DE102010037626A1

DE102010037626A1 - Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus ungleichmäßiger Bewegung

Info

Publication number: DE102010037626A1
Application number: DE102010037626A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-03-22
Also published as: WO2012035126A3; EP2617122A2; US20130175889A1; WO2012035126A2

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie aus ungleichmäßiger Bewegung, die mindestens einen Generator umfassen, der mindestens einen Impulsgeber und mindestens eine Induktionseinheit umfasst, und die sich dadurch auszeichnen, dass die Induktionseinheit mindestens ein scheibenförmiges oder kugelförmiges Spulenelement und mindestens ein scheibenförmiges oder kugelförmiges Magnetelement umfasst, wobei das Magnetelement/die Magnetelemente frei drehbar in Bezug auf das Spulenelement/die Spulenelemente angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung, die mindestens einen Generator umfasst, der mechanische Energie aus ungleichmäßiger Bewegung in elektrische Energie umwandeln kann.
Generatoren, die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln, können auf vielen Gebieten Anwendung finden. Eines der Gebiete ist beispielsweise die Bereitstellung elektrischer Energie für tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik und der Informationstechnologie. Zu diesen Geräten zählen neben anderen Geräten auch Radios, Mobiltelefone, Navigationsgeräte, MP3-Spieler, Spielekonsolen und dergleichen. Aber auch Taschenlampen oder Campinglampen können mit Hilfe von Generatoren, die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln, betrieben werden. Ferner können die für den Betrieb der tragbaren Geräte der Unterhaltungselektronik und Informationstechnologie erforderlichen Akkumulatoren (wiederaufladbare Batterien) mit derartigen Generatoren wieder aufgeladen werden. Auch für nicht tragbare Geräte, die unabhängig von einem Stromnetz mit elektrischer Energie versorgt werden müssen, stellen Generatoren, die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln, eine Möglichkeit der Stromversorgung dar.
Im Stand der Technik sind eine Reihe von Generatoren beschrieben, die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln können.
Beispielsweise wird in der WO 97/06592 A1 eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischen Stroms beschrieben, die eine Quelle gespeicherter mechanischer Energie, einen mit der Quelle verbundenen Getriebezug, einen mit dem Ausgang des Getriebezugs verbundenen Generator und einen Steuerschaltkreis umfasst. Bei dieser Vorrichtung muss zunächst mechanische Energie gespeichert werden, bevor diese bei Bedarf in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
In der WO 2005/031952 A1 wird eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischen Stroms beschrieben, bei der miteinander gekoppelte Magneten durch eine röhrenförmige Spule geführt werden und dabei eine elektrische Spannung erzeugen. Durch Hin- und Herbewegen der miteinander gekoppelten Magneten in der röhrenförmigen Spule entlang einer Geraden lässt sich beispielsweise eine Stabtaschenlampe betreiben.
Auch in der WO 2009/126188 A2 wird ein elektromechanisches System beschrieben, bei dem eine elektrische Spannung durch Hin- und Herbewegen von Magneten entlang einer Geraden und vorbei an Spulen erzeugt wird.
Die Offenlegungsschrift EP 2 175 547 A2 offenbart eine Kombination aus einem Schwingungsapparat, der eine Energiequelle, beispielsweise ein Rad, und ein daran angeordneten Schwingungsmechanismus umfasst. Eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie interagiert mit dem Schwingungsapparat und einer Drahtspule, um Strom durch Induktion zu erzeugen, wenn der Schwingungsmechanismus schwingt. Dazu werden zwei etwa halbkreisförmig gebogene, in einer Ebene und mit gleichen Polen zueinander angeordnete Stabmagneten in einer pendelnden Bewegung durch eine ebenso gebogene Röhre geführt, die mit einer Drahtspule umwickelt ist.
Die vorgenannten Systeme sind jedoch bei der Umsetzung von ungleichmäßiger Bewegung in elektrische Energie nicht sehr wirkungsvoll. Insbesondere bei Bewegungen, die nicht entlang der Geraden erfolgt, entlang der sich die Magneten bewegen, wird keine oder kaum eine elektrische Spannung erzeugt.
Mit der WO 2007/016781 A1 wird eine Vorrichtung zur Nutzung mechanischer Energie und deren Transformation in elektrische Energie offenbart, die einen Generator sowie über ein Drehgelenk miteinander verbundene Schenkel umfasst. Mit dieser Vorrichtung kann die Bewegungsenergie einer Extremität, die sich um ein Drehgelenk dreht, in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Vorrichtung wird mit ihren Schenkeln derart an einer Person befestigt, dass die Drehachse des Drehgelenks mit der Drehachse eines Gelenks einer Extremität fluchtet, an der die Vorrichtung befestigt wird. Vorzugsweise wird die Vorrichtung am Bein in Höhe des Kniegelenks befestigt. Durch die lineare Bewegung des Gelenks um seine Drehachse wird beim Strecken des Beins die mechanische Energie in elektrische Energie überführt, wobei die Energie der langsamen Bewegung des Beins mit mechanischen Mitteln in eine für den Generator nutzbare schnelle Drehbewegung überführt wird.
Als nachteilig bei einer Vorrichtung gemäß WO 2007/016781 A1 kann angesehen werden, dass die Vorrichtung vergleichsweise unhandlich ist und die Bewegungsfreiheit des Trägers zumindest beeinträchtigt. Zudem wird elektrische Energie nur bei Bewegungen in einer Richtung erzeugt, nicht aber bei Bewegungen in die entgegengesetzte Richtung. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine komplexe Mechanik, bei der eine Reihe von Zahnrädern ineinander greifen, um die langsame Bewegung des Beins in eine schnelle, für den Generator nutzbare Drehbewegung zu überführen.
