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Die Erfindung betrifft einen Wandler, der mit Hilfe einer Schwungmasse, eines Getriebes, zweier Freilaufkupplungen, einer Feder und eines Generators Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Mit diesen Elementen arbeitende kinetische Generatoren sind im Bereich elektronischer Automatikarmbanduhren z. B.
EP 0 681 228 A1 oder
EP 1 085 383 A1 bekannt. Dabei werden die Drehbewegungen der in beide Richtungen auslenkbaren Schwungmasse mit Hilfe von Stirnradstufen und verschalteten Freiläufe in eine Aufzugsrichtung gewandelt. Die Freilaufkupplungen sowie die Zahnradstufen sind im Gestell gelagert. Durch die von ihnen erzeugte gleichsinnige Drehung wird eine Spiralfeder aufgezogen, welche sich beim Erreichen des Generatorrastmomentes zügig entspannt. Die dadurch am Spiralfederausgang hervorgerufene Drehbewegung wird auf den Generator übertragen und ermöglicht kurzzeitig den Generatorbetrieb mit hoher Drehzahl und mit hohem Wirkungsgrad. Alle wichtigen Elemente eines solchen Energiewandlers wie Freiläufe, Zahnradstufen, Spiralfederbaugruppe und Generator liegen dabei nebeneinander.
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Da bei Uhren zur autarken Energieversorgung nur geringe elektrische Dauerleistungen benötigt werden, konnte dieser Aufbau zum notwendigen Ertrag führen. Sollen aber größere Leistungen z. B. zum Laden von Handys oder zur Stromversorgung von Implantaten erzeugt werden, dann müssen schwerere bzw. größere Schwungmassen zum Einsatz kommen. Hier stößt das bekannte Konstruktionsprinzip der Uhrenindustrie an Grenzen. Durch die Übertragung des Drehmomentes der kleinen, leichten Schwungmasse für Uhren über Stirnzahnradstufen oder über Planetenradgetriebe mit Antrieb am Sonnenrad wurden mit Übersetzungen ins Langsame ausreichende Momente zur Erzeugung einer optimalen Federspannkraft ermöglicht. Nachteilig sind aber die vielen notwendigen Anregungsbewegungen der Schwungmasse bis eine Generatorentladung erfolgen kann. Es liegen zwischen den einzelnen Generatorentladungen lange Todzeiten, bei denen keine Elektroenergie erzeugt wird. Dadurch sind bei angehängtem Elektroenergiespeichern am Generator nur sehr geringe Dauerleistungen abrufbar. Außerdem sind bei diesen Konstruktionen hohe Getriebeübersetzungen nur sehr schlecht bzw. mit großem Aufwand realisierbar. Zudem ist eine kompakte Bauweise des Wandlers nicht möglich, da der Generator, die Federbaugruppe, die Freilaufkupplungen und die Getriebestufen nicht zentrisch zur rotierenden Schwungmasse anzuordnen sind. Des Weiteren müssen neben einem abgrenzenden Gehäuse zusätzlich ein Gestell bzw. Gestellplatinen zur Unterbringung der einzelnen Baugruppen integriert werden. Dafür sind viele Lagerstellen und Zahnradstufen erforderlich, die sich gerade bei noch größeren Belastungen stark wirkungsgradmindernd auswirken.
