DE102010008692A1

DE102010008692A1 - Energieautarke elektrifizierte Rolle

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Publication number: DE102010008692A1
Application number: DE102010008692A
Authority: DE
Inventors: Axel R. Dr. 57076 Hidde; Bernhard 76703 Walter
Original assignee: Steinco Paul Vom Stein GmbH
Current assignee: Steinco Paul Vom Stein GmbH
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-08-25
Also published as: DE202010002943U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, Aktor und Sensor, in kompakter und energieeffizienter Bauweise, zur Energieerzeugung und -versorgung einer Geräterolle – insbesondere eine steuer- und/oder regelbare Energieerzeugung und -versorgung für eine Laufrolle – Bock- oder Lenkrolle – eingesetzt als Apparaterolle, Bettenrolle, Möbelrolle, Stuhlrolle, Transportrolle, etc., bestehend aus einem Gabelgehäuse, an welchem über ein Schwenklager eine Gabel drehbar gelagert ist, an welcher ein tragendes Rad angebracht ist, wobei die Geräterolle mit einer Energieerzeugung und -versorgung ausgestattet ist, mit der die verschiedenen Funktionen einer Rolle, wie Schwenken und Fahren, Fahren/Lösen und Bremsen/Feststellen, sowie die elektrische und informatorische Vernetzung der Rollenaktorik und -sensorik möglich sind, gemäß Hauptpatent 'Elektrifizierte Rolle mit energieeffizientem Verriegelungsschaltwerk', Patentanmeldung Nr. DE 10 2010 004 597. Rollen- und Radsysteme werden vorwiegend für jede Art von Transportmittel für Warenbewegungen in der Logistik benötigt und eingesetzt, darüber hinaus bei innerhäusigen Anwendungen, wie Betten, Möbeln, Stühlen, etc., sowie im Bereich von Laboratorien, Praxen, Werkstätten, etc., für die Mobilisierung von Meßgeräte-, Geräte- und Werkzeugwagen oder beweglichen Betriebsmitteln. Die Anforderungen an die jeweiligen Rollen- und Radsysteme sind unterschiedlich; neben der Forderung nach Leichtlaufeigenschaften sollen alle Art von Lastgewichten bewältigt werden, die Lenkeigenschaften sollen sich auszeichnen, die Transportmittel sollen auf der Stelle sicher positioniert werden können. Es gibt Abhängigkeiten zwischen dem Fahren und dem Schwenken und auch zwischen dem Bremsen und dem Schwenken, Sperr- oder Verriegelungseinrichtungen sind in vielfältiger Weise eingeführt worden; im folgenden wird der Stand der Technik von energieautarken und -effizienten Rollen gewürdigt. Gemäß dem Stand der Technik sind, je nach Anwendungsbezug, eine Vielzahl von Typen von unterschiedlichen Rollen mit verschiedenen Energieerzeugungs- und -versorgungseinrichtungen im Einsatz. Die verschiedenen Rollentypen sind ebenfalls Gegenstand der Betrachtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, Aktor und Sensor, in kompakter und energieeffizienter Bauweise, zur elektrischen Energieerzeugung und -versorgung einer Geräterolle – insbesondere eine steuer- und/oder regelbare elektrischen Energieerzeugung und -versorgung für eine Rolle – Bock- oder Lenkrolle – eingesetzt als Apparaterolle, Bettenrolle, Möbelrolle, Stuhlrolle, Transportrolle, etc., bestehend aus einem Gabelgehäuse, an welchem über ein Schwenklager eine Gabel drehbar gelagert ist, an welcher ein tragendes Rad angebracht ist, wobei die Geräterolle mit einer Energieerzeugung und -versorgung ausgestattet ist, mit der die verschiedenen Funktionen einer Rolle, wie Schwenken und Fahren, Fahren/Lösen und Bremsen/Feststellen, sowie die elektrische und informatorische Vernetzung der Rollenaktorik und -sensorik möglich sind, gemäß Hauptpatent 'Elektrifizierte Rolle mit energieeffizientem Verriegelungsschaltwerk', Patentanmeldung Nr. DE 10 2010 004 597 .
Rollen- und Radsysteme werden vorwiegend für jede Art von Transportmittel für Warenbewegungen in der Logistik benötigt und eingesetzt, darüber hinaus bei innerhäusigen Anwendungen, wie Betten, Möbeln, Stühlen, etc., sowie im Bereich von Laboratorien, Praxen, Werkstätten, etc., für die Mobilisierung von Meßgeräte-, Geräte- und Werkzeugwagen oder beweglichen Betriebsmitteln. Die Anforderungen an die jeweiligen Rollen- und Radsysteme sind unterschiedlich; neben der Forderung nach Leichtlaufeigenschaften sollen alle Art von Lastgewichten bewältigt werden, die Lenkeigenschaften sollen sich auszeichnen, die Transportmittel sollen auf der Stelle sicher positioniert werden können. Es gibt Abhängigkeiten zwischen dem Fahren und dem Schwenken und auch zwischen dem Bremsen und dem Schwenken, Sperr- oder Verriegelungseinrichtungen sind in vielfältiger Weise eingeführt worden; im folgenden wird der Stand der Technik von energieautarken und -effizienten Rollen gewürdigt. Gemäß dem Stand der Technik sind, je nach Anwendungsbezug, eine Vielzahl von Typen von unterschiedlichen Rollen mit verschiedenen Energieerzeugungs- und -versorgungseinrichtungen im Einsatz. Die verschiedenen Rollentypen sind ebenfalls Gegenstand der Betrachtung.
Im folgenden wird versucht, die bekannten Brems- und Verriegelungssystem-Applikationen beispielhaft in Kategorien darzustellen, die Brems- und Verriegelungsaktoren betreffend

A. Reibungsbremse über Schwinge, Zunge-Reibschluß mit Rad
B. Verriegelung über Zahnkranz, innen, radial innen
C. Verriegelung über Zahnkranz, innen, radial außen
D. Bremsung über Bremsbacke, innen, Reibschluß mit Rad oder Trommel
E. Bremsung über Bremsbacke, außen, Reibschluß mit Rad
F. Bremsung über Bremsbolzen, außen, Reibschluß mit Rad
G. Bremsung über Bremshalter, Bremsständer
H. Bremsung über Bremsfuß, Bremsstange.

Nachteilig sind Oberflächenbeschädigungen des Rades bei allen Bremseinrichtungen, die direkt auf das Rad wirken, wie Kategorien A, D, E, F. Entweder reicht durch schleifende Bremsung die auf das Rad durch entsprechenden Winkel aufgebrachte Kraft für das Bremsen nicht aus (Kategorie A) oder die Kraft reicht aus und die Radoberflächen werden beschädigt (Kategorie E). Wenn Bolzen in Zahnkränze eingreifen, handelt es sich nicht um eine Bremsung im bekannten Sinne mit einem zeitlichen Ablauf, sondern um eine Sperrung/Verriegelung, bei der schlagartig die Rolle/das Rad zum Stillstand kommt, die nur mittels einer Kupplung oder nur im Stillstand geschaltet wird (Kategorien B, C).
