DE102012014585A1

DE102012014585A1 - Reluctance spring for use with piezoelectric vibration generator in vibration-energy-harvesting-system, has movable, soft-magnetic mass element arranged in air gap and changing total reluctance in magnetic circuit by movement

Info

Publication number: DE102012014585A1
Application number: DE201210014585
Authority: DE
Inventors: Sebastian Neiss; Michael Kröner; Dr. Woias Peter
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2032-07-24
Also published as: DE102012014585B4

Abstract

The spring has a magnetic field generation element for generating magnetic field and formed by permanent magnets (100), and a core element (102) for guiding the magnetic field and for generating a magnetic circuit, where the core element defines an air gap. A movable, soft-magnetic mass element (104) is arranged in the air gap and changes total reluctance in the magnetic circuit by movements (106). The core element is made from iron, where the spring is made from metal sheets glued with one another or from soft-magnetic powder filled polymer. An independent claim is also included for a vibration generator.

Description

Nicht-lineare Massefedersysteme haben in neuerer Zeit aufgrund der jüngsten Forschung an Vibrations-Energy-Harvesting-Systemen an Bedeutung gewonnen. Beispielsweise in den Artikeln S. Stanton et al., Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy harvesting, Appl. Phys. Lett., 95 (2009), pp. 174103 , und M. Ferrari et al., Improved energy harvesting from wideband vibrations by nonlinear piezoelectric converters, Sensor Actuat A-Phys, 162 (2010), pp. 422–431 , sind derartige Generatoren gezeigt. Weiterhin existieren verschiedene Publikationen, die die Vorteile nicht-linearer Federn hervorheben, insbesondere dass diese zu einer großen Bandbreite des Vibrations-Harvesters in Kombination mit großen Auslenkungsamplituden führen (siehe z. B. B. P. Mann et al., Uncertainty in performance for linear and nonlinear energy harvesting strategies. J. Intell. Mater. Syst. Struct., Online (2012) oder Roszaidi Ramlan, Potential Benefits of a non-linear stiffness in an energy harvesting device, PhD thesis, University of Southampton, 2009 ).Non-linear mass spring systems have recently gained in importance due to recent research on vibration energy harvesting systems. For example, in the articles S. Stanton et al., Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy harvesting, Appl. Phys. Lett., 95 (2009), pp. 174103 , and M. Ferrari et al., Improved Energy Harvesting from Wideband Vibrations by Nonlinear Piezoelectric Converters, Sensor Actuat A-Phys, 162 (2010), p. 422-431 , such generators are shown. Furthermore, there are several publications highlighting the advantages of non-linear springs, in particular that they lead to a wide range of vibration harvester in combination with large displacement amplitudes (see eg. BP Mann et al., Uncertainty in performance for linear and nonlinear energy harvesting strategies. J. Intell. Mater. Syst. Struct., Online (2012) or Roszaidi Ramlan, Potential Benefits of a Nonlinear Stiffness in An Energy Harvesting Device, PhD thesis, University of Southampton, 2009 ).

Das Massefedersystem eines Vibrationsgenerators wirkt – je nach Charakteristik der Feder – als mechanischer Oszillator mit linearer oder nichtlinearer Charakteristik. Mechanische Oszillatoren zeigen bei Anregung mit Wechselbeschleunigung, z. B. durch Montage auf einem vibrierenden Körper, ein typisches resonantes Verhalten. Das bedeutet, das die Bewegung der Masse an der Feder dann maximal wird, wenn die dominante Frequenz der anregenden Vibration mit der mechanischen Resonanzfrequenz des Oszillators zusammenfällt. Weiterhin ist bekannt, dass die mechanische Güte des Oszillators dann hoch ist, wenn Dämpfung,. z. B. durch Luftreibung am schwingenden System, gering ist. Mit steigender Güte nimmt die Schwingungsamplitude der Masse zu, wodurch aus der Bewegung mittel eines angekoppelten mechanoelektrischen Wandlers, z. B. nach dem piezoelektrischen, kapazitiven oder elektromagnetischen Typ, mehr elektrische Energie gewonnen werden kann Zugleich nimmt die nutzbare Anregungsbandbreite des Systems mit steigender Güte ab. Dies wiederum bedeutet, dass nur Energie aus einer sehr geringen Vibrationsbandbreite gewonnen werden kann. Daraus wiederum entsteht dann ein Nachteil, wenn die Frequenzen der Anregungs-Vibration variabel sind, was sehr häufig der Fall ist.The mass spring system of a vibration generator acts - depending on the characteristics of the spring - as a mechanical oscillator with linear or non-linear characteristics. Mechanical oscillators show when excited with alternating acceleration, z. B. by mounting on a vibrating body, a typical resonant behavior. This means that the movement of the mass on the spring becomes maximum when the dominant frequency of the exciting vibration coincides with the mechanical resonance frequency of the oscillator. Furthermore, it is known that the mechanical quality of the oscillator is high when damping. z. B. by air friction on the oscillating system is low. With increasing quality, the oscillation amplitude of the mass increases, whereby the movement by means of a coupled mechanoelectric transducer, z. B. after the piezoelectric, capacitive or electromagnetic type, more electrical energy can be obtained At the same time decreases the usable excitation bandwidth of the system with increasing quality. This in turn means that only energy can be gained from a very small vibration bandwidth. This in turn creates a disadvantage when the frequencies of the excitation vibration are variable, which is very often the case.

In 8 zeigt die Kurve 801 das typische Verhalten eines linearen Federmassesystems, während die Kurven 802 und 803 typische Eigenschaften eines nichtlinearen Federmassesystems zeigen.In 8th shows the curve 801 the typical behavior of a linear spring system, while the curves 802 and 803 show typical properties of a nonlinear spring mass system.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Design nicht-linearer magnetischer Federn, die für Energy-Harvesting-Anwendungen auf Vibrationsbasis eingesetzt werden können, um einen Vibrationswandler mit größerer Bandbreite sowie mit der Möglichkeit einer energieeffizienten Frequenznachstellung zu erhalten. Gemäß der vorliegenden Erfindung basiert die Feder auf einem Reluktanzkreis, der es erlaubt, die Federeigenschaften in einfacher Art und Weise abzugleichen, um ein speziell angepasstes nicht-lineares Verhalten des Systems einzustellen.The present invention relates to a novel design of non-linear magnetic springs that can be used for vibration-based energy harvesting applications to obtain a larger bandwidth vibratory transducer and with the possibility of energy efficient frequency adjustment. According to the present invention, the spring is based on a reluctance circuit which allows the spring characteristics to be adjusted in a simple manner to adjust a specially adapted non-linear behavior of the system.

Weiterhin besitzt die erfindungsgemäße Reluktanzfeder im Vergleich zu bekannten Anordnungen eine sehr kompakte Geometrie. Bekannte Anordnungen verwenden üblicherweise die direkte Interaktion zwischen den Magneten, um eine nicht-lineare Rückstellkraft in Vibrations-Harvestern zu erzeugen. Solche Systeme benötigen aber gegebenenfalls Auslenkungsamplituden von bis zu 50 mm, da nur eine relativ geringe Nicht-Linearität in dem magnetischen Feld vorhanden ist und der Abstand zwischen den Magneten in derselben Größenordnung sein muss, da bei geringen Abständen sehr große Kräfte zwischen den Magneten auftreten (siehe S. Stanton et al., Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy harvesting, Appl. Phys. Lett., 95 (2009), pp. 174103 ). Ein Nachstellen der Resonanzfrequenz, z. B. durch Änderung der Relativposition zwischen Magneten, ist nur mit Antrieben möglich, die zugleich große Kräfte und Wege aufweisen. Dies kann mit der Energie, die aus der Vibration geerntet wird, häufig nicht oder nur in großen Zeitintervallen geschehen.Furthermore, the reluctance spring according to the invention has a very compact geometry compared to known arrangements. Known arrangements typically use the direct interaction between the magnets to produce a non-linear restoring force in vibratory harvesters. However, such systems may require deflection amplitudes of up to 50 mm, since only a relatively small non-linearity is present in the magnetic field and the distance between the magnets must be of the same order of magnitude since very large forces occur between the magnets at short distances ( please refer S. Stanton et al., Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy harvesting, Appl. Phys. Lett., 95 (2009), pp. 174103 ). An adjustment of the resonance frequency, z. B. by changing the relative position between magnets, is possible only with drives that at the same time have large forces and ways. This can often not be done with the energy that is harvested from the vibration, or only at large time intervals.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.The present invention will be explained in more detail with reference to the figures. The same parts are provided with the same reference numerals and the same component names. Furthermore, individual features or combinations of features from the embodiments shown and described can in themselves represent independent inventive or inventive solutions.