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Die Erfindung ermöglicht, dass die erzielbare Dauerleistung eines Bewegungsgenerators bei kompakter Bauweise erheblich gesteigert werden kann. Dabei sollen neben gegebenenfalls größeren auch schwerere Schwungmassen, z. B. aus Wolfram, genutzt werden. Durch den Einsatz solcher Massen mit stärkerer Antriebsleistung ist eine hohe Übersetzung ins Schnelle vor der Gleichrichtung der Bewegung aus Energieeffizienzgründen wichtig. Dies ist erfindungsgemäß möglich, wenn die Schwungmasse direkt an den Steg eines neuartigen Planetengetriebes gekoppelt ist. In diesem Steg sind weiterführend die Freilaufkupplungen mit Lagerung integriert. Die Kupplungsantriebsräder kämmen dabei voneinander unabhängig mit der Innenverzahnung eines gestellfesten Zahnkranzes, während die Kupplungsabtriebsräder ineinander greifen und ein Kupplungsabtrieb zusätzlich das im Zentrum angeordnete (Sonnen)rad antreibt. Erfindungsgemäß laufen also die Kupplungen mit An- und Abtriebsrädern wie Planetenräder um das Sonnenrad. Im Vergleich zum klassischen Planetengetriebe sind die ”Freilaufplanetenradsätze” nicht gleichmäßig um das Sonnenrad bzw. innerhalb des Zahnkranzes angeordnet. Vielmehr sitzen sie dicht gepaart nebeneinander. Um die einseitige Belastung des Zahnkranzes, des Steges und des Zentrumsrades zu minimieren, können aber auch die ”Freilaufplanetenradsatzpaare” mehrfach mit gleichen Abständen um das Drehzentrum angeordnet werden.
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Der Zahnkranz mit seinen vielen Zähnen gegenüber der geringen Zähnezahl bei Sonnenrad und Kupplungsrädern ermöglicht eine hohe Übersetzung, die für ein zügiges Aufziehen der an das Sonnenrad angekoppelten Spiralfeder sorgt. Die Aufzugsgeschwindigkeit kann nochmals erheblich gesteigert werden, wenn das Kupplungsantriebsrad kleiner als das Kupplungsabtriebsrad gestaltet wird. Am Spiralfederausgang ist schließlich der Generator angekoppelt. Dieser hat durch seinen technischen Magnetkreis mit Permanentmagneten eine Rastung, die als Gegenmoment das Aufziehen der Spiralfeder ermöglicht. Erst wenn das Rastmoment des Generators durch die Spiralfeder überschritten wird, kann durch den Übergang von Haftreibung zu Gleitreibung und dem bei Bewegung auftretenden Wechselspiel der Magnetkräfte und Trägheitskräfte ein erheblicher Teil der in der Feder gespeicherten Energie an den Generator übergeben werden.
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Durch die neuartige Bauweise liegen das Getriebe mit Freilaufkupplungen, der Schwungmassenrotor, die Spiralfederbaugruppe, der Generator und das Gestell bzw. Gehäuse in einer Achse. Damit sind alle Funktionselemente des Energiewandlers optimal angeordnet. Es ist möglich an einer im Gehäuse befindlichen Zentrumsachse alle Komponenten zu befestigen. Durch die dargestellten Maßnahmen wird ein Energiewandler mit hoher Leistungsdichte möglich.
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Durch die Erfindung lassen sich völlig neue Anwendungsfelder zur Energieversorgung technisch autark arbeitender Systeme realisieren. Es wird z. B dadurch möglich, medizinische Überwachungsaufgaben an und in Tieren bzw. Menschen über ihren gesamten Lebenszeitraum hinweg zu realisieren. Hier kann dauerhaft für Sensoranwendungen und für das Senden von Datenpaketen Energie bereitgestellt werden. Dies ist z. B. mit dem Einsatz einer Batterie alleine über so einen langen Zeitraum nicht möglich. Das Einbringen der energieautarken Sensoreinheit durch z. B. Schlucken wird durch die Erfindung leichter oder überhaupt erst möglich, weil lange schlanke Bauformen (Kapseln) mit hohem Energieertrag realisierbar sind.