Die Behandlung der einzelnen Kategorien ist ausführlich in der Veröffentlichung Patentanmeldung DE 10 2009 058 919 /Gebrauchsmuster DE 20 2009 017 461 dargelegt und wird an dieser Stelle nicht weiter vertieft.
Gemäß der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 020 413 wird ein Wasser-Wellen-Rad mit eingebautem Wechselstrom-Generator. Das Wasser-Wellen-Rad dreht sich um eine feste Achse, die den Generator aufgenommen hat. Es sollen neue Werkstoffe zum Einsatz gelangen, wie Leichtmetall- oder Kunststoff-Bauweise. Gedacht ist auch an einen temporären Einsatz mittels eines Aufbaus auf Teleskopfüssen. Das Wasser-Wellen-Rad ist ober- und unterschlächtig einsetzbar.
Der Gegenstand der Erfindung ist nicht unmittelbar auf eine Geräterolle im weitesten Sinne übertragbar.
Die Offenlegung DE 10 2007 034 597 stellt ein Energie-Erzeuger-Rad mit Selbstlaufeigenschaften vor, bei dem durch das Ausklinken von Pendelgewichten eine Gewichtsdifferenz zwischen der rechten und linken Radhälfte ausgelöst und das Rad in Bewegung gesetzt wird. Über die gesamte Seitenfläche des Rades sind Pendel mit Gewichten drehbar aufgehängt. Im Pendelradiusbereich ist je ein Pendelanhaltedübel so angeordnet, daß der Schwerpunkt aller Pendel auf der Radachse liegt. Der Gegenstand der Erfindung ist nicht unmittelbar auf eine Geräterolle im weitesten Sinne übertragbar.
Offenlegung DE 10 2005 054 771 offenbart einen batterielosen und drahtlosen Stromgenerator, der an einem Rad und einem Stützrahmen eines Fahrrads oder eines Trainingsgeräts montierbar ist. Der Stromgenerator umfaßt einen Permanentmagneten, der an einem Rad eines Fahrrads oder eines Trainingsgeräts befestigt ist, und eine Induktionsspule, die in Höhe des Permanentmagneten an dem Stützrahmen des entsprechenden Geräts Halt findet. Wenn sich das Rad mit dem Permanent-Magneten dreht und sich dabei der Induktionsspule nähert, wird durch den Permanent-Magneten in der Induktionsspule eine Induktionsspannung erzeugt. Der Stromgenerator liefert Strom zur Beleuchtung oder zur Anzeige des Fahrrads oder Geräts sowie Strom für einen nachgeschalteten Schwingkreis mit Sendespule für die drahtlose Nachrichtenübertragung, wenn ein Benutzer im Freien fährt oder im Raum trainiert.
Der erfindungsgemäße Stromgenerator liefert auch sofort gespeicherte Energie an Leuchte, Anzeige und Sender, wenn sich das Rad kurzzeitig nicht dreht, weil der Benutzer das Treten des Pedals vorübergehend unterbricht (ohne daß sich das Rad dreht, kann keine Spannung induziert werden). Die Dauerhaftigkeit der bereitgestellten Energie bei ruhendem Rad ist ausschließlich auf die Kapazitäten der speichernden Bauelemente, wie Induktivitäten und Kapazitäten, der nachgeordneten Schaltkreise beschränkt.
Die Gebrauchsmusterschrift DE 203 16 202 stellt ein Rad für ein Radfahrzeug vor, insbesondere ein Fahrrad mit einem Nabengenerator, bestehend aus einer Achse, zwei Metallagern, einer Generatoreinheit, einem Radsatz für ein Planetengetriebe und einer Nabe, wobei die Achse die Metallager, die Generatoreinheit und den Radsatz durchsetzt und diese Einheit in der Nabe angeordnet ist, wobei die Metallager an den beiden Enden der Achse befestigt sind und die Generatoreinheit aus einem Magneten und einer Spule besteht, wobei die Spule mit der Achse drehbar auf dieser befestigt ist, wobei ferner der Radsatz ein innen verzahntes Rad, zwei Planetenräder und ein frei auf der Achse drehendes Antriebsrad mit einem den Magneten der Generatoreinheit tragenden Rohrstutzen ausmacht.
Die Drehzahl des Rads sowie das Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes bestimmen die Drehzahl des Permanentmagneten und dessen Polzahl die Generatorspannung.
Das deutsche Gebrauchsmuster DE 201 00 227 stellt ebenfalls ein Rad mit einem zwischen zwei Radhälften positionierten Generator für Rollschuhe oder Rollbretter vor, bestehend aus einem ringförmigen Spulensitz, der zwischen den Radhälften sicher befestigt und mit einer um ihn gewickelten Wicklung versehen ist, einem ringförmigen Dauermagneten, der drehbar zwischen den Radhälften und in einer Mitte des Spulensitzes befestigt ist, einer Lücke zwischen einem Außenumfang des Dauermagneten und einem Innenumfang des Spulensitzes und ein je in jeder Radhälfte enthaltenes Lager und je an einem Ende der Wicklung über Kontaktfahnen elektrisch angeschlossen ist.
Die Ausprägung der Wicklung der Spule sowie der Pole des Dauermagneten – und damit die Polzahl der Anordnung – ist der Darstellung nicht zu entnehmen.
Die Offenlegung DE 196 31 393 verweist auf einen Achsen-Generator für Propeller, Rad, Schraube, Turbine o. dgl., wo der Generator gleichzeitig die Achse bildet. Dadurch ist es möglich, ohne zusätzlichen Reibungs- und/oder Antriebsverlust einen Generator zu bewegen.
Die koreanische Anmeldung KR 3 282 299 /europäische Anmeldung EP 1 127 401 /internationale Anmeldung WO2001/011 760 offenbart einen Generator mit Lathanide-Permanentmagnet und Light-emitting Diode(LED)-Beleuchtung, verbaut in Kunststoffrollen für Rollschuhe oder Rollbretter. Der 8-polige Permanent-Magnetring sitzt federnd auf der Achse des Rads zwischen zwei Kugellagern, deren Außenschalen einen Hohlzylinder tragen, der auf der Innenseite eine konfektionierte Spule trägt, auf dem Außenumfang einen aus transparentem Material aufgespritzten Reifen besitzt, wobei die Spulenanschlüsse elektrisch mit einer LED-Leiterplatte verbunden sind, die ebenfalls Bestandteil des Hohlzylinders und transparent umspritzt ist. Bei einer Relativbewegung zwischen Permanentmagnet und Spule schneiden magnetische Feldlinien die sich bewegende Spule, so daß Spannungen in der Leiterspule induziert werden, die der LED-Leiterplatte zugeführt werden und die Dioden leuchten lassen. Aus der Darstellung ist nicht auszumachen, ob gemäß des Lorentzschen Kraftgesetzes der Wicklungssinn der Spule und die Ausbreitung des magnetischen Feldes nicht parallel verlaufen und/oder in einem Winkel zueinander stehen. Da die magnetische Kopplung mit dem Sinus des Winkels in die Betragsberechnung eingeht, ist – da die LED-Schaltung direkt angeschlossen wird – eine nur schwache Kopplung mit schlechtem Wirkungsgrad gewollt. In Anbetracht, daß die magnetischen Feldlinien über den Eisen-Kupfer-Kreis geschlossen sein sollen, fehlen der Anordnung noch Jochbleche zur Reduzierung der magnetischen Verluste, vor allem Streuverluste. Es sind keinerlei Steuer- oder Regeleinrichtung für die erzeugte Spannung und zum elektrischen Schutz der LED-Anordnung vorgesehen.
