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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung einer Spule und eines Schwungkörpers.
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Vorrichtungen zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie oder insbesondere zur Umwandlung von Vibrationen in elektrische Energie sind in der Regel resonante Feder-Masse-Dämpfer-Systeme. Derartige Umwandler werden auch Vibrationswandler genannt. Bei diesen wird der Effekt der Resonanz ausgenutzt, um den Energieübertrag der Vibration in den Vibrationswandler zu maximieren bzw. die üblicherweise kleinen Vibrationsamplituden in große innere Auslenkungen der Schwungmasse zu verstärken. Ist die Vibrationsamplitude bzw. die Dimension der anregenden Bewegungsfunktion jedoch größer als die innere Auslenkung des Vibrationswandlers ist ein Betreiben des Vibrationswandlers bei seiner Resonanzfrequenz nicht vorteilhaft. Ausgenommen hiervon ist das Betreiben eines Wandlers bei einer Impulsanregung, bei der ein resonanter Wandler einmalig ausgelenkt wird und danach mit seiner Resonanzfrequenz ausschwingt. In der Praxis kommen großräumige Anregungsfunktionen häufig vor, z. B. Bewegung eines Menschen, Positionier- und Robotersysteme, Werkzeugmaschinen.
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Ein Mechanismus zur effektiven Umwandlung von kinetischer Energie bei großräumigen Bewegungen in elektrische Energie stammt von der Firma Seiko und ist in 7 gezeigt.
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7 zeigt eine Vorrichtung 10, die einen Schwungkörper 11 mit einer Schwungmasse aufweist. Die Schwungmasse 11 ist auf einer Achse 14 rotorisch gelagert und befindet sich mit einer Übersetzung 16, die auf einer Antriebsseite 16a mit dem Schwungkörper 11 an der Achse 14 verbunden ist, in Eingriff. Auf einer der Antriebsseite 16a gegenüberliegenden Abtriebsseite 16b der Übersetzungsstufe 16 befindet sich ein Rotor 18a mit der Übersetzungsstufe 16 in Eingriff. Dieser Rotor 18a gehört zu einem Generator 18.
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Der Schwungkörper 11 kann durch eine Bewegung, die in ihrer Auslenkung wesentlich größer als die innere Auslenkung des Schwungkörpers 11 ist, beispielsweise einer Armbewegung, oder durch horizontale Beschleunigungsimpulse, z. B. beim Anfahren bzw. Abbremsen von Roboterbewegungen, zum Schwingen angeregt werden. Hierbei rotiert der Schwungkörper 11 um die Achse 14, so dass die kinetische Energie z. B. einer geradlinigen Bewegung in rotorische Energie gewandelt wird. Die rotorische Energie wird mittels der Übersetzungsstufe 16 an den Generator 18 übertragen und in elektrische Energie gewandelt, indem ein in einem Magnetfeld rotierender Rotor 18a mit einem magnetischen Fluss einen Strom in einer Spule induziert. Mit diesem induzierten Strom kann z. B. eine Armbanduhr durch Bewegung des Armgelenks mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Energiewandlung basiert maßgeblich auf einer Änderung der Gravitationsrichtung, wobei prinzipiell auch Beschleunigungsimpulse, z. B. beim Anfahren bzw. Abbremsen von Roboterbewegungen, genutzt werden können, solange es sich um horizontale Bewegungen, d. h. Rotationsachse der Unwucht senkrecht zur Erdbeschleunigung, handelt.
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Die Patentschrift
US 2011/0 074 162 A1 zeigt einen Energie-Harvester mit zwei Massenelementen, wobei diese Massenelemente einen Bewegungsraum innerhalb des Gehäuses haben. Ferner ist zumindest das zweite Massenelement derart angeordnet, dass auf dieses stoßartig kinetische Energie von dem ersten Massenelement übertragen werden kann (vgl. Anspruch 1). Entsprechend
9 können sich die zwei Massenelemente rotorisch bewegen.
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Die Patentschrift
DE 27 28 629 A1 zeigt eine Vorrichtung, die einen Elektromagneten bzw. ein Relais bildet und nicht eine Vorrichtung zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie.
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Von T. v Büren, G. Tröster wird in ”Design and optimization of a linear vibration-driven electromagnetic micro-power generator”, Sensors and Actuators ein Ansatz beschrieben, bei dem Körperbewegungen mit üblichen resonanten Vibrationswandlern konvertiert werden. Mit einem Prototype (~30 cm3) konnten beim Laufen mittlere Leistungen von ca. 50 μW erreicht werden. In der meisten Zeit sind hier allerdings die Spannungen kleiner 1 V, was signifikante Verluste durch die Spannungsgleichrichtung bewirkt.