Es besteht daher ein Bedarf an Vorrichtungen, mit denen elektrische Energie aus Bewegung erzeugt werden kann, insbesondere mittels ungleichmäßiger Bewegung.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung Vorrichtungen, mit denen elektrische Energie aus der Bewegung einer Person oder eines Tieres erzeugt werden kann. In diesem Aspekt umfasst die Erfindung tragbare Vorrichtungen, die an einer Person oder der Extremität einer Person befestigbar sind und die die Bewegungsenergie der natürlichen Bewegung einer Person in elektrische Energie umwandeln können.
In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung Vorrichtungen, mit denen elektrische Energie aus der vorzugsweise ungleichmäßigen Bewegung eines unbelebten Gegenstands, beispielsweise einer Boje, erzeugt werden kann. In diesem Aspekt umfasst die Erfindung Vorrichtungen, die an dem Gegenstand befestigbar sind und die die Bewegungsenergie des Gegenstands in elektrische Energie umwandeln können.
Der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus ungleichmäßiger Bewegung liegt die Idee der Nutzung induktiver Stromerzeugung zugrunde. Dabei wird eine elektrische Spannung in einem elektrischen Leiter durch die Änderung eines äußeren, den Leiter durchdringenden Magnetfelds erzeugt. Die derart in dem Leiter induzierte Spannung kann genutzt werden, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist daher mindestens ein Spulenelement und mindestens ein Magnetelement auf, wobei Spulenelement und Magnetelement entweder scheibenförmig, radförmig oder kugelförmig ausgestaltet sind. Das Spulenelement oder das Magnetelement ist frei drehbar angeordnet, so dass sich Spulenelement und Magnetelement in Bezug zueinander drehen können. Dadurch ändert sich das Magnetfeld im Leiter des Spulenelements und erzeugt eine elektrische Spannung, die mit Hilfe eines Steuerschaltkreises in elektrischen Strom umgewandelt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner einen Impulsgeber auf, der mit dem Magnetelement oder mit dem Spulenelement verbunden ist und schon bei geringen Bewegungen der Vorrichtung zu einer möglichst hohen Roationsbeschleunigung des mit dem Impulsgeber verbundenen Spulen- oder Magnetelements führt.
Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung nutzen das Prinzip der Instabilität eines Ruhegleichgewichts aus, um elektrische Energie zu erzeugen. Das Ruhegleichgewicht des Impulsgebers kann durch Bewegungen, insbesondere durch ungleichmäßige Bewegungen leicht gestört werden. Mit dem Impulsgeber wird die ungleichmäßige Bewegung, die die Vorrichtung vollführt, wenn sie an einer sich bewegenden Person, einem sich bewegenden Tier oder einem sich bewegenden Gegenstand befestigt ist, in eine Rotationsbewegung überführt, die zur Erzeugung einer elektrischen Spannung genutzt wird.
Die von dem Impulsgeber vermittelte Rotationsbewegung sollte im Wesentlichen ohne Reibung erfolgen. Dadurch ist es möglich, dass sich Pendelbewegungen oder Rotationsbewegungen des Impulsgebers schon bei kleinen Bewegungen aufschaukeln, die die Vorrichtung vollführt. Beispielsweise kann der Impulsgeber bei dem gleichmäßigen Gang einer Person, an deren Bein die Vorrichtung befestigt ist, Rotationsbewegungen ausführen, die über 360° hinausgehen. So werden auch mehrmalige Drehungen von 360° möglich. Ferner endet die Pendelbewegung oder die Rotationsbewegung des Impulsgebers nicht abrupt, wenn die Vorrichtung nicht weiter bewegt wird. Zudem ermöglicht eine im Wesentlichen ohne Reibung erfolgende Rotationsbewegung des Impulsgebers nicht nur einen Rundlauf, sondern auch einen verzögerungsfreien Übergang von pendelartigen Bewegungen in vollständige Drehungen und umgekehrt, wobei die Vorrichtung eine elektrische Spannung unabhängig von der Drehrichtung des Impulsgeber und auch unabhängig davon, ob es sich um eine gleichförmige Drehbewegung oder eine pendelartige Bewegung des Impulsgebers (Hin- und Herbewegung) handelt, erzeugt.
1 ist eine schematische Darstellung der wesentlichen Elemente eines Generators zur Erzeugung von elektrischer Energie aus ungleichmäßiger Bewegung mittels einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 ist eine schematische Darstellung eines besonders ausgestalteten Impulsgebers.
3A bis 3D veranschaulichen unterschiedliche Anordnungen von Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie aus ungleichmäßiger Bewegung bei verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
4 veranschaulicht die wesentlichen Elemente eines Generators zur Erzeugung von elektrischer Energie aus ungleichmäßiger Bewegung mittels einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
5 zeigt das Schaltbild für eine Steuerschaltung zur Ableitung der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugten Spannung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Induktionseinheit zur Erzeugung von elektrischer Energie und einen Impulsgeber, der die ungleichmäßige Bewegung in eine Drehbewegung überführt. Die Induktionseinheit umfasst mindestens ein Spulenelement und mindestens ein Magnetelement, wobei Spulenelement(e) und Magnetelement(e) in Bezug zueinander drehbar angeordnet sind.
In einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst die Induktionseinheit mindestens ein scheibenförmiges oder radförmiges Spulenelement und mindestens ein scheibenförmiges oder radförmiges Magnetelement. In einer einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem ersten Aspekt umfasst die Induktionseinheit zwei Scheiben beziehungsweise Räder, eine erste Scheibe und eine zweite Scheibe. Die erste Scheibe fungiert als Spule. Sie repräsentiert daher das Spulenelement und wird auch als Spulenrad bezeichnet. Bei dem Spulenrad handelt es sich um eine Scheibe, die mit Draht umwickelt ist oder auf deren Oberfläche Drahtschlingen angeordnet sind, insbesondere auf der Seite, die der zweiten Scheibe zugewandt ist. In einer Ausgestaltung, in der das Spulenrad eine mit Draht umwickelte Scheibe ist, weist die Scheibe in ihrem Mittelpunkt eine mittig angeordnete Öffnung beziehungsweise ein mittig angeordnetes Loch auf, und der Draht wird auf der einen Fläche der Scheibe strahlenförmig von der mittig angeordneten Öffnung zum Rand der Scheibe und auf der gegenüberliegenden Fläche der Scheibe zurück zur mittig angeordneten Öffnung geführt. In dem Draht als elektrischen Leiter kann eine Spannung durch Änderung des Magnetfeldes im Leiter erzeugt werden.
Bei der zweiten Scheibe handelt es sich um eine Scheibe, die mehrere magnetische Sektoren oder Bereiche aufweist. Bei der zweiten Scheibe handelt es sich somit um das Magnetelement, das bei Ausführungsformen nach dem ersten Aspekt der Erfindung auch als Magnetscheibe bezeichnet wird. Die magnetischen Sektoren oder Bereiche, die die Magnetscheibe aufweist, weisen einen magnetischen Pluspol und einen magnetischen Minuspol auf, wobei die Polarisierung benachbarter Sektoren oder Bereiche bei bevorzugten Ausführungsformen gegenläufig ist. Das bedeutet beispielsweise, dass der magnetische Nordpol eines Sektors von den magnetischen Südpolen der benachbarten Sektoren flankiert wird. Es ist aber auch möglich, die magnetischen Bereiche auf der Magnetscheibe derart anzuordnen, dass die gleichen Pole von zwei benachbarten Bereichen einander zugewandt sind. Auf diese Weise lässt sich das den elektrischen Leiter der Spule durchdringende magnetische Feld verstärken.
Die Magnetscheibe und das Spulenrad sind in der der Induktionseinheit der Vorrichtung derart angeordnet, dass ihre Flächen parallel zueinander ausgerichtet, aber voneinander beabstandet sind. Die Mittelpunkte der beiden Scheiben liegen vorzugsweise entlang einer senkrecht zur Fläche der beiden Scheiben stehenden Geraden, die auch die Drehachse für eine der beiden Scheiben, der drehbar gelagerten Scheibe, darstellt. Der Abstand von Magnetscheibe zu Spulenrad ist möglichst gering, damit das Magnetfeld in der Spule möglichst groß ist. Die Magnetscheibe und das Spulenrad sind relativ zueinander frei drehbar um die durch die Mittelpunkte der Scheiben führenden, senkrecht zur Fläche der Scheiben verlaufenden Achse angeordnet, so dass die Magnetscheibe bei ihrer Relativbewegung zum Spulenrad das magnetische Feld in dem Leiter des Spulenrads ändern und eine Spannung induzieren kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Spulenrad fest in der Vorrichtung angeordnet, so dass es nicht drehbar ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Magnetscheibe drehbar gelagert, so dass sich die Magnetscheibe über dem Spulenrad drehen kann. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Spulenrad nicht nur fest in der Vorrichtung angeordnet, sondern derart in das Gehäuse der Vorrichtung integriert, dass lediglich die Spulen radförmig auf der Innenseite des Gehäuses angeordnet oder in der Gehäusewand eingebettet sind. Die Magnetscheibe ist dennoch drehbar über der Spule angeordnet und kann eine elektrische Spannung in der Spule erzeugen, ohne dass ein zweites Rad, eine Spulenrad, erforderlich ist. Diese Ausführungsformen ermöglichen einen einfachen Aufbau für einen Steuerschaltkreis, denn es sind keine Bauteile erforderlich, die einem möglichen Verschleiß unterworfen sind, um die Spule mit den weiteren Komponenten des Steuerschaltkreises zu verbinden. Grundsätzlich sind aber auch Ausführungsformen möglich, bei denen die Magnetscheibe fest in der Vorrichtung installiert und das Spulenrad drehbar gelagert ist.
Die drehbar angeordnete Scheibe der Induktionseinheit ist fest mit einem Impulsgeber verbunden. Daher ist auch der Impulsgeber drehbar. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Magnetscheibe fest mit dem Impulsgeber verbunden. In anderen Ausführungsformen kann aber auch das Spulenrad fest mit dem Impulsgeber verbunden sein. Bei diesen Ausführungsformen ist die Magnetscheibe fest in der Vorrichtung angeordnet. Die mit dem Impulsgeber fest verbundene Scheibe ist vorzugsweise über eine Verbindungsachse mit dem Impulsgeber verbunden, so dass das vom Impulsgeber vermittelte Drehmoment über die Verbindungsachse an die mit dem Impulsgeber fest verbundene Scheibe übertragen wird.
Der Impulsgeber ist derart ausgestaltet, dass er schon bei geringen Lageänderungen der Vorrichtung oder kleinen Bewegungen, die die Vorrichtung vollführt, eine möglichst hohe Rotationsbeschleunigung erfährt. Zu diesem Zweck weist der Impulsgeber eine Anordnung von mindestens einem Gewicht, vorzugsweise von zwei oder drei Gewichten auf. Als Gewicht beziehungsweise Gewichte, das/die der Impulsgeber aufweist, werden im Sinne der Erfindung Elemente verstanden, die eine bestimmte Masse aufweisen und mit der Achse, die mit der drehbar angeordneten Scheibe verbunden ist, verbunden sind. Bei dem Gewicht oder jedem der Gewichte kann es sich um einen Stab an sich handeln, der an einem seiner beiden Enden mit der Achse verbunden ist. Sofern der Impulsgeber mehrere Stäbe als Gewichte aufweist, können sich die Stäbe einer Impulseinheit in ihrer Masse voneinander unterscheiden, indem sie unterschiedliche Längen und/oder Dicken aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe von Materialien, die Kunststoffe, Kupfer, Eisen, Platin und andere Metalle umfasst.