Die englische Anmeldung GB 2006 005 845 /europäische Anmeldung EP 1 999 003 /amerikanische Veröffentlichung US 2009/315 302 /internationale Anmeldung WO 2007/110 571 offenbart eine Rolle – vorzugsweise für Einkaufswagen – mit schaltbarer Bremseinrichtung, Sensorik und Energieerzeugung. Über einen Empfänger einer drahtlosen Übertragungsstrecke wird die Bremse des Rads verriegelt oder gelöst; zu diesem Zweck schickt ein Sender ein kodiertes Signal. Die Verriegelung erfolgt über einen am Rad drehbar gelagerten Mitnehmer oder eine Lippe, die mit einem drehbar gelagerten elektromechanischen Schalter verklinkt. Die Lösung und Verriegelung erfolgt über zwei durch Tauchspulen gesteuerte Kolben. Um die Radachse ist ein Riemen gelegt, der auf die Antriebsscheibe eines Generators wirkt. Die räumlichen Verhältnisse ausnutzend, ist noch eine Aufnahmevorrichtung für einen zweiten Generator vorgesehen. Der Generator ist elektrisch mit den beiden Tauchspulen verbunden, führt aber auch zwecks Stromversorgung in ein eine Leiterplatte beherbergendes Elektrogehäuse.
Das Elektrogehäuse beinhaltet außerdem eine nicht zu verbauende optische Linse, die das Schaltsignal für die Bremse auf den Sensor fokussiert und eine Schalthandlung über die Leiterplatte auf die Bremse bewirkt. Es ist schwer vorstellbar, daß die Bremssteuerung für das Rad eines Einkaufswagens durch optische Signalisierung erfolgt, da die optische Strecke unterbrechungsfrei gestaltet sein muß und eine Verschmutzung im Bereich des Rads kaum auszuschließen ist. Auch ein dem Verschleiß unterliegender Riementrieb als mechanischer Generatoranschluß an einem Rad scheint aus räumlichen Verhältnissen und Umfeldgründen eher unwahrscheinlich, da Riementriebe auch Verursacher elektrostatischer Aufladung sind.
Der Nachteil dieser Lösungsvorschläge liegt auch in dem Verlust der Bau- und Montagefreundlichkeit der Rolle; eine Austauschbarkeit einer mechanischen Rolle gegen eine elektrifizierte Rolle ist ohne bauliche/konstruktive Veränderungen an der Applikation nicht möglich. Der Verbau der Rolle endet nicht – wie bisher – an einer mechanischen Schnittstelle zwischen Rolle und Applikation, sondern die Applikation muß für die Aufnahme der elektrifizierten Rolle konstruktiv vorbereitet werden. Hohe magnetische Streuverluste haben sehr viel mit der Streuung oberwellenhaltiger Felder zu tun, die wiederum durch das Gesetz über Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) reglementiert sind und im Bereich medizinischer Anwendungen absolut unerwünscht sind. Weiterhin müssen die aus Sicht der Rolle externen Schalt-, Stell- und Steuerungselemente von der Applikation aufgenommen werden; ggf. muß die Aufbereitung und Zurverfügungstellung von Energie ebenfalls seitens der Anwendung erfolgen. Das Zubehörteil Rolle wird zur Fahrwerkkomponente eines Produkt- oder Systembaukastens der Applikation.
Eine Aufgabe der jetzt vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Rolle neuen Typs zu schaffen, mit dem der Einsatzkomfort der Lösung verbessert, die mit den Lösungen vom Stand der Technik verbundenen Nachteile vermieden, die Einsatz- und Anwendungsmöglichkeiten der Lösung vervielseitigt werden und mit der eine einfache und funktionssichere Lösung zur Energieerzeugung, -verwaltung und -verteilung – und damit verbunden eine Funktionserweiterung – einer Rolle erzielt werden soll.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Einrichtung, Aktor und Sensor, in kompakter und enegieeffizienter Bauweise, zur Energieerzeugung und -versorgung einer Rolle – insbesondere eine steuer- und/oder regelbare Energieerzeugung und -versorgung für eine Laufrolle – Bock- oder Lenkrolle – eingesetzt als Apparaterolle, Bettenrolle, Möbelrolle, Stuhlrolle, Transportrolle, etc., zu schaffen, wobei die Rolle mit einer Energieerzeugung und -versorgung ausgestattet ist, mit der die verschiedenen Funktionen einer Rolle, wie Schwenken und Fahren, Fahren/Lösen und Bremsen/Feststellen, sowie die elektrische und informatorische Vernetzung der Rollenaktorik und -sensorik möglich sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug. Die Ausgestaltung der Erfindung offenbart, daß die Einrichtung eine energieautarke elektrifizierte Rolle betrifft mit folgenden Eigenschaften

– Energieerzeugung mittels Solarzelle
– Energieerzeugung mittels Generator und Gleichrichtung
– Niedrigstrom-Mikrokontrollersteuerung mit Anzeigen
– Mikrokontrollerüberwachte Ladezustandskontrolle
– Generator-Betriebszustandsanzeige
– Kondensatorbatterie für den Stoßstrom
– Nickel-Metallhydrid(NiMH)-Akkumulator
– Batterieüberwachung durch Ladekontrollregler
– Umschalter Kondensatorbatterie/Akkumulator
– Spannungsstabilisator
– Kommunikationsschnittstelle mit Funkmodul
– Brems- und/oder Verriegelungsaktor
– Motor- und/oder Generatorbremse.

Die elektrische Einrichtung der energieautarken elektrifizierten Rolle besteht aus einer – soweit möglich – SMD(Surface-mounted Device)-bestückten Leiterplatte, die alle Bauteile und Funktionen enthält (außer vielleicht externen Aktoren oder Sensoren), und die als 3D(dreidimensional)-Vergußgehäuse geschützt an der Gabel der Rolle – in Formgebung zu dieser passend – lagegerecht montiert wird. Um Stöße abzufangen, wird eine federnde Aufhängung vorgesehen. Weiterhin ist gegeben, daß der räumliche Abschluß dieser elektrischen Komponente nach oben durch eine Solarzelle gebildet ist. Über eine Feder-/Klemmleiste werden die elektrischen Verbindungen zu den Sensoren und Aktoren dauerhaft erschütterungs-/rüttelfest hergestellt. Die obigen Eigenschaften werden im folgenden verifiziert.