Es zeigen:Show it:

1: das Grunddesign einer Feder mit würfelförmigem Masseelement; 1 : the basic design of a spring with a cube-shaped mass element;

2: die Dimensionen der erfindungsgemäßen Feder mit unterschiedlichen Masseelementen; 2 : the dimensions of the spring according to the invention with different mass elements;

3: die gemessenen Federeigenschaften für unterschiedliche Massengeometrien; 3 : the measured spring properties for different mass geometries;

4: einen piezoelektrischen Vibrationsgenerator mit keilförmigem Masseelement; 4 a piezoelectric vibration generator having a wedge-shaped mass element;

5: eine Fotografie eines Frequenzgangmessaufbaus; 5 : a photograph of a frequency response measurement setup;

6: die Hysterese der Frequenzantwort eines Generators mit keilförmiger Masse; 6 : the hysteresis of the frequency response of a wedge-shaped generator;

7: einen piezoelektrischen Vibrationsgenerator mit würfelförmigem Masseelement; 7 a piezoelectric vibration generator having a cubic mass element;

8: Amplituden- und Phasengang unterschiedlicher Feder-Masse-Systeme; 8th : Amplitude and phase response of different spring-mass systems;

9: eine magnetische nicht-lineare Feder mit veränderlicher Federeigenschaft gemäß einer ersten Ausführungsform; 9 a non-linear magnetic spring having a variable spring characteristic according to a first embodiment;

10: eine magnetische nicht-lineare Feder mit veränderlicher Federeigenschaft gemäß einer zweiten Ausführungsform. 10 a non-linear magnetic spring having a variable spring characteristic according to a second embodiment.

Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Federanordnung wird nachfolgend mit Bezug auf 1 erläutert. Wie in dieser Figur gezeigt, wird der magnetische Fluss eines Permanentmagneten 100 durch einen Spalt geführt, in dem ein weichmagnetisches Material mit hoher Sättigungsflussdichte als Kern 102 verwendet wird. Der Kern 102 kann beispielsweise aus Eisen bestehen. Eine bewegliche, weichmagnetische Masse 104 ist innerhalb dieses Luftspalts angeordnet. Diese Masse 104 wird beweglich, z. B. an einer weiteren Feder, aufgehängt, sie bildet somit einen Teil eines Feder-Masse-Systems. Bewegungen 106 der Masse 104 ändern die Gesamtreluktanz des magnetischen Kreises. Daher wird auch der gesamte magnetische Fluss und die Energie des Systems geändert, wodurch auf die Masse 104 eine Kraft ausgeübt wird, wie dies beispielsweise in dem Artikel S. Schonhardt et al., Combdrive Configuration for an Electromagnetic Reluctance Actuator, J. Microelectromech. Syst., 17 (2008), pp. 1164–117 , erläutert ist.The basic principle of the spring arrangement according to the invention will be described below with reference to 1 explained. As shown in this figure, the magnetic flux of a permanent magnet 100 passed through a gap in which a soft magnetic material with high saturation flux density as the core 102 is used. The core 102 can for example consist of iron. A mobile, soft magnetic mass 104 is located inside this air gap. This mass 104 becomes mobile, z. B. on another spring, so it forms part of a spring-mass system. movements 106 the crowd 104 change the overall reluctance of the magnetic circuit. Therefore, the entire magnetic flux and the energy of the system is also changed, causing the mass 104 a force is exerted, as for example in the article S. Schonhardt et al., Combined Configuration for an Electromagnetic Reluctance Actuator, J. Microelectromech. Syst., 17 (2008), pp. 1164-117 , is explained.

Die Federeigenschaften sind dabei hauptsächlich durch die Gestalt der beweglichen Masse 104 bestimmt. Geeignete Formen und Abmessungen können beispielsweise mit Hilfe einer Finite-Elemente (FEM) Simulation in der Programmierumgebung COMSOL 4.2 ausgewertet werden. Eine erste Möglichkeit der letztendlich gewählten Dimensionen des magnetischen Reluktanzkreises und die Form und Abmessungen eines würfelförmigen Masseelements 104 wie auch eines keilförmigen Masseelementes 104' sind in 2 gezeigt. Die Form des Masseelementes 104 bzw. 104' nimmt, abhängig von der jeweiligen Position zum Spalt des Magnetkreises 102, Einfluss auf Reluktanz und Kräfte. Durch Formgebung des Masseelementes kann somit ein positionsabhängiges Rückstellverhalten, somit eine nichtlineare Kraft-Weg-Charakteristik, erreicht werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung hat das Masseelement 104, 104' eine Geometrie, die eine gewünschte nichtlineare Federcharakteristik durch Variation der Spaltbreite zwischen Kernelement 102 und Masse 104' einstellt.The spring properties are mainly due to the shape of the movable mass 104 certainly. Suitable shapes and dimensions can be evaluated, for example, using a finite element (FEM) simulation in the COMSOL 4.2 programming environment. A first possibility of the finally chosen dimensions of the magnetic reluctance circuit and the shape and dimensions of a cube-shaped mass element 104 as well as a wedge-shaped mass element 104 ' are in 2 shown. The shape of the mass element 104 respectively. 104 ' takes, depending on the respective position to the gap of the magnetic circuit 102 , Influence on reluctance and forces. By shaping the mass element thus a position-dependent restoring behavior, thus a non-linear force-displacement characteristic can be achieved. According to the present invention, the mass element has 104 . 104 ' a geometry that provides a desired non-linear spring characteristic by varying the gap width between the core element 102 and mass 104 ' established.

Alle Teile können beispielsweise aus reinem Eisen gefräst werden und mit einem Permanentmagneten 100 verklebt werden (beispielsweise NdFeB, N35, B_r = 1,17 Tesla). Selbstverständlich können wie später noch im Detail beschrieben auch andere Methoden der Herstellung, die für einen Fachmann geläufig sind, verwendet werden.All parts can be milled, for example, from pure iron and with a permanent magnet 100 glued (for example, NdFeB, N35, B _r = 1.17 Tesla). Of course, as described in more detail later, other methods of production which are familiar to a person skilled in the art can also be used.

3 zeigt die Federeigenschaften für die in 2 gezeigten Masseelemente. Die Masse 104 wurde für diese Messungen an einem Federbalken, ähnlich wie in 4 und 7 dargestellt, aufgehängt. Dabei ist die Kraft (in mN) in Abhängigkeit von der Auslenkung (in mm) angezeigt. Kurve 302 zeigt dabei die würfelförmige Masse, während die Kurve 304 sich auf die keilförmige Masse bezieht. Die hier gezeigten Kurven wurden mit einem KD40S Kraftsensor der Firma ME Messsysteme GmbH gemessen. Wie man aus der 3 erkennen kann, wird die stärkste Nicht-Linearität mit einem keilförmigen Masseelement 104' in einem Auslenkungsbereich von minus 1,5 mm bis plus 0,5 mm aus der Nulllage heraus erreicht. Die Nulllage ist dabei die Stellung, in der die Masse vollständig in dem Luftspalt aufgenommen ist (siehe 1). 3 shows the spring characteristics for the in 2 shown mass elements. The crowd 104 was used for these measurements on a cantilever, similar to in 4 and 7 shown, hung. The force (in mN) is displayed as a function of the deflection (in mm). Curve 302 shows the cube-shaped mass, while the curve 304 refers to the wedge-shaped mass. The curves shown here were measured with a KD40S force sensor from ME Messsysteme GmbH. How to get out of 3 can detect the strongest non-linearity with a wedge-shaped mass element 104 ' reached in a deflection range of minus 1.5 mm to plus 0.5 mm from the zero position out. The zero position is the position in which the mass is completely absorbed in the air gap (see 1 ).