Bei den Stäben, die der Impulsgeber als Gewichte aufweist, kann es sich auch um mit Flüssigkeit gefüllte Zylinder handeln. Dabei können sich die einzelnen Zylinder eines Impulsgebers hinsichtlich ihrer Länge, ihres Durchmessers, ihrer Wandstärken und/oder ihres Materials, aus dem sie bestehen, voneinander unterscheiden. Zudem können die unterschiedlichen Zylinder eines Impulsgebers mit unterschiedlichen Mengen an Flüssigkeit und/oder mit unterschiedlichen Flüssigkeiten gefüllt sein, die sich in ihren Dichten voneinander unterscheiden.
In besonderen Ausführungsformen kann der Stab, mehrere der Stäbe oder jeder Stab zusätzlich mit mindestens einem Gewicht versehen sein. Diese Gewichte sind über ihre die mit ihnen verbundenen Stäbe derart mit der Verbindungsachse verbunden, dass das Ruhegleichgewicht des Impulsgebers möglichst instabil ist. Das kann dadurch erreicht werden, dass diese Gewichte unterschiedliche Massen aufweisen und/oder unterschiedlich weit von der Verbindungsachse beabstandet angeordnet sind, so dass die einzelnen Gewichte des Impulsgebers unterschiedliche Drehmomente auf die Achse ausüben. Die Gewichte des Impulsgebers ermöglichen somit eine maximale Rotationsbeschleunigung bei schon geringer Lageänderung. Allerdings sollten die einzelnen Gewichte eines Impulsgebers nicht zu stark unterschiedliche Drehmomente auf die Achse ausüben, denn dann ermöglichen die Gewichte einen möglichst ruhigen Rundlauf, wenn sich der Impulsgeber beispielsweise mehrfach vollständig um die Verbindungsachse dreht.
In einer Ausführungsform, die eine Impulseinheit mit zwei Gewichten umfasst, sind die beiden Gewichte unterschiedlich weit von der Drehachse entfernt und/oder weisen unterschiedliche Massen auf, erzeugen für sich betrachtet jedoch in jedem Fall unterschiedliche Drehmomente. In einer Ausführungsform mit drei Gewichten weisen mindestens zwei der drei Gewichte unterschiedliche Massen auf und/oder sind unterschiedlich weit von der Drehachse entfernt, so dass mindestens zwei der drei Gewichte für sich betrachtet unterschiedliche Drehmomente erzeugen. Die Gewichte können alternativ oder zusätzlich so angeordnet sein, dass sie bei zwei Gewichten nicht in einem Winkel von 180° zwischen ihnen oder bei drei Gewichten nicht in einem Winkel von 120° zwischen ihnen mit der Drehachse verbunden sind. Eine Ausführungsform mit vier Gewichten kann bei Aufsicht beispielsweise in Form des griechischen Buschstaben Psi ausgestaltet sein, wobei die Drehachse im Knotenpunkt der einzelnen Schenkel liegt.
Der Impulsgeber überführt die ungleichmäßige Bewegung, die die Vorrichtung vollführt, in eine Dreh- oder Pendelbewegung, die auf die mit dem Impulsgeber verbundene Scheibe übertragen wird.
In einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung ist jedes der Gewichte des Impulsgebers beweglich auf oder an einem separaten Stab gelagert. Dazu kann jedes Gewicht eine Bohrung aufweisen, durch die einer der Stäbe gesteckt werden kann. Jeder Stab des Impulsgebers ist mit einem seiner beiden Enden mit der Drehachse verbunden. Die einzelnen Stäbe weisen radiär von der Achse weg. Vorzugsweise ist der Winkel zwischen den einzelnen Stäben gleich. Jeder Stab kann an seinem Ende, dass nicht mit der Achse verbunden ist, eine Sperre aufweisen, die verhindert, dass ein auf den Stab gestecktes Gewicht von dem Stab abgezogen werden kann.
Zwischen der Drehachse des Impulsgebers und jedem Gewicht kann eine Sprungfeder aus Metall angeordnet sein, die vorzugsweise den jeweiligen Stab umgibt und die das auf dem Stab gesteckte Gewicht auf Abstand zur Drehachse hält. Gleichzeitig sind die einzelnen Gewichte über separate Fäden oder Drähte mit einer auf die Drehachse gesteckten Rolle als Winde verbunden. Die Rolle kann über einen Drehknauf betätigt und unabhängig von der Drehachse gedreht werden, wobei eine Arretierung der Rolle möglich ist, so dass sie sich mit der Drehachse drehen kann. Mit Hilfe der als Winde fungierenden Rolle können die Gewichte entlang der Stäbe und entgegen der Federkraft näher an der Drehachse oder weiter weg platziert werden. Dadurch kann der Abstand der Gewichte zur Achse individuell eingestellt und die Drehfrequenz des Impulsgebers an/auf verschiedene Bewegungsbedingungen (Gehen, Laufen, Joggen, Rennen) angepasst werden. Die Einstellung der Fadenlänge erfolgt vorzugsweise über einen Knauf, der außen am Impulsgeber angeordnet ist.