Als Energiequelle für die Elektrifizierung der Rolle ist eine Solarzelle am Kopf des Elektronik-Gehäuses angeordnet. Eine Winkelstellung der aufnehmenden Solarfläche im Raum – 30° ... 60° – optimiert die Einstrahlleistung. Außer in total abgedunkelten Räumen ist stets noch Resthelligkeit – auch durch Reflektion – verfügbar, die – über die Solarzelle aufgenommen und umgewandelt – als Ladestrom für die Energiespeicher der Geräterolle genutzt wird. Bei energieautarken Einrichtungen sind auch kleine Energiemengen zu betrachten, zumal der Einsatz des Produkts noch keinen Rückschluß auf die Energiebilanz der Einrichtung zuläßt und von statistischen Größen ausgegangen werden muß. Auch die bereitgestellte Solarfläche ist klein und bewegt sich im einige cm²-Bereich.
In einer weiteren Ausführungsform der erfinderischen Neuheit wird neben der Solar-Energieversorgung eine weitere Quelle genutzt, nämlich die eines durch das Rad angetriebenen Generators, wodurch sich dann noch weitere Funktionalität und Ausgestaltung eröffnet. Zunächst wird das Kunststoffrad mit Permanent-Magneten so bestückt – z. B. besitzen die Rollen oft seitlich eine breite Nut zur Aufnahme eines hohlzylinderförmigen Fe-geblechten Körpers oder Ferrits als Joch mit Auskerbungen oder Sackbohrungen zur Aufnahme der Magnete (die z. B. durch Kleben aufgebracht werden), wobei der Blechkörper oder das Ferrit den rückwärtigen Magnetfluß führt – daß mittels benachbarter gleichgerichteter Magnete Pole gebildet werden. Die Polzahl ergibt sich aus dem zur Verfügung stehenden Umfang dividiert durch die Breite der Magnete und ihrem Abstand voneinander. Magnetische Feldlinien treten an einem Pol aus und schließen sich über die beiden Nachbarpole (bei einer 2-poligen Anordnung). Um die Verluste gering zu halten, wird der magnetische Fluß durch Blechkörper oder Ferrite als Joch geführt, da deren magnetische Leitfähigkeit besser als die von Luft ist, was bedeutet, auch die durch Anordnung gegebenen Luftspalte klein zu halten.
Die weitere Ausgestaltung sieht vor, oberhalb der Permanent-Magnetanordnung eine oder mehrere gewickelte Spulen so anzuordnen, daß die Leiter der Spule die magnetischen Feldlinien senkrecht/im rechten Winkel schneiden. Bei Bewegung des Rads wird gemäß der Lorentz-Kraft eine Spannung induziert, die bei einem geschlossenen Spulen-Leiterkreis zu einem Stromfluß führt, gemäß

– F = I(l × B) => |F| = I|l||B|sinα Lorentz-Kraft, wobei
– F = Kraft/Vektor
– I = Strom/Skalar
– l = Länge/Vektor
– B = magnetische Flußdichte/Vektor
– α = Winkel zwischen Strom I und Feld B
– sin(α = 90°) = 1 => Rechter Winkel zwischen Strom I und Feld B => >> F
– sin(α = 0°) = 0 => Strom I und Feld B parallel gerichtet => F = 0

In einer weiteren Ausprägungsform wird statt des diskreten Spulenaufbaus mit Spulenkörper und Kupferdrahtbewicklung die Spule als Planarwicklung in die Ebene einer z. B. zweiseitigen Leiterplatte mit Durchkontaktierung verlegt. Da nur die in Stromrichtung liegenden Leiteranteile der Spule einen Beitrag zur Induktion liefern, wird in diesem Fall die Durchkontaktierung – Kurzschluß – parallel zur Feldrichtung B, sin (α = 0°) = 0, gelegt.
Um die magnetischen Verluste möglichst klein zu halten, werden in einer weiteren Ausführungsform die Spulen in geblechtem Eisen oder Ferrit als Joch geführt, wobei die Joch- bzw. Polschuhlänge der Polbreite entspricht. Je nach Permanent-Magnetanordnung – wie Polanordnung (N = Nordpol, S = Südpol) ... N-S-N-S ... oder ... N-N-S-S- ... oder ... N-N-N-S-S-S ..., etc. – ist der Polschuh dahingehend ausgebildet, daß möglichst viele aus den Magneten austretende oder in die Magnete eintretende Feldlinien über Polschuh, Joch und Spule geführt und die Streuverluste demgegenüber klein gehalten sind. Prinzipiell ist die stationäre Spulen- und die rotierende Magnetanordnung tauschbar.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Energieversorgung der Rolle und sieht vor, daß die Generatorspannung unmittelbar an der/den Spule/n L1 abgefragt wird, um eine Meldung des Generatorzustands als Generator-Betriebszustandsanzeige 'Bewegung Input' an einen Mikrokontrollereingang zu geben.
Die Generatorspannung wird über eine Gleichrichter-Brückenschaltung B1 aus Schottky-Dioden gleichgerichtet und mit der Spannung des Solarmoduls addiert und der Ladezustandskontrolle der Kondensatorbatterie zur Verfügung gestellt. Weiterhin liegt diese Generatorspannung an dem Batterie-Laderegler 'U Input', der Kondensatorbatterie und dem Umschalter Kondensatorbatterie/Akkumulator als Signal 'UB1' an. Ein Signal der Ladezustandskontrolle geht auch auf den Analog/Digital(A/D)-Eingang 'A/D Input' des Mikrokontrollers. Wegen ihrer kleinen Sättigungskapazitäten werden Schottky-Dioden gerne für Hochfrequenz(HF)-Anwendungen bis in den Mikrowellen(MW)-Bereich eingesetzt. Oft werden sie auch als Schutzdioden zum Spannungsabbau von Induktionsspannungen – Freilaufdiode – oder als Gleichrichter(GI)-Dioden in Schaltnetzteilen bei Schaltfrequenzen > 1 MHz verwendet – wie dargestellt.
Die weitere Ausgestaltung betrifft eine Kondensatorbatterie bestehend aus einer Kapazität/Summe von Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren, die aufgeladen, als Zwischenspeicher für kurzfristige hohe Energieentnahmen im Rolle-Versorgungsnetz sind, wie z. B. das Schalten hoher Induktivitäten wie von Brems- oder Verriegelungsmagneten. Tantal-Elektrolytkondensatoren haben eine der höchsten Energiedichten aller Kondensatortypen, zeichnen sich durch hohe Belastbarkeit mit überlagertem Wechselstrom – Rippelstrom – und die höchste Strombelastbarkeit unter den Elektrolytkondensatoren und durch ein gutes Temperaturverhalten aus. Sie bauen im Verhältnis zu Elektrolytkondensatoren anderer Herstellverfahren klein. Sie werden gerne als Puffer- oder Siebkondensator in Stromversorgungen miniaturisierter Geräte, als Low-Drop-Wandler in der Kfz-Elektronik, als Sekundär-Siebkondensator in miniaturisierten Basis-Stationen der Telekommunikation und in medizinischen Geräten eingesetzt.