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Ein weiterer Ansatz basiert auf einer Kugel, die sich in einem durch Piezobalken begrenzten, viereckigen Raum befindet und beim Anschlagen elektrische Energie generiert, wobei die erreichten Leistungen und Spannungen jedoch unter einem technisch relevanten Bereich liegen. Im Gegensatz zu den genannten schwingfähigen Systemen wurde von der Firma EnOcean ein Schalter entwickelt, der elektrische Energie generiert, indem eine magnetische Flussumkehr in einer Spule durch einen Tastendruck erreicht wird. Dieses System ist kraftgesteuert und kann nicht zur Konvertierung von großräumigen Bewegungen verwendet werden. Es besitzt allerdings den charakteristischen Vorteil, dass die elektrische Energie zwar in einem kurzen Impuls, dafür aber mit hoher Leistung und hoher Spannung zur Verfügung steht, während bei Vibrationswandlern das verfügbare Spannungslevel üblicherweise sehr schnell unter 1 V sinkt, was die Effizient des Gesamtsystems deutlich verringert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Umwandlung kinetischer Energie, insbesondere in Folge von großräumigen Bewegungen bzw. Impulsanregungen, in elektrische Energie mit einer hohen Effizienz zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie, die folgende Merkmale aufweist:
eine Spule,
einen Schwungkörper mit einer ersten Schwungmasse und einer zweiten Schwungmasse, wobei die erste Schwungmasse und die zweite Schwungmasse relativ zueinander zwischen einer ersten Stellung, in der Eingriffnahmeabschnitte der ersten und zweiten Schwungmasse in Eingriff sind, und einer zweiten Stellung, in der andere Eingriffnahmeabschnitte der ersten und zweiten Schwungmasse in Eingriff sind, bewegbar sind,
wobei der Schwungkörper einen Magneten aufweist und relativ zu der Spule auf einer Bewegungsbahn zwischen zwei Umkehrpunkten bewegbar ist, um einen Strom in der Spule zu induzieren,
wobei der Schwungkörper einen magnetischen Fluss durch die Spule vorgibt, der eine erste Richtung hat, wenn die zwei Schwungmassen in der ersten Stellung sind, und eine entgegengesetzte zweite Richtung, wenn die zwei Schwungmassen in der zweiten Stellung sind,
wobei die Vorrichtung derart ausgelegt ist, dass an den Umkehrpunkten eine Umkehr der Bewegungsrichtung des Schwungskörpers und eine Stellungsänderung der zwei Schwungmassen von der ersten in die zweite Stellung oder umgekehrt stattfinden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Vorrichtung zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie, die mehrere Vorteile bekannter Ansätze kombiniert. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen die Ausnutzung von Anregbarkeiten mit großräumigen Bewegungen, Vibrationen oder Impulsen verbunden mit einer hohen Gesamtsystem-Effizienz mit einem hohen Spannungslevel.
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Hierzu wird bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ein Schwungkörper, der Teil eines Feder-Masse-Systems ist, mit einem Magneten, der einen magnetischen Fluss durch eine Spule vorgibt, relativ zu der Spule zum Schwingen auf einer Bewegungsbahn zwischen zwei Umkehrpunkten angeregt, wobei die Richtung des magnetischen Flusses an den Umkehrpunkten geändert wird, so dass hierdurch in der Spule ein Strom induziert wird.
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Die Bewegungsbahn des Schwungkörpers ist bei Ausführungsbeispielen durch zwei gefederte Anschläge an Umkehrpunkten begrenzt, an denen die Bewegung des beispielsweise durch einen Impuls angeregten Schwungkörpers umgekehrt wird, so dass dieser zwischen den Umkehrpunkten hin- und herschwingt. Des Weiteren ist der Schwungkörper durch zwei relativ zueinander bewegbare Schwungmassen gebildet, die eine erste und eine zweite Stellung einnehmen können. Über diese Stellungen wird die Richtung des magnetischen Flusses des Schwungskörpers definiert, so dass der magnetische Fluss des Schwungkörpers in der ersten Stellung eine erste Richtung und in der zweiten Stellung eine zweite der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung aufweist. Die Stellungsänderung der zwei Schwungmassen zueinander und damit auch die Änderung der Richtung des magnetischen Flusses erfolgt an den Umkehrpunkten.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wirkt eine Feder eines gefederten Anschlags auf eine der zwei Schwungmassen, während eine Trägheit auf die andere Schwungmasse in entgegengesetzter Richtung wirkt und so eine Stellungsänderung der zwei Schwungmassen von der ersten in die zweite Stellung oder umgekehrt erfolgt.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung erfolgt bei der Stellungsänderung der Schwungmassen eine Umkehr der Richtung des magnetischen Flusses, so dass bei jedem Wechsel der Bewegungsrichtung ein Stromimpuls in der Spule induziert werden kann. Hierdurch können Spannungs- und Leistungsprobleme bei der Umwandelung kinetischer Energie, z. B. Vibration oder Impulse, in elektrische Energie reduziert werden. Auf diese Weise ermöglichen Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine effiziente Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden Bezug nehmend auf die nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2a, 2b eine schematische Darstellung der zwei Schwungmassen von 1 in einer ersten bzw. einer zweiten Stellung;
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3 eine schematische Schnittdarstellung eines Ersatzmodells für das Ausführungsbeispiel von 1;
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4a–4d eine schematische Schnittdarstellung eines Ersatzmodells für ein weiteres Ausführungsbeispiel;
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5 Graphen zur Veranschaulichung von Einstellungsparametern von gefederten Anschlägen an den Umkehrpunkten;
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6a–6b Graphen bei einer Vorrichtung zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen der Anregung durch eine kinetische Energie und der resultierenden elektrischen Energie gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 1; und
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7 eine schematische Darstellung eines Energiewandlers gemäß dem Stand der Technik.
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Bezugnehmend auf 1, 2a und 2b wird im Folgenden eine Vorrichtung 20 zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie beschrieben. Sie weist eine Spule 26 und einen Schwungkörper 12 auf, wobei letzterer eine erste Schwungmasse 28 und eine zweite Schwungmasse 30 umfasst.
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Die Schwungmassen 28 und 30 sind relativ zu der Spule 26 und zueinander auf einer Bewegungsbahn 21 mit zwei Umkehrpunkten 56a, 56b bewegbar. Dazu sind dieselben gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils um eine Achse 22 drehbar gelagert, so dass gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Bewegungsbahn 21 einem Kreissegment entspricht, deren zwei Enden durch die Umkehrpunkte 56a und 56b definiert sind.
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Die Bewegung der Schwungmassen 28 und 30 zueinander ist eingeschränkt, und zwar auf Stellungen zwischen einer ersten stabilen Stellung 60 (2a) zwischen denselben, in der Eingriffnahmeabschnitte 62b, 64b, 66a und 68a der ersten und zweiten Schwungmasse 28 und 30 in Eingriff sind, und einer zweiten stabilen Stellung 70, in der andere Eingriffnahmeabschnitte 62a, 64a, 66b und 68b der ersten und zweiten Schwungmasse 28 und 30 in Eingriff sind.