Bei einer anderen Ausführungsform eines Impulsgebers mit Gewichten, deren Abstand von der Drehachse einstellbar ist, kann die Positionierung der Gewichte entlang ihrer Stäbe mit Hilfe eines Rundlaufdrahtes erfolgen. Bei dieser Ausführungsform ist das Gewicht oder sind die Gewichte eines Impulsgebers an einer Schlinge aus Draht oder Faden befestigt. Jede Schlinge erstreckt sich bewegbar entlang eines Stabes von dessen distalen Ende, also dem Ende, das nicht mit der Achse verbunden ist, an dem der Draht oder Faden umgelenkt wird, bis zur Basis des Stabes, an dem der Draht oder Faden der Schlinge ebenfalls umgelenkt wird. Die Umlenkrolle an der Basis jeden Stabes ist mit einem Mechanismus zum Verstellen der Position des an dem Draht oder Faden befestigten Gewichts entlang des Stabes versehen. Bei diesem Mechanismus kann es sich um ein Seilzugsystem handeln. Über die Betätigung eines gemeinsamen Drehknaufs oder einzelner Drehknäufe können die an dem Draht oder Faden befestigten Gewichte über den Draht oder Faden, je nach Drehrichtung, zur Achse oder von der Achse weg gezogen und auf diese Weise entlang ihres Stabes positioniert und von der Achse beabstandet werden.
Bei besonderen Ausführungsformen kann der Impulsgeber mit der Magnetscheibe oder dem Spulenrad derart zu einer Einheit zusammengefasst werden, dass die Gewichte direkt an der Magnetscheibe oder dem Spulenrad befestigt sind. Die Befestigung der Gewichte an der Magnetscheibe oder dem Spulenrad kann beispielsweise durch kleben, schrauben, nageln oder schweißen erfolgen. Der Impulsgeber ist bei diesen Ausführungsformen nicht über eine Achse mit der Magnetscheibe oder dem Spulenrad verbunden. Bei derartigen Ausführungsformen sind der Impulsgeber und ein Teil der Induktionseinheit dasselbe Bauteil. Vorteilhafterweise können bei den Ausgestaltungen dieser Ausführungsformen, bei denen der Impulsgeber mit der Magnetscheibe zu einer Einheit zusammengefasst sind, die Gewichte selbst Magneten sein, so dass zusätzlich zu den Magneten als Gewichte keine zusätzlichen Gewichte oder Stangen benötigt werden. Die Gewichte können bei den Ausführungsformen, bei denen der Impulsgeber direkt mit der Magnetscheibe oder dem Spulenrad zu einer Einheit zusammengefasst ist, wie vorstehend für den Impulsgeber dargelegt auch in ihrem Abstand zur Drehachse der Magnetscheibe oder dem Spulenrad, an dem sie befestigt sind, einstellbar befestigt sein.
Vorzugsweise ist die Impulseinheit direkt und fest mit der Scheibe verbunden. Bei anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jedoch ein Getriebe zwischen Impulseinheit und Induktionseinheit geschaltet sein. Dabei ist die Impulseinheit fest mit einem Zahnrad verbunden und die Scheibe mit einem anderen Zahnrad, wobei sich die Zahnräder in Durchmesser und Zahnzahl voneinander unterscheiden. Durch das Getriebe kann die Leistung/Effektivität der Vorrichtung erhöht werden, indem beispielsweise die Drehzahl der Magnetscheibe in Bezug auf die Drehzahl des Impulsgebers erhöht wird.
In einer anderen Ausführungsform können die Impulseinheit und die drehbare Scheibe der Induktionseinheit über einen Keilriemen oder eine Kette miteinander verbunden sein. Auf diese Weise lassen sich kompaktere Vorrichtungen realisieren, die insbesondere für tragbare Vorrichtungen von Vorteil sind.
In einer einfachen Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Magnetscheibe und ein Spulenrad auf. In alternativen Ausführungsformen kann die Vorrichtung auch zwei Spulenringe und eine zwischen den beiden Spulenringen angeordnete Magnetscheibe aufweisen. Es ist aber auch möglich, die Vorrichtung mit zwei Magnetscheiben zu versehen, zwischen denen ein Spulenrad angeordnet ist. Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Impulsgeber ein Zahnrad auf, das auf der Drehachse angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform können mehrere Induktionseinheiten mittels eines einzigen Impulsgebers betrieben werden. Dazu weist jede der Induktionseinheiten ein Zahnrad auf, das mit der Magnetscheibe und/oder dem Spulenrad fluchtet und mit dem Zahnrad des Impulsgebers reibschlüssig interagiert. Dadurch kann die Dreh- oder Pendelbewegung des Impulsgebers über sein Zahnrad auf die Zahnräder der Induktionseinheiten übertragen werden.
In einer anderen Ausführungsform weist die Vorrichtung zwei miteinander verbundene Impulsgeber auf, wobei jeder Impulsgeber eine Magnetscheibe aufweist, und die beiden Magnetscheiben einen einzigen Spulenring oder zwei parallel zueinander angeordnete Spulenringe flankieren. Vorzugsweise sind die beiden Impulsgeber unabhängig voneinander bewegbar. Durch das Anordnen eines zweiten Impulsgebers mit verschiedenen Gewichten wird eine bessere Ausnutzung verschiedenen Geschwindigkeiten erreicht, da die verschiedenen Impulseinheiten ihr Leistungsmaximum bei unterschiedlichen Bewegungen haben. Die beiden Impulsgeber können auch auf der gleichen Seite angeordnet sein, bewegen sich aber unabhängig voneinander, beispielsweise über ineinander laufenden Drehachsen.
