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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiewandler zum Wandeln von kinetischer in elektrische Energie.
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Energiewandler zum Wandeln von kinetischer in elektrische Energie werden allgemein als Generatoren bezeichnet und sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie nutzen das Prinzip elektromagnetischer Wechselwirkung zwischen einem Stator- und einem Rotorteil um aus einer Relativbewegung der beiden Teile eine elektrische Spannung zu erzeugen. Am gebräuchlichsten sind hierbei Generatoren, die eine Rotationsbewegung zur Stromerzeugung nutzen. Beispiele für Anwendungen von Rotationsgeneratoren sind Fahrraddynamos, Windturbinen oder Generatoren in thermischen Großkraftwerken oder Wasserkraftwerken.
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Linear arbeitende Generatoren sind aus dem Stand der Technik ebenso bekannt, jedoch wesentlich weniger verbreitet. Als Beispiel können sogenannte Schütteltaschenlampen gelten, bei denen sich ein durch Schütteln bewegter Magnet linear relativ zu einer Induktionsspule bewegt und in dieser so eine Spannung generiert.
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Während bei Lineargeneratoren ein möglichst reibungsarmer Bewegungsablauf ein wichtiges Kriterium für die Systemeffizienz darstellt, kommt bei Rotationsgeneratoren neben der Bewegungsreibung der Rotationssymmetrie des Systems eine herausragende Bedeutung zu. So ist es bei Rotationsgeneratoren und bei anderen mechanischen Rotationssystemen im Allgemeinen üblich, durch ein entsprechendes Auswuchten eine hinreichende Rotationssymmetrie zu gewährleisten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Energiewandler der eingangs angegebenen Art vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Energiewandler zum Wandeln von kinetischer in elektrische Energie umfaßt ein äußeres Element, das mit einem sich drehenden Bauteil verbindbar oder verbunden ist. Bei dem sich drehenden Bauteil kann es sich insbesondere um ein Fahrzeugrad handeln. Der Energiewandler kann insbesondere mit einer Felge oder einer Radabdeckung eines Fahrzeugrads verbindbar oder verbunden sein.
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Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug oder ein sonstiges Fahrzeug handeln. Innerhalb des äußeren Elements befindet sich ein inneres Element, das gegenüber dem äußeren Element drehbar gelagert ist. Der Schwerpunkt des inneren Elements liegt im Abstand von der Drehachse, um die das innere Element gegenüber dem äußeren Element gelagert ist. Der Schwerpunkt des äußeren Elements liegt vorzugsweise im Bereich von dieser Drehachse. Der Energiewandler umfaßt ferner wenigstens einen Energieverbraucher.
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Durch die Erfindung wird der Vorteil genutzt, daß ein gewisses Maß an Rotationsasymmetrie vorhanden ist. Durch die Erfindung kann die an einem Fahrzeugrad auftretende Drehbewegung zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden, wobei zur Generierung der dazu nötigen Relativbewegung von Rotor und Stator keine aus dem Stand der Technik bekannte mechanische Arretierung des Stators erfolgt. Statt dessen wird die Arretierung des Stators durch eine Rotationsasymmetrie ersetzt, die die für eine Relativbewegung notwendige Arretierungskraft auf den Stator ausübt.
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Während bei üblichen Rotationsgeneratoren ein außenliegender Stator, der zum Beispiel mit der feststehenden Bodenstruktur eines Generatorhauses verbunden ist, einen innenliegenden Rotor umfaßt, der entsprechend drehbar gelagert ist, liegt in der vorliegenden Erfindung ein außenliegender Rotor vor, der mit einem sich drehenden Fahrzeugrad verbunden ist und einen innenliegenden Stator aufweist.
