DE102010033934A1

DE102010033934A1 - Energy conversion system for use as e.g. generator for conversion of vibrational energy into electrical energy, has induction coil provided in electromagnetic coupling region that overlaps with variable magnetic field interaction zone

Info

Publication number: DE102010033934A1
Application number: DE102010033934A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-08-11
Also published as: DE102010033934B4

Abstract

The system has two permanent magnets (101, 111) movable relative to each other. Poles of the permanent magnets are arranged to face each other in same direction. A variable magnetic field interaction zone (108) is formed between the permanent magnets. An induction coil (103) for electromagnetic interaction with the permanent magnets is provided in an electromagnetic coupling region, where the coupling region overlaps with the variable magnetic field interaction zone. The induction coil is arranged within the permanent magnets.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieumwandlungssystem mit einer variablen Magnetfeldwechselwirkungszone nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an energy conversion system with a variable magnetic field interaction zone according to the preamble of claim 1.

Elektromagnetische Generatoren, auch als Dynamos bezeichnet, beruhen auf der schon lange bekannten Erscheinung, dass bei einer Bewegung eines Magneten quer über einen elektrischen Leiter in diesem eine Spannung induziert wird, so dass Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. So offenbart beispielsweise die US 2003/0197433 A1 einen elektrischen Leistungsgenerator mit gekoppelten Permanentmagneten, die im Inneren von Spulen bewegbar sind. Dabei werden jeweils Paare aus Permanentmagneten zwischen Paaren von Spulen linear in axialer Richtung bewegt. Die beiden Magnete eines Paares sind in festem Abstand voneinander angeordnet und mittels eines nichtmagnetischen oder magnetischen Abstandhalters aneinander befestigt.Electromagnetic generators, also referred to as dynamos, based on the long-known phenomenon that during a movement of a magnet across an electrical conductor in this voltage is induced, so that kinetic energy is converted into electrical energy. For example, the US 2003/0197433 A1 an electric power generator with coupled permanent magnets, which are movable in the interior of coils. In this case, pairs of permanent magnets between pairs of coils are linearly moved in the axial direction. The two magnets of a pair are arranged at a fixed distance from each other and secured together by means of a non-magnetic or magnetic spacer.

Die beiden Magneten eines Paars können gegenpolig oder gleichpolig zueinander angeordnet sein. Bei gegenpoliger Anordnung steht z. B. dem Nordpol N eines Magneten der Südpol S des anderen Magneten gegenüber, und bei gleichpoliger Anordnung sind jeweils die gleichnamigen Pole einander zugekehrt, d. h. SN-NS oder NS-SN.The two magnets of a pair can be arranged opposite to each other or the same pole. In gegenpoliger arrangement is z. B. the north pole N of a magnet of the south pole S of the other magnet opposite, and at gleichpoliger arrangement each of the same poles are facing each other, d. H. SN-NS or NS-SN.

In der US 2003/0197433 A1 wird bereits beschrieben, dass die gleichpolige Anordnung bei einer Linearbewegung im Inneren einer Drahtspule eine höhere Spannung als die gegenpolige Konfiguration induziert. Als Beispiel wird angegeben, dass gegenüber gegenpoligen Paaren unter sonst gleichen Bedingungen von gleichpoligen Paaren die vierfache Spannung erzeugt wird.In the US 2003/0197433 A1 It is already described that the same-pole arrangement induces a higher voltage than the opposite-pole configuration during a linear movement in the interior of a wire coil. As an example, it is stated that quadruple voltage is generated compared to opposite-pole pairs under otherwise identical conditions of pairs of the same pole.

Weiterhin schlägt die US 2003/0197433 A1 vor, die dort beschriebenen Lineargeneratoren auch in Mobiltelefonen (”Handys”) als Stromquelle einzusetzen.Furthermore, the beats US 2003/0197433 A1 to use the linear generators described there also in mobile phones ("mobile phones") as a power source.

In der WO 10000316 A1 wird ein elektromotorischer Lineargenerator beschrieben, bei dem ein Arbeitsmagnet in einer Drahtspule eine in axialer Richtung hin und her gerichtete Bewegung ausführen kann. Der Arbeitsmagnet ist aus zwei Permanentmagneten zusammengesetzt, wobei gleichnamige Pole flächig aneinander befestigt sind und gegebenenfalls durch eine Scheibe aus einem magnetischen Nichtleiter voneinander getrennt sind. Die Vorrichtung aus Magneten und Spule ist außen von einer Abschirmung aus Mumetall umgeben. Es wird beschrieben, dass eine besonders hohe Leistung erzielt wird, wenn die gleichpolig angeordneten Permanentmagnete im Generator – und auch die Drahtspulen – ringförmige Gestalt haben, wobei die Ringmagnete die Ringspulen übergreifen. Eine mehrfache Erhöhung der induzierten Spannung und Stromstärke wird nach der Beschreibung erzielt, weil das magnetische Feld des oder der Arbeitsmagnete verstärkt und auf die Spule konzentriert wird.In the WO 10000316 A1 An electromotive linear generator is described in which a working magnet in a wire coil can perform a back-and-forth axial movement. The working magnet is composed of two permanent magnets, the same pole are attached flat to each other and optionally separated from each other by a disc of a magnetic dielectric. The magnet and coil device is externally surrounded by a mumetal shield. It is described that a particularly high performance is achieved if the permanent magnets arranged in the same pole in the generator - and also the wire coils - have an annular shape, wherein the ring magnets engage over the toroidal coils. A multiple increase in the induced voltage and current is achieved as described because the magnetic field of the working magnet (s) is amplified and concentrated on the coil.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die bekannten Lösungen der elektromagnetischen Generatoren zu verbessern, die universell anwendbar und über einen großen Arbeitsbereich mit einem hohen Wirkungsgrad betreibbar sind.The present invention has for its object to improve the known solutions of electromagnetic generators that are universally applicable and operable over a large working range with high efficiency.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.The object is achieved with the features of the main claim. Advantageous embodiments can be found in the dependent claims.