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Der Schwungkörper 12 weist ferner einen Magneten 32 auf, um einen Strom in der Spule 26 zu induzieren. Insbesondere gibt der Schwungkörper 12 einen magnetischen Fluss durch die Spule 26 vor, der eine erste Richtung 69 hat, wenn die zwei Schwungmassen 28, 30 in der ersten Stellung 60 sind, und eine entgegengesetzte zweite Richtung 79, wenn die zwei Schwungmassen 28 und 30 in der zweiten Stellung 70 sind. Die Vorrichtung 20 ist derart ausgelegt, dass an den Umkehrpunkten 56a, 56b eine Umkehr der Bewegungsrichtung des Schwungkörpers 12 und eine Stellungsänderung der zwei Schwungmassen 28 und 30 von der ersten Stellung 60 in die zweite Stellung 70 oder umgekehrt stattfindet, so dass bei jeder Umpolung eine Strominduktion stattfindet und dadurch eine Umwandlung kinetischer Energie, die zu der Bewegung des Schwungkörpers führte, in elektrische Energie erfolgt, wie es im Folgenden noch detaillierter erörtert wird.
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Zur Definition der Drehachse 22 weist die Vorrichtung 20 ein C-förmiges Gestell 24 mit einem achsparallelen Abschnitt 24a und zwei einander gegenüberliegenden Abschnitten 24b, 24c an gegenüberliegenden Enden des achsparallelen Abschnitts 24a auf, zwischen denen sich die Achse 22 erstreckt. Die Definition der Achse könnte natürlich auch anders gestaltet sein. In dem vorliegenden Fall teilt sich das Gestell 24 in zwei Teile, zwischen denen sich quer zur Achse 22 eine Platine 25 erstreckt, die eine Öffnung 27 aufweist, durch die sich die Achse 22 erstreckt, und auf der die feststehende Spule 26 angeordnet ist, die um die Drehachse 22 angeordnet ist bzw. durch die die Drehachse 22 verläuft. Allerdings ist auch die zum Gestell 24 bzw. der Achse 22 ortsfeste Halterung der Spule 26 nur exemplarisch und könnte auch anders ausgeführt sein. Auf der Platine 25 kann die Kontaktierung der Spule 26 und damit der Abgriff der elektrischen Energie erfolgen.
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Die erste Schwungmasse 28 weist ein erstes Massenträgheitsmoment J1 auf und die zweite Schwungmasse 30, auf der in dem vorliegenden Fall der Magnet 32 ausgebildet ist, ein zweites Massenträgheitsmoment J2.
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Wie es nun bezugnehmend auf die 2a und 2b näher beschrieben wird, ergibt sich bei der ersten stabilen Stellung 60 ein magnetischer Fluss mit einer ersten Richtung 69 und in der zweiten Stellung 70 ein magnetischer Fluss mit einer zweiten entgegengesetzten Richtung 79 durch die Spule 26. Zuvor allerdings werden noch die Schwungmassen 28 und 30 näher beschrieben.
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Insbesondere weist die erste Schwungmasse 28 einen bezüglich der Achse 22 auf einer ersten Seite der Spule 26 angeordneten, sich von der Achse 22 radial nach außen erstreckenden Abschnitt 42 und einen sich auf einer bezüglich der Achse 22 auf einer zweiten Seite der Spule 26 von der Achse 22 radial erstreckenden Abschnitt 44 auf. Ferner weist die Schwungmasse 28 einen sich durch die Spule 26 erstreckenden Abschnitt 40 auf, der die beiden Abschnitte 42 und 44 miteinander verbindet. Der Abschnitt 42 ist gabelförmig ausgebildet und umfasst die zwei Eingriffnahmeabschnitte 64a und 64b, die sich ebenfalls radial nach außen erstrecken und entlang der Bewegungsbahn von einander beabstandet sind.
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Die zweite Schwungmasse 30 weist den Magneten 32 auf, so dass sich der Magnet 32 zwischen den Eingriffnahmeabschnitten 64a und 64b befindet. Seine Pole 32a und 32b liegen entlang der Bewegungsbahn 21 einander gegenüber. Ferner weist die zweite Schwungmasse 30 zwei radial sich von der Achse 22 erstreckende Teile 34 und 36 auf, zwischen denen sich zwei Bauglieder 35 und 37 in axialer Richtung angebracht sind, zwischen denen der Magnet 32 gehalten wird. Die Teile 34 und 36 sind in den 2a und 2b nicht gezeigt, um die Sicht auf die anderen Komponenten nicht zu versperren. Die beiden Bauglieder 35 und 37 definieren somit zwei Eingriffnahmeabschnitte 62a und 62b, die sich zwischen den Abschnitten 64a und 64b befinden und zwischen denen sich wiederum der Magnet 32 befindet, und zwei Eingriffnahmeabschnitte 68a und 68b, zwischen die sich ein von der Achse 22 beabstandeter Teil 66 des Abschnitts 44 erstreckt, der zwei Eingriffnahmeabschnitte 66a und 66b definiert.
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Der Abschnitt 42 der ersten Schwungmasse 28 ist gegenüber dem Abschnitt 44 derart, relativ zur Achse, verdreht, dass in der ersten Stellung 60 auf Höhe des Abschnitts 42 die Eingriffnahmeabschnitte 62b und 64b, nämlich die in Bewegungsrichtung A hinteren Eingriffnahmeabschnitte, und auf Höhe des Abschnitts 44 zwei weiteren Eingriffnahmeabschnitte 66a und 68a, nämlich die in Bewegungsrichtung A vorderen Eingriffnahmeabschnitte, in Eingriff sind. In der zweiten Stellung 70 sind auf Höhe des Abschnitts 42 die Eingriffnahmeabschnitte 62a und 64a der Schwungmassen 28 und 30, d. h. die in der Bewegungsrichtung B hinteren Eingriffnahmeabschnitte, in Eingriff, während auf Höhe des Abschnitts 44 die Eingriffnahmeabschnitte 66b und 68b, d. h. die in Bewegungsrichtung B vorderen Eingriffnahmeabschnitte, in Eingriff sind.