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Im Patent
DE 198 03 160 C1 wird ein Planetengetriebe zur überlagerten Einleitung von Drehmomenten erklärt. Dabei dient das Planetengetriebe als Verzweigungsgetriebe. In mindestens einer Funktionsphase sind weder Sonnenrad, Planetenradträger oder das innen verzahnte Hohlrad gestellfest. Es erfolgen die Momentenverarbeitungen, geliefert von drei Motoren bzw. Generatoren, im Einzelnen wie auch kombiniert. Damit ermöglicht der Aufbau die Anordnung von mehreren Antriebs- bzw. Abtriebselementen in einer Achse. Im Unterschied zum genannten Patent erfolgt bei unserer Erfindung die Einleitung nur eines Momentes ausgelöst durch die Trägheitsbewegung des Rotationspendels am Planetenradträger. Generell ist bei unserer Erfindung das innenverzahnte Hohlrad gestellfest und der Abtrieb erfolgt immer über das Sonnenrad. Bei unserer Erfindung dient das Planetengetriebe als Übersetzungsgetriebe mit großem Übersetzungsverhältnis ins Schnelle. Es dient nicht als Verzweigungsgetriebe, da nur im Einzelnen, nicht überlagert zeitlich nacheinander eine Verarbeitung der links bzw. rechts orientierten Drehmomente erfolgt. Beim Patent
DE 198 03 160 C1 sind ggf. Freiläufe zwischen Antriebs-, Abtriebsaggregat vorsehbar, die direkt auf die Hauptachsen des Planetengetriebes wirken, nämlich über die Hohlradwelle, die Sonnenradwelle bzw. über die Planetenradträgerwelle. In unserer Erfindung wirken Freiläufe in den geteilten Planetenradsätzen und die Freilaufwellen umlaufen die Zentrumseinheiten, wie z. B. das Sonnenrad, mit. Der entscheidende Vorteil einer schon im Planetengetriebe integrierten Bewegungsgleichrichtung des zum Teil hin- und herschwingenden Rotationspendels wird so wirkungsvoll und platzsparend erreicht. Des Weiteren kommt im bereits angeführten Patent wie auch im Patent
EP1173673B1 kein mechanischer Speicher zum Einsatz.
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Die
DE 18 11 389 U „Schwungpendelgenerator für die Aufladung von Stromquellen in elektrischen Kleinuhren” schildert die Problematik der Erzeugung von elektrischem Strom aus Bewegungsenergie unter sehr kleinen Bauraumbedingungen. Im Patent wird neben dem Bau eines effektiveren elektrischen Generators auch die Realisierung eines Übersetzungsgetriebes als unabdingbar aufgezeigt. Dabei wird auch eine einachsige Ausführung von Generator und Schwungpendel vorgestellt. Hier wurde die Notwendigkeit einer Übersetzung ins Schnelle erkannt, leider wurde das aber platztechnisch und wirkungsgradtechnisch ungünstig über Stirnradverzahnungsstufen realisiert. Des Weiteren erfolgt keine mechanische Bewegungsgleichrichtung und ein mechanischer Federspeicher zur zusätzlichen Wirkungsgradsteigerung ist auch nicht angeordnet.
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Die
DE 691 04 488 T2 verweist auf Unterbrechungsmittel zwischen dem Antriebsmittel z. B. Rotationspendel, einem elastischen Element und einer angetriebenen Achse (Generatorachse) unter anderem durch den Einsatz einer Freilaufkupplung. Dabei steht durch Zusatzeinrichtungen erzielt eine rückwirkungsfreie Verbindung vom elastischen Element hin zum Antriebsmittel im Vordergrund. Bei unserer Erfindung werden zwei Freiläufe so in den Planetenradsätzen verschaltet, dass eine Bewegungsgleichrichtung hin zum Abtrieb (Sonnenrad) erfolgt und automatisch eine Rückwirkung vom nachgeschalteten elastischen Element in umgekehrter Richtung hin zur Rotationspendelwelle verhindert wird.