Wenn man den in 3 eingezeichneten Bereich der stärksten Nicht-Linearität verwendet, führt dies zu einem Verhalten in Richtung weicherer Konstante in Folge der Kurvenform in diesem Bereich. Umgekehrt kann auch ein Verhalten in Richtung härterer Konstante eingestellt werden, indem man dieselbe Feder in dem Bereich um 0,5 mm verwendet.If you have the in 3 If the area of the strongest non-linearity is used, this leads to a behavior towards a softer constant as a result of the curve shape in this area. Conversely, a behavior towards a harder constant can be set by using the same spring in the range around 0.5 mm.

4 zeigt die Anwendung des keilförmigen Masseelements 104' in einem piezoelektrischen Vibrationsgenerator. Das Masseelement 104' hat dabei eine Gesamtmasse von 0,46 g und ist auf einem balkenförmigen Generatorarm montiert. Der Energy-Harvester und der zugehörige Reluktanzkreis (in der Figur nicht dargestellt) werden zu Demonstrationszwecken beispielsweise auf einer Schüttelvorrichtung montiert, um die Frequenzantwort des Systems zu messen (5 zeigt schematisch diese Messanordnung). 4 shows the application of the wedge-shaped mass element 104 ' in a piezoelectric vibration generator. The mass element 104 ' has a total mass of 0.46 g and is mounted on a beam-shaped generator arm. The energy harvester and associated reluctance circuit (not shown in the figure) are mounted on a shaker for demonstration purposes, for example, to measure the frequency response of the system ( 5 schematically shows this measuring arrangement).

Nicht-lineare Massefedersysteme zeigen, wie dies bekannt ist, eine Hysterese. Daher wurde die Frequenzantwort sowohl für eine Zunahme wie auch für eine Abnahme der Frequenz aufgezeichnet. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in 6 gezeigt. Es lässt sich daraus ableiten, dass die erfindungsgemäße Feder in der Lage ist, eine signifikante nicht-lineare Rückstellkraft bei moderater Anregungsbeschleunigungsamplitude (6 m/s²) zu erzeugen. Die Hystereseweite beträgt dabei 6 Hz und die maximale Spannungsamplitude liegt bei 106 Hz. Daher stellt die erfindungsgemäße Feder eine Alternative zu den bekannten Konzepten dar, die aber wesentlich kompakter als die bekannten Federn ist.Non-linear mass spring systems, as is known, exhibit hysteresis. Therefore, the frequency response was recorded for both an increase and a decrease in frequency. The results of these measurements are in 6 shown. It can be deduced from this that the spring according to the invention is capable of producing a significant non-linear restoring force at a moderate excitation acceleration amplitude (6 m / s ² ). The hysteresis is 6 Hz and the maximum voltage amplitude is 106 Hz. Therefore, the spring according to the invention is an alternative to the known concepts, but which is much more compact than the known springs.

7 zeigt (alternativ zur 4) die Verwendung eines würfelförmigen Masseelements 104 in einem Energy Harvester, insbesondere in einem Vibrationsharvester auf Basis eines piezoelektrischen Wandlungsmechanismus. Die bewegliche weichmagnetische Masse 104 schwingt in der nicht-linearen Feder. Die Auslenkung des Balkens wird genutzt, um die Bewegungsenergie in elektrische Energie zu wandeln. Alternativ kann hier auch ein elektromagnetisches Wandlungsprinzip genutzt werden. 7 shows (alternatively to 4 ) the use of a cube-shaped mass element 104 in an energy harvester, in particular in a vibration harvester based on a piezoelectric conversion mechanism. The movable soft magnetic mass 104 vibrates in the non-linear spring. The deflection of the beam is used to convert the kinetic energy into electrical energy. Alternatively, an electromagnetic conversion principle can also be used here.

Die vorliegende Erfindung kann wie erwähnt besonderes vorteilhaft auf dem Gebiet des Energy Harvesting eingesetzt werden. Insbesondere erlaubt sie die Realisierung eines neuartigen Prinzips eines Vibrationswandlers, der folgende Eigenschaften aufweist:

• eine breitbandige Energiewandlung aus Vibrationen, erzielt durch Nutzung eines neuartigen, nichtlinearen resonanten Systems,
• die Möglichkeit der aktiven Beeinflussung des Wandlerverhaltens durch einen energieautark arbeitenden Nachstellmechanismus für die Akzeptanzfrequenzen des Wandlers,
• somit in Summe die Option ein breitbandiges Akzeptanzfenster des Wandlers im Frequenzbereich zu verschieben, um es optimal an das Frequenzspektrum der Energiequelle anzupassen.

As mentioned, the present invention can be used to particular advantage in the field of energy harvesting. In particular, it allows the realization of a novel principle of a vibration transducer, which has the following properties:

A broadband energy conversion from vibrations achieved by using a novel non-linear resonant system,
The possibility of actively influencing the transducer behavior by means of an energy self-adjusting mechanism for the acceptance frequencies of the transducer,
• thus in total the option to shift a broadband acceptance window of the converter in the frequency domain, in order to adapt it optimally to the frequency spectrum of the energy source.

Die Nutzung der Energy Harvesting Technologie ermöglicht die Energieversorgung drahtloser, eingebetteter Mikrosysteme durch Umwandlung von Energie aus ihrer unmittelbaren Umgebung in elektrische Energie. Von hohem Interesse, weil häufig in technischen Systemen, Prozessen und in der Natur auftretend, ist in dieser Hinsicht die Nutzung mechanischer Energie in Form von Stößen, Schall oder Vibrationen. Die erfindungsgemäße Reluktanzfeder eignet sich insbesondere für Energy Harvester basierend auf Schall bzw. Vibrationen als Energiequelle.Utilizing Energy Harvesting technology enables the power supply of wireless, embedded microsystems by converting energy from their immediate environment into electrical energy. Of high interest, because often occurring in technical systems, processes and in nature, in this regard is the use of mechanical energy in the form of shock, sound or vibration. The reluctance spring according to the invention is particularly suitable for Energy Harvester based on sound or vibration as an energy source.

Unabhängig vom verwendeten mechanoelektrischen Wandlungsmechanismus lassen sich grundsätzlich zwei Klassen von Vibrationsharvestern unterscheiden:Regardless of the mechano-electric conversion mechanism used, two classes of vibratory harvester can basically be distinguished:

Monofrequente Generatoren:Mono-frequency generators:

Dieser Generatortyp steht heute im Zentrum der meisten Forschungsaktivitäten zu Energy Harvesting. Das Funktionsprinzip ist in der großen Zahl an Publikationen identisch, Unterschiede bestehen lediglich in der Wahl der mechanoelektrischen Energiewandler: Als mechanisches System wird ein resonant angeregtes, lineares Feder-Masse-System eingesetzt. Die kinetische Energie der schwingenden Masse wird durch einen geeigneten mechanoelektrischen Wandlungsmechanismus, z. B. durch piezoelektrische, elektromagnetische oder kapazitive Wandler, in elektrische Energie umgewandelt.This type of generator is at the center of most energy harvesting research activities today. The functional principle is identical in the large number of publications, differences exist only in the choice of mechano-electric energy converters: As a mechanical system, a resonantly excited, linear spring-mass system is used. The kinetic energy of the vibrating mass is determined by a suitable mechano-electrical conversion mechanism, e.g. B. by piezoelectric, electromagnetic or capacitive transducer, converted into electrical energy.

Das monofrequente Wandlerprinzip weist inhärente – und u. U. für die Anwendung gravierende – Probleme auf, die aus seiner Natur als linear-resonantes System erwachsen: Das Wandlerprinzip erlaubt durch Resonanzüberhöhung einen effizienten Leistungsübertrag bei oder in unmittelbarer Nähe der Resonanzfrequenz. Der Leistungsübertrag nimmt zu, wenn die Güte des Resonators per Design erhöht wird. Zugleich reduziert sich aber damit die nutzbare Bandbreite, d. h. es entsteht ein unvermeidlicher Designkonflikt zwischen hoher Ausgangsleistung und hoher Bandbreite.The monofrequent transducer principle has inherent - and u. For example, problems that arise from its nature as a linear-resonant system may arise for the application: The transducer principle allows an efficient power transfer at or in the immediate vicinity of the resonance frequency due to resonance peaking. The power transfer increases as the quality of the resonator is increased by design. At the same time, however, it reduces the usable bandwidth, ie. H. An inevitable design conflict arises between high output power and high bandwidth.