Vorteilhaft kann ein erfindungsgemäßes Energieumwandlungssystem in generatorischer Funktionsweise äußeren Kräfte in elektrische Energie umgewandelt werden, wie etwa Druck- und/oder Zugkräfte, Schwingungskräfte und/oder thermische Kräfte.Advantageously, an inventive energy conversion system can be converted into regenerative operation of external forces into electrical energy, such as compressive and / or tensile forces, vibration forces and / or thermal forces.

In motorischer Betriebsweise kann das Energieumwandlungssystem durch Anlegen einer äußeren wechselnden elektrischen Spannung oder als akustisches Wiedergabesystem, Schallwandler, Oszillator oder Schwingungserzeuger, Schwingungskomponente, und/oder zur Umwandlung in mechanische Kraft in Form von Zug oder Druck verwendet werden.In motorized operation, the energy conversion system may be used by applying an external alternating electrical voltage or as an acoustic reproduction system, sound transducer, oscillator or vibrator, vibration component, and / or for conversion to mechanical force in the form of tension or pressure.

Das Energieumwandlungssystem kann weiterhin vorteilhaft auch als Feder- und Dämpfungsmechanismus eingesetzt werden. Die Größe des Energieumwandlungssystem ist variabel gestaltbar, und seine Leistungsfähigkeit ist über einen weiten Bereich nutzbar.The energy conversion system can also be advantageously used as a spring and damping mechanism. The size of the energy conversion system can be varied, and its performance can be used over a wide range.

Es wird ein Energieumwandlungssystem vorgeschlagen, bestehend aus mindestens zwei relativ zueinander bewegbaren Permanentmagneten, die jeweils mit gleichsinnige Pole einander zugewandt sind, einer variablen Magnetfeldwechselwirkungszone zwischen den mindestens zwei Permanentmagneten und einer Induktionsspule zur elektromagnetischen Wechselwirkung mit den mindestens zwei Permanentmagneten in einem elektromagnetischen Koppelbereich, wobei der elektromagnetische Koppelbereich mit der variablen Magnetfeldwechselwirkungszone überlappt.It is proposed an energy conversion system consisting of at least two relatively movable permanent magnets, each facing the same direction poles, a variable magnetic field interaction zone between the at least two permanent magnets and an induction coil for electromagnetic interaction with the at least two permanent magnets in an electromagnetic coupling region, wherein the electromagnetic coupling region overlaps with the variable magnetic field interaction zone.

Das Energieumwandlungssystem kann wahlweise sowohl in einem generatorischen Betrieb, in dem elektrische Energie erzeugt wird, oder in einem motorischen Betrieb, in dem elektrische Energie aufgenommen wird, arbeiten.Optionally, the energy conversion system may operate both in a regenerative mode in which electrical energy is generated, or in a motor mode in which electrical energy is received.

Die Basis der Energieerzeugung des erfindungsgemäßen Energieumwandlungssystems beruht auf einer, kontinuierlich oder auch nichtkontinuierlich oszillierenden Stauchung des Magnetfelds zwischen gleichpoligen Magneten der mindestens einen relativ zueinander bewegbaren Permanentmagneten. Zur Verstärkung und für die Funktionsweise der Magnetfeldstauchung kann ein oder können mehrere Magnete starr mit einem Gehäuse verbunden sein. Mindestens ein Permanentmagnet oder auch mehrere Permanentmagnete sind in Bewegung, so dass sich im Bereich zwischen diesen und den starren Permanentmagneten, die den beweglichen Permanentmagneten immer gleichpolig gegenüberstehen, eine mehr oder weniger starke Magnetfeldstauchung ausbildet. The basis of the energy production of the energy conversion system according to the invention is based on a continuous or non-continuous oscillating compression of the magnetic field between the same pole magnets of the at least one relatively movable permanent magnet. For reinforcement and for the mode of operation of magnetic field compression, one or more magnets can be rigidly connected to a housing. At least one permanent magnet or even a plurality of permanent magnets are in motion, so that in the region between them and the rigid permanent magnets, which always face the movable permanent magnet with the same pole, a more or less strong magnetic field compression forms.

Ursache für die Bewegung des oder der beweglichen Permanentmagneten ist im generatorischen Betrieb des Energieumwandlungssystems eine gezielte, direkte Kopplung und Nutzung einer mechanischen Kraft, mechanischer Energie, kinetischer Energie und/oder thermischer Energie, die von außen auf das Energieumwandlungssystem wirkt, einer thermischen Kraft, die wie unten beschrieben wirkt und entsprechend einen mechanischen Druck auf den oder die beweglichen Permanentmagnete ausübt.Cause of the movement of the movable permanent magnet (s) is in the regenerative operation of the energy conversion system targeted, direct coupling and use of a mechanical force, mechanical energy, kinetic energy and / or thermal energy, which acts from the outside on the energy conversion system, a thermal force, the as described below and accordingly exerts a mechanical pressure on the one or more movable permanent magnets.

Der Unterschied zur herkömmlichen Funktionsweise von Lineargeneratoren, wie z. B. in der WO 2010/0003106 A1 beschrieben, besteht darin, dass die Energieerzeugung durch die Magnetfeldstauchung von mindestens zwei gleichsinnig gegenüber liegenden Permanentmagneten stattfindet und nicht durch eine oszillierende Bewegung von mindestens einem Permanentmagneten in einer Spulenanordnung.The difference to the conventional operation of linear generators, such. B. in the WO 2010/0003106 A1 described, is that the energy generation by the magnetic field compression of at least two co-opposing permanent magnets takes place and not by an oscillating movement of at least one permanent magnet in a coil assembly.

Im motorischen Betrieb wird durch Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung der frei bewegliche Permanentmagnet oder die frei beweglichen Permanentmagnete durch Wechselwirkung mit dem von der Spule erzeugten Magnetfeld bewegt. Mechanische Energie, thermische Energie, Schwingungsenergie wird je nach Einsatzgebiet zur Verfügung gestellt.In motor operation, by applying an external electrical voltage, the freely movable permanent magnet or the freely movable permanent magnets is moved by interaction with the magnetic field generated by the coil. Mechanical energy, thermal energy, vibration energy is provided depending on the application.

