des elektromagnetischen Generators und seine Fertigung kann dementsprechend vereinfacht werden.
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1B zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen elektromagnetischen Generator zur Umwandlung mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Der dargestellte elektromagnetische Generator besitzt einen Magnetkern mit orthogonaler Ausrichtung (in 2D oder 3D, hier nur 2D dargestellt, zwei Magnete hintereinander). D. h. es handelt sich hierbei, um einen Magnetkern mit orthogonal angeordneten (Stab-)Magneten, so dass je Anregungsrichtung in mindestens einer Spule eine Spannung induziert wird. Die einzelnen Magnete müssen hinsichtlich deren Anziehungskräften entsprechend gehaust und positioniert werden. Die einzelnen Magnete in einem Gehäuse können dabei als eine elektromagnetische Masse betrachtet werden.
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2A zeigt den schematischen Aufbau eines elektromagnetischen Generators gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der elektromagnetische Generator umfasst das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete System aus Spulen, elektromagnetischen Massen und (optionalen) Federelementen sowie der elektronischen Schaltung 21 zur Sammlung der induzierten Spannungen. Die elektronische Schaltung ist mit den einzelnen Spulen über entsprechende Eingangsknoten 31 verbunden. Der erfindungsgemäße elektromagnetische Generator kann insbesondere in einem Gehäuse untergebracht sein, das die Form einer Standardbatterie 20 aufweist. Der Generator ist dadurch universell und in besonders einfacher Weise einsetzbar.
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2B zeigt den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Generators gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zur Ausführungsform aus 2A ist der elektromagnetische Generator mit einem Ausgangsanschluss in Form eines Steckanschlusses oder einer Lötverbindung 23 versehen. Der Ausgangsanschluss kann insbesondere in Form eines USB-Anschlusses (universal serial bus) ausgeführt sein, andere Ausführungsformen sind jedoch ebenfalls möglich.
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3 zeigt den schematischen Aufbau einer Energiesammelvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Energiesammelvorrichtung weist eine Vielzahl von Anschlüssen 31 auf, die jeweils mit einer Spule (nicht gezeigt) verbunden sind, sowie jeweils einen zugehörigen Gleichrichter 32 zur Gleichrichtung der in der Spule induzierten Wechselspannung. Die gleichgerichteten Spannungen werden in einer geeigneten Schaltung kombiniert, die insbesondere einen Gleichspannungswandler 33 zur Spannungsregelung und/oder Anpassung der induzierten Spannung an ein gewünschtes Spannungsniveau enthalten kann. Die erfindungsgemäße Energiesammelvorrichtung umfasst des Weiteren eine Speichervorrichtung 34 zur Speicherung der gesammelten elektrischen Energie. Bei dieser Speichervorrichtung kann es sich insbesondere um einen Kondensator (z. B. Elektrolytkondensator, Doppelschichtkondensator oder einen anderen Kondensator mit hoher Kapazität) oder einen elektrochemischen Akkumulator (Nickelcadmium, Nickelmetallhydrid, Lithiumionen, etc.) handeln. Die elektronische Schaltung der Energiesammelvorrichtung kann in diesem Fall auch eine Schaltung zur Ladungsregelung des Akkumulators umfassen.
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Vorzugsweise umfasst die Energiesammelvorrichtung auch eine Regelschaltung 35, mit deren Hilfe der elektromagnetische Generator stets an dem Arbeitspunkt mit maximalem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Strom und/oder die Spannung, die aus dem elektromagnetischen Generator bezogen wird, geregelt wird, so dass der elektromagnetische Generator an einem gewünschten Arbeitspunkt innerhalb seiner Stromspannungskennlinie arbeitet.
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Die durch den elektromagnetischen Generator erzeugte Energie kann entweder direkt und/oder indirekt über die Speichereinrichtung an entsprechenden Ausgangsanschlüssen 23 der Energiesammelvorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
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4 zeigt den schematischen Aufbau eines autonomen Drahtlossensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der autonome Drahtlossensor umfasst das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete System aus einer Mehrzahl von Spulen und relativ dazu beweglich gelagerten elektromagnetischen Massen, wie es beispielsweise in 1A oder 1B dargestellt ist. Der autonome Drahtlossensor umfasst darüber hinaus eine elektronische Schaltung 21, wie sie bereits im Zusammenhang mit den 2A, 2B und 3 beschrieben wurde, einen Sensor 38 zur Erfassung von Daten und eine Drahtlosvorrichtung 37 zur drahtlosen Übertragung der von dem Sensor erfassten Daten.
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Bei dem Sensor kann es sich um einen beliebigen Sensor zur Umwandlung einer physikalischen Messgröße in ein elektrisches Signal handeln, insbesondere um einen Druck-, Temperatur- oder Lichtsensor. Der Sensor kann insbesondere dazu eingerichtet sein, Vitalparameter, wie z. B. Herzfrequenz, Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung im Blut eines Lebewesens, insbesondere eines Menschen, zu messen. Die von dem Sensor 38 erfassten Daten, die die physikalischen Messgrößen repräsentieren, können mit Hilfe der Drahtlosvorrichtung 37 an einen geeigneten Empfänger mit angeschlossener Auswerteeinrichtung übertragen werden. Bei der Drahtlosvorrichtung kann es sich insbesondere um eine elektromagnetische Funkvorrichtung handeln, beispielsweise um ein Bluetooth-Modul, ein WLAN-Modul, ein Mobilfunkmodul, oder um ein anderes Funkmodul, das vorzugsweise ein lizenzfreies ISM-Band zur Datenübertragung verwendet.
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5 zeigt in einer detaillierteren Ansicht den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen autonomen Drahtlossensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Konfiguration aus 5 ist ähnlich der in 3 gezeigten Konfiguration, wobei die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung der gleichen Elemente verwendet werden. Auf eine Wiederholung der detaillierten Beschreibung dieser Elemente wird verzichtet.
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Die Konfiguration der 5 unterscheidet sich von der Konfiguration aus 3 durch den zusätzlichen Sensor 38 und die zusätzliche Drahtlosvorrichtung 37. Sowohl der Sensor als auch die Drahtlosvorrichtung wurden im weiteren Zusammenhang mit 4 beschrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0217926 [0002]
- WO 2009/039293 [0003]
- US 2007/0007827 [0004]