Ein derartiger Vibrationswandler kann somit nur dann maximale Energie liefern, wenn die Frequenz der externen Energiequelle bei oder in unmittelbarer Nähe seiner Resonanzfrequenz liegt. Bereits bei geringen Abweichungen zwischen Anregungsfrequenz und Resonanzfrequenz kann die Ausgangsenergie des Generators je nach eingestellter Güte drastisch abfallen. Der monofrequente Vibrationswandler ist somit ein Generator mit hoher (monofrequenter) spektraler Leistungsdichte, aber kleiner Leistungsbandbreite. Generatoren dieser Klasse können dementsprechend besonders effektiv in Umgebungen einsetzt werden, in denen die auftretenden Vibrationen in einem schmalen Frequenzband auftreten. Dies ist beispielsweise bei elektrischen Synchronmotoren oder bei anderen rotierenden Maschinen mit konstanter Drehfrequenz der Fall. Wesentlich häufiger sind jedoch Anwendungsfälle mit stark schwankender Anregungsfrequenz, für die dieser Wandler nicht oder kaum geeignet ist.Such a vibration transducer can thus provide maximum energy only if the frequency of the external energy source is at or in the immediate vicinity of its resonance frequency. Even with small deviations between excitation frequency and resonance frequency, the output energy of the generator can drop drastically depending on the set quality. The monofrequency vibration converter is thus a generator with a high (monofrequency) spectral power density but a small power bandwidth. Accordingly, generators of this class can be used particularly effectively in environments in which the vibrations occurring occur in a narrow frequency band. This is the case, for example, in electric synchronous motors or in other rotating machines with a constant rotational frequency. However, more frequently are applications with strongly fluctuating excitation frequency, for which this converter is not or hardly suitable.

Breitband-Generatoren:Broadband generators:

Breitband-Generatoren stehen erst seit jüngerer Zeit im Fokus des Interesses. Dieser Generatortyp ist durch eine hohe Leistungsbandbreite bei geringer spektraler Leistungsdichte charakterisiert. Er eignet sich damit insbesondere für den Einsatz in Umgebungen, in denen sich die Energie der Umgebungsvibration auf ein großes Frequenzspektrum verteilt. Problematisch gestaltet sich allerdings der Einsatz dieses Generatortyps in einer Vibrationsumgebung mit dominanter, allerdings zeitlich variierender Frequenz. Breitband-Generatoren liefern in einer solchen Umgebung nur wenig Energie, wohingegen monofrequente Generatoren nur für eine unter Umständen sehr kurze Zeit ihre maximale Energie liefern können. Der Stand der Forschung ist, was die realisierten Konzepte betrifft, durchaus vielfältig. Beispielsweise fassen Generator-Arrays monofrequente Wandler mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz zu einem Vibrationswandler zusammen. Dieses Konzept hat als Vorteil aufzuweisen, dass unterschiedliche Anregungsfrequenzen in einem Frequenzband gleichzeitig genutzt werden können, wenn sie jeweils in der Nähe einer Generator-Resonanzfrequenz liegen. Ein Frequenzsweep, wie er z. B. bei Erhöhung der Drehzahl am Motorblock eines Fahrzeugs auftritt, durchwandert sequenziell die Resonanzpunkte des Arrays und wird somit mehrfach genutzt. Als nachteilig ist anzusehen, dass Größe, Masse und Komplexität des Arrays mit der Anzahl der hinzugefügten Generatoren stark anwachsen. Ebenso muss jeder Generator des Arrays mit einer eigenen Gleichrichterschaltung versehen werden. Dies erhöht Umfang und Komplexität der Powermanagement-Elektronik und führt zu Verlusten durch Leckströme.Broadband generators have only recently become the focus of interest. This generator type is characterized by a high power bandwidth with low spectral power density. It is thus particularly suitable for use in environments in which the energy of the ambient vibration is distributed over a wide frequency spectrum. However, the use of this generator type in a vibration environment with a dominant, but time-varying frequency is problematic. Broadband generators provide very little energy in such an environment, whereas monofrequency generators can only deliver their maximum energy for a very short period of time. The state of research is, as far as the realized concepts are concerned, quite diverse. For example, generator arrays combine monofrequency transducers having different resonant frequencies to form a vibration transducer. This Concept has to show as an advantage that different excitation frequencies in a frequency band can be used simultaneously if they are each near a generator resonance frequency. A frequency sweep, as he z. B. occurs when increasing the speed of the engine block of a vehicle, sequentially traverses the resonance points of the array and is thus used multiple times. It is disadvantageous that the size, mass and complexity of the array increase strongly with the number of added generators. Likewise, each generator of the array must be provided with its own rectifier circuit. This increases the size and complexity of the power management electronics and leads to losses due to leakage currents.

In linearen Systemen gibt es zudem bereits erste Ansätze zur automatischen, energieautarken Anpassung der Resonanzfrequenz an die Umgebung. Wie in dem Artikel S. P. Beeby, R. N. Torah, M. J. Tudor, P. Glynne-Jones, T. O'Donnell, C. R. Saha & S. Roy, A micro electromagnetic generator for vibration energy harvesting, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007, 17, 1257–1265 , beschrieben, wird mit Hilfe von Magneten eine axiale Vorspannung auf eine Balkenfeder aufgebracht, wobei die Höhe der Kraft durch den Abstand des Magneten zur Balkenspitze, der mit einem Schrittmotor eingestellt wird, kontrolliert werden kann. Das System beinhaltet außerdem eine Regelungselektronik, die anhand der Phasenverschiebung zwischen Anregung und Systemantwort die Resonanzfrequenz des Generators anpassen kann.In linear systems, there are also already first approaches for the automatic, self-sufficient adjustment of the resonance frequency to the environment. As in the article SP Beeby, RN Torah, MJ Tudor, P. Glynne-Jones, T. O'Donnell, CR Saha & S. Roy, A micro-electromagnetic generator for vibration energy harvesting, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007, 17, 1257-1265 described, is applied by means of magnets an axial bias on a beam spring, wherein the amount of force by the distance of the magnet to the beam tip, which is adjusted by a stepping motor, can be controlled. The system also includes control electronics that can adjust the resonant frequency of the generator based on the phase shift between excitation and system response.

Nichtlineare Feder-Masse-Systeme, so genannte Duffing-Oszillatoren, werden erst in jüngster Zeit als Alternative zu den oben beschriebenen linearen Systemen vorgeschlagen. Dieser Wandlertyp beinhaltet eine Feder mit nicht-linearer Kraft-Weg-Charakteristik, d. h. die Federsteifigkeit wird – je nach Auslegung – mit zunehmender Auslenkung größer (sog. Hardening-Effekt) oder kleiner (sog. Softening-Effekt). Die Frequenz- und Phasencharakteristik eines solchen Systems ist in 8 dargestellt. Im Gegensatz zu linearen Systemen sind Duffing-Oszillatoren über einen gewissen Frequenzbereich durch zwei stabile Schwingungszustande gekennzeichnet, wodurch sich ein Hystereseverhalten des Systems ergibt.Nonlinear spring-mass systems, so-called duffing oscillators, are only recently proposed as an alternative to the linear systems described above. This transducer type includes a spring with a non-linear force-displacement characteristic, ie the spring stiffness is - depending on the design - with increasing deflection larger (so-called Hardening effect) or smaller (so-called softening effect). The frequency and phase characteristic of such a system is in 8th shown. In contrast to linear systems, duffing oscillators are characterized by two stable vibration states over a certain frequency range, which results in a hysteresis behavior of the system.

8 zeigt die Simulation von Amplitudengang (links) und Phasengang (rechts) unterschiedlicher Feder-Masse-Systeme. Die Kurven 801 und 801' zeigen das Verhalten eines linearen, harmonischen Systems. Die Kurven 802 und 802' zeigen das Verhalten eines nicht-linearen Duffing-Oszillators mit Softening-Charakteristik, die Kurven 803 und 803' das eines Systems mit Hardening-Charakteristik. Die gestrichelten Teile der Kurven entsprechen instabilen Zuständen, was typisch für nicht-lineare Systeme ist. Dadurch ergibt sich eine Hysteresecharakteristik für solche Systeme. Der Durchlauf durch eine solche Hystereseschleife ist beispielhaft für den Softening-Fall eingezeichnet. 8th shows the simulation of amplitude response (left) and phase response (right) of different spring-mass systems. The curves 801 and 801 ' show the behavior of a linear, harmonic system. The curves 802 and 802 ' show the behavior of a softening-characteristic nonlinear duffing oscillator, the curves 803 and 803 ' that of a system with hardening characteristics. The dashed parts of the curves correspond to unstable states, which is typical of non-linear systems. This results in a hysteresis characteristic for such systems. The passage through such a hysteresis loop is shown as an example for the softening case.

