DE102010020668A1

DE102010020668A1 - Elektrodynamischer Energiewandler

Info

Publication number: DE102010020668A1
Application number: DE102010020668A
Authority: DE
Inventors: Clemens Dipl.-Ing. 17094 Cepnik; Oliver Dipl.-Ing. 98693 Radler; Sören Dipl.-Ing. 98693 Rosenbaum; Tom Prof. Dr.-Ing. 98693 Ströhla
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2011-07-07
Also published as: DE102009041023A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein kostengünstiger elektrodynamischer Energiewandler bereitgestellt werden, mit dem die bisher erreichte Leistungsdichte elektrodynamischer Generatoren gesteigert werden kann. Der erfindungsgemäße elektrodynamische Energiewandler besteht aus einem Gehäuse, mindestens einem Schwinger (1) und mindestens einer Spule (5), wobei der Schwinger (1) als System aus mehreren teilweise oder vollständig gegenpolig angeordneter Permanentmagnete (2) und ggf. Flussleitstücken (3) kombiniert mit einem Rückschluss (4) ausgeführt ist und der Schwinger (1) oder die Spule (5) im Gehäuse federnd gelagert ist. Der erfindungsgemäße elektrodynamische Energiewandler kann als Energy Harvester z. B. im industriellen oder Privatanwenderbereich eingesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen auf eine hohe Leistungsdichte ausgelegten, durch mechanische Schwingungen angeregten, elektrodynamischen Lineargenerator für die Anwendung als Energy Harvester z. B. im industriellen oder Privatanwenderbereich. Die bisher erreichte Leistungsdichte elektrodynamischer Generatoren soll gesteigert werden, um den Anwendungsbereich zu erweitern.
In den letzten Jahren sind immer energiesparendere Sensoren, Elektronikschaltungen und Miniaturaktoren auf den Markt gekommen, die nur noch Leistungen von durchschnittlich wenigen Milliwatt benötigen. In vielen Fällen, z. B. bei schwer zugänglichen Anwendungen, sind Alternativen zur kabelgebundenen Energieversorgung vorteilhaft oder sogar notwendig. Die in solchen Fällen oft eingesetzten Batterien besitzen eine geringe Leistungsdichte und Lebensdauer, belasten die Umwelt und erfordern bei langfristigem Einsatz oder hohem Energiebedarf kostspieligen Service für deren Austausch.
Die Alternative hierzu ist Energy Harvesting, d. h. die Nutzung von Energie, die parasitär aus der Umgebung absorbiert werden kann. Dazu zählt Energie, die von Schwingungen, wie sie z. B. bei Maschinen und kleinen Geräten, in Fahrzeugen, in Gebäuden, auf See oder bei der Gehbewegung des Menschen auftritt bzw. parasitär erzeugt werden kann. Die Schwingungen weisen dabei einen Frequenzbereich von wenigen Hz bis zu mehreren kHz auf.
Mit der vorliegenden Erfindung soll ein kostengünstiger elektrodynamischer Energiewandler bereitgestellt werden, mit dem die bisher erreichten Leistungsdichten elektrodynamischer Generatoren gesteigert werden können, so dass folglich elektrodynamische Generatoren gegenüber Batterien oder alternativen Energy Harvesting Methoden wie Photovoltaik wettbewerbsfähiger werden.
Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf folgendem theoretischen Hintergrund:
Die Umwandlung von Vibrationsenergie in Elektrizität ist auf das Spannungsinduktionsgesetz zurückzuführen und wurde in der Publikation von [Williams, C. B., Yates, R. B., Analysis of a micro-electrical generator for microsystems, Sensors and Actuators A: Physical 52 (1996), 8–11] für das Einsatzgebiet Energy Harvesting beschrieben. Dabei beträgt die in einer Spule induzierte Spannung U = dΨ/dt = dΨ/dx·dx/dt
Wobei mit Ψ der verkettete, dauermagnetisch erzeugte Fluss bezeichnet wird. Die Änderung des verketteten Flusses dΨ/dx ist identisch zu dem Fluss, welchen die Leiterschleifen einer Spule bei ihrer Bewegung schneiden, wobei als Fluss der vektorielle Anteil wirksam ist, der senkrecht zum Leiter und der Bewegungsrichtung gerichtet ist. Dies lässt sich dadurch plausibilisieren, dass in dem Fall die Lorentzkraft auf den Leiter der Bewegung entgegen wirkt. Zusammen charakterisieren beide Phänomene die Energieübertragung vom mechanischen in das elektrische System. Eine möglichst effektive Energieübertragung findet dann statt, wenn die elektromagnetische Kopplung, d. h. dΨ/dx möglichst groß ist (vgl. [Stephen, N. G., On energy harvesting from ambient vibration, Journal of Sound and Vibration 293 (2006), 409–425]).
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist deshalb der magnetische Fluss durch die Minimierung von parasitären Streuflüssen, minimale parasitäre Luftspalte sowie die effektive Gestaltung des Magnetrückschlusses zu maximieren. Zusätzlich ist eine hohe Auslenkung des federnd gelagerten Schwingers (Spule oder Magnetkreis) zu realisieren, um eine hohe Schwinggeschwindigkeit dx/dt zu tolerieren.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – ein erstes Ausführungsbeispiel eines Schwingers für einen erfindungsgemäßen elektrodynamischen Energiewandlers
2 – ein zweites Ausführungsbeispiel eines Schwingers für einen erfindungsgemäßen elektrodynamischen Energiewandlers
3 – ein erstes Beispiel für eine erfindungsgemäße federnde Lagerung des Schwingers
4 – ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße federnde Lagerung des Schwingers