Das in der vorliegenden Erfindung beschriebene Energieumwandlungssystem kann als Dämpfer eingesetzt werden und erzeugt durch eine zielgerichtete und vollständige Aufnahme von mechanischer, kinetischer und/oder thermischer Energie aufgrund der Magnetfeldstauchung elektrische Energie, die elektrischen Verbrauchern zugeführt werden kann.The energy conversion system described in the present invention can be used as a damper and generates by a targeted and complete absorption of mechanical, kinetic and / or thermal energy due to the magnetic field compression electrical energy that can be supplied to electrical consumers.

Das erfindungsgemäße Energieumwandlungssystem setzt sich mit seiner beschriebenen Wirkungsweise von dem üblichen Arbeitsprinzip von Lineargeneratoren ab.The energy conversion system according to the invention, with its described mode of action, sets itself apart from the usual operating principle of linear generators.

Wird wenigstens einer der mindestens zwei Permanentmagnete mit einer Kraftkopplungseinheit verbunden, so ist es mit dem beschriebenen System zur elektromagnetischen Energieumwandlung möglich, zumindest mechanische in elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad umzuwandeln.If at least one of the at least two permanent magnets connected to a power coupling unit, so it is possible with the described system for electromagnetic energy conversion to convert at least mechanical energy into electrical energy with a high efficiency.

In einer weiteren Ausprägung des Energieumwandlungssystems umfasst die Kraftkopplungseinheit ein Gasvolumen, das durch thermische Einwirkung expandierbar oder komprimierbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln.In a further embodiment of the energy conversion system, the force coupling unit comprises a gas volume which is expandable or compressible by thermal action. In this way it is possible to convert thermal energy into electrical energy.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Kraftübertragung zur Übertragung der mechanischen oder thermischen Energie dadurch, dass die Kraftkopplungseinheit eine mechanische Kopplungseinheit umfasst. Diese kann flexibel an den konkreten Einsatzort des Energieumwandlungssystems angepasst werden.Conveniently, the power transmission for transmitting the mechanical or thermal energy takes place in that the power coupling unit comprises a mechanical coupling unit. This can be flexibly adapted to the specific location of the energy conversion system.

Es ist günstig, wenn zur funktionsgemäßen und möglichst reibungsarmen Bewegung der in einer Relativbewegung zueinander bewegten mindestens zwei Permanentmagnete ein Führungssystem, vorzugsweise eine Führungshülse, vorgesehen ist.It is favorable if a guide system, preferably a guide sleeve, is provided for the functionally and with as little friction as possible movement of the at least two permanent magnets moving relative to each other.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Energieumwandlungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der mindestens zwei Permanentmagnete ortsfest montiert ist und der zweite Permanentmagnet beweglich angeordnet ist.A further advantageous embodiment of the energy conversion system is characterized in that at least one of the at least two permanent magnets is fixedly mounted and the second permanent magnet is movably arranged.

In einer weiteren Ausführungsform des Energieumwandlungssystems kann mindestens ein beweglicher Permanentmagnet zwischen zwei ortsfest montierten Permanentmagneten angeordnet werden.In a further embodiment of the energy conversion system, at least one movable permanent magnet can be arranged between two permanently mounted permanent magnets.

Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn mindestens einer der Permanentmagnete als Membran ausgeführt wird und durch die geringe Masse des bewegten Permanentmagneten besonders leicht und schnell ansprechend beweglich gestaltet ist.Further, it may be advantageous if at least one of the permanent magnets is designed as a membrane and is made particularly easily and quickly responsive movable by the low mass of the moving permanent magnet.

Die Induktionsspule des Energieumwandlungssystems kann in einer weiteren Ausführung ortsfest zu mindestens einem der Permanentmagneten angeordnet sein.The induction coil of the energy conversion system may be arranged in a further embodiment fixed to at least one of the permanent magnets.

Als vorteilhaft hat sich auch herausgestellt, wenn für weitere Anwendungen des Energieumwandlungssystems die Induktionsspule die mindestens zwei Permanentmagnete radial umgibt. Dies ergibt einen kompakten Aufbau, der sich relativ leicht gegen Verschmutzung schützen lässt.It has also proven to be advantageous if, for further applications of the energy conversion system, the induction coil radially surrounds the at least two permanent magnets. This results in a compact structure that can be relatively easily protected against contamination.

Ferner ist es auch möglich, dass die Induktionsspule innerhalb der mindestens zwei Permanentmagnete angeordnet ist. Furthermore, it is also possible that the induction coil is arranged within the at least two permanent magnets.

Um einen möglichst großen Bereich an Relativbewegung der mindestens zwei Permanentmagnete im Betrieb abzudecken, kann eine weitere Ausgestaltung des Energieumwandlungssystems so ausgestaltet sein, dass die Induktionsspule die mindestens zwei Permanentmagnete axial überragt. Damit lässt sich das System besonders einfach kapseln.In order to cover the largest possible range of relative movement of the at least two permanent magnets during operation, a further embodiment of the energy conversion system can be configured so that the induction coil projects axially beyond the at least two permanent magnets. This makes it particularly easy to encapsulate the system.

Eine besonders günstige Ausführungsform des Energieumwandlungssystems weist eine lineare Anordnung der mindestens zwei Permanentmagnete auf.A particularly favorable embodiment of the energy conversion system has a linear arrangement of the at least two permanent magnets.