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Da der sich drehende Rotor den innenliegenden Stator umschließt, ist es aufgrund der vollständigen Umfassung des Stators durch den Rotor nicht wie üblich möglich, den Stator mit einer feststehenden Struktur außerhalb des Rotor-Stator-Gefüges zu verbinden, um so eine Relativbewegung zwischen Rotor und Stator zu ermöglichen. Gleichwohl wird die erforderliche Relativbewegung gemäß der Erfindung dadurch ermöglicht, daß der Schwerpunkt des inneren Elements versetzt von der Drehachse liegt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der Energiewandler umfaßt vorzugsweise wenigstens eine Lichtquelle. Er kann einen Leuchtkörper mit einer Sichtfläche aufweisen. Die Lichtquelle wird mit der vom Energiewandler erzeugten elektrischen Energie versorgt. Der Leuchtkörper weist eine nach außen gerichtete Sichtfläche auf. Im Endergebnis wird die kinetische Energie zunächst in elektrische Energie und anschließend in Lichtenergie umgewandelt. Vorteilhaft ist es, wenn die Lichtquelle und/oder der Leuchtkörper am inneren Element angeordnet sind. Es ist allerdings auch möglich, die Lichtquelle und/oder den Leuchtkörper am äußeren Element anzuordnen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfaßt der Energiewandler einen Schallerzeuger. Dies kann insbesondere dann von besonderem Vorteil sein, wenn der Energiewandler bei einem Elektroauto verwendet wird.
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Der erfindungsgemäße Energiewandler kann Bestandteil einer Felge oder einer Radabdeckung sein, welche mit einem Fahrzeugrad verbindbar oder verbunden ist. Wenn sich das Fahrzeug in Bewegung setzt, beginnt sich das Fahrzeugrad zu drehen, so daß sich das äußere Element, da es mit dem Fahrzeugrad verbunden ist, ebenfalls mitdreht. Da das innere Element relativ zum äußeren Element drehbar gelagert ist, wird das Beschleunigungsmoment, welches auf das äußere Element wirkt, nicht an das innere Element weitergegeben, welches somit nicht in eine Drehbewegung versetzt wird. Da die Reibung zwischen äußerem und innerem Element nicht vollständig aufgehoben werden kann, wirken trotzdem geringe Drehmomente vom äußeren auf das innere Element, die eine Auslenkung des inneren Elements um die Drehachse bewirken können. Diese Auslenkung wiederum führt in Verbindung mit der auf das innere, ausgelenkte Element wirkenden Gravitationskraft zu einem Gegendrehmoment, welches der Auslenkung entgegenwirkt. Im Endergebnis findet eine Relativbewegung zwischen dem äußeren Element und dem inneren Element statt, durch die elektrische Energie erzeugt werden kann.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Energiewandlers besteht darin, daß es möglich ist, eine Energieversorgung in einem Fahrzeugbereich bereitzustellen, der aufgrund seiner zum restlichen Fahrzeug drehbaren Lagerung nicht ohne eine konstruktiv umständliche Lösung an das bestehende Fahrzeugbordnetz angeschlossen werden kann. Ein solcher Anschluß des vom restlichen Fahrzeug durch eine drehbare Verbindung getrennten Bereiches des Rades an das Fahrzeugbordnetz müßte sonst zum Beispiel durch Schleifkontakte im Bereich der Radachse erfolgen. Dies setzt jedoch einen erhöhten konstruktiven Aufwand voraus und ist nach der Fahrzeugfertigstellung nicht ohne weiteres nachrüstbar. Eine andere Möglichkeit bestünde darin, eine von dem Fahrzeugbordnetz getrennte Elektronik bereitzustellen. Damit verbunden ist allerdings die Notwendigkeit eine Batterie im Fahrzeugradbereich bereitzustellen und diese gegebenenfalls zu wechseln. Diese Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung vermieden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Energiewandler eine entsprechende elektronische Installation auf, wobei eines von dem äußeren oder dem inneren Element wenigstens einen Magneten umfaßt und das andere der beiden Elemente wenigstens eine Induktionsspule umfaßt. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, wenn das äußere Element einen oder mehrere Magneten umfaßt und das innere Element eine Induktionsspule umfaßt. Die umgekehrte Anordnung ist jedoch ebenfalls möglich.