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In der ersten Stellung wird der Abschnitt 42 über die Eingriffnahmeabschnitte 62b und 64b mit dem ersten Pol 32a des Magneten 32 magnetisch gekoppelt und der Abschnitt 44 über die Eingriffnahmeabschnitte 66a und 68a mit dem zweiten Magnetpol 32b magnetisch gekoppelt. Durch die magnetische Kopplung der zwei Schwungmassen 28 und 30 wird somit ein Magnetjoch ausgebildet, so dass ein magnetischer Fluss mit einer ersten Richtung 69 im Schwungkörper 12 bei der ersten Stellung 60 die Spule 26 durchsetzt. In der zweiten Stellung 70 erfolgt die magnetische Kopplung des Abschnitts 42 durch die Eingriffnahmeabschnitte 62a und 64a mit dem zweiten Magnetpol 32b und des Abschnitts 44 durch die Eingriffnahmeabschnitte 66b und 68b mit dem ersten Magnetpol 32a, so dass der magnetische Fluss eine zweite Richtung 79, die der magnetischen Flussrichtung 69 entgegengesetzt ist, im Magnetjoch aufweist und so die Spule 26 durchsetzt. Um den magnetischen Fluss im Magnetjoch der Schwungmassen 28 und 30 zu ermöglichen, kann ein magnetisch leitendes Material, wie z. B. Stahl oder Eisen, für die Abschnitte 40, 42 und 44 sowie für die Bauglieder 35 und 37 genutzt werden. Die Teile 34 und 36 (Unwuchtbleche) sind hingegen nicht magnetisch leitend oder magnetisch isoliert, so dass der magnetische Fluss durch diese nicht kurzgeschlossen wird.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 32 darüber hinaus derart angeordnet, dass derselbe eine Haltekraft FM auf die erste Schwungmasse 28 ausüben kann, um die erste Stellung 60 oder die zweite Stellung 70 zu fixieren.
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Des Weiteren weist der Abschnitt 42 der ersten Schwungmasse 28 einen Vorsprung 46a und einen Vorsprung 46b auf, mit welchen der Schwungkörper 12 bzw. gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Schwungmasse 28 auf eine Feder 48a eines ersten gefederten Anschlags 57a am Umkehrpunkt 56a der Bewegungsbahn 21 bzw. eine gegenüberliegende Feder 48b eines zweiten gefederten Anschlags 57b am anderen Umkehrpunkt 56b der Bewegungsbahn 21 trifft. Die gefederten Anschläge 57a und 57b sind auf dem achsparallelen Abschnitt 24a des Gestells 24 angeordnet und werden bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Federn 48a bzw. 48b und zwei feste Anschläge 54a bzw. 54b gebildet.
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Die Federn 48a und 48b sind somit bei diesem Ausführungsbeispiel an dem Gestell 24 auf der Höhe des zweiten Abschnitts 42 positioniert und stellen so zwei Umkehrpunkte 56a und 56b für den Schwungkörper 12 dar. Die Federhärte der Federn 48a und 48b sowie die Eingriffpunkte der Federn 48a und 48b auf der Bewegungsbahn 21, an denen die Schwungmasse 28 die Federn 48a bzw. 48b zu berühren und stauchen beginnt, sind über eine Stellschraube 50 variierbar. Des Weiteren können über zwei Stellschrauben 52a und 52b die Positionen der festen Anschlage 54a bzw. 54b auf der Bewegungsbahn 21 variiert werden. Hierbei ist es vorteilhaft, dass das Feder-Masse-System, gebildet durch den Schwungkörper 12 und die Federn 48a und 48b, mittels der einstellbaren gefederten Anschläge 57a und 57b auf eine bestimmte Anregung x(t) hin, beispielsweise eine Beschleunigung oder eine Vibration, hin optimierbar ist, mit welcher die gesamte Vorrichtung 20 bzw. das Gestell 24 von außen, beispielsweise statistisch am häufigsten, bewegt wird.
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Nachdem im Vorherigen der Aufbau der Vorrichtung von 1, 2a und 2b beschrieben worden ist, wird im Folgenden dessen Wirkungsweise beschrieben.
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Die Vorrichtung 20 kann bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine äußere Anregung x(t) durch kinetische Energie zum Schwingen angeregt werden, so dass der Schwungkörper 12, bei der exemplarisch dargestellten Anregung x(t) beispielsweise in die Richtung A ausgelenkt wird. Infolge der Auslenkung des Schwungkörpers 12 auf der Bewegungsbahn 21 wird dieser zu dem ersten Umkehrpunkt 56a hinbewegt und durch den ersten gefederten Anschlag 57a in seiner Bewegungsrichtung umgekehrt.
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Die Umkehr der Bewegungsrichtung, beispielsweise an dem Umkehrpunkt 56a von Bewegung A nach Bewegung B, erfolgt dadurch, dass die kinetische Energie des Schwungkörpers 12 über den ersten Vorsprung 46a und unter Zuhilfenahme der Eingriffnahmeabschnitte 62a, 64a, 62b, 64b, 66a, und 68a auf die erste Feder 48a übertragen wird und dort als potenzielle Energie zwischenspeichert wird. Mittels der zwischengespeicherten potenziellen Energie wird die erste Schwungmasse 28 direkt durch die Federkraft FF über den Vorsprung 46a in Richtung B beschleunigt und die zweite Schwungmasse 30 über die Eingriffnahmeabschnitte 62a, 64a, 62b, 64b, 66b und 68b der zwei Schwungmassen und/oder durch einen Impuls an den Eingriffnahmeabschnitten 62a und 64a bzw. 66b und 68b zwischen der ersten und zweiten Schwungmasse 28 und 30. Durch die Beschleunigung wird die potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt, so dass der Schwungkörper 12 in Richtung B zum zweiten Umkehrpunkt 56b, die ebenfalls einen gefederten Anschlag aufweist, ausgelenkt wird. An diesem zweiten Anschlag 56b erfolgt wiederum eine Umkehrung der Bewegung, von Richtung B in Richtung A, des Schwungkörpers 12.