Bei korrekter Auslegung eines Duffing-Oszillators als Energy Harvester erreichen die entsprechenden Generatoren, wie in 8 gezeigt, im Vergleich zu einem linearen System eine hohe Leistungsbandbreite bei gleichzeitig hoher spektraler Leistungsdichte. Sowohl beim Hardeningals auch beim Softening-Konzept steigt die Amplitude der seismischen Masse, ausgehend vom linearen Resonanzpunkt ω₀, über einen gewissen Frequenzbereich an. Es ist somit inhärent Breitbandigkeit gegeben, solange die Anregungsfrequenz sich nicht über eine Scheitelfrequenz oberhalb oder unterhalb von ω₀ hinausbewegt. Für diesen Fall tritt sofort das Hystereseverhalten des Oszillators nachteilig in Erscheinung: Der Oszillator fällt in den unteren Ast des Amplitudengangs, wodurch die Ausgangsleistung abrupt einbricht. Ein Neustart der Schwingung auf dem höheren Attraktor wird erst dann möglich, wenn die Anregungsfrequenz wieder nahe zum Resonanzpunkt bei ω₀ zurückkehrt. Weiterhin hängt die Hysteresebreite, d. h. das nutzbare Frequenzfenster von der Auslenkung der Feder und damit von der externen Anregungsamplitude ab.When correctly designing a duffing oscillator as an energy harvester, the corresponding generators, as in 8th shown, compared to a linear system, a high power bandwidth and high spectral power density. In both the hardening and softening concepts, the amplitude of the seismic mass, starting from the linear resonance point ω ₀ , increases over a certain frequency range. It is thus inherently broadband given as long as the excitation frequency does not move beyond a peak frequency above or below ω ₀ . In this case, the hysteresis behavior of the oscillator occurs immediately disadvantageously: The oscillator falls in the lower branch of the amplitude response, whereby the output power abruptly breaks. A restart of the oscillation on the higher attractor is possible only when the excitation frequency returns close to the resonance point at ω ₀ . Furthermore, the hysteresis width, ie the usable frequency window depends on the deflection of the spring and thus on the external excitation amplitude.

In dem Artikel Ramlan, Roszaidi: Potential benefits of a non-linear stiffness in an energy harvesting device. PhD thesis, University of Southampton, Institute of Sound and Vibration Research (2010) , wurde der Einfluss nicht-linearer Federn in einem piezoelektrischen Vibrationsharvester im Hinblick auf potentielle Vorteile bzgl. hoher Frequenzbandbreite bei gleichzeitig hoher spektraler Leistungsdichte untersucht. Im Detail wurde ein Generator mit einer Hardening-Feder untersucht, in dem eine an einer Balkenfeder angebrachte magnetische Masse in einem externen Magnetfeld schwingt, welches eine nicht-lineare Rückstellkraft auf den Balken ausübt. Es wurde gezeigt, dass die Bandbreite eines solchen Generators deutlich über der des vergleichbaren linearen Systems liegt. In dem bereits erwähnten Artikel S. Stanton et al., Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy harvesting, Appl. Phys. Lett., 95 (2009), pp. 174103 , wurde ein ähnlicher piezoelektischer Generator mit magnetischer nichtlinearer Feder untersucht, wobei sowohl Softening-, als auch Hardening-Effekte eingestellt wurden. Das System mit Softening-Feder erreichte eine etwa viermal größere Bandbreite als das vergleichbare lineare System, wobei zudem gezeigt wurde, dass ein Softening-System auch bei monofrequenter Anregung mehr Leistung als das entsprechende lineare System liefern kann. Das untersuchte Hardening-System erreichte eine etwa 1,25-fach höhere Bandbreite bei etwa gleichbleibender Auslenkung. Die auftretende Hysterese wird hier jedoch als störender Faktor identifiziert, die einen stabilen Betrieb bei monofrequenter Anregung verhindern kann. Der Artikel A. Erturk & D. J. Inman, Piezoelectric Energy Harvesting, John Wiley & Sons, 2011 , schlägt die Verwendung eines gezielt ausgelösten Impulses vor, um dem System so eine Anfangsbedingung für einen bestimmten Schwingungszustand aufzuprägen. Im untersuchten Fall konnte durch einen abrupten Stoß mit der Hand das chaotische Verhalten eines nicht-linearen, bistabilen Energy Harvesters aufgelöst und das System in einen hochenergetischen periodischen Zustand überführt werden.In the article Ramlan, Roszaidi: Potential benefits of a non-linear stiffness in an energy harvesting device. PhD thesis, University of Southampton, Institute of Sound and Vibration Research (2010) , the influence of nonlinear springs in a piezoelectric vibratory harvester was investigated in terms of potential advantages in terms of high frequency bandwidth and simultaneously high spectral power density. In detail, a generator with a hardening spring has been studied in which a magnetic mass attached to a beam spring oscillates in an external magnetic field which exerts a non-linear restoring force on the beam. It has been shown that the bandwidth of such a generator is significantly higher than that of the comparable linear system. In the already mentioned article S. Stanton et al., Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy harvesting, Appl. Phys. Lett., 95 (2009), pp. 174103 , a similar magneto-nonlinear spring piezoelectric generator was tested with both softening and hardening effects set. The softening spring system achieved about four times the bandwidth of the comparable linear system, and it was also shown that a softening system can deliver more power than the corresponding linear system, even with monofrequency excitation. The investigated Hardening system achieved an approximately 1.25-fold higher bandwidth with approximately constant deflection. The occurring hysteresis is here but as disturbing Factor identified that can prevent stable operation with monofrequent excitation. The item A. Erturk & DJ Inman, Piezoelectric Energy Harvesting, John Wiley & Sons, 2011 , suggests the use of a deliberately triggered pulse to impose on the system an initial condition for a particular vibration condition. In the case under investigation, an abrupt hand impact dissolved the chaotic behavior of a non-linear bistable energy harvester and transformed the system into a high-energy periodic state.

Neben den stets an einer linearen Feder gelagerten piezoelektrischen Ansätzen verfolgt die Publikation D. Spreemann, B. Folkmer, Y. Manoli, Elektromagnetische Vibrationswandler – Techniken im Überblick und Vergleich, tm – Technisches Messen 76, Heft 12, München, 2009, pp. 540–545 , ein elektromagnetisches Wandlungskonzept. Eine magnetische Masse schwingt hier ebenfalls in einem externen Magnetfeld, wird jedoch nicht durch eine Balkenfeder gelagert sondern lediglich geführt. Der untersuchte Generator zeigt eine sehr hohe Bandbreite, wobei auch hier aufgrund der Hysterese im Frequenzgang auf die Notwendigkeit einer aktiven Regelung des Generators hingewiesen wird. Entsprechende Arbeiten wurden nicht durchgeführt. Der Artikel B. P. Mann et al., Uncertainty in performance for linear and nonlinear energy harvesting strategies. J. Intell. Mater. Syst. Struct., Online (2012) , untersucht ebenfalls einen rein nichtlinearen magnetischen Ansatz mit elektromagnetischem Wandlungsprinzip. Auch hier zeigen sich die charakteristische hohe Bandbreite sowie die Hysterese im Frequenzgang als dominante Eigenschaften des Systems. Gleichzeitig wird die hohe Dämpfung des untersuchten Systems als Schwachstelle identifiziert, da sie die nicht-linearen Eigenschaften im Bereich schwacher Anregung (2,1 m/s²) nahezu vollständig unterdrückt. Als Möglichkeit zur Kontrolle der Hysterese wird daher ein Einfluss über die elektrische Dämpfung, also der extrahierten Energie, vorgeschlagen.In addition to the always mounted on a linear spring piezoelectric approaches followed by the publication D. Spreemann, B. Folkmer, Y. Manoli, Electromagnetic Vibration Transducers - Techniques Overview and Comparison, tm - Technisches Messen 76, Issue 12, Munich, 2009, pp. 540-545 , an electromagnetic conversion concept. A magnetic mass also oscillates here in an external magnetic field, but is not supported by a bar spring but merely guided. The investigated generator shows a very high bandwidth, which is also due to the hysteresis in the frequency response to the need for an active control of the generator is pointed out. Corresponding work was not carried out. The item BP Mann et al., Uncertainty in performance for linear and nonlinear energy harvesting strategies. J. Intell. Mater. Syst. Struct., Online (2012) , also investigates a purely nonlinear magnetic approach with electromagnetic conversion principle. Here, too, the characteristic high bandwidth and the hysteresis in the frequency response are the dominant features of the system. At the same time, the high attenuation of the investigated system is identified as a weak point because it almost completely suppresses the non-linear properties in the region of weak excitation (2.1 m / s ² ). As an option for controlling the hysteresis, therefore, an influence on the electrical damping, that is the extracted energy, is proposed.