In besonderen Ausführungsformen kann die Vorrichtung zwei Magnetscheiben aufweisen, die durch einen Impulsgeber angetrieben werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Vorrichtung zwei Spulenringe aufweisen, die einen Magnetring flankieren. In weiteren Ausführungsformen der kann die Vorrichtung eine Induktionseinheit mit mehreren Magnetscheiben und mehreren Spulenringen umfassen, wobei die Magnetscheiben und die Spulenringe alternierend aufeinanderfolgend entlang der Drehachse angeordnet sind. Derartige Anordnungen, die zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr aufeinander folgende Kombinationen aus Magnetscheibe und Spulenring aufweisen, können insbesondere bei größeren Gegenständen verwendet werden, beispielsweise Bojen, um aus derer Bewegungen Strom zu erzeugen.
Es ist auch möglich, mehrere separate Generatoren in einer Vorrichtung miteinander zu kombinieren, um verschiedene Bewegungsfrequenzen und Bewegungsrichtungen optimal auszunutzen. Beispielsweise ist eine Vorrichtung mit drei Generatoren möglich, die in Form eines Dreiecks zueinander angeordnet sind. Diese Vorrichtung kann Bewegungsimpulse aus drei Richtungen optimal in elektrischen Strom umwandeln. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung drei Generatoren auf, die derart angeordnet sind, dass die Drehachsen der drei Generatoren senkrecht zueinander stehen. Hierbei entsprechen die drei Drehachsen den drei senkrecht aufeinander stehenden Raumachsen. Durch diese Anordnung der drei Generatoren, jeweils umfassend eine Induktionseinheit und einen Impulsgeber, können alle Bewegungen der Vorrichtung im Raum, unabhängig von ihrer Richtung optimal zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden.
Eine alternative Ausführungsform, mit der sich Bewegungsimpulse aus beliebigen Richtungen möglichst wirksam nutzen lassen, ist die Ausgestaltung des Generators als Kugelgenerator, bei dem das Spulenelement und das Magnetelement als Kugeln ausgebildet sind. Vorzugsweise ist das Magnetelement als kleinere Kugel im Hohlraum einer größeren Kugel angeordnet, die Drahtwindungen für die induktive Stromerzeugung aufweist und damit als Spulenelement dient. Der Zwischenraum zwischen der Innenwand der äußeren Kugel und der Außenwand der kleinere Kugel sollte nicht größer als unbedingt erforderliche sein, damit die Bewegungen der inneren Kugel im Wesentlichen auf Rotationsbewegungen beschränkt ist und translationale Bewegungen im Wesentlichen vermieden werden. Der Zwischenraum zwischen der Innenwand der äußeren Kugel und der Außenwand der kleineren Kugel ist so bemessen, dass die innere Kugel frei drehbar ist. Der Zwischenraum zwischen der Innenwand der äußeren Kugel und der Außenwand der kleineren Kugel ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, in der die kleinere Kugel frei schwimmt. Dadurch wird eine im Wesentlichen reibungsfreie Rotationsbewegung der inneren Kugel in jede beliebige Richtung ermöglicht. Dieses Prinzip ist beispielsweise von Kugelkompassen bekannt. Das optimale Spaltmaß des Zwischenraums hängt von der Größe des Kugelgenerators ab und kann vom Fachmann ohne weiteres ermittelt werden.
Die kleinere Kugel umfasst mindestens ein Gewicht, das sich beispielsweise im Inneren eines als Hohlkugel ausgestalteten Magnetelements befinden kann. Das Gewicht kann auch durch mindestens einen Bereich größerer Materialstärke oder Materialdichte repräsentiert werden, den die Wand des als Hohlkugel ausgebildeten Magnetelements aufweist. Dieses Gewicht sorgt dafür, dass sich das Magnetelement der Schwerkraft entsprechend immer gleich ausrichtet. Bei den Ausführungsformen mit kugelförmiger Induktionseinheit, umfassend ein kugelförmiges Spulenelement und ein kugelförmiges Magnetelement, repräsentiert das Gewicht des Magnetelements den Impulsgeber.
Unter dem Begriff „kugelförmiges Magnetelement” werden im Sinne der vorliegenden Erfindung auch Magnetelemente verstanden, die als Kugelsegment, Halbkugel oder Kugelschicht bestimmter Höhe ausgestaltet sind. Der Begriff „kugelförmiges Magnetelement” umfasst darüber hinaus auch Ausgestaltungen, die ein Kugelsegment, eine Halbkugel oder eine Kugelschicht umfassen und zusätzlich ein oder mehrere, vorzugsweise an der Grundfläche des Kugelsegments, der Halbkugel oder der Kugelschicht angeordnete Körper in Form eines oder mehrerer Quader, Zylinder, Ringe, Scheiben oder dergleichen aufweisen.
Als Flüssigkeit im Zwischenraum zwischen der Außenwand der inneren Kugel und der Innenwand der äußeren Kugel kommen verschiedene Flüssigkeiten in Betracht. Geeignete Flüssigkeiten reagieren weder chemisch noch physikalisch mit den anderen Materialien des Generators. Durch die Verwendung derartiger Flüssigkeiten wird eine Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit des Generators vermieden. Beispielsweise ist darauf zu achten, dass die Flüssigkeit kein Lösungsmittel für eines der Materialien darstellt, mit dem sie in Kontakt kommt. Die Flüssigkeit sollte auch so gewählt sein, dass keine chemische Reaktion mit einem der Materialien, mit dem sie in Kontakt kommt, stattfindet. Geeignete Flüssigkeiten sind beispielsweise Wasser oder ein kurzkettiger Alkohol wie Methanol, Ethanol, Propanol oder Butanol. Weitere Flüssigkeiten, die verwendet werden können, sind dem Fachmann bekannt. Zu diesen Flüssigkeiten zählen beispielsweise niedrig viskose Öle. In einer besonderen Ausführungsform können auch zwei nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten verwendet werden. Bevorzugt haben die Flüssigkeiten keinen Einfluss auf die Induktion. Die Flüssigkeit kann Einfluss auf die Induktion haben.