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Bei der Umkehr des Schwungkörpers 12 werden Kräfte auf die Schwungmasse 12 ausgeübt, die die Haltekraft FM, durch die die Schwungmassen 28 und 30 in der ersten 60 oder zweiten Stellung 70 gehalten werden, überwinden, so dass eine Stellungsänderung, beispielsweise einer ersten Stellung 60, gemäß 2a, zu einer zweiten Stellung 70, gemäß 2b, erfolgt.
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Bei dem Energieübertrag der kinetischen Energie in potenzielle Energie am Umkehrpunkt 56a wird die erste Schwungmasse 28 mittels der Federkraft FF über den Vorsprung 46a abgebremst, wobei sich die zweite Schwungmasse 30 aufgrund ihrer Trägheit und der dadurch erzeugten Trägheitskraft FT auf der Bewegungsbahn 21 in Richtung A weiterbewegt und so der Eingriff an den hinteren Eingriffnahmeabschnitten 62b, 64b, 66a und 68a gelöst wird, wenn die Federkraft FF größer ist als die maximale Haltekraft FM des Magneten 32 und der Betrag der Haltekraft FM kleiner ist als der Betrag der Trägheitskraft FT der zweiten Schwungmasse 30, die entgegengesetzt der Haltekraft FM wirkt. Hierdurch löst sich die zweite Schwungmasse 30 vom Eingriff mit der ersten Schwungmasse 28 und führt eine relative Bewegung gegenüber derselben durch, so dass sich eine Stellungsänderung von der ersten Stellung 60 in die zweite Stellung 70 ergibt. Durch dieselbe Stellungsänderung erfolgt eine Umkehr der Richtung des magnetischen Flusses von der ersten Richtung 69 in die zweite entgegengesetzte Richtung 79, so dass aufgrund der Flussänderung ein Strom in die Spule induziert wird. Dieser Strom ist näherungsweise als Stromimpuls zu beschreiben, da er auf eine sehr kurze Zeit konzentriert ist. Vorteilhaft hierbei ist ein grundsätzlich hohes Spannungsniveau für die Vorrichtung 20, was eine effiziente Energieumwandlung ermöglicht.
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Im Folgenden wird Bezug nehmend auf 4a–4d ein weiteres Ausführungsbeispiel anhand eines vereinfachten Ersatzmodells erläutert, das sich von dem vorher erläuterten dadurch unterscheidet, dass die Federn 48a bzw. 48b nicht auf die Schwungmasse 28, sondern auf die Schwungmasse 30 wirken. Um die Übertragbarkeit des vereinfachten Ersatzmodells von 4a–4d auf das Ausführungsbeispiel von 1, 2a und 2b herzustellen, wird vorher in 3 ein vereinfachtes Ersatzmodell des beschriebenen Ausführungsbeispiels, das in 1, 2a und 2b gezeigt ist, erläutert.
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3 zeigt ein vereinfachtes Ersatzmodell der Vorrichtung 20 zur Veranschaulichung der wirkenden Kräfte auf die Schwungmassen 28 und 30. Der Schwungkörper 12 ist hier als in dem Gestell 24 translatorisch gelagert dargestellt, wobei die Lagerung eben auch rotorisch sein kann wie bezüglich 1 beschrieben wurde. Die letztere weist einen translatorisch beweglichen ersten Wagen mit einer Masse m1, der hinsichtlich Kraftwirkung und Eingriff der ersten Schwungmasse 28 entspricht, sowie einen zweiten, von dem ersten Wagen eingeschlossenen Wagen mit einer Masse m2, der der zweiten Schwungmasse 30 von 1 und 2 entspricht, auf. Analog zu den Schwungmassen 28 und 30 in dem Ausführungsbeispiel aus 1 bzw. 2 sind die zwei Wagen relativ zueinander bewegbar, wobei der erste Wagen den zweiten Wagen in seiner Bewegung beschränkt. Diese zwei Schwungmassen (Wagen) bewegen sich auf einer (hier vereinfacht) geradlinigen Bewegungsbahn 82 zwischen den zwei Umkehrpunkten 56a und 56b, die durch die gefederte Anschläge 57a und 57b bzw. die zwei Federn 48a und 48b mit einer Federhärte k realisiert sind.
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Auf der zweiten Schwungmasse 30 ist der Magnet 32 mit den zwei Polen 32a und 32b vorgesehen, die hier gleichzeitig die Eingriffnahmeabschnitte 62a und 62b bilden und mit den Eingriffnahmeabschnitten 64a bzw. 64b der zweiten Schwungmasse 30 in Eingriff stehen können. Der Magnet 32 fixiert mittels der magnetischen Haltekraft FM die erste Stellung 60 oder die zweite Stellung 70 der zwei Schwungmassen 28 und 30 relativ zueinander.
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An den Umkehrpunkten 56a und 56b erfolgen die Umkehr der Bewegungsrichtung und die Stellungsänderung von der ersten Stellung 60, bei der die Eingriffnahmeabschnitte 62b und 64b in Eingriff sind, in die Stellung 70, bei der Eingriffnahmeabschnitte 62a und 64a in Eingriff sind, analog zu 1 und 2.
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4a zeigt nun eine schematische Darstellung eines Ersatzmodells eines alternativen Ausführungsbeispiels mit dem Schwungkörper 12, der nun analog zur 3 als auf einer translatorischen Bewegungsbahn zwischen den Umkehrpunkten 56a und 56b bewegbar dargestellt ist, aber strukturell wie in 1, 2a und 2b gezeigt rotorisch gelagert sein kann. Im Gegensatz zum in 3 ausgeführten Ausführungsbeispiel wirken die gefederten Anschlage 57a und 57b bzw. zwei Federn 48a und 48b nicht auf die erste Schwungmasse 28, sondern auf die zweite Schwungmasse 30. Die Feder 48a an dem Umkehrpunkt 56a und die Feder 48b an dem Umkehrpunkt 56b sind hierbei derart ausgeführt, dass sie auf die zweite Schwungmasse 30 wirken können. In 4a befinden sich die beiden Schwungmassen 28 und 30 jeweils in der Mitte der Bewegungsbahn 82 zwischen den zwei Umkehrpunkten 56a und 56b und nicht in Eingriff miteinander. Im Übrigen kann der dargestellte Aufbau Bezug nehmend auf 3 bzw. Bezug nehmend auf 1 und 2 dem dort dargestellten Aufbau entsprechen.