Eine weitere Ausführungsform des Energieumwandlungssystems kann eine rotationssymmetrische Anordnung der mindestens zwei Permanentmagnete vorsehen.Another embodiment of the energy conversion system may provide a rotationally symmetrical arrangement of the at least two permanent magnets.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Energieumwandlungssystems ist durch eine Ausgestaltung als Generator gekennzeichnet, wobei mechanische und/oder thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.An advantageous embodiment of the energy conversion system is characterized by a configuration as a generator, wherein mechanical and / or thermal energy is converted into electrical energy.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht eine Ausgestaltung als Motor vor, bei der elektrische Energie in lineare oder rotatorische Bewegungsenergie umgewandelt wird.A further advantageous embodiment provides an embodiment as a motor in which electrical energy is converted into linear or rotational kinetic energy.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Induktionsspule entlang ihrer Längsausdehnung zumindest ein erstes Segment und ein zweites mit dem ersten verbundenes Segment aufweist, die derart angeordnet und geschaltet sind, dass der Stromfluss durch das erste Segment eine dem Stromfluss durch das zweite Segment entgegen gesetzte Richtung aufweist. Bei Stromfluss wird dabei in den Segmenten ein Magnetfeld entgegen gesetzter Orientierung erzeugt. In einer Ausgestaltung, ist eine zylindrische Spule der Länge nach in Segmente mit unterschiedlicher Wickelrichtung unterteilt, wobei die Spulensegmente elektrisch in Reihe geschaltet sind. Ferner ist eine Unterteilung mit gleicher Wickelrichtung und einer Verschaltung möglich, derart dass dies einer Umkehrung des Stromflusses und somit einer umgekehrten Wickelrichtung der Spule gleichkommt.A further advantageous embodiment is characterized in that the induction coil along its longitudinal extent at least a first segment and a second connected to the first segment, which are arranged and connected such that the current flow through the first segment, the current flow through the second segment has opposite direction. When current flows in the segments, a magnetic field opposite direction is generated. In one embodiment, a cylindrical coil is subdivided lengthwise into segments with different winding direction, wherein the coil segments are electrically connected in series. Furthermore, a subdivision with the same winding direction and an interconnection is possible, so that this corresponds to a reversal of the current flow and thus a reverse winding direction of the coil.

Die Spulensegmente sind auf den axial bewegbaren bzw. bewegten Magneten abgestimmt, wobei jeweils über den Nord- und den Südpol der Spule Spannungen induzierbar sind oder induziert werden. Die Spannungen lassen sich addieren oder auch einzeln abgreifen.The coil segments are tuned to the axially movable or moving magnets, in each case voltages can be induced or induced via the north and the south pole of the coil. The voltages can be added or tapped individually.

Als zweckmäßig hat sich herausgestellt, dass die Längen der Spulensegmente der Länge der axial bewegten bzw. bewegbaren Magnete in Richtung der Achse der zylindrischen Führungshülse entsprechen. Vorteilhaft wird die Energieausbeute längs einer zurückgelegten Wegstrecke der Permanentmagnete erhöht, wenn die Spule die sich entlang dieser Wegstrecke befindet, in abwechselnden Wickelrichtungen mit dem Abstand der axialen Magnetlänge ausgeführt wird oder entsprechend verschaltet ist. Zusätzlich kann auch der feststehende Magnet von einem Spulensegment umgeben sein.It has been found to be expedient that the lengths of the coil segments correspond to the length of the axially moved or movable magnets in the direction of the axis of the cylindrical guide sleeve. Advantageously, the energy yield is increased along a traveled distance of the permanent magnets when the coil is located along this path, is performed in alternating winding directions with the distance of the axial magnet length or is connected accordingly. In addition, the stationary magnet may also be surrounded by a coil segment.

Die Anzahl Segmente einer zylindrischen Spulenanordnung kann beispielsweise entsprechend folgender Formel bestimmt sein:
(Axiale Wegstrecke des Arbeitsmagneten/axiale Länge des Arbeitsmagneten) + 1.The number of segments of a cylindrical coil arrangement can be determined, for example, according to the following formula:
(Axial travel of the working magnet / axial length of the working magnet) + 1.

Hierbei berücksichtigt die 1 das Segment des feststehenden Magneten. Es versteht sich, dass auch eine andere Anzahl von die Spule unterteilenden Segmenten von der Erfindung umfasst wird.Here, 1 takes into account the segment of the stationary magnet. It will be understood that a different number of coil dividing segments are also included in the invention.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben, denen auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung zu entnehmen sind.The invention will be described in more detail below with reference to exemplary embodiments and drawings, to which further aspects and advantages of the invention can be deduced, independently of the summary in the patent claims.

Es zeigen in schematischer DarstellungIt show in a schematic representation

1 eine erste Ausführungsform eines Energieumwandlungssystems mit einer Einkopplung von Schwingungsenergie, die in elektrische Energie umgewandelt wird; 1 a first embodiment of an energy conversion system with a coupling of vibration energy, which is converted into electrical energy;

2 eine weitere Ausführungsform eines Energieumwandlungssystems mit einer Einkopplung von Schwingungsenergie mit verbessertem Wirkungsgrad; 2 another embodiment of an energy conversion system with a coupling of vibration energy with improved efficiency;

3 eine weitere Ausführungsform eines Energieumwandlungssystems mit einer Einkopplung von Schwingungsenergie, ausgelegt für mechanische Zug- und Druckkräfte; 3 Another embodiment of an energy conversion system with a coupling of vibration energy, designed for mechanical tensile and compressive forces;

4 eine weitere Ausführungsform eines Energieumwandlungssystems mit einer Einkopplung von thermischer Energie; 4 another embodiment of an energy conversion system with a coupling of thermal energy;

5 eine weitere Ausführungsform eines Energieumwandlungssystems mit einer Einkopplung von thermischer Energie mit verbessertem Wirkungsgrad; und 5 another embodiment of an energy conversion system with a coupling of thermal energy with improved efficiency; and

6 eine weitere Ausführungsform eines Energieumwandlungssystems mit einer Einkopplung von elektrischer Energie zur Umwandlung in Schwingungs- oder akustische Energie. 6 another embodiment of an energy conversion system with an input of electrical energy for conversion into vibrational or acoustic energy.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Energieumwandlungssystems zur Umwandlung von Schwingungsenergie in elektrische Energie dargestellt. To explain the invention is in 1 a schematic representation of an embodiment of an energy conversion system for the conversion of vibration energy into electrical energy shown.