Die Flüssigkeit im Zwischenraum ist so gewählt, dass der Auftrieb der inneren Kugel durch die Flüssigkeit und die Masse der inneren Kugel gegeneinander genau austariert sind. Dadurch wird die innere Kugel in der äußeren Kugel in einem Schwebezustand gehalten, so dass eine fast reibungsfreie Bewegung der inneren Kugel in der äußeren Kugel ermöglicht wird. Beispielsweise kann als Flüssigkeit ein Gemisch aus Wasser und einem Alkohol verwendet werden, wobei die Dichte des Wasser-Alkohol-Gemisches durch das Mischungsverhältnis von Wasser zu Alkohol in dem Gemisch eingestellt werden kann.
In besonderen Ausführungsformen ist das Magnetelement im Inneren des kugelförmigen Spulenelements nicht als Kugel ausgebildet, sondern in Form eines Ringes oder Rades, oder in Form von mindestens zwei miteinander verbundenen Ringen oder Rädern. Vorzugsweise schwimmt oder schwebt das in Form eines Ringes oder Rades ausgebildete Magnetelement in Ruhelage horizontal ausgerichtet in der Flüssigkeit. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Magnetelement in Form von zwei miteinander verbundenen Ringen oder Rädern ausgebildet, wobei die beiden Ringe beziehungsweise Räder vorzugsweise in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform repräsentieren die beiden miteinander verbundenen Ringe jeweils einen Winkel von 90° einschließende Längenkreise einer imaginären Kugel.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Magnetelement nicht als Kugel ausgebildet, sondern in Form von drei, senkrecht zueinander stehenden und miteinander verbundenen Ringen oder Rädern, so dass zwei der drei Ringe beziehungsweise Räder jeweils einen Winkel von 90° einschließende Längenkreise und der dritte Ring beziehungsweise das dritte Rad den Äquatorring einer imaginären Kugel repräsentieren.
In einer besonderen Ausführungsform ist die innere Kugel mit Fortsätzen versehen, über die sie selbst durch die Flüssigkeit bewegt werden kann. Entsprechendes gilt auch für die äußere Kugel. Allerdings muss die freie Drehbarkeit der Kugeln zueinander gewährleistet sein.
Anstatt mit Fortsätzen kann auch mit Einkerbungen gearbeitet werden, was zu einem reibungslosen Gleiten Schwimmen der Kugeln ineinander führt. Durch die Einkerbungen können Bewegungen der Kugeln untereinander oder die Bewegung der Flüssigkeit auf eine oder beide Kugeln übertragen werden.
Die Vorrichtungen, die besonders gut für die Nutzung von Bewegungen in beliebige Richtungen geeignet sind, werden vorzugsweise zur Erzeugung von elektrischem Strom durch Wellenbewegungen verwendet, beispielsweise auf Bojen.
Die mittels der Induktionseinheit im Leiter erzeugte Wechselspannung wird durch ein elektronisches Bauteil gleichgerichtet, dass der Strom unabhängig von der die Spannung erzeugenden Bewegungsrichtung des Impulsgebers nur in eine Richtung fließt. Derartige Bauteile weisen eine gleichrichtende Schaltung auf, die auch unter dem Begriff der Graetz-Schaltung bekannt ist.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Bewegung verwendet werden, insbesondere aus ungleichförmiger Bewegung.
Es besteht auch die Möglichkeit, bei entsprechender Anordnung von Magneten und Induktionswindungen, den Prozess umzukehren und über Stromeingabe die Apparatur wie einen Motor zu betreiben, beispielsweise als Pumpe.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Bewegungsenergie.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Figuren näher erläutert. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Figuren lediglich veranschaulichende Bedeutung haben und die Erfindung in keiner Weise einschränken.
1 zeigt die wesentlichen Komponenten einer Ausführungsform eines Generators zur Erzeugung von elektrischer Energie aus ungleichmäßiger Bewegung gemäß der Erfindung. Der Generator 1 umfasst einen Impulsgeber 2 und eine Induktionseinheit 3, die ein Spulenrad 4 und eine Magnetscheibe 5 umfasst. Die Magnetscheibe 5 ist über eine Achse 6 mit dem Impulsgeber 2 verbunden. Der Impulsgeber 2 weist drei Gewichte 7, 7' und 7'' auf, die jeweils über einen kurzen Stab 8, 8', 8'' mit der Achse 6 verbunden sind.
Bei einer Bewegung des Generators wird der Impulsgeber 2 in eine Drehbewegung versetzt, so dass sich die Magnetscheibe, die magnetische Sektoren oder Bereiche aufweist, dreht. Dadurch ändert sich das magnetische Feld in dem Leiter (nicht dargestellt), den das Spulenrad aufweist, und es wird eine Spannung in dem Leiter induziert.