Eine weitere Ausprägung der Erfindung sieht vor, einen Nickel-Metallhydrid(NiMH)-Akkumulator als Energiespeicher einzusetzen. Die Energiedichte einer NiMH-Zelle beträgt etwa 80 Wh/kg und ist damit fast so groß wie die einer Alkali-Mangan(ZnMn)-Batterie und mehr als doppelt so groß wie die eines Nickel-Cadmium(NiCd)-Akkumulators, aber geringer als beim Lithium-Ionen(Li-Ion)-Akkumulator mit 95–190 Wh/kg. Die NiMH-Zellen zeichnen sich durch eine sehr gute Hochstromfähigkeit aus. Niederohmige NiMH-Akkumulatoren können im Unterschied zu Zink-Kohle(ZnC)-Zellen ihre gespeicherte Energie innerhalb kurzer Zeit mit nahezu gleichbleibender Spannung abgeben. NiMH(und auch NiCd)-Akkumulatoren haben eine nominale Zellenspannung von 1,2 V (ZnMn- und ZnC-Zellen haben 1,5 V Zellenspannung, Li-Ion-Akkumulatoren haben 3,6 V Spannung). In der Applikation werden drei oder vier NiMH-Zellen in Reihe zu 3,6 V ... 4,8 V geschaltet. NiMH-Akkumulatoren haben mit ca. 15%/Jahr eine extrem geringe Selbstentladung im Gegensatz zu Li-Ion-Akkumulatoren mit bis zu 100% in 3 Monaten.
NiMH-Akkumulatoren sind empfindlich gegen Überladung, Überhitzung falsche Polung, Tiefentladung oder Tiefentladung mit Umpolung, wie sie bei in Reihe geschalteten Zellen auftreten kann. Zum Erreichen der Soll-Lebensdauer von typischerweise 500 Ladezyklen – entsprechend 10 Jahren Betriebsdauer bei wöchentlicher Ladung – ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung ein Ladekontrollregler vorgesehen, der nach einem bestimmten Ladeverfahren – Konstantstrom-, Puls-, Konstantspannung-, IU-, Rückstrom-/Reflex-Ladeverfahren, etc. – die Aufladung vornimmt und entsprechende Parameter bis zum Abschaltkriterium überwacht. Typische Abschaltkriterien sind nach Erreichen der NiMH-Ladeschlußspannung von ca. 1,5 V/Zelle

– -ΔU-Verfahren – Absinken der Ladespannung nach Erreichen des Maximums um 10 mV ... 20 mV pro Zelle, Differenzmessung der Ladespannung
– dU/dt = 0 – Abschaltung nach Erreichen des Maximums der Ladespannung durch die 1. Ableitung der Ladespannung, Tangente an die Ladespannung berechnen
– d²U/dt² = 0 – Abschalten mit Beginn des Abflachens des Spannungsverlaufs durch die 2. Ableitung der Ladespannung, Ermittlung des Maximums der Ladespannung.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Wirkweise von

– Ladezustandskontrolle der Kondensatorbatterie
– Kondensatorbatterie
– NiMH-Akkumulator
– Batterie-Ladekontrollregler
– Umschalter Kondensatorbatterie/Akkumulator und
– Low Power-Mikrokontrollersteuerung mit Ladeüberwachung

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist durch den Einsatz eines Spannungsstabilisators gegeben. Die Versorgungsspannung für den Mikrokontroller '+' wird an der aktuellen Versorgungsspannung des Umschalters Kondensatorbatterie/Akkumulator 'VOut' abgegriffen und dem Spannungsstabilisator 'Vln' zugeführt. Da die durch Solarzelle und/oder Generator erzeugte Rolle-'Bordspannung' und durch die damit in Verbindung stehenden Ladevorgänge von Kondensatorbatterie und Akkumulator sehr schwankend sein und Spitzen aufweisen kann, soll der Low Current-Spannungsregler – Eigenverbrauch 1 μA – den Mikrokontroller mit einer regulierten Spannung von 'Vcc = 3,3 V' versorgen.
Der Mikrokontroller ist ein 8-bit Niedrigstrom-Serien-Kontroller, ausgewählt nach dessen absoluten Niedrig-Energieverbrauch, der auf die Sensorik und Aktorik der Rolle ausgerichtet hard- und softwaremäßig eingerichtet werden kann. Neben softwaremäßig einstellbaren analogen und digitalen Schaltein- und -ausgängen verfügt der Kontroller über eine programmierbare Zeitschaltuhr, einen programmierbaren 'Wachhund', einen kalibrierten Oszillator, eine LCD(Liquid Crystal Display/Flüssigkristallanzeige)-Schnittstelle für eine externe elektronische Anzeige sowie Hochstrom-Ausgänge für Schalthandlungen. Die internen Taktzeiten sind mit bis zu 20 MIPS (Million Instructions per Second) Befehlsausführungen bei 20 MHz ausreichend. Im aktiven Zustand kann der Energieeigenverbrauch frequenzabhängig gedrosselt werden – wie von 250 μA bei 1 MHz auf 15 μA bei 32 kHz je bei 1,8 V – und im ruhenden Zustand auf 0,1 μA bei 1,8 V. Für die Kommunikation nach außen werden getaktete Blitz-LED oder Display für Kurzanzeigen energiesparend über 'Status' programmiert.
Neben der Regelung des Energiehaushalts der Rolle, wird in einer weiteren Ausführungsform eine kabellose 2-Wege-Schnittstelle – HF(Hochfrequenz)-Transceiver-Modul – konzipiert, so daß der Einsatz der energieautarken elektrifizierten Rolle im Austausch gegen eine vorhandene erfolgt. Das HF-Modul ist eine Sende(Transmitter)/Empfangs(Receiver)-Einheit (Transceiver) zur beidseitigen Datenübertragung mittels Modulation und Demodulation der zu übertragenden Information. Mit der Sende-/Empfangseinheit können digitale Daten z. B. als amplitudenmodulierte hochfrequente Signale gesendet und empfangen werden. Die drahtlose Datenübertragung bei der Empfangseinheit erfolgt in für diesen Zweck zugelassenen Trägerfrequenzen von z. B. 433 MHz oder 868 MHz oder 2,4 GHz. Mit steigender Frequenz werden die HF-Module üblicherweise hochpreisiger, jedoch nimmt die Anzahl der Funknetz-Teilnehmer erheblich ab. Je nach Anwendungsfall beträgt die Sendeleistung des HF-Moduls im Freifeld 10 mW Leistung bei 300 m Entfernung und wird entsprechend der Applikation auf 1 mW bei 3 m reduziert.