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Vorteilhaft ist es, wenn eines von dem äußeren oder inneren Element wenigstens einen Energiespeicher umfaßt. Der Betrieb eines Fahrzeuges ist vor allem im städtischen Bereich dadurch gekennzeichnet, daß ein konstantes Fahrtempo selten dauerhaft aufrechterhalten wird. Speziell bei großem Verkehrsaufkommen wechseln sich Fahrabschnitte mit relativ konstantem Tempo mit Beschleunigungsphasen, Verzögerungsphasen und Haltephasen ab. Um zu gewährleisten, daß die vom Hauptnetz unabhängige Energieversorgung auch in Phasen möglich ist, in denen keine Relativbewegung zwischen äußerem und innerem Teil vorliegt, ist es vorteilhaft, wenn eines von dem äußeren oder dem inneren Element wenigstens einen Energiespeicher umfaßt. Dabei ist es in vielen Fällen vorteilhaft, wenn der Energiespeicher bei dem Element vorhanden ist, das auch die Lichtquelle und gegebenenfalls den Leuchtkörper umfaßt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfaßt eines von dem äußeren oder dem inneren Element wenigstens eine Elektronikeinheit. Für eine vom Hauptnetz getrennte Energieversorgung im Fahrzeugradbereich ist es wünschenswert, daß die gesamte zur Stromerzeugung notwendige elektronische Installation im Bereich des Energiewandlers vorliegt. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn eines von dem äußeren oder dem inneren Element wenigstens eine Elektronikeinheit umfaßt. Dabei ist es in vielen Fällen vorteilhaft, wenn die Elektronikeinheit bei dem Element vorhanden ist, das auch die Lichtquelle und gegebenenfalls den Leuchtkörper umfaßt.
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Vorteilhaft ist es, wenn auf dem Leuchtkörper wenigstens ein Bildelement anbringbar oder angebracht ist. Das Bildelement kann Bilder und/oder Schriften enthalten. Es wird durch die Lichtquelle direkt oder indirekt beleuchtet. Das Bildelement kann ein Schmuckelement, ein Zierelement, ein Werbeelement, ein Firmenlogo, ein Vereinsemblem oder ein sonstiges Bildelement umfassen oder daraus bestehen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeugrad, das einen erfindungsgemäßen Energiewandler umfaßt, und ein Fahrzeug mit einem oder mehreren derartigen Energiewandlern oder Fahrzeugrädern.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Fahrzeugrad in einer Seitenansicht,
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2 eine Seitenansicht des Energiewandlers,
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3 eine Querschnittsansicht des Energiewandlers,
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4 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Energiewandlers und
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5 eine Querschnittsansicht des Energiewandlers gemäß 4.
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1 zeigt ein Fahrzeugrad 1 mit einer Felge 2 und einem Reifen 3 in einer Seitenansicht. In der Mitte der Felge befindet sich der Energiewandler 4, dessen Sichtfläche 14 dem Betrachter zugewandt ist. Die Sichtfläche 14 ist kreisförmig. Sie füllt den Nabenbereich der Felge 2 aus. Die Sichtfläche 14 verläuft in vertikaler Richtung. Es ist allerdings auch möglich, daß die Sichtfläche des Energiewandlers im mittleren Bereich einer Radkappe angeordnet ist. Die Sichtfläche kann den mittleren Bereich der Radkappe ausfüllen (in der Zeichnung nicht dargestellt).
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Wie aus 2 und 3 ersichtlich umfaßt der Energiewandler 4 ein äußeres Element 5 und ein inneres Element 6. Das äußere Element 5 weist eine im wesentlichen zylinderförmige Außenfläche auf, an der eine Stufe 7 vorgesehen ist, die als Anschlagfläche dienen kann. Ferner umfaßt das äußere Element 5 ein Basisteil 8, das rechtwinklig zur Längsachse 9 des äußeren Elements 5 verläuft. An dem Basisteil 8 sind zehn Magnete 10 befestigt, die gleichmäßig über den Umfang des Basisteils 8 verteilt sind. Ferner ist in dem Basisteil 8 eine Lagerbohrung vorhanden, in der eine Welle 11 drehbar gelagert ist. Die Längsachse und Drehachse der Welle 11 ist mit der Längsachse 9 des äußeren Elements 5 identisch.