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Im Patent
EP 1213626 B1 wird ein Überlastschutz zum Antrieb eines Generators durch eine Schwungmasse benannt. Dieser ist gerade für die schweren Rotationspendel und einer großen Übersetzung ins Schnelle interessant und könnte deshalb auch beim Einsatz unserer Erfindung vor Überlast schützen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
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1 einen Dreiviertelschnitt eines Bewegungsgenerators gemäß der Erfindung,
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2 Ausschnitt des Halbschnittes durch die Mittelebene des erfindungsgemäßen Wandlers,
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3 Ausschnitt des Halbschnittes durch die mittlere Getriebeebene des erfindungsgemäßen Wandlers.
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Der Wandler weist als Ganzes eine Rotorbaugruppe 1, eine Spiralfederbaugruppe 2, ein Spezialplanetengetriebe mit zwei Freilaufkupplungen 3 eine Generatoreinheit 4 und ein Gehäuse 5 auf. Die am Gehäuse angebrachten Zapfen werden von der Rotorbaugruppe über Kugellager als Aufhängung genutzt. Die Hauptschwungmasse 6 des Rotors ist fest mit dem Steg 24 des Spezialplanetengetriebes verbunden. Der Zahnkranz 7 hingegen ist mit dem Gehäuse verschraubt. Die bei Anregung entstehende Relativbewegung zwischen Steg und Zahnkranz wird auf die Kupplungsantriebsräder 8 und 9 übertragen, welche verdrehsicher über die Freilaufwellen 10 ein Moment auf die Kupplungssterne 11 übertragen können. Die Sterne nehmen in ihren Aussparungen die Freilaufkugeln 12 auf. Beide Kupplungssterne sind aber mit der Kugelauflaufebene gegensätzlich orientiert, so dass in Abhängigkeit vom Anregungsdrehsinn die eine oder die andere ein Moment an die Kupplungstrommel 13 abgeben kann. Da beide Kupplungstrommeln miteinander verzahnt sind, wird trotzdem auch immer die Trommel der Kupplung, die nicht das Moment durchleitet mit bewegt. Eine der beiden Kupplungstrommeln trägt noch eine weitere Verzahnung, die zusätzlich in das Zentrumsrad 14 greift. Durch den Mechanismus erfolgt unabhängig vom Anregungsbewegungsdrehsinn der Schwungmasse immer nur eine Abtriebsdrehrichtung am Zentrumsrad. An dieses Rad ist direkt die Spiralfeder 15 gekoppelt. Die Generatoreinheit 4 als auch die Spiralfederbaugruppe 2 sitzt drehbar auf der Achse 16, die fest im Gehäuse 5 gehalten wird. Zueinander können sich auf ihr Zentrumsrad und Generator verdrehen. Die elastische Verbindung zwischen beiden Baugruppen wird durch die Spiralfeder hergestellt. Erfolgt die gerichtete Bewegungseinleitung am Zentrumsrad, so muss sich die Spiralfeder spannen, da der Generator mit seiner magnetischen Rastung ein Gegenmoment erzeugt. Erst beim Überschreiten des Generatormomentes, hervorgerufen durch eine hohe Federspannung, wird der Generator in Bewegung gesetzt und ein großer Teil der in der Feder gespeicherten Energie kann auf ihn übertragen werden. Auf der Generatorachse sind fest eine Induktionsspule 17 sowie die obere Klaue 18 und untere Klaue 19 für den magnetischen Abgriff aufgebracht. Um die Achse kann sich das Generatorgehäuse 20 drehen. In diesem Gehäuse sind fest der Rückschlussring 21 sowie die Permanentmagneten 22 integriert. Durch die Anordnung wird über die Magneten der magnetische Fluss bei Bewegung des Generatorgehäuses schnell wechselnd durch die Luftspalte über die Klauen durch die Achse 16 geleitet und er verursacht in der Spule eine Induktion. Der entstehende Wechselstrom kann noch gleichgerichtet und einem Energiespeicher zugeführt werden. Über den Energiespeicher kann schließlich ein Verbraucher mit elektrischem Strom versorgt werden.