Der Mikrokontroller sendet und empfängt über seine Schnittstellenleitungen Transmit Data (TxD) und Receive Data (RxD) Daten zum und vom HF-Modul, d. h. die Daten werden je Seite in einem Register bereitgestellt und per 'Start'-Befehl in die eine oder andere Richtung übertragen. Batteriegespeiste Einrichtungen werden nicht permanent – unter Berücksichtigung des Energieverbrauchs – auf Bereitschaft – wie hier zum Daten-Empfangen – gesetzt, sondern der Abfragezyklus der Mikrokontroller/HF-Modul-Kombination wird auf 2 s ... 4 s zumutbare Takte eingerichtet, was für den sendenden Teilnehmer bedeutet, daß er z. B. einen Handsender im ungünstigsten Moment über 2 s ... 4 s gedrückt halten muß, damit der Abfragetakt des Mikrokontrollers den Empfänger des HF-Moduls vorbereitet.
Je nach Ausstattung der Rolle mit Aktoren werden diese von außen über das HF-Modul zustandsabgefragt oder aktiviert oder deaktiviert. So wird der Zustand eines Tauchankers oder eines Bremsklotzes über einen Wegsensor oder über einen Hallgenerator/eine Feldplatte oder einen Reed-Kontakt abgefragt, je nach dem ob nur eine digitale Zustandsantwort oben/unten, ja/nein, o. ä., aussteht oder ob der Verfahrweg oder die Wegänderung exakt bemaßt als Meßwert digitalisiert wiedergegeben werden soll. Der vorliegende Anwendungsbezug sieht eine Bremse in Form eines Feststellmagneten vor, dessen Spule bistabil einen Anker elektromagnetisch schaltet mittels der Signalleitungen 'Auf'/'Zu', was noch eine Schütz-, Relais- oder Halbleiterschaltung in der Bremse voraussetzt, da die Versorgungsspannung an der Bremse anliegt. Für das direkte Schalten kann ggf. auch der Hochstrom-Ausgang des Mikrokontrollers genutzt werden; der Aktor kann sowohl mit analogen als auch mit digitalen Signalen in Funktion versetzt werden.
Gemäß einer weiterführenden Ausprägung kann die Generatorausgestaltung dahingehend modifiziert werden, daß die Wicklungen der Spulen als Kurzschlußwicklungen schaltbar gestaltet werden – zumal wenn die Wicklungen als Planarwicklung auf einer Leiterplatte eingerichtet sind, was bewirkt, daß die kurzgeschlossene Spule im bewegten Magnetfeld oder umgekehrt eine Gegen-EMK (Elektromotorische Kraft) erzeugt, die dem Feld der Permanent-Magneten entgegenwirkt und so als Feststell- oder Bremseinrichtung dient; auch wenn die Rolle aus dem Stillstand herausbewegt wird, wirkt die Gegen-EMK.
Wird darüber hinaus die (Planar-)Wicklung mit einer Kommutierung versehen und werden die stromdurchflossenen Leiterbahnen ein elektromagnetisches Drehfeld gestalten, kann der 'Generator' mehrquadrantig sowohl als stromerzeugender (Brems-)Generator als auch als Motor/Antrieb im Sinne einer elektrischen Maschine betrieben werden.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der als Anlage beigefügten Zeichnungen von Ausführungsbeispielen weiter verdeutlicht. Es zeigen
1 eine Geräterolle mit Generator, perspektivische Darstellung
2 eine energieautarke elektrifizierte Rolle, Blockschaltbild.
Gleiche und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Beschreibung der erfindungsgemäßen Einrichtung wird fortgesetzt anhand der Erläuterung der Figuren.
Wie aus der perspektivischen Darstellung der 1 'Geräterolle mit Generator' ersichtlich, besteht die energieautarke elektrifizierte Rolle 1 im wesentlichen aus dem Gabelgehäuse, dem mit dem Gabelgehäuse verbundenen Schwenklager 2, dem Rad 3 sowie dem Generator 4.
Rad und Gabel sind kugelgelagert, durch Präzisionskugellager oder durch Kugelkranz, im Gabel-/Schwenklagerbereich je nach Belastung auch als Doppelkugellager oder doppeltem Kugelkranz ausgeführt.
Der Befestigungszapfen 21 ist die mechanische Schnittstelle zur Applikation; die Schnittstelle ist branchenbezogen industriegenormt. Der Zapfen ist Teil des Gabelgehäuses, welches ein oder zwei Kugellager für das Schwenken im Rückenlagerdom aufnimmt, die durch die Abdeckung 22 und die Verkleidung 23 geschützt werden.
Weiterhin verdeckt weiter unterhalb eine Gabelabdeckung 24 die das Rad tragende Gabel. Von der Gabel und dem rückwärtigen Gabelschenkel ist in der Figur nur die Radnabe 34 und die Achse auszumachen, die das Rad kugelgelagert mittels einer Lageraufnahme 33 aufnehmen.
Das Rad 3 besteht aus einem Radkörper 31 – auch Felge 35 genannt – der über den Außendurchmesser mit einer Lauffläche 32 bereift ist. Die Lauffläche ist üblicherweise ein Elastomer, generell wird jedoch der Laufflächenwerkstoff anwendungsbezogen ausgewählt, wie eben auch mit der Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit zur Verhinderung von Aufladungen über den Bodenbelag im Betriebszustand Fahren.
Der Generator 4 ist hier als physikalisches Wirkschema dargestellt und bedarf weiterer Verifizierungen. Ausgehend von einem Kunststoffrad wird auf der entsprechenden Felge 35 eine magnetisch leitende Aufnahme 41 angebracht, die die Permanent-Magneten 44 trägt. Die Ausführung ist derart gestaltet, daß die Aufnahme über Taschen in Form von Auskerbungen oder Sackbohrungen 42 verfügt, in denen zylinderförmige Magneten dauerhaft haltend verbaut sind. Die Aufnahme dient auch als Leiter für den magnetischen Fluß, soll den Streufluß reduzieren und ist dementsprechend zu bemessen, was im besonderen für den rückwärtigen Teil 43 des magnetischen Jochs gilt. Die Permanent-Magnete sind N/S gepolt; ihre Anordnung ist zunächst wählbar, ist jedoch mit der Geometrie der Spule – bestehend aus Wicklung 45, Spulen-/Wickelkörper 46 und Spulenjoch 47 (nicht dargestellt) – abzugleichen. Die Einzelheit A stellt die Anordnung noch einmal vergrößert dar. Der magnetische Kreis – magnetische Feldlinien sind stets geschlossen – aus Aufnahme, Magnet, Luftspalt, Spule und Joch ist festzulegen. Ebenso die Polanordnung und die Polzahl. Die magnetischen Feldlinien schneiden die elektrischen Leiter senkrecht. Die Spule als Planarwicklung auszuführen wurde oben verdeutlicht. Eine weitere Ausführungsform, die Magnete 44 in der Felge 35 anzubringen und eine beidseitige Spulenanordnung zu schaffen, wurde angeboten. Prinzipiell ist die stationäre Spulen- und die rotierende Magnetanordnung tauschbar.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer energieautarken elektrifizierten Rolle 5. Die Energieversorgung der Rolle sieht vor, daß die Generatorspannung 52 unmittelbar an der/den Spule/n L1 abgefragt wird, um eine Meldung des Generatorzustands als Generator-Betriebszustandsanzeige 54 'Bewegung Input' an einen Mikrokontrollereingang 61 zu geben.