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Das innere Element 6 umfaßt ein Lagerteil 12 und einen Leuchtkörper 13. Das Lagerteil 12 ist fest mit der Welle 11 verbunden. Es umfaßt ein Ankerteil 15, das sich von der Welle 11 weg erstreckt, so daß der Schwerpunkt des Lagerteils 12 von der Längsachse 9 der Welle 11 versetzt ist. Im Ruhezustand erstreckt sich das Ankerteil 15 von der Längsachse 9 nach unten. Seine äußere Endfläche 16 ist bogenförmig ausgestaltet. Das Ankerteil 15 erweitert sich in der aus 2 ersichtlichen Weise nach außen.
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In dem Ankerteil 15 des Lagerteils 12 sind eine Elektronikeinheit 17, eine Batterie 18 und eine Induktionsspule 19 angeordnet.
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Durch die Relativbewegung der Induktionsspule 19 gegenüber den Magneten 10 wird elektrische Energie erzeugt. Durch die Elektronikeinheit 17 wird diese elektrische Energie verbrauchergerecht verformt. Durch die Batterie 18 kann die elektrische Energie gespeichert und/oder geglättet werden.
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Der Leuchtkörper 13 umfaßt ein Mittelteil 20 und die Sichtfläche 14. Das Mittelteil 20 ist mit der Welle 11 und/oder mit dem Lagerteil 12 fest verbunden. Das Mittelteil 20 und die Sichtfläche 14 des Leuchtkörpers 13 sind einstückig ausgestaltet. An dem Mittelteil 20 des Leuchtkörpers 13 sind drei Lichtquellen 21 angeordnet. Bei den Lichtquellen 21 handelt es sich insbesondere um Leuchtdioden. Sie sind gleichmäßig über den Umfang des Mittelteils 20 des Leuchtkörpers 13 verteilt. Der Leuchtkörper 13 ist vorzugsweise aus einem transparenten Material hergestellt. Er ist vorzugsweise aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem transparenten Kunststoff, hergestellt.
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Der Massenschwerpunkt des äußeren Elements 5 befindet sich im Bereich der Drehachse 9, während der Massenschwerpunkt des inneren Elements 6 im Bereich der Batterie 18 liegt und damit deutlich versetzt von der Drehachse 9 ist. Der Versatz zwischen den Massenschwerpunkten von äußerem Element 5 und innerem Element 6 führt zu dem gewünschten Gegendrehmoment, das eine Relativdrehung zwischen dem äußeren Element 5 und dem inneren Element 6 ermöglicht.
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4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Energiewandlers, bei dem übereinstimmende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind und nicht erneut beschrieben werden.
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Bei der Ausführungsform nach 4 und 5 sind die Magnete 10 im zylinderförmigen Teil des äußeren Elements 5 angeordnet. Sie befinden sich in Vertiefungen, die in der Innenfläche des zylinderförmigen Teils des äußeren Elements 5 vorgesehen sind. Die Magnete 10 sind gleichmäßig über den Umfang des zylinderförmigen Teils des äußeren Elements 5 verteilt.
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Die Induktionsspule 19 ist an dem Ankerteil 15 des inneren Elements 6 angeordnet. Sie verläuft in einem rechten Winkel zur Längsachse 9 und im Abstand von dieser Längsachse 9.
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Durch die Erfindung wird eine interne Energieversorgung von um die eigene Achse drehenden Teilen ermöglicht. Der Energiewandler umfaßt ein drehendes Teil, das sich um seine eigene Achse dreht, und ein stehendes Teil, das in dem drehenden Teil in der Drehachse gelagert ist. Das drehbar gelagerte stehende Teil bleibt durch seinen von der Drehachse versetzten Schwerpunkt in seiner Lage, wenn sich das drehende Teil dreht, wobei allerdings eine begrenzte Pendelbewegung infolge der Reibungskraft in der Lagerung möglich ist. Durch die Lichtquelle, insbesondere die Leuchtdioden, wird der Leuchtkörper mit seiner Sichtfläche beleuchtet. Die Sichtfläche kann einen Informationsträger aufweisen.