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Die zwei Stellungen 60 und 70 der Schwungmassen 28 und 30 zueinander, die sich abhängig von ihrer Bewegungsrichtung einstellen, sind im Gegensatz zu dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel entgegengesetzt. D. h., die zwei Schwungmassen 28 und 30 weisen bei einer Bewegung in Richtung A eine zweite Stellung 70, nämlich eine in Bewegungsrichtung vordere Stellung, und bei einer Bewegung in Richtung B eine erste in Bewegungsrichtung vordere Stellung 60 auf. Auf die wirkenden Kräfte bei der Stellungsänderung an den Eingriffnahmeabschnitten 62a und 64a sowie an den Eingriffnahmeabschnitten 62b und 64b für dieses Ausführungsbeispiel wird in 4c und 4d genauer eingegangen. In dieser Darstellung sind darüber hinaus eine Dämpfung de zwischen der ersten und zweiten Schwungmasse 28 und 30 sowie ein Dämpfung dm, die auf den Schwungkörper 12 wirkt und sich aus den Dämpfungsbestandteilen dm1, mit welchem die erste Schwungmasse 28 gedämpft wird, und dm2, mit welchem die zweite Schwungmasse 30 gedämpft wird, zusammensetzt, dargestellt. Die Dämpfung der ersten und zweiten Schwungmasse 28 und 30 symbolisiert die Energieentnahme bei der Umwandlung der kinetischen Energie in elektrische Energie durch die Induktion eines Stroms in die Spule 26 und/oder den Energieverlust, der beispielsweise mittels Reibung verursacht wird.
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4b zeigt einen Graphen der Haltekraft FM in Abhängigkeit zu der absoluten Position x1–x2 des Schwungkörpers 12, wobei x1(t) die Position der ersten Schwungmasse 28 und x2(t) die Position die der zweiten Schwungmasse 30 beschreibt. An dem Nullpunkt des Diagramms befinden sich beide Schwungmassen 28 und 30 in der Mitte der Bewegungsbahn 82 zwischen den zwei Umkehrpunkten 56a und 56b, wie in 4a dargestellt ist. Im Bereich zwischen 108a und 108b befinden sich die Schwungmassen in Eingriff mit der Feder 48a bzw. 48b. Der Schwungkörpers 12 befindet sich unterhalb der Position 108a bei der Stellungsänderung der ersten Stellung 60 zur zweiten Position 70 und oberhalb der Position 108b bei der Stellungsänderung von der zweiten Stellung 70 in die erste Stellung 60.
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Es ist zu erkennen, dass im Bereich zwischen den Positionen 108a und 108b, in dem die zwei Schwungmassen entweder in der ersten Stellung 60 oder in der zweiten Stellung 70 fixiert sind, keine Haltekraft FM wirkt, da sich in diesem Bereich die beiden Schwungmassen 28 und 30 parallel auf der Bewegungsbahn bewegen und keine weitere Kraft auf einen der beiden Schwungmassen wirkt. Außerhalb des Bereichs von 108a bis 108b bewegen sich die zwei Schwungmassen 28 und 30 in Folge einer Federkraft FF durch die Feder 48a oder 48b und in Folge einer Trägheitskraft FT, die entgegen der Federkraft FF wirkt, relativ zueinander, so dass die Haltekraft FM zunimmt. Diese wächst in ihrem Betrag bis zum Maximum, welches kleiner als die wirkende Trägheitskraft Fr bzw. Federkraft FF ist, an dem der Eingriff der Eingriffnahmeabschnitte sich löst und die Stellungsänderung erfolgt, so dass die Haltekraft FM schlagartig auf Null absinkt.
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4c zeigt die Vorrichtung gemäß 4a, welche sich in der zweiten Stellung 70 kurz vor der Stellungsänderung an dem Umkehrpunkt 56a befindet. In der ersten Stellung 70 befindet sich der Eingriffnahmeabschnitt 64a der ersten Schwungmasse 28 mit dem Eingriffnahmeabschnitt 62a der zweiten Schwungmasse 30 in Eingriff. Auf die zweite Schwungmasse 30 wirkt die Federkraft FF der Feder 48a entgegen der Trägheitskraft FT der ersten Schwungmasse 28, so dass der Eingriff an den Eingriffnahmeabschnitten 62a und 64a gelöst wird, wenn die Federkraft FF größer ist als die Haltekraft FM zwischen den Eingriffnahmeabschnitten 62a und 64a und wenn Haltekraft FM in ihrem Betrag größer ist als die entgegengesetzte Trägheitskraft FT, die auf die ersten Schwungmasse 28 wirkt. Beim Lösen des Eingriff der Eingriffnahmeabschnitte 62a und 64a bewegen sich die zwei Schwungmassen 28 und 30 relativ zueinander, so dass die Stellungsänderung erfolgt.
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4d zeigt die Vorrichtung gemäß 4a in der ersten Stellung 60 nach dem Stellungsänderung an dem Umkehrpunkt 56a. In der ersten Stellung 60 befindet sich die Eingriffnahmeabschnitte 62b der zweiten Schwungmasse 30 und 64b der ersten Schwungmasse 28 in Eingriff.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 4a–4d erfolgt die Änderung der Bewegungsrichtung des Schwungkörpers 12 also, indem die zweite Schwungmasse 30 mittels der Feder 48a in ihrer Bewegung umgekehrt wird und die erste Schwungmasse 28 mittels der magnetischen Haltekraft FM zwischen den Eingriffnahmeabschnitten 62a und 64a und/oder mittels einer Impulskraft zwischen den Eingriffnahmeabschnitten 62b und 64b von der zweiten Schwungmasse 30 auf die ersten Schwungmasse 28 in ihrer Bewegung umgekehrt wird.