Insgesamt ist das Gebiet nicht-linearer Energy Harvester jedoch nur mit wenigen Publikationen in der Fachliteratur vertreten. Die vorgestellten Beispiele zeigen die Vorteile dieses Ansatzes in Bezug auf eine hohe Bandbreite bei gleichzeitig hoher Auslenkung auf. Offen sind nach wie vor viele Probleme in Bezug auf die Hysterese, die bisher nicht automatisiert gelöst werden konnten, so dass Generatoren nach einem nicht-linearen Federprinzip bis jetzt nicht anwendungsgeeignet sind. Zudem sind die untersuchten Systeme mit lateralen Abmessungen im Bereich von 4 cm × 8 cm sehr groß, was einer Anwendung in miniaturisierten Systemen nicht gerecht wird.Overall, the area of non-linear Energy Harvester but only a few publications in the literature represented. The examples presented show the advantages of this approach in terms of high bandwidth and high deflection at the same time. Open to many hysteresis problems that could not be solved so far automated, so that generators are not yet suitable for use according to a non-linear spring principle. In addition, the systems studied with lateral dimensions in the range of 4 cm × 8 cm are very large, which does not do justice to an application in miniaturized systems.

Zur aktiven Beeinflussung des Generatorverhaltens wurden einige Mechanismen zur Anpassung der Resonanzfrequenz an die Umgebungsvibrationen vorgestellt. In allen bereits dargestellten Systemen wird auf die generelle Möglichkeit zur Anpassung der Frequenzcharakteristik durch eine Änderung der Magnetanordnung hingewiesen. Beispielsweise sind die Magneten für diesen Zweck eigens an Schrauben montiert um den Abstand zur schwingenden Magnetmasse einfach zu ändern.To actively influence the generator behavior, several mechanisms for adapting the resonance frequency to the environmental vibrations have been presented. In all of the systems already described, reference is made to the general possibility of adapting the frequency characteristic by changing the magnet arrangement. For example, the magnets are specially mounted for this purpose on screws to easily change the distance to the oscillating magnetic mass.

Die bisher vorgestellten Generatoren setzen ausschließlich magnetische Kräfte zur Erzeugung einer nicht-linearen Rückstellkraft ein. Der Vorteil dieses Prinzips im Gegensatz zu beispielsweise einem elektrostatischen Ansatz ist die absolute Passivität. Die bisher verwendeten Prinzipien setzen auf eine einfache Positionierung mehrerer Magneten zueinander. Als Nachteil dieser direkten Wechselwirkung zwischen Magneten erweist sich der große Abstand zwischen den Magneten. Dieser ist notwendig, da die Magnetkräfte bei kleinen Abständen sehr groß werden und so beispielsweise im Fall des Hardening-Effekts die Bewegung des Systems nahezu komplett unterdrücken. Gleichzeitig sind durch die großen Abstände hohe Auslenkungen der schwingenden Masse erforderlich, da der Grad der Nichtlinearität mit zunehmendem Abstand vom Magneten abnimmt. So muss etwa die in Stanton, S. C.; McGehee, C. C. & Mann, B. P.: Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy harvesting. In: Applied Physics Letters 95 (2009). S. 174103 , verwendete, an einer Balkenfeder befestigten Magnetmasse eine deutliche Kreisbewegung ausführen, damit sich nicht-linearen Effekte einstellen und einen Einfluss auf das Systemverhalten haben.The previously presented generators use only magnetic forces to generate a non-linear restoring force. The advantage of this principle in contrast to, for example, an electrostatic approach is absolute passivity. The principles used so far rely on a simple positioning of several magnets to each other. The disadvantage of this direct interaction between magnets is the large distance between the magnets. This is necessary because the magnetic forces at small distances are very large and thus suppress the movement of the system almost completely, for example in the case of Hardening effect. At the same time high deflections of the oscillating mass are required by the large distances, since the degree of nonlinearity decreases with increasing distance from the magnet. For example, in Stanton, SC; McGehee, CC & Man, BP: Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy harvesting. In: Applied Physics Letters 95 (2009). P. 174103 , used, mounted on a bar spring magnetic mass perform a significant circular motion, so that adjust non-linear effects and have an impact on the system behavior.

Neben diesen in Energy Harvestern umgesetzten Konzepten gibt es eine Vielzahl magnetischer Federn, die meist zur berührungslosen Lagerung von Komponenten und zur Schwingungsdämpfung eingesetzt werden. Diese Federn arbeiten beispielsweise nach einem Prinzip, bei dem eine mit Magneten bestückte Welle in einer mit gegensätzlich gepolten Magneten Führung aufgenommen wird und so die abstoßende Kraft der Führung und der Welle zur federnden bzw. schwingungsdämpfenden Wirkung führt.In addition to these concepts implemented in energy harvesters, there are a variety of magnetic springs, which are mostly used for non-contact component storage and vibration damping. These springs operate, for example, according to a principle in which a shaft equipped with magnets is received in a guide with oppositely poled magnet guide and so the repulsive force of the guide and the shaft leads to the resilient or vibration-damping effect.

Ähnliche Konzepte werden u. a. von der Firma NTI AG unter der Marke MagSpring^® als Konstantkraftausführung vertrieben. Neben diesen Prinzipien ist bisher noch keine Anordnung bekannt, bei der sich mit Magneten eine möglichst beliebige Federcharakteristik bei hoher Bewegungsfreiheit der seismischen Masse einstellen lässt. Auf Seiten der aktiv gesteuerten, elektro-magnetischen Aktuatoren gibt es einige Ansätze zur Erzeugung moderater Kräfte auf eine bewegliche, weichmagnetische Masse durch die Verwendung von Flussleitstücken. Die Flussleitstücke leiten dabei den magnetischen Fluss einer Spule gezielt durch einen Spalt, der durch die bewegliche Masse überbrückt wird. Durch eine Verringerung des Spalts erfolgt eine Minimierung der Gesamtenergie des Systems, so dass sich eine Kraft auf das bewegliche Flussleitstück ergibt. Über die Einstellung des magnetischen Flusses durch die Spule lässt sich so die Kraft auf das bewegliche Teil einstellen.Similar concepts are sold by the company NTI AG under the brand MagSpring ^® as Konstantkraftausführung. In addition to these principles, no arrangement is yet known in which can be set with magnets as any spring characteristic with high freedom of movement of the seismic mass. On the side of the actively controlled electro-magnetic actuators, there are some approaches for the generation of moderate forces on a movable, soft magnetic mass through the use of Flussleitstücken. The flux guides guide the magnetic flux a coil targeted by a gap which is bridged by the movable mass. By reducing the gap, the overall energy of the system is minimized, so that a force is produced on the movable flux guide. By adjusting the magnetic flux through the coil, the force can be adjusted to the moving part.

In der Mikrotechnik sind solche Aktuatoren aufgrund der schwierigen Integrierung von Spulen nur sehr selten vertreten. Daher werden in einem mikrostrukturierten Aktuator für Prazisionspositionierung statt einem einzelnen Spalt eine Fingerstruktur implementiert. Durch diese Maßnahme lässt sich Fertigungstoleranz sowie die Gesamtkraft auf den beweglichen Teil erhöhen.In microengineering, such actuators are rarely represented due to the difficulty of integrating coils. Therefore, a finger structure is implemented in a microstructured precision positioning actuator rather than a single gap. By this measure, manufacturing tolerance and the total force on the moving part can be increased.