5 – ein Beispiel für eine erfindungsgemäße federnde Lagerung der Spule
6 – ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrodynamischen Energiewandlers, bei dem die Lagerung des Schwingers mit Hilfe von Membranfedern realisiert ist
Die Maximierung des magnetischen Flusses und die Realisierung einer hohen Auslenkung des federnd gelagerten Schwingers gelingen insbesondere durch eine geringe mechanische Dämpfung im Generator sowie durch Abstimmung von Masse und Federkraft dahingehend, dass der Schwinger in Resonanz mit der Anregung schwingt. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass u. a. in Abhängigkeit von dem Aspektverhältnis des Generators verzweigte oder kaskadierte Magnetkreise erheblich die Leistungsdichte steigern können. Aufgrund der Relativbewegung von Spulen und Magnetkreis mit ihrer endlichen Amplitude ist es wichtig, die Dimensionen der Bereiche mit hohem effektivem Fluss, d. h. Fluss, der senkrecht zu Spulendraht und Bewegungsrichtung gerichtet ist, auf die Spulen abzustimmen. Es kann z. B. vorteilhaft sein, einen Magnetkreis flacher zu gestalten und dafür zu kaskadieren, um das Volumen besser zu nutzen und Bereiche mit geringem effektivem Fluss zu verringern. Hohe Magnete geringer Grundfläche reduzieren aufgrund ihres hohen magnetischen Widerstands die Leistungsdichte. Bei flachen Wandlern können benachbarte Magnete den Fluss wechselseitig verstärken, um den wirksamen Fluss zu erhöhen.
Der für die Energiewandlung inaktive magnetische Fluss wie z. B. Streuflüsse ist zu minimieren. Um eine hohe Robustheit zu erreichen, können Reluktanzkräfte vermieden werden, indem alle Teile des Magnetkreises fest mit einander verbunden sind. Eine symmetrische Anordnung kann für eine vorteilhafte Kraftverteilung gewählt werden.
Die aufgrund einer alternierenden Bewegung in den Spulen induzierte Wechselspannung kann direkt oder mittels einer Spannungsregelungselektronik und ggf. eines Ladungsspeichers für die Versorgung von Verbrauchern genutzt werden. Den Generator bezeichnet man in dem Fall als Energy Harvester.
Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Lösungen für elektrodynamische Wandler bekannt. So wird z. B. in der US 7,569,952 B1 beschrieben, dass eine hohe Flusskonzentration im Bereich der Spulen wichtig für eine hohe Leistungsdichte ist. Es wird jedoch nicht berücksichtigt, dass der senkrecht zu Spulendraht und Bewegungsrichtung gerichtete Anteil der entscheidende Flussanteil ist. Es werden Generatoraufbauten mit 1 oder 2 Magneten sowie ein oder zwei Membranfedern vorgeschlagen.
In den Patentanmeldungen WO 2008/132423 und WO 2009/068856 werden weitere Aufbauten mit zwei Magneten und einem Paar von Federn genannt. Sie berücksichtigen jedoch nicht die Verwendung von weiteren Magneten zur Kaskadierung, Konzentration oder Verstärkung des magnetischen Flusses sowie die Verwendung von mehrschichtigen Membranfedern. Die Flusskonzentration im Bereich der Spulen und senkrecht zum Spulendraht wird nicht betrachtet.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schwingers (1) eines elektrodynamischen Energiewandlers gezeigt. Zur Reduzierung der Streuung ist dieser Schwinger (1) als Kombination rotationssymmetrischer Magnetfelder ausgeführt, wie sie beim Tauchspulprinzip zur Anwendung kommen. Die Permanentmagnete (2) sind gegenpolig angeordnet und werden durch Flussleitstücke (3) von einander getrennt. Aufgrund des Zusammenwirkens mit dem Rückschluss (4) wird der magnetische Widerstand minimiert und ein hoher Fluss gewährleistet. Dies führt zu einem hohen radialen Fluss im Bereich der Spulen (5) im Bereich der Schwingungsauslenkung von Spulen gegenüber den Magnetkreisen, welcher entscheidend für eine hohe Leistungsdichte ist. Durch die alternierende Wicklungsrichtung bzw. Kontaktierung der Spulen in Abhängigkeit von der magnetischen Flussrichtung werden die induzierten Spannungen additiv seriell, parallel oder kombiniert genutzt.
2 zeigt einen alternativen Aufbau für flache Schwinger (1), bei welchem die Kaskadierung der Magnetkreise durch Anordnung von gegenpoligen Permanentmagnetpaaren (2) in der Ebene realisiert ist. Der magnetische Rückschluss kann durch Flussleitstücke (3) optimiert werden. Die Spulen (5) können von klassischen Spulen abweichen, sofern die entsprechende Flussrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung und dem Draht berücksichtigt wird.
Die 3, 4 und 5 zeigen die erfindungsgemäße flexible Aufhängung (z. B. durch Federn (6)) der Schwingern (1) bzw. Spulen (5) im Generatorgehäuse (7), während die Gegenseite, d. h. die Spulen (5) bzw. Schwinger (1) gehäusefest sind.
6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrodynamischen Energiewandlers, bei dem die Lagerung des Schwingers (1) mittels Membranfedern (8), welche den Vorteil einer hohen Seitensteifigkeit bei hoher realisierbarer Auslenkungsamplitude aufweisen, realisiert ist. Die Kaskadierung, mit oder ohne den Distanzstücken (9) erlaubt die Minimierung innerer Spannungen und somit die Verringerung der Werkstoffdämpfung und eine größere Auslenkung. Gleichzeitig ist auf diese Weise eine Anpassung der Resonanzfrequenz des Schwingers möglich.
Bezugszeichenliste