Das Energieumwandlungssystem umfasst zwei Permanentmagneten 101, 111, einer zylindrischen Führungshülse 104, welche von einer Induktionsspule 103 umgeben ist, oder einer Induktionsspule 103 innerhalb der zylindrischen Führungshülse 104. Die zwei Permanentmagneten 101, 111 stehen sich mit den gleichsinnig gerichteten Polen gegenüber, wobei ein Magnet 101 an einem Ende des Energieumwandlungssystems fixiert ist. Die beiden gegenüberliegenden, gleichsinnig gerichteten Permanentmagnete 101, 111 befinden sich ohne äußere Krafteinwirkung – aufgrund der entgegenwirkenden Magnetfelder – in einem Gleichgewichtszustand. Der im Energieumwandlungssystem frei bewegliche Permanentmagnet 111 nimmt einen definierten Abstand zum fixierten Permanentmagneten 101 ein, abhängig von den Eigenschaften der verwendeten Permanentmagnete wie Magnetfeldstärke und geometrischer Ausführung und dergleichen.The energy conversion system comprises two permanent magnets 101 . 111 , a cylindrical guide sleeve 104 that of an induction coil 103 surrounded, or an induction coil 103 within the cylindrical guide sleeve 104 , The two permanent magnets 101 . 111 face the poles of the same direction, with a magnet 101 fixed at one end of the energy conversion system. The two opposite, co-directed permanent magnets 101 . 111 are without external force - due to the counteracting magnetic fields - in an equilibrium state. The freely movable permanent magnet in the energy conversion system 111 takes a defined distance to the fixed permanent magnet 101 a, depending on the properties of the permanent magnets used such as magnetic field strength and geometrical design and the like.

Das Energieumwandlungssystem arbeitet in der gezeigten Ausführungsform im generatorischen Betrieb und wird im folgenden als Generator bezeichnet. Der Generator wandelt die eingeprägte und/oder nicht genutzte mechanische Energie oder Schwingungsenergie in elektrische Energie um. Gleichzeitig kann er als Federungssystem dienen. Die Schwingungsenergie wird durch die gleichsinnig ausgerichteten, sich gegenüberliegenden Magnetpole zweier Permanentmagneten 101, 111 aufgenommen.The energy conversion system operates in generator mode in the embodiment shown and is referred to below as a generator. The generator converts the impressed and / or unused mechanical energy or vibrational energy into electrical energy. At the same time it can serve as a suspension system. The vibration energy is generated by the magnetically aligned, opposite magnetic poles of two permanent magnets 101 . 111 added.

Durch das Zusammenstauchen der beiden gleichgerichteten Magnetfelder beim Einwirken einer äußeren Kraft auf den beweglichen Permanentmagneten 111 und durch das damit sich wechselnd auf- und abbauende Überlagerungs-Magnetfeld in einer zwischen dem Permanentmagneten 101, 111 ausgebildeten variablen Magnetfeldwechselwirkungszone 108, in dem sich ein Permanentmagnet 111 in einem mit einer, beispielsweise zylinderförmigen, Induktionsspule 103 ausgeführten Führungssystem 104 bewegt, sowie durch das Einwirken des sich wechselnden Magnetfelds auf die Induktionsspule 103, wird elektrische Energie in Form einer Ausgangsspannung 110 erzeugt.By the compression of the two rectified magnetic fields when an external force acts on the movable permanent magnet 111 and by the overlapping magnetic field that alternately builds up and breaks down in one between the permanent magnet 101 . 111 trained variable magnetic field interaction zone 108 in which there is a permanent magnet 111 in one with, for example cylindrical, induction coil 103 executed guidance system 104 moved, as well as by the action of the changing magnetic field on the induction coil 103 , electrical energy is in the form of an output voltage 110 generated.

Dem frei beweglichen Permanentmagnet 111 gegenüber befindet sich der mit Hilfe eines Magnethalters 105 fest montierte und unbewegliche Permanentmagnet 101. Die Bewegung des frei beweglichen Permanentmagneten 111 wird in Richtung vom fest montierten Permanentmagneten 101 weg durch eine Auskopplungsbegrenzung 106 und in Richtung auf den fest montierten Permanentmagneten 101 zu durch eine Durchschlagsbegrenzung 107 eingeschränkt.The freely moving permanent magnet 111 opposite is the one with the help of a magnet holder 105 firmly mounted and immovable permanent magnet 101 , The movement of the freely moving permanent magnet 111 will be in the direction of the permanently mounted permanent magnet 101 away through a knockout limit 106 and towards the fixed permanent magnet 101 to by a punch limit 107 limited.

Die von außen über die Kraftkopplung 102 zugeführten Kräfte stehen auf Grund einer geeigneten reibungsarmen Führung in der Führungshülse 104 mit hohem Wirkungsgrad für die Energieerzeugung zur Verfügung. Der frei bewegliche Permanentmagnet 111 wird entlang einer reibungsarmen Oberfläche bewegt. Gegebenenfalls werden die Seiten mit der gleichen Oberflächenschicht ausgestattet. Als Schutz sowie zur mechanischen Fixierung des gesamten Energieumwandlungssystems sind die Komponenten in einem festen Gehäuse 109 angebracht.The externally via the power coupling 102 supplied forces are due to a suitable low-friction guide in the guide sleeve 104 with high efficiency available for energy production. The freely movable permanent magnet 111 is moved along a low-friction surface. If necessary, the sides are provided with the same surface layer. As protection and for the mechanical fixation of the entire energy conversion system, the components are in a solid housing 109 appropriate.

Das Prinzip ist grundsätzlich umkehrbar, so dass bei der Zuführung von elektrischer Energie das Energieumwandlungssystem im motorischen Betrieb als Energieverbraucher arbeitet, beispielsweise als Motor.The principle is basically reversible, so that when the supply of electrical energy, the energy conversion system operates in motor operation as an energy consumer, for example as a motor.

In 2 ist eine weitere Ausführung des Energieumwandlungssystems dargestellt, bei dem Schwingungsenergie in elektrische Energie mit verbessertem Wirkungsgrad gegenüber der Ausführungsform der 1 umgewandelt wird.In 2 is shown a further embodiment of the energy conversion system in which vibration energy into electrical energy with improved efficiency over the embodiment of the 1 is converted.