2 veranschaulicht die wesentlichen Elemente einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Impulsgeber 2 weist drei mit der Achse 6 verbundene Stäbe 8, 8', 8'' auf. Auf jedem der drei Stäbe ist ein Gewicht 7, 7', 7'' beweglich angeordnet, derart dass jedes Gewicht bei einer Drehbewegung um die Achse 6 entsprechend der Fliehkraft zu den äußeren Enden der Stäbe 8, 8', 8'' bewegbar sind. Die Gewichte 7, 7', 7'' sind über einen Faden oder einen Draht 9, 9'' (für Gewicht 7' nicht dargestellt) mit einer Rolle 10 verbunden, die drehbar auf der Achse 6 gelagert ist und auf die die Fäden oder Drähte unabhängig von einer Drehung der Achse 6 aufgewickelt werden können. Durch das Aufwickeln der Drähte oder Fäden können die Gewichte 7, 7', 7'' entlang ihrer Stäbe 8, 8', 8'' näher an der Achse 6 positioniert werden, so dass der Abstand der Gewichte zur Achse 6 einstellbar ist. Die Fäden oder Drähte wirken der Fliehkraft entgegen, der die Gewichte 7, 7', 7'' bei einer Rotationsbewegung des Impulsgebers um die Achse 6 ausgesetzt sind und verhindern dadurch ein unbeabsichtigtes, der Fliehkraft folgendes nach außen Rutschen der Gewichte bei der Drehung. Eine zwischen Achse 6 und Gewicht 7 angeordnete Sprungfeder 11 (für die Gewichte 7' und 7'' nicht dargestellt) hält das Gewicht 7 auch im Ruhezustand der Vorrichtung auf Abstand zur Achse 6. Durch das über das Aufwickeln der Fäden oder Drähte erfolgende Positionieren der Gewichte kann deren Abstand zur Achse 6 eingestellt werden, so dass das von den einzelnen Gewichten ausgeübte Drehmoment der Intensität der ungleichmäßigen Bewegung angepasst werden kann. Die Zugkraft der Fäden und die Sprungkraft der Federn wirken entgegengesetzt und gewährleisten eine präzise Positionierbarkeit der Gewichte an den Stäben
3A bis 3D zeigt verschiedene Ausführungsformen. Gemäß 3A kann der Generator eine Spulenrad umfassen, die zwischen zwei Magnetscheiben 5, 5' angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Magnetscheiden 5, 5' über eine Achse 6, die durch eine Bohrung in dem Spulenrad reicht, miteinander verbunden.
In einer anderen Ausführungsform, wie sie in 3B dargestellt wird, kann der Generator zwei Spulenäder 4, 4' aufweisen, zwischen denen eine Magnetscheibe 5 positioniert ist.
Bei der Ausführungsform gemäß 3C weist der Generator zwei Impulsgeber 2, 2' auf, die mit jeweils einer Magnetscheibe 5, 5' verbunden sind. Die Impulsgeber 2, 2' sind mit Ihren Magnetscheiben 5, 5' auf den entgegengesetzten Seiten eines Spulenrads 4 angeordnet.
Bei der Ausführungsform gemäß 3D weist die Vorrichtung drei Generatoren auf, die derart zueinander angeordnet sind, dass die scheibenförmigen Induktionseinheiten die Seiten eines gleichseitigen Dreiecks bilden.
4 ist eine Schemazeichnung eines Querschnitts durch eine Ausführungsform des Generators mit kugelförmigen Spulen- und Magnetelementen. Das Magnetelement 50 ist im Hohlraum eines kugelförmigen Spulenelements 40 angeordnet. Der Zwischenraum zwischen Spulenelement 40 und Magnetelement 50 ist mit einer Flüssigkeit 60 gefüllt, in der das Magnetelement 50 frei schweben kann. Dadurch kann sich das Magnetelement 50, relativ zum Spulenelement 40, in jeder beliebigen Richtung frei drehen.
5 veranschaulicht eine elektronische Schaltung 100, mit der die erzeugte Spannung unabhängig von ihrer Polarisation in Gleichstrom umgewandelt werden kann. Die von der Spule 110 erzeugte Spannung wird durch die Gleichrichter 130 in Gleichstrom für den Verbraucher 120 umgewandelt. Ein Kondensator 140 dient der Regulierung des Stroms, da der von der Induktionseinheit erzeugte Strom stark schwankt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 97/06592 A1 [0004]
WO 2005/031952 A1 [0005]
WO 2009/126188 A2 [0006]
EP 2175547 A2 [0007]
WO 2007/016781 A1 [0009, 0010]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Strom aus ungleichmäßiger Bewegung, umfassend mindestens einen Generator, der mindestens einen Impulsgeber und mindestens eine Induktionseinheit umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionseinheit mindestens ein scheibenförmiges oder kugelförmiges Spulenelement und mindestens ein scheibenförmiges oder kugelförmiges Magnetelement umfasst, wobei das Magnetelement/die Magnetelemente frei drehbar in Bezug auf das Spulenelement/die Spulenelemente angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber mindestens zwei Gewichte, vorzugsweise drei Gewichte, besonders bevorzugt vier oder mehr Gewichte umfasst, die unterschiedliche Massen und/oder unterschiedliche Abstände zur Drehachse der Impulseinheit aufweisen und für sich betrachtet unterschiedliche Drehmomente erzeugen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichte des Impulsgebers bei scheibenförmigem Spulen- und Magnetelement beweglich auf radial mit der Achse verbundenen Stäben angeordnet sind, wobei jedes Gewicht über einen separaten Faden oder Draht mit einer Rolle verbunden ist, die unabhängig von einer Drehung der Achse drehbar und an der Achse arretierbar ist, und jeder Stab von einer Sprungfeder umgeben ist, die zwischen Achse und Gewicht angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Generatoren umfasst, die derart angeordnet sind, dass ihre scheibenförmigen Spulenelemente und Magnetelemente senkrecht zueinander stehen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie drei Generatoren umfasst, die derart angeordnet sind, dass ihre scheibenförmigen Spulenelemente und Magnetelemente senkrecht zueinander stehen oder die Seiten eines Dreiecks repräsentieren.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente fest in der Vorrichtung angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente fest in der Vorrichtung angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kugelförmige Magnetelement in einem als Hohlkugel ausgebildeten kugelförmigen Spulenelement angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen dem Magnetelement und dem Spulenelement mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, in der das Magnetelement schwebt oder schwimmt.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung elektrischer Energie.