Basierend auf den mit Bezug auf die 1 bis 6 erläuterten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Reluktanzfeder können gemäß einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Grundprinzips für den Einsatz in Energy-Harvestern (oder auch für andere Anwendungsgebiete) nicht-lineare, passiver Federn mit einem Mechanismus zur Anpassung der Federsteifigkeit angegeben werden. Zunächst wird nachfolgend eine Auswahl mehrerer Federn mit der Möglichkeit zur Änderung der Federkonstante, allerdings ohne integrierten Aktor erläutert, mit der es möglich ist, dass eine nicht-lineare Feder zur Verfügung steht, mit der sich die Abhängigkeit von der externen Anregungsamplitude kompensieren lässt. Darüber hinaus kann der Verstimmungsmechanismus dazu genutzt werden, das System auf den optimalen Frequenzbereich des Anregungsspektrums zu überführen.Based on with respect to the 1 to 6 explained embodiments of the reluctance spring according to the invention can be given with a mechanism for adjusting the spring stiffness according to a further development of the basic principle of the invention for use in energy harvesters (or for other applications) non-linear passive springs. First, a selection of several springs with the possibility of changing the spring constant, but without an integrated actuator is explained below, with which it is possible that a non-linear spring is available, with which the dependence on the external excitation amplitude can be compensated. In addition, the detuning mechanism can be used to translate the system to the optimal frequency range of the excitation spectrum.

Im Fokus stehen dabei erfindungsgemäß magnetische Prinzipien. Diese sind im Vergleich zu beispielsweise elektrostatischen Ansätzen komplett passiv, so dass keine zusätzliche Energie aufgewendet werden muss, um die entsprechenden nicht-linearen Effekt zu erzeugen und nutzen zu können. Bei der Auswahl der Geometrie ist zudem darauf zu achten, dass sich ein Mechanismus zur Variation der Federsteifigkeit integrieren lässt. Ein großer Nachteil der bisher von den meisten. Arbeitsgruppen eingesetzten direkten Wechselwirkung zwischen zwei Magneten liegt in der hohen Kraft sowie der vergleichsweise geringen Nichtlinearität, so dass die Abstände zwischen den Magneten sehr groß sind und die Auslenkung der Systeme entsprechend ebenfalls sehr groß sein muss.The focus here is according to the invention magnetic principles. These are completely passive compared to, for example, electrostatic approaches, so that no additional energy must be expended in order to generate and use the corresponding non-linear effect. When selecting the geometry, it must also be ensured that a mechanism for varying the spring stiffness can be integrated. A big drawback of the most so far. Working groups used direct interaction between two magnets is in the high power and the relatively low nonlinearity, so that the distances between the magnets are very large and the deflection of the systems must also be very large accordingly.

Als alternatives Konzept werden gemäß der vorliegenden Erfindung Federn auf Basis eines Reluktanzkreises, wie in 9 und 10 dargestellt, verwendet. Diese Art der magnetischen Kreise wird i. d. R. für elektromagnetische Aktoren eingesetzt, sie kann jedoch auch zur passiven Erzeugung einer Kraft genutzt werden. In diesem Fall wird der magnetische Fluss eines Permanentmagneten mithilfe entsprechender weichmagnetischer Kerne gezielt durch einen Spalt geleitet. Der Gesamtfluss und damit die magnetische Energie hängt dabei vom magnetischen Widerstand der Kerne und des Spalts ab. Durch das Eintauchen eines beweglichen Kernstücks in den Spalt wird die Gesamtenergie des Systems verringert, so dass sich eine Kraft auf dieses bewegliche Stück ergibt. Die Kräfte auf das bewegliche Stück sind deutlich geringer als die direkte Anziehung oder Abstoßung zweier Magnete. Zudem kann durch eine Anpassung der Form des beweglichen Kerns die Form der Kraft-Auslenkungs-Kennlinie relativ einfach angepasst werden. Eine Möglichkeit zur Einstellung der Federsteifigkeit ist durch die Änderung der Gesamtreluktanz gegeben. Je höher diese Änderung ist, desto stärker ist wiederum die Änderung in der Federsteifigkeit. Ein steuerbarer magnetischer Kurzschluss des Magneten verringert beispielsweise den Gesamtfluss durch den magnetischen Rückschluss der Feder. Alternativ dazu kann die Spaltbreite verändert werden, die eine um Größenordnungen höhere Reluktanz als die weichmagnetischen Kerne aufweist und somit den Maximalfluss limitiert.As an alternative concept according to the present invention, springs based on a reluctance circuit, as in FIG 9 and 10 shown used. This type of magnetic circuit is usually used for electromagnetic actuators, but it can also be used for the passive generation of a force. In this case, the magnetic flux of a permanent magnet is directed by means of appropriate soft magnetic cores targeted through a gap. The total flux and thus the magnetic energy depends on the magnetic resistance of the cores and the gap. By dipping a movable core into the gap, the overall energy of the system is reduced, resulting in a force on this movable piece. The forces on the moving piece are significantly lower than the direct attraction or repulsion of two magnets. In addition, by adapting the shape of the movable core, the shape of the force-deflection characteristic can be adjusted relatively easily. One way to adjust the spring stiffness is given by the change in the total reluctance. The higher the change, the stronger the change in spring stiffness. For example, a controllable magnetic short of the magnet reduces the overall flux through the magnetic return of the spring. Alternatively, the gap width can be changed, which has orders of magnitude higher reluctance than the soft magnetic cores and thus limits the maximum flux.

Mögliche Konzepte zur Umsetzung dieser Konzepte sind in den 9 und 10 gezeigt. Das in 9 dargestellte Konzept beinhaltet zwei Gelenke und eine piezoelektrische Aktorstruktur.Possible concepts for the implementation of these concepts are in the 9 and 10 shown. This in 9 illustrated concept includes two joints and a piezoelectric actuator structure.

Durch das Anlegen einer Spannung an den Aktor dehnt sich dieser aus, wobei die Ausdehnung durch die geometrische Anordnung entsprechend verstärkt wird und sich somit die Spaltbreite direkt einstellen lässt. Insbesondere zeigt 9 eine mögliche Ausführung einer magnetischen nicht-linearen Feder. Der bewegliche Kern sieht während er in den Magnetkreis eintaucht eine nicht-linear ansteigende Kraft. Das Maß der Nicht-Linearität kann auf einfache Weise durch einen Piezoaktor, der die Spaltbreite verändert, eingestellt werden. Dadurch lässt sich idealerweise bereits ein breites Frequenzspektrum abdecken. Die Spule, die in 9 gezeigt ist, kann auch zur Energieernte genutzt werden.By applying a voltage to the actuator, this expands, wherein the expansion is amplified by the geometric arrangement accordingly and thus the gap width can be set directly. In particular shows 9 a possible embodiment of a magnetic non-linear spring. The moving core, while immersed in the magnetic circuit, sees a non-linearly increasing force. The degree of non-linearity can be easily adjusted by a piezoelectric actuator that changes the gap width. As a result, ideally a broad frequency spectrum can already be covered. The spool in 9 shown can also be used for energy harvesting.

10 zeigt ein alternatives Konzept, bei dem der magnetische Fluss durch eine in den Magnetrückschluss eingebettete bewegliche Schiene gezielt verändert werden kann, was einen ähnlichen Effekt auf die Federkonstante des Kreises hat. 10 shows an alternative concept in which the magnetic flux can be selectively changed by a movable rail embedded in the magnetic return, which has a similar effect on the spring constant of the circuit.