Diese Variante unterscheidet sich von der Ausführung in 1 dann, dass durch die Bauform der Anordnung der Induktionsspule 103 im Inneren der z. B. zylindrischen Führungshülse 104 die von außen einwirkenden Kräfte über die Kraftkopplung 102 effizienter in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad wird verbessert. Die innen liegenden Teile wie Induktionsspule 103 und Führungshülse 104 sind an einem inneren Gehäuse 201 angeordnet, während das Gesamtsystem von einem äußeren Gehäuse 202 getragen wird.This variant differs from the version in 1 then that by the design of the arrangement of the induction coil 103 inside the z. B. cylindrical guide sleeve 104 the external forces acting on the power coupling 102 be converted into electrical energy more efficiently. The efficiency is improved. The internal parts such as induction coil 103 and guide sleeve 104 are on an inner housing 201 arranged while the overall system of an outer casing 202 will be carried.

Das Prinzip der Energieumwandlung ist auch hier umkehrbar, so dass bei der Zuführung von elektrischer Energie in Form einer Eingangsspannung das Energieumwandlungssystem als Energieverbraucher – beispielsweise als Motor – funktioniert. Hierbei wird der frei bewegliche Permanentmagnet 111 im Feld auf und ab bewegt. Durch eine damit verbundene Kraftauskopplung 102 kann die Bewegungsenergie des Permanentmagneten 111 aus dem System zur Energieumwandlung ausgekoppelt werden.The principle of energy conversion is also reversible, so that when supplying electrical energy in the form of an input voltage, the energy conversion system as an energy consumer - for example, as an engine - works. Here, the freely movable permanent magnet 111 moved up and down in the field. Through an associated power extraction 102 can the kinetic energy of the permanent magnet 111 be decoupled from the system for energy conversion.

3 stellt schematisch eine Ausführung des Energieumwandlungssystems zur Umwandlung von Schwingungsenergie in elektrische Energie dar, das für mechanische Zug- und Druckkräfte ausgelegt ist. 3 schematically illustrates an embodiment of the energy conversion system for converting vibrational energy into electrical energy designed for mechanical tensile and compressive forces.

Diese Variante unterscheidet sich von den Varianten in den 1 und 2 darin, dass durch die Erweiterung um einen dritten ortsfesten Permanentmagneten 301 das Energieumwandlungssystem als Generator für Zug- und Druckkräfte eingesetzt werden kann.This variant differs from the variants in the 1 and 2 in that by the extension around a third stationary permanent magnet 301 the energy conversion system can be used as a generator for tensile and compressive forces.

Der dritte, mittlere Permanentmagnet 111 befindet sich frei beweglich zwischen den äußeren fest montierten Permanentmagneten 101, 301 am jeweiligen Ende des Gehäuses 109, wobei die drei Permanentmagnete 101, 111, 301 so ausgerichtet sind, dass sich gleichsinnig gerichtete Pole jeweils gegenüber liegen. Der Permanentmagnet 111 befindet sich im Gleichgewichtszustand zwischen den beiden äußeren Permanentmagneten 101, 301.The third, middle permanent magnet 111 is freely movable between the outer permanently mounted permanent magnets 101 . 301 at the respective end of the housing 109 , wherein the three permanent magnets 101 . 111 . 301 are aligned so that in the same direction directed poles are each opposite. The permanent magnet 111 is in equilibrium between the two outer permanent magnets 101 . 301 ,

Das Energieumwandlungssystem ist kaskadierbar mit mehreren Permanentmagneten und Spulen in Serie oder auch mit parallel angeordneten Permanentmagneten und Spulen zu betreiben. Es entsteht so eine bessere Skalierbarkeit und damit eine verbesserte Möglichkeit, Kräfte gezielt, Platz sparend und effizient in andere Energieformen umzuwandeln.The energy conversion system is cascadable with multiple permanent magnets and coils in series or to operate with parallel permanent magnets and coils. This results in better scalability and thus an improved possibility to convert forces targeted, space-saving and efficient into other forms of energy.

Durch die in der 3 dargestellte Bauform können die von außen einwirkenden Kräfte effizienter als in der in 1 dargestellten Variante in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad des Energieumwandlungssystems wird verbessert.By in the 3 As shown, the external forces acting more efficiently than in the 1 variant to be converted into electrical energy. The efficiency of the energy conversion system is improved.

Das Prinzip ist wieder umkehrbar, so dass bei der Zuführung von elektrischer Energie in Form einer Eingangsspannung das Energieumwandlungssystem als Energieverbraucher, beispielsweise als Motor, funktioniert. Hierbei wird der frei bewegliche mittlere Permanentmagnet 111 durch die Wechselwirkung des in der Induktionsspule 103 erzeugten Magnetfelds mit den überlagerten Magnetfeldern der Permanentmagneten 101, 111, 301 in der variablen Magnetfeldwechselwirkungszone 108 auf und ab bewegt.The principle is again reversible, so that when supplying electrical energy in the form of an input voltage, the energy conversion system as an energy consumer, for example as a motor works. Here, the freely movable middle permanent magnet 111 through the interaction of in the induction coil 103 generated magnetic field with the superimposed magnetic fields of the permanent magnets 101 . 111 . 301 in the variable magnetic field interaction zone 108 moved up and down.

Das vorgeschlagene Energieumwandlungssystem ist weiterhin besonders gut für Umwandlung von thermischer in elektrische Energie geeignet. In den jeweiligen Kammern zwischen dem oberen 301 und dem mittleren Permanentmagneten 111, sowie zwischen dem mittleren 111 und dem unteren Permanentmagneten 101, kann mittels eines Arbeitsgases ein elektrodynamischthermodynamischer Motor realisiert werden (siehe auch 5).The proposed energy conversion system is also particularly well suited for conversion of thermal energy into electrical energy. In the respective chambers between the upper 301 and the middle permanent magnet 111 , as well as between the middle 111 and the lower permanent magnet 101 , can be realized by means of a working gas an electrodynamically thermodynamic motor (see also 5 ).