Die Generatorspannung wird über eine Gleichrichter-Brückenschaltung B1 53 aus Schottky-Dioden gleichgerichtet und mit der Spannung des Solarmoduls 51 addiert und der Ladezustandskontrolle der Kondensatorbatterie 55 zur Verfügung gestellt. Weiterhin liegt diese Generatorspannung an dem Batterie-Laderegler 57 'U Input', der Kondensatorbatterie 56 und dem Umschalter Kondensatorbatterie/Akkumulator 59 als Signal 'UB1' an. Ein Signal der Ladezustandskontrolle 55 geht auch auf den Analog/Digital(A/D)-Eingang 'A/D Input' des Mikrokontrollers 61. Die Schottky-Dioden werden auch als Schutzdioden zum Spannungsabbau von Induktionsspannungen – Freilaufdiode – oder als Gleichrichter(GI)-Dioden in Schaltnetzteilen bei Schaltfrequenzen > 1 MHz verwendet – wie dargestellt.
Die weitere Ausgestaltung betrifft eine Kondensatorbatterie 56 bestehend aus einer Kapazität/Summe von Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren, die aufgeladen, ein Zwischenspeicher für kurzfristige hohe Energieentnahmen im Rolle-Versorgungsnetz sind, wie z. B. das Schalten hoher Induktivitäten wie von Brems- oder Verriegelungsmagneten 64.
Eine weitere Ausprägung der Erfindung sieht vor, einen Nickel-Metallhydrid(NiMH)-Akkumulator 58 als Energiespeicher einzusetzen. NiMH-Akkumulatoren sind empfindlich gegen Überladung, Überhitzung falsche Polung, Tiefentladung oder Tiefentladung mit Umpolung, wie sie bei in Reihe geschalteten Zellen auftreten kann. Zum Erreichen der Soll-Lebensdauer ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung ein Ladekontrollregler 57 vorgesehen, der nach einem bestimmten Ladeverfahren die Aufladung vornimmt und entsprechende Parameter bis zum Abschaltkriterium überwacht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Wirkweise der mikrokontrollerüberwachten Ladezustandskontrolle näher beschrieben. Zentrale Steuerung innerhalb des Rolle-Energiemanagement ist der Niedrigstrom-Mikrokontroller 61. Der Batterie-Ladekontrollregler 57 überwacht das Ladeverfahren des Nickel-Metallhydrid-Akkumulators 58, kennt das durch Solarzelle 51 oder Generator 52 zur Verfügung stehende Energieangebot und empfängt ein Signal 'Laden Start/Stop' vom Mikrokontroller. Die aktuelle Aufladung der Kondensatorbatterie 56 liegt als Spannung 'UB1' am Umschalter Kondensatorbatterie/Akkumulator 59 an, ebenso wie die Spannungshöhe 'UB2' des Akkumulators. Durch Vergleich der beiden Spannungen 'UB1' und 'UB2' durch den Umschalter mit dem Ergebnis 'UB1' > 'UB2' folgt ein Schaltsignal 'Laden Input' an den Mikrokontroller 61. Der Mikrokontrolller prüft daraufhin das Energieangebot aus Solarzelle, Generator und Kondensatorbatterie und gibt das Signal 'Laden Start' an den Ladekontrollregler 57 zum Laden des NiMH-Akkumulators 58. Der Ladekontrollregler meldet erfolgten Ladevollzug an den Umschalter 59 durch 'UB1' <= 'UB2', der wiederum das Signal 'Laden Input' zurücksetzt und der Mikrokontroller das Signal 'Laden Stop' an den Ladekontrollregler bestätigt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist durch den Einsatz eines Spannungsstabilisators 60 gegeben. Die Versorgungsspannung für den Mikrokontroller 61 '+' wird an der aktuellen Versorgungsspannung des Umschalters Kondensatorbatterie/Akkumulator 59 'VOut' abgegriffen und dem Spannungsstabilisator 'Vln' zugeführt. Da die durch Solarzelle 51 und/oder Generator 52 erzeugte Rolle-'Bordspannung' und durch die damit in Verbindung stehenden Ladevorgänge von Kondensatorbatterie 56 und Akkumulator 58 sehr schwankend sein und Spitzen aufweisen kann, soll der Spannungsregler 60 den Mikrokontroller mit einer geregelten Spannung versorgen.
Der Mikrokontroller 61 ist ein 8-bit Niedrigstrom-Serien-Kontroller, ausgewählt nach dessen absoluten Niedrig-Energieverbrauch, der auf die Sensorik und Aktorik der Rolle ausgerichtet hard- und softwaremäßig eingerichtet werden kann. Neben softwaremäßig einstellbaren analogen und digitalen Schaltein- und -ausgängen verfügt der Kontroller über eine programmierbare Zeitschaltuhr, einen programmierbaren 'Wachhund', einen kalibrierten Oszillator, eine LCD-Schnittstelle für eine externe elektronische Anzeige sowie Hochstrom-Ausgänge für Schalthandlungen. Für die Kommunikation nach außen werden getaktete Blitz-LED oder Display für Kurzanzeigen 63 energiesparend über 'Status' programmiert.
Neben der Regelung des Energiehaushalts der Rolle 1, wird in einer weiteren Ausführungsform eine kabellose 2-Wege-Schnittstelle 62 – HF(Hochfrequenz)-Transceiver-Modul – konzipiert, so daß der Einsatz der energieautarken elektrifizierten Rolle im Austausch gegen eine vorhandene erfolgt. Das HF-Modul ist eine Sende(Transmitter)/Empfangs(Receiver)-Einheit (Transceiver) zur beidseitigen Datenübertragung mittels Modulation und Demodulation der zu übertragenden Information. Mit der Sende-/Empfangseinheit können digitale Daten z. B. als amplitudenmodulierte hochfrequente Signale gesendet und empfangen werden. Der Mikrokontroller 61 sendet und empfängt über seine Schnittstellenleitungen Transmit Data (TxD) und Receive Data (RxD) Daten zum und vom HF-Modul 62.
Je nach Ausstattung der Rolle 1 mit Aktoren werden diese von außen über das HF-Modul 62 zustandsabgefragt oder aktiviert oder deaktiviert. So wird der Zustand eines Tauchankers oder eines Bremsklotzes über einen Wegsensor oder über einen Hallgenerator/eine Feldplatte oder einen Reed-Kontakt abgefragt. Der vorliegende Anwendungsbezug sieht eine Bremse in Form eines Feststellmagneten 64 vor, dessen Spule bistabil einen Anker elektromagnetisch schaltet.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche; die zahlreichen Möglichkeiten und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der Anzahl der Schutzrechtsansprüche wider.