1: Schwinger
2: Permanentmagnete
3: Flussleitstücke
4: magnetischer Rückschluss
5: Spule
6: Federn
7: Generatorgehäuse
8: Membranfedern
9: Distanzstücke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7569952 B1 [0019]
WO 2008/132423 [0020]
WO 2009/068856 [0020]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Williams, C. B., Yates, R. B., Analysis of a micro-electrical generator for microsystems, Sensors and Actuators A: Physical 52 (1996), 8–11 [0005]
Stephen, N. G., On energy harvesting from ambient vibration, Journal of Sound and Vibration 293 (2006), 409–425 [0006]

Claims

Elektrodynamischer Energiewandler bestehend aus einem Generatorgehäuse (7), mindestens einem Schwinger (1) und mindestens einer Spule (5) dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des magnetischen Flusses senkrecht zum Leiter der Spule (5) der Schwinger (1) als System aus mehreren teilweise gegenpolig angeordneten Permanentmagneten (2) kombiniert mit einem Rückschluss (4) ausgeführt ist und der Schwinger (1) oder die Spule (5) im Generatorgehäuse (7) federnd gelagert ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (2) übereinander angeordnet sind.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (2) rotationssymmetrisch übereinander angeordnet sind.
Elektromagnetischer Energiewandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (2) mit alternierender Magnetpolrichtung in der Ebene kaskadiert sind.
Elektromagnetischer Energiewandler nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (2) zusätzlich senkrecht zur Ebene kaskadiert sind.
Elektromagnetischer Energiewandler nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mit einem magnetischen Rückschluss (3) kombiniert ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des magnetischen Flusses senkrecht zum Leiter der Spule (5) zwischen den Permanentmagneten (2) Flussleitstücke (3) vorgesehen sind.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die ein- oder beidseitige Lagerung des Schwingers (1) oder der Spulen (5) mit mehreren übereinander gestapelten Membranfedern (8), die eine gleiche oder unterschiedliche Steifigkeit aufweisen können, realisiert wird.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (5) von den Permanentmagneten (2) und dem magnetischen Rückschluss (4) umfasst werden.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (2) und der magnetische Rückschluss (4) miteinander fest verbunden sind.