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Energieumwandlungssystems zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie. 4 shows a schematic representation of an embodiment of the energy conversion system for the conversion of thermal energy into electrical energy.

Das Energieumwandlungssystem wandelt vorzugsweise eine auftretende und/oder nicht genutzte thermische Energie in elektrische Energie um. Jegliche Ausdehnung eines im Arbeitsbereich befindlichen Arbeitsgases 402 kann in Bewegung umgesetzt werden.The energy conversion system preferably converts an occurring and / or unused thermal energy into electrical energy. Any expansion of a working gas in the working area 402 can be put into motion.

Die Schwingungsenergie wird durch die gleich ausgerichteten, sich gegenüberliegenden Magnetpole der beiden Permanentmagnete 101, 102 aufgenommen. Durch das Zusammenstauchen der beiden gleichgerichteten Magnetfelder, und durch das damit sich wechselnd auf- und abbauende Magnetfeld in der variablen Magnetfeldwechselwirkungszone 108, in dem sich ein Permanentmagnet in einer mit einer Induktionsspule 103 ausgeführten Führungshülse 104 bewegt, und damit das Einwirken des wechselnden Magnetfelds auf die Induktionsspule 103, wird elektrische Energie erzeugt.The vibration energy is generated by the equally aligned, opposing magnetic poles of the two permanent magnets 101 . 102 added. By the upsetting of the two rectified magnetic fields, and by the alternating up and down magnetic field in the variable magnetic field interaction zone 108 in which there is a permanent magnet in one with an induction coil 103 executed guide sleeve 104 moved, and thus the action of the alternating magnetic field on the induction coil 103 , electrical energy is generated.

Diese Variante unterscheidet sich von der Ausführung zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, die in den 1 bis 3 beschrieben ist, darin, dass äußere thermische Energie genutzt und in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei wirkt thermische Energie ähnlich wie bei einem Stirlingmotor auf das Arbeitsgas 402, das sich in einer abgeschlossenen Kammer befindet. Das Arbeitsgas 402 dehnt sich aufgrund der äußeren thermischen Energie aus und führt den freibeweglichen Permanentmagneten 111 – wie bei einem Arbeitskolben – gegen den fixierten Permanentmagneten 101 an der Spulenanordnung 103 vorbei, so dass in der Induktionsspule 103 eine elektrische Spannung induziert wird. Das Arbeitsgas 402 kühlt sich in der Kammer ab, zieht sich zusammen und der freibewegliche Permanentmagnet 111 wird durch die Abstoßung wieder in seine Ausgangslage an der Spulenanordnung vorbei gebracht, so dass erneut eine elektrische Spannung induziert wird. Der Vorgang beginnt von vorne. Bevorzugt kann dieser Effekt mit einem in ähnlicher Weise periodisch arbeitenden System eines Stirlingmotors gekoppelt sein.This variant differs from the design for the conversion of mechanical energy into electrical energy, which in the 1 to 3 is described in that external thermal energy is used and converted into electrical energy. Thermal energy acts on the working gas similar to a Stirling engine 402 , which is located in a closed chamber. The working gas 402 expands due to the external thermal energy and leads the freely movable permanent magnet 111 - As with a working piston - against the fixed permanent magnet 101 on the coil assembly 103 over, leaving in the induction coil 103 an electrical voltage is induced. The working gas 402 It cools down in the chamber, contracts and the floating permanent magnet 111 is brought by the repulsion back to its original position on the coil assembly over, so that again an electrical voltage is induced. The process starts from the beginning. Preferably, this effect may be coupled to a similarly periodically operating system of a Stirling engine.

Das Arbeitsgas 402 kühlt sich ab, indem beispielsweise ein Kühlmedium 401 von außen an dem Arbeitsraum des abgeschlossenen Arbeitsgases 402 vorbei geführt wird.The working gas 402 Cools down, for example by a cooling medium 401 from the outside to the working space of the completed working gas 402 passed by.

In 5 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Energieumwandlungssystems zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie mit verbessertem Wirkungsgrad dargestellt.In 5 is a schematic representation of another embodiment of the energy conversion system for converting thermal energy into electrical energy with improved efficiency shown.

Diese Variante unterscheidet sich von der Variante in 4 dadurch, dass das Energieumwandlungssystem durch die Erweiterung um einen dritten Permanentmagneten 301 zusätzlich für Zug- und Druckkräfte eingesetzt werden kann. Damit ist eine kombinierbare Einsatzform möglich. Der dritte, mittlere Permanentmagnet 111 befindet sich frei beweglich zwischen den äußeren am jeweiligen Ende des Gehäuses 109 fixierten Permanentmagneten 101, 301, wobei die drei Permanentmagnete 101, 111, 301 so ausgerichtet sind, dass sich gleichsinnig gerichtete Pole jeweils gegenüber liegen.This variant differs from the variant in 4 in that the energy conversion system by the extension of a third permanent magnet 301 can also be used for tensile and compressive forces. For a combinable use form is possible. The third, middle permanent magnet 111 is freely movable between the outer at each end of the housing 109 fixed permanent magnets 101 . 301 . the three permanent magnets 101 . 111 . 301 are aligned so that in the same direction directed poles are each opposite.

Durch diese Bauform kann die von außen einwirkende Wärme noch effizienter als in der Variante in 4 in elektrische oder mechanische Energie umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad wird zusätzlich verbessert.Due to this design, the heat acting from outside can be even more efficient than in the variant in 4 be converted into electrical or mechanical energy. The efficiency is further improved.

Das Prinzip ist umkehrbar, so dass bei der Zuführung von elektrischer Energie in Form einer elektrischen Eingangsspannung das Energieumwandlungssystem als Energieverbraucher – beispielsweise als Motor oder Wärmeerzeuger – funktioniert. Hierbei wird der frei bewegliche mittlere Permanentmagnet 301 durch die Wechselwirkung des in der Induktionsspule 103 erzeugten Magnetfelds mit dem überlagerten Magnetfeld der Permanentmagneten 101, 111, 301 in der variablen Magnetfeldwechselwirkungszone 108 auf und ab bewegt.The principle is reversible, so that in the supply of electrical energy in the form of an electrical input voltage, the energy conversion system as an energy consumer - for example, as an engine or heat generator - works. Here, the freely movable middle permanent magnet 301 through the interaction of in the induction coil 103 generated magnetic field with the superimposed magnetic field of the permanent magnet 101 . 111 . 301 in the variable magnetic field interaction zone 108 moved up and down.