Bezugszeichenliste

1: Rolle
2: Schwenklager
21: Befestigungszapfen, Wellenstumpf
22: Abdeckung, Kappe
23: Verkleidung Drehlager
24: Gabelabdeckung
3: Rad
31: Radkörper
32: Lauffläche
33: Lageraufnahme
34: Radnabe
35: Felge
4: Generator
41: Aufnahme, Fe-geblecht oder Ferrit
42: Auskerbung, Sackbohrung
43: Rücken
44: Permanent-Magnet, gepolt
45: Spule, Wicklung
46: Spulen-, Wickelkörper
47: Spulenjoch, Fe-geblecht oder Ferrit (nicht dargestellt)
5: Energieautarke, elektrifizierte Rolle, Wirkschema
51: Solarzelle
52: Generator
53: Gleichrichtung
54: Generator-Betriebszustandsanzeige
55: Ladezustandskontrolle Kondensatorbatterie
56: Kondensatorbatterie
57: Batterie-Ladekontrollregler
58: Nickel-Metallhydrid(NiMH)-Akkumulator
59: Umschalter Kondensatorbatterie/Akkumulator
60: Spannungsstabilisator
61: Niedrigstrom-Mikrokontroller
62: Hochfrequenz(HF)-Modul
63: Zustandsanzeige
64: Brems-, Verriegelungsaktor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010004597 [0001]
DE 102009058919 [0005]
DE 202009017461 U [0005]
DE 102008020413 A [0006]
DE 102007034597 A [0008]
DE 102005054771 A [0009]
DE 20316202 U [0011]
DE 20100227 U [0013]
DE 19631393 A [0015]
KR 3282299 [0016]
EP 1127401 [0016]
WO 2001/011760 [0016]
GB 2006005845 [0017]
EP 1999003 [0017]
US 2009/315302 [0017]
WO 2007/110571 [0017]

Claims

Einrichtung, Aktor und Sensor, in kompakter und energieeffizienter Bauweise als Bestandteil, zur elektrischen Energieerzeugung und -versorgung einer Rolle – insbesondere eine steuer- und/oder regelbare elektrische Energieerzeugung und -versorgung für eine Laufrolle mit der die verschiedenen Funktionen einer Rolle, wie Schwenken und Fahren, Fahren/Lösen und Bremsen/Feststellen, sowie die elektrische und informatorische Vernetzung der Rollenaktorik und -sensorik möglich sind, gemäß Hauptpatent 'Elektrifizierte Rolle mit energieeffizientem Verriegelungsschaltwerk', Patentanmeldung Nr. DE 10 2010 004 597 , dadurch gekennzeichnet, daß – die Energieerzeugung mittels eines Solarmoduls (51) und eines Generators (52) und einer Gleichrichtung (53) erfolgt – eine Schaltung (54) ein Signal Generator-Betriebszustandsanzeige generiert – die Energiepufferung in einer Kondensatorbatterie (56) und einem Akkumulator (58) erfolgt – eine Ladezustandskontrolle (55) die Ladekapazität der Kondensatorbatterie signalisiert – ein Ladekontrollregler (57) die Batterieüberwachung signalisiert – ein Umschalter Kondensatorbatterie/Akkumulator (59) die Batteriespannungen von Kondensatorbatterie und Akkumulator vergleichend signalisiert – eine programmierbare Niedrigstrom-Mikrokontrollersteuerung (61) mit Anzeigen (63) die Sensorsignale ggf. analog/digital wandelt, nach vorgegebenem Algorithmus verarbeitet und die Aktoren bedarfsgerecht steuert – ein Spannungsstabilisator (60) die erzeugte Spannung niveaureguliert – eine drahtlose Kommunikation (62) die Schnittstelle nach außerhalb der Einrichtung bildet und – ein mechanischer elektromagnetischer Aktor (64) bremst und/oder verriegelt.
Einrichtung zur elektrischen Energieerzeugung und -versorgung einer Rolle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Regel der Lorentzkraft arbeitende Generator (52) aus durch an der Felge (35) des Rads (3) der Rolle (1) angebrachten, über den Umfang verteilten, mit dem Rad rotierenden Permanent-Magneten (44) und denen gegenüber durch einen Luftspalt beabstandet stationär im rechten Winkel zur Magnetfeldausbildung angeordneten Leiterbahnen – auch Spulen oder Wicklungen (45) genannt – besteht, wobei das Verfahren nach der Regel der Lorentzkraft auch umkehrbar ist.
Einrichtung zur elektrischen Energieerzeugung und -versorgung einer Rolle nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld der Permanent-Magneten (44) durch Joche (41, 47) – vorzugsweise geblechte Joche oder Joche aus Ferrit – um die Magneten (44) und um die Spulen/Wicklungen (45) streufeldarm geführt ist.
Einrichtung zur elektrischen Energieerzeugung und -versorgung einer Rolle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gepolten Einzelmagnete (44) in Gruppen gleicher Polarität angeordnet sind und über den Radumfang eine Polanordnung mit einer Polbreite und einer wechselnden Polarität bilden und die Spulen/Wicklungen (45) mit Joch (47) ebenfalls die geometrische Ausdehnung einer Polbreite aufweisen, wobei die Polzahl über den Radumfang ganzzahlig und durch 2 ohne Rest teilbar ist (Modulo-Funktion-Polzahl mod 2 = 0).
Einrichtung zur elektrischen Energieerzeugung und -versorgung einer Rolle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen/Wicklungen (45) Leiterzüge einer Leiterplatte in Form einer Planarspule/-wicklung bilden und hohlzylinderförmig angeordnet, ein der Polzahl der Anordnung angepaßtes Winkelsegment oder ein 360°-Segment der Permanent-Magnetanordnung (44) bilden, wobei die Leiterzüge gemäß der Regel der Lorentzkraft geometrisch ausgerichtet sind.
Einrichtung zur elektrischen Energieerzeugung und -versorgung einer Rolle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanent-Magnetanordnung (44) aus einen hohlzylinderförmigen, vielpoligen, axial oder radial magnetisiertem Dauermagnetring besteht, wobei die Polzahl über den Umfang ganzzahlig und durch 2 ohne Rest teilbar ist (Modulo-Funktion-Polzahl mod 2 = 0).
Einrichtung zur elektrischen Energieerzeugung und -versorgung einer Rolle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen/Wicklungen (45) nach Bedarf als Kurzschlußwicklungen geschaltet sind.
Einrichtung zur elektrischen Energieerzeugung und -versorgung einer Rolle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen/Wicklungen (45) nach Bedarf über Schalter und/oder Umschalter bestromt werden.
Einrichtung zur elektrischen Energieerzeugung und -versorgung einer Rolle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanent-Magnetanordnung (44) axial in Felgenmitte (35) erfolgt, sich das magnetische Feld auf beiden Seiten der Felge ausbreitet und die Spulen-/Wicklungsanordnung (45) doppelt auf beiden Seiten angeordnet ist.
Einrichtung zur elektrischen Energieerzeugung und -versorgung einer Rolle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einrichtung der energieautarken elektrifizierten Rolle (1) aus einer – soweit möglich – SMD(Surface-mounted Device)-bestückten Leiterplatte besteht, die alle Bauteile und Funktionen enthält – außer externen Aktoren (64) oder Sensoren – und die als 3D(dreidimensional)-Vergußgehäuse geschützt im Bereich der Gabel (24) der Rolle lagegerecht erschütterungs- und stoßfest montiert ist.