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5a zeigt ein schematisches Diagramm der Federkraft FF in Abhängigkeit von einem Auslenkungswinkel φ für eine Vorrichtung 20 für das Ausführungsbeispiel aus 1. Bei diesem Diagramm sind drei parallele, lineare Kennlinien für verschiedene Federeingriffpunkte dargestellt. Ein Graph 112 zeigt eine Kennlinie mit einem frühen Eingriffpunkt auf der Bewegungsbahn 21 des gefederten Anschlags 57a bzw. 57b, während ein Graph 114 einen späten Eingriffpunkt auf der Bewegungsbahn 21 darstellt. Demzufolge kann ein früher Eingriffpunkt die Umkehrpunkte 56a und 56b auf der Bewegungsbahn verschieben, wenn die Haltekraft FM und die Massenträgheitsmomente J1 und J2 entsprechend dimensioniert sind. Der maximale Auslenkungswinkel φ auf der Bewegungsbahn wird durch den festen Anschlag 54a bzw. 54b begrenzt, was durch die Linie 116 gezeigt wird. Bezug nehmend auf 1 kann der Eingriffpunkt der Feder 48a bzw. 48b über die Einstellschraube 50 variiert werden.
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5b zeigt die Federkraft FF in Abhängigkeit vom Auslenkungswinkel φ für drei verschiedene Positionen des festen Anschlags 54 bzw. 54b, Bezug nehmend auf 1. Hierbei stellt eine Linie 118 eine frühe Anschlagsposition auf der Bewegungsbahn 21 dar und eine Linie 122 einen späten Anschlagspunkt auf der Bewegungsbahn. Es ist zu erkennen, dass die Federkraft Ff, die auf den Schwungkörper 12 wirkt, in Abhängigkeit vom Auslenkungswinkel φ linear zunimmt bis der Schwungkörper 12 auf den festen Anschlag 54a bzw. 54b trifft, dargestellt durch die Linien 118 bzw. 122, bei dem die Kraft ins Unendliche wächst. Bei den festen Anschlägen 54 und 54b erfolgt spätestens die Stellungsänderung der zwei Schwungmassen 28 und 30, solange die Trägheitskraft FT der zweiten Schwungmasse 86 größer ist als die Haltekraft FM zwischen den Schwungmassen 84 und 86. Bezug nehmend auf 1 kann der Anschlag 54a bzw. 54b über die Einstellschrauben 52a bzw. 52b variiert werden.
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5c zeigt die Federkraft FF in Abhängigkeit vom Auslenkungswinkel φ für drei verschiedene Federhärten k. Ein Graph 124 stellt gegenüber einem Graph 126 eine Zunahme der Federhärte k der Federn 48a bzw. 48b dar. Diese Federhärte k ist beispielsweise mittels einer Vorspannung oder einer variierenden Anzahl an Federbalken einstellbar. Bezug nehmend auf 1 kann für die Feder 48a bzw. 48b über die Einstellschraube 50 die Federhärte k durch die Vorspannung variiert werden.
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Über diese drei Einstellmöglichkeiten, Einstellung der Federeingriffpunkte, Einstellung der Position des Anschlags und die Einstellung der Federhärte k, kann die Charakteristik des gefederten Anschlags 56a und 56b und damit das Schwingungsverhalten beispielsweise von 12 angepasst werden, so dass bei einer Anregung möglichst viele Kontakte mit den Umkehrpunkten 56a und 56b ermöglicht werden. Hierbei kann eine maximale Anzahl an Stellungsänderungen und an Änderungen der magnetischen Flussrichtung erreicht werden, was die Effizienz der Vorrichtung positiv beeinflusst.
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6a zeigt eine schematische Darstellung einer Anregungsfunktion y(t) eines exemplarischen Roboter-Bewegungsprofils für eine Vorrichtung 20 zu Simulationszwecken. Hierbei ist die Auslenkung der Vorrichtung 20 über die Zeit aufgetragen. Bei dieser Anregungsfunktion y(t) wird die Vorrichtung 20 einmalig um ca. 40 cm ausgelenkt und so zum Schwingen angeregt.
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6b zeigt ein errechnetes Schwingungsverhalten der Vorrichtung 20 in Folge der bezüglich 6a beschriebenen Anregungsfunktion y(t). In Folge einer Auslenkung bei Anregungsfunktion y(t) weist der Schwungkörper 12 ein Schwingungsverhalten mit insgesamt elf Kontaktwechsel an den Umkehrpunkten bzw. elf Stellungsänderungen auf, bei welchen jeweils ein Stromimpuls in die Spule induziert wird. Die Dauer, in der der Stromimpuls induziert wird, variiert über die Schwingung.
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Dieses mittels einer Simulation ermittelte Schwingungsverhalten bestätigen die Einsetzbarkeit des obigen Ausführungsbeispiels. Die Strompulse liegen nach einer Abschätzung bei ca. 10 mW für ca. 10 ms. Die gewandelte Energie wird hiermit auf eine sehr kurze Zeit konzentriert. Dadurch können Spannungs- und Leistungsprobleme reduziert werden.
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Nachdem im Vorherigen der Aufbau der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, werden im Folgenden alternative Ausführungen der Erfindung erläutert.
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Alternativ zum in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wäre auch eine Vorrichtung denkbar, bei der der Vorsprung 46a bzw. 46b nicht im zweiten Abschnitt 42 auf der Schwungmasse 28, sondern im dritten Abschnitt 44 auf der Schwungmasse 28 ausgebildet ist, wobei dann die gefederten Anschläge 57a bzw. 57b, gebildet durch die Federn 48a bzw. 48b und den Anschlag 54a und 54b, entsprechend auf der gegenüberliegenden Seite des Gestells 24 vorgesehen waren.