Durch den Einsatz eines weiteren Permanentmagneten 301 wird der Wirkungsgrad des Gesamtsystems gegenüber der in 4 dargestellten Ausführung gesteigert. Zudem ist diese Ausführungsform in der Lage, die thermische Energie in elektrische und/oder in mechanische Energie umzuwandeln.By using another permanent magnet 301 the efficiency of the overall system is compared to in 4 shown embodiment increased. In addition, this embodiment is able to convert the thermal energy into electrical and / or mechanical energy.

6 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Systems Energieumwandlungssystems zur Umwandlung von elektrischer Energie in Schwingungs- oder akustische Energie. 6 shows a schematic representation of another embodiment of the system energy conversion system for converting electrical energy into vibrational or acoustic energy.

Das Energieumwandlungssystem besteht aus zwei Magneten 101, 601 und einer zylindrischen Führungshülse 104, welche von einer Induktionsspule 103 umgeben ist.The energy conversion system consists of two magnets 101 . 601 and a cylindrical guide sleeve 104 that of an induction coil 103 is surrounded.

Die zwei Permanentmagneten 101, 601 stehen sich mit den gleichgerichteten Polen gegenüber, wobei ein Permanentmagnet 101 an einem Ende des Systems feststehend montiert ist.The two permanent magnets 101 . 601 face each other with the rectified poles, being a permanent magnet 101 is fixedly mounted at one end of the system.

Das Energieumwandlungssystem wandelt zugeführte elektrische Energie in Form einer Wechselstromeingangsspannung 203 in mechanische Schwingungen um, wenn diese über die außen liegende Induktionsspule 103 zugeführt wird.The energy conversion system converts supplied electrical energy in the form of an AC input voltage 203 into mechanical vibrations when passing over the external induction coil 103 is supplied.

Der in der Induktionsspule 103 fließende Wechselstrom baut ein Magnetfeld um die Induktionsspule 103 auf, welches in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld der beiden sich gegenüberliegenden Permanentmagnete 101, 601 tritt. Der als sehr dünne Scheibe ausgeführte, frei schwebende Permanentmagnet 601 schwingt im Rhythmus entsprechend der Frequenz und Amplitude des elektrischen Wechselstromssignals. Die Luft im Energieumwandlungssystem wird in Schwingung versetzt und das eingespeiste Wechselstromsignal erzeugt Schall, beispielsweise im hörbaren Bereich.The one in the induction coil 103 flowing alternating current builds up a magnetic field around the induction coil 103 which interacts with the magnetic field of the two opposing permanent magnets 101 . 601 occurs. The designed as a very thin disc, floating permanent magnet 601 oscillates in rhythm according to the frequency and amplitude of the AC electrical signal. The air in the energy conversion system is vibrated and the injected AC signal generates sound, for example in the audible range.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2003/0197433 A1 [0002, 0004, 0005]
WO 10000316 A1 [0006]
WO 2010/0003106 A1 [0016]

Claims

Energy conversion system ( 10 ) - at least two relatively movable permanent magnets ( 101 . 111 ), in each case in the same direction poles of the permanent magnets ( 101 . 111 ) are arranged facing each other, - a variable magnetic field interaction zone ( 108 ) between the at least two permanent magnets ( 101 . 111 ) and - an induction coil ( 103 ) for the electromagnetic interaction with the at least two permanent magnets ( 101 . 111 ) in an electromagnetic coupling region, characterized in that the electromagnetic coupling region overlaps with the variable magnetic field interaction zone.

Energy conversion system according to claim 1, characterized in that at least one of the at least two permanent magnets ( 101 . 111 ) with a force coupling unit ( 102 ) connected is.

Energy conversion system according to claim 2, characterized in that the power coupling unit ( 102 ) a gas volume ( 402 ) which is expandable or compressible by thermal action.

Energy conversion system according to claim 2 or 3, characterized in that the power coupling unit ( 102 ) comprises a mechanical coupling unit.

Energy conversion system according to one of the preceding claims, characterized in that for the relative movement of the at least two permanent magnets ( 101 . 111 ) a guide system is provided, preferably a guide sleeve ( 104 ).

Energy conversion system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the at least two permanent magnets ( 101 . 111 ) is fixed in place.

Energy conversion system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one movable permanent magnet ( 111 ) between two permanently mounted permanent magnets ( 101 . 301 ) is arranged.

Energy conversion system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the permanent magnets as a membrane ( 601 ) is executed.

Energy conversion system according to one of the preceding claims, characterized in that the induction coil ( 103 ) fixed to at least one of the permanent magnets ( 101 . 111 ) is arranged.

Energy conversion system according to one of the preceding claims, characterized in that the induction coil ( 103 ) the at least two permanent magnets ( 101 . 111 ) radially surrounds.

Energy conversion system according to one of the preceding claims, characterized in that the induction coil ( 103 ) within the at least two permanent magnets ( 101 . 111 ) is arranged.

Energy conversion system according to one of the preceding claims, characterized in that the induction coil ( 103 ) the at least two permanent magnets ( 101 . 111 ) surmounted axially.

Energy conversion system according to one of the preceding claims, characterized by a linear arrangement of the at least two permanent magnets ( 101 . 111 ).

Energy conversion system according to one of the preceding claims, characterized by a rotationally symmetrical arrangement of the at least two permanent magnets ( 101 . 111 ).

Energy conversion system according to one of the preceding claims, characterized by an embodiment as a generator.

Energy conversion system according to one of the preceding claims, characterized by an embodiment as a motor.

Energy conversion system according to one of the preceding claims, characterized in that the induction coil has along its longitudinal extent at least a first segment and a second segment connected to the first, which are arranged and connected such that the current flow through the first segment, the current flow through the second Segment opposite direction has.