Das in 10 dargestellte Konzept beinhaltet Gleitstücke, die aus abwechselnd weichmagnetischem und diamagnetischem Material bestehen, der Kern ist an der Stelle der Gleitstücke entsprechend geformt. Die alternierende Anordnung von diamagnetischem Material mit sehr hoher Reluktanz und weichmagnetischem Material mit sehr niedriger Reluktanz stellt eine Parallelschaltung im elektrischen Ersatzschaltbild dar, so dass sich durch die Position der Gleitstücke die Gesamtreluktanz einstellen lässt. Eine mögliche Aktuierung ist beispielsweise ebenfalls mithilfe piezoelektrischer Prinzipien realisierbar, wobei hier auch bistabile Antriebskonzepte kombiniert mit einer Vielzahl solcher Gleitstücke eine Alternative darstellen. Neben der Möglichkeit zur Einstellung der Federkonstante bieten die vorgeschlagenen Reluktanzaktoren erweiterte Möglichkeiten zur Systemüberwachung im Vergleich zu den bisher verwendeten direkten Magnetwechselwirkungen. So kann mithilfe einer Überwachungsspule die Änderung des magnetischen Flusses bestimmt werden. Auch die direkte Verwendung einer größeren Spule als elektro-magnetischer Wandlungsmechanismus ist in vorteilhafter Weise möglich.This in 10 illustrated concept includes sliders, which consist of alternately soft magnetic and diamagnetic material, the core is shaped at the location of the sliders accordingly. The alternating arrangement of very high reluctance diamagnetic material and very low reluctance soft magnetic material provides a parallel electrical circuit Substitute circuit diagram, so that can be adjusted by the position of the sliders, the total inductance. A possible actuation, for example, also realized using piezoelectric principles, here also bistable drive concepts combined with a variety of such sliders represent an alternative. In addition to the possibility of adjusting the spring constant, the proposed reluctance actuators offer extended possibilities for system monitoring in comparison to the direct magnetic interactions used previously. Thus, by means of a monitoring coil, the change in the magnetic flux can be determined. The direct use of a larger coil as an electro-magnetic conversion mechanism is possible in an advantageous manner.

Die Auswahl der für die Anwendung geeigneten Geometrien hinsichtlich ihrer Federkennlinie kann mithilfe von FEM-Simulationen getroffen werden.The selection of the geometries suitable for the application with regard to their spring characteristic can be made using FEM simulations.

Die ausgewählten Federgeometrien können im Anschluss an die Optimierung nach verschiedenen Fertigungsprozessen gefertigt werden. Der genaue Fertigungsprozess hängt letztendlich von den gewählten Materialien ab. Beispielsweise ist eine Verwendung von verklebtem, weichmagnetischem Trafoblech aufgrund der hohen Sättigungsflussdichte des Materials von etwa 2.1 T vorteilhaft. Die Verwendung vom verklebtem Trafoblech minimiert außerdem Wirbelstromverlust im weichmagnetischen Kern, die durch die ständige Änderung des magnetischen Flusses entstehen, so dass hierdurch die Dämpfung der Feder minimiert wird. Die Geometrie kann mithilfe eines Lasers aus den Blechen ausgeschnitten und anschließend mit einer Presse verklebt werden. Für diese Prozessabfolge können sich unter Umständen Probleme bei der Ausrichtung der ausgeschnittenen Blechteile vor dem Verkleben ergeben. Diese können durch eine flexible Silikonhalterung allerdings behoben werden.The selected spring geometries can be manufactured after the optimization according to different manufacturing processes. The exact manufacturing process ultimately depends on the materials chosen. For example, a use of bonded soft magnetic transformer sheet is advantageous because of the high saturation flux density of the material of about 2.1 T. The use of the bonded transformer sheet also minimizes eddy current loss in the soft magnetic core caused by the constant change in the magnetic flux, thereby minimizing the damping of the spring. The geometry can be cut out of the sheets using a laser and then glued with a press. This process sequence may cause problems with aligning the cut sheet metal parts prior to bonding. These can be remedied by a flexible silicone holder.

Daneben können auch direkt verklebte Bleche mit einer Drahterodiermaschine zugeschnitten werden. In beiden angedachten Fertigungsvarianten ist allerdings ein unter Umständen nicht zu vernachlässigender Warmeintrag in das Material möglich, der von der tatsächlichen Größe der ausgewählten Federn abhängt. Eine solche Wärmeentwicklung kann die magnetischen Eigenschaften des bearbeiteten Materials nachhaltig verschlechtern, so dass eine aufwändige Nachglühung notwendig wäre. Sollte sich herausstellen, dass diese Verschlechterung in einem nicht tolerierbaren Maße stattfindet, kann das verklebte Trafoblech durch Wasserstrahlschneiden bearbeitet werden. Die hergestellten weichmagnetischen Kerne werden zum Schluss mit den ausgewählten Magneten verklebt.In addition, directly glued sheets can be cut with a wire EDM machine. In both contemplated production variants, however, a not to be neglected hot input into the material is possible, which depends on the actual size of the selected springs. Such heat development can permanently impair the magnetic properties of the processed material, so that a costly afterglow would be necessary. If it turns out that this deterioration takes place to an intolerable extent, the glued Trafo sheet can be processed by water jet cutting. The produced soft magnetic cores are finally glued to the selected magnets.

Als gänzlich alternative Herstellungsmethode bietet sich ein Gießprozess für sehr kleine Strukturen an. Hier wird ein mit einem weichmagnetischen Pulver gefülltes Polymer (beispielsweise Epoxidharz) in eine Silikongussform gefüllt und darin ausgehärtet. Entsprechende Gießprozesse werden seit Jahren für die Herstellung von piezoelektrischen Aktoren in der Piezo-Polymer-Komposit-Technologie eingesetzt. Hierfür wird eine Masterform der gewünschten Struktur aus Aluminium mit konventionellen Prozessen wie CNC-Fräsen gefertigt. Im Anschluss wird ein Silikonabguss dieser Aluminiumform hergestellt, der daraufhin für die Herstellung der Struktur verwendet wird. Im Gegensatz zu der Verwendung eines Trafoblechverbunds lassen sich mithilfe des Gießprozesses deutlich kleinere Strukturen mit genaueren Abmessungen herstellen. Allerdings ist die Sättigungsflussdichte vermutlich deutlich geringer, so dass diese Herstellungsvariante nur im Falle von sehr hoher geforderter Präzision eingesetzt werden soll.A completely alternative production method is a casting process for very small structures. Here, a polymer filled with a soft magnetic powder (for example, epoxy resin) is filled in a silicone casting mold and cured therein. Corresponding casting processes have been used for years for the production of piezoelectric actuators in piezo-polymer composite technology. For this purpose, a master mold of the desired structure is made of aluminum using conventional processes such as CNC milling. Subsequently, a silicone casting of this aluminum mold is produced, which is then used for the production of the structure. In contrast to the use of a transformer sheet composite, the casting process can be used to produce significantly smaller structures with more accurate dimensions. However, the saturation flux density is probably much lower, so that this production variant should only be used in the case of very high required precision.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims

Reluctance spring with non-linear spring characteristic, comprising: a magnetic field generating element ( 100 ) for generating a magnetic field; a core element ( 102 ) for guiding the magnetic field and generating a magnetic circuit, wherein the core element ( 102 ) defines a gap; a movable, soft magnetic mass element ( 104 ) disposed in the gap and changing its overall movement in the magnetic circuit by its movement.

Reluctance spring according to claim 1, wherein the mass element has a cubic shape.

Reluctance spring according to claim 1, wherein the mass element 104 ' has a wedge-shaped geometry.

Reluctance spring according to one of the preceding claims, wherein the magnetic field generating unit is formed by a permanent magnet.

Reluctance spring according to one of the preceding claims, wherein the core ( 102 ) is made of iron.

Reluctance spring according to one of the preceding claims, wherein the mass element ( 104 . 104 ' ) is deflectable in a direction which is transverse to a north-south axis of the magnetic field generating element and transverse to a plane defined by the magnetic circuit.

Reluctance spring according to one of claims 1 to 5, wherein the mass element ( 104 . 104 ' ) is deflectable in a direction transverse to a north-south axis of the magnetic field generating element and within a plane defined by the magnetic circuit.

Reluctance spring according to one of the preceding claims, wherein the core element is designed to be at least partially movable, so that a width of the gap is adjustable.

Reluctance spring according to one of the preceding claims, wherein the core element further comprises at least one movable slider whose position is changeable within the core element for adjusting a magnetic resistance of the magnetic circuit.

Reluctance spring according to one of the preceding claims, which is at least partially made of metal sheets glued together.

Reluctance spring according to one of the preceding claims, which is at least partially made of a cast composite material.

The reluctance spring according to claim 11, wherein the composite material comprises a polymer filled with a soft magnetic powder.

Vibration generator having a cantilever receiving the vibration, the generator being connected to a spring according to one of the preceding claims, by a mass element ( 104 . 104 ' ) is attached to an outer region of the cantilever and with the associated core ( 102 ) of the reluctance spring cooperates.

The vibration generator of claim 13, wherein the cantilever carries a piezoceramic layer for generating electrical signals in response to mechanical oscillation.

A vibration generator according to claim 14, wherein said generator comprises an electromagnetic transducer unit for generating electrical signals in response to mechanical oscillation.