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Ebenso wäre es analog zum Ausführungsbeispiel in 4 denkbar, dass die gefederten Anschlage 56a und 56b nicht auf die Schwungmasse 28, sondern auf die Schwungmasse 30 zur Umkehr der Bewegungsrichtung des Schwungkörpers 12 und zur Stellungsänderung der beiden Schwungmassen 28 und 30 wirkt. In diesem Fall würden die zwei Schwungmassen 28 und 30 an dem ersten Umkehrpunkt 56a von der zweiten Stellung 70 gemäß 2b in die erste Stellung 60 gemäß 2a wechseln und an dem zweiten Umkehrpunkt 56b von der ersten Stellung 60 in die zweite Stellung 70 wechseln. Gleichzeitig wurde an den Umkehrpunkten bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Änderung der magnetischen Flussrichtung erfolgen, wobei an dem Umkehrpunkt 56a sich der Fluss von der zweiten Richtung in die entgegengesetzte erste Richtung umkehren würde und der magnetische Fluss sich an dem zweiten Umkehrpunkt 56b von der ersten in die entgegengesetzte zweite Richtung umkehren würde. Bei diesem Ausführungsbeispiel wären die gefederten Anschläge 57a, 57b entsprechend am Gestell 24 positioniert, so dass diese beispielsweise auf eine der Teile 34 oder 36 der Schwungmasse 30 oder direkt auf die Schwungmasse 30 wirken.
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Alternativ wäre es denkbar, dass die Vorrichtung 20 anstelle der Einstellungsschrauben 52a und 52b für den Anschlag und anstelle der Einstellungsschraube 50 für die Federhärte k und den Eingriffpunkt der Federn 48a und 48b ausschließlich zwei gefederte Anschlage oder Federn mit festem Parametern für Eingriffpunkte, Anschlag und Federhärte k vorgesehen wären.
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Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel wäre es, dass die Federn 48a und 48b anstelle am Gestell 24 am Schwungkörper 12 ausgebildet sein könnten.
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Anstelle der bei dem Ausführungsbeispiel aus 1 mittels zwei Federn 48a und 48b ausgebildeten gefederten Anschlage 57a und 57b könnten diese alternativ mit nur einer Feder, die die beiden Umkehrpunkte 56a und 56b auf der Bewegungsbahn 21 definiert, ausgeführt werden.
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Eine weitere denkbare Alternative bezüglich des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels wäre es, auf die gefederten Anschlage 57a und 57b oder die Federn 48a und 48b an den Umkehrpunkten 56a und 56b gänzlich zu verzichten und eine auf der Achse 22 angeordnete Schenkelfeder, die auf Torsion belastet wird, vorzusehen, so dass diese in Eingriff entweder mit der Schwungmasse 28 und/oder mit der Schwungmasse 30 ist und die Umkehr des Schwungkörpers 12 an den Umkehrpunkten verursacht und/oder die Stellungsänderung der Schwungmassen 28 und 30 auslöst.
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Entgegen der Beschreibung kann das dargestellte Gestell 24 alternativ durch eine einteilige Konstruktion realisiert sein. Ebenso ist es möglich, dass die Schwungmasse 28 sowie die Schwungmasse 30 aus Einzelbauteilen bestehen könnten.
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Ein weitere Ausführungsalternative wäre es, eine der beiden Schwungmassen 28 oder 30 direkt auf der Achse 22 zu befestigen und die Achse 22 rotorisch im Gestell 24 zu lagern, während die andere Schwungmasse 28 oder 30 rotorisch auf der Achse 22 gelagert ist, um ein Relativbewegung der zwei Schwungmassen 28 und 30 zu ermöglichen.
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Alternativ wäre es bezüglich dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel auch denkbar, dass die zweite Schwungmasse 30 teilweise mittels der Haltekraft FM zwischen den Eingriffnahmeabschnitten 64b ersten Schwungmasse 28 und 62b der zweiten Schwungmasse 30 bei der Stellungsänderung ersten Stellung 60 in zweite Stellung 70 in Richtung B oder die Eingriffnahmeabschnitte 62a der zweiten Schwungmasse 30 und 64a ersten Schwungmasse 20 bei der Stellungsänderung zweiten Stellung 70 in erste Stellung 60 in Richtung A beschleunigt werden.
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Für den Fachmann ist es offenkundig, dass der Schwungkörper 12 bei dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch verschiedene Anregungsformen wie z. B. eine Vibration, eine Beschleunigung, einen Impuls oder eine Gewichtskraft mit kinetischer Energie anregbar ist. Hierbei ist jede Kraftrichtung möglich, die nicht parallel zur Achse 22 verläuft.
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Hinsichtlich des in 1, 2, 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wäre es alternativ auch denkbar, dass der Magnet 32 anstelle auf der zweiten Schwungmasse 30 auf der ersten Schwungmasse 28 ausgebildet wird, so dass die Richtung des magnetischen Flusses in einer ersten Stellung 60 der beiden Schwungmassen 28 und 30 zueinander eine erste Richtung 69 hat und in einer zweiten Stellung der zwei Schwungmassen zueinander eine entgegengesetzte zweite Richtung 79 hat. Bei dieser Alternative kann der Magnet 32 ebenfalls die erste oder zweite Stellung durch sein Haltekraft bzw. Magnetkraft fixieren.
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Alternativ wäre es bei der vorliegenden Erfindung auch denkbar, dass der Schwungkörper 12 und damit die Schwungmassen 28 und 30 bei dem Ausführungsbeispiel aus 1 anstatt auf einer rotorischen Bahn um eine Achse 22 auf einer translatorischen, geraden Bewegungsbahn 21 mit zwei Umkehrpunkten zum Ausschwingen angeregt werden, wie es in den Ersatzmodell aus 3 und 4 schematisch beschrieben ist.
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Ebenso ist bei den Ausführungsbeispielen aus 1, 2, 3 und 4 anzumerken, dass anstelle der auf Druck beanspruchten Federn 48a und 48b auch auf Zug beanspruchte Federn die zwischen dem Umkehrpunkt 56a und 56b zu der Umkehr bzw. zu der Stellungsänderung der zwei Schwungmassen 28 und 30 zueinander verwendet werden könnten, wenn diese beispielsweise zwischen dem Schwungkörper 12 und dem Gestell 24 befestigt wären.
